CN117824771B - 一种用于热式流量计的自动温度补偿电路及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热式流量计的自动温度补偿电路及补偿方法，涉及温度补偿技术领域，解决了现有的感器温度补偿难以调整的问题，方案包括：传感绕丝组、可编程电位器和放大器；传感绕丝组和电阻构成平衡电桥，可编程电位器与平衡电桥连接，用于对平衡电桥提供补偿电压，平衡电桥的输出端连接放大器，放大器用于输出补偿后的流量信号；其中，所述可编程电位器通过SPI或IIC方式与MCU进行通信，内部包括多个调节挡位，通过MCU向内部寄存器写入规定数值，改变刮片端的挡位，从而改变高电平端到刮片端的阻值和低电平端到刮片端的阻值，为平衡电桥提供不同的补偿电压；通过改变可编程电位器的调节档位，可实现补偿电压的灵活调整。

Description

一种用于热式流量计的自动温度补偿电路及补偿方法

技术领域

本发明涉及温度补偿技术领域，更具体地说，它涉及一种用于热式流量计的自动温度补偿电路及补偿方法。

背景技术

非接触式热式气体质量流量计（以下简称热式流量计）传感器通常是由一根耐腐蚀材质的毛细管外面缠绕三组或两组传感器绕丝组制成，其利用热平衡原理，在没有气体流过时其温度场呈对称分布，当气体流过毛细管会导致温度场发生变化，通过测量变化的温度或测量由于温度变化间接改变的其它物理量来测量流量大小。因此环境和气体温度变化对其测量精度的影响比较大，一般的热式流量计都会做温度补偿来减小环境和气体温度变化对测量精度的影响，而补偿方式通常是通过一个补偿函数G(q,t)来改变当前流量值，其中q代表流量值，t代表温度值，G(q,t)代表关于流量和温度的函数。这种方式虽然具有普遍适用性，但是其实质是通过函数修正计算出的流量值，而传感器的实际输出偏差并没有得到解决。并且，通过软件算法来进行温度补偿往往需要多次，重复的做温度实验，精度不高。还有一种常用补偿方式是将温度传感器接到测量电路中，直接利用其输出信号对流量传感器输出信号进行校准，但是此种补偿方式最大缺点在于难于调整，不够灵活。

基于以上补偿方式的缺陷，本发明提出一种用于热式流量计的自动温度补偿电路及补偿方法。

发明内容

本申请的目的是提供一种用于热式流量计的自动温度补偿电路及补偿方法，解决现有的感器温度补偿需要多次试验、难以调整的问题，通过设置自动温度补偿电路配合补偿方法，从根本上改变热式流量计输出流量信号的温度补偿方式，具备实时性好，补偿精度高，可靠性高，灵活性好的优点。

本申请首先提供一种用于热式流量计的自动温度补偿电路，包括：传感器绕丝组、可编程电位器和放大器；所述传感器绕丝组和电阻构成平衡电桥，所述可编程电位器与所述平衡电桥连接，用于对平衡电桥提供补偿电压，所述平衡电桥的输出端连接所述放大器，所述放大器用于输出补偿后的流量信号；其中，所述可编程电位器通过SPI或IIC方式与MCU进行通信，内部包括多个调节挡位，通过MCU向内部寄存器写入规定数值，改变刮片端的挡位，从而改变高电平端到刮片端的阻值和低电平端到刮片端的阻值，为平衡电桥提供不同的补偿电压。

采用上述技术方案，通过设置可编程电位器调节电桥的平衡，对电桥电压进行补偿，实现对流量信号的温度补偿；通过改变可编程电位器的调节档位，可实现补偿电压的灵活调整，可为不同厂家生产的热式流量计提供不同的补偿，温度补偿电路具备灵活性和可升级性。

在一种可能的实施方式中，所述可编程电位器采用芯片MAX5402。

在一种可能的实施方式中，所述放大器采用AD8226仪表放大器。

在一种可能的实施方式中，所述平衡电桥包括：传感器绕丝组R7、传感器绕丝组R3、电阻R1和电阻R5，所述传感器绕丝组R7的第一端连接电源VCC，第二端通过传感器绕丝组R3接地，电阻R1的第一端连接电源VCC，第二端通过电阻R5接地，所述传感器绕丝组R7和传感器绕丝组R3的连接点作为平衡电桥的第一输出端，所述电阻R1和电阻R5的连接点作为平衡电桥的第二输出端。

