CN105431713A - 用于燃料加注环境的粘度相关流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量流过流量计的体积流量的系统和方法。所述方法的一个步骤涉及提供连接至有流体从其中流过的导管的流量计。本发明还提供一种存储有至少两条罗什科/斯特劳哈尔曲线的存储器。对流体的粘度进行测量。其中一条罗什科/斯特劳哈尔曲线是根据所述方法中的粘度选定的曲线。利用选定的罗什科/斯特劳哈尔曲线确定流过流量计的体积流量。

Description

用于燃料加注环境的粘度相关流量计

技术领域

本发明总体涉及在燃料加注环境中使用的涡轮流量计。更确切地说，本发明涉及一种对于具有不同粘度的多种流体具有增强测量精度的涡轮流量计。

背景技术

在美国专利8,381,597、8,096,446、6,854,342、6,692,535、5,831,176和5,689,071中示出并说明了涡轮流量计的多个例子(其中的每个专利通过完整引用结合在此)。涡轮流量计可用于测量液体的流率，而液体的流率可用于推导出流过流量计的液体量。在一些此类流量计中，在流量计外壳中沿液体流路布置两个涡轮转子。随着液体流过转子，这些转子转动。液体通过第一涡轮转子，并被导入第二涡轮转子，使得第二涡轮转子沿与第一涡轮转子相反的方向转动。

在涡轮流量计的标定过程中，已知的液体体积流率通常情况下通过流量计。以不同的流率和频率测量涡轮转子的转动频率，以达到组合“斯特劳哈尔”数。组合斯特劳哈尔数是转子A和B的频率(FA和FB)的和除以体积流率(Vf)的值，如下表示：

$Strouhal=\frac{FA+FB}{Vf}$

每个斯特劳赫尔数的组合“罗什科”数通过把频率的和(FA+FB)除以液体的粘度(ν)来确定，如下所示：

$Roshko=\frac{FA+FB}{v}$

斯特劳哈尔数和对应的罗什科数绘制在罗什科-斯特劳哈尔(R-S)曲线上和/或存储在有限点序列中，其中，斯特劳赫尔数绘制在一个轴上或存储在一个序列中，通常绘制在y轴上，对应的罗什科数绘制在另一个轴上或存储在对应的序列中，通常绘制在x轴上。在操作时，使用R-S曲线根据计算的罗什科数按如下所述确定斯特劳哈尔数。

首先测量涡轮转子的转动频率。正如本领域所知的，在涡轮流量计中采用传感线圈或其它传感装置(例如霍耳效应传感器)检测涡轮转子的转动。传感器检测涡轮转子上的每个叶片的运动，从而确定转动频率。在测得涡轮转子的转动频率后，可根据如上所示的罗什科数的公式确定罗什科数。在求得罗什科数后，可确定对应的斯特劳哈尔数。然后，使用斯特劳哈尔数和涡轮转子的频率根据下面的重新整理的斯特劳哈尔公式确定体积流率：

$Vf=\frac{FA+FB}{Sr}$

体积流率计算不断重复进行，从而可得出在任何给定时刻流过涡轮流量计的液体的体积流率。众所周知的是，可根据体积流率和时间推导出液体量。

如果涡轮流量计用于粘性有变化的液体流的应用中(例如在燃料加注机中)，那么精确测量流率和流量可能比较困难。在已知的系统中，基于“标准”粘度的假设使用单条罗什科/斯特劳哈尔曲线。虽然在较高流率时使用标准粘度可能有效，但是在较低流率时(例如低于2gpm)，这可能给体积测量值带来明显误差。这是由于，与较低流率的情况相比，在较高流率时，粘度的差异导致的罗什科/斯特劳哈尔差异较小。

在参照附图阅读以下的优选实施例的详细说明后，本领域技术人员能够理解本发明的范围，并能够实现本发明的附加特征。

发明内容

根据一个特征，本发明提供一种测量流过流量计的体积流量的方法。所述方法的一个步骤涉及提供连接至有流体流过的导管(即，流道)的流量计。本发明还提供一种在其中存储有至少两条罗什科/斯特劳哈尔曲线的存储器。对流体的粘度进行测量。其中一条罗什科/斯特劳哈尔曲线是根据实测粘度选定的曲线。利用选定的罗什科/斯特劳哈尔曲线确定流过流量计的体积流量。

