技术领域
[0001] 本
发明属于气体流量传感技术领域，具体涉及一种双反馈气体流量传感器。
背景技术
[0002] 目前气体流量测量方法按照测量原理可以分成四大类，分别是差压式流量计、速度式流量计、容积式流量计和
质量流量计。按照气体流量的输出类型又可以简单分为气体体积流量计和气体质量流量计。由于气体的体积是
温度和压
力的函数，并受介质温度、压力的影响，因此气体体积流量的测量
精度往往不高；而气体的质量不随时间、温度、压力变化而变化，所以气体质量流量的测量结果比较准确。但是在一些实际应用中，往往需要的是高精度的气体体积流量。
[0003] 热式气体质量流量计是一种常见的质量流量计，它的工作原理是基于加热元件在气体流动中的热传递。气体流过加热元件时，加热元件散失的热量与气体流量和
环境温度有关。目前使用的热式质量流量计大多是保持加热元件表面温度恒定，根据
电流的变化来得到气体的流量，被称为恒温式热式质量流量计。
[0004] 传统的恒温式质量流量计的
电路结构如图1所示，包括一个流速
探头和一个
温度探头，分布在惠思顿电桥的两臂，通过差分模拟电路的反馈改变电桥中的电流实现流速探头的温度恒定。温度探头用于
对流体介质的温度进行补偿，避免流量测量结果在流量恒定时受气体温度的影响。恒温型质量流量计的测量电路具有易于使用，
频率响应高，低噪声等一系列优点，因此使用广泛。但在
汽车等应用领域中，热式流量计的响应速度仍不能满足要求，需要进一步改善。
[0005] 传统的热式流量计在动态性能方面主要存在以下问题：一是采用差分模拟电路实现电流反馈，差分反馈量易受外界因素干扰，常出现反馈电流量太多、太少的情况，从而使得电桥达到平衡的时间由于多次反馈而变长；二是温度探头使用的温度补偿铂
电阻RS阻值较大，在电桥重新平衡过程中，通过温度补偿电阻RS的电流变化量远小于通过测量铂电阻RH的电流变化量，两者的
电压差值较小，电桥的响应速度慢，动态性能较差。
发明内容
[0006] 针对
现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种双反馈气体流量传感器，通过气体质量流量的测量方法获得气体的体积流量，并根据管道内的气压修正得到实际工况下高精度的体积流量值，在反馈回路中使用微处理单元避免单一差分模拟电路易受外界干扰、响应速度慢的缺点，并额外增加一条反馈回路增大电桥平衡过程中温度补偿元件的电压，改善传感器的动态性能，测量精度高。
[0007] 一种双反馈气体流量传感器，包括：
[0008] 气流探头，用于采集气体管道内气体的流量
信号和压强信号，其包括安装于气体管道内的测量电阻、温度补偿电阻和压强感应元件；其中，测量电阻电压即为流量信号，压强感应元件输出所述的压强信号；
[0009] 差分放大电路，用于对测量电阻电压和温度补偿电阻电压进行差分放大，得到差分放大信号；
[0010] 调理电路，用于对所述的压强信号进行调理整形；
[0011] 补偿电路，其与测量电阻和温度补偿电阻相连以共同形成惠思顿电桥，用于对测量电阻电压进行温度补偿；
[0012]
控制器，用于根据所述的差分放大信号构造出两路PWM信号，进而根据补偿后的测量电阻电压以及调理整形后的压强信号，计算出气体管道内的气体流量；
[0013] 功率放大电路，用于对两路PWM信号进行功率放大后以驱动控制所述的补偿电路。
[0014] 所述的测量电阻和温度补偿电阻均采用铂电阻。所述的控制器采用
微处理器。
[0015] 所述的补偿电路包括两个
三极管Q1～Q2和三个电阻R1～R3；其中，三极管Q1的集
电极与电阻R1的一端和三极管Q2的集电极相连并接
电源电压VCC，三极管Q1的发射极与电阻R2的一端和温度补偿电阻的一端相连，温度补偿电阻的另一端接地，三极管Q2的发射极与电阻R1的另一端、电阻R2的另一端和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与测量电阻的一端相连，测量电阻的另一端接地；两个三极管Q1～Q2的基极分别接收两路经功率放大后的PWM信号。