在一种可能的实施方式中，所述可编程电位器的高电平端通过电阻R9连接电阻R1的第一端，刮片端通过电阻R12连接平衡电桥的第二输出端，低电平端通过电阻R13连接电阻R5的第二端，VDD端连接电源VCC，GND端接地。

在一种可能的实施方式中，所述放大器的正输入端连接平衡电桥的第一输出端，负输入端连接平衡电桥的第二输出端，两个增益端通过电阻R4连接，正电源端连接电源VCC，负电源端连接电源-VCC，参考端接地并通过电阻R2连接输出端，所述放大器的输出端用于输出补偿后的流量信号。

本申请还提供一种用于热式流量计的自动温度补偿方法，基于如上所述的一种用于热式流量计的自动温度补偿电路，方法包括：获取热式流量计的流量信号、热式流量计中温度传感器的温度信号和自动温度补偿电路中可编程电位器的校正因子，所述校正因子是指可编程电位器变化一个挡位对流量信号的补偿电压；通过所述流量信号和温度信号确定热式流量计需要补偿的流量信号，通过所述温漂系数和可编程电位器的校正因子计算补偿档位；通过补偿档位调整可编程电位器的调节档位，得到配置好的自动温度补偿电路；通过配置好的自动温度补偿电路对热式流量计进行温度补偿，得到补偿后的流量信号。

在一种可能的实施方式中，所述可编程电位器的校正因子，通过如下步骤得到：通过SPI接口或IIC接口向可编程电位器写入第一设定值，待流量信号稳定后记录当前的流量信号X1；通过SPI接口或IIC接口向可编程电位器写入与第一设定值相邻的第二设定值，待流量信号稳定后记录当前的流量信号X2；计算作为可编程电位器的校正因子。

在一种可能的实施方式中，当所述可编程电位器采用芯片MAX5402时，所述第一设定值为0X7F，第二设定值为0X80。

在一种可能的实施方式中，所述补偿档位，通过如下公式得到：

=/>，

其中，为补偿档位，/>为初始设定值，T为温漂系数。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：通过设置可编程电位器对流量信号进行温度补偿，可编程电位器提供多个调节档位，可灵活调整补偿程度，适应不同厂家的热式流量计；通过获取热式流量计的流量信号、热式流量计中温度传感器的温度信号和自动温度补偿电路中可编程电位器的校正因子即可计算补偿档位，配置适合热式流量计的自动温度补偿电路，实现精准的温度补偿。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为热式流量计传感器的示意图；

图2为传统用于热式流量计的温度补偿电路图；

图3为用于热式流量计的自动温度补偿电路图；

图4为用于热式流量计的自动温度补偿方法的流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、毛细管固定部件上；2、毛细管固定部件下；3、毛细管；4、温度传感器。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请作进一步的详细说明，本申请的示意性实施方式及其说明仅用于解释本申请，并不作为对本申请的限定。

请参见图1所示，图1为热式流量计传感器的示意图。从图1可以看出，热式流量计传感器包括：毛细管固定部件上1、毛细管固定部件下2和毛细管3。毛细管固定部件上1和毛细管固定部件下2连接后其内形成加热丝密闭腔体，加热丝密闭腔体内置一段毛细管3，毛细管3表面沿轴向固定两组传感器绕丝组，用于测量流过毛细管3的气体流量。

传统的温度补偿电路请参见图2所示，一种是在电桥中加入和传感器绕丝组具有同样特性的热敏电阻，利用其温度特性对输出信号做出补偿，另一种是使用一个集成的温度传感器4，此温度传感器4通常安装在距离流量传感器较近的位置，可参考图1所示。其直接利用温度传感器4输出的信号对流量传感器输出信号做出补偿，这两种方式的共同缺陷就是难以调试，且由于是利用其物理特性所以无法调节其补偿信号大小。

