專利名稱：一種流量檢測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種流量檢測方法和裝置，特別涉及工業(yè)、醫(yī)療、生化儀器中的細管道流量檢測的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)工業(yè)中，流量檢測計結(jié)構(gòu)復雜，所測的流量一般是大流量，多采用流體的力學原理。在微小流量檢測方面，熱檢測法有很大的靈活性和優(yōu)勢，傳統(tǒng)上通過檢測溫度來檢測流量，主要方法是1、采用一個加熱電阻元件，一個熱敏電阻元件檢測溫度。液體的溫升與流量成反比。流量大，液體溫度低，流量小，液體溫度高。因為管道的熱傳導會消耗一部分熱量，不同濃度的液體熱容量不同，這種方法顯然難以保證高的精度。此種方法的一種改進是加熱電阻和溫度檢測電阻簡化為一個電阻，它同時具有雙重作用。而且往往作為電橋的一個橋臂。但仍無法克服上述缺點。
2、另一類為了提高方法1的靈敏性，把一個測溫電阻改為兩個測溫電阻，如歐洲專利局公布的日本專利JP10019621。原理如圖6所示，采用自熱方法，兩個加熱電阻同時也是測溫電阻，兩個電阻連接至電橋作為兩個橋臂，當有流體流過時，兩個熱敏電阻的溫度不同，把他們的溫差信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸出流量信號。流體流過會帶來溫差，但溫差難以準確的反映流量，而且流體濃度、熱容量的不同會帶來較大的誤差，流體的紊流以及電阻傳感器的裝配等因素，使流速和溫差之間的關(guān)系帶來太多的干擾因素，所以雖然該類傳感器進行了諸多因素的修正仍難以有高的精度。
迅速發(fā)展的醫(yī)藥、生命科學儀器領域?qū)ξ⒘黧w檢測需要一種更加有效、結(jié)構(gòu)簡單、高精度的流量檢測計?，F(xiàn)有的流量計存在上述缺陷，未能滿足醫(yī)藥、生命科學微流體檢測的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)簡單、精度高的流量檢測方法和裝置，更加適合微小流體、以及微流體芯片的流量檢測。本發(fā)明的方法適用于工業(yè)、醫(yī)療、生化儀器中的流量檢測。本發(fā)明的裝置受流體種類、密度、熱容量等因素影響不大，可直接使用，不需要標定?？梢约稍谖⒘黧w芯片內(nèi)部，也可以單獨作為器件串接于生化、醫(yī)藥等科學儀器中。
本發(fā)明采用測量溫度不均勻的流體先后流過兩個測溫點的時間差，通過時間差來計算流速和流量的方法。為消除流體在流過兩個測溫點時難免出現(xiàn)的熱傳導、熱擴散等干擾，本發(fā)明對來自兩個溫度探頭的溫度數(shù)據(jù)采用相關(guān)算法消除上述干擾以得到準確的結(jié)果。
相關(guān)算法在信號處理領域尤其對于運動信號的捕捉是一種非常有用的算法，它可以有效的識別出摻入一定噪聲、發(fā)生了一定變化的某一信號。相關(guān)計算的公式RT1T2(N)＝∑fT1(n)fT2(n-N)； 公式1fT1(n)，fT2(n)是一對具有相似特性的離散序列信號，當R(N)取得最大值時的N的值，是fT2(n)相對于fT1(n)在序列上的滯后或超前值。
本發(fā)明采用信號處理中的相關(guān)算法，借助于微處理器(DSP)的高速計算性能來計算流量。而且對傳感器的結(jié)構(gòu)工藝要求大大簡化和降低。為了采用這一有效算法，可首先用加熱元件對流體變強度加熱，使流過的液體處于溫度不均勻狀態(tài)，在流體中加入溫度擾動信號。
為對流體產(chǎn)生熱擾動，本發(fā)明采用密封性好的隔離感應加熱方式，由電磁感應線圈和不銹鋼加熱筒對流體加熱。加熱方式是變強度的，包含了升溫過程和降溫過程，流體的溫度變化曲線可為任意的隨機函數(shù)曲線。
微控制處理器實時采集順著流向方向有一定間距的兩個紅外溫度探頭的溫度值T1、T2。對T1和T2進行互相關(guān)計算，計算出的互相關(guān)最大值對應的時間偏移值τ，即是流體流過兩個溫度探頭所需要的時間。用兩個紅外溫度探頭之間的距離除以τ得到流速值。用流速值乘以管道的截面積得到流量值。