[0016] 所述的控制器根据以下算式计算气体管道内的气体流量：
[0017]
[0018] 其中：a=PnTw/PwTn，Pn和Tn分别为当前管道内气体的压强和温度，Pw和Tw分别为该气体在设定工况下所对应的压强和温度，ρn为设定工况下该气体的
密度，A和B均为预设的经验常数，β为测量电阻的温度系数，TH为测量电阻的表面温度，UH为补偿后的测量电阻电压，RH0为0℃下测量电阻的阻值。
[0019] 所述的控制器根据以下控制策略确定PWM信号S1的占空比，进而构造并输出PWM信号S1以对三极管Q1进行控制：
[0020] 当管道内没有气体流过时，则|e(t)|≤τ，α1(t)=α；
[0021] 当管道内有气体流过时，若|e(t)-e(t-1)|≤τ，则α1(t)=α1(t-1)；若|e(t)-e(t-1)|＞τ，则α1(t)=η*iQ1(t)+α；
[0022] 其中：e(t)和e(t-1)分别为当前时刻和前一时刻差分放大信号的信号值，α1(t)和α1(t-1)分别为当前时刻和前一时刻PWM信号S1的占空比，α为预设的占空比(其略大于0)，η为预设的比例系数，τ为预设的精度系数，iQ1(t)为当前时刻三极管Q1发射极的电流。
[0023] 所述的电流iQ1(t)基于以下算式求得：
[0024]
[0025] 其中：iQ1(t-1)为上一时刻三极管Q1发射极的电流，T为
采样周期，T5和T6均为预设的超前
相位补偿参数。
[0026] 所述的控制器根据以下控制策略确定PWM信号S2的占空比，进而构造并输出PWM信号S2以对三极管Q2进行控制：
[0027] 当管道内没有气体流过时，则|e(t)|≤τ，α2(t)=α；
[0028] 当管道内有气体流过时，若|e(t)-e(t-1)|≤τ，则α2(t)=α2(t-1)；若|e(t)-e(t-1)|＞τ，则α2(t)=ω*iQ2(t)+α；
[0029] 其中：e(t)和e(t-1)分别为当前时刻和前一时刻差分放大信号的信号值，α2(t)和α2(t-1)分别为当前时刻和前一时刻PWM信号S2的占空比，α为预设的占空比(其略大于0)，ω为预设的比例系数，τ为预设的精度系数，iQ2(t)为当前时刻三极管Q2发射极的电流。
[0030] 所述的电流iQ2(t)基于以下算式求得：
[0031]
[0032] 其中：iQ2(t-1)为上一时刻三极管Q2发射极的电流，T为采样周期，T3和T4均为预设的超前相位补偿参数。
[0033] 本发明中补偿电路的电阻R2、R3与气流探头的测量电阻、温度补偿电阻共同构成惠思顿电桥，补偿了环境温度对测量结果的影响，保证气体流量的测量与环境温度无关。
[0034] 当管道内没有气流流过时，惠思顿电桥达到平衡，各元件电压值稳定，差分放大电路的输出结果为零。两个三极管基极没有电流输入，处于关闭状态，两条反馈回路都无反馈量。当管道内有气流流过时，气流与测量电阻RH之间的热传递改变，RH的表面温度降低，RH的电压减小，差分放大电路对RH和温度补偿电阻RS的差分结果不为零，两条反馈回路开始导通，功率放大电路输出对应的电流给三极管Q1和Q2的基极，增大RH的功率和流过的电流。当气流带走的热量与RH功率平衡时，RH表面温度保持稳定，此时的电压值被微处理单元处理得到气体体积流量，并输出至外部设备显示。当管道内气流再次变为0时，在反馈回路作用下，惠思顿电桥恢复最初的平衡，RH的温度也恢复初始温度。
[0035] 三极管Q2导通后增大通过RH的电流，增大了RH自身的功率，使RH的产热功率与气流带走的热量达到平衡，RH表面温度保持稳定。当气流再次变为0时，在三极管Q2的导通电流作用下，RH恢复到初始的表面温度，电桥重新达到平衡，差分结果再次为零。