本发明的另一个特征是提供一种包括控制器的涡轮流量计，在所述控制器中存储有与多个粘度值对应的多条标定曲线。在使用时，在有效液流期间确定实际粘度，并使用实际粘度选择标定曲线。

本发明之其它目的、特性和特征是通过已公开的元件不同组合和重新组合以及进行这种组合的方法来实现的，这些元件和方法将在下文中进一步详细说明。

附图说明

下面参照附图更具体地说明本发明的完整公开内容，包括其最佳实施方式，以指导本领域普通技术人员。

图1是采用根据本发明的一个实施例构造的一对涡轮流量计的燃料加注机的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例构造的涡轮流量计的示意性透视图；

图3是根据图2的实施例构造的涡轮流量计的流态的示意图；

图4是可与图2的流量计结合使用的罗什科-斯特劳哈尔(R-S)曲线的图示；

在本说明书及附图中重复使用附图标记，以代表本发明的相同或相似的特性或成分。

具体实施方式

本领域普通技术人员应理解，下面的论述仅是说明示例性的实施例，而不是为了限制本发明的更广泛的方面，这些更广泛的方面在示例性构造中体现。

图1示出了布置在燃料加注机40中的一对涡轮流量计10A和10B。燃料加注机40的用途是向车辆(未示出)加注燃料，并测量输送至车辆的燃料量。为了达到度量衡规定的要求，需要使用精确的流量计对燃料加注进行测量。

燃料加注机40可以是混合型的燃料加注机，其中，存储在低辛烷值燃料地下储罐42中的低辛烷值燃料41和存储在高辛烷值燃料地下储罐44中的高辛烷值燃料43由燃料加注机40混送，以向车辆输送低辛烷值燃料41、高辛烷值燃料43、或者这两种燃料的混合物。低辛烷值燃料41通过低辛烷值燃料供送管46供送至燃料加注机40。同样，高辛烷值燃料43通过高辛烷值燃料供送管48供送至燃料加注机40。低辛烷值燃料41和高辛烷值燃料43都在其独立的流路中通过燃料加注机40。每种燃料41、43遇到各自的阀门50、52，所述阀门控制是否允许燃料进入燃料加注机40，并且，在允许燃料进入燃料加注机40时，控制燃料的流率。阀门50、52可以比例方式控制，并且可由燃料加注机40中的控制器60经由控制线62、64控制。

控制器60确定何时允许开始燃料加注操作。典型情况下，用户需要按下开始按钮78，以指明需要燃料41、43之中的哪一个辛烷值，随后，控制器60根据由用户选择的燃料的辛烷类型控制阀门50、52，以允许加注低辛烷值燃料41或高辛烷值燃料43(或者这两种)。在燃料41、43通过两个阀门50、52后(如果用户选择的是混合辛烷值燃料)，燃料41、43流过涡轮流量计10A、10B。(如果用户选择仅加注低辛烷值燃料41或仅加注高辛烷值燃料43，那么控制器60会仅打开阀门50、52之中的一个。)随着燃料41、43流过涡轮流量计10A、10B，涡轮流量计10A、10B之中的每一个上的传感器29、30(图2)产生输入到控制器60中的相应信号66、68。采用上述技术，控制器60确定流过涡轮流量计10A、10B的燃料的流量，以确定输送这种燃料要向用户收取的金额。控制器60使用来自于信号66、68的数据产生总值显示70。总值显示70包括待向用户收取的金额的显示72、加注的燃料量(加仑或公升)的显示74、以及燃料单价的显示76。

而且，标题为“ProgrammableMultipleBlender(可编程多流混合机)”的美国专利4,876,653说明了与图1所示的类似的混合机操作，该专利的内容通过完整引用结合在此。随着低辛烷值燃料41、高辛烷值燃料43、或两种燃料通过其各自的涡轮流量计10A、10B，燃料会合在混合总管54中，并通过软管56和喷嘴58输送到车辆中。

