一種基于mems敏感元件的復(fù)合氣體流量計(jì)量裝置及其測量方法
【專利摘要】一種基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置及其測量放法。該裝置由流量計(jì)外殼，已經(jīng)達(dá)到預(yù)定測量精度要求的MEMS流量傳感器和MEMS校準(zhǔn)傳感器，電路系統(tǒng)，連接電路系統(tǒng)和MEMS校準(zhǔn)傳感器和MEMS流量傳感器的連接插針。在實(shí)際的測量過程中，MEMS流量傳感器的輸出特性會(huì)隨著測量條件（環(huán)境溫度、氣體壓力、分子構(gòu)成、機(jī)械振動(dòng)等）而發(fā)生變化，因此，MEMS校準(zhǔn)傳感器不斷感知當(dāng)前的測量條件，然后通過校準(zhǔn)傳感器輸出（T，P，C）對流量傳感器的模擬信號及計(jì)算模型的影響量借助模擬或者數(shù)字的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得精準(zhǔn)的流量結(jié)果。
【專利說明】一種基于MEMS敏感元件的復(fù)合氣體流量計(jì)量裝置及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置，更具體地說，涉及采用MEMS流量傳感器和MEMS校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行在線標(biāo)定補(bǔ)償?shù)膹?fù)合氣體流量計(jì)量裝置及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在燃?xì)庑袠I(yè)內(nèi)，傳統(tǒng)的機(jī)械計(jì)量，例如模式表、渦輪、腰輪等儀表占有絕大多數(shù)的比例，只有極少量超聲波表開始小范圍的試用。無論哪種機(jī)型，基于機(jī)械推動(dòng)原理的燃?xì)獗?，在使用過程中不可避免地會(huì)因?yàn)闄C(jī)械老化而出現(xiàn)精度下降的現(xiàn)象，同時(shí)機(jī)械裝置的推動(dòng)也會(huì)造成壓力損失，進(jìn)而造成計(jì)量收費(fèi)上的損失。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，每年因?yàn)闄C(jī)械磨損造成的計(jì)量損耗占燃?xì)庀目偭康?%以上。以一個(gè)中等規(guī)模(100萬戶民用用戶，1000個(gè)工業(yè)用戶)的燃?xì)膺\(yùn)營企業(yè)為例，每年機(jī)械損耗造成的計(jì)量損失有10億人民幣以上，拓展到整個(gè)燃?xì)庑袠I(yè)，這個(gè)數(shù)字會(huì)達(dá)到上千億人民幣，造成的經(jīng)濟(jì)損失觸目驚心。
[0003]為了應(yīng)對傳統(tǒng)機(jī)械計(jì)量帶來的巨大損失，基于超聲波原理的燃?xì)獗碛?jì)和基于MEMS原理的工業(yè)流量計(jì)開始出現(xiàn)小批量試用，尚未實(shí)現(xiàn)完全商用。這兩類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路分別為:
[0004]I)超聲波表的原理是超聲波的傳播速度與所在介質(zhì)的流動(dòng)速度相關(guān),通過對被測氣體的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行檢測，然后將獲得的模擬信號通過導(dǎo)線引出能量介質(zhì)的傳輸環(huán)境，然后再通過Α/D轉(zhuǎn)換和MCU的計(jì)算，獲得單位時(shí)間內(nèi)通過氣體的體積，進(jìn)而通過積分累加獲得通過氣體的總量，實(shí)現(xiàn)體積計(jì)量；和
[0005]2)用于工業(yè)精密制造領(lǐng)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體測量的MEMS流量計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下使用高純度標(biāo)準(zhǔn)氣體做對比測試，并將測試結(jié)果直接存儲(chǔ)，然后用于該氣體的實(shí)時(shí)測量。然后在嚴(yán)格受控的工況條件下對標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行計(jì)量，可以達(dá)到預(yù)定的精度要求。
