專利名稱：質(zhì)量流量傳感器及控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)量技術(shù)，尤其涉及一種質(zhì)量流量傳感器及控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流 量控制的方法。
背景技術(shù)：
氣體質(zhì)量流量控制器(MFC)是一種可以精確測(cè)量和控制氣體質(zhì)量流量的儀器。 如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的氣體質(zhì)量流量控制器包括傳感器，傳感器測(cè)得的流量信號(hào) 經(jīng)過(guò)放大，并與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較的結(jié)果控制電磁閥的開(kāi)關(guān)。
如圖2所示，所述的傳感器實(shí)際上是一個(gè)惠斯特電橋，包括兩個(gè)固定電阻R1、 R2，還 包括纏繞在氣體管路3上的上游繞組1和下游繞組2。當(dāng)管路3中的氣體流量發(fā)生變化時(shí)，會(huì) 引起上游繞組1和下游繞組2的溫度的變化，溫度變化即會(huì)引起上游繞組1和下游繞組2的電 阻的變化，電阻的變化會(huì)引起惠斯特電橋輸出電壓V1的變化。也就是說(shuō)傳感器的輸出電壓 n是管路中氣體質(zhì)量流量A的函數(shù)。MFC正是根據(jù)這個(gè)函數(shù)關(guān)系計(jì)算和控制氣體的質(zhì)量流 量的。
上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)
由于傳感器的制作工藝，往往會(huì)導(dǎo)致傳感器上游繞組1和下游繞組2的不對(duì)稱，即上游 繞組1和下游繞組2的電阻值存在一定的差值A(chǔ)，這個(gè)差值&會(huì)引起氣體流量的測(cè)量值的誤 差。
因此，傳感器的輸出電壓ri不僅僅是氣體質(zhì)量流量A的函數(shù)，而且還是^的函數(shù)。 隨著流量A的變化，電壓F1將隨著差值&變化，而且該變化呈非線性。而現(xiàn)有模擬技術(shù) 根本無(wú)法補(bǔ)償該差值，因此造成了現(xiàn)有技術(shù)中的氣體質(zhì)量流量計(jì)有較為嚴(yán)重的零飄現(xiàn)象， 造成流量計(jì)的線性差，重復(fù)性差，流量計(jì)的精度不好等多種問(wèn)題。為了補(bǔ)償這些誤差，往 往通過(guò)復(fù)雜的補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償，但補(bǔ)償電路中引入了元器件的誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體精 度的進(jìn)一步下降
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的質(zhì)量流量傳感器及控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)質(zhì) 量流量控制的方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的質(zhì)量流量傳感器，包括惠斯特電橋，包括上游繞組、下游繞組，所述上游繞 組和下游繞組分別為所述惠斯特電橋中的兩個(gè)相鄰的電阻，所述上游繞組和下游繞組分別 纏繞在流體管道的上游和下游，所述上游繞組和下游繞組分別設(shè)有溫度傳感器。
本發(fā)明的質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上述的質(zhì)量流量傳感器，還包括信號(hào)處理裝 置和電磁閥，所述質(zhì)量流量傳感器的惠斯特電橋輸出電壓信號(hào)，所述質(zhì)量流量傳感器的溫 度傳感器輸出溫度信號(hào)，
所述信號(hào)處理裝置接收所述電壓信號(hào)和溫度信號(hào)并進(jìn)行處理，并根據(jù)處理后的結(jié)果 對(duì)所述電磁閥進(jìn)行控制。
本發(fā)明的質(zhì)量流量控制方法，根據(jù)流體流過(guò)惠斯特電橋的上游繞組和下游繞組時(shí)，惠 斯特電橋的輸出電壓信號(hào)及所述上游繞組和下游繞組的溫度信號(hào)計(jì)算流體的流量，之后根 據(jù)計(jì)算的流量值對(duì)流體的流量進(jìn)行控制。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的質(zhì)量流量傳感器及控制系統(tǒng)及 其實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量控制的方法，由于上游繞組和下游繞組分別設(shè)有溫度傳感器，信號(hào)處理裝 置接收惠斯特電橋的電壓信號(hào)和溫度傳感器的溫度信號(hào)并進(jìn)行處理，并根據(jù)處理后的結(jié)果 對(duì)所述電磁閥進(jìn)行控制?？梢愿鶕?jù)上游繞組和下游繞組的溫度信息對(duì)惠斯特電橋的電壓信 號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，從而對(duì)流體的質(zhì)量流量進(jìn)行誤差補(bǔ)償計(jì)算和控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高。


