CN103837201A

CN103837201A - 一种高精度流量计及测量方法

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Publication number: CN103837201A
Application number: CN201210490134.7A
Authority: CN
Inventors: 乐志明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明公开了一种高精度流量计及测量方法，所述流量计的测量电路主要包括单片机、压控功率单元、发热传感单元、信号放大单元、模拟/数字转换单元。通过测量同一发热传感单元，在两次不同功率下的输出信号，来检测流体质量流量，省略了流体温度测量，同时消除了信号放大单元温度漂移的影响，简化了生产过程，具有结构简单、成本低、精度高的特点。运用于极早期报警领域，大大提高了气流检测的可靠性。

Description

一种高精度流量计及测量方法

技术领域

本发明涉及流体流量测量领域，尤其是一种高精度的热耗散式流量计及测量方法。特别适合于极早期火灾报警中的气流检测。

背景技术

目前，基于金氏定律（King’s Law）热耗散式流量测量原理有两种方法：

1、功率测量法

保持发热体与流体温度差不变，通过测量加在发热体上的功率，来测量流量。

2、温差测量法

保持加在发热体上的功率不变，通过测量发热体与流体温度差，来测量流量。

以上两种方法均需测量发热体、流体之间温度差，以消除流体温度波动的影响。由于两个温度传感器的线性度、安装位置、引线长短都不一样，在流体温度变化较大的情况下，发热体与流体之间的温差会有一个波动范围，导致一定的测量误差。以美国专利号为4781065的发明为例，该发明采用两只稳压二极管作为传感器来测量发热体与流体温度之间的差值，由于不同稳压二极管之间的温度系数不一样，误差会在20%以内；虽然在生产过程中，对两只稳压二极管进行了匹配筛选，但依然受流体温度波动影响，无法实现高精度测量。而在极早期火灾探测领域，需要测量多达25个区域的采样空气，每个区域一个采样孔；原则上，如果有一个孔被灰尘堵塞，气流检测模块应该能有效探测，才能防止火警漏报，但由于受气流温度以及管路流阻影响，探测相对精度只能达到20%—30%，我国国家标准GB15631-2008规定是50%，上述发明具有结构简单、成本低的优点，测量结果也能达到国标要求，但仍不能满足实际探测需要。

有的技术方案采用单片机(微处理器)对两个温度传感器进行采样处理，并校准，减少了误差，提高了测量精度；如国内申请号为200710304552.1的发明，公开了一种热耗散式质量流量计及质量流量测量方法，采用单片机对温度进行查表计算；美国专利号为US 7162374B2的发明，公开了一种测量流体的设备及方法，也是采用微处理器测量并计算温度。上述两个发明由于要准确测量温度值，实际生产过程中，需要校准，增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高精度流量计及测量方法，来解决上述问题。它不需要测量流体温度，具有结构简单，生产容易，成本低的特点。

本发明的技术方案如下。

一种高精度流量计，包括管道、测量电路，其特征在于：测量电路主要包括单片机、压控功率单元、发热传感单元、信号放大单元、模拟/数字转换单元；单片机与压控功率单元连接，压控功率单元与发热传感单元连接，发热传感单元与信号放大单元连接，信号放大单元与模拟/数字转换单元连接，模拟/数字转换单元与单片机连接。

上述发热传感单元受热后，输出与温度相关的电参数，如输出电压，可以是稳压二极管，如输出电阻，可以是铂电阻。

上述发热传感单元安装在管道中，待测流体流经管道。

上述模拟/数字转换单元可以集成在单片机中。

上述信号放大单元包括信号放大器、参考电压调整模块，参考电压调整模块与单片机连接，与信号放大器连接。

上述参考电压调整模块可以是数字/模拟转换器，该数字/模拟转换器可以集成在单片机中。

一种流量测量方法：单片机发出一控制信号，控制压控功率单元，使其输出功率P₁加在发热传感单元，电流为I₁、电压为V₁，经信号放大单元放大后输入模拟/数字转换单元，经过一段时间，发热传感单元与流体形成热平衡，单片机读取模拟/数字转换单元的转换结果；单片机依上述过程发出另一控制信号，加在发热传感单元的功率为P2，电流为I₂、电压为V₂，单片机读取转换结果，单片机通过I₂、V₂、I₁、V₁计算出流体流量。

