專利名稱：氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法、傳感器、及流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)量流量檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法、傳感器、及流量計(jì)。
背景技術(shù)：
熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量是利用傳熱原理，即流動(dòng)中的流體與熱源流體中加熱的物體或測(cè)量管外加熱體之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的技術(shù)。它主要分為風(fēng)速計(jì)式anemometer和測(cè)熱型calorimetric兩種方式。風(fēng)速計(jì)工作原理是建立在1914年提出的King’s Law理論基礎(chǔ)上的，這種測(cè)量方式是以流體流動(dòng)下加熱絲的熱耗散程度作為測(cè)量依據(jù)。測(cè)熱型的測(cè)量原理則以探測(cè)流體流動(dòng)過(guò)程中加熱元件熱源兩側(cè)的溫度分布來(lái)探測(cè)流速大小。
傳統(tǒng)測(cè)熱式原理中，通常采用熱流體傳感器包括加熱器和溫度傳感器兩部分，在加熱絲上下游對(duì)稱分布一對(duì)或數(shù)對(duì)鉑質(zhì)溫度敏感絲，且為了提高單元器件之間的隔熱性，加熱絲與溫度敏感絲之間采用微橋式懸空結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)而言，這種傳感器的抗沖擊強(qiáng)度很弱，被測(cè)介質(zhì)要求純凈、無(wú)顆粒雜質(zhì)，而且不能承受較大的瞬時(shí)流動(dòng)沖擊。
傳統(tǒng)測(cè)熱式原理是通過(guò)測(cè)量上下游一對(duì)溫度傳感器的溫度差值，從而確定流體流速。但是該溫度差值隨著流速的增大會(huì)出現(xiàn)飽和點(diǎn)，并繼而下跌，如圖1所示，曲線由一個(gè)上升階段，一個(gè)飽和點(diǎn)F和一個(gè)下降階段來(lái)表征。圖中，橫軸代表流速V，縱軸代表溫度差ΔT。由圖1可知，這種測(cè)量方式下有效測(cè)量范圍限制在飽和點(diǎn)F以內(nèi)。同時(shí)，飽和點(diǎn)F的位置與溫度傳感器與加熱絲之間的間距有關(guān)，對(duì)于間距較近的傳感器，飽和點(diǎn)F在速度較大時(shí)發(fā)生，具有相對(duì)較大的測(cè)量范圍，但曲線上升緩慢，靈敏度欠佳；而對(duì)于間距較遠(yuǎn)的傳感器，飽和點(diǎn)F則在速度較小時(shí)發(fā)生，測(cè)量范圍較小，但是在低速段曲線具有較大的上升斜率，因此在低速段更為靈敏?？傊?，該模式的測(cè)量范圍很小，只適用于低流速的情況。
為此，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索，提出了多種多樣的實(shí)施方案。例如，中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種流速探測(cè)器申請(qǐng)?zhí)朇N00801406.X，它具有在基座的一部分中設(shè)有空間形成薄壁狀的隔膜部、在此隔膜部中形成的發(fā)熱體以及在此發(fā)熱體兩側(cè)形成的熱敏電阻體，其特征在于，上述熱敏電阻體成連接多個(gè)曲柄狀的梳齒形，將此熱敏電阻體布置成，使上述梳齒形的凹凸方向大致平行于被測(cè)流體的流向。該方案采用的仍然是傳統(tǒng)的測(cè)熱式信號(hào)處理方法，僅僅是對(duì)傳感的熱敏電阻體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高了熱敏電阻體溫度測(cè)量的精度。但是，對(duì)于熱分布測(cè)量的飽和現(xiàn)象和熱絲式測(cè)量的低速不穩(wěn)定性等均無(wú)太大幫助，因此并沒(méi)有從根本上克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。
還有人公開(kāi)了名為“熱脈沖時(shí)差式流量檢測(cè)方法”的專利公開(kāi)號(hào)CN1603762A，該方案將熱式流量傳感器放入于流速平行的管道中，對(duì)加熱測(cè)溫元或者加熱元件加上電脈沖信號(hào)，測(cè)量其對(duì)應(yīng)溫度脈沖信號(hào)；再對(duì)在加熱元件下游的溫度檢測(cè)元件進(jìn)行測(cè)量，也得到下游的測(cè)溫元的溫度脈沖信號(hào)；將兩條脈沖信號(hào)曲線進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)檢測(cè)脈沖信號(hào)上升沿的時(shí)間滯后值，也就是測(cè)量氣體流速。首先熱脈沖時(shí)差方法和本發(fā)明的上下游溫度分布二次差動(dòng)基于完全不同的測(cè)量原理，前者基于時(shí)間滯后值，是對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度的測(cè)量，后者基于溫度分布變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)幅值。