流量讀數(shù)的輸出可以是模擬和數(shù)字信號。
應用本發(fā)明方法的裝置主要包括管體、電磁感應線圈、電磁感應加熱不銹鋼筒、紅外溫度探頭、加熱功率驅(qū)動器、微處理控制器。
管體為管體[G]為等截面管道，用熱、電不良導體材料(如有機玻璃或陶瓷)制成的細管，內(nèi)壁光滑。電磁感應線圈繞在管體外液體的入端，沿軸向方向單層或多層繞制。電磁感應加熱不銹鋼筒是用不銹鋼材料制成的一薄壁圓筒，圓筒內(nèi)徑與管體內(nèi)徑相同，從管體一端同軸心地嵌入在管體內(nèi)。電磁感應加熱不銹鋼筒與外部電磁感應線圈沿軸向?qū)R，長度相同。不銹鋼筒在電磁感應線圈產(chǎn)生的交變電磁場的作用下加熱液體。電磁感應線圈工作在高頻狀態(tài)，一般為幾十千赫。加熱功率驅(qū)動器的作用是把交流輸入整流為直流電，再逆變成一定功率的高頻交流電(幾十千赫)施加在電磁感應線圈兩端。整流可以通過4個二極管全橋整流來實現(xiàn)二極管兩兩相串連，然后再并聯(lián)，兩支串連支路中部為輸入，并聯(lián)后的兩端為輸出。逆變可以采用4個MOS功率管來實現(xiàn)，4個MOS管連接為全橋電路MOS管兩兩相串連，串連后的兩支橋臂再并聯(lián)，并聯(lián)后的上下兩端分別接整流輸出的直流電的正負極，從兩個橋臂的中部引出導線連接電磁感應線圈。工作時左邊橋臂的上MOS管與右邊橋臂的下MOS管開通；另外兩個MOS管截止，則對電磁感應線圈加電壓的方向左正右負。反之，右邊橋臂的上MOS管與左邊橋臂的下MOS管開通；另外兩個MOS管截止，則對電磁感應線圈加電壓的方向左負右正。在微處理器的高速控制下，高頻、交替、對稱的切換上述兩種開關(guān)方式，則實現(xiàn)對電磁感應線圈的高頻交流驅(qū)動控制。因為四支MOS管中，對角工作狀態(tài)相同，所以微處理器(MCU)只需送出兩路驅(qū)動信號，每一路驅(qū)動信號通過MOS管門極快速開通專用芯片連接至對角兩支MOS管的門極。微處理器送出的兩路驅(qū)動信號是采用脈寬調(diào)制(PWM)的，即頻率不變，只改變占空比。占空比越大，四支MOS管開通的時間比越大，輸出的功率越大。兩路驅(qū)動信號的開通是交替的，當兩路信號的占空比都接近50％時，則電磁感應線圈以最大功率向感應加熱不銹鋼筒輸送功率，所以通過改變占空比，可以改變加熱功率。
沿軸向方向在距電磁感應加熱不銹鋼筒一定距離(如5厘米)的管體壁上從外部開設有一從大孔徑通過臺階向小孔徑過渡的帶臺階的通孔，通孔的中心與管道軸線垂直相交，大孔徑與紅外溫度探頭相配，一紅外溫度探頭嵌入其中，小孔徑比紅外溫度探頭入射窗口略大。紅外溫度探頭入射窗口指向管內(nèi)，用環(huán)氧樹脂膠把紅外探頭密封固定在臺階孔內(nèi)。在與這一紅外溫度探頭一定距離的管體的管壁上，開設有另一相同結(jié)構(gòu)的帶臺階的通孔，另一個紅外溫度探頭嵌入此通孔。因為普通有機玻璃管體或陶瓷對紅外有吸收作用會帶來測溫誤差，所以臺階孔的小孔徑比紅外溫度探頭入射窗口(Φ2.54mm)略大，使從流體發(fā)出的紅外輻射直接進入紅外探頭。這一對紅外探頭性能應基本一致。要求響應速度快，響應時間在0.1秒以下，可測溫范圍0-100攝氏度。滿足上述要求的低溫紅外溫度傳感器的輸出范圍在2毫伏以下，為了使微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以直接轉(zhuǎn)換，對紅外溫度傳感器輸出的微弱信號需要采用差分運算放大器放大1000-2000倍。紅外溫度探頭的一對電壓輸出引腳和差分運算放大器的一對輸入引腳相連，偏置電壓引腳接電位器的輸出端。合適的偏置電壓可以使紅外溫度探頭的輸出有更好的線性，有利于提高測量精度。偏置電壓一般設置在2伏左右。電位器一端接正5伏電源，一端接地，中間可調(diào)電壓輸出端接紅外溫度探頭的偏置電壓輸入，通過調(diào)節(jié)電位器使紅外溫度探頭獲得2伏左右合適的偏置電壓。
