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专利名称：具有公共参考臂的可变电阻传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电阻传感器，特别涉及具有独立的上游和下游电路的质量流量传感器，独立的上游和下游电路能够检测流体的质量流率，并至少共用公共参考臂的一部分。
背景技术：
在相当多种应用中使用质量流量传感器来测量气体或者其他流体的质量流率。一种可以使用质量流量传感器的应用是质量流量控制器。在传统的质量流量控制器中，在主流体流动通道中流动的流体的质量流率是根据被分流到形成质量流量传感器的一部分、通常较小的导管中的一部分流体的质量流率被调节或控制的。假设在主流动通道和传感器的导管中均是层流，则可以根据通过传感器导管流动的流体的质量流率来确定(以及调节或控制)在主流动通道中流动的流体的质量流率。
传统上使用两种不同类型的质量流量传感器恒流质量流量传感器和恒温质量流量传感器。图1示出恒流质量流量传感器的一个例子。在图1中，流体在传感器管道或导管中沿箭头X的方向流动。具有较大的热电阻系数的加热电阻器或“线圈”R1和R2分别在传感器导管的上游和下游部分被置于传感器导管的周围，并从恒流源901给其提供恒定电流I。恒定电流通过线圈R1和R2流动的结果是沿着线圈产生了电压了V1和V2。电压V1和V2之间的差(V1-V2)被从差分放大器902取出，其中，放大器902的输出与通过传感器导管的流体的流率成比例。
在零流率时，图1的电路被配置成使得线圈R1的电阻值(因而温度)与线圈R2的电阻值(和温度)相等，且放大器902的输出为零。当流体在传感器导管中流动时，由线圈R2所产生并传递到流体的热量被带向R1。此流体流动的结果是线圈R2的温度下降而线圈R1的温度上升。由于沿着这些电阻中的每一个下降的电压和它们的温度成比例，所以随着增大的流体流率，电压V1增大，电压V2下降，电压的差和通过传感器导管的流体的质量流率成比例。
恒流质量流量传感器的优点是它能在较宽的温度范围上工作，结构上相对简单，并且对进入传感器导管的流体的环境温度中的变化有响应。当进入传感器导管的流体的环境温度变化时，每一个线圈R1和R2的电阻也变化。但是，响应流体流率的变化，线圈R1和R2的温度需要相对较长的时间才稳定。
经常使用的另一类型的质量流量传感器是恒温质量流量传感器，图2到图4示出了它的例子。如图2中的恒温质量流量传感器中所示，加热电阻器或“线圈”R1A和R1B分别被置于传感器导管的上游和下游部分的周围，流体通过传感器的导管沿着箭头X的方向流动。如同图1的恒流量传感器，上游和下游线圈R1A和R1B中的每一个都具有较大的热电阻系数。每一个线圈R1A和R1B的电阻(因而温度)被单独且独立的电路固定到相同的预定值，该预定值分别由电阻器R2A、R3A、R4A以及电阻器R2B、R3B、R4B的值支配。提供控制电路，用于将每一个线圈R1A、R1B保持在相同的、不依赖于通过传感器导管的流体的流率的预定电阻值(因而温度)。
在没有流体流动时，图2的电路被配置成使得每一个下游和上游线圈R1A和R1B的电阻(因而温度)被设置到相同的预定值，电路的输出为零。当流体在传感器导管中流动时，来自上游线圈R1B的热量被带向R1A。结果，将下游线圈R1A保持在固定的温度比将上游线圈R1B保持在同一固定温度需要更少的能量。将每个线圈R1A和R1B保持在预定的温度所需的能量的差别被测量，并与通过传感器导管流动的流体的质量流率成比例。
针对图2所描述的恒温质量流量传感器也相对容易制造。此外，图2的电路在响应进入传感器导管的流体的质量流率的变化时比针对图1所描述的恒流质量流量传感器更快地稳定。但是，由于每一个传感器线圈R1A和R1B均被设置并保持在不依赖于流入传感器导管的流体的环境温度的预定温度，因此，当流入传感器导管的流体的环境温度升高时就产生了问题。具体来说，当流入传感器导管的流体的环境温度接近由上游和下游线圈所保持的预定温度时，线圈失去了它分辨流体的流率差别的能力，并且，当流体的环境温度升高超过此预定温度时，致使传感器无法工作。
为了克服这些缺点，已经提供了很多其他的恒温质量流量传感器。例如，图3的电路提供了至少在某种程度上能够对气体或流体的环境温度的变化做出响应的恒温质量流量传感器。R1B和R2B仍旧是具有较大的热电阻系数的下游和上游温度传感线圈。但是，不同于像图2的电路中那样将线圈的温度保持在预定的恒定值，图3的电路将传感器线圈R1B、R2B的温度保持在一个超过流入传感器导管的流体的环境温度的温度。这通过插入附加的线圈R3B、R4B来实现，线圈R3B、R4B具有和每一个上游和下游电路中的传感器线圈R1B、R2B类似的电阻系数。当流体的环境温度变化时，线圈电阻R3B、R4B串联加入温度设置电阻器R5B、R6B导致将温度升高到超过流入传感器导管的流体的环境温度的温度，上游和下游电阻线圈被保持在此温度。如图2的电路中一样，由每一个下游和上游电路所提供的用于将线圈R1B、R2B的温度保持在相同的温度的能量的差别与通过传感器导管的流体的质量流率成比例。
本领域普通技术人员应当理解，为使图3的电路正常工作，下游电路中的每一个元件的值和热工特性与上游电路中的对应元件的值和热工特性匹配很关键。因此，下游和上游线圈R1B、R2B的电阻必须具有相同的值和相同的热电阻系数。此外，电阻器R3B必须具有和电阻器R4B相同的值和相同的(理想大)热电阻系数，电阻器R5B必须具有和电阻器R6B相同的值和相同的(零最理想)热电阻系数，电阻器R7B必须具有和电阻器R10B相同的值和相同的(零最理想)热电阻系数，电阻器R9B必须具有和电阻器R8B相同的值和相同的(零最理想)热电阻系数，并且放大器911和912必须具有相同的工作和温度特性。
尽管加入了电阻器R3B和R4B，图3的电路的问题是当流入传感器导管的流体的环境温度上升时，传感器变得较不准确，因为上游和下游线圈的温度之间的比例差别相对于流体的环境温度变得更小。另外，漂移也导致了问题，因为传感器在一个温度的标定在没有某种补偿电路时不一定允许其在其他的环境温度使用。
为了解决一部分上述问题，美国专利NO.5,401,912公开了一种恒温升(超过环境)质量流量传感器，图4中示出了它的一个例子。图4的电路工作，将上游和下游传感器线圈R2、R1保持在超过流入传感器导管的流体的环境温度的预定值。除了图2的具有基本为零的热电阻系数的固定值电阻器R3A和R3B分别被具有较大和特定值热电阻系数的电阻器R5和R6所替代以外，图4的电路和图2的电路是相同的。这些改变的结果是图4的电路据称保持超过流入传感器导管的流体的环境温度的恒温升。如图4中所示的这样的质量流量传感器因此被称为恒温差(constant temperature difference)(超过环境)或恒温升(超过环境)质量流量传感器。
上述恒温质量流量传感器中的每一个都采用了单独和独立的上游和下游电路来把上游和下游线圈的温度设置到特定值，或者设置到超过流入传感器导管的流体的环境温度的特定值。这些电路的缺点是它们要求上游和下游电路中对应电路元件(即电阻器、线圈和放大器)的紧密匹配。

发明内容
根据本发明的一个方案，提供了包括具有第一可变阻值电阻器的第一电阻桥电路和具有第二可变阻值电阻器的第二电阻桥电路的传感器。根据一个实施例，第一和第二电阻桥电路共用设置第一和第二可变电阻器的电阻的公共参考臂。公共参考臂也可以被可切换地连接到第一和第二电阻桥电路其中之一。根据另一实施例，第一和第二电阻桥电路仅仅共用设置第一和第二可变电阻器的电阻的参考臂的一部分。在这个实施例中，设置第一和第二可变电阻器的电阻的那部分公共参考臂也可以被可切换地连接到第一和第二电阻桥电路其中之一。
根据一个实施例，传感器包含第一电路、第二电路、分压器和至少一个开关。第一电路包括具有响应物理性质的改变变化的第一电阻的第一电阻器。第二电路包括具有响应物理性质的改变变化的第二电阻的第二电阻器。至少一个开关具有第一状态和第二状态。至少一个开关的第一状态把分压器在电气上连接到第一电路，以设置第一电阻器的电阻，并且，至少一个开关的第二状态把分压器在电气上连接到第二电路，以设置第二电阻器的电阻。