其次，熱脈沖時(shí)差方法采用電脈沖信號(hào)加熱供電，對(duì)降低功率消耗有效；但是，由于熱傳導(dǎo)過(guò)程主要取決于熱元件和下游測(cè)溫元的空間距離和氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)等因素，要測(cè)量因?yàn)榱黧w流速變化而產(chǎn)生的時(shí)間滯后值，當(dāng)流體低流速時(shí)，流速引起的時(shí)間滯后值非常微小，會(huì)被其它外圍環(huán)境因素和氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)等產(chǎn)生的燥聲信號(hào)淹沒(méi)。所以，在低速段不靈敏，難以適用于低流速的情況。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的測(cè)量范圍小，輸出特性易出現(xiàn)飽和點(diǎn)，對(duì)信號(hào)的處理不甚合理等的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種飽和點(diǎn)后移，提高了量程范圍和線性度，信號(hào)的處理合理的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法、傳感器、及流量計(jì)。
本發(fā)明還有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的測(cè)量的精度不高，容易造成誤差，對(duì)低速段不靈敏等的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種測(cè)量精度高，能夠有效消除誤差，靈敏度高的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法、傳感器、及流量計(jì)。
本發(fā)明再有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的熱慣性較大，頻響特性一般，功耗較大等的技術(shù)問(wèn)題；提供了一種采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗、高頻響，大幅降低芯片的熱慣性的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法、傳感器、及流量計(jì)。
本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于a.在傳感器的加溫元件上施加恒功率源激勵(lì)，通過(guò)對(duì)稱設(shè)置在加溫元件兩側(cè)的溫度檢測(cè)元件分別測(cè)量無(wú)氣流狀態(tài)下加溫元件上、下游的溫度分布；b.當(dāng)氣體流過(guò)傳感器時(shí)，上游溫度檢測(cè)元件測(cè)定所在區(qū)域溫度分布變化并且輸出產(chǎn)生上游溫度差值信號(hào)，下游溫度檢測(cè)元件測(cè)定所在區(qū)域溫度分布變化并且輸出產(chǎn)生下游溫度差值信號(hào)；c.用上游溫度差值信號(hào)減去下游溫度差值信號(hào)，從而得出上、下游溫度分布二次差動(dòng)信號(hào)，通過(guò)二次差動(dòng)信號(hào)和流動(dòng)氣流質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)量出流經(jīng)傳感器的氣流質(zhì)量流量。
本發(fā)明創(chuàng)造性地通過(guò)二次差動(dòng)方式對(duì)輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行處理。上、下游的溫度變化曲線都隨流量的增大而逐漸減小，上游溫度變化的差值曲線降幅大，下游溫度變化的差值曲線下降幅度小。由此將上下游溫度差進(jìn)行二次差分得到二次溫差曲線輸出特性，將飽和點(diǎn)往后推移，可大幅提高流量測(cè)試范圍。傳感器的加溫元件的布置方向與氣流的方向相垂直，并使在無(wú)氣流時(shí)，上下游的溫度分布基本相互對(duì)稱。此時(shí)的測(cè)得的溫度一距離曲線大致成正態(tài)分布。
作為優(yōu)選，上述的二次差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，并由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)在中央處理單元中根據(jù)二次差動(dòng)信號(hào)和流動(dòng)氣流質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算處理，得出流經(jīng)傳感器的流動(dòng)氣流質(zhì)量流量。
作為優(yōu)選，所述的整個(gè)傳感器采用MEMS方式加工制作。MEMS是指微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，通過(guò)MEMS技術(shù)制造的微米結(jié)構(gòu)器件增強(qiáng)溫度變化測(cè)量的靈敏度，提高氣體質(zhì)量流量測(cè)量的線性度。
氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法的原理可用以下數(shù)學(xué)模型描述上游溫度檢測(cè)元件在無(wú)氣流和有氣流兩種狀態(tài)下檢測(cè)到的溫度的差值減去下游溫度檢測(cè)元件在無(wú)氣流和有氣流兩種狀態(tài)下檢測(cè)到的溫度的的差值；從而實(shí)現(xiàn)二次溫差，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的一維熱式流體傳感器，其加熱絲的溫度可表述為 式中 Th-加熱絲溫度P-加熱功率
kF-流體熱導(dǎo)率wh-加熱絲寬度lh-加熱絲長(zhǎng)度δ-熱邊界層v-平均流速 α-流體熱擴(kuò)散率其中 k可表述為 式中 ksi-襯底材料熱導(dǎo)率td-橫膈膜厚度則上游溫度傳感器之間的溫度差表述為ΔTup＝Th[exp(γ1lu1)-exp(γ1lu2)] ③其中 同樣，下游溫度傳感器之間的溫度差表述為ΔTdown＝Th[exp(γ2ld1)-exp(γ2ld2)]⑤其中 式中 lul、lu2-加熱絲到上游溫度傳感器的距離ld1、ld2-加熱絲到下游溫度傳感器的距離二次溫差則可表示為ΔT＝ΔTdown-ΔTup⑦由此得到的傳感器二次溫差輸出信號(hào)曲線形狀雖然上、下游溫差曲線都隨流量的增大而逐漸減小，而由于采用溫度差方式，下游溫差曲線對(duì)實(shí)際溫度的下降不敏感，因此其下降幅度很??；由此，再將上下游溫度差進(jìn)行二次差分得到二次溫差曲線?？梢钥吹剑撉€低速段更為靈敏，高速段飽和點(diǎn)能夠大幅度后移，因此，可大幅提高流量測(cè)試范圍。此外，通過(guò)第一次差值可以抵消一部分誤差。
采用上述方法的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)傳感器，包括加溫元件，對(duì)稱設(shè)置在加溫元件兩側(cè)的溫度檢測(cè)元件，即上游溫度檢測(cè)元件和下游溫度檢測(cè)元件，其特征在于所述的加溫元件與恒功率源激勵(lì)相連，上游溫度檢測(cè)元件和下游溫度檢測(cè)元件分別與差動(dòng)運(yùn)算電路的兩個(gè)信號(hào)輸入端相連，所述的差動(dòng)運(yùn)算電路的輸出端連接有中央處理單元。
作為優(yōu)選，所述的加熱元件采用多晶硅材料的半導(dǎo)體電極；所述的上游溫度檢測(cè)元件和下游溫度檢測(cè)元件采用集成化電熱堆器件；并且整個(gè)傳感器采用MEMS結(jié)構(gòu)。
作為優(yōu)選，所述的加熱元件和位于其兩側(cè)的上游溫度檢測(cè)元件和下游溫度檢測(cè)元件相互平行地布置在單晶硅膜上，所述的單晶硅膜固定在玻璃基片上。
該基于MEMS技術(shù)的傳感器的測(cè)量方法是通過(guò)將流體流動(dòng)的變化轉(zhuǎn)化為熱傳播的變化，再將熱傳播的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)檢測(cè)分布在加熱元件上下游兩對(duì)位置不同的溫度檢測(cè)元件，通過(guò)溫度檢測(cè)元件輸出的電壓電信號(hào)來(lái)測(cè)量上下游溫度變化的差值。這種工作方式的傳感器不需要任何移動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)微型化。
MEMS技術(shù)的最大特點(diǎn)是通過(guò)將器件或系統(tǒng)的尺度微型化提高其靈敏度與頻響特性，并大幅降低器件質(zhì)量與慣量，實(shí)現(xiàn)大批量低成本制造。將MEMS工藝引入到熱式流量傳感器的設(shè)計(jì)中，可以輕易實(shí)現(xiàn)溫度敏感器件的微型化并精確控制熱絲與熱電堆之間的微米級(jí)間距，與此同時(shí)，MEMS器件的微型化特征可大幅降低芯片的熱慣性，實(shí)現(xiàn)低功耗、高頻響要求。因此，MEMS工藝熱式流量傳感芯片將促進(jìn)工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
采用上述傳感器的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)流量計(jì)，包括固定于其上的基于上下游溫度分布二次差動(dòng)技術(shù)的傳感器，與傳感器相連的恒功率源激勵(lì)，其特征在于所述的傳感器的輸出端與差動(dòng)運(yùn)算電路相連，所述的差動(dòng)運(yùn)算電路通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路與中央處理單元相連。
作為優(yōu)選，所述的中央處理單元通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)單元連接有顯示單元，并且中央處理單元還通過(guò)輸出模塊連接有輸出接口。
作為優(yōu)選，所述的中央處理單元還連接有輸入模塊，所述的輸入模塊與輸入終端相連。