有基于此，本发明提供一种用于热式流量计的自动温度补偿电路，克服上述缺陷，实现补偿信号大小的调节。下面结合附图进行说明。

请参见图3所示，图3为用于热式流量计的自动温度补偿电路图，自动温度补偿电路包括：传感器绕丝组、可编程电位器和放大器；所述传感器绕丝组和电阻构成平衡电桥，所述可编程电位器与所述平衡电桥连接，用于对平衡电桥提供补偿电压，所述平衡电桥的输出端连接所述放大器，所述放大器用于输出补偿后的流量信号；其中，所述可编程电位器通过SPI或IIC方式与MCU进行通信，内部包括多个调节挡位，通过MCU向内部寄存器写入规定数值，改变刮片端的挡位，从而改变高电平端到刮片端的阻值和低电平端到刮片端的阻值，为平衡电桥提供不同的补偿电压。

具体地，热式流量计传感器内的两个传感器绕丝组与电阻构成平衡电桥，通过可编程电位器调整施加到平衡电桥的补偿电压，从而改变流量信号，进而通过放大器输出补偿后的流量信号；通过可编程电位器提供的多个调节档位，可对电桥电压进行不同程度的补偿。

本方案的改进在于，通过在温度补偿电路中设置可编程电位器，实现补偿电压的灵活调整，可应对不同厂家生产的热式流量计，温度补偿电路具备传统补偿电路所不具备的灵活性和可升级性。

在一种可能的实施方式中，所述可编程电位器采用芯片MAX5402。MAX5402由一个固定电阻器和一个数字控制的刮片触点组成，通过MCU向其指定寄存器中写入规定的数值即可改变其刮片端（W端）内部挡位从而改变高电平端-刮片端（H-W端）、低电平端-刮片端（L-W端）的阻值。

在一种可能的实施方式中，所述放大器采用AD8226仪表放大器。AD8226 是一款低成本、宽电源范围的仪表放大器，只需一个外部电阻即可设置 1 至 1000 之间的任意增益，实现放大倍数的调节。

在一种可能的实施方式中，所述平衡电桥包括：传感器绕丝组R7、传感器绕丝组R3、电阻R1和电阻R5，所述传感器绕丝组R7的第一端连接电源VCC，第二端通过传感器绕丝组R3接地，电阻R1的第一端连接电源VCC，第二端通过电阻R5接地，所述传感器绕丝组R7和传感器绕丝组R3的连接点作为平衡电桥的第一输出端，所述电阻R1和电阻R5的连接点作为平衡电桥的第二输出端。

所述可编程电位器的高电平端通过电阻R9连接电阻R1的第一端，刮片端通过电阻R12连接平衡电桥的第二输出端，低电平端通过电阻R13连接电阻R5的第二端，VDD端连接电源VCC，GND端接地。

所述放大器的正输入端连接平衡电桥的第一输出端，负输入端连接平衡电桥的第二输出端，两个增益端通过电阻R4连接，正电源端连接电源VCC，负电源端连接电源-VCC，参考端接地并通过电阻R2连接输出端，所述放大器的输出端用于输出补偿后的流量信号。

具体地，图3中自动温度补偿电路的主要元器件是U1，U1是可编程电位器，可以理解为一个带有数字通信接口的可调电阻，该类电位器通常可以通过SPI或IIC方式与MCU进行通信，其内部存在一定数量的调节挡位，通过MCU向其指定寄存器中写入规定的数值则可以改变其刮片端（W端）的内部挡位从而改变高电平端到刮片端（H-W端）和低电平端到刮片端（L-W端）的阻值，进而改变由传感器绕丝组R7、传感器绕丝组R3、电阻R1、电阻R5组成的电桥的平衡，电桥平衡的改变会改变放大器U2的正负输入端的信号差值，再由放大器U2放大后从输出端输出到下一级进行处理。此处放大器U2采用AD8226仪表放大器，其放大倍数公式是，此处的G为放大器的放大倍数，RG为R4，即放大倍数由R4阻值进行调节。

