CN101050974A - 上下游温度分布二次差动流量测量方法、传感器、及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及应用。包括加温元件，对称设置在加温元件两侧的温度检测元件，即上游温度检测元件和下游温度检测元件，其特征在于所述的加温元件与恒功率源激励相连，上游温度检测元件和下游温度检测元件分别与差动运算电路的两个信号输入端相连，所述的差动运算电路的输出端连接有中央处理单元。具有如下优点：通过对上下游温度变化差值进行二次差动运算，保证对低速段线性度影响较小；气体质量流量的流速和输出电压的关系曲线的饱和点往后推，量程扩大，提高了量程范围和线性度；测量精度高，灵敏度高；采用MEMS技术实现了低功耗、高频响，大幅降低芯片的热惯性。

Description

上下游温度分布二次差动流量测量方法、传感器、及应用

技术领域

本发明涉及质量流量检测领域，尤其是涉及一种基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。本发明可广泛应用于汽车发动机流量计、漏气保护器、天然气计量流量计、工业控制流量计及变送器、风速仪、家用全电子式燃气表，医疗仪器等行业。

背景技术

热式气体质量流量测量是利用传热原理，即流动中的流体与热源流体中加热的物体或测量管外加热体之间热量交换关系来测量流量的技术。它主要分为风速计式anemometer和测热型calorimetric两种方式。风速计工作原理是建立在1914年提出的King’s Law理论基础上的，这种测量方式是以流体流动下加热丝的热耗散程度作为测量依据。测热型的测量原理则以探测流体流动过程中加热元件热源两侧的温度分布来探测流速大小。

传统测热式原理中，通常采用热流体传感器包括加热器和温度传感器两部分，在加热丝上下游对称分布一对或数对铂质温度敏感丝，且为了提高单元器件之间的隔热性，加热丝与温度敏感丝之间采用微桥式悬空结构。从结构而言，这种传感器的抗冲击强度很弱，被测介质要求纯净、无颗粒杂质，而且不能承受较大的瞬时流动冲击。

传统测热式原理是通过测量上下游一对温度传感器的温度差值，从而确定流体流速。但是该温度差值随着流速的增大会出现饱和点，并继而下跌，如图1所示，曲线由一个上升阶段，一个饱和点F和一个下降阶段来表征。图中，横轴代表流速V，纵轴代表温度差ΔT。由图1可知，这种测量方式下有效测量范围限制在饱和点F以内。同时，饱和点F的位置与温度传感器与加热丝之间的间距有关，对于间距较近的传感器，饱和点F在速度较大时发生，具有相对较大的测量范围，但曲线上升缓慢，灵敏度欠佳；而对于间距较远的传感器，饱和点F则在速度较小时发生，测量范围较小，但是在低速段曲线具有较大的上升斜率，因此在低速段更为灵敏。总之，该模式的测量范围很小，只适用于低流速的情况。

为此，人们进行了长期的探索，提出了多种多样的实施方案。例如，中国专利文献公开了一种流速探测器申请号：CN00801406.X，它具有在基座的一部分中设有空间形成薄壁状的隔膜部、在此隔膜部中形成的发热体以及在此发热体两侧形成的热敏电阻体，其特征在于，上述热敏电阻体成连接多个曲柄状的梳齿形，将此热敏电阻体布置成，使上述梳齿形的凹凸方向大致平行于被测流体的流向。该方案采用的仍然是传统的测热式信号处理方法，仅仅是对传感的热敏电阻体的结构进行改进，提高了热敏电阻体温度测量的精度。但是，对于热分布测量的饱和现象和热丝式测量的低速不稳定性等均无太大帮助，因此并没有从根本上克服现有技术存在的缺陷。