圖l為現(xiàn)有技術(shù)中的氣體質(zhì)量流量控制器的電路原理圖； 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的氣體質(zhì)量流量控制器的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明的質(zhì)量流量控制系統(tǒng)的電路原理圖； 圖5為本發(fā)明的質(zhì)量流量控制系統(tǒng)的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的質(zhì)量流量傳感器，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖3所示，包括惠斯特電橋，惠 斯特電橋一般包括4個(gè)電阻，其中第一電阻R1和第二電阻R2相鄰設(shè)置，為固定電阻。
第三電阻和第四電阻相鄰設(shè)置，分別為上游繞組l、下游繞組2，上游繞組l和下游繞 組2分別纏繞在流體管道3的上游和下游，流體管道3中可以通過(guò)液體或氣體等流體。上游繞組1和下游繞組2分別設(shè)有溫度傳感器，可以是上游繞組1和下游繞組2分別設(shè)有 單獨(dú)的溫度傳感器，也可以是上游繞組1和下游繞組2設(shè)有一個(gè)溫度傳感器，同時(shí)測(cè)量二者 的溫度。
本發(fā)明的質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖4所示，包括上述的質(zhì)量流 量傳感器，還包括信號(hào)處理裝置和電磁閥，質(zhì)量流量傳感器的惠斯特電橋輸出電壓信號(hào)， 質(zhì)量流量傳感器的溫度傳感器輸出溫度信號(hào)，信號(hào)處理裝置接收所述電壓信號(hào)和溫度信號(hào) 并進(jìn)行處理，得出流體的流量信息，之后根據(jù)處理后的結(jié)果對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。
其中，信號(hào)處理裝置可以為數(shù)字信號(hào)處理裝置，如高速DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)等。 此時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理裝置的輸入端和輸出端可以分別連接有A/D (模/數(shù))轉(zhuǎn)換器和D/A (數(shù) /模)轉(zhuǎn)換器。
如圖5所示，數(shù)字信號(hào)處理裝置包括數(shù)字控制算法單元和數(shù)字補(bǔ)償算法單元。其中， 數(shù)字控制算法單元可以根據(jù)惠斯特電橋的電壓信號(hào)計(jì)算流體管道中流體的流量；數(shù)字補(bǔ)償 算法單元可以根據(jù)溫度傳感器的溫度信號(hào)計(jì)算流量的誤差值，并根據(jù)該誤差值對(duì)所述流量 進(jìn)行補(bǔ)償；
也可以是數(shù)字補(bǔ)償算法單元先對(duì)惠斯特電橋的電壓信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，然后數(shù)字控制 算法單元可以根據(jù)補(bǔ)償后的惠斯特電橋的電壓信號(hào)計(jì)算流量。
信號(hào)處理裝置設(shè)有外部通信接口，可以與外部進(jìn)行通信，如上位機(jī)、控制中心等。
本發(fā)明的質(zhì)量流量控制方法，其較佳的具體實(shí)施方式
是，首先根據(jù)流體流過(guò)惠斯特電 橋的上游繞組和下游繞組時(shí)，惠斯特電橋的輸出電壓信號(hào)及上游繞組和下游繞組的溫度信 號(hào)計(jì)算流體的流量，之后根據(jù)計(jì)算的流量值對(duì)流體的流量進(jìn)行控制。
具體在計(jì)算流體的流量時(shí)，首先根據(jù)惠斯特電橋輸出的電壓信號(hào)計(jì)算流體的流量，然 后根據(jù)上游繞組和下游繞組的溫度信號(hào)計(jì)算所述流量的誤差值，并根據(jù)該誤差值對(duì)所述流 量進(jìn)行補(bǔ)償。
由于電壓是流量的函數(shù)，電壓的變化是由流量的變化引起的，因此，也可以是首先對(duì) 惠斯特電橋的電壓信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，然后可以根據(jù)補(bǔ)償后的惠斯特電橋的電壓信號(hào)計(jì)算 流量。
具體計(jì)算方法是
首先，采用高精度的溫度傳感器，可以分別測(cè)量質(zhì)量流量傳感器上游繞組的溫度信號(hào)
7;"和下游繞組的溫度信號(hào)r&";
然后，求上、下游繞組的溫度信號(hào)差7;^-7^"-7^ ;再求上、下游繞組的溫度信號(hào)差的變化率d乙^ =zi(7;_ -ru/))。 之后，以上述三個(gè)參數(shù)為變量，通過(guò)函數(shù)/(rd。wn， r_,a7;sotw)，或 /0;,p， ^皿,a:Tw)，計(jì)算由于上游繞組和下游繞組的不對(duì)稱而引起的惠斯特電橋輸出電 壓的誤差。這個(gè)函數(shù)關(guān)系可以在質(zhì)量流量傳感器制作過(guò)程中通過(guò)測(cè)定、分析或統(tǒng)計(jì)的方法 獲得。
然后，計(jì)算~=耵-/(t;,， r_OT,ArOT);或r~ =ri-/(rup， r、^,a:Tw)
式中，K, 為下游繞組的溫度信號(hào)；為上游繞組的溫度信號(hào)，
「1為惠斯特電橋輸出的電壓信號(hào)，
F#為對(duì)惠斯特電橋輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償后的值。
本發(fā)明中^^抵消了因?yàn)閭鞲衅魃舷掠卫@組不一致而帶來(lái)的誤差項(xiàng)，同時(shí)系統(tǒng)還可以 抵消由于電路而帶來(lái)的誤差項(xiàng)。同時(shí)，采用了該項(xiàng)技術(shù)電路設(shè)計(jì)也大為化簡(jiǎn)，不需要補(bǔ)償 線性、溫度等帶來(lái)的問(wèn)題。
