[发明专利]上下游温度分布二次差动流量测量方法、传感器、及应用

说明书

技术领域

本发明涉及质量流量检测领域，尤其是涉及一种基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。本发明可广泛应用于汽车发动机流量计、漏气保护器、天然气计量流量计、工业控制流量计及变送器、风速仪、家用全电子式燃气表，医疗仪器等行业。

背景技术

热式气体质量流量测量是利用传热原理，即流动中的流体与热源流体中加热的物体或测量管外加热体之间热量交换关系来测量流量的技术。它主要分为风速计式anemometer和测热型calorimetric两种方式。风速计工作原理是建立在1914年提出的King’s Law理论基础上的，这种测量方式是以流体流动下加热丝的热耗散程度作为测量依据。测热型的测量原理则以探测流体流动过程中加热元件热源两侧的温度分布来探测流速大小。

传统测热式原理中，通常采用热流体传感器包括加热器和温度传感器两部分，在加热丝上下游对称分布一对或数对铂质温度敏感丝，且为了提高单元器件之间的隔热性，加热丝与温度敏感丝之间采用微桥式悬空结构。从结构而言，这种传感器的抗冲击强度很弱，被测介质要求纯净、无颗粒杂质，而且不能承受较大的瞬时流动冲击。

传统测热式原理是通过测量上下游一对温度传感器的温度差值，从而确定流体流速。但是该温度差值随着流速的增大会出现饱和点，并继而下跌，如图1所示，曲线由一个上升阶段，一个饱和点F和一个下降阶段来表征。图中，横轴代表流速V，纵轴代表温度差ΔT。由图1可知，这种测量方式下有效测量范围限制在饱和点F以内。同时，饱和点F的位置与温度传感器与加热丝之间的间距有关，对于间距较近的传感器，饱和点F在速度较大时发生，具有相对较大的测量范围，但曲线上升缓慢，灵敏度欠佳；而对于间距较远的传感器，饱和点F则在速度较小时发生，测量范围较小，但是在低速段曲线具有较大的上升斜率，因此在低速段更为灵敏。总之，该模式的测量范围很小，只适用于低流速的情况。

为此，人们进行了长期的探索，提出了多种多样的实施方案。例如，中国专利文献公开了一种流速探测器申请号：CN00801406.X，它具有在基座的一部分中设有空间形成薄壁状的隔膜部、在此隔膜部中形成的发热体以及在此发热体两侧形成的热敏电阻体，其特征在于，上述热敏电阻体成连接多个曲柄状的梳齿形，将此热敏电阻体布置成，使上述梳齿形的凹凸方向大致平行于被测流体的流向。该方案采用的仍然是传统的测热式信号处理方法，仅仅是对传感的热敏电阻体的结构进行改进，提高了热敏电阻体温度测量的精度。但是，对于热分布测量的饱和现象和热丝式测量的低速不稳定性等均无太大帮助，因此并没有从根本上克服现有技术存在的缺陷。

还有人公开了名为“热脉冲时差式流量检测方法”的专利公开号：CN1603762A，该方案将热式流量传感器放入于流速平行的管道中，对加热测温元或者加热元件加上电脉冲信号，测量其对应温度脉冲信号；再对在加热元件下游的温度检测元件进行测量，也得到下游的测温元的温度脉冲信号；将两条脉冲信号曲线进行对比，通过检测脉冲信号上升沿的时间滞后值，也就是测量气体流速。首先热脉冲时差方法和本发明的上下游温度分布二次差动基于完全不同的测量原理，前者基于时间滞后值，是对时间长度的测量，后者基于温度分布变化产生的电压信号幅值。其次，热脉冲时差方法采用电脉冲信号加热供电，对降低功率消耗有效；但是，由于热传导过程主要取决于热元件和下游测温元的空间距离和气体热传导系数等因素，要测量因为流体流速变化而产生的时间滞后值，当流体低流速时，流速引起的时间滞后值非常微小，会被其它外围环境因素和气体热传导系数等产生的燥声信号淹没。所以，在低速段不灵敏，难以适用于低流速的情况。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的测量范围小，输出特性易出现饱和点，对信号的处理不甚合理等的技术问题；提供了一种饱和点后移，提高了量程范围和线性度，信号的处理合理的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的测量的精度不高，容易造成误差，对低速段不灵敏等的技术问题；提供了一种测量精度高，能够有效消除误差，灵敏度高的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的热惯性较大，频响特性一般，功耗较大等的技术问题；提供了一种采用MEMS技术实现了低功耗、高频响，大幅降低芯片的热惯性的基于上下游温度分布二次差动气体质量流量测量方法、传感器、及流量计。