一種雙反饋氣體流量傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙反饋氣體流量傳感器，包括：氣流探頭、差分放大電路、調(diào)理電路、補償電路、控制器和功率放大電路。本發(fā)明使用控制器輸出兩路PWM波給功率放大電路進而調(diào)控反饋電流的大小，而不是直接利用差分模擬電路進行電流的反饋，在控制器中設(shè)置相應(yīng)的控制算法輸出合適的反饋量，避免了模擬電路反饋量過大或過小、多次反饋、響應(yīng)速度慢的缺點，有助于實現(xiàn)電橋的快速平衡，極大地改善了傳感器的動態(tài)性能。同時本發(fā)明根據(jù)管道內(nèi)的氣體壓強對體積流量進行實時修正，從而得到實際工況下精確的氣體體積流量值，消除了因為氣壓變化造成的測量誤差，滿足工業(yè)生產(chǎn)測量對體積流量計的精度要求。
【專利說明】一種雙反饋氣體流量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體流量傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雙反饋氣體流量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前氣體流量測量方法按照測量原理可以分成四大類，分別是差壓式流量計、速度式流量計、容積式流量計和質(zhì)量流量計。按照氣體流量的輸出類型又可以簡單分為氣體體積流量計和氣體質(zhì)量流量計。由于氣體的體積是溫度和壓力的函數(shù)，并受介質(zhì)溫度、壓力的影響，因此氣體體積流量的測量精度往往不高；而氣體的質(zhì)量不隨時間、溫度、壓力變化而變化，所以氣體質(zhì)量流量的測量結(jié)果比較準確。但是在一些實際應(yīng)用中，往往需要的是高精度的氣體體積流量。
[0003]熱式氣體質(zhì)量流量計是一種常見的質(zhì)量流量計，它的工作原理是基于加熱元件在氣體流動中的熱傳遞。氣體流過加熱元件時，加熱元件散失的熱量與氣體流量和環(huán)境溫度有關(guān)。目前使用的熱式質(zhì)量流量計大多是保持加熱元件表面溫度恒定，根據(jù)電流的變化來得到氣體的流量，被稱為恒溫式熱式質(zhì)量流量計。
[0004]傳統(tǒng)的恒溫式質(zhì)量流量計的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個流速探頭和一個溫度探頭，分布在惠思頓電橋的兩臂，通過差分模擬電路的反饋改變電橋中的電流實現(xiàn)流速探頭的溫度恒定。溫度探頭用于對流體介質(zhì)的溫度進行補償，避免流量測量結(jié)果在流量恒定時受氣體溫度的影響。恒溫型質(zhì)量流量計的測量電路具有易于使用，頻率響應(yīng)高，低噪聲等一系列優(yōu)點，因此使用廣泛。但在汽車等應(yīng)用領(lǐng)域中，熱式流量計的響應(yīng)速度仍不能滿足要求，需要進一步改善。
[0005]傳統(tǒng)的熱式流量計在動態(tài)性能方面主要存在以下問題:一是采用差分模擬電路實現(xiàn)電流反饋，差分反饋量易受外界因素干擾，常出現(xiàn)反饋電流量太多、太少的情況，從而使得電橋達到平衡的時間由于多次反饋而變長；二是溫度探頭使用的溫度補償鉬電阻RS阻值較大，在電橋重新平衡過程中，通過溫度補償電阻RS的電流變化量遠小于通過測量鉬電阻RH的電流變化量，兩者的電壓差值較小，電橋的響應(yīng)速度慢，動態(tài)性能較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種雙反饋氣體流量傳感器，通過氣體質(zhì)量流量的測量方法獲得氣體的體積流量，并根據(jù)管道內(nèi)的氣壓修正得到實際工況下高精度的體積流量值，在反饋回路中使用微處理單元避免單一差分模擬電路易受夕卜界干擾、響應(yīng)速度慢的缺點，并額外增加一條反饋回路增大電橋平衡過程中溫度補償元件的電壓，改善傳感器的動態(tài)性能，測量精度高。
[0007]—種雙反饋氣體流量傳感器，包括:
[0008]氣流探頭，用于采集氣體管道內(nèi)氣體的流量信號和壓強信號，其包括安裝于氣體管道內(nèi)的測量電阻、溫度補償電阻和壓強感應(yīng)元件；其中，測量電阻電壓即為流量信號，壓強感應(yīng)元件輸出所述的壓強信號；[0009]差分放大電路，用于對測量電阻電壓和溫度補償電阻電壓進行差分放大，得到差分放大信號；
[0010]調(diào)理電路，用于對所述的壓強信號進行調(diào)理整形；
[0011]補償電路，其與測量電阻和溫度補償電阻相連以共同形成惠思頓電橋，用于對測量電阻電壓進行溫度補償；
[0012]控制器，用于根據(jù)所述的差分放大信號構(gòu)造出兩路PWM信號，進而根據(jù)補償后的測量電阻電壓以及調(diào)理整形后的壓強信號，計算出氣體管道內(nèi)的氣體流量；
[0013]功率放大電路，用于對兩路PWM信號進行功率放大后以驅(qū)動控制所述的補償電路。
[0014]所述的測量電阻和溫度補償電阻均采用鉬電阻。所述的控制器采用微處理器。