整個流量檢測中，待檢測液體從管體繞有電磁感應線圈的一端流入，另一端流出。220伏交流電直接輸入到功率驅(qū)動器，功率驅(qū)動器首先把50HZ低頻的交流電，整流為300伏的直流電加在全橋逆變主電路4支功率MOS管的上下兩端，微處理器根據(jù)預存的隨機函數(shù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷腜WM信號，分兩路驅(qū)動信號去控制全橋主電路的功率輸出。隨機函數(shù)中的數(shù)據(jù)越大，對應的加熱功率越大，流過電磁感應加熱不銹鋼筒的液體溫度越高，反之，則越低。載有溫度信號的液體先后經(jīng)過兩個沿流向方向安裝的紅外溫度探頭，兩個紅外溫度探頭實時地把流過的液體的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷?毫伏級)的電壓信號輸出。兩路微弱的電壓信號分別經(jīng)過兩路2000倍的放大電路輸入至微處理器的兩路AD進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。微處理器首先把來自兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換的值(溫度)保留在兩個數(shù)組中，當兩個數(shù)組的數(shù)據(jù)保存100次采集的結(jié)果后進行首次流量計算。因為是溫度上下起伏的流體先后經(jīng)過兩個紅外溫度探頭，所以兩個保存溫度數(shù)據(jù)的數(shù)組，具有相似性和在時間上的先后性。微處理器對兩個數(shù)組采用互相關(guān)算法，計算出兩個數(shù)組中溫度信號的時間差，就可以計算出流速，根據(jù)流速可進一步計算出流量。在完成首次計算后，微處理器把實時采集的兩路溫度數(shù)據(jù)分別加入到兩個數(shù)組的末尾，刪除數(shù)組最前面的數(shù)據(jù)，這樣在保證數(shù)組長度不變的情況下，對數(shù)組進行更新，而且每更新一次數(shù)組，微處理器進行一次新的相關(guān)計算，從而實時給出流速流量。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
G管體，L1電磁感應線圈，L2電磁感應加熱不銹鋼圓筒，S1、S2紅外溫度探頭，H加熱功率驅(qū)動器，MCU微處理控制器。
圖2為本發(fā)明裝置加熱電路原理圖。
M1、M2、M3、M4功率MOS管，K是MOS管門極開通驅(qū)動器，MCU(TMS320F240)微處理控制器，A1、A2運算放大器，S1、S2紅外溫度探頭，L1電磁感應線圈。
圖3為本發(fā)明具體實施例從兩個溫度探頭得到的溫度曲線。
橫軸采集時間t(秒)，縱軸溫度值T(攝氏度)，f1來自S1的溫度曲線，f2來自S2的溫度曲線。
圖4本發(fā)明具體實施例對兩條相似溫度曲線進行相關(guān)計算的結(jié)果示意圖。
橫軸時間t(秒)，縱軸相關(guān)值R(N)(無單位)。
圖5本發(fā)明方法流量檢測計算流程框圖。
S1[]、S2[]([]在數(shù)學中，特別是在計算機有關(guān)的課程中通常把數(shù)組a表示為a[]，用來與數(shù)a區(qū)別)從溫度探頭S1、S2采集的溫度數(shù)組，fT1(n)fT2(n+N)數(shù)組S1[]、S2[]的片段，R(N)相關(guān)計算結(jié)果，MAX{R(N)}求相關(guān)性結(jié)果的最大值MAX{R(N)}，T溫度采樣周期，mR(N)取最大值時N的值，Tm數(shù)組序列移動m對應的時間，L溫度探頭S1與S2間的距離，V液體的流速，Q液體的流量。
圖6是日本專利JP10019621原理示意圖。
R1、R2加熱和溫差檢測電阻。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
