專利名稱：一種氣流流量檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于火災(zāi)探測報警技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種吸氣型探測器用氣流流量檢測裝置。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，一些在國民經(jīng)濟和社會生活中起著至關(guān)重要作用的特殊場所(如計算中心、圖文檔案信息中心、郵電通訊樞紐、集成電路生產(chǎn)車間、核電站、大型現(xiàn)代化調(diào)度控制中心、智能大廈控制中心、現(xiàn)代醫(yī)療機構(gòu)等)消防安全需求日益迫切。由于其內(nèi)部各種電氣設(shè)備高度集中且長期工作運行，從而存在較多的火險隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會給國家造成極大的經(jīng)濟損失，給社會帶來重大影響。鑒于這些場所的重要性和特殊性，這些場所的超早期火災(zāi)探測報警問題，已成為消防安全的重點之一，引起人們的極大關(guān)注。
目前，這些場所廣泛應(yīng)用的普通類型的感煙探測器，該型探測器需要煙霧擴散到探測器的檢測室方能實施探測報警，保護面積小，響應(yīng)時間長；加之受探測靈敏度不高等因素的制約，對于火災(zāi)的極早期探測能力不足，基本上屬于火災(zāi)的確認探測，很難起到火災(zāi)的預報和火災(zāi)預防作用，不能滿足對火災(zāi)超早期探測報警的要求。為了提高火災(zāi)探測器的火災(zāi)預報預警能力，國際上發(fā)展了吸氣型高靈敏度感煙探測技術(shù)。吸氣型高靈敏度感煙火災(zāi)探測報警系統(tǒng)是一種采用主動吸氣探測方式的高靈敏度感煙火災(zāi)探測報警系統(tǒng)，通過敷設(shè)在被保護現(xiàn)場的帶有采樣孔的采樣管網(wǎng)將氣樣抽到探測器的煙霧檢測室，可以在火災(zāi)形成前可見煙霧尚未出現(xiàn)時識別出潛在的火情，實現(xiàn)階段性告警，為那些重要場所提供滿足工程需要的、高靈敏度的超早期火災(zāi)探測報警高新技術(shù)手段。由于該型技術(shù)產(chǎn)品，需要通過吸氣采樣將被保護現(xiàn)場的空氣樣本輸送到煙霧檢測裝置，吸氣裝置吸氣能力的下降、敷設(shè)在現(xiàn)場的采樣管網(wǎng)的破損或阻塞和有效采樣能力的大小和變化將直接影響該型技術(shù)產(chǎn)品的火災(zāi)探測性能，所以按照國際技術(shù)標準要求慣例，該型技術(shù)產(chǎn)品必須具備采樣流量的檢測和故障報警功能。
目前的氣體流量測量技術(shù)有葉輪式、熱球式、熱線式、壓差式、超聲波式、激光多普勒等氣流流量檢測法；其中葉輪式流量檢測依靠氣流帶動葉輪機械轉(zhuǎn)動進行測量；熱線式采用沿氣流流動方面布置的兩段傳感器；其中上游一段被加熱至1000℃高溫，氣流將該段的熱量帶走，并使下游段傳感器加熱，通過兩段傳感器的阻值變化進行流量測量；熱球式采用氣流帶走熱球傳感器的熱量從而使傳感器阻值發(fā)生變化的方式進行流量測量，通常熱球溫度不低于800℃；壓差式通過上下游氣流的壓力差進行流量測量；超聲多普勒式通過超聲波的多普勒頻移進行流速的測量，進而計算出流量；激光多普勒式通過激光的多普勒頻移進行流速測量，進而測量出流量。
對于吸氣型火災(zāi)探測器氣流流量檢測的小量程、高分辨率、小規(guī)模、低消耗、低成本的要求而言，以上測量方法主要存在以下不足之處，其中葉輪式、熱線式測量方法適合與高速氣流流量的檢測，量程大而分辨率較低，傳感裝置體積大不易集成；壓差式方法需要在不同的位置安裝壓力傳感器，以保證足夠的壓差輸出信號強度，集成裝配不便，且微壓力傳感器價格較貴；超聲波和激光多普勒測量方式技術(shù)復雜、成本高昂；熱球式結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧，但是傳感器易于損壞，且沒有標準的通用傳感器供商業(yè)采購，價格較高。所以，以上氣流流量測量技術(shù)均不適合在吸氣型火災(zāi)探測器中集成使用。