[0006]和傳統(tǒng)的機(jī)械測量方法相比，MEMS測量技術(shù)具有小尺寸，大量程、高精度、高可靠度、低功耗、低成本等顯著優(yōu)勢。MEMS (Micro-Electro & Mechanism System)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫，主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。此外，由于芯片在生產(chǎn)過程中已經(jīng)做了器件的老練處理，計(jì)算和控制精度會(huì)一直保持在較高的水平上，再加上電子測量在原理上比機(jī)械方法具有天然的優(yōu)勢，因此MEMS燃?xì)獗淼漠a(chǎn)品成熟度和市場競爭力逐漸清晰。
[0007]但是，上述技術(shù)方案在用于復(fù)合氣體，特別是天然氣計(jì)量的過程中，都存在一些技術(shù)缺陷和應(yīng)用障礙，主要表現(xiàn)在:
[0008]I)輔助裝置帶來的額外成本增加
[0009]目前很多能量測量系統(tǒng)中，基于超聲波原理的方法和方案得到應(yīng)用。由于超聲波測量裝置的工作原理是:首先主動(dòng)產(chǎn)生一束超聲波；超聲波在通過被測介質(zhì)的時(shí)候，其傳播速度、方向、相位等特性發(fā)生變化；再通過一個(gè)可檢測超聲波傳播特性的器件，檢測上述變化，最后轉(zhuǎn)換為需要的物理量。所以在這類產(chǎn)品中，需要額外增加若干個(gè)的超聲波發(fā)射裝置，而這些附加的裝置，其成本、尺寸、重量、功耗數(shù)據(jù)往往會(huì)占整個(gè)設(shè)備的50%以上，降低了產(chǎn)品的成本優(yōu)勢，阻礙了產(chǎn)業(yè)化和市場化的推動(dòng)。
[0010]2)體積計(jì)量原理在未來的拓展受限問題
[0011]從原理上來說，超聲波表是一種體積計(jì)量的裝置，雖然可以適應(yīng)目前的燃?xì)庥?jì)量市場需求。然而從國家戰(zhàn)略上看，更能反映燃?xì)鈱?shí)際使用狀況的質(zhì)量計(jì)量和熱值計(jì)量(質(zhì)量*單位熱值)在不遠(yuǎn)的未來一定會(huì)成為國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。所以超聲波表無法適應(yīng)未來這些更加合理和科學(xué)的計(jì)量需求。
[0012]3 )被測對象受限和變化跟蹤問題
[0013]現(xiàn)有的MEMS工業(yè)流量計(jì)，只在單純的標(biāo)準(zhǔn)氣體和工作環(huán)境條件下標(biāo)定和使用，對于復(fù)雜多變的
[0014]天然氣使用環(huán)境，如何跟蹤傳感器的輸出變化特性，缺乏必要的技術(shù)手段，此外，由于工藝、市場、產(chǎn)品性能等問題沒有根本解決，目前這種產(chǎn)品仍處于試驗(yàn)階段，沒有得到市場化的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低，精度高、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠?qū)τ?jì)量條件變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償和修正，適用于燃?xì)獗淼葟?fù)合氣體計(jì)量環(huán)境的MEMS復(fù)合氣體流量計(jì)
裝直。
[0016]為此，本發(fā)明提供一種MEMS復(fù)合氣體流量計(jì)裝置，該裝置包括:流量計(jì)外殼，已經(jīng)達(dá)到預(yù)定測量精度要求的MEMS流量傳感器和MEMS校準(zhǔn)傳感器，電路系統(tǒng)，連接電路系統(tǒng)和MEMS校準(zhǔn)傳感器和MEMS流量傳感器的連接插針。在實(shí)際的測量過程中，MEMS流量傳感器的輸出特性會(huì)隨著測量條件(環(huán)境溫度Τ、氣體壓力P、分子構(gòu)成C、機(jī)械振動(dòng)等)而發(fā)生變化，因此，MEMS校準(zhǔn)傳感器不斷感知當(dāng)前的測量條件，然后通過校準(zhǔn)傳感器輸出(T，P，C)對流量傳感器的模擬信號及計(jì)算模型的影響量借助模擬或者數(shù)字的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得精準(zhǔn)的流量信號。
