測溫式流速流量測量的方法和測溫式流速流量計電路的製作方法
2023-09-27 06:26:10 2
專利名稱：測溫式流速流量測量的方法和測溫式流速流量計電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種對流體的測溫式流速流量測量的方法和測溫式流速流量計電路，特別適用於煤氣、天然氣、自來水等用智能化控制的流速和流量的測量。
隨著人們在生活和工作中，對水、氣等流體控制的智能化水平的提高，流量計的要求隨之也不斷增加，出現了多種用電阻的溫度感應變化採集流體的流量和流速的數據的流量計。如目前廣泛應用於汽車行業中的鉑絲流量傳感器，利用電源對鉑絲加熱後，氣流通過鉑絲致使鉑絲溫度降低，鉑絲組成的電橋失衡，為保證電橋的平衡不斷地對鉑絲增大電流，再通過對電流的數據採集、換算得到氣流的流量和流速。在北京理工大學出版社2000年7月出版的《汽車用傳感器》(作者董光軍)中，第53頁第三章的3.3「空氣流量傳感器」一節介紹的一種「熱絲式空氣流量傳感器」就是屬於上述的流量傳感器技術。
另外1989年3月22日公告的CN2034684U的中國實用新型專利說明書就公開了一種「全電子氣體流量計」，它採用旁熱式熱敏電阻在氣流中的溫度變化，引起電路電橋失衡，從而對氣體的溫度進行檢測。採用這種流量計在測量過程中需要對熱敏電阻不斷加一個電流，才能保證電橋的平衡，因此耗電量很大，成本高。
為克服以上缺點，本發明的目的在於提供一種利用熱物體溫度下降與流體流速之間的規律，對流體的流速和流量進行測量的方法，同時還提供了實現該方法的電路。
本發明是這樣實現的測溫式流速流量測量的方法，包括測量電阻，利用時間記數電路測量出經加溫後的測溫電阻在流體中的溫度下降的降溫曲線，從而確定流體的流速和流量。
測溫電阻的加熱方式為周期性間斷加熱和周期性測量。
測溫式流速流量測量的方法，包括以下步驟(1)、通過電源對測量電阻R4加熱，使R4的溫度高於流體溫度；(2)、對R4-C電路的C進行充電，直至C充滿，C的電壓UC＝電源U0；(3)、R4-C電路進行放電，同時時間記數電路進行時間記數，測得C的電壓UC從某一設定值降到另一設定值所需的時間t；
(4)、根據UC/U0＝e(-t/RC)的函數關係，求得R4的電阻值R，通過T＝f1(R)的函數關係得到R4的瞬間溫度T；(5)、間隔一定時間Δt1後重複上述步驟，得到R4在另一時間的溫度，從而得到R4的溫度T隨時間t的變化曲線；(6)、根據流體流速V＝f2(ΔT)的函數關係，求得流體的流速和流量。
在上述的測溫式流速流量測量的方法中，還可以包括以下步驟(1)、對R3-C電路的C進行充電，直至C充滿，C的電壓UC＝電源U0；(2)、C通過R3-C電路的進行放電，同時時間記數電路進行時間記數，測得C的電壓UC從某一設定值降到另一設定值所需的時間t；(3)、根據UC/U0＝e(-t/RC)的函數關係，求得R3的電阻值R，通過T＝f1(R)或R3的電阻值與流體的溼度的函數關係得到R3的瞬間溫度T或溼度參數；(4)、通過測得的R3溫度或溼度參數對R4的冷卻曲線進行修正補償。
一種採用上述方法的測溫式流速流量計電路，其特徵在於由一個單片機組成的測溫式流速流量計電路，電源聯結在單片機的電源輸入埠，測量電阻R4的一端聯結在單片機的埠上，測量電阻R4的另一端聯結在標定電容C的一端，標定電容C的另一端接地，R4和C組成R4-C測量電路。
還可以將補償電阻R3的一端聯結在單片機的埠上，R3的另一端同R4的一端相連並共同接在標定電容C的一端，R3和C組成R3-C補償電路。補償電阻R3為溫敏電阻或/和溼敏電阻，每個補償電阻一端聯結在標定電容C上而另一端分別接在單片機上的相應埠上。
另外標定電阻R2的一端聯結在單片機的埠(21)上，R2的另一端同R4、R3的一端相連並共同接在標定電容C的一端，R2和C組成R2-C電路。
測溫電阻R4採用旁熱式加熱或直熱式加熱。
採用本發明的測溫式流速流量計，由於當無流體流過時，電路處於休眠狀態，加熱電阻處於間斷式的加熱，因此耗電量很小，節約大量電能。而且測溫電阻採用高靈敏度熱敏電阻，可以大幅度提高測量精度，其精度可達到1％-1‰。本發明的還具有結構簡單、成本低、不易損壞、安全可靠的優點。
