專利名稱：便攜式數(shù)字氣體質(zhì)量流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體質(zhì)量流量的測(cè)量技術(shù)，是一種便攜式數(shù)字顯示流量計(jì)。
目前在測(cè)量氣體質(zhì)量流量時(shí)采用的儀器有由流量傳感器，分流器通道和放大器電路等組成。流量傳感器采用毛細(xì)管傳熱溫差量熱法原理測(cè)量氣體的質(zhì)量流量，具有溫度壓力自動(dòng)補(bǔ)償特性。儀器將傳感器加熱電橋測(cè)得的流量信號(hào)送入放大器放大，并同時(shí)進(jìn)行線性化處理，輸出一個(gè)流量檢測(cè)信號(hào)電壓。與之配套的設(shè)備有穩(wěn)壓電源和3位半數(shù)字電壓表等。這種儀器體積大，由于配備電源適配器和流量顯示儀，不能攜帶使用，只能應(yīng)用于固定場(chǎng)所測(cè)量氣流的質(zhì)量流量。
本發(fā)明的目的是提供一種電池供電的、方便攜帶的便攜式數(shù)字氣體質(zhì)量流量計(jì)。
本發(fā)明是由氣流質(zhì)量傳感器1、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2、數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器3、微處理器4和LCD液晶顯示器5及電池電源電路6、7組成，氣流質(zhì)量傳感器1將A輸入氣流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入至模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2，傳感器1的電壓輸出端接模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2的Vin+，數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器3的電壓輸出端Vout1、Vout2分別與模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2的Vin-、Vref相連接，微處理器4的P1、P2、P3分別與模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2的片選端(CS)、時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸出端(DO)相連，D/A轉(zhuǎn)換器3的片選端(CS)、時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸入端(Din)分別與微處理器4的P4、P2、P3相連接，顯示器5的時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸入端(Din)分別與微處理器4的P5、P6相連接。
+5V輸出穩(wěn)壓器6和+5V輸入+10V輸出DC/DC變換器7所組成的電池電源電路與質(zhì)量傳感器1和微處理器4、顯示器5連接。
氣流質(zhì)量傳感器1包含有雙惠斯通電橋和差分放大電路。
氣流傳感器1的輸出應(yīng)用了分段采集和分段線性化處理。
本發(fā)明集電源、測(cè)量和顯示于一體，輸出為4位液晶顯示，電池供電，重復(fù)性很好，精確度為1.3％F·S，尺寸為160×90×40(mm)如同一個(gè)普通萬(wàn)用表大小，重量為240g，非常便于攜帶使用。
本發(fā)明


如下圖1為本發(fā)明工作原理框圖；圖2為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換工作原理框圖；圖3為本發(fā)明分段采集曲線方程；圖4為本發(fā)明實(shí)施例供電電路圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例電路圖；圖6為本發(fā)明系統(tǒng)軟件流程圖。
本發(fā)明是由氣流質(zhì)量傳感器1、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2、數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器3、微處理器4和LCD液晶顯示器5及電池電源電路6、7組成。氣流質(zhì)量傳感器是基于氣體分子流過(guò)傳感器時(shí)的熱傳輸原理，氣流質(zhì)量傳感器包含有雙惠斯通電橋和差分放大電路，一個(gè)惠斯通電橋控制加熱，另一個(gè)惠斯通電橋測(cè)量氣體分子的溫度，氣體分子流過(guò)測(cè)溫惠斯通電橋時(shí)產(chǎn)生溫差，該溫差經(jīng)差分放大電路放大使氣流質(zhì)量傳感器輸出正比于氣體分子質(zhì)量流量的電壓信號(hào)。
氣流質(zhì)量傳感器1將氣流質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流模擬電壓信號(hào)，并輸入至模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2連接微處理器4，在微處理器4控制的控制下采集氣流質(zhì)量傳感器的輸出，微處理器4還連接數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器3，經(jīng)過(guò)微處理器4線性化處理計(jì)算出相應(yīng)的氣流質(zhì)量流量值送往LCD顯示器5顯示，電池電源電路6、7將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需電壓供電。
