本發(fā)明屬于醫(yī)用和化工流體自動檢測技術領域，主要涉及流體的流量檢測，具體是一種恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路，用于小流量范圍內(nèi)流體流量的實時精確測量。

背景技術：

熱式流量傳感器利用熱學原理檢測流體流量，即利用流動中的流體與熱源(流體中用于加熱的物體或測量管外加熱體)之間的熱量交換關系進行流量測量。主要由橋式電路和輸出信號調(diào)理電路組成。流量敏感元件與溫度補償元件置于流量管道上，與其他電阻元件組成橋式電路，將流體流量的變化轉換為橋臂輸出電壓的變化，實現(xiàn)流體流量的檢測。

熱式流量傳感器最常使用的有兩類：一類是利用流動流體傳遞熱量，改變測量管壁溫度場分布效應的熱分布式流量傳感器；另一類是利用熱消散(冷卻)效應的熱式流量傳感器。

上述兩類熱式流量傳感器主要用于流量范圍超過500ml/min以上的大范圍流體流量檢測，檢測的流體主要包括純水和基于純水的液體以及空氣流量檢測。目前現(xiàn)有的流量檢測電路主要針對大范圍的流量高精度檢測而設計，傳感器的精度在大流量范圍時可滿足測量精度要求，但是在對于醫(yī)用和化工等領域中涉及到流量檢測范圍較小的檢測，如流量范圍通常不超過500ml/min，有時在100ml/min內(nèi)，傳感器精度難以滿足高精度要求，因此，需要設計針對小流量的流量檢測電路。熱分布式流量計通過對溫度場變化的檢測測量流體流量，對環(huán)境溫度變化敏感，且需要保證流體的層流流動，電路結構復雜，通常難以應用于小流量范圍的流體流量檢測。

根據(jù)加熱方式控制的不同，基于熱消散(冷卻)效應的熱式流量傳感器又可分為恒流式測量和恒溫差式測量。現(xiàn)有技術通常采用恒溫差式測量方法進行流量測量，由簡單的惠斯頓電橋電路和比例放大電路組成流量檢測電路進行流量檢測，當進行小流量檢測時，檢測到的微弱信號容易受到噪聲干擾，噪聲包括環(huán)境噪聲和電路內(nèi)部噪聲。另一方面，傳統(tǒng)惠斯頓電橋電路靈敏度不高，對小流量產(chǎn)生的微弱信號不敏感，在小流量范圍內(nèi)信號輸出精度不高，不能實時準確地測量流體流量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種小流量檢測精度較高、信號響應速度快、安裝方便的恒溫差式熱流量傳感器的流量檢測電路。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路，其特征在于：依據(jù)流量檢測信號的傳遞方向依次連接有橋式電路、電壓放大電路、低通濾波電路、輸出電路和電源電路，電壓放大電路和輸出電路之間設有低通濾波電路；所述的橋式電路中，測溫電阻rs為薄膜金屬鉑電阻pt1000，該鉑電阻與精密電阻r1、電位器r2和精密電阻r3串聯(lián)，構成橋式電路的第一個橋臂，測溫電阻rs位于第一個橋臂的下橋臂端，測速電阻rh為薄膜金屬鉑電阻pt50，該鉑電阻rh與電阻r4串聯(lián)，構成橋式電路的第二個橋臂，測速電阻rh位于第二個橋臂的下橋臂端；所述的電壓放大電路在運算放大器單元中增設了rc積分電路，形成了rc積分電壓放大電路，rc積分電壓放大電路的輸入端接橋式電路輸出，rc積分電壓放大電路的輸出反饋接到位于橋式電路頂端的三極管q1基極，用于控制測速電阻rh加熱功率；所述的低通濾波電路接在rc積分電壓放大電路輸出端，對rc積分電壓放大電路處理輸出的流量檢測信號進行低通濾波處理，去除高頻信號和外部噪聲干擾，低通濾波電路的輸出端接輸出電路的輸入端，輸出電路將流量檢測信號進行隔離分壓處理后得到其他設備可識別的0-5v模擬電壓；電源電路為升壓電源電路，為所有構成電路提供工作所需的16v電源電壓。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1.本發(fā)明中的流量檢測電路利用惠斯頓電橋電路保持測速電阻rh與測溫電阻rs之間的溫差恒定，測速電阻rh使用薄膜金屬鉑電阻pt50，測溫電阻rs使用薄膜金屬鉑電阻pt1000，兩只金屬鉑電阻的阻值與溫度均有良好的線性關系，保證溫差變化準確轉換為電壓變化；金屬鉑電阻pt50和pt1000對溫度變化敏感，設置惠斯頓電橋中其他精密電阻的電阻值，準確檢測到小流量范圍內(nèi)的流量變化，保證流量檢測電路在小流量范圍內(nèi)具有較高的檢測精度；