下面推导本发明用到的流量计量公式。

根据金氏定律，两次测量流体带走功率差为△H=（A+B×G^1/n）×△T;

两次测量加在发热体上的功率差△P_D=P₂-P₁=I₂×V₂-I₁×V₁；

达到热平衡时，△P_D=△H；于是得出质量流量公式：

[公式1] G=（△P_D /（△T×B）-A/B）ⁿ，

其中n与雷诺系数有关，一般为2；A、B与发热传感单元的几何形状、被测流体物理参数有关。

1、发热传感单元为稳压二极管时，其温度系数为Kz。

令：△V=V₂-V₁，于是两次测量的发热传感单元的温度差△T=K_Z×△V；根据[公式1]

得出发热传感单元为稳压二极管的流量计量公式：

[公式2] G=（k×△P_V -b）ⁿ，其中 k=1/（Kz×B），b=A/B，△P_V=△P_D/△V。

2、发热单元为铂电阻时，其温度系数为K_R，△T= K_R×△R，△R=V₂/I₂- V₁/I₁；根据[公式1]得出：

[公式3] G=（k×△P_V -b）ⁿ，其中 k=1/（ K_R×B），b=A/B。△P_V=△P_D/△R。

从[公式2]、[公式3]中可以看出， K_Z、K_R 、A、B是常数，测出△P_V，就能测出质量流量G。上述公式的推导，忽略了两次测量之间流体温度变化的影响，实际上在极早期火灾预警产品使用中，由于是多个区域测量，加上气流管路较长，气流温度变化是非常缓慢的，在国标GB15631-2008温度测试中，气流温度变化为0.5℃/分钟，因此只要控制I₂、I₁的值，使△T远远大于两次测量之间气流温度变化，利用[公式2]或[公式3]就能精确检测质量流量。

在极早期火灾预警领域，根据现场安装使用情况，特别采样气流开孔数目，来检测气流，需要现场标定，标定时的气流质量流量为G_R，正常检测时的气流质量流量为G，一般用百分比P来检测采样气流是否正常，P=G/G_R×100%。下面推导气流百分比检测公式。

抽气泵停转时，管道内气流G=0，测出△P_V值，记为△P_V0，根据[公式2] 或[公式3]得出：

[公式4] k=b/△P_V0。

气流标定时，测出△P_V值，记为△P_VR，根据[公式2]或[公式3]得出：

[公式5] G_R=（k×△P_VR -b）ⁿ。

气流正常检测时，测出△P_V值，记为△P_VN，根据[公式1]或[公式3]得出：

[公式6] G=（k×△P_VN-b）ⁿ。

根据[公式4]、[公式5] 、[公式6]得出：

[公式7] P= G / G_R ×100%=( (△P_VN-△P_V0) /（△P_VR-△P_V0））ⁿ×100%。

从[公式7]中可以看出，在极早期火灾预警领域的运用中，气流百分比与K_R 、K_Z、A、B无关，所以只要安装现场标定即可，标定过程完全可以由单片机控制自动完成，无需生产校准就可以获得高精度。由于极早期火灾预警领域中的气流检测，其目的是监测气流是否正常，当发生气流故障时，其状态是稳定的，为了获得更高精度，可以对多次测量结果进行比较，当多次结果变化不大时，再确定是否发出气流故障报警，以消除流体温度变化对测量结果的影响。

本发明通过测量同一发热传感单元，在两次不同功率下的输出信号，来检测流体质量流量，省略了流体温度测量，同时消除了信号放大单元温度漂移的影响，简化了生产过程，具有结构简单、成本低、精度高的特点。运用于极早期报警领域，大大提高了气流检测的可靠性。