[0017]本發(fā)明提供一種用于MEMS復(fù)合氣體流量計(jì)裝置校準(zhǔn)的電路系統(tǒng)，電路系統(tǒng)由模擬校準(zhǔn)、AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字運(yùn)算處理器模塊構(gòu)成，其中校準(zhǔn)模擬信號中的工作環(huán)境對傳感器模擬電路應(yīng)相的信號在模擬校準(zhǔn)電路的作用下對流量傳感器輸出的流量模擬信號進(jìn)行初步校準(zhǔn)，得到修正后的模擬流量信號；校準(zhǔn)模擬信號中的其它信號和修正后的模擬流量信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)字運(yùn)算處理器，數(shù)字運(yùn)算處理器甄別出校準(zhǔn)信號中間接影響流量的因素，借助專門的校準(zhǔn)算法對數(shù)字流量信號進(jìn)行進(jìn)一步的校準(zhǔn)，進(jìn)而獲得精準(zhǔn)的流量信號。
[0018]本發(fā)明提供一種利用MEMS復(fù)合氣體流量計(jì)裝置測量復(fù)合氣體流量的方法。首先，在流量采集周期上，MEMS流量傳感器在氣體流動(dòng)的作用下獲得流量相關(guān)的傳感電信號(V0);與此同時(shí)校準(zhǔn)傳感器也在校準(zhǔn)信號采樣周期上采集校準(zhǔn)所需的信息組(A1, A2, A3, A4)和(B1, B2, B3)，其中(A1, A2, A3, A4)反映的是工作環(huán)境對傳感器模擬電路性能的影響量，也就是直接影響流量傳感器輸出特性的量，分別為模擬偏移、放大變形、振蕩過激和累積效應(yīng)等因素，這部分影響量經(jīng)過專門的模擬校準(zhǔn)電路，對原始的流量輸入信號進(jìn)行初步的模擬校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的模擬流量信號(V1), (B1, B2, B3)就是間接影響流量傳感器輸出結(jié)果或者說是影響計(jì)量模型的量。
[0019]本發(fā)明的技術(shù)方案概括如下:
[0020]1、一種基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置,包括:
[0021]流量計(jì)外殼，其包括被測量氣體流通于其中的管道；
[0022]MEMS流量傳感器，提供與所測氣體流量相關(guān)的輸出信號；
[0023]MEMS校準(zhǔn)傳感器，輸出用于對MEMS流量傳感器測量的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的直接反映流量傳感器輸出的電器特性信號和間接反映流量傳感器輸出的環(huán)境信息信號；
[0024]電路系統(tǒng)，其設(shè)置在所述流量計(jì)外殼外部，通過連接插針與MEMS流量傳感器相連接，用于MEMS對校準(zhǔn)傳感器輸出信號的采集、對MEMS流量傳感器測量信號的采集、校準(zhǔn)、以及所述被測氣體的流量計(jì)算。
[0025]2、根據(jù)以上I項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中兩組傳感器以結(jié)構(gòu)嵌入加封膠的形式固定，沿氣體流動(dòng)方向前后放置，電路系統(tǒng)位于兩組傳感器的上方。
[0026]3、根據(jù)以上I項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的兩組傳感器位于腔體中，以加強(qiáng)其對氣體的沖擊力，腔體為半包圍結(jié)構(gòu)，傳感器的敏感表面與氣體接觸。
[0027]4、根據(jù)以上I項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的MEMS流量傳感器是基于MEMS工藝制造的傳感器，是基于壓力、加速度、偵_、熱式溫差、熱式加速度感知原理中的一種或者若干種的組合制成的傳感器。
[0028]5、根據(jù)以上I項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的MEMS校準(zhǔn)傳感器是采用MEMS工藝的復(fù)合信號傳感模組，其可以提供直接反映流量傳感器輸出的電氣特性信息(A1, A2, A3, A4)和間接反映流量傳感器輸出結(jié)果的環(huán)境信息(B1, B2, B3)。
[0029]6、根據(jù)以上5項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的電氣特性信息包括=A1-模擬偏移、A2-放大變形、A3-振蕩過激和A4-累積效應(yīng)。