可以理解的是，本电路通过设置可编程电位器对流量信号进行温度补偿，可编程电位器提供多个调节档位，可灵活调整补偿程度，适应不同厂家的热式流量计。

请参见图4所示，图4为用于热式流量计的自动温度补偿方法的流程示意图。用于热式流量计的自动温度补偿方法，基于如上所述的一种用于热式流量计的自动温度补偿电路执行，方法包括：

S1、获取热式流量计的流量信号、热式流量计中温度传感器的温度信号和自动温度补偿电路中可编程电位器的校正因子，所述校正因子是指可编程电位器变化一个挡位对流量信号的补偿电压；

S2、通过所述流量信号和温度信号确定热式流量计需要补偿的流量信号，通过需要补偿的流量信号和可编程电位器的校正因子计算补偿档位；

S3、通过补偿档位调整可编程电位器的调节档位，得到配置好的自动温度补偿电路；

S4、通过配置好的自动温度补偿电路对热式流量计进行温度补偿，得到补偿后的流量信号。

具体地，步骤S1使用到如图1所示的热式流量计传感器（下简称热式流量计）以及如图3所示的用于热式流量计的自动温度补偿电路。本方法需要使用到的物理量有温度信号（由图1中温度传感器4提供数据，其输出信号直接由ADC芯片或MCU自带ADC模块采集），流量信号（由图1中热式流量计提供）以及可编程电位器校正因子。

在一种可能的实施方式中，所述可编程电位器的校正因子，通过如下步骤得到：通过SPI接口或IIC接口向可编程电位器写入第一设定值，待流量信号稳定后记录当前的流量信号X1；通过SPI接口或IIC接口向可编程电位器写入与第一设定值相邻的第二设定值，待流量信号稳定后记录当前的流量信号X2；计算作为可编程电位器的校正因子。

具体地，此处以可编程电位器采用芯片MAX5402为例，举例说明可编程电位器校正因子的调试及测量方式，MAX5402总阻值10千欧，内部分为256个挡位，使用时只需要通过SPI接口向其写入0-255（十六进制）任意一个值，代表设置L-W段阻值为千欧。首先向MAX5402写入0X7F，待流量信号稳定后记录下当前流量信号，假设为10mv。然后再向MAX5402写入0X80，待流量信号稳定后记录下当前流量信号，假设为10.2mv，则两次信号之差的绝对值0.2mv则为可编程电位器校正因子。

需要说明的是，理论上第一设定值和第二设定值相邻即可，但对于MAX5402而言，设定值为0X7F和0x80时，MAX5402处于居中阻值，不会对传感器造成额外的影响，故推优选这两个值。即当所述可编程电位器采用芯片MAX5402时，所述第一设定值为0X7F，第二设定值为0X80。

步骤S2中，首先测量流量计的温漂系数，即外界温度每升高或降低1摄氏度，信号会比标准信号偏移x mv。由于温度对热式流量传感器的影响是多方面的，所以温漂系数在每个温度阶段不会完全一样，此时可采用分段线性或插值拟合的方式得到流量计的温漂曲线，然后对其求导可得到/>，将当前温度值带入/>可得到当前需要补偿的流量信号。进一步，通过需要补偿的流量信号和可编程电位器的校正因子计算补偿档位。

在一种可能的实施方式中，所述补偿档位，通过如下步骤得到：

=/>，

其中，为补偿档位，/>为初始设定值，T为需要补偿的流量信号。

具体地，假设需要补偿的流量信号为+1mv，校正因子是0.2mV，则MAX5402需要在初始设定值的基础上增加5个挡位值，若需要补偿的流量信号为-1mv则MAX5402需要在初始设定值的基础上减5个挡位值。

需要说明的是，使用此方法要求可编程电位器校正因子必须远小于最小温漂系数值，可编程电位器的校正因子可通过图3中的电阻R1，R5或R9，R12，R13进行调节。此方法适用于不同厂家生产的热式流量计传感器，但是不同传感器温度漂移系数不同，需要补偿的精度也不同，使用此方法补偿时若要追求极高精度补偿，则可以把可编程电位器的校正因子尽可能调小，同时会损失温度补偿范围，若传感器温漂系数较小，也可等温度变化到一定程度后再进行补偿。