[0036] 三极管Q1导通后增大通过温度补偿铂电阻RS的电流。为了提高传感器的灵敏度，要求有气流流过时RH的表面温度迅速稳定，没有气流时电桥能够迅速恢复平衡。因此，三极管Q1的电流用于增大RS的电压，进而可增大有气流流过时RS与RH的电压差，从而提高Q2的集电极电流，缩短RH达到稳定状态和电桥恢复平衡的时间，改善
气体传感器的动态性能。
[0037] 故本发明具有以下有益效果：
[0038] （1）本发明使用控制器输出两路PWM波给功率放大电路进而调控反馈电流的大小，而不是直接利用差分模拟电路进行电流的反馈，在控制器中设置相应的控制
算法输出合适的反馈量，避免了模拟电路反馈量过大或过小、多次反馈、响应速度慢的缺点，有助于实现电桥的快速平衡，极大地改善了传感器的动态性能。
[0039] （2）本发明为了改善传统的热式流量计中补偿元件阻值远大于测量元件而造成得动态响应速度慢的缺点，额外增加一条与补偿元件相连的反馈回路，增大电桥平衡过程中补偿元件的电压，从而实现在气流流过时RH表面温度的快速稳定和无气流时电桥平衡的迅速恢复，提高了动态响应速度。
[0040] （3）本发明使用测量气体质量流量的方法得到气体的体积流量，并根据管道内的气体压强对体积流量进行实时修正，从而得到实际工况下精确的气体体积流量值，消除了因为气压变化造成的测量误差，满足工业生产测量对体积流量计的精度要求。
附图说明
[0041] 图1为传统热式气体质量流量计的结构示意图。
[0042] 图2为本发明双反馈气体流量传感器的结构示意图。
[0043] 图3是差分放大电路的电路原理图。
具体实施方式
[0044] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案以及相关工作原理进行详细说明。
[0045] 如图2所示，一种双反馈气体流量传感器，包括：气流探头1、差分放大电路2、调理电路3、控制器4、第一功率放大电路5、第二功率放大电路6和补偿电路7。
[0046] 气流探头1集成测量铂电阻RH、温度补偿铂电阻RS和气体压强感应元件1a，用于同时检测管道内气体的流量和压强；其中，测量铂电阻RH和温度补偿铂电阻RS的电压分别输送到差分放大电路2的正负输入端，气体压强感应元件1a的输出端与调理电路3相连，测量铂电阻RH的电压也输送到控制器4。
[0047] 差分放大电路2的输出端与控制器4相连，其中差分放大电路2用于对测量铂电阻RH和温度补偿铂电阻RS的电压进行差分放大。
[0048] 调理电路3的输出端与控制器4相连，其中调理电路3用于对气体压强感应元件1a的测量结果进行处理，输出相应的电压信号。
[0049] 控制器4输送两路PWM波到第一功率放大电路5和第二功率放大电路6，并且处理得到的气体体积流量可输送到外部设备显示。
[0050] 第一功率放大电路5的输出端与补偿电路7中的三极管Q1的基极相连。
[0051] 第二功率放电电路6的输出端与补偿电路7中的三极管Q2的基极相连。
[0052] 其中第一功率放大电路5和第二功率放大电路6用于将两路PWM波转换为对应的电流信号并输出。
[0053] 补偿电路7包括两个三极管Q1和Q2和三个电阻R1、R2、R3，其中电阻R2和R3与气流探头中的测量铂电阻RH和温度补偿铂电阻RS构成惠思顿电桥。
[0054] 三极管Q1的发射极直接与温度补偿铂电阻RS相连；
[0055] 三极管Q2的发射极与惠思顿电桥一端相连；
[0056] 控制器4是内置多通道AD转换模
块的微处理器。多通道A/D
数模转换模块可以对
输入信号进行同时多次的采样；微处理器可以选择TMS320F28335，该微处理器传输处理数据速度快，可以对大量的采样数据进行高速处理并传输。
[0057] 如图3所示，差分放大电路2由两个
运算放大器L1和L2以及七个电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10构成。输入信号V1和V2分别是测量铂电阻RH和温度补偿铂电阻RS的电压，V3指差分结果，V4指差分放大电路2输出到