另外採用本發明的流量計因為具有小溫差測量的特點，因此可以採用乾電池作為電源，具有防雷、抗幹擾、便於攜帶、安裝使用方便的優點。
下面結合附圖和測量方法對本發明進行詳細說明。
圖1是本發明測溫式流速流量計實施例的結構示意圖，圖2是圖1的I-I的局部放大圖，圖3是本發明測溫式流速流量計的電路方框圖，圖4是採用本發明測溫式流速流量測量的方法的測量電阻R4溫度變化曲線，圖5是採用本發明測溫式流速流量測量的方法的另一種測量電阻R4溫度變化曲線，圖6是補償電阻R3溫度變化曲線。
本發明的原理是流體流過熱物體時，帶走熱物體的熱量，使它冷卻，溫度降低，流體速度越大物體冷卻的越快。通過測出熱物體隨時間的冷卻規律，也就是測得了流體流速的大小，再經過電腦處理，就可以得到流體流速的具體值，當管道內徑截面積不變時，流體的流速和流量成正比，由此就可以測得流體的流速和流量。而在本發明中熱物體為高靈敏度測量電阻R4，R4的溫度變化受流體流速大小的影響而具有一定的規律。通過對R4-C電路的C放電過程中瞬間電壓UC與放電時間t的測定，由UC/U0＝e(-t/RC)的公式經單片機數字處理計算出R4的電阻值，在間隔一定的時間Δt後反覆多次測量R4的電阻值，根據T＝f1(R)得到其溫度T的變化曲線，流體的流速V又與R4的溫度T變化成函數關係，即V＝f2(ΔT)，通過流速再計算出流量，從而達到本發明的計量目的。
圖1是本發明的測溫式流速流量計的一種實施例的結構圖。流體的管道通路由進口管1、出口管3和中間管5組成。在進口管1上配置有控制閥2。控制閥2採用手動閥、電磁閥等，對整個管道的流體開啟、關閉和流量進行控制。在中間管5的管道密封內徑中，設置有一個補償電阻8，補償電阻8與外接的控制系統的的單片機聯結；在中間管5的管道內徑中，還設置有一個測溫組件6，該測溫組件6如圖2所示，由前端的加熱電阻9和測量電阻10構成並被可靠的封裝成一個組件，而且測溫組件與控制系統的的單片機聯結。其中補償電阻8和測量電阻10採用高靈敏度熱敏電阻，單片機可以採用美國德克薩斯儀器公司的MSP430F-1121系列的單片機。電源採用電池7，另外在流量計上還配置有顯示器4。
在圖3所示的電路中，R1-加熱電阻、R2-標定電阻、R3-補償電阻、R4-測量電阻、R5-電源迴路電阻、R6-排阻、C-標定電容、4-顯示器、7-電源、11-晶振、12-單片機。
由圖3所示，單片機12具有多個輸入、輸出接口；電源7聯結在單片機12的電源接口上，電源迴路電阻R5的一端聯結在電源7上，R5的另一端聯結在單片機12的另一接口上；LCD的DATA、WR、CS三個接頭分別接在單片機12的三個輸出接口上；R1的一端接在單片機12的接口上，另一端接地；R2、R3、和R4的一端分別聯結在單片機12的相應接口上，R2、R3和R4的另一端共同聯結在C的一端，C的另一端接地；R2和C組成的R2-C電路為測量電壓的標定電路，R3和C組成的R3-C電路為補償電路，R4和C組成的R4-C電路為測量電路。晶振11的兩端分別接在單片機的相應埠上，利用晶振11穩定、精確的振蕩頻率作為測量時間的時間記數電路，也可以採用其他具有震振蕩、脈衝功能的電路作為時間計數電路。另外單片機還可以留有信號輸出埠13、閥門控制埠14等。C是穩定的電容。R2採用精密電阻。R6是單片機12應用中常見的排阻。
在沒有流體流過管道時，單片機12處於休眠狀態。當流體由進口管1通過控制閥2進入管道，由其它另設的檢測元件獲得信號後喚醒單片機12，單片機系統進入工作狀態。其具體的測量步驟和作用為1、由電源經單片機提供的電壓U0使R1加熱，從而使R4的溫度上升到TR，TR＞T0，(其中T0為流體的溫度)電源斷電。
2、當R1斷電後，由電源經單片機提供的電壓對R4-C電路的C進行充電，直到C的電容電壓達到U0，然後對R4-C的電路斷電。
