引线电阻消除电路及热式质量流量计

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，特别是涉及一种引线电阻消除电路及热式质量流量计。

背景技术

热式气体质量流量计可以直接测量被测气体介质质量流量相比于气体超声波省去了温度、压力补偿环节，节约了成本。它的基本原理是采用两只铂电阻作为传感器核心元件，其中一只铂电阻用来测量介质温度，另一只铂电阻是加热电阻，流过两铂电阻的气体质量流量符合金氏定律：P/△θ＝K

而在实际测量中，一般采用电桥电路测量两铂电阻间的电压差值，为提高响应速度，加热铂电阻的阻值都比较小，一般为10Ω～20Ω，对于分体式流量计，传感器引线可长达30余米，引线电阻达到5Ω，如果不消除引线电阻会引入很大的测量误差，严重影响测量精度。传统的三线制铂电阻测量电路是用恒流源驱动铂电阻，分别测量铂电阻电压和引线电阻上的电压，然后分别送入AD转换器不同采样通道，计算两通道采样差值得到铂电阻电压，该电压除以恒流源值得到铂电阻的阻值，该方法需要采用AD转换器，再由微处理器采样计算，时间较长，对于要求响应时间很短的热式质量流量计不适用，因此有必要设计硬件电路以消除铂电阻(传感器)的引线电阻。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种引线电阻消除的技术方案，用于解决上述技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种引线电阻消除电路，用于热式质量流量计中传感器引线电阻的消除，所述传感器包括第一热电阻、第二热电阻、第一引线电阻和第二引线电阻，所述引线电阻消除电路包括：电桥电路和反馈电路；

所述电桥电路包括并联设置的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂的一端接恒流源、另一端接地，沿着所述恒流源到地的方向，所述第一桥臂至少包括依次串联的所述第一引线电阻、第一热电阻和第二引线电阻，所述第二桥臂至少包括依次串联的所述第二热电阻、第一电阻和第二电阻；

在所述第一引线电阻靠近所述恒流源的一端设有第一检测点，在所述第二热电阻靠近所述恒流源的一端设有第二检测点；

所述第一热电阻远离所述恒流源的一端接所述反馈电路，所述第一电阻远离所述恒流源的一端接所述反馈电路，所述反馈电路对电位进行反馈限定。

可选地，所述第一引线电阻的阻值和所述第二引线电阻的阻值相等，所述第一电阻的阻值和所述第二电阻的阻值相等。

可选地，所述第一桥臂还包括第三电阻，所述第三电阻、第一引线电阻、第一热电阻和第二引线电阻沿着所述恒流源到地的方向依次串联，所述第一检测点设在所述第三电阻与所述第一引线电阻的公共端上。

可选地，所述第二桥臂还包括第四电阻和第五电阻，所述第四电阻、第五电阻、第二热电阻、第一电阻和第二电阻沿着所述恒流源到地的方向依次串联，所述第二检测点设在所述第四电阻与所述第五电阻的公共端上。

可选地，所述传感器还包括第三引线电阻，所述反馈电路包括运算放大器、第六电阻和第七电阻；所述第三引线电阻的一端接所述第一热电阻和所述第二引线电阻的公共端，所述第三引线电阻的另一端经所述第六电阻后接地；所述第七电阻的一端接所述第三引线电阻和所述第六电阻的公共端，所述第七电阻的另一端接所述运算放大器的同相输入端；所述运算放大器的反相输入端接所述第一电阻和所述第二电阻的公共端。

可选地，所述反馈电路还包括第八电阻和PNP型三极管，所述运算放大器的输出端经所述第八电阻后接所述PNP型三极管的基极，所述PNP型三极管的集电极接负电源，所述PNP型三极管的发射极接所述第二热电阻与所述第一电阻的公共端。