[0030]7、根據(jù)以上5項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的環(huán)境信息信號包括=B1-溫度、B2-壓力、B3-氣體構(gòu)成。
[0031]8、根據(jù)以上I項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的電路系統(tǒng)由模擬校準(zhǔn)電路、AD轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字運(yùn)算處理器模塊構(gòu)成，其中模擬校準(zhǔn)電路，用于校準(zhǔn)模擬信號中的工作環(huán)境對傳感器模擬電路相應(yīng)的信號在模擬校準(zhǔn)電路的作用下對流量傳感器輸出的流量模擬信號進(jìn)行初步校準(zhǔn)，得到修正后的模擬流量信號；AD轉(zhuǎn)換模塊用于將校準(zhǔn)模擬信號中的其它信號和修正后的模擬流量信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號；數(shù)字運(yùn)算處理器模塊，用于甄別出校準(zhǔn)信號中間接影響流量的因素，借助專門的校準(zhǔn)算法對數(shù)字流量信號進(jìn)行進(jìn)一步的校準(zhǔn)，進(jìn)而獲得精準(zhǔn)的流量信號。
[0032]9、根據(jù)以上8項(xiàng)所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的模擬校準(zhǔn)電路包括模擬加法器、模擬乘法器、模擬微分器、模擬積分器以及外圍器件，在印刷電路板PCB上固定構(gòu)成電路系統(tǒng)。
[0033]10、利用以上1-9中任何一項(xiàng)所述的基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置進(jìn)行氣體流量測量的方法，包括以下步驟:
[0034]a),開始計(jì)量；
[0035]b)，通過流量傳感器測量與被測氣體流量相關(guān)的模擬流量信號，并輸出到模擬校準(zhǔn)電路；
[0036]C)，通過校準(zhǔn)傳感器測量由工作狀況帶來的信號偏移量，提取模擬校準(zhǔn)信息一部分并輸出到模擬校準(zhǔn)電路，另一部分輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字校準(zhǔn)信息；
[0037]d)，在模擬校準(zhǔn)電路中，利用步驟c)得到的模擬校準(zhǔn)信息對流量傳感器輸出的模擬流量信號進(jìn)行初步校準(zhǔn)，得到流量初步校準(zhǔn)信號，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字流量信號;
[0038]e)，判斷是否需要數(shù)字校準(zhǔn)，如果是，用數(shù)字校準(zhǔn)信息對數(shù)字流量信號進(jìn)行校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的數(shù)字流量信號，依據(jù)校準(zhǔn)后的數(shù)字流量信號換算氣體流量值；
[0039]f)，如果不是，則利用步驟d)中的數(shù)字信號直接進(jìn)行換算得到氣體流量值。
[0040]11、根據(jù)以上10項(xiàng)所述的測量方法，其中模擬校準(zhǔn)信息對模擬流量信號校準(zhǔn)的步驟包括:模擬偏移的影響:
[0041]將A1與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬加法電路，得到模擬偏移量校準(zhǔn)后的流量信號；放大變形的影響:
[0042]將A2與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬乘法電路，得到模擬放大變形校準(zhǔn)后的流量信號；振蕩過激的影響:
[0043]將A3與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬微分電路，得到振蕩過激校準(zhǔn)后的流量信號；累計(jì)效應(yīng)的影響:
[0044]將A4與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬積分電路，得到累積效應(yīng)校準(zhǔn)后的流量信號；其中，V A2、A3、A4分別為模擬偏移、放大變形、振蕩過激和累積效應(yīng)。
[0045]12、根據(jù)以上10項(xiàng)所述的測量方法，其中數(shù)字校準(zhǔn)信息對數(shù)字流量信號校準(zhǔn)的步驟包括:
[0046]I)零點(diǎn)漂移的影響:
[0047]Dv2=Dv1- Dbi ；
[0048]2)器件靈敏度的影響:
[0049]DV2=DV1*DB2 ；
[0050]3)模型非線性的影響:
[0051]DV2=f(Dyi, DB3);其中f(x，y)為一個(gè)非線性函數(shù)，特定的器件組合構(gòu)成各自的表型的形式。
[0052]比如對于可能為高階多項(xiàng)式:DVl=(an*DB3#n+an-l*DB3#(n-l)+...al*DB3+aO)
[0053]或者三角函數(shù):DVl=al*cos(bO*DB3)+a2*sin*(bl*DB3)
[0054]或者反比關(guān)系:DVl=aO/DB3+al/DB3林2+...[0055]其中林符號為冪函數(shù)，林m即m次方。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0056]附圖1給出了本發(fā)明MEMS流量計(jì)的總體結(jié)構(gòu)。
[0057]附圖2給出MEMS流量傳感信號的在線校準(zhǔn)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0058]附圖3為流量傳感信號完成在線校準(zhǔn)過程實(shí)現(xiàn)流量測量的總流程。
【具體實(shí)施方式】[0059]參照附圖1，給出了本發(fā)明MEMS流量計(jì)的總體結(jié)構(gòu)一個(gè)實(shí)施例。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置包括，流量計(jì)外殼1-3，電路系統(tǒng)1-1，流量傳感器安裝結(jié)構(gòu)1-6。流量傳感器安裝結(jié)構(gòu)1-6包括兩組MEMS傳感器，其中一組流量傳感器1-7，用于檢測氣體的流量；另一組校準(zhǔn)傳感器1-5，用于對流量傳感信息的校準(zhǔn)，以及連接電路系統(tǒng)和兩組MEMS傳感器的連接插針1-2。兩組傳感器與電路系統(tǒng)通過導(dǎo)線連接，以結(jié)構(gòu)嵌入+封膠的形式固定，兩組傳感器以氣體流動(dòng)方向前后放置，電路系統(tǒng)位于兩組傳感器的上方。兩組傳感器位于腔體中以加強(qiáng)其對氣體的沖擊力，腔體為半包圍結(jié)構(gòu)，傳感器的敏感表面與氣體接觸。流量傳感器是基于MEMS工藝的傳感器，其原理可以是壓力、加速度、側(cè)傾、熱式溫差、熱式功率加速度等感知原理的一種或者若干種的組合，流量傳感器的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)保證傳感器可以感測氣體流速的變化，并通過傳感器的模擬信號輸出，同時(shí)保護(hù)流量傳感器不被氣體計(jì)量過程的充氣力和氣體壓力破壞或者失準(zhǔn)，其具體結(jié)構(gòu)可以采用整流后表面貼裝、插入式探針或者等速分流結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但不局限于上述幾種結(jié)構(gòu)。
[0060]校準(zhǔn)傳感器是采用MEMS工藝的復(fù)合信號傳感模組，輸出對流量傳感器校準(zhǔn)所需要的信息，輸出信號涵蓋流量傳感器工作過程中所需的校準(zhǔn)信息，包括直接反應(yīng)流量傳感器輸出的電氣特性，例如模擬偏移、放大變形、振蕩過激和累積效應(yīng)等因素，也包括間接影響流量傳感器輸出結(jié)果的環(huán)境信息，比如溫度、壓力、氣體構(gòu)成等因素引起的例如零點(diǎn)、靈敏度和模型非線性。校準(zhǔn)傳感器的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)保證校準(zhǔn)傳感器的輸出不受被測氣體流速變化的影響，同時(shí)可以感知到流量校準(zhǔn)信號可以被校準(zhǔn)傳感器感知，可以采取包括但不局限于半封閉腔體、單面開口結(jié)構(gòu)、自振蕩流場穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)。