，對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示，本發(fā)明裝置的管體G采用熱不良導體材料-有機玻璃或陶瓷材料制成的細管。細管內(nèi)徑小于10mm(如直徑7mm)，外徑15mm。電磁感應加熱不銹鋼圓筒L2是用薄不銹鋼材料制成的一薄壁圓筒，長度80mm，內(nèi)徑與有機玻璃管G內(nèi)徑相同(如7mm)，加熱不銹鋼筒L2壁厚小于0.5mm(如0.3mm)，同軸心地嵌入在有機玻璃管G內(nèi)。電磁感應線圈L1采用細漆包線繞制。加熱功率的設計應保證在流量測量的最大量程時，液體的溫度可以達到不低于10度的溫升，這樣液體的溫度起伏明顯，有利于微處理器準確地計算出流量。按設計最大流量1800uL/s計算，電磁感應加熱的最大加熱功率應達到100瓦。一般情況控制流過液體的溫度在常溫至低于50攝氏度范圍之內(nèi)起伏波動，對于對溫度有特殊要求的液體加熱溫度幅度可進一步降低。在距電磁感應不銹鋼加熱筒L2一定距離(如5厘米)的管G壁上開一從大孔徑通過臺階向小孔徑過渡的帶臺階的通孔，通孔的中心與管道軸線垂直相交，大孔徑與紅外溫度探頭相配，嵌入紅外溫度探頭S1，小孔徑比紅外溫度探頭入射窗口略大(入射窗口直徑2.54mm)。紅外溫度探頭入射窗口指向管內(nèi)，紅外溫度探頭部件外觀是一圓柱體，直徑7-8mm，高4.5mm，探頭頂部的入射窗口是具有平坦透射性能(2-23um紅外波長)的紅外透射玻璃窗，紅外敏感微單元封裝在圓柱體心部。再在與紅外溫度探頭S1一定距離(如5厘米)的一定距離的管體G的管壁上，開設有另一相同結(jié)構(gòu)的帶臺階的通孔，另一個紅外溫度探頭S2嵌入此通孔。S1、S2的頂部開孔和液體直接相通，使從流體發(fā)出的紅外輻射從頂端直接進入紅外探頭。紅外溫度探頭周圍用環(huán)氧樹脂膠粘合固定在臺階孔內(nèi)。管體G裝加熱不銹鋼筒L2的一端是進液口，另一端是出液口。
電磁感應加熱基于電磁感應原理電磁感應線圈L1產(chǎn)生的交變磁場通過磁場耦合，把能量傳入電磁感應加熱不銹鋼筒L2，電磁感應加熱不銹鋼筒L2在渦旋電場的作用下產(chǎn)生渦旋電流并產(chǎn)生焦耳熱。
電磁感應加熱不銹鋼筒L2的半徑是3.5mm，設計電磁感應線圈L1的截面半徑是4.5mm，則耦合系數(shù)(k)理論上是截面積之比，即k＝π*3.5*3.5/(π*4.5*4.5)＝0.6?？紤]到電磁感應加熱不銹鋼筒L2有一定厚度(0.3mm)，將有效的增大磁通，將耦合系數(shù)從0.6修改為0.7。
電磁感應加熱不銹鋼筒L2產(chǎn)生的感應電動勢與電磁感應線圈L1的電壓關(guān)系是E＝V*k*1/N，k是耦合系數(shù)，N是電磁感應線圈的匝數(shù)，電磁感應加熱不銹鋼筒的匝數(shù)是1，E是感應電動勢，V是電磁感應線圈所加的電壓。不銹鋼的電阻率(ρ)是1Ωmm2/m左右。對于渦旋電場的電阻(R)是ρ*l/s。
R＝1*π*0.007/0.3*80＝0.9×10-3Ω，所以加熱的功率是P＝E2/R，即P＝(V*k/N)2/R，(公式2)設計最大功率100W，取P＝100W。(V*k/N)2/R＝100；取N＝700匝，V＝300V可以實現(xiàn)上述要求。
為了選取合適的漆包線線徑，需要對交變磁場頻率和電流波動做進一步的計算。
空心螺線管電感公式是L=u0N2*Sl,]]>(公式3)u0是真空中的磁導率4π×10-7H/m，N電磁感應線圈匝數(shù)，S橫截面積，l螺線管長度。
上面計算得N＝700，在該實例中S＝π*4.5*4.5×10-6m2，l＝80mm；上述參數(shù)代入公式3計算出電感L＝4.9mH，考慮到螺線管中有不銹鋼金屬筒，所以電感量要是空心螺線管的2-3倍。所以取電感L＝4.9mH×3＝14.7mH。
在交變磁場的作用下，電磁感應線圈中的電流是線性的上升和下降，是三角波。
ΔI=VLΔT]]>(公式4)在實際工作中Δl過大，會造成銅損增大，所以一般限制Δl/I＜1，以保證電流連續(xù)。I＝100/300＝0.33A；Δl＝0.3A。Imax＝I+Δl＝0.63A代入公式40.3=30014.7×10-3ΔT;]]>計算得ΔT＝14.7us；對于全橋電路的工作方式ΔT=12f,]]>所以工作頻率f=12ΔT=12×14.7×10-6=34×103Hz.]]>電磁感應線圈L1的最大電流Imax＝0.63A，根據(jù)工程中電流與銅線截面積約定電流密度小于6A/mm2。在此取5A/mm2，計算得漆包線線徑直徑Φ＝0.4mm；在80mm的長度上繞700匝，需要繞4層，內(nèi)部三層每層200匝，最外層繞100匝，中心對稱。
