本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種檢測(cè)被測(cè)介質(zhì)流量的流量傳感器、流量計(jì)及流量檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

在流量計(jì)量過程中，常用的流量檢測(cè)方法一般是基于溫度差的檢測(cè)方法。溫度差檢測(cè)方法的工作原理是在流量傳感器的中間設(shè)置一個(gè)加熱元件，通過溫控電路來控制加熱元件以保持與被測(cè)介質(zhì)的溫度差恒定。還在加熱元件的上游和下游設(shè)置一對(duì)對(duì)稱的檢測(cè)電阻。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)(例如氣體)從加熱元件上方以層流狀態(tài)經(jīng)過時(shí)，由于受到被測(cè)介質(zhì)的流動(dòng)方向的影響，上游檢測(cè)電阻的溫度會(huì)有所降低，而下游檢測(cè)電阻的溫度會(huì)有所升高，即：溫度場(chǎng)會(huì)發(fā)生遷移，導(dǎo)致兩個(gè)檢測(cè)電阻之間形成溫度差ΔT。對(duì)應(yīng)于不同種類和不同流量的被測(cè)介質(zhì)，檢測(cè)電阻之間所形成的溫度差ΔT不同。利用在不同溫度下檢測(cè)電阻對(duì)應(yīng)的電阻值不同的特性，可以用兩個(gè)檢測(cè)電阻的電阻值的差值變化來體現(xiàn)檢測(cè)電阻之間的溫度差ΔT，兩個(gè)檢測(cè)電阻電阻值的差值變化又可以轉(zhuǎn)化為差分電壓的形式輸出，從而實(shí)現(xiàn)將被測(cè)介質(zhì)流量所引起的兩個(gè)檢測(cè)電阻產(chǎn)生的溫度差轉(zhuǎn)化為一個(gè)差分電壓輸出，此差分電壓與被測(cè)介質(zhì)的流量為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖1所示，即可通過此差分電壓得出相對(duì)應(yīng)的被測(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量。

在實(shí)際應(yīng)用中，如圖2所示，通常采用惠斯通電橋電路測(cè)量傳感器的上述差分電壓ΔU來代表兩個(gè)檢測(cè)電阻R1和R2的溫度差ΔT。但是，采用惠斯通電橋存在的一個(gè)問題是，除了由被測(cè)介質(zhì)的流動(dòng)方向所引起的兩個(gè)檢測(cè)電阻R1和R2溫度不同使得二者的電阻值會(huì)發(fā)生變化之外，被測(cè)介質(zhì)本身溫度的不同也會(huì)引起兩個(gè)檢測(cè)電阻R1和R2的電阻值變化。由于惠斯通電橋中的固定電壓U0不變，因此兩個(gè)檢測(cè)電阻R1和R2的電阻值變化會(huì)使得流經(jīng)檢測(cè)電阻R1和R2的電流發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)引起差分電壓ΔU的改變，即當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的溫度不同時(shí)，所輸出的差分電壓ΔU中還包括了由被測(cè)介質(zhì)的溫度所引起的變化，因此使差分電壓ΔU并不能真正的代表被測(cè)介質(zhì)的流量。

一般可以采用溫度補(bǔ)償系數(shù)的方法來消除被測(cè)介質(zhì)的溫度對(duì)流量檢測(cè)所帶來的影響，但是溫度補(bǔ)償系數(shù)的方法比較復(fù)雜，且不能滿足流量計(jì)量過程中對(duì)計(jì)量精度的要求。

針對(duì)相關(guān)技術(shù)中被測(cè)介質(zhì)的溫度影響流量檢測(cè)結(jié)果、進(jìn)而影響計(jì)量精度的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)相關(guān)技術(shù)中被測(cè)介質(zhì)的溫度影響流量檢測(cè)結(jié)果、進(jìn)而影響計(jì)量精度的問題，本發(fā)明提出一種檢測(cè)被測(cè)介質(zhì)流量的流量傳感器、流量計(jì)及流量檢測(cè)方法，能夠避免被測(cè)介質(zhì)的溫度影響流量檢測(cè)結(jié)果的問題，從而保證流量計(jì)量的精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種流量傳感器，包括：加熱元件以及一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)單元；其中，檢測(cè)單元包括：上游檢測(cè)電阻、下游檢測(cè)電阻、與上游檢測(cè)電阻串聯(lián)連接的第一恒流源、和與下游檢測(cè)電阻串聯(lián)連接的第二恒流源；上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻分別設(shè)置于被測(cè)介質(zhì)的流通路徑的上游側(cè)和下游側(cè)，加熱元件設(shè)置于上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻之間。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，檢測(cè)單元還包括：差分電壓輸出端口，用于輸出差分電壓；其中，差分電壓輸出端口的第一輸出節(jié)點(diǎn)連接至上游檢測(cè)電阻Ru的第一端，差分電壓輸出端口的第二輸出節(jié)點(diǎn)連接至下游檢測(cè)電阻Rd的第一端，上游檢測(cè)電阻Ru的第二端和下游檢測(cè)電阻Rd的第二端連接至接地端。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，檢測(cè)單元還包括：上拉電阻器，上拉電阻器為低溫度漂移電阻，上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻均經(jīng)由上拉電阻器連接至接地端。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一恒流源輸出的第一恒定電流與第二恒流源輸出的第二恒定電流的電流值相等。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，流量傳感器為MEMS傳感器。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一恒流源輸出的第一恒定電流與第二恒流源輸出的第二恒定電流的電流值均在100μA-300μA以內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上拉電阻器的電阻值在500Ω-2000Ω以內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種流量計(jì)，包括：上述流量傳感器；以及處理模塊，與流量傳感器連接，用于根據(jù)差分電壓得到被測(cè)介質(zhì)流量。

