CN1055994C - 监控通过流量计的流体流量当前值变化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监控通过流量计的流体流量当前值变化的方法，流量计包括一测量单元和与其相连的转轴(1)，当一定量流体流过测量单元时，转轴(1)绕自身轴线转动，该方法特征是它是在采样频率下检测转轴的转动位移而不是转速，该采样频率在一预定的采样关系中是可变的，所述频率被定义为至少一个预定流体流量值的函数，以及在采样频率下对与转轴转动位移的检测量和非检测量相对应的二进制码进行电子处理，以便在连续流量值谱内确定相对于预定流体流量值的流量当前值。

Description

监控通过流量计的流体流量当前值变化的方法及装置

本发明涉及一种对通过流量计的流体流量的当前值变化进行监控的方法，也涉及一种包括采用了此方法的装置的流量计。

已知的主要有两种流量计(涡轮式流量计和具有膜片的容积式流量计)，它们的共同特点是都包括一个测量单元或“测量块”，一定量的流体流过此测量单元或“测量块”，一转轴同其相连，转轴受流过所述测量单元的流体的驱动绕其自身轴线旋转。

转轴可以和测量单元直接相连，如涡轮式流量计，或者和测量单元间接相连，如具有膜片的容积式流量计。

转轴的每次转动表示流过一给定量的流体，这就是流量计的作用。

这样，它完全能够精确地随时间检测轴的旋转运动，以确定通过流量计的流体流量的当前值。

然而，遗憾地是，精确地检测旋转运动是很困难的。例如，由于流量计中各种运动元件和所述流量计的测量机构之间的摩擦，会出现旋转运动的紊乱，从而使转轴的旋转速度变化呈不连续性。

另外，转轴会有轻微的振颤。

所有这些现象都使得不能充分地测量被采样的转轴在某一确定时刻的位置，因此难以进行后续的电子处理来确定流体的流量。

再者，当此种流量计自带电源时，如电池组，应能尽可能地降低流量计的能耗，以延长电源的寿命。

然而，流量计不仅需要精确地且以低电源成本来确定流体流量的当前值，而且它还需要监控所述值随时间的变化、在一流量的连续值谱(Continuum)内的变化以及相对于此连续值谱中一预定流量值的变化。

例如，当流体流量达到了流量计量程的预定最大值时，出于安全原因，需要迅速作出反应，关掉处于流量计上游位置的阀门。

为此，就必须在直至预定最大值的整个量程范围内精确地知道流体流量的当前值。

例如，民用气体流量计，要求确定的最大值精度为2％-5％。

另外，当流量计工作时，流量会突然变化大于预定最大值，即，它要承受一“过剩流量”。

这样，重要的是首先要迅速观察到当前流量值的增加，然后是能够立即对阀门采取措施。

例如，对一个最大流量值为6m³/h的民用气体流量计，其过剩流量可以在100ms内达到50m³/h的量级，并可以持续15秒，以便在这段时间内关掉阀门。

如此看来，监控流体相对于所述最大流量值的流量变化以及相对于所述过剩流量值的流量变化十分重要，在整个流量连续值谱内跟踪这种变化也是必须的，即，应避免对转轴位置的漏检，此位置量表示转轴转速的增量，亦即流量的增量。

用磁敏元件来检测轴的转动是众所周知的。在这种机构中，一磁敏元件被固定在转轴上，另一个磁敏元件被固定在静止的支架上，在转轴的每次转动中，当两个磁敏元件面对时，静止的那个磁敏元件就发出一个相应于给定流量的脉冲。但是，为了抵御外部磁场的干扰，这种具有磁敏元件的流量计必须安装在如磁屏的特殊保护下。

使用共振检测系统来检测转轴的旋转运动也是熟知的，但是这样的系统不适合解决存在的问题。

为克服现有技术的这些缺点，本发明提供了一种监控通过流量计的流体流量的当前值变化的方法，以及提出一种包括应用了所述方法的装置的流量计。此装置特别用于检测最大流量和连续流量值谱中的过剩流量，还可以尽可能地减小电能消耗。

本发明提供的这种监控通过流量计的流体流量的当前值变化的方法，其中流量计包括一测量单元和一同所述测量单元相连的转轴，当一定量流体流过测量单元时，转轴可以绕其自身轴线转动。这种方法的特征在于它是检测转轴在一采样频率下的转动位移而不是转轴的转速，此采样率在预定的采样关系中是变化的且被定义为至少一个预定流体流量值的函数，而且它还用电子方法处理相应于转轴在所述采样频率下的转动位移的检测量和非检测量的二进制码，以便确定在一连续流量值谱中相对于其中的预定流体流量值的流量当前值。