從上面的計算中得出電磁感應線圈L1供電電壓300V，電流峰值0.63A，交變電壓頻率34千赫，電磁感應線圈L1繞線直徑0.4mm，匝數(shù)700匝，電磁感應線圈L1和電磁感應加熱不銹鋼筒L2沿軸向方向長80mm，內(nèi)徑分別是9和7mm。設計最大平均功率100W。從圖1中給出了電磁感應線圈L1和電磁感應加熱不銹鋼筒，他們長度基本相同(約80mm)，電磁感應加熱不銹鋼筒L2在管體G內(nèi)壁，電磁感應線圈繞在挖掉一定壁厚的管體G外部。管體外徑15mm，電磁感應線圈要求的內(nèi)徑是9mm，挖掉徑向3mm、軸向?qū)挾?0mm的臺階槽，把電磁感應線圈繞于其中。
對加熱只要求流過不銹鋼加熱筒后的流體溫度有起伏變化，例如選用一段隨機函數(shù)值(可以是人為手動編寫無規(guī)律的50個整數(shù)，存儲在微處理器中，數(shù)的范圍在0-100之間；也可以借用C語言函數(shù)庫帶的隨機函數(shù)random()來生成)。把這50個數(shù)依次送出到(PWM)D/A，D/A的輸出控制加熱強度，每個數(shù)保持時間0.5秒，可以使流過的液體溫度不斷變化。
如圖2所示，加熱功率驅(qū)動電路為橋式電路。功率驅(qū)動電路由整流和高頻逆變兩部分組成。全橋整流部分電路是4支耐壓超過300V電流容量大于0.5A的4支二極管組成。二極管兩兩相串連，然后再并聯(lián)，兩支串連支路中部為輸入，并聯(lián)后的兩端為輸出。逆變采用4個MOS功率管M1、M2、M3、M4來實現(xiàn)，4個MOS管連接為全橋電路MOS管兩兩相串連，串連后的兩支橋臂再并聯(lián)，并聯(lián)后的上下兩端分別接整流輸出的直流電的正負極，從兩個橋臂的中部引出導線連接電磁感應線圈。220伏交流電直接輸入到功率驅(qū)動器，功率驅(qū)動器首先把50HZ低頻的交流電通過四支二級管組成的整流橋整流為300伏的直流電加在全橋逆變主電路4支功率MOS管的上下兩端，全橋逆變主電路的左右兩個橋臂的中部引出導線直接連接管體G外所繞的電磁感應線圈L1。4個功率MOS管的門極控制信號由微處理器提供。微處理器(MCU)只需送出兩路驅(qū)動信號，每一路驅(qū)動信號通過MOS管門極快速開通專用芯片(K)連接至對角兩支MOS管的門極。微處理器送出的兩路控制信號在電平相反，所以這四支MOS管按對角分為兩組即M1和M4一組，M2和M3一組，每一組門極驅(qū)動信號相同工作狀態(tài)相同；而這兩組MOS管不可同時開通，即M1M4開通則M2M3必須截止，反之，亦然。這兩組開通與截止高頻交替，如上面計算的37千赫，就實現(xiàn)了高頻電磁感應加熱，通過PWM(脈寬調(diào)制)實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。如上所述，該PWM的值是根據(jù)事先設計的無規(guī)律數(shù)據(jù)，比如說這組無規(guī)律數(shù)的范圍是0-100；則100對應電磁感應線圈最大功率功率100瓦加熱，50則對應半功率加熱。
圖2的右部是紅外溫度探頭的連接電路圖。紅外溫度探頭的三個連線的引腳一對與溫度輸入紅外輻射基本成比例的電壓輸出引腳(V+、V/-)，和一個偏置電壓調(diào)節(jié)引腳(R)，紅外溫度探頭V+和V/-分別和差分運算放大器A1、A2的同相輸入端和反相輸入端相連，偏置電壓引腳R接電位器的輸出端。電位器一端接正5伏參考電源(Verf)，一端接地，中間可調(diào)電壓輸出端接紅外溫度探頭的偏置電壓輸入。通過調(diào)節(jié)電位器來獲得2伏左右合適的偏置電壓。兩路紅外溫度探頭輸出的電壓信號經(jīng)過與其連接的差分運算放大器A1、A2放大，然后送到微控制器MCU的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行計算。紅外溫度探頭的偏值電壓設置調(diào)節(jié)是通過電位器的調(diào)節(jié)來提供，具有2伏左右偏置電壓的紅外溫度探頭具有更好的輸出特性。紅外溫度探頭具有非接觸、響應快、靈敏度高的特點。