可选地，所述运算放大器包括双电源运算放大器，所述双电源运算放大器的正电源引脚接正电源，所述双电源运算放大器的负电源引脚接所述负电源。

可选地，所述反馈电路还包括单向瞬态抑制二极管，所述单向瞬态抑制二极管的正极接所述负电源，所述单向瞬态抑制二极管的负极所述第二热电阻与所述第一电阻的公共端。

可选地，所述引线电阻消除电路还包括第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容及第七电容；所述第一电容一端接地，另一端接所述第一电阻和所述第二热电阻的公共端；所述第二电容一端接所述第一电阻和所述第二电阻的公共端，另一端接所述第一电阻和所述第二热电阻的公共端；所述第三电容一端接所述第一电阻和所述第二电阻的公共端，另一端接所述运算放大器的输出端；所述第四电容一端接所述正电源，另一端接地；所述第五电容一端接所述负电源，另一端接地；所述第六电容一端接所述运算放大器的同相输入端，另一端接地；所述第七电容一端接所述第六电阻和所述第七电阻的公共端，另一端接地。

此外，为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种热式质量流量计，所述热式质量流量计包括上述任意一项所述的引线电阻消除电路，所述热式质量流量计还包括恒压恒流控制芯片、增益电路和反相比例电路，所述恒压恒流控制芯片作为所述恒流源，所述恒压恒流控制芯片的输出端对外输出恒定电流，所述增益电路的两个输入端分别接所述第一检测点和第二检测点，所述增益电路的输出端接所述反相比例电路的输入端，所述反相比例电路的输出端接所述恒压恒流控制芯片的输入端。

如上所述，本发明的引线电阻消除电路，具有以下有益效果：

通过恒流源供电的电桥电路将热式质量流量计传感器中的两个热电阻(包括热电阻两端的引线电阻)分别串入电桥的两条不同桥臂中，再结合反馈电路对两条桥臂的各点电位进行反馈限定，并通过对桥臂中串入的其它电阻的阻值的调整，能有效消除热电阻两端的引线电阻对体现温差的电压信号的影响，极大地提高了传感器及热式质量流量计的响应速度。

附图说明

图1显示为本发明实施例中带引线电阻消除电路的热式质量流量计的传感器电路图。

附图标记说明

C1 第一电容

C2 第二电容

C3 第三电容

C4 第四电容

C5 第五电容

C6 第六电容

C7 第七电容

R1 第一电阻

R2 第二电阻

R3 第三电阻

R4 第四电阻

R5 第五电阻

R6 第六电阻

R7 第七电阻

R8 第八电阻

RL1 第一引线电阻

RL2 第二引线电阻

RL3 第三引线电阻

RT1 第一热电阻

RT2 第二热电阻

Q1 PNP型三极管

TVS1 单向瞬态抑制二极管

U1 运算放大器

VDD 正电源

VEE 负电源

I1 第一桥臂上流过的电流

I2 第二桥臂上流过的电流

V1 第一检测点电位

V2 第二检测点电位

V3 第一电阻和第二热电阻的公共端电位

1 运算放大器的输出端

2 运算放大器的反相输入端

3 运算放大器的同相输入端

4 运算放大器的负电源引脚

8 运算放大器的正电源引脚

具体实施方式

如前述在背景技术中所提及的，在现有热式质量流量计中，测速的铂电阻阻值一般在10Ω左右，此时，无论是分体式结构还是一体式结构，铂电阻(热电阻)的引线电阻都不能忽略；传统的三线制测量采用两个AD采样通道，计算两通道电阻的差值作为有效信号；该方法需需要经过AD采样保持、AD转换、单片机读取、滤波等一系列过程，结构复杂且响应时间比较长。因此，有必要设计一种引线电阻消除电路以消除引线电阻对热式质量流量计传感器的影响，并提高其响应时间。