根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種流量檢測(cè)方法，包括：為上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻提供恒定電流；利用恒定電流生成與被測(cè)介質(zhì)流量相關(guān)的差分電壓；根據(jù)差分電壓得到被測(cè)介質(zhì)流量。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，根據(jù)差分電壓得到被測(cè)介質(zhì)流量包括：獲取差分電壓與被測(cè)介質(zhì)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系和差分電壓得到被測(cè)介質(zhì)流量。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，獲取差分電壓與被測(cè)介質(zhì)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系包括：獲取多個(gè)確定被測(cè)介質(zhì)流量下對(duì)應(yīng)的多個(gè)標(biāo)定差分電壓；根據(jù)被測(cè)介質(zhì)流量和標(biāo)定差分電壓得到對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中對(duì)應(yīng)關(guān)系為線性關(guān)系。

本發(fā)明通過設(shè)置恒流源為檢測(cè)電阻提供恒定電流，能夠避免被測(cè)介質(zhì)的溫度對(duì)流量檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，保證了流量計(jì)量的精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1現(xiàn)有技術(shù)中檢測(cè)電阻間的差分電壓與被測(cè)介質(zhì)的質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)采用惠斯通電橋電路測(cè)量差分電壓的原理圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流量傳感器的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的流量傳感器的檢測(cè)單元的電路示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的流量傳感器的檢測(cè)單元的電路示意圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流量檢測(cè)方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種流量傳感器。

同時(shí)參考圖3、圖4和圖5所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流量傳感器包括：加熱元件Rh以及一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)單元100；其中，檢測(cè)單元100包括：上游檢測(cè)電阻Ru、下游檢測(cè)電阻Rd、串聯(lián)連接于上游檢測(cè)電阻Ru的第一恒流源Is1、和串聯(lián)連接于下游檢測(cè)電阻Rd的第二恒流源Is2；上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd分別設(shè)置于被測(cè)介質(zhì)的流通路徑的上游側(cè)和下游側(cè)，加熱元件設(shè)置于上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd之間。

第一恒流源Is1和第二恒流源Is2用于為上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd分別提供恒定的電流，以得到上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd利用恒定電流生成的與被測(cè)介質(zhì)流量相關(guān)的差分電壓。恒流源是指能夠提供恒定電流的電路，恒流源的特點(diǎn)是不因環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化，能夠保證輸出的電流穩(wěn)定。因此上述差分電壓中不包括由被測(cè)介質(zhì)的溫度所引起的變化，即能夠使被測(cè)介質(zhì)的溫度不對(duì)流量檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，保證了流量計(jì)量的精度。

具體地，如圖3所示，當(dāng)管道200中有被測(cè)介質(zhì)按照?qǐng)D中箭頭所示的方向流動(dòng)時(shí)，由于被測(cè)介質(zhì)流經(jīng)加熱元件Rh時(shí)帶走了加熱元件Rh產(chǎn)生的熱量并傳遞給下游檢測(cè)電阻Rd，因此能夠?qū)е录訜嵩h的上游檢測(cè)電阻Ru的電阻值減小，下游檢測(cè)電阻Rd的電阻值增大；而由于高精度低溫漂的第一恒流源Is1和第二恒流源Is2分別施加在上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd上的第一恒定電流I_u和第二恒定電流I_d不變，則根據(jù)歐姆定律得到對(duì)應(yīng)的電壓值u_u和u_d，進(jìn)而能夠得到上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd之間的差分電壓Δu。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，同時(shí)參考圖4和圖5，檢測(cè)單元100還包括差分電壓輸出端口，用于輸出差分電壓；其中，差分電壓輸出端口的第一輸出節(jié)點(diǎn)連接至上游檢測(cè)電阻Ru的第一端，差分電壓輸出端口的第二輸出節(jié)點(diǎn)連接至下游檢測(cè)電阻Rd的第一端，上游檢測(cè)電阻Ru的第二端和下游檢測(cè)電阻Rd的第二端連接至接地端。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一恒流源Is1輸出的第一恒定電流I_u與第二恒流源Is2輸出的第二恒定電流I_d的電流值相等。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一恒流源Is1輸出的第一恒定電流I_u與第二恒流源Is2輸出的第二恒定電流I_d的電流值均在100μA-300μA以內(nèi)。