中央处理器4的信号。运放L1和电阻R4、R5、R6、R7构成差分部分，若四个电阻阻值相等，则V3=V1-V2。运放L2和电阻R8、R9、R10构成放大部分[0058] 当气体管道内没有气流流过时，电桥平衡，测量铂电阻RH和温度补偿铂电阻RS的电压差e(t)近似为零；当气体管道内有气流流过时，测量铂电阻RH表面温度降低造成电压减小，两条反馈回路导通，e(t)经过控制器后输出两路PWM。PWM2经第二功率放大电路到三极管Q2，增大通过惠思顿电桥的电流，主要是增大通过RH的电流，从而使RH的功率增大，气流带走的热量与RH的产热功率达到平衡，RH表面温度保持稳定，当气流再次为0时，电桥恢复到初始的平衡状态。PWM1经第一功率放大电路到三极管Q1，主要是增大通过RS的电流，从而扩大e(t)，使得在RH阻值改变的瞬间，Q2的发射极电流较大，提高气流传感器的灵敏度。
[0059] 传统的恒温式质量流量计采用差分模拟电路实现电流反馈，每次的差分反馈量不定，常出现反馈电流量太多、太少的情况，从而使得RH温度达到稳定状态或电桥达到新平衡的时间由于多次反馈而变长。此外，温度探头使用的温度补偿铂电阻RS阻值较大，在电桥重新平衡过程中，通过温度补偿电阻RS的电流变化量远小于通过测量铂电阻RH的电流变化量，电桥的响应速度变慢，动态性能变差。本发明使用控制器计算得到PWM波，保证反馈量合适，避免多次反馈的情况，并额外增加一条与温度补偿铂电阻RS相连的反馈回路，用于增大平衡过程中RS的电流变化量。
[0060] 其中，PWM2的恒温控制策略如下：
[0061] 当气体流量恒定时，测量铂电阻在
工作温度TH下的动态方程为：
[0062]
[0063] 式中：c为测量铂电阻的
比热，m为测量铂电阻的质量，L为
过热比，与当前流量有关， 为工作温度TH下测量铂电阻的阻值， 为工作温度TH下测量铂电阻的电流，以上各参数为恒值。rH为测量铂电阻阻值变化量，iH为通过测量铂电阻的电流变化量。
[0064] 由于温度补偿铂电阻RS远大于测量铂电阻RH，因此三极管Q2的发射极电流i近似等于RH的电流变化量iH。
[0065] 测量铂电阻RH的电压UH满足：
[0066]
[0067]
[0068] 式中：UH、IH、RH分别为测量铂电阻的电压、电流和电阻，uH为电压变化量， 为工作温度TH下测量铂电阻的电压，为恒值。
[0069] 将式（2）和式（3）代入式（1）得：
[0070]
[0071] 对式（4）进行拉普拉斯变换得到：
[0072]
[0073] 式中：
[0074] 增加控制器Gc2(s)进行超前相位补偿，控制器输出的电流iH由PWM2的占空比实现。Gc2(s)传递函数如下：
[0075]
[0076] 式中，e(s)为温度补偿铂电阻RS与测量铂电阻RH的电压差的拉式变换。
[0077] 式（6）化为微分方程为：
[0078]
[0079] 式（7）的差分表示形式如下：
[0080]
[0081] 式中：T为采样周期，iH(t)和iH(t-1)为t和(t-1)时刻三极管Q2发射极的电流，e(t)和e(t-1)分别为t和(t-1)时刻RS与RH的电压差值。
[0082] 式（8）可变化得到：
[0083]
[0084] 当气体管道没有气流流过时，电桥平衡，|e(0)|≤τ，e(t)近似为0，PWM2的占空比α2(0)=α20，α20略大于0；
[0085] 当气体管道内有气流流过时，测量铂电阻RH电压降低，|e(t)|≥τ。
[0086] 若e(t)-e(t-1)≤τ，则α2(t)=α2(t-1)；
[0087] 若e(t)-e(t-1)>τ，则由公式（9）得到三极管Q2发射极应流通的电流iH(t)，PWM2的占空比α2(t)满足如下式：
[0088] α2(t)=ω·iH(t)+α20 （10）式中：ω为比例系数，τ与控制精度有关。
[0089] 改变iH直至满足|e(t)-e(t-1）|≤τ或者电桥平衡为止即|e(t)|≤τ。