2.本發(fā)明的流量檢測電路采用恒溫差方式,在用于放大和反饋溫差信號的電壓放大電路中增設了rc積分電路，形成rc積分電壓放大電路，實現(xiàn)平穩(wěn)快速的恒溫差控制，從而保證流量檢測電路實時快速地檢測出流體流量；

3.本發(fā)明的流量檢測電路構成結構簡單，采用封裝較小的元器件，整體電路體積小，不存在可移動部件，電路輸出模擬電壓信號，便于和其他外部設備連接，安裝方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電路構成框圖；

圖2為本發(fā)明的流量檢測電路原理圖；

圖3為本發(fā)明所采用的橋式電路圖；

圖4為本發(fā)明實際測試流量與輸出電壓之間的關系曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明作詳細描述。

熱式流量傳感器利用熱學原理檢測流體流量，現(xiàn)有的基于熱式流量傳感器所設計的流量檢測電路主要針對大流量范圍的高精度檢測，傳感器的精度在流體流量超過500ml/min時，可滿足測量應用所需的精度要求，但是在醫(yī)用和化工等領域中涉及到流量檢測范圍較小的流量檢測中，如醫(yī)療環(huán)境下的病患點滴輸液等，若繼續(xù)使用原有的流量檢測電路，其精度難以滿足高精度要求，因此，客觀上需要設計針對小流量范圍的流量檢測電路。

實施例1

針對現(xiàn)有技術在醫(yī)用和化工等領域中涉及到流量檢測范圍較小的流量檢測中，精度難以滿足高精度要求的問題，本發(fā)明提出一種恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路，依據(jù)流量檢測信號的傳遞方向依次連接有橋式電路、電壓放大電路、低通濾波電路、輸出電路和電源電路，參見圖1和圖2，本發(fā)明在電壓放大電路和輸出電路之間設有低通濾波電路；本發(fā)明在橋式電路中，測溫電阻rs采用薄膜金屬鉑電阻pt1000，該鉑電阻與精密電阻r1、電位器r2和精密電阻r3串聯(lián)，構成橋式電路的第一個橋臂，測溫電阻rs位于第一個橋臂的下橋臂端，測速電阻rh采用薄膜金屬鉑電阻pt50，該鉑電阻rh與電阻r4串聯(lián)，構成橋式電路的第二個橋臂，測速電阻rh位于第二個橋臂的下橋臂端，測速電阻rh和測溫電阻rs均安裝在流體的測量管道上，將從測量管道上直接檢測得到的流體流量檢測信號轉化為溫差信號，該溫差信號直接進入檢測電路中a,b兩點，本發(fā)明通過橋式電路轉換為不平衡的電壓信號，從橋式電路的a,b兩點輸出至后續(xù)信號調(diào)理電路。本發(fā)明中測溫電阻選用金屬鉑電阻pt1000，測速電阻選用金屬鉑電阻pt50，兩只金屬鉑電阻的阻值與溫度均有良好的線性關系，而且對溫度變化敏感，使惠斯頓電橋電路準確檢測到小流量范圍內(nèi)的流量變化，保證流量檢測電路在小流量范圍內(nèi)具有較高的檢測精度。