根据另一个实施例，传感器包含第一放大器和第二放大器，每个放大器都具有第一输入、第二输入和输出、第一电阻器和第二电阻器，以及分压器。第一电阻器在电气上被与第一可变电阻器串联连接在第一放大器的输出和参考端之间，其中，第一电阻器在电气上被连接在第一放大器的第一输入和第一放大器的输出之间，第一可变电阻器在电气上被连接在第一电阻器和参考端之间。第二电阻器电器上被与第二可变电阻器串联连接在第二放大器的输出和参考端之间，第二电阻器在电气上被连接在第二放大器的第一输入和第二放大器的输出之间，而第二可变电阻器在电气上被连接在第二电阻器和参考端之间。分压器具有被可切换地连接到第一放大器的输出和第二放大器的输出其中之一的输入，和被可切换地连接到第一放大器的第二输入和第二放大器的第二输入其中之一的输出。当分压器的输入被连接到第一放大器的输出，并且分压器的输出被连接到第一放大器的第二输入时，分压器的输出设置第一可变电阻器的电阻；当分压器的输入被连接到第二放大器的输出并且分压器的输出被连接到第二放大器的第二输入时，分压器的输出设置第二可变电阻器的电阻。
根据本发明的另一方案，提供了和一对桥电路一起使用的一种方法。每个桥电路具有包括固定电阻器和可变电阻器的传感器臂和设置可变电阻器的电阻的参考臂。该方法包含在第一和第二电路之间共用至少参考臂的一部分来匹配可变电阻器的电阻的操作。
根据本发明的另一方案，提供了用于测量流体的流率的流量传感器。流量传感器包含第一可变电阻器；第二可变电阻器，当流体的流动处于第一方向时，第二可变电阻器被置于第一可变电阻器的下游；第一电路，它在电气上被耦合到第一可变电阻器，以提供指示提供给第一可变电阻器的功率的第一信号；第二电路，它在电气上被耦合到第二可变电阻器，以提供指示提供给第二可变电阻器的功率的第二信号；和第三电路，用于接收第一和第二信号，并提供指示第一和第二信号之间的差的输出信号。当流体的流动是第一方向时，输出信号的范围与当流体的流动是与第一方向相反的第二方向时的输出信号的范围对称。
根据本发明的又一个方案，提供了一种测量流体的流率的流量传感器。流量传感器包含第一可变电阻器、第二可变电阻器、第一电路、第二电路和电源电路。第一电路在电气上被耦合到第一可变电阻器，以提供指示提供给第一可变电阻器的功率的第一信号。第二电路在电气上被耦合到第二可变电阻器，以提供指示提供给第二可变电阻器的功率的第二信号。第三电路接收第一和第二信号，并提供指示第一和第二信号之间的差的输出信号。电源电路在电气上被耦合到第一和第二电路中的至少一个，以便依据流体的流率，给第一和第二电路中的至少一个提供可变数量的功率。
根据本发明的又一个方案，提供了一种检测流量传感器中的高流动状况的方法。该方法包括操作在流量传感器的当前工作温度下，确定预期的零流动信号；根据预期的零流动信号，确定阈值；确定由流量传感器在流量传感器的当前工作温度下所测得的实际流动信号；将由流量传感器测得的实际流动信号与阈值比较；和当实际流动信号超过阈值时，确定高流动状况存在。


图1是根据现有技术的恒流质量流量传感器；图2是根据现有技术的恒温质量流量传感器；图3是根据现有技术的能够对流体的环境温度中的变化做出响应的恒温质量流量传感器；图4是根据现有技术的另一种能够对流体的环境温度中的变化做出响应的恒温质量流量传感器；图5是根据本发明的一个实施例的恒温质量流量传感器的概括原理图，传感器包括共用公共参考臂的上游和下游电阻桥电路；
图6是根据本发明的一个实施例的恒温质量流量传感器的概括原理图，其中，公共参考臂包括可编程分压器；图7是示出根据图6的恒温质量流量传感器的一个示范性实施的详细原理图；图8是示出恒温质量流量传感器的另一个示范性实施的详细原理图，其中，公共参考臂包括可编程分压器；图9A是根据本发明的另一实施例的恒温质量流量传感器的概括原理图，其中，上游和下游电阻桥电路仅仅共用公共参考臂的一部分；图9B是示出根据图9A的恒温质量流量传感器的一个示范性实施的详细原理图；图10是流量传感器放大器电路的详细原理图，该电路可以与图5到图9的实施例中的任何一个一起使用，提供具有对称的不依赖于通过质量流量传感器的流动方向的范围的流动信号；图11是可以与图5到图9的实施例中的任何一个一起使用的可变输出电源的详细原理图。
具体实施例通过下列应当结合附图阅读的详细说明，将对本发明的实施例有更为彻底地了解。
图5、图6、图7和图8示出了根据本发明的各种实施例的很多不同的质量流量传感器。在图5、图6、图7和图8的每一个中，参考标记RU代表上游线圈或电阻器，参考标记RD代表下游线圈或电阻器。和现有技术传感器电路一样，线圈RU和RD被置于传感器导管(未示出)周围的间隔开的位置，流体通过传感器的导管流动。如此处所定义的，术语流体(fluid)包括处于固、液或气态的任何材料或者材料的组合。
每个线圈RU和RD均具有较大并且基本相同的热电阻系数，以使每个线圈RU、RD的电阻随温度变化。尽管上游和下游线圈RU和RD在这里被称为“线圈”，但是应当理解，本发明不局限于此。例如，上游和下游线圈不需要是被绕在传感器导管的外部的线圈，而可以由简单地贴附在传感器导管的外部的热敏电阻器构成。这样的热敏电阻器不需要具有线圈的形状，因为它们可能是蛇形或带形。此外，上游和下游线圈不需要被置于传感器管道的外部，因为对于某些流体，例如空气，线圈可以被置于传感器导管内。此外，尽管本发明的实施例是根据质量流量传感器来描述的，但是本发明不局限于此，因为本发明的方案可以在其他的应用中使用，在这些应用中，电阻桥电路的臂的电阻的变化指示了随电阻变化的性质的改变。
尽管根据本发明的实施例的质量流量传感器使用单独的上游和下游电阻桥电路来把上游和下游线圈的电阻和温度设置到相同的值，上游和下游电路至少共用公共参考臂的一部分。结果，本发明的实施例不要求图2到图4的单独的上游和下游电路中所要求的部件值和特性的紧密匹配。此外，在参考臂的共用和公共部分包括可编程分压器的那些实施例中，可以改变上游和下游线圈被设置到的电阻的范围，以适应较宽范围的环境温度。
图5示出了根据本发明的一个实施例的质量流量传感器的简化的原理图。传感器电路包括用于设置电阻，因而分别设置了上游线圈RU和下游线圈RD的温度的上游电阻桥10和下游电阻桥20。上游和下游电路10、20共用公共参考臂30，在图5中所画出的实施例中，公共参考臂30包括串联的电阻器R1和R2。
上游电路10包括第一放大器U1和在电气上连接在第一放大器U1的输出和参考端之间、串联连接的第一电阻器RUR和第一可变电阻器RU(上游线圈)。串联连接的电阻器RU2和电容器CU2在电气上连接在第一放大器U1的输出和第一放大器U1的反相(-)输入之间。另一电阻器RU1在电气上连接在第一电阻器RUR和第一可变电阻器RU的中点和第一放大器U1的反相输入之间。取值相对较大的电容器CU1在电气上被连接在第一放大器U1的非反相(+)输入和参考端之间。当公共参考臂30在电气上被连接到下游电路20时，电容器CU1保持电压存在于第一放大器U1的非反相输入处。
下游电路20类似于上游电路10。下游电路20包括第二放大器U2和被连接在第二放大器U2的输出和参考端之间的第二电阻器RDR串联第二可变电阻器RD的串联连接。第二放大器U2的反相(-)输入通过电阻器RD1在电气上被连接到串联连接的第二电阻器RDR和第二可变电阻器RD的中点，电阻器RD2和电容器CD2串联，在电气上被连接在第二放大器U2的输出和第二放大器U2的反相输入之间。第二放大器U2的非反相(+)输入在电气上被连接到取值较大、被连接到参考端的电容器CD1。
如图5所示，电路还包括公共参考臂30，公共参考臂30包括与第二电阻器R2电气上串联的第一电阻器R1，电阻器R1被可切换地连接到上游和下游电路10、20中的每一个。公共参考臂R1、R2把电阻值设置到上游线圈RU和下游线圈RD被设置到的值，并起到分压器的作用。开关1A和2A被分别连接在由串联的R1和R2构成的分压器的输入和第一和第二放大器U1、U2的输出之间。开关1B和2B均分别被连接在分压器的输出和第一和第二放大器的非反相输入之间。开关1A和1B以及开关2A和2B协同工作，以使开关1A和1B以及开关2A和2B均同时打开或同时闭合。
在工作过程中，开关1A和1B以及开关2A和2B也可以打开或闭合，以便将公共参考臂30连接到上游和下游电路10、20其中之一。在公共参考臂未被连接到上游电路(即当开关1A、1B打开时)的时间间隔期间，电容器CU1保持第一放大器U1的非反相输入上的电压电平。类似地，在公共参考臂未被连接到下游电路(即当开关2A、2B打开时)的时间间隔期间，电容器CD1保持第二放大器U2的非反相输入端上的电压电平。