根据本发明的另一个特征：

·在至少两个由采样关系预定的采样频率值f₁和f₂下，检测转轴的转动位移而不是转速。方法如下：首先是f₁被定义为某一个预定的流体流量值Q₁的函数，f₂被定义为Q₁和第二个预定流体流量值Q₂的函数，这里，f₁＜f₂且Q₁＜Q₂。于是频率f₁和f₂定义了两个连续流量值谱范围，这两个范围部分地重合，一个是扩展到由频率f₁所定义的流量值Q₁′，这里Q₁＜Q₁′＜Q₂，另一个从由所述频率f₂所定义的流量值Q₂′扩展到Q₂值，这里Q₁＜Q₂′＜Q₁′，为确定相对于所述流量范围的流体流量当前值，用电子方法处理频率f₁和f₂的函数的二进制码。

本发明的方法的优点就是能够确定流体流量的当前值所在的流量范围，这种流量范围部分重合并由具体选择采样关系决定的特性使得可在一个大的转速范围内可以紧紧地跟踪转轴的转动，即在整个流量连续谱内监控流量当前值的变化。

根据本发明的其它特性：

·在用电子方法处理二进制码之前，所述方法主要包括如下步骤：

1)在采样频率下，产生大量的相继的电子信号，采样频率在预定的采样关系中是可变的；

2)用每个所述电子信号来驱动至少一个敏感元件，所述敏感元件面对至少一个同转轴相联的标记(mark)的轨迹放置，用于依敏感元件相对所述标记的位置而发出二进制输出状态；以及

3)所述二进制输出状态用来形成表示有二进制码时序的输出信号，这些二进制码与转轴转动位移的检测量和非检测量相对应，每一检测都表示一定量的流体；

·在步骤1)当中：

a)在第一个时间间隔Δt₁内，在频率f₁下至少产生一个电信号；

b)在紧接Δt₁的第二个时间间隔Δt₂内，在频率f₂下至少产生一个电信号；

c)重复上述步骤。

在本发明的方法中：

a)对来自输出信号并表示转轴转动位移的检测量和非检测量的二进制码在采样频率f₁下连续地进行电子处理；

b)在时间间隔Δt₁结束时，来自输出信号并表示转轴转动位移的检测量和非检测量的二进制码同时在采样频率f₂下被进行电子处理，而在时间间隔Δt₁内，对二进制码是在所述频率f₁下进行电子处理；

c)重复上面二个步骤：

·频率f₂依赖于频率f₁；

·频率f₂大于或等于[Q₂/2Q₂′]f₁，这里[X]表示大于或等于X的第一个整数；以及

·采样频率f₁大于在流体流量当前值等于Q₁时转轴转动频率值的二倍。

根据本发明的其它特征：

·许多标记同转轴相联；

·在采样频率f₃下而不是在频率f₁和f₂下连续地产生大量的相继的信号，f₃要比f₂大，且为一预定流体流量Q₃的函数，这里，Q₃＜Q₁，f₃为f₂的函数以及标记数的函数，对转轴转动位移的检测次数进行计数，从而确定相对于预定值Q₁和Q₃的当前流体流量值；

·同时，在采样频率f₁和f₂下，对输出信号的二进制码连续地进行电子处理，以确定相对于预定值Q₁和Q₂，更确切地说，是相对于两个流量范围的当前值；

·频率f₃大于标记数同频率f₂的乘积；

·对采样频率f₁下的二进制码的电子处理中，在采样频率f₁下在时间间隔I₁/f₁内二进制码数I₁被储存并被选定，为了按由I₁和f₁所决定的精度来确定直至预定值Q₂′的当前流量值，在I₁个二进制码被存贮的同时对其进行累加；

·在对I₁个二进制码进行累加之前，对每一位都给定一个加权系数以便提高当前流体流量值的确定精度；

·I₁个二进制码数被存贮在具有I₁个位单元的移位寄存器中，对每个中央位单元都给定一个相同的且最大的加权系数，同时相应于最后和第一个所存贮的二进制码，分别给定递增和递减的系数；

·对采样频率f₂下的二进制码的电子处理中，选定一预定的输出信号二进制码数I₂，且对所述二进制码数I₂的值和表示转轴转动的检测数值进行识别，如果所识别的数不小于预定数I₃，则当前流体流量值就在预定流体流量值Q₂′和Q₂之间，否则，所述当前值就小于Q₂′；

·预定的二进制码数I₂依赖于f₂、Q₂和标记数；

·I₃依赖于Q₁和标记数；

·在重构信号之前，需要确定转轴的运动是旋转运动还是振颤运动，这是通过交替驱动另一个敏感元件以及识别和选择敏感元件的二进制输出状态序列来实现的。

·敏感元件是一光敏元件。

本发明还提供了一种流量计。它包括测量流量的则量单元，其测量单元同转轴相连，而转轴的每次转动都表示一定量的流体流过所述测量单元，它还包括一些装置，它们根据所述转轴的转动采用本发明的方法来监控流体流量的当前值变化。所述装置包括：

