一种改进的质量流量检测器接口电路制造技术

本发明专利技术披露了一种用于检测和测量气体的质量流量并提供和质量流量控制器中的所述质量流量成比例的输出电压的改进的质量流量检测器接口（“ＭＦＳＩ”）电路，本发明专利技术的质量流量检测器接口电路包括上下游质量流量检测元件，用于驱动所述电路的精确的电流源。所述电路还包括运算放大器，用于使上游检测元件的上游电压和下游检测元件的下游电压相加，并提供输出信号。一个参考电压源和运算放大器的正节点电气相连。上游分流电阻和下游分流电阻共用在所述运算放大器的负节点的公共结点，并和所述上游与下游质量流量检测元件电气并联。本发明专利技术的质量流量检测器接口电路还包括一个参考电阻，其被电连接在所述参考电压源和所述运算放大器的正节点之间，以及一个反馈电阻，其被电连接在所述运算放大器的正节点和输出之间。质量流量检测器接口电路的运算放大器提供和上下游检测元件的电阻变化成比例因而和气体质量流量成比例的输出信号。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及用于操作质量流量控制器(MFC)的系统和方法，更具体地说，涉及通过检测检测电阻或者响应气体流量的电阻的阻值改变来测量质量流量控制器内的质量流量的系统和方法。一种普通型的用于气体的质量流量检测器包括一个小直径的管(毛细管)，其具有相互靠近地绕在外面的两个线圈，其中一个线圈位于另一个的上游。所述线圈由具有对温度敏感的电阻的金属材料制成。线圈被包含在一个检测器中的桥式电路的电路加热，从而在没有气流时提供相等的电阻，并因而建立桥式电路的平衡状态，即输出信号为0。当气体在毛细管内流动时，进入的冷的气体当通过上游元件时被加热，然后，所述加热的气体流过下游元件，导致两个元件的不同的温度。温度差成比例于每单位时间通过毛细管的分子数。根据已知的线圈电阻随温度的变化，桥式电路的输出信号可以提供气体质量流量的度量。然而，现有技术的质量流量检测器接口电路具有某些不符合要求的特性。首先，现有技术的电路折中了一种理想情况，即电路简单地驱动检测元件，因为它们包括和检测元件并联的电阻，用于在流量为0时把电路输出调整到0V。为此，它们折中检测器的视在增益。检测器增益被折中选择，为了得到零电压/零流量条件。衰减检测器输出一般是不合乎要求的。如果太多的相当值的阻抗和检测电阻并联，则它们使响应流量可以从检测电阻得到的最大信号电压变劣。第二，在现有技术的电路中，在输出电压(其和流量成比例)和上下游检测元件之间的差的关系是非线性的，这是现有技术的一个不合乎要求的特点。因为和上下游检测元件并联的一般电阻的阻值比检测元件的阻值大得多，在检测元件和输出电压之间的关系中的非线性是不能忽略的。此外，现有技术的电路需要大量的放大，一般放大系数在35-70的数量级，以便产生代表气体流量的0-5V的输出。这需要附加的电路和复杂性。这些现有技术的电路要求来自检测电路的输出和高输入阻抗的放大器级相连，因为任何置于上下游检测元件的公共结点上的任何负载都能增加检测器输出的损失和电路的非线性。此外，现有技术的电路被设计使用增益控制电位器(电位计)手动地校准。此外，零电压/零流量条件也由操作者使用万用表手动地调整。这使得增加电路和复杂性，并且由于在增益和零控制器件(电位器)中的漂移，增加了获得不精确的质量流量值的可能性。现有技术的电路还易于受到两个检测元件都经受的环境温度变化的影响。因为现有技术的质量流量检测电路基本上是电压分压器，其可以借助于虚拟接地和可变电阻任意地被调整为0输出，任何环境温度变化都被反应在电路输出电压中。这是因为现有技术的系统比较检测电阻的阻值的绝对变化。在这种情况下，即使两个元件被相同地冷却和加热，在每个元件中的电阻的绝对变化可能不同。附图说明图1表示现有技术流量检测桥式电路100的基本结构。流量检测桥式电路100是一种改进的由理想的电流源20驱动的惠斯通电桥。一个理想的电流源的特征是具有极高的内部阻抗，这意味着，其输出电流不随加于负载上的电压降的改变而改变。因而，理想的电流源20可以提供相同的电流，而和负载上的电压降无关。图1的现有技术的流量检测桥路的一个支路由两个检测元件RU，RD构成。这些检测元件用于检测气体流量，并且分别代表被绕在毛细管外面的上下游检测线圈的动态电阻RU代表上游检测元件，RD表示下游检测元件。由于气流的流动，上游检测线圈的温度低于下游检测线圈的温度，因此，RU的电阻值低于RD的电阻值。在没有气流时，RU等于RD，因而通过可变电阻RV1使桥平衡。在非零流量条件下，现有技术的流量检测桥路100的输出电压eout30由下面式1给出。由式1可见，在输出电压eout30和(RU-RD)之间的关系是非线性的。 