在工作中，传感器电路作为共用公共参考臂的两个恒温驱动电路运转。开关1和开关2被快速地切换，以便把参考臂30(R1和R2)交替地连接到上游和下游电路。当对应的开关打开时，CU1和CD1保持采样的参考反馈(sampled reference feedback)。第一放大器U1伺服使得RU/RUR＝R2/R1。第二放大器U2伺服使得RD/RDR＝R2/R1。其他的放大器(未在图5中示出)在串联连接的第一电阻器RUR和第一可变电阻器RU之间，以及串联连接的第二电阻器RDR和第二可变电阻器RD之间拾取上游和下游电压电平VU和VD。然后电压电平VU和VD可以被用来提供指示通过导管的流体的流率的信号，上游和下游线圈RU、RD被置于导管周围或导管内。例如，在一个实施例中，比值VU-VD/VD提供了指示流体流率的信号，尽管，如下面详细讨论的那样，也可以使用电压电平VU和VD的其他比较。图5中所示的剩余部件，即RU1、RU2、CU2、RD1、RD2和CD2用于稳定第一和第二放大器U1和U2。
应当理解，因为上游和下游电路10、20共用包括相同部件的公共参考臂30，图5的传感器电路不需要紧密地匹配这些部件。即，因为上游和下游电路都共用了参考臂同样的部件，所以那些部件一定是匹配的。这样，在图5的电路中，尽管RUR比RDR的比值应当稳定，并且RUR和RDR的电阻最好具有相同的值，但是并不需要它们丝毫不差地匹配。还应当理解，在图5的原理图中，开关1和开关2仅应该在由公共参考臂构成的分压器已经有机会稳定之后才闭合。尽管图5中所画出的传感器电路可能具有某些开关噪声，但是可以通过以适当的频率，例如以接收电压电平VU和VD的A/D转换器(未示出)的奈奎斯特频率(在使用这样的A/D转换器时)，或以低于这个频率来切换开关来适当地控制该噪声，这对本领域熟练技术人员是公知的。
还应当理解，虽然图5中简化的原理图在功能上描述了传感器电路的工作，但是，可以以多种方法对电路进行修改。例如，为了给上游和下游线圈提供适量的电流，可能需要高功率放大器。另外，第一和第二放大器U1和U2的输出可以在电气上被连接到大输出晶体管，以便提供适量的电流。此外，本发明不局限于使用四个开关1A、1B和2A、2B，因为可以使用更少的开关。还应当理解，在各种实施中，可以用可编程分压器代替由R1和R2构成的公共参考臂30。这样，通过可编程分压器的适当控制，可以提供可编程温升传感器驱动器。现在针对图6描述包括可编程分压器的流量传感器的实施例。
图6示出了根据本发明的另一实施例的质量流量传感器，其中，在第一和第二放大器U1和U2中的每一个的输出处分别提供了大输出晶体管60、61。图6的电路还包括可以被用来给电压信号VU和VD提高更大的量程的放大器或量程电路40。在图6中所画出的实施例中，电压信号VU和VD被提供给A/D转换器50。
和图5的实施例大不相同，图6的传感器仅包括两个用来将公共参考臂30(由电阻器R1和R2构成)可切换地连接到上游和下游电路10、20中的一个或者另一个的开关，开关A和开关B。在图6中所示的位置，开关A和B都被连接到上游电路10，尽管在不同的时刻，它们可以被切换，连接到下游电路20。
与图5的包括构成公共参考臂30的固定分压器的传感器电路更为不同的是，图6的电路包括可编程分压器。特别地，如图6所示，温度信号被提供给第三开关C，第三开关C连接分压器的输出和参考端之间的一个或更多的电阻器。当开关C处于闭合状态(即，被连接到被标记为R2’和R2”的电阻器之间的中点)时，由分压器的输出提供的电压和R2’/(R1+R2’)成比例，而当开关C处于打开位置，或被连接到电容器CD1时，分压器的输出和(R2’+R2”)/(R1+R2’+R2”)成比例。通过给开关C提供脉冲宽度调制信号，可以提供来自分压器的处于这些值之间的输出电压，分压比由脉冲宽度调制信号的频率和持续时间调整。和上面针对图5所描述的实施例一样，尽管RUR比RDR的比值应当稳定，并且RUR和RDR的电阻最好具有相同的值，但是不要求它们丝毫不差的匹配。
图7示出了根据本发明的一个实施例的质量流量传感器的一种示范性实施的原理图。在图7中，执行与上面针对图5和图6所描述的类似的功能的那部分电路被用相同的参考标记指示。例如，在图7中，第一放大器U1可以由放大器U53-A、电容器C71电阻器R159、晶体管Q1和电阻器R153的组合构成。类似地，下游放大器U2由放大器U53-B、电容器C105、电阻器R160、晶体管Q2和电阻器R163和R154的组合构成。
在图7中，电阻器RUR由很多取值类似的电阻器的并联组合构成，以获得电阻值的所需的精度，对应的电阻器RDR也一样。应当理解，可以提供其他的提供这些电阻器的方法，因为本发明的实施例不局限于所示的特定实施。
图7中的公共参考臂仍由R1和R2的串联组合构成。但是，在图7的原理图中，可以设置分压器的输出来提供较宽范围的值。特别地，根据提供给晶体管Q3的粗略(原文为course，可能coarse拼写错所致)电阻调整信号PWM_ICOARSE和提供给晶体管Q4的微细电阻调整信号PWM_IFINE，可以给电阻器R2提供一个范围的电阻值。这样，通过在频率和持续时间方案适当地调制提供给晶体管Q3和Q4的粗略和微细调整信号，可以提供一个范围的电阻值。
开关1A和2A用来将由电阻器R1和R2的串联组合构成的分压器的输入连接到上游和下游电路之一，而开关1B和2B用来将分压器的输出连接到第一和第二放大器U1和U2之一的非反相(+)输入。在开关1B闭合的时间周期期间，电容器CU1被充电到值VU，并且在开关2B闭合的时间周期期间，电容器CD1被充电到值VD。通过提供在时间上相对于将分压器的输入选择性地连接到第一和第二放大器其中之一的输出的信号有延迟的采样信号，分压器在对上游和下游电压电平VU和VD进行采样之前有时间稳定。
图8示出了根据本发明的实施例的质量流量传感器的另一种示范性实施的原理图。在图8中，执行与上面针对图5、图6和图7所描述的类似的功能的那部分电路被用相同的参考标记指示。例如，在图8中，第一放大器U1可以由放大器U53-A、电容器C71电阻器R159和电容器C146、晶体管Q1和电阻器R153的组合构成。类似地，下游放大器U2由放大器U53-B、电容器C105、电阻器R160和电容器C147、晶体管Q2和电阻器R154的组合构成。如同在图7的实施例中一样，晶体管Q1和Q2用来给每一个上游和下游线圈RU和RD提供足够的电流。在图8中，每一个电阻器RUR和RDR仍以和图7类似的方式，由多个取值类似的电阻器的并联组合构成以获得电阻值的所需的精度。应当理解，可以提供其他的提供这些电阻器的方法，因为本发明的实施例不局限于所示的特定实施。
以和图7的实施例类似的方式，图8中的公共参考臂30包括可编程分压器，可编程分压器可用于提供较宽范围的电阻值也即分压比。但是，和图7的实施例不同的是使用了单个乘法数模转换器(D/A)电路，而在图7中，可编程分压器的输出依照提供给单独的晶体管Q3和Q4的脉冲宽度调制(PWM)控制信号PWM_ICOARSEA和PWM_IFINE变化。在图8中，D/A转换器电路包括U50-B、U4、U13-A和C109。在所示的实施例中，U4是16位乘法D/A转换器，它将电压电平转换为电流。通过使用耦合到D/A转换器U4的输出的放大器U13-A，将电流转换为可变输出电压。D/A转换器电路伺服包括R27、R139和R166在内的单个参考分压器和缓冲放大器U50-A。采样和保持电路(U32-A、R155和C111(CU1)；U32-B、R156和C112(CD1))中的每一个都被可切换地连接到可编程分压器的输出。参考图5和图6，电阻器R1可以和R166对应，而电阻R2可以和R139、R27和D/A转换器电路的组合对应。
应当理解，图8的实施例共享很多如图7的实施例一样的优点，因为每个实施例均包括完全在上游和下游电路之间共用的公共参考臂30。给定相等的串联上游电阻器(R168-R171)和下游电阻器(R172-R175)，两个实施例都提供了上游和下游线圈电阻之间特别好的匹配。但是，图8的实施例比图7的实施例要快得多。例如，在一个实施中，图7的实施例表现出大约为110ms的补偿上升时间(从流体脉冲的上升沿的2％测量到98％)，但是注意，2％的点被从流体脉冲的上升沿延迟了大约30ms。这个延迟被认为是由包含在图7的具有大约为50us的时间常数的采样和保持电路(即U32-A、R155和C111(CU1)；U32-B、R156和C112(CD1))内的RC滤波器的时间常数所造成的。与此不同，图8的实施例的一个实施表现出大约为100ms的补偿上升时间(从流体脉冲的上升沿的2％测量到98％)，但是从流体脉冲的上升沿到2％的点具有明显较小的延迟。延迟的减小被认为归功于包含在图8的具有大约为0.33us的时间常数的采样和保持电路(JU32-A、R155和C111(CU1)；U32-B、R156和C112(CD1))内的RC滤波器的时间常数的减小。尽管图8的实施例要比图7的实施例要快得多，但是，图7的实施例提供了图8的实施例的成本较低的替代方案。此外，应当理解，图7的实施例的响应时间仍旧大约是传统质量流量传感器的两倍。