[0061 ] 在流量計(jì)工作期間，能夠?qū)α髁總鞲衅鞯妮敵鼋Y(jié)果產(chǎn)生影響的有(T，P，C，V)，其中T為溫度，P為壓力，C為氣體構(gòu)成，V為待測量的氣體流速。而校準(zhǔn)傳感器則輸出(T，P，C)對流量傳感器的模擬信號以及計(jì)算模型的影響量，通常表現(xiàn)為直流偏移、線性放大、微分振蕩和累積效應(yīng)等電路形態(tài)，借助下述模擬或者數(shù)字的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0062]基于附圖2，附圖2給出MEMS流量傳感信號的在線校準(zhǔn)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。電路系統(tǒng)由模擬校準(zhǔn)電路2-1、AD轉(zhuǎn)換模塊2-2和數(shù)字運(yùn)算處理器模塊2-3以及2-4PCB及外圍器件構(gòu)成，模擬校準(zhǔn)電路2-1包括模擬加法器、模擬乘法器、模擬微分器、模擬積分器以及電阻電容等外圍器件，在印刷電路板PCB上通過焊接、鍵合等手段固定構(gòu)成電路系統(tǒng)。其中校準(zhǔn)模擬信號中的工作環(huán)境對傳感器模擬電路應(yīng)相的信號在模擬校準(zhǔn)電路的作用下對流量傳感器輸出的模擬流量信號進(jìn)行初步校準(zhǔn)，得到修正后的模擬流量信號；校準(zhǔn)模擬信號中的其它信號和修正后的模擬流量信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入數(shù)字運(yùn)算處理器，數(shù)字運(yùn)算處理器甄別出校準(zhǔn)信號中間接影響流量的因素，借助專門的校準(zhǔn)算法對數(shù)字流量信號進(jìn)行進(jìn)一步的校準(zhǔn)，進(jìn)而獲得精準(zhǔn)的流量信號。PCB和外圍器件的功能為保障整個(gè)電路系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
[0063]基于附圖3，附圖3為流量傳感信號完成在線校準(zhǔn)過程實(shí)現(xiàn)流量測量的總流程。首先是在流量采集周期上，MEMS流量傳感器在氣體流動(dòng)的作用下獲得流量相關(guān)的傳感電信號(V0);與此同時(shí)校準(zhǔn)傳感器也在校準(zhǔn)信號采樣周期上采集校準(zhǔn)所需的信息組(A1, A2, A3, A4)和(B1, B2, B3)，其中(A1, A2, A3, A4)反映的是工作環(huán)境對傳感器模擬電路性能的影響量，分別為模擬偏移、放大變形、振蕩過激和累積效應(yīng)等因素，這部分影響量經(jīng)過專門的模擬校準(zhǔn)電路，對原始的流量輸入信號進(jìn)行初步的模擬校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的模擬流量信號(V1)。[0064]利用上述模擬校準(zhǔn)信號對原始流量信號Vtl進(jìn)行模擬校準(zhǔn)的方法有:
[0065]I)模擬偏移的影響:
[0066]將A1與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬加法電路，得到模擬偏移量校準(zhǔn)后的流量信號。
[0067]2)放大變形的影響:
[0068]將A2與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬乘法電路，得到模擬放大變形校準(zhǔn)后的流
量信號。
[0069]3)振蕩過激的影響:
[0070]將A3與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬微分電路，得到振蕩過激校準(zhǔn)后的流量信號。
[0071]4)累計(jì)效應(yīng)的影響:
[0072]將A4與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬積分電路，得到累積效應(yīng)校準(zhǔn)后的流量信號。
[0073]其中上述步驟I)到4)的順序可以根據(jù)具體的電路特性而調(diào)整，最后得到模擬初步校準(zhǔn)后的流量信號V1。
[0074]而(B1, B2, B3)反映的是工作環(huán)境對氣體計(jì)量模型的影響，包括零點(diǎn)漂移、器件靈敏度、模型非線性等影響量，這部分影響要經(jīng)過Α/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閷?yīng)的數(shù)字校準(zhǔn)信號(DB1，Db2, Db3)，初步校準(zhǔn)后的流量信號V1經(jīng)過Α/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)镈V1，兩路數(shù)字信號一起進(jìn)入數(shù)字運(yùn)算處理器，以數(shù)字運(yùn)算的形式對流量計(jì)算模型進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字校準(zhǔn)，最后得到精準(zhǔn)的流量信息，再以此為依據(jù)進(jìn)行流量計(jì)算。