基于此，本发明提出一种引线电阻消除技术方案：首先，将热式质量流量计传感器中的第一热电阻(不限于铂电阻)及其两端的引线电阻串入电桥的第一桥臂，将热式质量流量计传感器中的第二热电阻(不限于铂电阻)串入电桥的第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂并联，且第一桥臂一端接恒流源、另一端接地；其次，在第一桥臂与第二桥臂之间引入反馈电路(如运算放大器构成的反馈电路)，对第一桥臂和第二桥臂上的各点的电位进行反馈限定；最后，在第一桥臂和第二桥臂上各找一个合适的检测点，两个检测点之间的电位差值即为传感器体现温差的电压信号，对第一桥臂或第二桥臂中串入的其它电阻的阻值进行调整，就能消除第一热电阻两端的引线电阻对测量结果的影响。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的电子元器件而非按照实际实施时的元器件型态、数目及布局而绘制，其实际实施时各电子元器件的型态、数量及布局可为一种随意的改变，且其布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的电子元器件的结构形态、数量及布局等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构电子元器件的修饰或简单增减，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“靠近”、“远离”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

于本实施例中，如图1所示，本发明提供一种引线电阻消除电路，用于热式质量流量计中传感器引线电阻的消除，传感器包括第一热电阻RT1、第二热电阻RT2、第一引线电阻RL1和第二引线电阻RL2，该引线电阻消除电路包括：电桥电路和反馈电路；

电桥电路包括并联设置的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂的一端接恒流源、另一端接地，沿着恒流源到地的方向，第一桥臂至少包括依次串联的第一引线电阻RL1、第一热电阻和RT1第二引线电阻RL2，第二桥臂至少包括依次串联的第二热电阻RT2、第一电阻R1和第二电阻R2；

在第一引线电阻RL1靠近恒流源的一端设有第一检测点，在第二热电阻RT2靠近恒流源的一端设有第二检测点；

第一热电阻RT1远离恒流源的一端接反馈电路，第一电阻R1远离恒流源的一端接反馈电路，反馈电路对第一桥臂和第二桥臂上各点的电位进行反馈限定。

其中，流过第一桥臂的电流为I1，流过第二桥臂的电流为I2；第一引线电阻RL1的阻值和第二引线电阻RL2的阻值相等，第一电阻R1的阻值和第二电阻R2的阻值相等。

详细地，如图1所示，第一桥臂还包括第三电阻R3，第三电阻R3、第一引线电阻RL1、第一热电阻RT1和第二引线电阻RL2沿着恒流源到地的方向依次串联，第一检测点设在第三电阻R3与所述第一引线电阻RL1的公共端上。

详细地，如图1所示，第二桥臂还包括第四电阻R4和第五电阻R5，第四电阻R4、第五电阻R5、第二热电阻RT2、第一电阻R1和第二电阻R2沿着恒流源到地的方向依次串联，第二检测点设在第四电阻R4与第五电阻R5的公共端上。

详细地，如图1所示，传感器还包括第三引线电阻RL3，反馈电路包括运算放大器U1、第六电阻R6和第七电阻R7；第三引线电阻RL3的一端接第一热电阻RT1和第二引线电阻RL2的公共端，第三引线电阻RL3的另一端经第六电阻R6后接地；第七电阻R7的一端接第三引线电阻RL3和第六电阻R6的公共端，第七电阻R7的另一端接运算放大器U1的同相输入端3；运算放大器U1的反相输入端2接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端。

更详细地，如图1所示，反馈电路还包括第八电阻R8和PNP型三极管Q1，运算放大器U1的输出端1经第八电阻R8后接PNP型三极管Q1的基极，PNP型三极管Q1的集电极接负电源VEE，PNP型三极管Q1的发射极接第二热电阻RT2与第一电阻R1的公共端。

可选地，运算放大器U1包括双电源运算放大器，其正电源引脚8接正电源VDD，其负电源引脚4接负电源VEE。

其中，正电源VDD可提供+15V的电压，负电源VEE可提供-5V的电压，根据实际条件和需求进行灵活选择。

可选地，如图1所示，反馈电路还包括单向瞬态抑制二极管TVS1，单向瞬态抑制二极管TVS1的正极接负电源VEE，单向瞬态抑制二极管TVS1的负极第二热电阻RT2与第一电阻R1的公共端。通过单向瞬态抑制二极管TVS1对PNP型三极管Q1进行保护，使得PNP型三极管Q1免受各种浪涌脉冲的损坏。