图9A和图9B示出了根据本发明的另一种方案的质量流量传感器，其中，只有一部分参考臂对于上游和下游电路10、20是公用的。和图5、6、7和8中的每一个一样，参考标记RU代表上游线圈或电阻器，参考标记RD代表下游线圈或电阻器。如先前所描述的那样，线圈RU和RD可以被置于例如传感器导管(未示出)周围间隔开的位置，流体通过传感器导管流动，每一个线圈RU和RD具有较大而且基本相同的热电阻系数，以使每一个线圈RU、RD的电阻随着温度变化。还应当理解，尽管上游和下游线圈被称为“线圈”，但是本发明不局限于此。此外，尽管本发明的实施例是根据质量流量传感器来描述的，但是本发明不局限于此，因为本发明的方案可以在其他的应用中使用，在这些应用中，电阻桥电路的臂的电阻的变化指示了随电阻变化的性质的改变。
图9A示出了质量流量传感器的简化的原理图，其中，仅有一部分参考臂在单独的上游和下游电阻之间共用。传感器包括用于分别设置上游线圈RU和下游线圈RD的电阻，从而设置其温度的上游电阻桥电路10和下游电阻桥电路20。
上游电路10包括第一放大器U1和在电气上连接在第一放大器U1的输出和参考端之间、串联连接的第一电阻器RUR和第一可变电阻器RU(上游线圈)。串联连接的电阻器RU2和电容器CU2在电气上连接在第一放大器U1的输出和第一放大器U1的反相(-)输入之间。另一电阻器RU1在电气上连接在第一电阻器RUR和第一可变电阻器RU的中点和第一放大器U1的反相输入之间。取值相对较大的电容器CU1在电气上被连接在第一放大器U1的非反相(+)输入和参考端之间。电阻器R2U与电容器CU1并联在第一放大器U1的非反相(+)输入和参考端之间。电阻器R2U构成了上游电路10的参考臂的一部分。
下游电路20类似于上游电路10。下游电路20包括第二放大器U2和被连接在第二放大器U2的输出和参考端之间的第二电阻器RDR串联第二可变电阻器RD的串联连接。第二放大器U2的反相(-)输入通过电阻器RD1在电气上被连接到串联连接的第二电阻器RDR和第二可变电阻器RD的中点，和电阻器RD2串联的电容器CD2在电气上被连接在第二放大器U2的输出和第二放大器U2的反相输入之间。第二放大器U2的非反相(+)输入在电气上被连接到取值较大、被连接到参考端的电容器CD1，并且电阻器R2D被与电容器CD1并联在第二放大器U2的非反相(+)输入和参考端之间。电阻器RD2构成了下游电路20的参考臂一部分。
如图9A所示，电路还包括公共电阻器R1，R1通过各个开关1A和2A可以被可切换地连接到上游和下游电路10、20其中之一。公共电阻器R1通过开关1B和2B在电气上和电阻器R2U或R2D之一串联，构成了每一个上游和下游电路10、20的参考臂。由R1与R2U和R2D之一串联所构成的参考臂将电阻值设置到上游线圈RU和下游线圈RD被设置到的值，并且起到分压器的作用。如图所示，开关1A和2A分别被连接在由R1与R2U和R2D之一串联所构成的分压器的输入和第一和第二放大器U1、U2的输出之间。开关1A和1B以及开关2A和2B协同工作，以使开关1A和1B以及开关2A和2B均同时打开或同时闭合。
在工作过程中，开关1A和1B以及开关2A和2B也可以打开或闭合，以便将公共电阻器R1连接到上游和下游电路10、20之一。在公共电阻器R1未被连接到上游电路10(即当开关1A、1B打开时)的时间间隔期间，电容器CU1保持第一放大器U1的非反相输入上的电压电平。类似地，在公共电阻器R1未被连接到下游电路20(即当开关2A和2B打开时)的时间间隔期间，电容器CD1保持第二放大器U2的非反相输入端上的电压电平。
在工作中，传感器作为共用参考臂的一部分的两个恒温驱动电路运转。开关1和开关2被快速地切换以便把参考臂(R2U和R2D之一与R1)交替地连接到上游和下游电路。当对应的开关打开时，CU1和CD1保持采样的参考反馈。第一放大器U1伺服使得RU/RUR＝R2U/R1。第二放大器U2伺服使得RD/RDR＝R2D/R1。其他的放大器(未在图9A中示出)在串联连接的第一电阻器RUR和第一可变电阻器RU之间，以及串联连接的第二电阻器RDR和第二可变电阻器RD之间拾取上游和下游电压电平VU和VD。然后，电压电平VU和VD可以被用来提供指示通过导管的流体的流率的信号，上游和下游线圈RU、RD被置于导管周围或导管内。例如，在某些实施例中，比值(VU-VD)/VD或(VU-VD)/VU可以被用来提供指示流体的流率的信号。在下面更完整地描述的其他的实施例中，电压电平VU和VD可以被组合，提供比值(VU-VD)/(VU+VD)，这个比值也指示了流体的流率，但是提供了具有对称的不依赖于流体的流动方向的(流入，从上游线圈到下游线圈，或者从下游线圈到上游线圈)范围的信号。图9A中示出的剩余的部件，即RU1、RU2、CU2、RD1、RD2和CD2，被用来稳定第一和第二放大器U1和U2。
应当理解，图9A的电路在本质上是功能性的，并且可以用各种方法修改。例如，为了给上游和下游线圈提供适量的电流，可以使用高功率放大器。另外，第一和第二放大器U1和U2的输出可以在电气上被连接到大输出晶体管，以便提供适量的电流。此外，本实施例不局限于使用四个开关1A、1B和2A、2B，因为可以使用更少的开关。还应当理解，在各种实施中，可以用可编程分压器代替由R1和R2U和R2D之一所构成的参考臂。这样，通过可编程分压器的适当控制，可以提供可编程温升传感器。现在针对图9B描述包括可编程分压器的流量传感器的实施例。
图9B示出了根据本发明的实施例的质量流量传感器的示范性实施的原理图，其中，单独的上游和下游电路仅共用参考臂的一部分。在图9B中，执行与上面针对图9A所描述的类似的功能的那部分电路被用相同的参考标记指示。例如，在图9B中，第一放大器U1可以由放大器U53-A、电容器C71电阻器R159和电容器C146、晶体管Q1和电阻器R153的组合构成。类似地，下游放大器U2由放大器U50-A、电容器C105、电阻器R160和电容器C147、晶体管Q2和电阻器R154的组合构成。如同在图7和图8中的实施例一样，晶体管Q1和Q2用来给每一个上游和下游线圈RU和RD提供足够的电流。
在图9B中，每一个电阻器RUR和RDR仍以和图7和图8类似的方式，由多个取值类似的电阻器的并联组合构成以获得电阻值的所需的精度。应当理解，可以提供其他的提供这些电阻器的方法，因为本发明的实施例不局限于所示的特定实施。
在图9B的实施例中，由上游和下游电路中的每一个公共的共用电阻器R1是可变电阻器，电阻器R1可以被用来与上游和下游电路的R2U和R2D组合，构成可编程分压器，以实现一个范围的电阻值，也即分压比。例如，图9B的实施例可以提供的参考臂分压比可以从大约0.770变化到0.834。在所示出的实施例中，公共共用电阻器R1包括乘法数模(D/A)转换器电路，数模转换器电路包括U4、U13-A、U13-B、C109和电阻器R110和R113。U4是16位乘法D/A转换器，它将电压电平转换为电流。通过使用放大器U13-A、U13-B和电阻器R110和R113将由D/A转换器提供的电流转换为可变的输出电压。公共共用电阻器R1被连接到选择开关，如图所示的一对开关(U6-A、U6-B)，选择开关将公共共用电阻器R1交替地连接到上游和下游驱动信号(例如，在Q1和Q2的发射极处的驱动电压信号，此后被称为“驱动电压”)。电容器C107用来消除在上游和下游驱动信号源之间切换时的窄电压尖锋。
和前面所描述的图5到图8的每一个实施例不同，图9B的上游和下游电路中的每一个都包括其自己那部分参考臂。对于上游电路，这部分参考臂(在图9A中用R2U表示)包括电阻器R166、R139和R27，而对于下游电路，这部分参考臂(在图9A中用R2D表示)包括R127、R136和R114。这些参考臂部分中的每一个由各自的采样-保持电路(上游是U32-A、R155和C111(CU1)和U53B，下游是U32-B、R156和C112(CD1)和U50-B)可切换地连接到公共共用电阻器R1。和前面的实施例中一样，在公共共用电阻器R1未被连接到上游电路(即当开关1A、1B打开时)的时间间隔期间，保持电容器CU1(C111)保持第一放大器U1的非反相输入上的电压电平。类似地，在参考臂未被连接到下游电路(即开关2A和2B打开时)的时间间隔期间，保持电容器CD1(C111)保持第二放大器U2的非反相输入上的电压电平。