[0075]利用上述數(shù)字校準(zhǔn)信號對流量信號進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)的方法有:
[0076]5)零點(diǎn)漂移的影響:
[0077]Dv2=Dv1-Dbi
[0078]6)器件靈敏度的影響:
[0079]DV2=DV1*DB2
[0080]7)模型非線性的影響:
[0081]DV2=f(Dyi, Db3)；其中f(x，y)為一個(gè)非線性函數(shù)，特定的器件組合構(gòu)成各自的表型的形式。
[0082]比如對于可能為高階多項(xiàng)式:DV1=(an*DB3**n+an_l*DB3** (n_l)+...al*DB3+aO)
[0083]或者三角函數(shù):DVl=al*cos(bO*DB3)+a2*sin*(bl*DB3)
[0084]或者反比關(guān)系:DVl=aO/DB3+al/DB3林2+...[0085]其中林符號為冪函數(shù)，林m即m次方。
[0086]其中上述步驟5)到7)的順序可以根據(jù)具體的電路特性而調(diào)整，最后得到模型修正后的流量計(jì)算結(jié)果D2。
[0087]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以后各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0088]1-1電路系統(tǒng)
[0089]1-2連接插針[0090]1-3流量計(jì)外殼
[0091]1-4校準(zhǔn)傳感器安裝結(jié)構(gòu)
[0092]1-5MEMS校準(zhǔn)傳感器
[0093]1-6流量傳感器安裝結(jié)構(gòu)
[0094]1-7MEMS流量傳感器
[0095]2-1模擬校準(zhǔn)電路
[0096]2-2A/D轉(zhuǎn)換模塊
[0097]2-3數(shù)字運(yùn)算處理器
[0098]2-4PCB及外圍器件。
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置,包括: 流量計(jì)外殼，其包括被測量氣體流通于其中的管道； MEMS流量傳感器，提供與所測氣體流量相關(guān)的輸出信號； MEMS校準(zhǔn)傳感器，輸出用于對MEMS流量傳感器測量的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的直接反映流量傳感器輸出的電器特性信號和間接反映流量傳感器輸出的環(huán)境信息信號； 電路系統(tǒng)，其設(shè)置在所述流量計(jì)外殼外部，通過連接插針與MEMS流量傳感器相連接，用于MEMS對校準(zhǔn)傳感器輸出信號的采集、對MEMS流量傳感器測量信號的采集、校準(zhǔn)、以及所述被測氣體的流量計(jì)算。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中兩組傳感器以結(jié)構(gòu)嵌入加封膠的形式固定，沿氣體流動(dòng)方向前后放置，電路系統(tǒng)位于兩組傳感器的上方。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的兩組傳感器位于腔體中，以加強(qiáng)其對氣體的沖擊力，腔體為半包圍結(jié)構(gòu)，傳感器的敏感表面與氣體接觸。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的MEMS流量傳感器是基于MEMS工藝制造的傳感器，是基于壓力、加速度、偵_、熱式溫差、熱式加速度感知原理中的一種或者若干種的組合制成的傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的MEMS校準(zhǔn)傳感器是采用MEMS工藝的復(fù)合信號傳感模組，其可以提供直接反映流量傳感器輸出的電氣特性信息和間接反映流量傳感器輸出結(jié)果的環(huán)境信息。
6.如權(quán)利要求5所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的電氣特性信息包括:模擬偏移、放大變形、振蕩過激和累積效應(yīng)。
