[發(fā)明專利]上下游溫度分布二次差動(dòng)流量測量方法、傳感器、及應(yīng)用

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200610050144.3
• 申請(qǐng)日: 2006-04-03
• 公開（公告）號(hào): CN101050974A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛巨林;趙文宏;涂相征
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州中矽微電子機(jī)械技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G01F1/76
• 分類號(hào): G01F1/76
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 尉偉敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(zhì)量流量檢測領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于上下游溫度分布二次差動(dòng)氣體質(zhì)量流量測量方法、傳感器、及流量計(jì)。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)流量計(jì)、漏氣保護(hù)器、天然氣計(jì)量流量計(jì)、工業(yè)控制流量計(jì)及變送器、風(fēng)速儀、家用全電子式燃?xì)獗恚t(yī)療儀器等行業(yè)。

背景技術(shù)

熱式氣體質(zhì)量流量測量是利用傳熱原理，即流動(dòng)中的流體與熱源流體中加熱的物體或測量管外加熱體之間熱量交換關(guān)系來測量流量的技術(shù)。它主要分為風(fēng)速計(jì)式anemometer和測熱型calorimetric兩種方式。風(fēng)速計(jì)工作原理是建立在1914年提出的King’s?Law理論基礎(chǔ)上的，這種測量方式是以流體流動(dòng)下加熱絲的熱耗散程度作為測量依據(jù)。測熱型的測量原理則以探測流體流動(dòng)過程中加熱元件熱源兩側(cè)的溫度分布來探測流速大小。

傳統(tǒng)測熱式原理中，通常采用熱流體傳感器包括加熱器和溫度傳感器兩部分，在加熱絲上下游對(duì)稱分布一對(duì)或數(shù)對(duì)鉑質(zhì)溫度敏感絲，且為了提高單元器件之間的隔熱性，加熱絲與溫度敏感絲之間采用微橋式懸空結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)而言，這種傳感器的抗沖擊強(qiáng)度很弱，被測介質(zhì)要求純凈、無顆粒雜質(zhì)，而且不能承受較大的瞬時(shí)流動(dòng)沖擊。

傳統(tǒng)測熱式原理是通過測量上下游一對(duì)溫度傳感器的溫度差值，從而確定流體流速。但是該溫度差值隨著流速的增大會(huì)出現(xiàn)飽和點(diǎn)，并繼而下跌，如圖1所示，曲線由一個(gè)上升階段，一個(gè)飽和點(diǎn)F和一個(gè)下降階段來表征。圖中，橫軸代表流速V，縱軸代表溫度差ΔT。由圖1可知，這種測量方式下有效測量范圍限制在飽和點(diǎn)F以內(nèi)。同時(shí)，飽和點(diǎn)F的位置與溫度傳感器與加熱絲之間的間距有關(guān)，對(duì)于間距較近的傳感器，飽和點(diǎn)F在速度較大時(shí)發(fā)生，具有相對(duì)較大的測量范圍，但曲線上升緩慢，靈敏度欠佳；而對(duì)于間距較遠(yuǎn)的傳感器，飽和點(diǎn)F則在速度較小時(shí)發(fā)生，測量范圍較小，但是在低速段曲線具有較大的上升斜率，因此在低速段更為靈敏。總之，該模式的測量范圍很小，只適用于低流速的情況。

為此，人們進(jìn)行了長期的探索，提出了多種多樣的實(shí)施方案。例如，中國專利文獻(xiàn)公開了一種流速探測器申請(qǐng)?zhí)枺篊N00801406.X，它具有在基座的一部分中設(shè)有空間形成薄壁狀的隔膜部、在此隔膜部中形成的發(fā)熱體以及在此發(fā)熱體兩側(cè)形成的熱敏電阻體，其特征在于，上述熱敏電阻體成連接多個(gè)曲柄狀的梳齒形，將此熱敏電阻體布置成，使上述梳齒形的凹凸方向大致平行于被測流體的流向。該方案采用的仍然是傳統(tǒng)的測熱式信號(hào)處理方法，僅僅是對(duì)傳感的熱敏電阻體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高了熱敏電阻體溫度測量的精度。但是，對(duì)于熱分布測量的飽和現(xiàn)象和熱絲式測量的低速不穩(wěn)定性等均無太大幫助，因此并沒有從根本上克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷。

還有人公開了名為“熱脈沖時(shí)差式流量檢測方法”的專利公開號(hào)：CN1603762A，該方案將熱式流量傳感器放入于流速平行的管道中，對(duì)加熱測溫元或者加熱元件加上電脈沖信號(hào)，測量其對(duì)應(yīng)溫度脈沖信號(hào)；再對(duì)在加熱元件下游的溫度檢測元件進(jìn)行測量，也得到下游的測溫元的溫度脈沖信號(hào)；將兩條脈沖信號(hào)曲線進(jìn)行對(duì)比，通過檢測脈沖信號(hào)上升沿的時(shí)間滯后值，也就是測量氣體流速。首先熱脈沖時(shí)差方法和本發(fā)明的上下游溫度分布二次差動(dòng)基于完全不同的測量原理，前者基于時(shí)間滯后值，是對(duì)時(shí)間長度的測量，后者基于溫度分布變化產(chǎn)生的電壓信號(hào)幅值。其次，熱脈沖時(shí)差方法采用電脈沖信號(hào)加熱供電，對(duì)降低功率消耗有效；但是，由于熱傳導(dǎo)過程主要取決于熱元件和下游測溫元的空間距離和氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)等因素，要測量因?yàn)榱黧w流速變化而產(chǎn)生的時(shí)間滯后值，當(dāng)流體低流速時(shí)，流速引起的時(shí)間滯后值非常微小，會(huì)被其它外圍環(huán)境因素和氣體熱傳導(dǎo)系數(shù)等產(chǎn)生的燥聲信號(hào)淹沒。所以，在低速段不靈敏，難以適用于低流速的情況。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的測量范圍小，輸出特性易出現(xiàn)飽和點(diǎn)，對(duì)信號(hào)的處理不甚合理等的技術(shù)問題；提供了一種飽和點(diǎn)后移，提高了量程范圍和線性度，信號(hào)的處理合理的基于上下游溫度分布二次差動(dòng)氣體質(zhì)量流量測量方法、傳感器、及流量計(jì)。

本發(fā)明還有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的測量的精度不高，容易造成誤差，對(duì)低速段不靈敏等的技術(shù)問題；提供了一種測量精度高，能夠有效消除誤差，靈敏度高的基于上下游溫度分布二次差動(dòng)氣體質(zhì)量流量測量方法、傳感器、及流量計(jì)。

本發(fā)明再有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的熱慣性較大，頻響特性一般，功耗較大等的技術(shù)問題；提供了一種采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低功耗、高頻響，大幅降低芯片的熱慣性的基于上下游溫度分布二次差動(dòng)氣體質(zhì)量流量測量方法、傳感器、及流量計(jì)。