记住每一个上游和下游传感器线圈RU和RD均为电桥电路的一个臂，图9B的传感器电路以下面的方式工作。相关联的上游和下游驱动器放大器(U1、U2)通过改变对桥的驱动电压来控制与其相关联的传感器线圈RU和RD的电阻(因而其温度)。提高驱动电压提高了通过传感器线圈的电流，导致传感器线圈变热。每个桥包括参考臂(R1和R2U的串联组合，或R1和R2D的串联组合)和传感器臂，参考臂提供了某种依赖于温度的分压比，传感器臂由传感器线圈加上引线Rc和串联电阻器Rs(即RUR或RDR)组成。对于上游电路10，传感器臂由上游线圈RU加上其引线和电阻器RUR组成；对于下游电路，传感器臂由下游线圈RD加上其引线和电阻器RD组成。传感器臂具有分压比Rc/(Rc+Rs)，并且驱动放大器连续地伺服，试图将该分压比与由R1和R2U的串联组合或R1和R2D的串联组合构成的参考臂的分压比匹配。D/A转换器电路(U4、U13-A、U13-B、C109、R110和R113)将每一侧的驱动电压的可编程部分馈送到那一侧的采样和保持电路(上游是U32-A、R155、C111和U53B；下游是U32-B、R156、C112和U50B)。
假设为理想电路，电阻器的值如图9B所示，并且是理想放大器等，当D/A转换器被设置为0时，U13-B的输出上的电压为0。因此，两个采样和保持电路在其输出(上游是U53-B，下游是U50-B)上都产生0V。每一个驱动放大器(U1、U2)的非反相(+)输入看到0.77032倍的对应的驱动电压，并伺服将传感器线圈加上引线电阻设置为对应Rs的3.3539倍。当D/A转换器被设置为1时，每一个采样和保持电路的输出上的电压等于对应的驱动电压。每一个驱动放大器(U1、U2)的非反相(+)输入看到0.83398倍的对应的驱动电压，并伺服将传感器线圈加上引线电阻设置为对应Rs的5.0253倍。中间的D/A设置提供线性正比与D/A设置的中间的传感器线圈加上引线电阻。
应当理解，图9B的传感器驱动电路相对于常规传感器电路提供了很多的优点。例如，当驱动电压变化时，驱动放大器(U1、U2)的非反相(+)输入上的电压立刻看到大多数最终变化。对于为0的D/A设置，它马上看到整个变化，而对于为1的D/A设置，它马上看到全部变化的大约92％(0.77032/0.83398)。剩余的8％在接下来变化通过采样和保持电路传输时的几百毫秒中出现。此外，因为驱动放大器(U1、U2)的非反相输入几乎马上看到了驱动电压的变化，这允许每一个采样和保持电路中的时间常数被提高而对响应时间没有负面影响。在当前的实施中，采样和保持电路的时间常数已经被提高到大约40us，但是相信这些值可以被进一步的提高。应当理解，通过提高采样和保持电路中的时间常数，防止了参考臂中的高频噪声对采样和保持电路的强烈影响。这反过来显著地降低了由信号VU和VD所形成的最终流动信号中的噪声水平。此外，当采样开关(即开关1B和2B)打开时所留在保持电容器(即CU1和CD1)上的任何残留噪声不再强烈地影响驱动放大器的非反相输入处的电压。特别地，采用图9B中所示的部件值，保持电容器上1mV的误差转变为驱动放大器的非反相(+)输入上小于64uV的误差。这也有助于显著地降低最终流动信号中的噪声水平。
在图9B的实施例的示范性实施的初始测试中，重复地获得了大约60ms的补偿上升时间(在流体脉冲的上升沿上从2％测量到98％)。此外，当图9B中所画的实施例的实施被包含在质量流量控制器中时，获得了期望的最后值2％以内的100到130ms的建立时间。应当理解，上面的结果对应的建立时间大约是常规质量流量控制器的八分之一。
往回参考图9B中所画出的实施例，这个实施例包括几个在前面没有被详细地描述的部件。例如，提供了电阻器R159和R160来限制当驱动放大器(U1、U2)的输出超过了传感器电源电压(在Q1和Q2的收集极)足够多对的启动和溢出状态期间的输出晶体管Q1和Q2的基极电流。如果驱动放大器U53-A和U50-A(U1、U2)的输出因为任何原因到达负供电轨(negative supply rail)，背靠背的二极管CR14和CR15防止对Q1和Q2的基极-发射极结的损害。电容器C146和C147目前不使用，但是可被用来实施进一步的改变。电阻器R153和R154在启动时提供少量的传感器电流，以保证放大器偏移不导致驱动放大器试图驱动到负电压。U33和U44将单脉冲序列转换为被适当地调整了相位的信号USelect、USample和DSample，用来驱动开关1A和2A，以及1B和2B(U6和U32)。
电阻器R140和R141以及电容器C124和C125用来在某些条件下提供快速响应。具体来说，在早期的原型中，电阻器R27和R114直接连接到地，电路很难稳定，需要驱动器补偿电路(上游是C71、C106、R22和R20；下游是C105、C108、R57和R21)非常低的AC增益。使用高AC增益(R27/20，R114、R21)产生振荡，两个驱动器放大器都轨到轨相位相差180度的反转。增加电阻器R140和R141以及电容器C124和C125防止驱动电压的全部变化立刻出现在驱动放大器非反相(+)输入。采用所示的值，并且D/A被设置为0，则最终变化的大约98.5％立刻发生，剩余的1.5％以大约500us的时间常数到来。非反相(+)输入信号中的这个微小的滞后允许驱动放大器中高得多得增益，而不会使驱动器不稳定，从而允许对流动信号的快得多的响应。
当然，应当理解，图9B中所示的特定部件值是特定于质量流量传感器的期望工作特性和它预定工作的状况的范围的。因此，应当理解，对于针对不同流率和/或不同工作状况设计的传感器，图9B中所示的部件值可以相应地做调整。还应当理解，对图9B中所示实施的其他改变也很容易预见到。例如，对于低成本的实施，图9B的乘法D/A转换器电路(包括U4、U13A、U13-B、C109和电阻器R110和R113)可以用与图7的类似的D/A转换器电路代替，在图7的D/A转换器电路中，脉冲宽度调制控制信号被用来变化由分压器所提供的输出电压。
在上面描述的图5到图9B的每一个实施例中，尽管比值RUR比RDR应当稳定并且电阻RUR和RDR最好具有相同的值，但是不要求它们丝毫不差地匹配。因此，上面针对的图5到图9B所描述的每一个实施例无需像图2到图4的电路要求的那样紧密地匹配部件值和特性。
根据本发明的另一种方案，提供了用于放大由传感器提供的第一和第二信号的放大器电路。放大器电路提供具有对称的不依赖于传感器的取向的范围的输出信号。有利之处在于，本发明的这个方案可以与上面针对图5到图9所描述的每一个实施例一起使用。
往回参考图5到图9，应当理解，尽管上游和下游线圈RU和RD在结构、电学和热学性质上类似，但是传感器电路的工作可以依据流动的方向改变。即，依据用来检测流动的上游和下游电压电平(Vu，Vd)的特定组合，当流动的方向逆转，“上游”线圈被用作“下游”线圈或者反过来时，传感器驱动器可以表现的非常不同。例如，指示通过质量流量传感器的流体的流率的流动信号根据方程Flow＝K*(Vu-Vd)/Vd；(1)
计算的情况下，流动信号的范围可以依据线圈RU和RD中的哪一个作为上游线圈和哪一个作为下游线圈而改变。尽管这个流动信号不依赖(一阶近似)环境温度(忽略温度依赖的流体和传感器材料热学性质)，但是提供给上游和下游线圈的功率作为流动的函数变化。结果，当根据方程1计算流体的质量流率时，结果流动信号是高度不对称的，在一个方向上具有明显比另一方向大的线性范围(例如，当流动是从上游线圈到下游线圈时)。
但是，根据本发明进一步的方案，不根据方程1计算流体的质量流率，而是可以按照Flow＝K*(Vu-Vd)/(Vu+Vd)(2)来计算流率。上面的流体流率定义也不依赖于温度(忽略温度依赖的流体和传感器材料热学性质)。但是，因为(Vu-Vd)和(Vu+Vd)都是流动的对称方程，所以流动信号也是对称的。对称性允许传感器驱动器电路对于任一方向的流动都表现的一样好。因此，人们期望以逆转的取向来使用该传感器，其中，“上游”线圈(RU)被定向为“下游”线圈(RD)的下游，不需要在物理上将传感器逆转或者为补偿流动的逆转的方向而改变电子线路。反之，由传感器电路提供的输出信号可以在处理输出信号的数字信号处理器(未示出)内被简单地反相。另一个是流动的对称方程的流率定义是上游和下游电压之间的差，即Vu-Vd。在某些实施例中，相对于在上面方程2中给出的流率定义，更喜欢后者的流率定义，因为它不依赖于哪一个线圈被定向为另外一个的上游，但是更不容易受到噪声的影响，并且提供了在较低的环境温度下提高的敏感度。
