[发明专利]一种纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计及其标定方法

权利要求书

1.一种纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计，其特征在于：纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计由传感器和变送器组成；

所述的传感器由两个精确匹配的PT1000铂电阻温度传感器、一个OCr₂₁Al₆合金加热元件和一个质量均衡器构成，其中，一个铂电阻温度传感器用于测量加热元件的表面温度，称为测速元件，另一个铂电阻温度传感器用于测量流体温度，称为测温元件，测温元件和质量均衡器封装在一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测温探头，测速元件和加热元件封装在另一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测速探头；

所述的变送器由恒流源电路、信号调理电路、非线性校正电路、4-20mA电流输出电路以及电源电路组成；

所述的恒流源电路包括两路1mA驱动电流源和一路75mA加热电流源，其中，两路1mA驱动电流源负责驱动测速元件和测温元件产生电压信号；75mA加热电流源负责给加热元件以恒功率加热，使得测速元件和测温元件产生温差；

所述的信号调理电路包括差分放大电路和低通滤波电路，其中，差分放大电路负责将测速元件和测温元件两端的电压进行差分后放大，低通滤波电路滤除放大后电压信号中的高频干扰；

所述的非线性校正电路包括模拟倒数、减法运算电路、电压分段电路、模拟幂运算电路以及隔离输出电路；非线性校正电路将经过信号调理电路输出的电压信号进行一系列模拟运算，从而得到与流量成线性关系的电压信号；

所述的4-20mA电流输出电路将经过非线性校正电路校正后输出的电压信号转化为与流量成对应关系的电流信号，并进行输出；

所述的电源电路包括24V转±15V电路、24V转+10V电路以及24V转±5V电路； 其中，24V负责给75mA加热电流源供电；±15V负责给非线性校正电路和4-20mA电流输出电路供电，+10V负责给1mA驱动电流源供电；±5V负责给1mA驱动电流源、信号调理电路以及非线性校正电路供电；

标定方法步骤为：

1)测量0m³/h流量下模拟倒数电路的输出电压D；

2)将减法运算电路的被减值设为D；

3)测量各个标准流量下信号调理电路的输出电压；

4)确定流量区间的分段及各区间最佳幂值m；

5)根据流量区间的分段结果设置电压分段电路的门限电压值；

6)将模拟幂运算电路的幂值设置为个流量区间内的最佳幂值；

7)调节4-20mA电流输出电路的参数；

所述的第4)步可进一步分为：

(1)将标准流量及各流量下对应信号调理电路的输出电压依次两两代入公式求出一个m值数组；

式中，U₁和U₂分别为不同的气体流量，D为模拟倒数电路的输出电压；

(2)找出m值数组中的最大值m_max；

(3)用公式处理各流量点信号调理电路的输出电压，实现非线性校正，式中，e是信号调理电路的输出电压；

(4)连接最大流量点处校正后的输出电压与(0,0)，并将连线记为标准线；

(5)除了最大流量点，判断其他流量点校正后的电压是否在标准线两侧，可能会出现两种情况：

(a)若除了最大流量点，其他流量点校正后的电压在标准线两侧，则将标准线上方的流量点设为一个流量区间；

(b)若除了最大流量点，其他流量点校正后的电压不在标准线两侧，则减小其他流量点处校正的幂值，即用(1/e-D)^m处理其他流量点信号调理电路的输出电压，mm_max，直到校正后的电压分布在标准线两侧；

(6)调节幂值m，使得各流量点校正后的电压尽可能落在标准线上，调节幂值的准则是：流量小的区间的幂值小于流量大的区间的幂值；

(7)判断设置两个幂值后各流量点校正后的电压是否都落在标准线上，会出现两种情况：

(a)若设置两个幂值后各流量点校正后的电压都落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

(b)若设置两个幂值后各流量点校正后的电压不都落在标准线上，则将不在标准线上的流量点划入另一个流量区间，判断经过另一个流量区间的幂值处理后能否落在标准线上，此时，分为两种情况：

(i)若经过另一个流量区间的幂值处理后能使得原本不落在标准线上的电压落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

(ii)若经过另一个流量区间的幂值处理后不能使得原本不落在标准线上的电压落在标准线上，则将不在标准线上的流量点作为新的流量区间，重新设置幂值，判断设置新的幂值后的流量区间校正后的电压是否都落在标准线上，会出现两种情况：

①设置新的幂值后的流量区间校正后的电压都落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

②设置新的幂值后的流量区间校正后的电压不都落在标准线上，则微调步骤(2)中设置的最大幂值m_max，即改变流量与校正后电压的之间线性关系，再重复步骤(3)-(7)直至完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定。

2.根据权利要求1所述的一种纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计，其特征在于：

根据热力学原理和金氏定理，结合了传感器结构和变送器电路，非线性校正电路的传递函数为：

式中，C为常数；

针对传感器受到制作工艺、铂电阻散热能力以及环境温度因素的影响，而使得一个单一的幂值m无法将整个流量区间信号调理电路的输出电压线性化的问题，提出将流量区间分段，并在不同的流量区间设置不同的幂值。