还有人公开了名为“热脉冲时差式流量检测方法”的专利公开号：CN1603762A，该方案将热式流量传感器放入于流速平行的管道中，对加热测温元或者加热元件加上电脉冲信号，测量其对应温度脉冲信号；再对在加热元件下游的温度检测元件进行测量，也得到下游的测温元的温度脉冲信号；将两条脉冲信号曲线进行对比，通过检测脉冲信号上升沿的时间滞后值，也就是测量气体流速。首先热脉冲时差方法和本发明的上下游温度分布二次差动基于完全不同的测量原理，前者基于时间滞后值，是对时间长度的测量，后者基于温度分布变化产生的电压信号幅值。其次，热脉冲时差方法采用电脉冲信号加热供电，对降低功率消耗有效；但是，由于热传导过程主要取决于热元件和下游测温元的空间距离和气体热传导系数等因素，要测量因为流体流速变化而产生的时间滞后值，当流体低流速时，流速引起的时间滞后值非常微小，会被其它外围环境因素和气体热传导系数等产生的燥声信号淹没。所以，在低速段不灵敏，难以适用于低流速的情况。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的测量范围小，输出特性易出现饱和点，对信号的处理不甚合理等的技术问题；提供了一种饱和点后移，提高了量程范围和线性度，信号的处理合理的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的测量的精度不高，容易造成误差，对低速段不灵敏等的技术问题；提供了一种测量精度高，能够有效消除误差，灵敏度高的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的热惯性较大，频响特性一般，功耗较大等的技术问题；提供了一种采用MEMS技术实现了低功耗、高频响，大幅降低芯片的热惯性的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法，其特征在于：a.在传感器的加温元件上施加恒功率源激励，通过对称设置在加温元件两侧的温度检测元件分别测量无气流状态下加温元件上下游的温度分布；b.当气体流过传感器时，上游温度检测元件测定所在区域温度分布变化并且输出产生上游温度差值信号，下游温度检测元件测定所在区域温度分布变化并且输出产生下游温度差值信号；c.用上游温度差值信号减去下游温度差值信号，从而得出上下游温度分布二次差动信号，通过二次差动信号和流动气流质量流量的对应关系测量出流经传感器的气流质量流量。

本发明创造性地通过二次差动方式对输出的电压信号进行处理。上下游的温度变化曲线都随流量的增大而逐渐减小，上游温度变化的差值曲线降幅大，下游温度变化的差值曲线下降幅度小。由此将上下游温度差进行二次差分得到二次温差曲线输出特性，将饱和点往后推移，可大幅提高流量测试范围。传感器的加温元件的布置方向与气流的方向相垂直，并使在无气流时，上下游的温度分布基本相互对称。此时的测得的温度一距离曲线大致成正态分布。

作为优选，上述的二次差动信号经过信号放大，并由模拟信号转换为数字信号，将该数字信号在中央处理单元中根据二次差动信号和流动气流质量流量的对应关系进行运算处理，得出流经传感器的流动气流质量流量。

作为优选，所述的整个传感器采用MEMS方式加工制作。MEMS是指微机电系统技术，通过MEMS技术制造的微米结构器件增强温度变化测量的灵敏度，提高气体质量流量测量的线性度。

基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法的原理可用以下数学模型描述：上游温度检测元件在无气流和有气流两种状态下检测到的温度的差值减去下游温度检测元件在无气流和有气流两种状态下检测到的温度的的差值；从而实现二次温差，对于一个简单的一维热式流体传感器，其加热丝的温度可表述为：

$T_h=\frac{P}{k_F{w}_h(\frac{l_h}{\mathrm{\δ}}+\sqrt{\frac{{\mathrm{v\δ}}^2}{{4\mathrm{\α}}^2}+4k})}$ ①

式中T_h-加热丝温度               P-加热功率

    k_F-流体热导率               w_h-加热丝宽度

    l_h-加热丝长度               δ-热边界层

    v-平均流速                   α-流体热扩散率

其中k可表述为

$k=\frac{1}{2}+\frac{k_{\mathrm{si}}{t}_d}{k_F\mathrm{\δ}}$ ②

式中k_si-衬底材料热导率      t_d-横膈膜厚度

则上游温度传感器之间的温度差表述为

       ΔT_up＝T_h[exp(γ₁l_u1)-exp(γ₁l_u2)]      ③

其中 ${\mathrm{\γ}}_1=\frac{v-\sqrt{v^2+16{\mathrm{\α}}^{2}k/{\mathrm{\δ}}^2}}{4\mathrm{\αk}}$ ④