参考图10，现在描述提供具有对称的、不依赖于传感器的取向的范围的输出信号的放大器电路。放大器电路包括一对放大器U30和U17-B，它们每一个都从传感器电路接收输出信号VU、VD。放大器电路提供差分分子信号(被标为“DELTA+”和“DELTA-”的信号之间的差)，该信号等于K1*(Vu-Vd)。该差分分子信号可以被施加到A/D转换器(ADC)的差分信号输入，A/D转换器将此信号转换为用于由质量流量控制器的数字信号处理器(DSP)(未示出)做后续处理的数字值。放大器电路还提供单端分母信号(被标为“VD+VU”)，该信号等于K2*(Vu+Vd)，并且可以被施加到A/D转换器(ADC)的单端参考输入。因此A/D转换器的输出提供了等于K*(Vu-Vd)/(Vu+Vd)的数字输出信号，该信号可以由质量流量控制器的DSP进一步处理。
图10的放大器电路可以和上面针对图5到图9所描述的传感器电路的任何实施例一起使用，因为这些电路中的每一个都能够提供代表跨上游和下游线圈的电压的传感器输出信号VU和VD。例如，在图7中，标记为“流量传感器放大器”的电路的右下部分可以用图10中所画出的放大器电路代替，以提供具有对称的、不依赖于传感器的取向的范围的流动信号。此外，应当理解，可以使用不同于图10中所示的实施的其他放大器电路，因为本发明不局限于此。事实上，只要放大器电路的输出提供指示了提供给上游和下游线圈的电压(或电流)的差别的信号，并且这些信号的某些不依赖于通过传感器的流体的流的方向的组合被用来检测它们的差别，则流动信号的范围将是对称的、不依赖于传感器的定向。在不要求不依赖于传感器的取向的流动信号的对称性的情况下，可以使用传感器输出信号VU和VD的各种组合，包括(VU-VD)/VU和(VU-VD)/VD。
根据本发明的又一个方案，提供了能够调节传感器电路所使用的功率的可变输出电源。根据一个可变输出电源与质量流量传感器电路一起使用的实施例，可变输出电源能够提供响应被检测到的流率进行变化的输出，以便能够在高流率时比低流率时给质量流量传感器电路提供更多的功率。应当理解，在传统的质量流量传感器电路中，多达50％的提供给质量流量传感器的功率在低流率时被浪费了。根据另一实施例，可变输出电源能够防止可变输出电源所提供的功率量在高流率时增大过多，并用于防止和质量流量传感器电路相关联的控制系统中的潜在的闩锁或者相位反转。优点在于，这两个方案都可以被包含在单个可变输出电源中。现在针对图11描述这样的实施例。
可变输出电源1100包括部分绝缘的提供可变输出电压，由控制电路1120(标有“7V控制”)控制的开关电源1110。部分绝缘的开关电源1110的正输出(被标为“+7V”的信号)给两个传感器驱动电路晶体管(即图7、图8和图9B中的晶体管Q1和Q2)提供功率。来自传感器的返回电流通过“CABLE_SENSE”线(图8和图9B中传感器上的引脚3)流回部分绝缘的开关电源1110。到传感器公共点(图8和图9B中传感器的引脚9)的单独引线给可变输出电源1100提供了地参考(ground reference)。
可变输出电源1100在“+7V”线上提供了比最大传感器驱动电压(先前在上面定义为任一驱动晶体管Q1、Q2的发射极的电压，而不是上游或下游传感器线圈电压Vu或Vd)大1V的电压。这在两个驱动晶体管(图7、图8和图9B中的Q1和Q2)上的收集极和发射极之间(Vce)提供了最小为1V的差别，这个差别提供了充足的驱动电流，防止任一晶体管饱和，但是不在驱动晶体管中浪费很多功率。
暂时忽略U8-A和双二极管CR6的右半边的工作，双二极管CR5和电阻器R60(在CR5的引脚3)产生了大约比最高“驱动电压”低一个二极管正向电压的电压。双二极管CR6的左半边和电阻器R59将其转换回一个二极管正向电压，以在CR6的引脚3产生大约与最高“驱动电压”相等的电压。然后，放大器U8-B和与其相关联的无源部件转换这个电压，以(在“+7V”线上)提供比CR6的引脚3处的电压高一伏的输出电压。
应当理解，可变输出电源这样就提供了仅比传感器电路正常工作所需电压稍高的输出电压，对传感器驱动器电路的实际功耗做出响应，按照需要升高和降低提供给传感器电路的电源电压。还应当理解，本发明的这个方案同样地适用于图7、图8和图9B的每一个传感器电路，并且只要功耗是需要考虑的事项时，与其他的传感器电路一起使用。事实上，在功耗是主要的考虑，而成本不是问题的情况下，不是给上游和下游传感器电路提供单个输出电压，而是可以提供单独的电源电路。例如，上游传感器电路可以具有其自己的可变输出电源，并且下游传感器驱动电路可以具有其自己的可变输出电源，每一个都和上面针对图11所描述的类似。
根据本发明的另一方案，可变输出电源也能防止由可变输出电源所提供的功率量在很高的流率时增加过多，并防止与质量流量传感器电路相关联的控制系统中潜在的闩锁或者相位反转。如本领域熟练技术人员所知，在高流率时，通过传感器的流体流可能太快以至于无法被正常地加热，因而从上游和下游传感器线圈都吸收功率。这可能具有两个负面效应。首先，传感器电路的输出开始随着增大的流率下降，在大多数控制系统中导致相位反转，以及如果未加矫正，随后的闩锁。其次，传感器功耗在高流率时显著地增加，在一些情况下，与零流动功耗相比超过一倍。因为传感器电路的输出在很高的流率时下降，并且因为这可能几乎立刻发生，所以通常不可能通过仅仅监视传感器电路的输出来检测高流动状况。
根据本发明的另一方案，提供了检测质量流量传感器中的高流动状况的方法。该方法包括动作在当前工作温度下计算预期的零流动信号；根据预期的零流动信号计算阈值；将实际流动信号与阈值比较；和当实际流动信号超过阈值时，检测到高流动状况。此方法可以由微处理器实施，该微处理器适于与在包括质量流量传感器的质量流量控制器中所使用的处理器相同。
根据一个实施例，根据上游和下游线圈电压(Vu，Vd)的和乘以常数(K)来计算预期的零流动信号。即，在零流动和当前工作温度下，预期的零流动＝K*(Vu+Vd)；通过用常数(一般1.05到1.10)乘以预期的零流动信号来确定阈值。根据阈值和实际流动信号(K*(Vu+Vd))的比较，确定高流动状况是否存在。当确定高流动状况存在时，防止可变输出电源的+7V线所提供的传感器电源电压增大过多。此外，如果确定高流动状况存在，则被指示的传感器电路输出被人为地设置到较高(正或负，取决于流动方向)值，以防止相关联的控制系统的闩锁(一般是某种类型的整数(I)、比例整数(PI)、比例整数微分(PID)、超前滞后(LL)、增益超前滞后(GLL)等，由微处理器，例如质量流量控制器的微处理器实现的控制系统)。微处理器提供被转换为脉冲宽度调制信号(图1中的PWM_SUPPLY)的数字输出信号来限制可变输出电源提供给传感器电路的电源电压。
在图11中所画出的实施例中，PWM(脉冲宽度调制器，未示出)被用来驱动包括电阻器R37和电容器C35的RC滤波器。任何时候只要实际流动信号(K*(Vu+Vd))低于阈值，则微处理器所提供的输出被设置为最大可能值。该输出被提供给PWM，并且PWM的输出(PWM_SUPPLY)强迫放大器U8-A的输出为高，反向偏置双二极管CR6的右半部分，并允许部分隔离的开关电源110正常地工作。但是，任何时候只要实际流动信号(K*(Vu+Vd))超过了阈值，则微处理器的输出被成比例地减小。当输出下降时，放大器U8-A的输出处的电压也下降。在某个点，双二极管CR6的右半部分导通，把CR6的管脚3处的电压降低到低于正常值，从而降低了部分隔离的开关电源110的输出。这防止实际流动信号(K*(Vu+Vd))进一步地增加，人为地冷却了传感器，并把传感器驱动器功耗大致降低到它本应该有的值之下。
当通过传感器的流动下降时，传感器将重新变暖(因为提供给传感器的可用功率大于正常工作所需要的功率)，并且实际流动信号(K*(Vu+Vd))最终将下降到阈值以下。然后微处理器将输出返回其正常高值，允许部分隔离的开关电源1110继续正常工作。
应当理解，尽管本实施例是被参考脉冲宽度调制器描述的，但是其他的电路元件也可以使用。例如，除了使用PWM作为把微处理器的数字输出信号转换为模拟值的D/A转换器，也可以使用其他类型的D/A转换器。此外，应当理解，尽管所描述的实施例限制了提供给传感器电路的电压，但是也可以转而限制提供的电流。此外，除了使用(Vu+Vd)的组合作为比较的基�。硗庖部梢约嗍悠渌藕牛缣峁└恳桓龌蛄礁龃衅鞯那缪梗蛘咛峁└恳桓龌蛄礁龃衅鞯拇衅鞯缌鞯�。在这点上，使用(Vu+Vd)的组合是因为已经可以从图10中所描述的流量传感器放大器的输出获得该信号，但是也可以转而使用信号的其他组合。