本發(fā)明在傳統(tǒng)比例放大電路基礎上進行了改進，在運算放大器單元中增設了rc積分電路，實現(xiàn)平穩(wěn)快速地反饋控制電橋電路的加熱功率，rc積分電路和運算放大器單元共同形成了rc積分電壓放大電路，rc積分電壓放大電路的輸入端接橋式電路輸出，接收橋式電路a,b兩點輸出的電壓信號，rc積分電壓放大電路的輸出反饋接到位于橋式電路頂端的三極管q1基極，將橋式電路a,b兩點輸出的不平衡電壓信號進行放大，控制三極管q1的開啟和關閉，改變加入橋式電路的電流，從而控制測速電阻rh的加熱功率。本發(fā)明的rc積分電壓放大電路在流體流量變化的過程中，保證測溫電阻和測速電阻之間恒定溫差的平穩(wěn)控制。

本發(fā)明的低通濾波電路接在rc積分電壓放大電路的輸出端，對rc積分電壓放大電路處理輸出的流量檢測信號進行低通濾波處理，去除高頻信號和外部噪聲對流量檢測電路測量精度的影響，低通濾波電路的輸出端接輸出電路的輸入端，輸出電路將低通濾波電路處理輸出的流量檢測信號進行隔離分壓處理后得到其他設備可識別的0-5v模擬電壓，輸出電路取電阻r11和電阻r12的串接點為輸出端，在輸出端預留2.54mm插針，其他外部設備通過杜邦線可以方便和輸出端連接。流量檢測到此已經(jīng)完成。經(jīng)過轉換和計算得到檢測流體流量的實時測量值?，F(xiàn)有流量檢測電路針對大流量范圍進行檢測，檢測到的信號相比于高頻信號和外部噪聲信號，信號功率更大，噪聲對測量結果影響小，無需濾波電路。進行小流量檢測時，檢測到的信號微弱，功率小，更容易受到噪聲干擾，為此本發(fā)明專門增設低通濾波電路，去除高頻信號和外部噪聲，保證檢測信號不失真，實現(xiàn)小流量范圍的精準檢測。

其他外部設備由單片機系統(tǒng)或dsp系統(tǒng)構成，通過單片機或dsp芯片的a/d轉換引腳即可獲取流量檢測電路的輸出電壓信號，實現(xiàn)簡單。通過曲線擬合得到輸出電壓和流量的關系曲線，通過擬合出的曲線計算得出實時的流量值。

電源電路為所有構成電路提供工作所需的16v電源電壓，保證本發(fā)明的流量檢測電路能夠實現(xiàn)小范圍流量區(qū)間的流量檢測。

本發(fā)明整體上采用了恒溫差式測量，相較于恒流式測量，恒溫差式測量響應速度更快，電路構成簡單，更便于實現(xiàn)。

本發(fā)明的流量檢測電路利用惠斯頓電橋電路保持測速電阻rh與測溫電阻rs之間的溫差恒定，流體流量的改變引起溫差變化，流量檢測電路將溫差信號轉換為電壓信號完成流量測量，rc積分電壓放大電路將溫差變化反饋至惠斯頓電橋電路，改變惠斯頓電橋電路的加熱電壓使溫差保持恒定。調(diào)節(jié)電位器r2的值，改變加入測速電阻rh的電流大小，從而改變測速電阻rh的加熱功率，提高橋式電路對小流量檢測的靈敏度，同時通過合理設置惠斯頓電橋中其他精密電阻的電阻值，使惠斯頓電橋電路可準確檢測到小流量范圍內(nèi)的流量變化，保證流量檢測電路在小流量范圍內(nèi)具有較高的檢測精度。本發(fā)明設計的電路能夠正確地、精確地測定小流量范圍內(nèi)的流體流量，且操作自動方便、信號響應速度快、工作效率高。