7.如權(quán)利要求5所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的環(huán)境信息信號包括:溫度、壓力、氣體構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的電路系統(tǒng)由模擬校準(zhǔn)電路、AD轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字運(yùn)算處理器模塊構(gòu)成，其中模擬校準(zhǔn)電路，用于校準(zhǔn)模擬信號中的工作環(huán)境對傳感器模擬電路相應(yīng)的信號在模擬校準(zhǔn)電路的作用下對流量傳感器輸出的流量模擬信號進(jìn)行初步校準(zhǔn)，得到修正后的模擬流量信號；AD轉(zhuǎn)換模塊用于將校準(zhǔn)模擬信號中的其它信號和修正后的模擬流量信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號；數(shù)字運(yùn)算處理器模塊，用于甄別出校準(zhǔn)信號中間接影響流量的因素，借助專門的校準(zhǔn)算法對數(shù)字流量信號進(jìn)行進(jìn)一步的校準(zhǔn)，進(jìn)而獲得精準(zhǔn)的流量信號。
9.如權(quán)利要求8所述的氣體流量計(jì)量裝置，其中所述的模擬校準(zhǔn)電路包括模擬加法器、模擬乘法器、模擬微分器、模擬積分器以及外圍器件，在印刷電路板PCB上固定構(gòu)成電路系統(tǒng)。
10.一種利用如權(quán)利要求1所述的基于MEMS敏感元件的氣體流量計(jì)量裝置進(jìn)行氣體流量測量的方法，包括以下步驟: a)，開始計(jì)量； b)，通過流量傳感器測量與被測氣體流量相關(guān)的模擬流量信號，并輸出到模擬校準(zhǔn)電路； C)，通過校準(zhǔn)傳感器測量由工作狀況帶來的信號偏移量，提取模擬校準(zhǔn)信息一部分并輸出到模擬校準(zhǔn)電路，另一部分輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字校準(zhǔn)信息；d)，在模擬校準(zhǔn)電路中，利用步驟C)得到的模擬校準(zhǔn)信息對流量傳感器輸出的模擬流量信號進(jìn)行初步校準(zhǔn)，得到流量初步校準(zhǔn)信號，并輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字流量信號; e)，判斷是否需要數(shù)字校準(zhǔn)，如果是，用數(shù)字校準(zhǔn)信息對數(shù)字流量信號進(jìn)行校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)后的數(shù)字流量信號，依據(jù)校準(zhǔn)后的數(shù)字流量信號換算氣體流量值； f)，如果不是，則利用步驟d)中的數(shù)字信號直接進(jìn)行換算得到氣體流量值。
11.如權(quán)利要求10所述的測量方法，其中模擬校準(zhǔn)信息對模擬流量信號校準(zhǔn)的步驟包括:模擬偏移的影響: 將A1與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬加法電路，得到模擬偏移量校準(zhǔn)后的流量信號；放大變形的影響: 將4與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬乘法電路，得到模擬放大變形校準(zhǔn)后的流量信號；振蕩過激的影響: 將A3與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬微分電路，得到振蕩過激校準(zhǔn)后的流量信號；累計(jì)效應(yīng)的影響: 將A4與模擬流量輸出信號同時(shí)輸入模擬積分電路，得到累積效應(yīng)校準(zhǔn)后的流量信號；其中，“ A3、A4分別為模擬偏移、放大變形、振蕩過激和累積效應(yīng)。
12.如權(quán)利要求10所述的測量方法，其中數(shù)字校準(zhǔn)信息對數(shù)字流量信號校準(zhǔn)的步驟包括: 1)零點(diǎn)漂移的影響: DY2=DY1-DB1 2)器件靈敏度的影響:
DY2=DY1*DY2 3)模型非線性的影響: Dy2=f(Dvl, DB3);其中f(x，y)為一個(gè)非線性函數(shù)，特定的器件組合構(gòu)成各自的表型的形式。
【文檔編號】G01F25/00GK103674120SQ201210353085
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月20日
【發(fā)明者】董勝龍, 黃忠, 李國國, 李龍, 史進(jìn)超 申請人:廊坊新衡科技有限公司