作為優(yōu)選，所述的傳感器的玻璃基片設(shè)置在固定座上，所述的固定座插在流量計(jì)的管道壁上，在固定座和管道孔之間設(shè)有密封圈，在管道孔上通過(guò)固定體固連有蓋板。
因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.通過(guò)對(duì)上下游溫度變化差值進(jìn)行二次差動(dòng)運(yùn)算，保證對(duì)低速段線性度影響較?。?.在標(biāo)準(zhǔn)壓力和標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)試條件下，將氣體質(zhì)量流量的流速和輸出電壓的關(guān)系曲線的飽和點(diǎn)往后推，量程比擴(kuò)大了10倍以上，提高了量程范圍和線性度；3.測(cè)量精度高，能夠有效消除誤差，靈敏度高；4.采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗、高頻響，大幅降低芯片的熱慣性。
附圖1是本現(xiàn)有技術(shù)的一種流速V——溫度差ΔT關(guān)系圖；附圖2是本發(fā)明的一種在無(wú)流量和有流量?jī)煞N狀態(tài)下的溫度曲線圖。
附圖3是本發(fā)明的一種流量——輸出電壓值的關(guān)系圖；附圖4是本發(fā)明提供的傳感器的一種工作狀態(tài)圖；附圖5是本發(fā)明提供的傳感器的一種局部放大圖；附圖6是本發(fā)明提供的一種流量計(jì)的使用狀態(tài)圖；
附圖7是本發(fā)明提供的一種流量計(jì)的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；附圖8是本發(fā)明提供的一種差動(dòng)運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，加溫元件1、上游溫度檢測(cè)元件2u、下游溫度檢測(cè)元件2d、恒功率源激勵(lì)3、差動(dòng)運(yùn)算電路4、中央處理單元5、A/D轉(zhuǎn)換電路6、顯示驅(qū)動(dòng)單元71、顯示單元72、輸出模塊81、輸出接口82、輸入模塊91、輸入終端92、傳感器10、單晶硅膜11、玻璃基片12、固定座13、管道14、密封圈15、固定體16、蓋板17、壓焊塊18、金屬互連19、曲線A、曲線B、上游的溫度變化曲線C、下游的溫度變化曲線D、二次溫差曲線E、飽和點(diǎn)P、電壓輸出信號(hào)U、流量L。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
實(shí)施例氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于a.在傳感器的加溫元件1上施加恒功率源激勵(lì)3，通過(guò)對(duì)稱設(shè)置在加溫元件兩側(cè)的溫度檢測(cè)元件分別測(cè)量無(wú)氣流狀態(tài)下加溫元件上、下游的溫度分布；b.當(dāng)氣體流過(guò)傳感器時(shí)，上游溫度檢測(cè)元件2u測(cè)定所在區(qū)域溫度分布變化并且輸出產(chǎn)生上游溫度差值信號(hào)，下游溫度檢測(cè)元件2d測(cè)定所在區(qū)域溫度分布變化并且輸出產(chǎn)生下游溫度差值信號(hào)；c.用上游溫度差值信號(hào)減去下游溫度差值信號(hào)，從而得出上、下游溫度分布二次差動(dòng)信號(hào)，通過(guò)二次差動(dòng)信號(hào)和流動(dòng)氣流質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)量出流經(jīng)傳感器的氣流質(zhì)量流量。
上述的二次差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，并由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)在中央處理單元中根據(jù)二次差動(dòng)信號(hào)和流動(dòng)氣流質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算處理，得出流經(jīng)傳感器的流動(dòng)氣流質(zhì)量流量。所述的整個(gè)傳感器采用MEMS方式加工制作。
如圖2所示，曲線A是在無(wú)流量狀態(tài)下的溫度曲線，曲線B是在有流量狀態(tài)下的溫度曲線?？梢?jiàn)同一位置，在有流量時(shí)，上游的溫度下降，而下游的溫度上升。傳感器的加溫元件的布置方向與氣流的方向相垂直，并使在無(wú)氣流時(shí)，上下游的溫度分布基本相互對(duì)稱。此時(shí)的測(cè)得的溫度一距離曲線(曲線A)大致成正態(tài)分布。圖中箭頭為氣流方向。
如圖3所示，上游的溫度變化曲線C和下游的溫度變化曲線D都隨流量的增大而逐漸減小，上游溫度變化的差值曲線降幅大，下游溫度變化的差值曲線下降幅度小。由此將上下游溫度差進(jìn)行相減得到二次溫差曲線E輸出特性，將飽和點(diǎn)往后推移，可大幅提高流量測(cè)試范圍。