同样，下游温度传感器之间的温度差表述为

       ΔT_down＝T_h[exp(γ₂l_d1)-exp(γ₂l_d2)]    ⑤

其中 ${\mathrm{\γ}}_2=\frac{v+\sqrt{v^2+16{\mathrm{\α}}^{2}k/{\mathrm{\δ}}^2}}{4\mathrm{\αk}}$ ⑥

式中l_u1、l_u2-加热丝到上游温度传感器的距离

    l_d1、l_d2-加热丝到下游温度传感器的距离

二次温差则可表示为：

       ΔT＝ΔT_down-ΔT_up                      ⑦

由此得到的传感器二次温差输出信号曲线形状虽然上下游温差曲线都随流量的增大而逐渐减小，而由于采用温度差方式，下游温差曲线对实际温度的下降不敏感，因此其下降幅度很小；由此，再将上下游温度差进行二次差分得到二次温差曲线。可以看到，该曲线低速段更为灵敏，高速段饱和点能够大幅度后移，因此，可大幅提高流量测试范围。此外，通过第一次差值可以抵消一部分误差。

采用上述方法的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量传感器，包括加温元件，对称设置在加温元件两侧的温度检测元件，即上游温度检测元件和下游温度检测元件，其特征在于所述的加温元件与恒功率源激励相连，上游温度检测元件和下游温度检测元件分别与差动运算电路的两个信号输入端相连，所述的差动运算电路的输出端连接有中央处理单元。

作为优选，所述的加热元件采用多晶硅材料的半导体电极；所述的上游温度检测元件和下游温度检测元件采用集成化电热堆器件；并且整个传感器采用MEMS结构。

作为优选，所述的加热元件和位于其两侧的上游温度检测元件和下游温度检测元件相互平行地布置在单晶硅膜上，所述的单晶硅膜固定在玻璃基片上。

该基于MEMS技术的传感器的测量方法是通过将流体流动的变化转化为热传播的变化，再将热传播的变化转化为电压信号，从而实现通过检测分布在加热元件上下游两对位置不同的温度检测元件，通过温度检测元件输出的电压电信号来测量上下游温度变化的差值。这种工作方式的传感器不需要任何移动部件，结构简单，易于实现微型化。

MEMS技术的最大特点是通过将器件或系统的尺度微型化提高其灵敏度与频响特性，并大幅降低器件质量与惯量，实现大批量低成本制造。将MEMS工艺引入到热式流量传感器的设计中，可以轻易实现温度敏感器件的微型化并精确控制热丝与热电堆之间的微米级间距，与此同时，MEMS器件的微型化特征可大幅降低芯片的热惯性，实现低功耗、高频响要求。因此，MEMS工艺热式流量传感芯片将促进工业化应用进程。

采用上述传感器的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量计，包括固定于其上的基于上下游温度分布二次差动技术的传感器，与传感器相连的恒功率源激励，其特征在于所述的传感器的输出端与差动运算电路相连，所述的差动运算电路通过A/D转换电路与中央处理单元相连。

作为优选，所述的中央处理单元通过显示驱动单元连接有显示单元，并且中央处理单元还通过输出模块连接有输出接口。

作为优选，所述的中央处理单元还连接有输入模块，所述的输入模块与输入终端相连。

作为优选，所述的传感器的玻璃基片设置在固定座上，所述的固定座插在流量计的管道壁上，在固定座和管道孔之间设有密封圈，在管道孔上通过固定体固连有盖板。

因此，本发明具有如下优点：1.通过对上下游温度变化差值进行二次差动运算，保证对低速段线性度影响较小；2.在标准压力和标准温度测试条件下，将气体质量流量的流速和输出电压的关系曲线的饱和点往后推，量程比扩大了10倍以上，提高了量程范围和线性度；3.测量精度高，能够有效消除误差，灵敏度高；4.采用MEMS技术实现了低功耗、高频响，大幅降低芯片的热惯性。