可以理解的是，本方法通过获取热式流量计的流量信号、热式流量计中温度传感器的温度信号和自动温度补偿电路中可编程电位器的校正因子即可计算补偿档位，进而配置适合热式流量计的自动温度补偿电路，实现精准的温度补偿。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于热式流量计的自动温度补偿方法，基于自动温度补偿电路实现，所述自动温度补偿电路包括：传感器绕丝组、可编程电位器和放大器；所述传感器绕丝组和电阻构成平衡电桥，所述可编程电位器与所述平衡电桥连接，用于对平衡电桥提供补偿电压，所述平衡电桥的输出端连接所述放大器，所述放大器用于输出补偿后的流量信号；其中，所述可编程电位器通过SPI或IIC方式与MCU进行通信，内部包括多个调节挡位，通过MCU向内部寄存器写入规定数值，改变刮片端的挡位，从而改变高电平端到刮片端的阻值和低电平端到刮片端的阻值，为平衡电桥提供不同的补偿电压；所述平衡电桥包括：传感器绕丝组R7、传感器绕丝组R3、电阻R1和电阻R5，所述传感器绕丝组R7的第一端连接电源VCC，第二端通过传感器绕丝组R3接地，电阻R1的第一端连接电源VCC，第二端通过电阻R5接地，所述传感器绕丝组R7和传感器绕丝组R3的连接点作为平衡电桥的第一输出端，所述电阻R1和电阻R5的连接点作为平衡电桥的第二输出端；所述可编程电位器的高电平端通过电阻R9连接电阻R1的第一端，刮片端通过电阻R12连接平衡电桥的第二输出端，低电平端通过电阻R13连接电阻R5的第二端，VDD端连接电源VCC，GND端接地；

所述自动温度补偿方法包括：

获取热式流量计的流量信号、热式流量计中温度传感器的温度信号和自动温度补偿电路中可编程电位器的校正因子，所述校正因子是指可编程电位器变化一个挡位对流量信号的补偿电压；

通过所述流量信号和温度信号确定热式流量计需要补偿的流量信号，通过需要补偿的流量信号和可编程电位器的校正因子计算补偿档位；

通过补偿档位调整可编程电位器的调节档位，得到配置好的自动温度补偿电路；

通过配置好的自动温度补偿电路对热式流量计进行温度补偿，得到补偿后的流量信号；

其中，所述可编程电位器的校正因子，通过如下步骤得到：通过SPI接口或IIC接口向可编程电位器写入第一设定值，待流量信号稳定后记录当前的流量信号X1；通过SPI接口或IIC接口向可编程电位器写入与第一设定值相邻的第二设定值，待流量信号稳定后记录当前的流量信号X2；计算作为可编程电位器的校正因子；

所述热式流量计需要补偿的流量信号，通过如下步骤得到：测量流量计的温漂系数，基于所述温漂系数绘制流量计的温漂曲线，对所述温漂曲线进行求导，并带入当前温度信号，得到当前温度信号需要补偿的流量信号；

所述补偿档位，通过如下公式得到：，其中，为补偿档位，/> 为初始设定值，T为需要补偿的流量信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于热式流量计的自动温度补偿方法，其特征在于，所述放大器的正输入端连接平衡电桥的第一输出端，负输入端连接平衡电桥的第二输出端，两个增益端通过电阻R4连接，正电源端连接电源VCC，负电源端连接电源-VCC，参考端接地并通过电阻R2连接输出端，所述放大器的输出端用于输出补偿后的流量信号。

3.根据权利要求1所述的一种用于热式流量计的自动温度补偿方法，其特征在于，所述可编程电位器采用芯片MAX5402。

4.根据权利要求3所述的一种用于热式流量计的自动温度补偿方法，其特征在于，当所述可编程电位器采用芯片MAX5402时，所述第一设定值为0X7F，第二设定值为0X80。

5.根据权利要求1所述的一种用于热式流量计的自动温度补偿方法，其特征在于，所述放大器采用AD8226仪表放大器。