與熱球式、熱線式等量熱式氣流流量檢測裝置的原理類似，本實用新型也采用氣流帶走傳感器的熱量，引起傳感器溫度發(fā)生下降從而導致傳感器阻值參數(shù)發(fā)生變化，進行流量的測量；所不同的是本實用新型采用了一氣流溫度補償?shù)膫鞲衅?，使的氣流流量的測量信號，不受氣流本身溫度變化的影響而僅與氣流流量有關(guān)，避免了其他的量熱式氣流流量檢測方法依靠足夠高的工作溫度來規(guī)避氣流本身溫度變化對測量影響的方法所帶來的功耗大、制作工藝復雜、價格高的問題。同時本實用新型設(shè)計了獨特的氣流流量導流板結(jié)構(gòu)和獨特的傳感器安裝裝配結(jié)構(gòu)，真正實現(xiàn)了對外部進氣氣流量的檢測，滿足了吸氣型火災(zāi)探測器氣流量的監(jiān)測和報警。
本實用新型裝置提供了一種新穎的、專用的吸氣型火災(zāi)探測器氣流流量檢測技術(shù)，其關(guān)鍵部件采用工業(yè)標準的通用傳感器和元器件，器件的互換性能極好，體積小巧、成本低廉，裝配簡單；量程、分辨率和溫度穩(wěn)定性均滿足吸氣型火災(zāi)探測器的要求，達到了良好的使用效果。
實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種氣流流量測量裝置，該裝置包括氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器、氣流傳感板、導流板和流量測量管。其中氣流傳感板通過位于流量測量管的中心線的安裝槽滑合安裝在流量測量管的進氣口端，氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器對稱焊接在氣流傳感板靠近流量測量管進氣口的一側(cè)，使得氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器的傳感面在氣流傳感板的頂端，并使氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器的傳感面與氣流傳感板的板面垂直，迎向氣流進氣方向；在流量測量管的出氣端設(shè)有十字垂直板結(jié)構(gòu)形狀的導流板，導流板的十字中心線與流量測量管的中軸線重合；導流板可通過安裝槽與流量測量管滑合安裝，也可將導流板與流量測量管通過模具一體化實現(xiàn)。
本結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性在于可以使氣流帶走氣流流量傳感器的熱量最大化，從而使初始的流量信號最強，同時使得氣流溫度傳感器不受氣流流量傳感器的熱輻射，同時也不接觸被氣流流量傳感器加熱的氣流介質(zhì)，而僅反應(yīng)氣流介質(zhì)本身的溫度，從而獲得純粹的介質(zhì)溫度信號。本實用新型獨特的氣流流量導流板結(jié)構(gòu)能夠抑制吸氣裝置在進氣口被封堵時，吸氣裝置工作壓力平衡產(chǎn)生的非進氣紊流，能夠使傳感器實現(xiàn)零進氣流量的準確測量。
電路信號轉(zhuǎn)換及傳遞關(guān)系氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器分別被各自的恒流源偏置，氣流流量傳感器的偏置電流足夠大，使傳感器處于高溫狀態(tài)，氣流流量的變化可引起傳感器阻值的足夠變化，輸出氣流流量信號；氣流溫度傳感器的偏置電流非常小，偏置電流使氣流溫度傳感器的自熱引起的信號變化可以忽略，而僅僅反應(yīng)氣流介質(zhì)的溫度，輸出氣流溫度信號；該兩信號與各自的可調(diào)電壓基準一起，分別輸入到氣流流量信號差分電路和氣流溫度信號差分電路，該兩差分電路通過各自的基準電壓調(diào)節(jié)，使氣流流量信號和氣流溫度信號減去各自的基準電壓而調(diào)整到各自所需的信號工作點；根據(jù)氣流流量信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性和氣流溫度信