如采用roither-laser公司的TP336紅外溫度探頭，可使用測溫范圍-20到+100攝氏度，時間常數(shù)16ms，感光區(qū)域直徑0.5mm，2-22um波段具有平坦透射性能的紅外透射窗口。紅外溫度探頭的位置如圖1所示，S1、S2都從外部嵌裝在管體G壁中，S1、S2的頂部是紅外入射窗口，為了使液體的溫度輻射毫無遮擋的入射到紅外探頭的入射窗口，在探頭的頂部臺階開一直徑2.5毫米的通孔。用環(huán)氧樹脂膠固定紅外溫度探頭并密封。因為設計的溫度上升下降最大是10攝氏度，所以紅外溫度探頭的工作范圍是常溫狀態(tài)。上述紅外溫度探頭在測量30-50攝氏度的液體時，輸出得電壓信號大概在0.1-1mV/，該電壓信號的大小就表征了溫度的高低。正常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電壓最好在2V左右，所以需要對紅外溫度探頭的直接輸出放大2000倍左右，一級放大40倍和一級放大50倍的運放單元串聯(lián)來完成2000倍的放大。放大后接近2伏的信號直接連到微控制處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。微處理器以一定的頻率(0.1秒時間間隔)啟動芯片內(nèi)部ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并把結(jié)果保存在芯片內(nèi)的RAM中，完成了溫度數(shù)據(jù)的采集。采集的結(jié)果以兩個數(shù)組的形式保存兩路溫度信號對應的結(jié)果，為后面相關(guān)計算使用，來自紅外溫度探頭S1、S2的電壓信號數(shù)值分別是本專利所提到的兩路溫度T1和T2。
對于微處理器相關(guān)算法的實施，假如流體流過不銹鋼加熱筒L2被加熱后的一段液體溫度如圖3所示流過溫度探頭S1的溫度(T1)的曲線如f1，流過溫度探頭S2的溫度(T2)的曲線如f2。首先f2應該在時間上滯后f1一段時間(tm)，其次f2應該與f1存在著一定程度上的相似。為了保證第二點，要求管G為內(nèi)壁光滑的直、圓管，而且內(nèi)徑小于10mm。為了用微處理器能準確求得上述tm，需要消除流體從S1流到S2途中，由于其他因素干擾而在理想溫度曲線中加入的噪聲，在此采用相關(guān)算法。對曲線f1，f2分別采集一定點數(shù)(如n點)，這樣得到兩條曲線對應的兩個數(shù)組(fT1(n)，fT2(n))。利用相關(guān)算法向后平移曲線fT1(n)，或者向前平移fT2(n)，當fT2(n)與fT1(n)重合度最大時，得到的積分值(累加和)將是最大值。通過計算出積分的最大值所對應的序列fT2(n)的平移位數(shù)，就可得到準確的時間差，假定相關(guān)計算結(jié)果的曲線如圖4所示，可以看出積分最大值對應的時間值tm，tm就是fT2(n)滯后于fT1(n)的時間。用S1與S2的距離(L)除以時間差tm就得到液體的流速(v)，進而可得到流量(Q)。
本發(fā)明的計算步驟如圖5所示。
第(1)、(2)步用微處理器(TMS320F240)控制電磁感應線圈L1加熱，微處理器的兩路AD對兩路溫度信號T1、T2進行數(shù)據(jù)采集。假定流過溫度探頭S1、S2溫度(T1、T2)的曲線分別為f1、f2，如圖3所示。兩路AD的采樣頻率是10Hz，每點的采樣間隔是0.1秒，那么對兩路溫度S1(T1)、S2(T2)在10秒內(nèi)將得到100個點的數(shù)組，記做S1
，S2
。下面對采到的數(shù)組進行計算。
第(3)步令fT1(n)＝S1
；fT2(n+N)＝S2
。
N是數(shù)組(曲線)的平移值，N的取值范圍是從0到50。
N＝0fT2(n+N)＝S2
；N＝50fT2(n+N)＝S2[50:99]；第(4)步令N＝0到50，計算R(N)=ΣN=050fT1(n)*fT2(n+N)]]>公式5第(5)步得到積分求和序列R(N)，檢索R(N)序列中最大值對應的N＝m。得出tm＝m×0.1；tm是所求的滯后時間，0.1是采樣時間間隔，單位是秒。流速v＝L/tm；L是溫度探頭S1、S2之間的距離。流量Q＝v×s；s是管道截面積。