系統(tǒng)在原有MFC (質(zhì)量流量控制器)的基礎(chǔ)上，提出了新型的傳感器原理及數(shù)據(jù)處理 方法，并采用了全數(shù)字DSP處理方式，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，系統(tǒng)精度可以達(dá)到1%讀數(shù)以下，同 時(shí)從原理上消除了系統(tǒng)的可能零飄。同時(shí)系統(tǒng)可以通過(guò)通訊端口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，進(jìn)行 實(shí)時(shí)在線計(jì)算機(jī)控制。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種質(zhì)量流量傳感器，包括惠斯特電橋，其特征在于，包括上游繞組、下游繞組，所述上游繞組和下游繞組分別為所述惠斯特電橋中的兩個(gè)相鄰的電阻，所述上游繞組和下游繞組分別纏繞在流體管道的上游和下游，所述上游繞組和下游繞組分別設(shè)有溫度傳感器。
2、 一種質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括權(quán)利要求l所述的質(zhì)量流量傳感 器，還包括信號(hào)處理裝置和電磁閥，所述質(zhì)量流量傳感器的惠斯特電橋輸出電壓信號(hào)，所 述質(zhì)量流量傳感器的溫度傳感器輸出溫度信號(hào)，所述信號(hào)處理裝置接收所述電壓信號(hào)和溫度信號(hào)并進(jìn)行處理，并根據(jù)處理后的結(jié)果 對(duì)所述電磁閥進(jìn)行控制。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理裝置為數(shù)字 信號(hào)處理裝置，所述數(shù)字信號(hào)處理裝置的輸入端和輸出端分別連接有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模 轉(zhuǎn)換器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理裝置包 括數(shù)字控制算法單元和數(shù)字補(bǔ)償算法單元，所述數(shù)字控制算法單元用于根據(jù)所述電壓信號(hào) 計(jì)算所述流體管道中流體的流量，所述數(shù)字補(bǔ)償算法單元用于根據(jù)所述溫度信號(hào)計(jì)算所述 流量的誤差值，并根據(jù)該誤差值對(duì)所述流量進(jìn)行補(bǔ)償。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4所述的質(zhì)量流量控制系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理裝置 設(shè)有外部通信接口。
6、 一種質(zhì)量流量控制方法，其特征在于，根據(jù)流體流過(guò)惠斯特電橋的上游繞組和下 游繞組時(shí)，惠斯特電橋的輸出電壓信號(hào)及所述上游繞組和下游繞組的溫度信號(hào)計(jì)算流體的 流量，之后根據(jù)計(jì)算的流量值對(duì)流體的流量進(jìn)行控制。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的質(zhì)量流量控制方法，其特征在于，所述計(jì)算流體的流量包 括，首先根據(jù)所述惠斯特電橋輸出的電壓信號(hào)計(jì)算流體的流量，然后根據(jù)所述上游繞組和 下游繞組的溫度信號(hào)計(jì)算所述流量的誤差值，并根據(jù)該誤差值對(duì)所述流量進(jìn)行補(bǔ)償。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的質(zhì)量流量控制方法，其特征在于，所述的流量通過(guò)以下函數(shù) 計(jì)算式中，為下游繞組的溫度信號(hào)；；為±游繞組的溫度信號(hào)， 7，，=K。W -;為上、下游繞組的溫度信號(hào)差，」4 ,=」(^, -為上、下游繞組的溫度信號(hào)差的變化率，n為惠斯特電橋輸出的電壓信號(hào)，F(xiàn)#為對(duì)惠斯特電橋輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償后的值。
9、根據(jù)權(quán)利要求6、 7或8所述的質(zhì)量流量控制方法，其特征在于，所述的流體為氣體 或液體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種質(zhì)量流量傳感器及控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量控制的方法，質(zhì)量流量傳感器包括惠斯特電橋，在惠斯特電橋的上游繞組和下游繞組處分別設(shè)有溫度傳感器。質(zhì)量流量控制系統(tǒng)根據(jù)上游繞組和下游繞組的溫度信息，計(jì)算由于上游繞組和下游繞組的不對(duì)稱而引起的流量的誤差值，并根據(jù)該誤差值對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)償。消除了上、下游繞組不一致而帶來(lái)的誤差項(xiàng)，消除了系統(tǒng)的可能零飄。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高。
文檔編號(hào)G01F1/86GK101430216SQ20071017683
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者牟昌華, 王茂林, 迪 趙 申請(qǐng)人:北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司