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性之間的關(guān)系，設(shè)置調(diào)整后的氣流溫度信號的特性匹配放大，使得匹配放大后的氣流溫度信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性與氣流流量信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性相一致；該兩路信號通過一補償差分電路，獲得與氣流介質(zhì)溫度變化無關(guān)的氣流流量檢測信號，再通過一信號匹配電路使得輸出的氣流流量信號符合外部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號動態(tài)范圍的要求。
本電路的優(yōu)越性是使用標準化的工業(yè)溫度傳感器，實現(xiàn)了小流量的氣流流量測量，并且解決了氣流流量測量受氣流溫度影響的難題，使本裝置的氣流流量測量范圍(以流速表示)0-2.0米/秒；-15℃-+60℃范圍的氣流溫度變化對氣流流量信號的影響小于10％。滿足了吸氣型感煙火災(zāi)探測器對氣流流量檢測的低成本、小體積、標準化和高穩(wěn)定性要求。


圖1為流量測量管與氣流傳感板的裝配剖面圖；圖2為流量測量管的俯視圖；圖3為信號處理模塊電路框圖；圖4為信號處理模塊電路原理圖；其中1氣流流量傳感器，2氣流溫度傳感器，3氣流傳感板，4導流板，5流量測量管，Q表示氣流。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型裝置的具體實施方式
進行詳細描述如圖1-2所示，氣流流量傳感器1、氣流溫度傳感器2、氣流傳感板3、導流板4和流量測量管5。其中氣流傳感板3通過位于流量測量管5的中心線的安裝槽滑合安裝在流量測量管5的進氣口端，氣流流量傳感器1、氣流溫度傳感器2對稱焊接在氣流傳感板3靠近流量測量管5進氣口的一側(cè)，使得氣流流量傳感器1、氣流溫度傳感器2的傳感面在氣流傳感板3的頂端，并使氣流流量傳感器1、氣流溫度傳感器2的傳感面與氣流傳感板3的板面垂直，迎向氣流進氣方向；在流量測量管5的出氣端設(shè)有十字垂直板結(jié)構(gòu)形狀的導流板4，導流板4十字中心線與5的中軸線重合；4可通過安裝槽與流量測量管5滑合安裝，也可將導流板4與流量測量管5通過模具一體化實現(xiàn)。
氣流流量測量電路具體實施方式
如圖4所示氣流流量傳感器(1)和氣流溫度傳感器(2)的傳感信號通過連接線與氣流流量測量電路連接。其中氣流流量傳感器(在氣流流量測量電路原理圖中的標號為P1，以下簡稱P1)被U2、R1、D1構(gòu)成的恒流源施加偏置，其中U2可為LM317/217/117，在其的VOUT腳和ADJ腳并接阻值為24歐姆，1/1000精度的金屬膜電阻R1；同時按照圖示并接型號為1N4148的保護二極管D1；該電路輸出51mA的偏置電流，該電路為典型電路，原理不再贅述；P1接在偏流輸出與信號地之間，磁珠LC1和電容E1(2.2uF/25V)構(gòu)成氣流流量傳感信號的濾波環(huán)節(jié)；由U4(LM385-2.5/LM285-2.5或其他不小于2.5V的電壓基準集成電路)、C4、E3和VR1(10K歐姆)并聯(lián)在一起并與R4(15K歐姆)串聯(lián)接在+15V電源和信號地之間構(gòu)成氣流流量可調(diào)電壓基準，該部分電路為典型電路，原理不再贅述。
由四運放集成電路U3(TLC2254\LM324\LM224\LM124或其他可替換型號)的三個運放單元U3C、U3D、U3A和R3(10K歐姆)、R5(2.4K歐姆)、R6、R7、R8、R9(R6-R9均為47K歐姆)及E2、C3構(gòu)成氣流流量信號差分電路，該部分電路為典型電路，原理不再贅述。
氣流流量傳感信號通過R2(10K歐姆)和D2(1N4148)的保護輸出到氣流流量信號差分電路一個輸入端U3的10腳；氣流流量可調(diào)電壓基準輸出到氣流流量信號差分電路另一個輸入端U3的12腳；經(jīng)氣流流量信號差分電路的處理，從U3的1腳輸出經(jīng)直流調(diào)整后的氣流流量測量信號。