實施例2

恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路的總體構成同實施例1，本發(fā)明的rc積分電壓放大電路包括運算放大器單元和rc積分電路。其中，運算放大器ic1的輸出端和反相輸入端之間串接有電阻r8，正向輸入端和電源端串接有電阻r7，形成運算放大器單元，運算放大器輸出端和反相輸入端之間串接有電容c1，反向輸入端和橋路輸出端接有電阻r5，形成rc積分電路，運算放大器單元和rc積分電路共同形成rc積分電壓放大電路。rc積分電壓放大電路的輸入端與橋式電路的輸出端連接，輸出端接到位于橋式電路頂端的三極管q1基極，形成改變橋式電路中測速電阻rh加熱功率的電壓反饋。rc積分電路在測速電阻散熱和升熱的動態(tài)平衡中實現(xiàn)平穩(wěn)的恒溫差控制。

過大的rc值將導致響應過慢，嚴重影響恒溫差控制，過小的rc值會造成恒溫差控制的不穩(wěn)定，影響流量檢測電路輸出信號的響應速度和穩(wěn)定性，可在實際測量中調(diào)整確定。根據(jù)流量檢測電路的輸出響應速度，通過實際測試調(diào)整rc值，首先設置一個較大的rc初值，然后逐步減小rc值，直至流量檢測電路輸出信號出現(xiàn)震蕩，然后逐步增大rc值，直至電路輸出震蕩消失，確定得出有效的rc值。

本發(fā)明采用恒溫差方式,在用于放大和反饋溫差信號的電壓放大電路中增設了rc積分電路，形成rc積分電壓放大電路，能夠平穩(wěn)快速的恒溫差控制，保證流量檢測電路實時快速地檢測出流體流量。

實施例3

恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路的總體構成同實施例1-2，本發(fā)明在rc積分電壓放大電路和輸出電路之間設有低通濾波電路，低通濾波電路由運算放大器及其外圍電路構成，其中，運算放大器ic2的輸出端與反向輸入端相連，同相輸入端通過電容c3接地，同時，運算放大器ic2的同相輸入端又依次串聯(lián)電阻r9、r10至rc積分電壓放大電路的輸出端，電阻r9和電阻r10的串接點通過電容c2和運算放大器ic2的輸出端連接，電源端連接16v電源電壓，gnd端接地，形成低通濾波電路，低通濾波電路的輸入端和rc積分電壓放大電路連接，輸出端與輸出電路連接。

本發(fā)明的低通濾波器電路為有源低通濾波器電路，其實質(zhì)上是有源選頻電路，它允許指定頻段的信號通過，而將其余頻段上的信號加以抑制或使其急劇衰減。濾波電路采用運算放大器和rc網(wǎng)絡組成，它的性能優(yōu)于無源濾波器，在濾波器電路的輸入、輸出之間不需要阻抗匹配，具有良好的隔離作用；因不用電感元件，抗電磁干擾能力強。低通濾波電路對rc積分電壓放大電路處理輸出的流量檢測信號進行低通濾波處理，去除高頻信號和外部噪聲干擾，防止外部信號對輸出信號的干擾，保證低頻率的流量檢測信號不被衰減。

實施例4

恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路的總體構成同實施例1-5，參照圖1和圖2，本發(fā)明的橋式電路中，為檢測小流量微弱信號，測溫電阻rs采用薄膜金屬鉑電阻pt1000。調(diào)整測速電阻的加熱功率，改變輸出電壓值。測速電阻rh采用薄膜金屬鉑電阻pt50，當rh*(r1+r2)＝r4*(r3+rs)時，a,b兩點電壓相等，橋式電路處于平衡狀態(tài)。