如圖4所示，是采用上述方法的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)傳感器，包括加溫元件1，對(duì)稱設(shè)置在加溫元件1兩側(cè)的溫度檢測(cè)元件，即上游溫度檢測(cè)元件2u和下游溫度檢測(cè)元件2d。加溫元件1與恒功率源激勵(lì)3相連，上游溫度檢測(cè)元件2u和下游溫度檢測(cè)元件2d分別與差動(dòng)運(yùn)算電路4的兩個(gè)信號(hào)輸入端相連，所述的差動(dòng)運(yùn)算電路4的輸出端連接有中央處理單元5。圖中箭頭為氣流方向。加熱元件1采用多晶硅材料的半導(dǎo)體電極；所述的上游溫度檢測(cè)元件2u和下游溫度檢測(cè)元件2d采用集成化電熱堆器件；并且整個(gè)傳感器采用MEMS結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，加熱元件1和位于其兩側(cè)的上游溫度檢測(cè)元件2u和下游溫度檢測(cè)元件2d相互平行地布置在島形單晶硅膜11上，所述的單晶硅膜11固定在玻璃基片12上。溫度檢測(cè)元件的兩端通過(guò)壓焊塊18固定。加熱元件1通過(guò)金屬互連19固定在玻璃基片12上。
如圖6所示，是采用上述傳感器的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)流量計(jì)，包括固定于其上的基于上下游溫度分布二次差動(dòng)技術(shù)的傳感器10，與傳感器10相連的恒功率源激勵(lì)3。傳感器10的輸出端與差動(dòng)運(yùn)算電路4相連，所述的差動(dòng)運(yùn)算電路4通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路6與中央處理單元5相連。中央處理單元5通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)單元71連接有顯示單元72，并且中央處理單元5還通過(guò)輸出模塊81連接有輸出接口82。中央處理單元5還連接有輸入模塊91，所述的輸入模塊91與輸入終端92相連。
如圖7所示，傳感器的玻璃基片12設(shè)置在固定座13上，所述的固定座13插在流量計(jì)的管道壁上，在固定座13和管道14孔之間設(shè)有密封圈15，在管道孔上通過(guò)固定體16固連有蓋板17。
如圖8所示，是有兩個(gè)輸入的差動(dòng)放大電路圖。其中一端輸入上游溫度檢測(cè)元件電壓值，另一端輸入下游溫度檢測(cè)元件電壓值。U1與上游溫度檢測(cè)元件2u相連，U2與下游溫度檢測(cè)元件2d相連。當(dāng)溫度變化時(shí)，因兩管電流變化規(guī)律相同，兩管集電極電壓漂移量也完全相同，從而使雙端輸出電壓始終為零。也就是說(shuō)，依靠電路的完全對(duì)稱性，使兩管的零點(diǎn)漂移在輸出端相抵消，因此，零點(diǎn)漂移被抑制。兩路輸入端均與U3相連，通過(guò)上述差動(dòng)放大電路輸出二次差動(dòng)信號(hào)。
本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。
盡管本文較多地使用了加溫元件1、上游溫度檢測(cè)元件2u、下游溫度檢測(cè)元件2d、恒功率源激勵(lì)3、差動(dòng)運(yùn)算電路4、中央處理單元5、A/D轉(zhuǎn)換電路6、顯示驅(qū)動(dòng)單元71、顯示單元72、輸出模塊81、輸出接口82、輸入模塊91、輸入終端92、傳感器10、單晶硅膜11、玻璃基片12、固定座13、管道14、密封圈15、固定體16、蓋板17、壓焊塊18、金屬互連19、曲線A、曲線B、上游的溫度變化曲線C、下游的溫度變化曲線D、二次溫差曲線E、飽和點(diǎn)P、電壓輸出信號(hào)U、流量L等術(shù)語(yǔ)，但并不排除使用其它術(shù)語(yǔ)的可能性。使用這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
權(quán)利要求
1.一種氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于a.在傳感器的加溫元件上施加恒功率源激勵(lì)，通過(guò)對(duì)稱設(shè)置在加溫元件兩側(cè)的溫度檢測(cè)元件分別測(cè)量無(wú)氣流狀態(tài)下加溫元件上、下游的溫度分布；b.當(dāng)氣體流過(guò)傳感器時(shí)，上游溫度檢測(cè)元件測(cè)定所在區(qū)域溫度分布變化并且輸出產(chǎn)生上游溫度差值信號(hào)，下游溫度檢測(cè)元件測(cè)定所在區(qū)域溫度分布變化并且輸出產(chǎn)生下游溫度差值信號(hào)；c.用上游溫度差值信號(hào)減去下游溫度差值信號(hào)，從而得出上、下游溫度分布二次差動(dòng)信號(hào)，通過(guò)二次差動(dòng)信號(hào)和流動(dòng)氣流質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)量出流經(jīng)傳感器的氣流質(zhì)量流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于上述的二次差動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，并由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)在中央處理單元中根據(jù)二次差動(dòng)信號(hào)和流動(dòng)氣流質(zhì)量流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算處理，得出流經(jīng)傳感器的流動(dòng)氣流質(zhì)量流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于所述的整個(gè)傳感器采用MEMS方式加工制作。