在另一些实施例中，流量计10可在燃料加注站的地下储罐的通气立管中使用。为了一些诊断或信息收集目的，可能希望使用流量计10测量流过通气立管的空气量，以确定空气被渗透膜分离和排放到大气的频次和数量。正如美国专利5,464,466和5,985,002中所公开的，渗透膜可允许烃类透过，或者允许氧气或空气透过。这些专利的内容通过完整引用结合在此。在另一些实施例中，流量计10可在StageII蒸汽回收系统中测量返回到地下储罐的蒸汽量。

图2示出了根据本发明的一个实施例构造的流量计10。流量计10包括形成入口14和出口16的外壳12，所述入口14和出口16分别用于流体(液体或气体)的流入和流出。在外壳12内布置有固定轴18，以支撑在垂直于轴18的轴线的平面内转动的一对涡轮转子20和21。通常，在每个转子和轴18之间布置有一组轴承，以便各个转子转动。如图所示，转子20稍稍位于转子21的上游。因此，转子20可称为“第一涡轮转子”(转子A)，而转子21称为“第二涡轮转子”(转子B)。

转子20包括一个或多个轮叶22(又称叶片)，这些轮叶被流动的流体冲击时导致转动。类似地，转子21包括一个或多个轮叶23。现在请参考图3，轮叶22和23优选围绕相应转子中心体的外周间隔开布置。另外，转子20的轮叶22优选与转子21的轮叶23倾斜相对。轮叶22和23的这种朝向使两个转子以与流体流率成正比的转速相向转动(由箭头32和36示出)。例如，控制器可确定一个涡轮转子与另一个涡轮转子的转速比，以确定流体流率。

在所示的实施例中，通过入口14进入外壳12的流体会遇到转子20。由于轮叶22是斜面的，因此直行的流体流被转化为大致成涡流的流态，其角度轨迹基于轮叶22的角度27。这个角度轨迹相对于流量计10的纵轴(以“A-A”示出)是大致倾斜的。在通过转子20后，流体冲击转子21的轮叶23。转子20所导致的流体的角度轨迹使流体流向轮叶23的流入角增大。随着流入角增大，用于使涡轮转子21上发生转动的驱动力也增大。

通过对已安装到外壳12上的相应传感器29和30的轮叶22和23进行计数，可确定转子20和转子21的转速。在一些实施例中，可使用转速比来确定通过流量计10的液体或气体的流率。除了传感器29和30外，也可以使用检测转子20和21的转动的任何其它适当的技术。

在一些实施例中，传感器29和30是传感线圈，所述传感线圈产生电磁信号，该电磁信号穿过外壳12到达涡轮转子20和21。随着转子20和21转动，轮叶22和23在由传感线圈29和30产生的电磁信号上叠加脉冲信号。然后，该脉冲信号可输送至控制器60。控制器60使用脉冲信息确定转子的频率(Fr)。在较低流率时，转子20不一定转动。在这种情况中，控制器60可使用转子21的频率。控制器60还使用任何允许的技术(例如粘度传感器)确定流过流量计10的流体的粘度(ν)。

如图4所示，在与流量计配套(优选与控制器60配套)的存储器61中存储有多条R-S曲线。R-S曲线100、102和104以二维线形图示出，其中，对于x轴106上的给定罗什科数，可确定y轴108上的相应斯特劳哈尔数。

图4中所示的每条R-S曲线对应特定的流体粘度。例如，曲线102代表具有第一粘度的R-S曲线，曲线102代表具有第二粘度的R-S曲线，曲线104代表具有第三粘度的R-S曲线。存储在存储器中的曲线的数目仅受物理条件的限制，例如存储容量和处理速度。比较理想的是在存储器中存储大量R-S曲线。因此，某些实施例包含的曲线多于图4所示的三条R-S曲线。