附图说明

附图1是本现有技术的一种流速V——温度差ΔT关系图；

附图2是本发明的一种在无流量和有流量两种状态下的温度曲线图。

附图3是本发明的一种流量——输出电压值的关系图；

附图4是本发明提供的传感器的一种工作状态图；

附图5是本发明提供的传感器的一种局部放大图；

附图6是本发明提供的一种流量计的使用状态图；

附图7是本发明提供的一种流量计的剖视结构示意图；

附图8是本发明提供的一种差动运算电路的结构示意图。

图中，加温元件1、上游温度检测元件2u、下游温度检测元件2d、恒功率源激励3、差动运算电路4、中央处理单元5、A/D转换电路6、显示驱动单元71、显示单元72、输出模块81、输出接口82、输入模块91、输入终端92、传感器10、单晶硅膜11、玻璃基片12、固定座13、管道14、密封圈15、固定体16、盖板17、压焊块18、金属互连19、曲线A、曲线B、上游的温度变化曲线C、下游的温度变化曲线D、二次温差曲线E、饱和点P、电压输出信号U、流量L。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法，其特征在于：a.在传感器的加温元件1上施加恒功率源激励3，通过对称设置在加温元件两侧的温度检测元件分别测量无气流状态下加温元件上下游的温度分布；b.当气体流过传感器时，上游温度检测元件2u测定所在区域温度分布变化并且输出产生上游温度差值信号，下游温度检测元件2d测定所在区域温度分布变化并且输出产生下游温度差值信号；c.用上游温度差值信号减去下游温度差值信号，从而得出上下游温度分布二次差动信号，通过二次差动信号和流动气流质量流量的对应关系测量出流经传感器的气流质量流量。

上述的二次差动信号经过信号放大，并由模拟信号转换为数字信号，将该数字信号在中央处理单元中根据二次差动信号和流动气流质量流量的对应关系进行运算处理，得出流经传感器的流动气流质量流量。所述的整个传感器采用MEMS方式加工制作。

如图2所示，曲线A是在无流量状态下的温度曲线，曲线B是在有流量状态下的温度曲线。可见同一位置，在有流量时，上游的温度下降，而下游的温度上升。传感器的加温元件的布置方向与气流的方向相垂直，并使在无气流时，上下游的温度分布基本相互对称。此时的测得的温度-距离曲线(曲线A)大致成正态分布。图中箭头为气流方向。

如图3所示，上游的温度变化曲线C和下游的温度变化曲线D都随流量的增大而逐渐减小，上游温度变化的差值曲线降幅大，下游温度变化的差值曲线下降幅度小。由此将上下游温度差进行相减得到二次温差曲线E输出特性，将饱和点往后推移，可大幅提高流量测试范围。

如图4所示，是采用上述方法的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量传感器，包括加温元件1，对称设置在加温元件1两侧的温度检测元件，即上游温度检测元件2u和下游温度检测元件2d。加温元件1与恒功率源激励3相连，上游温度检测元件2u和下游温度检测元件2d分别与差动运算电路4的两个信号输入端相连，所述的差动运算电路4的输出端连接有中央处理单元5。图中箭头为气流方向。加热元件1采用多晶硅材料的半导体电极；所述的上游温度检测元件2u和下游温度检测元件2d采用集成化电热堆器件；并且整个传感器采用MEMS结构。

如图5所示，加热元件1和位于其两侧的上游温度检测元件2u和下游温度检测元件2d相互平行地布置在岛形单晶硅膜11上，所述的单晶硅膜11固定在玻璃基片12上。温度检测元件的两端通过压焊块18固定。加热元件1通过金属互连19固定在玻璃基片12上。

如图6所示，是采用上述传感器的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量计，包括固定于其上的基于上下游温度分布二次差动技术的传感器10，与传感器10相连的恒功率源激励3。传感器10的输出端与差动运算电路4相连，所述的差动运算电路4通过A/D转换电路6与中央处理单元5相连。中央处理单元5通过显示驱动单元71连接有显示单元72，并且中央处理单元5还通过输出模块81连接有输出接口82。中央处理单元5还连接有输入模块91，所述的输入模块91与输入终端92相连。

如图7所示，传感器的玻璃基片12设置在固定座13上，所述的固定座13插在流量计的管道壁上，在固定座13和管道14孔之间设有密封圈15，在管道孔上通过固定体16固连有盖板17。

如图8所示，是有两个输入的差动放大电路图。其中一端输入上游温度检测元件电压值，另一端输入下游温度检测元件电压值。U1与上游温度检测元件2u相连，U2与下游温度检测元件2d相连。当温度变化时，因两管电流变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠电路的完全对称性，使两管的零点漂移在输出端相抵消，因此，零点漂移被抑制。两路输入端均与U3相连，通过上述差动放大电路输出二次差动信号。