第(6)步在完成第一次采集計算后，S1、S2采集下一個溫度數(shù)據(jù)。
第(7)步把新采集的數(shù)分別加在數(shù)組S1
，S2
的末尾，數(shù)組中各位依次前移，兩個數(shù)組最前面的數(shù)被剔除。再次重復上述計算過程，計算流速、流量。微處理器(TMS320F240)的計算速度很快，1ms內(nèi)可以完成上述計算，所以上述計算時間可以忽略，可以實時給出流量。
控制加熱功率的50個隨機數(shù)，可以重復使用。
本發(fā)明實施例溫度探頭間距5cm，內(nèi)徑7mm適合測定的流量范圍是0-1800uL。
本發(fā)明通過改變內(nèi)徑尺寸和溫度探頭S1、S2間距和采樣頻率，可以改變測量范圍。
本發(fā)明工作過程如下。
在流量檢測時，待檢測液體從本發(fā)明裝置的管體G的A端流入，B端流出。在A端附近的管體G外80mm長度上繞有700匝電磁感應線圈L1，對應管體G內(nèi)有長度80mm厚度0.3mm的電磁感應加熱不銹鋼筒L2，電磁感應線圈L1與電磁感應加熱不銹鋼筒L2組成加熱組件，功率100瓦。220伏交流電直接輸入到功率驅(qū)動器H，功率驅(qū)動器首先把50HZ低頻的交流電，整流為300伏的直流電，加在全橋逆變主電路4支功率MOS管的上下兩端，微處理器MCU根據(jù)預存的隨機函數(shù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷腜WM信號，分兩路驅(qū)動信號去控制全橋主電路的功率輸出。隨機函數(shù)中的數(shù)據(jù)越大，對應的加熱功率越大，流過電磁感應線圈液體溫度越高，反之，則越低。在微處理器MCU的控制下，加熱強度按隨機數(shù)規(guī)律不斷變化，從而使在管體G中流過的液體溫度無規(guī)律地上下起伏，最大起伏達10攝氏度。載有溫度起伏信號的液體先后經(jīng)過兩個沿流向方向間距50mm的紅外溫度探頭S1和S2，兩個紅外溫度探頭S1和S2實時地把流過的液體的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷?毫伏級)的電壓信號輸出。輸出的微弱電壓信號與流過的液體的溫度基本上是線性對應關(guān)系。兩路微弱的電壓信號分別經(jīng)過兩路2000倍的放大電路輸入至微處理器MCU的兩路AD進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。微處理器MCU不斷地把來自兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換的溫度值(T1、T2)保留在兩個數(shù)組S1[]、S2[]中，微處理器MCU再對兩個數(shù)組采用互相關(guān)算法，計算出兩個數(shù)組S1[]、S2[]中溫度信號的在時間序列上的差值。兩個紅外測溫點的間距(50mm)除以時間序列差值就計算出流速，流速乘以管道截面積即得到流量值。
權(quán)利要求
1.一種流量檢測方法，其特征在于采集等截面管道中流體先后流過有一定間距的兩個紅外溫度探頭[S1和S2]的溫度值T1、T2，對T1和T2進行互相關(guān)計算，相關(guān)計算的公式RT1T2(N)＝∑fT1(n)fT2(n-N)，相關(guān)值R(N)，fT1(n)，fT2(n)為一對具有相似特性的離散序列信號；計算出的互相關(guān)最大值對應的時間偏移值τ，即流體流過兩個紅外溫度探頭[S1和S2]所需要的時間，用紅外溫度探頭[S1和S2]之間的距離除以τ得到流速值，用流速值乘以管道的截面積得到流量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量檢測方法，其特征在于檢測前，可在流體流過兩個紅外溫度探頭[S1和S2]前，先對流體進行變強度加熱，在流體中加入溫度擾動信號。