4.一種氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)傳感器，包括加溫元件(1)，對(duì)稱設(shè)置在加溫元件(1)兩側(cè)的溫度檢測(cè)元件，即上游溫度檢測(cè)元件(2u)和下游溫度檢測(cè)元件(2d)，其特征在于所述的加溫元件(1)與恒功率源激勵(lì)(3)相連，上游溫度檢測(cè)元件(2u)和下游溫度檢測(cè)元件(2d)分別與差動(dòng)運(yùn)算電路(4)的兩個(gè)信號(hào)輸入端相連，所述的差動(dòng)運(yùn)算電路(4)的輸出端連接有中央處理單元(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)傳感器，其特征在于所述的加熱元件(1)采用多晶硅材料的半導(dǎo)體電極；所述的上游溫度檢測(cè)元件(2u)和下游溫度檢測(cè)元件(2d)采用集成化電熱堆器件；并且整個(gè)傳感器采用MEMS結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)傳感器，其特征在于所述的加熱元件(1)和位于其兩側(cè)的上游溫度檢測(cè)元件(2u)和下游溫度檢測(cè)元件(2d)相互平行地布置在單晶硅膜(11)上，所述的單晶硅膜(11)固定在玻璃基片(12)上。
7.一種氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)流量計(jì)，包括固定于其上的基于上下游溫度分布二次差動(dòng)技術(shù)的傳感器(10)，與傳感器(10)相連的恒功率源激勵(lì)(3)，其特征在于所述的傳感器(10)的輸出端與差動(dòng)運(yùn)算電路(4)相連，所述的差動(dòng)運(yùn)算電路(4)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路(6)與中央處理單元(5)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)流量計(jì)，其特征在于所述的中央處理單元(5)通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)單元(71)連接有顯示單元(72)，并且中央處理單元(5)還通過(guò)輸出模塊(81)連接有輸出接口(82)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)流量計(jì)，其特征在于所述的中央處理單元(5)還連接有輸入模塊(91)，所述的輸入模塊(91)與輸入終端(92)相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8或9所述的氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)流量計(jì)，其特征在于所述的傳感器的玻璃基片(12)設(shè)置在固定座(13)上，所述的固定座(13)插在流量計(jì)的管道壁上，在固定座(13)和管道(14)孔之間設(shè)有密封圈(15)，在管道孔上通過(guò)固定體(16)固連有蓋板(17)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體質(zhì)量流量上下游溫度分布二次差動(dòng)測(cè)量方法、傳感器、及流量計(jì)。包括加溫元件，對(duì)稱設(shè)置在加溫元件兩側(cè)的溫度檢測(cè)元件，即上游溫度檢測(cè)元件和下游溫度檢測(cè)元件，其特征在于所述的加溫元件與恒功率源激勵(lì)相連，上游溫度檢測(cè)元件和下游溫度檢測(cè)元件分別與差動(dòng)運(yùn)算電路的兩個(gè)信號(hào)輸入端相連，所述的差動(dòng)運(yùn)算電路的輸出端連接有中央處理單元。具有如下優(yōu)點(diǎn)通過(guò)對(duì)上下游溫度變化差值進(jìn)行二次差動(dòng)運(yùn)算，保證對(duì)低速段線性度影響較?。粴怏w質(zhì)量流量的流速和輸出電壓的關(guān)系曲線的飽和點(diǎn)往后推，量程擴(kuò)大，提高了量程范圍和線性度；測(cè)量精度高，靈敏度高；采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗、高頻響，大幅降低芯片的熱慣性。
文檔編號(hào)G01F1/76GK1936513SQ20061005014
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月3日
發(fā)明者毛巨林, 趙文宏, 金耀青 申請(qǐng)人:浙江麥姆龍儀表有限公司