可选地，如图1所示，引线电阻消除电路还包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6及第七电容C7；第一电容C1一端接地，另一端接第一电阻R1和第二热电阻RT2的公共端；第二电容C2一端接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端，另一端接第一电阻R1和第二热电阻RT2的公共端；第三电容C3一端接第一电阻R1和第二电阻R2的公共端，另一端接运算放大器U1的输出端1；第四电容C4一端接正电源VDD，另一端接地；第五电容C5一端接负电源VEE，另一端接地；第六电容C6一端接运算放大器U1的同相输入端3，另一端接地；第七电容C7一端接第六电阻R6和第七电阻R7的公共端，另一端接地。

于本实施例中，如图1所示，第一检测点的电位V1与第二检测点的电位V2之间的差值即为传感器中体现温差的电压信号；具体地，该引线电阻消除电路的工作原理如下：

1)、当电路稳定时，根据“虚断”原则，运算放大器U1的同相输入端3和反相输入端2的电流均为零，运算放大器U1的同相输入端3的电位即为第三引线电阻RL3和第六电阻R6的公共端电位；而在实际应用中第三引线电阻RL3的阻值很小(0.1Ω数量级)，第六电阻R6的阻值很大(100kΩ数量级)，故第三引线电阻RL3和第六电阻R6的公共端电位近似为第一热电阻RT1和第二引线电阻RL2之间的公共端电位，即运算放大器U1的同相输入端3的电位近似为第一热电阻RT1和第二引线电阻RL2之间的公共端电位，其值为I1*RL2；

2)、当电路稳定时，根据“虚短”原则，运算放大器U1的同相输入端3和反相输入端2的电位相等，故第一电阻R1和第二电阻R2的公共端电位等于I1*RL2；此外，由于第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相等(即R1＝R2)，且二者流过相同大小的电流I2，则第一电阻R1和第二热电阻RT2的公共端电位V3＝2*I1*RL2；

3)、根据电路可知，第一检测点的电位V1＝I1*(RL1+RT1+RL2)，第二检测点的电位V2＝V3+I2*(R5+RT2)；同时，第一引线电阻RL1的阻值和第二引线电阻RL2的阻值相等，即RL1＝RL2；

4)、联立上述等式，并进行计算

V3＝2*I1*RL2 (1)

V1＝I1*(RL1+RT1+RL2) (2)

V2＝V3+I2*(R5+RT2) (3)

RL1＝RL2 (4)

由等式(1)～(4)计算得出：V1-V2＝I1*RT1-I2*(R5+RT2)，可见，传感器中体现温差的电压信号的电压值与第一热电阻RT1两端的引线电阻(第一引线电阻RL1、第二引线电阻RL2或第三引线电阻RL3)的阻值无关，从而有效消除了第一引线电阻RL1、第二引线电阻RL2或第三引线电阻RL3对测量结果的影响，极大地提高了热式质量流量计中传感器的响应速度。

此外，于本实施例中，如图1所示，本发明还提供一种热式质量流量计，该热式质量流量计包括上述引线电阻消除电路，该热式质量流量计还包括恒压恒流控制芯片、增益电路和反相比例电路，恒压恒流控制芯片作为受控恒流源，恒压恒流控制芯片的输出端对外输出恒定电流，增益电路的两个输入端分别接第一检测点和第二检测点，增益电路的输出端接反相比例电路的输入端，反相比例电路的输出端接恒压恒流控制芯片的输入端。

综上所述，在本发明提供的引线电阻消除电路及热式质量流量计中，通过恒流源供电的电桥电路将热式质量流量计传感器中的两个热电阻(包括热电阻两端的引线电阻)分别串入电桥的两条不同桥臂中，再结合运算放大器构成的反馈电路对两条桥臂的各点电位进行反馈限定，并通过对桥臂中串入的其它电阻的阻值的调整，能有效消除热电阻两端的引线电阻对体现温差的电压信号的影响，极大地提高了传感器及热式质量流量计的响应速度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。