優(yōu)選地，第一恒定電流I_u和第二恒定電流I_d的電流值均為200μA。

通過高精度低溫漂的第一恒流源Is1和第二恒流源Is2分別對(duì)上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd提供恒定的電流，為了避免因電流過大而導(dǎo)致上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd自身發(fā)熱、從而不能真實(shí)地反映流動(dòng)的被測(cè)介質(zhì)傳遞的溫度，因此需要對(duì)上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd均施加電流值較小的電流。根據(jù)上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd的不同，施加的電流也會(huì)有所不同。具體地，當(dāng)上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd的電阻值較大時(shí)，可以施加電流值相對(duì)較小的電流；而當(dāng)上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd的電阻值較小時(shí)，則可以施加電流值相對(duì)較大的電流。否則，電流太大，可能會(huì)引起上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd本身發(fā)熱；電流太小，則可能又會(huì)使得檢測(cè)單元100輸出的差分電壓Δu過小，影響測(cè)量精準(zhǔn)度。因此可對(duì)上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd施加電流值均在100μA-300μA以內(nèi)的第一恒定電流I_u和第二恒定電流I_d。優(yōu)選地，第一恒定電流I_u和第二恒定電流I_d的電流值均為200μA。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，流量傳感器為MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng))傳感器。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還包括：模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，連接于一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)單元100，用于將差分電壓由模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量?？蛇x地，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為24位AD采樣模塊。通過高精度的24位AD采樣模塊來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可得到輸出的差分電壓Δu與被測(cè)介質(zhì)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如圖5所示，檢測(cè)單元100還包括：上拉電阻器Rs，上拉電阻器Rs為低溫度漂移電阻，上游檢測(cè)電阻Ru和下游檢測(cè)電阻Rd均經(jīng)由上拉電阻器Rs連接至接地端。低溫漂電阻指電阻值隨溫度變化小的電阻。上拉電阻器Rs的主要目的是為了抬高輸出的差分電壓Δu，以便于滿足某些24位AD采樣模塊對(duì)最低采樣輸入電壓的要求。若使用的AD采樣模塊沒有最低采樣輸入電壓的要求，則不需要設(shè)置上拉電阻器Rs。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上拉電阻器Rs的電阻值在500Ω-2000Ω以內(nèi)。

優(yōu)選地，上拉電阻器Rs的電阻值為1000Ω。具體地，可根據(jù)差分電壓Δu需要被太高的需求，設(shè)置上拉電阻器Rs的電阻值。例如，當(dāng)上拉電阻器Rs為1000Ω、第一恒定電流I_u和第二恒定電流I_d的電流值均為200μA時(shí)，可以將差分電壓Δu的對(duì)地電壓抬高400mV左右。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還提供了一種流量計(jì)，包括：上述流量傳感器以及處理模塊；處理模塊與流量傳感器連接，可以用于根據(jù)差分電壓得到被測(cè)介質(zhì)流量。通過處理模塊可以使流量計(jì)直接輸出被測(cè)介質(zhì)的流量。

可選地，處理模塊可以包括獲取模塊，用于獲取差分電壓與被測(cè)介質(zhì)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；以及生成與輸出模塊，用于根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系和差分電壓得到并輸出被測(cè)介質(zhì)流量。

進(jìn)一步地，上述獲取模塊可以包括：第一子模塊，用于獲取多個(gè)確定被測(cè)介質(zhì)流量下對(duì)應(yīng)的多個(gè)標(biāo)定差分電壓；以及第二子模塊，用于根據(jù)被測(cè)介質(zhì)流量和標(biāo)定差分電壓得到對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中對(duì)應(yīng)關(guān)系為線性關(guān)系。

如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，又提供了一種流量檢測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟S110，為上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻提供恒定電流；