典型情况下，由R-S曲线代表的粘度的范围包括预计在燃料加注应用中可能遇到的粘度值。这些不同的R-S曲线是在标定过程中产生的。可以理解的是，可在标定过程中使用不同的技术产生R-S曲线。例如，在一些实施例中，可使用具有不同粘度的过程流体来确定R-S曲线。在另一些实施例中，可在整个标定过程中使用相同的过程流体，但是流体的温度是不同的，并且利用一些温度补偿措施。在较低的流率时，可仅使用FB来确定曲线(此时FB是唯一可用的，因为在低速率时，FA是零)。对于较高流率，优选使用组合罗什科数。

在操作时，在有效流率期间(一旦FA>0)测量流过流量计10的流体的粘度(ν)。根据流过流量计10的流体的实测粘度(ν)，控制器60确定代表该特定粘度的R-S曲线。在代表实测粘度的R-S曲线没有存储在存储器中的情况下，控制器60优选选择代表最接近实测粘度的流体粘度的R-S曲线。本领域的技术人员能理解，通过增加存储在存储器中的R-S曲线的数目，能够提高流量计的总体精度。

然后，可使用选定的R-S曲线确定流过流量计的液体的体积流率(Vr)，并计算液体的流量(V)。为了确定体积流率(Vr)，控制器60利用代表与流动流体的实测粘度最接近的粘度的R-S曲线。然后，可根据转子频率和流体粘度例如上文所示的罗什科数公式确定罗什科数。对于存储在存储器中的每条曲线，分母中的粘度值(ν)是变化的。在求得罗什科数后，使用选定的R-S曲线或公式确定对应的斯特劳哈尔数。然后，使用斯特劳哈尔数和涡轮转子的频率根据上述的公式确定体积流率。

体积流率计算周期递增地不断重复进行，从而可得出在任何给定时刻流过涡轮流量计的液体的体积流率。众所周知的是，可根据体积流率和时间推导出液体量。在燃料加注机(例如图1所示的加注机)的例子中，可把液体的体积(V)传送至控制系统或其它电子线路，以便在加注机上显示加注的燃料量。

虽然在上文中说明并示出了本发明的一些优选实施例，但是在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本领域普通技术人员能够对其做各种修改和变化。另外，应理解，各个实施例的各方面可全部或部分地互换。而且，本领域普通技术人员能理解，上述说明仅是示例性的，不是为了限制本发明，本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (11)

1.一种测量流过流量计的体积流量的方法，包括以下步骤：

提供连接至有流体流过的导管的流量计；

提供存储有至少两条罗什科/斯特劳哈尔曲线的存储器；

测量所述流体的粘度；

根据所述粘度选择所述罗什科/斯特劳哈尔曲线之中的某一条；和

利用所选择的罗什科/斯特劳哈尔曲线计算流过所述流量计的体积流量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述流量计是双涡轮流量计。

3.如权利要求4所述的方法，其中，所述至少两条罗什科/斯特劳哈尔曲线源自于具有不同粘度的至少两种流体。

4.如权利要求4所述的方法，其中，所述双涡轮转子包括上游转子和下游转子。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述选择所述罗什科斯特劳哈尔曲线的操作发生在所述上游转子不转动时。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述选择所述罗什科斯特劳哈尔曲线的操作是根据所述流体的粘度进行的。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述体积流量基于所述下游转子的转速和所述流体的所述粘度。

8.一种用于确定流体流率的涡轮流量计，包括：

外壳，限定处于入口和出口之间的流路；

第一和第二涡轮转子，被以可转动的方式支撑在所述流路中；

至少一个传感器，配置为检测所述第一和第二转子的转动；

控制器，在工作时从所述至少一个传感器接收指示所述转动的信号；

所述控制器在工作时还接收指示所述流体的实测粘度的信号；

与所述控制器配套的存储器，存储与多个粘度值对应的多条标定曲线；以及

所述流量计在工作时根据所述粘度选择所述标定曲线之中的某一条标定曲线。

9.如权利要求8所述的涡轮流量计装置，其中，所述标定曲线之中的所述选定曲线与最接近实测粘度的粘度值对应。

10.如权利要求8所述的涡轮流量计装置，其中，所述控制器使用所述标定曲线之中的所述某一条选定曲线来确定所述流体的流率。

11.如权利要求8所述的涡轮流量计装置，其中，所述标定曲线是罗什科/斯特劳哈尔曲线。