3、當R4-C電路斷電後，C在R4-C電路放電，C的電壓UC由U0開始下降，根據單片機自身的數字處理功能，當UC1/U0＝A時，單片機開始記數，直到UC2/U0＝B時為止，單片機測出UC/U0的比值從A到B的時間t0，C繼續放電直到放電完成，整個C的放電過程極短。(UC1和UC2為UC下降過程中的實際電壓，A、B的值根據需要由單片機確定，可以按A＝0.75 B＝0.25)4、根據UC/U0＝e(-t/RC)的關係，經單片機數字處理採集得到的數據求出R4的電阻值R，再通過T＝f1(R)的函數關係測得如圖4中所示的R4的瞬間溫度T1。
5、在間隔一定的時間Δt1，如2秒後，重複上述的2、3、4步驟又求得R4的另一瞬間溫度T2，如此循環的測量，又可以不斷的求的R4的瞬間溫度T3、T4、T5……，直到R4的溫度降到T0或設定的溫度界限Tc，從而得到如圖4所示的R4的溫度曲線。
6、根據V＝f2(ΔT)的函數關係，就可以求得流體在R4第一次加溫-冷卻周期內的流速和流量，完成對流體流速和流量的測量。
7、當R4的溫度降到T0或設定的溫度界限Tc後一定的時間Δt2，重新按以上的步驟對R4的電阻值和溫度進行測量，第二次求得R4的溫度曲線，並求得流體的流速和流量。如此循環重複就可以在流體流動的整個過程中不斷的測量其流速和流量，還可以檢測到流體流速和流量的波動，監控流體流速和流量的變化。
採用以上的測量方法，由於放電時間只與電容C上的電壓UC比值有關，而同電源電壓U0大小無關，所以排除了因電源電壓U0的波動引起的誤差。
本發明的測溫式流速流量測量的方法，還可以採用另一種測量方法和步驟得到如圖5所示的R4降溫曲線1、由電源經單片機提供的電壓U0使R1加熱，從而使R4的溫度上升到TR，TR＞T2＞T1＞T0(其中T2為設定檢測上限溫度，T1為設定檢測下限溫度，T0為流體溫度)，電源斷電。
2、由電源提供的電壓U0加在R2-C電路上，對C充電，當C充滿即UC＝U0後斷電，再通過C在R2-C電路放電，單片機開始記數，直到C放完，單片機計數終止。由於R2和C為已知的標定值，以及晶振得到的時間記數t，根據UC/U0＝e(-t/RC)，測出實際的電壓值為U。
3、當R2-C電路斷電後，由電源經單片機提供的電壓對R4-C電路的C進行充電，直到C的電容電壓達到U，然後對R4-C的電路斷電。
4、當流體流過R4的表面時，由於TR＞T0的原因，致使R4的溫度下降到T2時，單片機開始進行時間記數，此時R4-C電路的C開始放電，C的電壓為UC＝U，當C放完電後，C的電壓UC＝0，由單片機的時間記數得到C的放電時間t。
5、根據UC/U＝e(-t/RC)的關係，通過已知的C的電容值和時間t，經單片機數字處理得到採集的數據求出R4的電阻值R，再通過T＝f1(R)的函數關係測得如圖5中所示的R4的瞬間溫度T2。
6、在經過設定的時間Δt1，如3秒後，重複上述的3、4、5步驟又求得R4的另一瞬間溫度T3。如此循環的測量，又可以不斷的求的R4的瞬間溫度T4、T5、T6……，直到R4的溫度到T1，從而得到如圖5所示的R4的溫度曲線。
7、根據V＝f2(ΔT)的函數關係，就可以求得流體的流速和流量，完成對流體流速和流量的測量。
8、當R4的溫度降到T0或在設定的間隔時間Δt2後，重新按以上的步驟第二次求得R4的溫度曲線，並對流體的流速和流量進行的測量。如此循環重複也可以在流體流動的整個過程中不斷的測量其流速和流量。
在上述的兩種實施方法中，R4採用的是R1的旁熱式加熱方法，也可以取消R1，而通過電源電壓直接對R4進行直熱式加熱，也能滿足本發明的測量方法。
為了消除在整個測量過程中由於流體溫度、溼度變化對測量精度的影響，加設的補償電阻R3可以不斷的提供其修正補償值。R3由於處在流體中，而且R3採用的是溫敏電阻，因此R3的溫度與流體的溫度密切相關，具體的步驟如下在上述兩種測量方法中，當每一次R4-C電路中的C放電完畢，測量結束後與下一次測量的間隔時間Δt1內(如圖5和圖6所示)，由電源經單片機提供的電壓對R3-C電路的C進行充電，根據UC/U0＝e(-t/RC)的關係，採用與R4-C電路測量R4的電阻值相同的方法，只是不對R3進行加熱，經單片機數字處理得到採集的數據求出R3的電阻值R，再通過T＝f1(R)的函數關係測得如圖6中所示的R3的瞬間溫度T，通過R3的溫度可以測得在不同時間流體的溫度變化，再通過單片機在對R4的溫度進行數字處理時不斷修正補償。根據同樣的原理，R3也可以採用溼敏電阻，測出R3的電阻值R後，按R與流體溼度的相關函數關係，求得流體的溼度變化值並對R4的溫度進行補償。R3還可以同時採用溫敏電阻和溼敏電阻對R4進行補償。