附图说明

图1是本发明的技术方案结构图。

图2、图3是本发明的一个实施例。

具体实施方式

在图2中，单片机为芯片U9，型号为STM32F100R8T6，模/数转换单元由单片机中的模拟/数字转换模块构成；参考电压调整模块由单片机中的一路数字/模拟转换单元构成。

在图3中，放大器U4B与电阻R43、R44、R45、R46、R17以及PMOS管Q5构成压控功率单元；放大器U4D、U4C构成信号放大单元；发热传感单元由稳压二极管D4组成。

上述模块是这样工作的：

1、单片机U9通过片上数字/模拟转换模块输出一控制电压，压控功率单元通过Q5输出恒定电流I₁至D4，延时一段时间，D4输出电压V₁，经信号单元放大中的U4C放大后，输入单片机中的模拟/数字转换模块，完成第一次采样。

2、单片机U9通过片上数字/模拟转换模块输出另一控制电压，压控功率单元通过Q5输出恒定电流I₂至D4，其中I₂>I₁，使得两次测量的温度差△T远远大于测量期间的气流温度变化，△T可以为100℃；延时一段时间，D4输出电压V₂，经信号单元放大后，输入单片机中的模拟/数字转换模块，完成第二次采样。

3、将上述结果输入到[公式1]，即可得到质量流量。

4、根据步骤1、步骤2求出：△P_V，△P_VR，△P_V0，根据[公式5]即可求出运用于极早期火灾报警的气流百分P。

5、流体在两次测量的短时间内，温度变化比较缓慢，可以忽略，但流体长期温度变化的影响还是比较大的，如春夏秋冬等季节变化，这种影响会导致放大器U4C输出较大或较小信号，超出了模拟/数字转换单元的输入信号范围，使得单片机的转换结果不可靠。为了消除这种影响，在步骤1第一次采样时，单片机需要根据输入信号大小，控制参考电压调整模块输出一个参考电压信号至放大器U4D，经U4D调整后输入U4C，与发热传感单元D4形成差分放大。

Claims

1.一种高精度流量计，包括管道、测量电路，其特征在于：测量电路主要包括单片机、压控功率单元、发热传感单元、信号放大单元、模拟/数字转换单元；单片机与压控功率单元连接，压控功率单元与发热传感单元连接，发热传感单元与信号放大单元连接，信号放大单元与模拟/数字转换单元连接，模拟/数字转换单元与单片机连接。

2.如权利要求1所述的高精度流量计，其特征在于：发热传感单元受热后，输出与温度相关的电参数，如输出电压，可以是稳压二极管，如输出电阻，可以是铂电阻。

3.如权利要求1所述的高精度流量计，其特征在于：发热传感单元安装在管道中，待测流体流经管道。

4.如权利要求1所述的高精度流量计，其特征在于：模拟/数字转换单元可以集成在单片机中。

5.如权利要求1所述的高精度流量计，其特征在于：信号放大单元包括信号放大器、参考电压调整模块，参考电压调整模块与单片机连接，与信号放大器连接。

6.如权利要求5所述的信号放大单元，其特征在于：参考电压调整模块可以是数字/模拟转换器，该数字/模拟转换器可以集成在单片机中。

7. 一种流量测量方法：单片机发出一控制信号，控制压控功率单元，使其输出功率P₁加在发热传感单元，电流为I₁、电压为V₁，经放大单元放大后输入模拟/数字转换单元，经过一段时间，单片机读取模拟/数字转换单元的转换结果；单片机依上述过程发出另一控制信号，加在发热传感单元的功率为P2，电流为I₂、电压为V₂，单片机读取转换结果，单片机通过I₂、V₂、I₁、V₁计算出流体流量。

8.如权利要求6所述的流量测量方法，其特征在于：流量计量公式为 G=（k×△P_V-b）ⁿ。

9.如权利要求6所述的流量测量方法，其特征在于：流量百分比计量公式为 P= G / G_R ×100%=( (△P_VN-△P_V0) /（△P_VR-△P_V0））ⁿ×100%。