本发明中的传感器可以适用于多种行业，例如，汽车发动机流量计、漏气保护器、天然气计量流量计、工业控制流量计及变送器、风速仪、家用全电子式燃气表，医疗仪器等。

本发明中关于信号处理、MEMS结构等相关技术均可以通过公知技术方案实现，本文不再赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了加温元件1、上游温度检测元件2u、下游温度检测元件2d、恒功率源激励3、差动运算电路4、中央处理单元5、A/D转换电路6、显示驱动单元71、显示单元72、输出模块81、输出接口82、输入模块91、输入终端92、传感器10、单晶硅膜11、玻璃基片12、固定座13、管道14、密封圈15、固定体16、盖板17、压焊块18、金属互连19、曲线A、曲线B、上游的温度变化曲线C、下游的温度变化曲线D、二次温差曲线E、饱和点P、电压输出信号U、流量L等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法，其特征在于：

a.在传感器的加温元件上施加恒功率源激励，通过对称设置在加温元件两侧的温度检测元件分别测量无气流状态下加温元件上下游的温度分布；

b.当气体流过传感器时，上游温度检测元件测定所在区域温度分布变化并且输出产生上游温度差值信号，下游温度检测元件测定所在区域温度分布变化并且输出产生下游温度差值信号；

c.用上游温度差值信号减去下游温度差值信号，从而得出上下游温度分布二次差动信号，通过二次差动信号和流动气流质量流量的对应关系测量出流经传感器的气流质量流量。

2.根据权利要求1所述的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法，其特征在于上述的二次差动信号经过信号放大，并由模拟信号转换为数字信号，将该数字信号在中央处理单元中根据二次差动信号和流动气流质量流量的对应关系进行运算处理，得出流经传感器的流动气流质量流量。

3.根据权利要求1或2所述的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法，其特征在于所述的整个传感器采用MEMS方式加工制作。

4.一种基于上下游温度分布二次差动气体质量流量传感器，包括加温元件(1)，对称设置在加温元件(1)两侧的温度检测元件，即上游温度检测元件(2u)和下游温度检测元件(2d)，其特征在于所述的加温元件(1)与恒功率源激励(3)相连，上游温度检测元件(2u)和下游温度检测元件(2d)分别与差动运算电路(4)的两个信号输入端相连，所述的差动运算电路(4)的输出端连接有中央处理单元(5)。

5.根据权利要求4所述的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量传感器，其特征在于所述的加热元件(1)采用多晶硅材料的半导体电极；所述的上游温度检测元件(2u)和下游温度检测元件(2d)采用集成化电热堆器件；并且整个传感器采用MEMS结构。

6.根据权利要求5所述的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量传感器，其特征在于所述的加热元件(1)和位于其两侧的上游温度检测元件(2u)和下游温度检测元件(2d)相互平行地布置在单晶硅膜(11)上，所述的单晶硅膜(11)固定在玻璃基片(12)上。

7.一种基于上下游温度分布二次差动气体质量流量计，包括固定于其上的基于上下游温度分布二次差动技术的传感器(10)，与传感器(10)相连的恒功率源激励(3)，其特征在于所述的传感器(10)的输出端与差动运算电路(4)相连，所述的差动运算电路(4)通过A/D转换电路(6)与中央处理单元(5)相连。

8.根据权利要求7所述的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量计，其特征在于所述的中央处理单元(5)通过显示驱动单元(71)连接有显示单元(72)，并且中央处理单元(5)还通过输出模块(81)连接有输出接口(82)。

9.根据权利要求8所述的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量计，其特征在于所述的中央处理单元(5)还连接有输入模块(91)，所述的输入模块(91)与输入终端(92)相连。

10.根据权利要求7或8或9所述的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量计，其特征在于所述的传感器的玻璃基片(12)设置在固定座(13)上，所述的固定座(13)插在流量计的管道壁上，在固定座(13)和管道(14)孔之间设有密封圈(15)，在管道孔上通过固定体(16)固连有盖板(17)。

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