本發(fā)明其中VIN為氣流質(zhì)量傳感器的輸出，Vin-、Vref分別為A/D轉(zhuǎn)換器的參考端，由Vin-、Vref決定A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入范圍，VOUT1、VOUT2分別為D/A轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸出端。將氣流質(zhì)量傳感器的輸入輸出曲線分為4份0～V1～V2～V3～VM，其中VM為傳感器的最大輸出電壓。具體方法是首先將D/A轉(zhuǎn)換器的VOUT1＝0，VOUT2＝VM采集VIN，微處理器判斷VIN落在哪個(gè)區(qū)間，例如V1≤VIN≤V2，微處理器控制D/A轉(zhuǎn)換器的VOUT1＝V1，VOUT2＝V2再采集VIN的值，這樣在V1～V2之間實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入。對(duì)于整個(gè)氣流傳感器的輸出來(lái)說(shuō)模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率提高了2位，本方法的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避免了對(duì)于非線性曲線進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器分辨率分配不均的弊端。
本發(fā)明在線性化處理方面，結(jié)合分段采集的方法也采用分段線性處理，即在每段模擬出輸出輸入曲線方程fi(流量)＝fi(電壓)，微處理器在分段對(duì)傳感器的輸出電壓進(jìn)行采集的同時(shí)，用fi(流量)＝fi(電壓)多項(xiàng)式再將電壓值換算為流量值。
本發(fā)明實(shí)施例的電路工作原理是氣流質(zhì)量傳感器AWM3100V將氣體的質(zhì)量流量(SCCM)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其輸出電壓范圍是(1 0SCCM，5 200SCCM)。傳感器的電壓輸出端接8位串行模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831的Vin+，雙8位串行數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器MAX522的電壓輸出端Vout1、Vout2分別與TLC0831的Vin-、Vref相連接，由Vin-、Vref決定A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831的滿量程輸入范圍。微處理器PIC16C58A的P1、P2、P3分別與模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831的片選端(CS)、時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸出端(DO)相連，串行數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器MAX522的片選端(CS)、時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸入端(Din)分別與微處理器PIC16C58A的P4、P2、P3相連接。4位段碼LCD顯示器EDM1190的時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸入端(Din)分別與微處理器PIC16C58A的P5、P6相連接。+5V輸出穩(wěn)壓器LM2936和+5V輸入+10V輸出DC/DC變換器MAX660所組成的電池電源電路將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為電路所需電壓。
本發(fā)明工作時(shí)上電復(fù)位后微處理器PIC16C58A通過(guò)P5、P6送往4位段碼LCD顯示器EDM1190的時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸入端(Din)，使得顯示器顯示出氣體質(zhì)量流量000.0，延時(shí)1分鐘(傳感器要求預(yù)熱1分鐘)。將傳感器的輸入輸出曲線分為4份1V～V1～V2～V3～5V，首先微處理器PIC16C58A的P4輸出低電平將雙8位串行D/A轉(zhuǎn)換器MAX522的片選端(CS)置低來(lái)啟動(dòng)MAX522，然后微處理器通過(guò)P2、P3給MAX522送時(shí)鐘(CLK)和串行數(shù)字(Din)，使MAX522的輸出分別為VOUT1＝1V，VOUT2＝5V。那么A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831的滿量程輸入范圍就是1V～5V，微處理器PIC16C58A的P4輸出高電平P1輸出低電平將8位串行模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831的片選端(CS)置低來(lái)啟動(dòng)TLC0831進(jìn)行模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換，然后微處理器通過(guò)P2給TLC0831的時(shí)鐘輸入端(CLK)送脈沖，同時(shí)微處理器通過(guò)P3讀回TLC0831采集VIN的值；微處理器判斷VIN落在哪個(gè)區(qū)間，例如V1≤VIN≤V2，那么微處理器就控制D/A轉(zhuǎn)換器MAX522使其VOUT1＝V1，VOUT2＝V2，這樣在V1～V2之間實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入。微處理器再通過(guò)TLC0831多次采集VIN取其平均值(數(shù)字濾波器)，采集了VIN的平均值后微處理器用fi(流量)＝fi(電壓)多項(xiàng)式再將電壓值換算為流量值，微處理器通過(guò)P5給4位段碼LCD顯示器EDM1190送時(shí)鐘脈沖(CLK)，同時(shí)將流量值通過(guò)P6送往4位段碼LCD顯示器EDM1190的串行數(shù)字輸入端(Din)，使得顯示器顯示出氣體質(zhì)量流量。