其中氣流溫度傳感器(在氣流流量測量電路原理圖中的標號為P2，以下簡稱P2)被U5(TLC2254\LM324\LM224\LM124或其他可替換型號)的兩個運放單元U5A、U5D、U6(LM385-1.2/LM285-1.2或其他不小于1.2V的電壓基準集成電路)、R12(15K歐姆)、R17(1.2K歐姆，1/1000精度)、R13、R14、R15、R16(R13-R16均為10K歐姆)、C5、C6、E4、E5構(gòu)成的恒流源施加偏置，該電路輸出1mA的偏置電流，該電路為典型電路，原理不再贅述；P2接在偏流輸出與信號地之間，磁珠LC2和電容E6(2.2uF/25V)構(gòu)成氣流流量傳感信號的濾波環(huán)節(jié)；由R32(10K歐姆)和R31(30K歐姆)串聯(lián)在一起，與U6、C5、E4并聯(lián)后再串聯(lián)R12(15K歐姆)接在+15V電源和信號地之間構(gòu)成氣流溫度電壓基準，該部分電路為典型電路，原理不再贅述；由四運放集成電路U5的一個運放單元U5C和四運放集成電路U7(TLC2254\LM324\LM224\LM124或其他可替換型號)的兩個運放單元U7C、U7B和R33(7.5K歐姆)、R19、R21、R22、R34、R35(R19-R35均為10K歐姆)構(gòu)成氣流溫度信號差分電路，該部分電路為典型電路，原理不再贅述；氣流溫度傳感信號通過R18(10K歐姆)和D3(1N4148)的保護輸出到氣流溫度信號差分電路一個輸入端U5的10腳；氣流溫度電壓基準輸出到氣流溫度信號差分電路另一個輸入端U7的10腳；經(jīng)氣流溫度信號差分電路的處理，從U7的7腳輸出經(jīng)直流調(diào)整后的氣流溫度測量信號。該信號輸入由U5B、R20(3.3K歐姆)、R23(3.9K歐姆)、R24(15K歐姆)、R25(2.2K歐姆)、C9(104)構(gòu)成的補償特性匹配放大電路，由U5的7腳輸出匹配后的溫度補償信號。該部分電路為典型電路，原理不再贅述；將溫度補償信號和經(jīng)直流調(diào)整后的氣流流量測量信號輸入到由U3B、R10(47K歐姆)、R11(47K歐姆)、R26(47K歐姆)、R27(47K歐姆)構(gòu)成的單運放補償差分電路；實現(xiàn)氣流流量測量信號的溫度補償，該部分電路為典型電路，原理不再贅述。其中溫度補償信號由R10輸入，經(jīng)直流調(diào)整后的氣流流量測量信號由R26輸入，溫度補償后的氣流流量測量信號由U3的7腳輸出通過連接R28到由U7D、R28(47K歐姆)、R29(47K歐姆)、R30(24K歐姆)、E8(2.2uF/25V)、C7構(gòu)成的信號分壓跟隨匹配調(diào)整電路，實現(xiàn)氣流流量模擬信號與外部接口的信號匹配。該部分電路為典型電路，原理不再贅述。
本電路中，如無特殊說明，電阻R采用1/100精度的金屬膜電阻；電容C均為103的瓷片電容，電容E均為10uF/25V的鉭電解或鋁電解電容。
本實用新型裝置的工作原理如下由外部吸氣裝置產(chǎn)生穿過流量測量管(5)的氣流，氣流首先通過安裝有傳感器的氣流傳感板(3)，氣流流量信號和氣流溫度信號分別由氣流流量傳感器(1)和氣流溫度傳感器(2)感知；之后氣流通過導流板(4)，從流量測量管(5)的出氣口穿出。
氣流流量測量電路的工作原理如下氣流流量傳感器(1)、氣流溫度傳感器(2)分別被各自的恒流源偏置，氣流流量傳感器(1)的偏置電流足夠大，使傳感器處于高溫狀態(tài)，氣流流量的變化可引起傳感器阻值的足夠變化，輸出氣流流量信號；氣流溫度傳感器(2)的偏置電流非常小，偏置電流使(2)的自熱引起的信號變化可以忽略，而僅僅反應(yīng)氣流介質(zhì)的溫度，輸出氣流溫度信號；該兩信號與各自的可調(diào)電壓基準一起，分別輸入到氣流流量信號差分電路和氣流溫度信號差分電路，該兩差分電路通過各自的基準電壓調(diào)節(jié)，使氣流流量信號和氣流溫度信號減去各自的基準電壓而調(diào)整到各自所需的信號工作點；根據(jù)氣流流量信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