尽管以及针对特别适用于半导体制造工艺的质量流量传感器描述了本发明的实施例，应当理解，本发明的实施例也可以在其他的应用和工艺中使用。例如，本发明的实施例可以在汽车应用中使用，用于测量诸如汽油、柴油或空气的被输送到燃烧室的流体的量。此外，本发明的实施例不局限于质量流量传感器，因为本发明可以被在其他的传感器和检测电路中使用。例如，本发明的实施例可以被很容易地改用于热电阻测风仪或其他的应用，在这些应用中，电阻桥的臂的电阻的变化指示了随着电阻变化的性质的改变。
已经详细地描述了本发明的几个实施例，本领域普通技术人员很容易想到各种修改和改进。这样的修改和改进确定位于本发明的范围内。特别地，尽管此处描述的很多实施例涉及系统元件或方法操作的特定组合，但是应当被理解，那些元件和操作可以以其他的方式组合。这样，仅仅结合一个实施例所讨论的元件、操作或特征不意味着被从其他的实施例中排除。因此，前面的描述仅仅是举例子，而不是作为限制。本发明仅仅受到下面的权利要求及其等同物所定义的那样的限制。
权利要求
1.一种传感器，包含第一放大器，第一放大器具有第一输入、第二输入和输出；第一电阻器，第一电阻器与第一可变电阻器串联，在电气上连接在所述第一放大器的所述输出和参考端之间，所述第一电阻器在电气上被连接在所述第一放大器的所述第一输入和所述第一放大器的所述输出之间，并且，所述第一可变电阻器在电气上被连接在所述第一电阻器和所述参考端之间；第二放大器，具有第一输入、第二输入和输出；第二电阻器，第二电阻器与第二可变电阻器串联，在电气上连接在所述第二放大器的所述输出和所述参考端之间，所述第二电阻器在电气上被连接在所述第二放大器的所述第一输入和所述第二放大器的所述输出之间，并且，所述第二可变电阻器在电气上被连接在所述第二电阻器和所述参考端之间；和分压器，分压器具有被可切换地连接到所述第一放大器的所述输出和所述第二放大器的所述输出其中之一的输入，以及被可切换地连接到所述第一放大器的所述第二输入和所述第二放大器的所述第二输入其中之一的输出，当所述分压器的所述输入被连接到所述第一放大器的所述输出，并且所述分压器的所述输出被连接到所述第一放大器的所述第二输入时，所述分压器的所述输出设置所述第一可变电阻器的电阻；当所述分压器的所述输入被连接到所述第二放大器的所述输出并且所述分压器的所述输出被连接到所述第二放大器的所述第二输入时，所述分压器的所述输出设置所述第二可变电阻器的电阻。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述分压器包括可编程分压器。
3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述可编程分压器包括多个连接在所述分压器的输出和所述参考端之间的电阻器，并且所述分压器的输出电压可以被根据所述多个电阻器中的哪一个被连接在所述分压器的所述输出和所述参考端之间改变。
4.如权利要求3所述的传感器，其中，所述分压器的所述输出电压还可以被根据所述多个电阻器中的每一个被连接在所述分压器的所述输出和所述参考端之间的时间量改变。
5.如权利要求2所述的传感器，其中，所述可编程分压器包括具有设置所述分压器的所述输出的数模转换器电路。
6.如权利要求5所述的传感器，其中，所述数模转换器电路包括数模转换器，具有提供可变数量电流的输出；和放大器电路，具有在电气上耦合到所述数模转换器的所述输出的输入，和构成所述模数转换器电路的所述输出，并根据所述可变数量电流提供可变输出电压的输出。
7.如权利要求1到6中的任何一个所述的传感器，进一步包括在电气上连接在所述第一放大器的所述第二输入和所述参考端之间的第一电容器，当所述分压器的所述输出被连接到所述第二放大器的所述第二输入时，所述第一电容器保持所述第一放大器的所述第二输入处的电压电平。
8.如权利要求7所述的传感器，进一步包括在电气上连接在所述第二放大器的所述第二输入和所述参考端之间的第二电容器，当所述分压器的所述输出被连接到所述第一放大器的所述第二输入时，所述第二电容器保持所述第二放大器的所述第二输入处的电压电平。
9.如权利要求1到8中的任何一个所述的传感器，所述第一和第二放大器的所述第二输入分别被连接到每一个都具有打开状态和闭合状态的第一开关和第二开关，当所述第一和第二开关处于闭合状态时，所述第一和第二放大器的所述第二输入处的电压电平被采样。
10.如权利要求9所述的传感器，所述第一开关接收第一开关信号，在所述分压器的所述输入被连接到所述第一放大器的所述输出和所述分压器的所述输出被连接到所述第一放大器的所述第二输入之后，所述第一开关信号把所述第一开关切换到闭合状态。
11.如权利要求9到10中的任何一个所述的传感器，其中，所述第二开关接收第二开关信号，在所述分压器的所述输入被连接到所述第二放大器的所述输出和所述分压器的所述输出被连接到所述第二放大器的所述第二输入之后，所述第二开关信号把所述第二开关切换到闭合状态。
12.如权利要求1到11中的任何一个所述的传感器，其中，所述传感器是质量流量传感器。
13.如权利要求12所述的传感器，其中，所述质量流量传感器被包括在质量流量控制器内。
14.如权利要求1所述的传感器，其中，所述分压器包括第三电阻器，在电气上被连接在所述分压器的所述输入和输出之间，所述第三电阻器被可切换地连接到所述第一放大器的所述输出和所述第二放大器的所述输出其中之一；第四电阻器，在电气上被连接在所述第一放大器的所述第二输入和所述参考端之间；和第五电阻器，在电气上被连接在所述第二放大器的所述第二输入和所述参考端之间。
15.如权利要求14所述的传感器，进一步包括在电气上连接在所述第一放大器的所述第二输入和所述参考端之间的第一电容器，当所述分压器的所述输出被连接到所述第二放大器的所述第二输入时，所述第一电容器保持所述第一放大器的所述第二输入处的电压电平。
16.如权利要求14到15中的任何一个所述的传感器，进一步包括在电气上连接在所述第二放大器的所述第二输入和所述参考端之间的第二电容器，当所述分压器的所述输出被连接到所述第一放大器的所述第二输入时，所述第二电容器保持所述第二放大器的所述第二输入处的电压电平。
17.一种传感器，包含第一电路，包括具有响应物理性质的变化改变的第一电阻的第一电阻器；第二电路，包括具有响应物理性质的变化改变的第二电阻的第二电阻器；分压器；和至少一个开关，所述开关具有第一状态和第二状态，所述至少一个开关的所述第一状态把所述分压器在电气上连接到所述第一电路，以设置所述第一电阻器的所述电阻，并且，所述至少一个开关的所述第二状态把所述分压器在电气上连接到所述第二电路，以设置所述第二电阻器的所述电阻。
18.如权利要求17所述的传感器，其中，所述分压器具有输入和输出，并且所述至少一个开关包括至少一个第一开关和至少一个第二开关，每一个均具有所述第一状态和所述第二状态，当所述至少一个第一开关具有所述第一状态时，所述至少一个第一开关把所述分压器的所述输入在电气上连接到所述第一电路；当所述至少一个第一开关具有所述第二状态时，把所述分压器的所述输入在电气上连接到所述第二电路；并且，当所述至少一个第二开关具有所述第一状态时，所述至少一个第二开关把所述分压器的所述输出在电气上连接到所述第一电路；当所述至少一个第二开关具有所述第二状态时，把所述分压器的所述输出在电气上连接到所述第二电路。
19.如权利要求17到18中的任何一个所述的传感器，其中，分压器包括可编程分压器。
20.如权利要求19所述的传感器，其中，所述可编程分压器的输出可以被调整，以改变所述第一和第二电阻器被设置到的所述电阻。
21.如权利要求19到20中的任何一个所述的传感器，其中，所述可编程分压器包括多个连接在所述分压器的所述输出和参考端之间的电阻器，并且根据多个电阻器中的哪一个被连接在所述分压器的所述输出和所述参考端之间，可以改变所述分压器的输出电压。
22.如权利要求21所述的传感器，根据所述电阻器中的每一个被连接在所述分压器的所述输出和所述参考端之间的时间量，还可以改变所述分压器的所述输出电压。
23.如权利要求19到20中的任何一个所述的传感器，其中，所述可编程分压器包括具有设置所述分压器的所述输出的输出的数模转换器电路。