因?yàn)閷鞲衅鞯妮斎胼敵銮€分為了4份，那么對(duì)于整個(gè)氣流傳感器的輸出來(lái)說(shuō)模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率提高了2位，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采用了多次采集VIN取其平均值的數(shù)字濾波器方法這樣使得系統(tǒng)的重復(fù)性非常好；本方法的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避免了對(duì)于非線性曲線進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器分辨率分配不均的弊端。
本發(fā)明實(shí)施例所用主要元器件為氣流質(zhì)量傳感器1為AWM3100V，200SCCPM小流量/放大氣流質(zhì)量傳感器，美國(guó)Honyweel公司產(chǎn)品；8串行位模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2為T(mén)LC0831，美國(guó)德州儀器(TI)公司產(chǎn)品；雙8位串行數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器3為MAX522，美國(guó)MAXIM公司產(chǎn)品；微處理器4為PIC16C58A，美國(guó)Microchip公司產(chǎn)品；4位段碼LCD顯示器5為EDM1190，中國(guó)大連東方顯示器件公司產(chǎn)品；+5V輸入+10V輸出DC/DC變換器6為MAX660，美國(guó)MAXIM公司產(chǎn)品；+5V輸出穩(wěn)壓器7為L(zhǎng)M2936，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.便攜式數(shù)字氣體質(zhì)量流量計(jì)，由氣流質(zhì)量傳感器1、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2、數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器3、微處理器4和LCD液晶顯示器5及電池電源電路6、7組成，其特征在于氣流質(zhì)量傳感器1將A輸入氣流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入至模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2，傳感器1的電壓輸出端接模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2的Vin+，數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器3的電壓輸出端Vout1、Vout2分別與模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2的Vin-、Vref相連接，微處理器4的P1、P2、P3分別與模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2的片選端(CS)、時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸出端(DO)相連，D/A轉(zhuǎn)換器3的片選端(CS)、時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸入端(Din)分別與微處理器4的P4、P2、P3相連接，顯示器5的時(shí)鐘輸入端(CLK)和串行數(shù)字輸入端(Din)分別與微處理器4的P5、P6相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式數(shù)字氣體質(zhì)量流量計(jì)，其特征在于+5V輸出穩(wěn)壓器6和+5V輸入+10V輸出DC/DC變換器7所組成的電池電源電路與質(zhì)量傳感器1和微處理器4、顯示器5連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式數(shù)字氣體質(zhì)量流量計(jì)，其特征在于氣流質(zhì)量傳感器1包含有雙惠斯通電橋和差分放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式數(shù)字氣體質(zhì)量流量計(jì)，其特征在于氣流傳感器1的輸出應(yīng)用了分段采集和分段線性化處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣體質(zhì)量流量的測(cè)量技術(shù)，流量計(jì)由氣流質(zhì)量傳感器、模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器、微處理器和液晶顯示器及電源組成，傳感器信號(hào)輸入至模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器電壓輸出端Vout1、Vout2分別與模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的Vin－、Vref相連接，微處理器4的P1、P2、P3分別與模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器2的片選端、時(shí)鐘輸入端和串行數(shù)字輸出端相連，顯示器5的時(shí)鐘輸入端和串行數(shù)字輸入端分別與微處理器相連接。本發(fā)明集電源、測(cè)量和顯示于一體，液晶顯示，電池供電，重復(fù)性好，尺寸小，便于攜帶使用。
文檔編號(hào)G01F1/696GK1393684SQ01119910
公開(kāi)日2003年1月29日 申請(qǐng)日期2001年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
發(fā)明者劉濤, 陳巖 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司