性和氣流溫度信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性之間的關(guān)系，設(shè)置調(diào)整后的氣流溫度信號的特性匹配放大，使得匹配放大后的氣流溫度信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性與氣流流量信號隨氣流介質(zhì)溫度變化的動態(tài)特性相一致；該兩路信號通過一補償差分電路，獲得與氣流介質(zhì)溫度變化無關(guān)的氣流流量檢測信號，再通過一信號匹配電路使得輸出的氣流流量信號符合外部模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號動態(tài)范圍的要求。
權(quán)利要求1.一種氣流流量檢測裝置，其特征在于，該裝置包括氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器、氣流傳感板、導流板和流量測量管；其中氣流傳感板通過位于流量測量管的中心線的安裝槽滑合安裝在流量測量管的進氣口端，氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器對稱焊接在氣流傳感板靠近流量測量管進氣口的一側(cè)，使得氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器的傳感面在氣流傳感板的頂端，并使氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器的傳感面與氣流傳感板的板面垂直，迎向氣流進氣方向；在流量測量管的出氣端設(shè)有十字垂直板結(jié)構(gòu)形狀的導流板，導流板的十字中心線與流量測量管的中軸線重合；其電路連接關(guān)系為氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器分別被各自的恒流源偏置，氣流流量傳感器輸出氣流流量信號；氣流溫度傳感器輸出氣流溫度信號，兩信號與各自的可調(diào)電壓基準一起，分別輸入到氣流流量信號差分電路和氣流溫度信號差分電路，兩差分電路通過各自的基準電壓調(diào)節(jié)，使氣流流量信號和氣流溫度信號減去各自的基準電壓而調(diào)整到各自所需的信號工作點；氣流溫度信號經(jīng)過特性匹配放大后，與氣流流量信號一起通過補償差分電路，獲得與氣流介質(zhì)溫度變化無關(guān)的氣流流量檢測信號，再通過信號匹配電路，輸出氣流流量信號。
2.如權(quán)利要求1所述的一種氣流流量檢測裝置，其特征在于所述導流板通過安裝槽與流量測量管滑合安裝，或者將導流板與流量測量管通過模具一體化實現(xiàn)。
專利摘要一種氣流流量檢測裝置，屬于火災(zāi)探測報警技術(shù)領(lǐng)域，其中氣流傳感板通過位于流量測量管的中心線的安裝槽滑合安裝在流量測量管的進氣口端，氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器對稱焊接在氣流傳感板靠近流量測量管進氣口的一側(cè)，使得氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器的傳感面在氣流傳感板的頂端，并使氣流流量傳感器、氣流溫度傳感器的傳感面與氣流傳感板的板面垂直，迎向氣流進氣方向；在流量測量管的出氣端設(shè)有十字垂直板結(jié)構(gòu)形狀的導流板，導流板的十字中心線與流量測量管的中軸線重合。本實用新型獨特的氣流流量導流板結(jié)構(gòu)能夠抑制吸氣裝置在進氣口被封堵時，吸氣裝置工作壓力平衡產(chǎn)生的非進氣紊流，能夠使傳感器實現(xiàn)零進氣流量的準確測量。
文檔編號G08B17/10GK2831057SQ20052009198
公開日2006年10月25日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者王文青, 潘剛, 余廣智, 王勇俞, 劉玉寶, 劉景泉 申請人:公安部沈陽消防研究所