3.應用本發(fā)明的檢測裝置，其特征在于主要包括管體[G]、電磁感應線圈、電磁感應不銹鋼加熱筒[L2]、紅外溫度探頭[S1和S2]、加熱功率驅(qū)動器、微處理控制器[MCU]；管體[G]為等截面管道，沿軸向方向在距電磁感應不銹鋼加熱筒[L2]一定距離的管體[G]的管壁上開設有一從大孔徑通過臺階向小孔徑過渡的帶臺階的通孔，通孔的中心與管道軸線垂直相交，大孔徑與紅外溫度探頭[S1]相配，紅外溫度探頭[S1]嵌入其中，小孔徑比紅外溫度探頭入射窗口略大；紅外溫度探頭入射窗口指向管內(nèi)；在與紅外溫度探頭[S1]一定距離的管體[G]的管壁上開設有相同結(jié)構(gòu)的另一帶臺階的通孔，紅外溫度探頭[S2]嵌入此通孔；紅外溫度探頭[S1和S2]的一對電壓輸出引腳和差分運算放大器的一對輸入引腳相連，偏置電壓引腳接電位器的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測裝置，其特征在于管體[G]為用熱、電不良導體材料制成的細管，內(nèi)壁光滑；電磁感應不銹鋼加熱筒[L2]是用不銹鋼材料制成的一薄壁圓筒，圓筒內(nèi)徑與管體[G]內(nèi)徑相同，從管體[G]一端同軸嵌入在管體[G]內(nèi)，電磁感應線圈繞在不銹鋼加熱筒[L2]外管體[G]上，沿軸向方向單層或多層繞制；不銹鋼加熱筒[L2]與外部電磁感應線圈沿軸向的長度基本相同，基本對齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測裝置，其特征在于電磁感應線圈工作在高頻狀態(tài)；加熱功率驅(qū)動器為橋式電路，由整流和高頻逆變兩部分組成；全橋整流部分電路由4只二極管組成，兩兩相串連，然后再并聯(lián)，兩支串連支路中部為輸入，并聯(lián)后的兩端為輸出；高頻逆變采用4個MOS功率管[M1、M2、M3、M4]實現(xiàn)，4個MOS管連接為全橋電路MOS管兩兩相串連，串連后的兩支橋臂再并聯(lián)，并聯(lián)后的上下兩端分別接整流輸出的直流電的正負極，從兩個橋臂的中部引出導線連接電磁感應線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測裝置，其特征在于兩個紅外溫度探頭[S1和S2]實時地把流過的液體的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)楹练壍碾妷盒盘栞敵?，兩路電壓信號分別經(jīng)過兩路2000倍的放大電路輸入至微處理器[MCU]的兩路AD進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；微處理器[MCU]不斷地把來自兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換的溫度值保留在兩個數(shù)組S1[]、S2[]中，微處理器[MCU]再對兩個數(shù)組S1[]、S2[]采用互相關(guān)算法，計算出兩個數(shù)組S1[]、S2[]中溫度信號的在時間序列上的差值；兩個紅外測溫點[S1和S2]的間距除以時間序列差值計算出流速，流速乘以管道截面積即得出流量值。
全文摘要
一種流量檢測方法，涉及工業(yè)、醫(yī)療、生化儀器中的細管道流量檢測方法。其特征在于采集等截面管道中流體先后流過有一定間距的兩個紅外溫度探頭[S1和S2]的溫度值T1、T2，對T1和T2進行互相關(guān)計算，計算出的互相關(guān)最大值對應的時間偏移值τ，即流體流過兩個紅外溫度探頭[S1和S2]所需要的時間，用紅外溫度探頭[S1和S2]之間的距離除以τ得到流速值，用流速值乘以管道的截面積得到流量值。應用本發(fā)明方法的檢測裝置，主要包括管體[G]、電磁感應線圈[L1]、電磁感應不銹鋼加熱筒[L2]、紅外溫度探頭[S1和S2]、加熱功率驅(qū)動器[H]、微處理控制器[MCU]。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，準確度高，不受液體粘度、密度等性質(zhì)影響，可用于微小流量的測量。
文檔編號G01F1/68GK1847802SQ20051001156
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月14日
發(fā)明者郭少朋, 吳嵐軍, 李建國, 劉鴻, 霍榮嶺, 王珺, 閆獻勇 申請人:中國科學院電工研究所