流量检测桥路100的另一个支路包括电阻R8，R9和可变电阻RV1。可变电阻RV1的阻值只是电阻R8，R9的阻值的一小部分。可变电阻RV1用于调整流量检测桥式电路100的偏移，使得输出电压eout30是0。阻值R1表示电阻R8的值和可变电阻RV1在电阻R8一侧的阻值的合成值，电阻R2表示电阻R9和可变电阻RV1在电阻R9一侧的阻值的合成值。一般地说，R1和R2的值大约是RU和RD的值的8倍。此外，电阻RP和检测电阻RU和RD以及电阻R8和R9并联。RP的值大约是R1和R2的值的4倍。因而电路的非线性是不可忽略的。由上式1可见，在输出电压eout30和检测元件电阻RU，RD之间的关系呈固有的非线性关系。此外，和检测元件RU，RD并联的电阻RV1，R8，R9以及RP减少检测元件RU，RD的效果。在理想情况下，全部电路电流应当通过检测元件RU和RD，以便获得最大输出信号。因此，图1说明现有技术由于使用和检测元件RU，RD并联的电阻而引起的非线性特征以及输出电压eout30的减小。图2更详细地表示图1所示的现有技术的流量检测桥式电路100。其中示出了理想电流源20的各个元件。提供给流量检测桥路100的电流的大小由提供在电阻R100上的参考电压源(+5 Vref)32得到的电压控制。可变电阻RV 1的滑动片提供一个通过运算放大器U3和晶体管Q2控制的虚拟地。电容器C1提供稳定的反馈(滞后补偿)。桥输出电压由电阻R11和电容C2滤波。由电阻R11和电容器C2构成的滤波器提供大约等于600Hz的-3DB的截止频率。eout30是滤波输出电压。+5V的参考电压32通过运算放大器U1被反相，从而成为-5V。运算放大器U1的-5V的输出和电阻R200的电压降比较。特别是，运算放大器U1的-5V的输出一般在运算放大器U2的输出端被按比例缩小而成为+1.2775V。虽然运算放大器U2的输出不是精确的1.2775V，其使晶体管Q1以这样的方式控制通过参考电阻Rr和流量检测桥路100的其余部分的电流，使得电阻R9上的电压降等于-5V的参考电压(其已经由运算放大器U2按比例缩小并反相)按比例缩小的值。因此，可以等于100千欧的参考电阻R8上的电压降精确地等于1.2775V。因而，在正常时通过参考电阻Rr的电流是12.775mA。在图2中的其余的电阻都是1％的电阻R3，R4，R5，R6，R7，R10，R12，和R14，以及上述的其它电阻。理想电流源20提供和被该电路驱动的负载无关的恒流源。这是因为，由运算放大器U2、晶体管Q1、电流参考电阻Rr和比例元件R3，R4，R6和R7构成的反馈控制电路维持电流参考电阻Rr上的电压降为额定值1.2775V。只要电路参数保持在元件值的线性操作范围内，通过电流参考电阻Rr的电流值将被精确地控制为恒值。当任何阻抗由图2所示的理想电流源驱动，并且所得的输出信号要用于进一步处理时，信号处理放大器需要另一个电压参考。在现有技术的电路中的电压参考由可变电阻RV1提供。所述电压参考可以是实际的或者虚拟的。如图1所示的在可变电阻RV1的滑动臂不接地的电路应当表示一种完全未确定的电路。包括运算放大器U3和晶体管Q2的电路在可变电阻RV1产生一个虚拟地。所述虚拟地通过比较在RV1的滑动臂的电压和在运算放大器U3的正输入节点的地电位被产生。运算放大器U3的输出驱动晶体管Q2，并用这种方式被控制，使得在运算放大器U3的正负节点之间的电压减少到0。运算放大器一般具有从一万到百万倍的开环增益系数，被称为差动节点电压。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测和测量气体的质量流量从而提供和质量流量控制器中的所述质量流量成比例的输出信号的电路，包括：用于驱动所述电路的精确的电流源；上游质量流量检测元件；下游质量流量检测元件；运算放大器，用于使上游检测元件的上游电压和下游 检测元件的下游电压相加，并提供输出信号；和运算放大器的正节点电气相连的一个参考电压源；上游分流电阻和下游分流电阻，它们共用在所述运算放大器的负节点的公共结点，并和所述上游与下游质量流量检测元件电气并联；一个参考电阻，其被电连接在 所述参考电压源和所述运算放大器的正节点之间；以及一个反馈电阻，其被电连接在所述运算放大器的负节点和输出之间；以及参考电阻，其值等于桥接电阻的一半，被电气连接在运算放大器的正节点和上下游检测电阻的结点之间。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：德怀特S拉森，塔玛斯I帕坦尤斯，
申请(专利权)人：米克罗利斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]