[0015]所述的補償電路包括兩個三極管Ql~Q2和三個電阻Rl~R3 ;其中，三極管Ql的集電極與電阻Rl的一端和三極管Q2的集電極相連并接電源電壓VCC，三極管Ql的發(fā)射極與電阻R2的一端和溫度補償電阻的一端相連，溫度補償電阻的另一端接地，三極管Q2的發(fā)射極與電阻Rl的另一端、電阻R2的另一端和電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與測量電阻的一端相連，測量電阻的另一端接地；兩個三極管Ql~Q2的基極分別接收兩路經(jīng)功率放大后的PWM信號。
[0016]所述的控制器根據(jù)以下算式計算氣體管道內(nèi)的氣體流量:
【權(quán)利要求】
1.一種雙反饋氣體流量傳感器，其特征在于，包括: 氣流探頭，用于采集氣體管道內(nèi)氣體的流量信號和壓強信號，其包括安裝于氣體管道內(nèi)的測量電阻、溫度補償電阻和壓強感應(yīng)元件；其中，測量電阻電壓即為流量信號，壓強感應(yīng)元件輸出所述的壓強信號； 差分放大電路，用于對測量電阻電壓和溫度補償電阻電壓進行差分放大，得到差分放大信號； 調(diào)理電路，用于對所述的壓強信號進行調(diào)理整形； 補償電路，其與測量電阻和溫度補償電阻相連以共同形成惠思頓電橋，用于對測量電阻電壓進行溫度補償； 控制器，用于根據(jù)所述的差分放大信號構(gòu)造出兩路PWM信號，進而根據(jù)補償后的測量電阻電壓以及調(diào)理整形后的壓強信號，計算出氣體管道內(nèi)的氣體流量； 功率放大電路,用于對兩路PWM信號進行功率放大后以驅(qū)動控制所述的補償電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的測量電阻和溫度補償電阻均采用鉬電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的控制器采用微處理器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的補償電路包括兩個三極管Ql~Q2和三個電阻Rl~R3 ;其中，三極管Ql的集電極與電阻Rl的一端和三極管Q2的集電極相連并接電源電壓VCC，三極管Ql的發(fā)射極與電阻R2的一端和溫度補償電阻的一端相連，溫度補償電阻的另一端接地，三極管Q2的發(fā)射極與電阻Rl的另一端、電阻R2的另一端和電阻R3的一端相連，電阻R3的另一端與測量電阻的一端相連，測量電阻的另一端接地；兩個三極管Ql~Q2的基極分別接收兩路經(jīng)功率放大后的PWM信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的控制器根據(jù)以下算式計算氣體管道內(nèi)的氣體流量:
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的控制器根據(jù)以下控制策略確定PWM信號SI的占空比，進而構(gòu)造并輸出PWM信號SI以對三極管Ql進行控制: 當管道內(nèi)沒有氣體流過時，則|e(t)| ≤ τ , a j(t) = a ； 當管道內(nèi)有氣體流過時，若|e(t)-e(t-l) I ≤ τ，則α工⑴=a i (t_l)；若|e(t)-e(t_l) I > τ，則+ 0 ； 其中:e(t)和e(t-l)分別為當前時刻和前一時刻差分放大信號的信號值，ai(t)和a Jt-1)分別為當前時刻和前一時刻PWM信號SI的占空比，a為預(yù)設(shè)的占空比，η為預(yù)設(shè)的比例系數(shù)，τ為預(yù)設(shè)的精度系數(shù)，iQ1(t)為當前時刻三極管Ql發(fā)射極的電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的電流iQ1(t)基于以下算式求得:
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的控制器根據(jù)以下控制策略確定PWM信號S2的占空比，進而構(gòu)造并輸出PWM信號S2以對三極管Q2進行控制: 當管道內(nèi)沒有氣體流過時，則|e(t)| ( τ，a 2(t) = a ； 當管道內(nèi)有氣體流過時，若|e(t)-e(t-l) I ( τ，則a 2 (t) = a 2 (t_l)；若|e(t)-e(t_l) I > τ，則 a 2 (t) = ω *iQ2 (t) + a ； 其中:e(t)和e(t-l)分別為當前時刻和前一時刻差分放大信號的信號值，a2(t)和a 2(t_l)分別為當前時刻和前一時刻PWM信號S2的占空比，a為預(yù)設(shè)的占空比，ω為預(yù)設(shè)的比例系數(shù)，τ為預(yù)設(shè)的精度系數(shù)，iQ2(t)為當前時刻三極管Q2發(fā)射極的電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體流量傳感器，其特征在于:所述的電流iQ2(t)基于以下算式求得:
【文檔編號】G01F1/68GK103884391SQ201410086809
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】楊家強, 楊磊 申請人:浙江大學(xué)