[0090] PWM1的控制策略如下：
[0091] 温度补偿铂电阻RS的动态方程如下：
[0092] ΔuS(t)=iQ1(t)·[R1//(R3+RH)+R2]//RS （11）
[0093] 考虑到电路中RS一臂的电阻要远大于RH一臂的电阻，因此式（11）可简化为：
[0094]
[0095] 对式（12）进行拉式变化得到：
[0096]
[0097] 式中：K2=RS/2。
[0098] 增加控制器Gc1(s)进行超前相位补偿，控制器输出的电流iQ1由PWM1的占空比实现。Gc1(s)传递函数如下：
[0099]
[0100] 用差分表示可以得到：
[0101]
[0102] 式中：iQ1(t)和iQ1(t-1)为t和(t-1)时刻三极管Q1发射极的电流。
[0103] 当气体管道没有气流流过时，电桥平衡，|e(0)|≤τ，e(0)近似为0，PWM1的占空比α1(0)=α10，α10略大于0；
[0104] 当气体管道内有气流流过时，测量铂电阻RH电压降低，|e(t)|≥τ。
[0105] 若|e(t)-e(t-1)|≤τ，则α1(t)=α1(t-1)；
[0106] 若|e(t)-e(t-1)|>τ，则由公式（15）得到三极管Q1发射极应流通的电流iQ1(t)，PWM1的占空比α1(t)满足如下式：
[0107] α1(t)=η·iQ1(t)+α10 （16）式中：η为比例系数，τ与控制精度有关。
[0108] iQ1对电桥的影响要小于iH对电桥的影响，所以iQ1要满足如下式：
[0109]
[0110] 式中： 为在工作温度TH下温度补偿铂电阻RS的电流，为恒值。
[0111] 改变iQ1直至满足e(t)≤τ或者电桥平衡为止即|e(t)|≤τ。
[0112] 由于管道内气体实际的工况压强与设定压强之间存在较大差异，且在测量过程中气压的
波动也会对输出的结果有影响，因此需要对测量值进行压强修正，从而得到工况下实际的气体体积流量。
[0113] 管道内测量的气体压强对测量值的修正如下：
[0114] 在气体流量测量中，气流与加热元件之间传递的热量主要指强迫对流
传热所产生的热交换，因此传递的热量Q可表示为：
[0115] Q=hAS(TH-Tr) （18）式中：Q为气流与测量铂电阻之间热交换的热量，h为强迫对流平均
传热系数，AS为探头的表面积，TH为测量铂电阻的表面温度(℃)，Tr为气流的温度(℃)。
[0116] 测量铂电阻保持恒温，因此其电功率与流动气体对流换热带走的热量相等：
[0117]
[0118] 式中：UH为测量铂电阻的电压，RH为测量铂电阻的阻值。
[0119] hAS可表示为：
[0120] hAS=A+B(qm)1/（2 20）式中：A，B为经验常数，可通过实验来测定，qm为气流的质量流量。
[0121] 由式（19）和（20）可得：
[0122]
[0123] 铂电阻的阻值RH与表面温度TH有关，可表示为：
[0124] RH=RH0(1+βTH（) 22）式中：RH0为0℃下铂电阻的阻值，β为铂电阻的温度系数。
[0125] 气流传感器处于恒温工作模式，铂电阻阻值RH与表面温度TH是常数，因此气体质量流量qm只与气流温度Tr和铂电阻电压UH有关，当气流温度稳定时，qm是UH的单值函数。
[0126] 设定工况下的气体体积流量可表示为：
[0127]
[0128] 式中：ρn为设定工况下的气体密度。
[0129] 在实际工况中，由于气体压强的原因气体密度与设定工况不同，可以通过理想气体
状态方程进行修正：
[0130]
[0131] 式中：ρw为实际工况下的气体密度，Pn、Tn和Pw、Tw分别为实际工况和设定工况下的气体压强和温度，a为修正系数。
[0132] 由式（23）和（24）可以得到修正过后实际的气体体积流量与之间的关系：
[0133]
[0134] 可以从测量铂电阻的
输出电压直接得到修正过后实际的气体体积流量。