本發(fā)明的rc積分電壓放大電路接收橋式電路a,b兩點的電壓信號，將a,b兩點的電壓信號放大后反饋控制測速電阻rh加熱功率，rc積分電壓放大電路的輸出作為反饋電壓信號接到橋式電路頂端直接控制測速電阻加熱功率的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的低通濾波電路接在rc積分電壓放大電路輸出端，對rc積分電壓放大電路處理輸出的流量檢測信號進行低通濾波處理，去除噪聲干擾。本發(fā)明的輸出電路將流量檢測信號進行隔離分壓處理；電源電路采用升壓電源電路，保證測速電阻獲得足夠的加熱功率，在小流量范圍內(nèi)具有高靈敏度，提高電路的穩(wěn)定性。下面給出一個更加詳盡具體的例子，對本發(fā)明進一步說明。

實施例5

恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路的總體構成同實施例1-6，參照圖2，本發(fā)明的rc積分電壓放大電路由運算放大器單元和rc積分電路組成。本例中選用的運算放大器ic1型號為tlv27l2，運算放大器ic1的1腳接電阻r8的一個引腳，運算放大器ic1的2腳接電阻r8的另一個引腳，運算放大器ic1的3腳接電阻r7的一個引腳，電阻r7的另一個引腳接運算放大器ic1的8腳，運算放大器ic1的4腳接地，該部分電路連接形成運算放大器單元；運算放大器ic1的1腳接電容c1的一個引腳，運算放大器ic1的2腳接電容c1的另一個引腳，電阻r5的一個引腳接運算放大器ic1的2腳，電阻r5的另一個引腳接橋式電路的b點，該部分電路連接形成rc積分電路，rc積分電路與運算放大器單元共同形成rc積分電壓放大電路，rc積分電壓放大電路的輸入端與橋式電路的輸出端連接，輸出端接到位于橋式電路頂端的三極管q1基極，反饋控制橋式電路中測速電阻的加熱電壓。

參見圖2，本發(fā)明的低通濾波電路包括運算放大器ic2，電阻r9、電阻r10、電容c2和電容c3。本例中選用的運算放大器ic1型號為opa2188，運算放大器ic2的1腳和2腳相連，3腳分別與電阻r10和電容c3的一腳相連，電容c3的另一腳接地，8腳接16v電源，電阻r10的另一腳接電容c2的一腳，電容c2的另一腳接運算放大器ic2的1腳，電阻r9的一腳接電容c2和電阻r10的連接點，另一腳接rc積分電壓放大電路的輸出端，即運算放大器ic1的1腳。

參見圖2，本發(fā)明的輸出電路由電壓跟隨器電路和分壓電路組成。本例中選用的運算放大器型號為opa2188，運算放大器ic3的1腳接電阻r11的一腳，運算放大器ic3的2腳與1腳相連，其3腳接低通濾波電路的輸出端，其4腳接地，其8腳接16v電源，形成電壓跟隨器電路；電阻r11的另一腳接電阻r12，電阻r12的另一腳接地，形成分壓電路。電壓跟隨器電路和分壓電路共同形成輸出電路。本發(fā)明的電源電路包括直流升壓變換器ic4，電容c4、電容c5、電感l(wèi)1、電阻r13、電阻r14和肖基特二極管q2，本例中選用的直流升壓變換器型號為sx1308。直流升壓變換器ic4的1腳接肖基特二極管q2的正極，直流升壓變換器ic4的2腳接地，直流升壓變換器ic4的3腳通過電阻r14接地，直流升壓變換器ic4的4腳接5v電源，直流升壓變換器ic4的5腳接5v電源，直流升壓變換器ic4的6腳懸空，電容c4的一腳接直流升壓變換器ic4的5腳，其另一腳接地，電感l(wèi)1的一腳接直流升壓變換器ic4的5腳，其另一腳接肖基特二極管q2的正極，電阻r13的一腳接肖基特二極管q2的負極，其另一腳接電阻r14，電容c5的一腳接肖基特二極管q2的負極，其另一腳接地。