24.如权利要求23所述的传感器，其中，所述所述数模转换器电路包括数模转换器，具有提供可变数量电流的输出；和放大器电路，它具有在电气上耦合到所述数模转换器的所述输出的输入，和构成所述模数转换器电路的所述输出的输出，并根据所述可变数量电流提供可变输出电压的输出。
25.如权利要求18到24中的任何一个所述的传感器，还包含第一保持电容器，在电气上被连接到所述第一电路，当所述至少一个第一开关和所述至少一个第二开关具有所述第二状态时，所述第一保持电容器保持所述第一电阻器的所述电阻；和第二保持电容器，在电气上被连接到所述第二电路，当所述至少一个第一开关和所述至少一个第二开关具有所述第一状态时，所述第二保持电容器保持所述第二电阻器的所述电阻。
26.如权利要求18到25中的任何一个所述的传感器，所述至少一个第二开关接收开关信号，在所述至少一个第一开关已经切换到所述第一状态之后，所述开关信号把所述至少一个第二开关切换到所述第一状态。
27.如权利要求26所述的传感器，在所述至少一个第一开关已经切换到所述第二状态后，所述开关信号把所述至少一个第二开关切换到所述第二状态。
28.如权利要求17到27中的任何一个所述的传感器，其中所述分压器在所述第一和第二电路之间共用。
29.如权利要求17到27中的任何一个所述的传感器，只有所述分压器的一部分在所述第一和第二电路之间共用。
30.和一对桥电路一起使用的一种方法，每一个桥电路具有包括固定电阻器和可变电阻器的传感器臂以及设置所述可变电阻器的电阻的参考臂，所述方法包括操作在第一和第二电路之间至少共用所述参考臂的一部分，以匹配所述可变电阻器的电阻。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述共用操作包括操作把所述参考臂的共用部分在不同的时间可切换地连接到这对桥电路中的每一支。
32.如权利要求30所述的方法，其中，所述参考臂包括固定部分和可变部分，并且其中所述共用操作包括操作在所述第一和第二电路之间共用所述参考臂的所述可变部分，以匹配所述可变电阻器的所述电阻。
33.如权利要求30所述的方法，其中，所述参考臂包括固定部分和可变部分，并且所述共用操作包括操作在所述第一和第二电路之间既共用所述参考臂的所述可变部分，也共用所述参考臂的所述固定部分，以匹配所述可变电阻器的所述电阻。
34.一种测量流体的流率的流量传感器，包含第一可变电阻器；第二可变电阻器，当所述流体的流动处于第一方向时，第二可变电阻器被置于所述第一可变电阻器的下游；第一电路，在电气上被耦合到所述第一可变电阻器，以提供指示提供给所述第一可变电阻器的功率的第一信号；第二电路，在电气上被耦合到所述第二可变电阻器，以提供指示提供给所述第二可变电阻器的功率的第二信号；和第三电路，用于接收所述第一和第二信号，并提供指示所述第一和第二信号之间的差的输出信号；当所述流体的流动是所述第一方向时，所述输出信号的范围与当所述流体的流动是与所述第一方向相反的第二方向时的所述输出信号的范围对称。
35.如权利要求34所述的流量传感器，其中，所述第三电路包括第一放大器电路，用于提供指示所述第一和第二信号之间的差的第三信号；第二放大器电路，用于提供指示所述第一和第二信号的和的第四信号；和转换器电路，用于接收所述第三信号和所述第四信号，用所述第四信号除所述第三信号，以提供被除过的信号，并提供所述被除过的信号作为所述输出信号。
36.如权利要求34所述的流量传感器，所述转换器电路包括具有用于接收所述第三信号的差分输入和用于接收所述第四信号的参考输入的模数转换器。
37.一种测量流体的流率的流量传感器，包含第一可变电阻器；第二可变电阻器；第一电路，在电气上被耦合到所述第一可变电阻器，以提供指示提供给所述第一可变电阻器的功率的第一信号；第二电路，在电气上被耦合到所述第二可变电阻器，以提供指示提供给所述第二可变电阻器的功率的第二信号；第三电路，用于接收所述第一和第二信号，并提供指示所述第一和第二信号之间的差的输出信号；和电源电路，在电气上被耦合到所述第一和第二电路中的至少一个，以便依据所述流体的流率，给所述第一和第二电路中的至少一个提供可变数量的功率。
38.如权利要求37所述的流量传感器，所述电源电路在电气上被连接到所述第一和第二电路中的每一个，以便依据所述流体的流率，给所述第一和第二电路中的每一个提供可变数量的功率。
39.如权利要求37所述的流量传感器，所述电源电路在低流率时，减少提供给至少一个所述第一和第二电路中的可变数量的功率，并在高流率时，增加提供给至少一个所述第一和第二电路中的可变数量的功率。
40.一种检测流量传感器中的高流动状况的方法，包括操作在所述流量传感器的当前工作温度下，确定预期的零流动信号；根据所述预期的零流动信号，确定阈值；确定由所述流量传感器在所述流量传感器的当前工作温度下所测得的实际流动信号；将由所述流量传感器测得的所述实际流动信号与所述阈值比较；和当所述实际流动信号超过所述阈值时，确定所述高流动状况存在。
41.如权利要求40所述的方法，所述流量传感器包括上游电路和下游电路，所述上游电路提供指示提供给所述流量传感器的上游线圈的功率的第一输出信号，所述下游电路提供指示提供给所述流量传感器的下游线圈的功率的第二输出信号，其中确定所述预期的零流动信号的操作包括在所述流量传感器的当前工作温度下，在零流率时，确定所述第一和第二输出信号的和的操作。
42.如权利要求41所述的方法，其中，确定所述阈值的所述操作包括用常数乘以所述预期零流动信号的操作。
43.如权利要求42所述的方法，其中，确定所述实际流动信号的操作包括在所述流量传感器的当前工作温度下，在当前流率时，确定所述第一和第二输出信号的和的操作。
44.如权利要求41到43中的任何一个所述的方法，进一步包括响应确定高流动状况存在的操作，防止提供给所述上游线圈和所述下游线圈的功率量增大过多的操作。
45.如权利要求44所述的方法，其中，所述防止操作包括调节提供给所述上游线圈和所述下游线圈的功率量的操作。
46.如权利要求45所述的方法，其中，所述调节所述功率量的操作包括调节提供给所述上游线圈和所述下游线圈的电压的操作。
47.如权利要求41到46中的任何一个所述的方法，所述流量传感器提供基于所述第一输出信号和所述第二输出信号的差的传感器输出信号，所述方法还包括响应确定高流动状况存在的操作，设置所述传感器输出信号到较高值的操作。
48.如权利要求40所述的方法，所述流量传感器包括上游电路和下游电路，所述上游电路提供指示提供给所述流量传感器的上游线圈的功率的第一输出信号，所述下游电路提供指示提供给所述流量传感器的下游线圈的功率的第二输出信号，所述方法还包含响应确定高流动状况存在的操作，防止提供给所述上游线圈和所述下游线圈的功率量增大过多的操作。
49.如权利要求48所述的方法，其中，所述流量传感器提供基于所述第一输出信号和所述第二输出信号的差的传感器输出信号，所述方法还包含响应确定高流动状况存在的操作，设置所述传感器输出信号到较高值的操作。
50.如权利要求40所述的方法，所述流量传感器包括上游电路和下游电路，所述上游电路提供指示提供给所述流量传感器的上游线圈的功率的第一输出信号，所述下游电路提供指示提供给所述流量传感器的下游线圈的功率的第二输出信号，其中，所述流量传感器提供基于所述第一输出信号和所述第二输出信号的差的传感器输出信号，所述方法还包括响应确定高流动状况存在的操作，设置所述传感器输出信号到较高值的操作。
51.如权利要求47、49或50中的任何一个所述的方法，其中，所述较高值依赖于通过所述流量传感器的流体的流动方向。
52.如权利要求40所述的方法，所述预期的零流动信号和所述实际流动信号分别指示了在所述流量传感器的当前工作温度下，在零流率和当前流率时提供给所述流量传感器的总功率量。
53.如权利要求17到29中的任何一个所述的传感器，其中，所述传感器是感知在导管中流动的流体的流率的流量传感器，所述传感器还包含电源电路，它在电气上被连接到所述第一和第二电路中的至少一个，以便依据所述流体的流率，给所述第一和第二电路中的至少一个提供可变数量的功率。
全文摘要
一种电阻桥传感器电路，包括具有第一可变阻值电阻器的第一电阻桥和基于第二可变阻值电阻器的第二电阻桥。第一和第二电阻桥电路至少共用设置第一和第二可变电阻器的电阻的公共参考臂的一部分。公共参考臂或公共参考臂的一部分也可以被可切换地连接到第一和第二电阻桥电路其中之一。
文档编号G01F1/684GK1675522SQ03819614
公开日2005年9月28日 申请日期2003年7月16日 优先权日2002年7月19日
发明者约翰·迈克·卢尔 申请人:迅捷集团公司