當然R3-C的補償電路也可以在R4-C測量電路進行測量前對流體的溫度和溼度前期測量，其測量值作為R4的測量值的補償值。
採用本發明的方法和電路，由於在R4測量過程中與電源電壓的波動無關，同時採用了補償電阻R3，共同使用了同一個測量電容C，因此測量精度極高，經實驗檢測可達到1％-1‰，甚至更高。
權利要求
1.一種測溫式流速流量測量的方法，包括測量電阻，其特徵在於利用時間記數電路測量出經加溫後的測溫電阻在流體中的溫度下降的降溫曲線，從而確定流體的流速和流量。
2.如權利要求1所述的測溫式流速流量測量的方法，其特徵在於測溫電阻的加熱方式為周期性間斷加熱和周期性測量。
3.如權利要求1所述的測溫式流速流量測量的方法，包括以下步驟(1)、通過電源對測量電阻R4加熱，使R4的溫度高於流體溫度；(2)、對R4-C電路的C進行充電，直至C充滿，C的電壓UC＝電源電壓U0；(3)、R4-C電路進行放電，同時時間記數電路進行時間記數，測得C的電壓UC從某一設定值降到另一設定值所需的時間t；(4)、根據UC/U0＝e(-t/RC)的函數關係，求得R4的平均電阻值R，通過T＝f1(R)的函數關係得到R4的瞬間溫度T；(5)、間隔一定時間Δt1後重複上述步驟，得到R4在另一時間的溫度，從而得到R4的溫度T隨時間t的變化曲線；(6)、根據流體流速V＝f2(ΔT)的函數關係，求得流體的流速和流量。
4.如權利要求2所述的測溫式流速流量測量的方法，還包括以下步驟(1)、對R3-C電路的C進行充電，直至C充滿，C的電壓UC＝電源電壓U0；(2)、C通過R3-C電路的進行放電，同時時間記數電路進行時間記數，測得C的電壓UC從某一設定值降到另一設定值所需的時間t；(3)、根據UC/U0＝e(-t/RC)的函數關係，求得R3的電阻值R，通過T＝f1(R)或R3的電阻值與流體的溼度的函數關係得到R3的瞬間溫度T或溼度參數；(4)、通過測得的R3溫度或溼度參數對R4的冷卻曲線進行修正補償。
5.一種測溫式流速流量計電路，其特徵在於由一個單片機組成的測溫式流速流量計電路，電源聯結在單片機的電源輸入埠(11、12)，測量電阻R4的一端聯結在單片機的埠(18)上，測量電阻R4的另一端聯結在標定電容C的一端，標定電容C的另一端接地，R4和C組成R4-C測量電路。
6.如權利要求4所述的測溫式流速流量計電路，其特徵在於補償電阻R3的一端聯結在單片機的埠上，R3的另一端同R4的一端相連並共同接在標定電容C的一端，R3和C組成R3-C補償電路。
7.如權利要求5所述的測溫式流速流量計電路，其特徵在於補償電阻R3為溫敏電阻或/和溼敏電阻，每個補償電阻一端聯結在標定電容C上而另一端分別接在單片機上的相應埠上。
8.如權利要求4所述的測溫式流速流量計電路，其特徵在於標定電阻R2的一端聯結在單片機的埠(21)上，R2的另一端同R4、R3的一端相連並共同接在標定電容C的一端，R2和C組成R2-C電路。
9.如權利要求5所述的測溫式流速流量計電路，其特徵在於測溫電阻R4採用旁熱式加熱或直熱式加熱。
全文摘要
本發明公開了一種對流體的測溫式流速流量測量的方法和測溫式流速流量計電路，特別適用於煤氣、天然氣、自來水等用智能化控制的流速和流量的測量。該方法包括測量電阻，並利用時間記數電路測量出經加溫後的測溫電阻在流體中的溫度下降的降溫曲線，從而確定流體的流速和流量。同時還提供了實現該方法的電路。採用本發明的流量計，耗電量很小，節約大量電能，其精度可達到1％－1‰，還具有防雷、抗幹擾、安裝使用方便的優點。
文檔編號G01F1/68GK1392393SQ0110854
公開日2003年1月22日 申請日期2001年6月19日 優先權日2001年6月19日
發明者張彰 申請人:張彰, 劉浩軍