參照圖3，所述的橋式電路中的測溫電阻rs選取薄膜金屬鉑電阻pt1000，該電阻位于測量管道的上游，用于測量流體本身溫度，為了使它自身不產(chǎn)生熱量，以保證測量溫度與流體溫度相等，通過它的電流必須很小，因此測溫電阻阻值較大；測速電阻rh選取薄膜金屬鉑電阻pt50，該電阻位于測量管道的下游，其上通過較大電流自加熱到一個高于流體的恒定溫度用于流體加熱，同時測量該處流體的溫度；三極管q1起電流放大作用。當電路接通電源時，電阻r6導通，給橋式電路供電。當流體流量改變時，橋式電路的平衡被破壞，圖3中a,b兩點處的電壓不相等，不平衡的電壓信號經(jīng)過rc積分電壓放大電路放大后輸入到橋式電路三極管q1的基極，三極管開啟，加在電橋上的電壓增加，從而通過測速電阻rh的電流增加，測速電阻rh的阻值變大，同時，ic1反相端的電壓增加，當rh*(r1+r2)＝r4*(r3+rs)時，a,b兩點電壓相等，電橋重新達到動態(tài)平衡狀態(tài)。

本發(fā)明的流量檢測電路構成結構簡單，均采用封裝較小的元器件，電路整體體積小，不存在可移動部件，電路輸出模擬電壓信號，便于和其他外部設備連接，安裝方便。

下面通過實際測量說明本發(fā)明的技術效果

實施例6

恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路的總體構成同實施例1-7，本發(fā)明設計的恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路應用于醫(yī)用和化工等領域中涉及到小流量檢測范圍的流體流量檢測，通過實際測試標定出輸出電壓和流量的關系曲線，在實際測試中共測試得到六組測試曲線和一組均值曲線。

測試條件如下：環(huán)境溫度為24攝氏度，測試流體為生理鹽水，測試流體溫度23攝氏度，環(huán)境濕度36％，氣壓大小為標準大氣壓，測定流量范圍0-15ml/min。實際測試過程中，在流量測定范圍內(nèi)設置14個流量檢測標定點，待每個流量測試標定點的輸出電壓穩(wěn)定后(等待時間約30s)，記錄下此時的輸出電壓值，所有測試標定點測量完成后，通過曲線擬合得到輸出電壓和流量的關系曲線，通過擬合出的曲線計算得出實時的流量值。測試結果參照圖4。

參照圖4，從圖4中的7條實驗曲線均是本發(fā)明在上述測試條件下獲得的數(shù)據(jù)，可以看出，本發(fā)明的流量檢測電路的輸出電壓隨流量的增大而增加，單次測試輸出曲線在流量超過1.6ml/min的流量范圍內(nèi)線性度良好，所有實驗輸出電壓近似為一條直線；單次測試曲線輸出電壓平穩(wěn)，無劇烈波動，各次測試輸出電壓在相同的流量測試點與均值相比差值較小；各次測試曲線輸出電壓走勢相同，輸出曲線大部分集中在均值曲線附近，重復性良好。本發(fā)明取均值曲線為最終的輸出電壓和流量的關系曲線，通過曲線計算流體流量證明，本發(fā)明能夠實時、精確地測定小流量范圍內(nèi)的流體流量。

簡而言之，本發(fā)明公開的一種恒溫差熱式流量傳感器的流量檢測電路，依據(jù)流量檢測信號的傳遞方向依次連接有橋式電路、rc積分電壓放大電路、低通濾波電路、輸出電路和電源電路。所述的橋式電路中，測溫電阻rs為薄膜金屬鉑電阻pt1000，位于第一個橋臂的下橋臂端，測速電阻rh為薄膜金屬鉑電阻pt50，位于第二個橋臂的下橋臂端；所述rc積分電壓放大電路在運算放大器單元中增設了rc積分電路，形成了rc積分電壓放大電路。同時，低通濾波電路對流量檢測信號進行濾波處理，輸出電路生成其他設備可識別的0-5v輸出電壓。

本發(fā)明能實時、精確測定小流量范圍內(nèi)的流體流量，檢測精度較高、響應速度快、安裝方便、操作簡單，可用于醫(yī)用、化工等流量范圍較小的流量檢測領域。