步驟S120，利用恒定電流生成與被測(cè)介質(zhì)流量相關(guān)的差分電壓；

步驟S130，根據(jù)差分電壓得到被測(cè)介質(zhì)流量。

在步驟S110中，可以分別通過第一恒流源和第二恒流源為上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻提供恒定電流；在步驟S120中上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻利用此恒定電流生成與被測(cè)介質(zhì)流量相關(guān)的差分電壓，因此該差分電壓中不包括由被測(cè)介質(zhì)的溫度所引起的變化，即能夠使被測(cè)介質(zhì)的溫度不對(duì)流量檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，保證了流量計(jì)量的精度。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，步驟S130可包括以下步驟：

步驟S131，獲取差分電壓與被測(cè)介質(zhì)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

步驟S132，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系和差分電壓得到被測(cè)介質(zhì)流量。

進(jìn)一步地，步驟S131可包括以下步驟：

獲取多個(gè)確定被測(cè)介質(zhì)流量下對(duì)應(yīng)的多個(gè)標(biāo)定差分電壓；

根據(jù)被測(cè)介質(zhì)流量和標(biāo)定差分電壓得到對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中對(duì)應(yīng)關(guān)系為線性關(guān)系。

下面對(duì)步驟S130進(jìn)行具體說明。可通過不同氣體質(zhì)量流量下的q_m對(duì)應(yīng)的Δu的關(guān)系完成標(biāo)定，可以發(fā)現(xiàn)利用恒流源，差分電壓信號(hào)Δu和被測(cè)介質(zhì)流量q_m成線性關(guān)系。

根據(jù)歐姆定律，可推導(dǎo)出差分電壓Δu的表達(dá)式為：

Δu＝u_d－u_u＝(I_dR_d－I_uR_u)

優(yōu)選地，設(shè)定I_u＝I_d＝I，差分電阻ΔR＝R_d－R_u，則有：

Δu＝u_d－u_u＝I(R_d－I_u)＝IΔR，

因此有：

ΔR＝Δu/I

進(jìn)一步地，上游檢測(cè)電阻的電阻值R_u和上游檢測(cè)電阻的溫度T_u的關(guān)系、下游檢測(cè)電阻的電阻值R_d和下游檢測(cè)電阻的溫度T_d的關(guān)系可分別表示為：

R_u＝R_u0(1+a_uT_u)；R_d＝R_d0(1+a_dT_d)

其中，R_u0和R_d0分別為上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻在零攝氏度時(shí)的電阻值，a_u和a_d分別為上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻的溫度系數(shù)；所以上述表達(dá)式又可推導(dǎo)為：

Δu＝I(R_d0+R_d0a_dT_d－R_u0－R_u0a_uT_u)

又因?yàn)镽_u＝R_d＝R₀、a_d＝a_u＝a，故：

R_u＝R_u0(1+aT_u)，R_d＝R_d0(1+aT_d)；

加熱元件的上游檢測(cè)電阻和下游檢測(cè)電阻的溫度差T_d－T_u＝ΔT，則：

Δu＝IR₀a(T_d－T_u)＝IR₀aΔT；(1)

其中，I、R₀、a均為固定常數(shù)，可設(shè)定k＝IR₀a，則將ΔT＝Δu/IR₀a代入關(guān)系式(1)可得質(zhì)量流量q_m為：

由此可以看出通過理論推導(dǎo)，證明采用恒流源電路的方法得到的差分電壓Δu只與被測(cè)量介質(zhì)的質(zhì)量流量qm對(duì)應(yīng)相關(guān)，而與測(cè)量介質(zhì)的溫度變化無關(guān)。

進(jìn)一步地，對(duì)G4型MEMS家用表進(jìn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證也證實(shí)了本發(fā)明的正確性。如表1所示，為采用現(xiàn)有技術(shù)中的惠斯通電橋電路的G4型MEMS家用表的測(cè)試數(shù)據(jù)，表2所示為采用本發(fā)明的流量傳感器的G4型MEMS家用表的測(cè)試數(shù)據(jù)。

由表1和表2中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí)，采用現(xiàn)有技術(shù)與采用本發(fā)明的流量傳感器得到的檢測(cè)結(jié)果的誤差均較小，但是當(dāng)環(huán)境溫度較低(例如0℃)或者較高(例如40℃)時(shí)，采用本發(fā)明的流量傳感器得到的檢測(cè)結(jié)果的誤差明顯低于采用現(xiàn)有技術(shù)得到的檢測(cè)結(jié)果的誤差。進(jìn)一步說明，本發(fā)明能夠避免現(xiàn)有技術(shù)中被測(cè)介質(zhì)的溫度對(duì)流量檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，提高了計(jì)量精度。

表1

表2

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。