·至少一个敏感元件，它面对与转轴相联的至少一个标记的轨迹放置且被用来根据所述标记相对敏感元件的位置而发出输出的二进制码；

·在一采样频率下产生相继的电信号以驱动所述光敏元件的装置，采样频率在所使用的预定采样关系中是可变的，且每个频率值被定义为至少一个预定的流体流量值的函数：

·基于敏感元件发出的二进制输出状态而形成输出信号的装置，所述输出信号表示了二进制码的时间序列，而此二进制码同转轴转动位移的检测量和非检测量相关；以及

·二进制码的电子处理装置，它用来处理由所述采样频率决定的二进制码，以便确定一连续流量值谱中相对于预定的流体流量值的流体流量当前值，采样频率依赖于此预定流量值。

根据本发明的其它特征：

·二进制码的电子处理装置，具体地说，它包括用来选择一预定义的输出信号的二进制码数的装置，其中对每一采样频率所取的值，二进制码数是不同的；

·二进制码的电子处理装置包括在一采样频率值f₁下选择一预定义的输出信号二进制码数I₁的装置，采样频率被选作为一预定流体流量值Q₁的函数，所述装置为一存贮装置，同累加装置一起用于在一个扩展到大于Q₁值且由f₁所选定的值定义的连续流量值范围内确定流体流量的当前值，累加装置用来累加被存贮的二进制码数I₁，所确定的值的精度依赖于I₁和f₁；

·二进制码存贮装置包括至少一个由I₁个位单元构成的移位寄存器，在采样频率f₁下每个位单元接收一个二进制码；

·电子处理装置还包括加权装置，它用于在应用的关系中给二进制码数I₁加权，此关系就是给每个中央位单元一个相同的且最大的加权系数，以及分别地给相应于最后和第一个所存贮的二进制码递增的和递减的加权系数，所述加权关系用于提高所确定的当前流量值的精度；

·二进制码的电子处理装置包括用来在采样频率值f₂下选择一预定义的输出信号的二制码数I₂的装置，f₂依赖于f₁、Q₁以及第二个预定的流体流量值Q₂，这里f₁＜f₂、Q₁＜Q₂、I₂依赖于f₂、Q₂、及标记数，并且还包括用来在I₂个二进制码中识别表示转轴位移检测量的二进制码的个数的装置，此数用来确定流体流量当前值是否在直到大于Q₁的流量值范围内或是否该流量在直到Q₂的范围内；以及

·敏感元件是一光敏元件，标记是可见的标记。

根据本发明其它特征：

·用于监控流体流量当前值变化的装置包括一轮子，它同转轴一起旋转并具有D₁个轮齿或可见标记；

·用于监控流体流量当前值变化的装置包括另外一个轮子，它同转轴一起旋转并具有D₂个轮齿或可见标记，这里D₂＞D₁；

·用于监控流体流量当前值变化的装置包括用于确定转轴的位移是转动位移还是振颤位移的装置；

·用于确定转轴的位移是转动位移还是振颤位移的装置包括每个轮子的第二光敏元件。此光敏元件处于相对于第一光敏元件来说半个轮齿宽的角度的位置，且该装置是同用于识别和选择光敏元件的序列输出状态的装置连在一起的；以及

·每个光敏元件都由一发射器和接收器所构成，发射器和接收器分别在轮齿的轨迹两边相对的位置上。

下面通过非限定性的实施例并参照附图，将对本发明的其它特征和优点作全面的描述，在附图中：

·图1示出了气体流量当前值的变化，所采样的当前值是真实气体流量的函数；

·图2示出了通过本发明的方法所监控的流量变化范围。

·图3是本发明的装置中齿状轮和光敏元件的平面视图；

·图4是图3所述装置的齿状轮和光敏元件的侧视图；

·图5是表示该装置各种电子功能块的方框图；

·图6表示如何产生脉冲序列VA和VB来驱动光敏元件A和B；

·图7是本发明装置中所用的各种信号的波形图；

·图8是本发明装置中电子功能块60的详细图；

·图9是本发明装置中电子功能块80的详细图。

本发明特别应用于那种具有膜片的民用气体流量计，此膜片是广为人知的，因而下面将不再描述。这种民用流量计，在欧洲专利No.0128838中作了描述，但在图中未示出。它包括一个又被称作测量块的气体量测量单元，它通过一机械传动系统同转轴1的一端相连。转轴的每次转动都表示一定量气体通过流量计的测量单元。气体流量计还包括装置10，它用来监控气体流量当前值的变化，还包括采样系统，即，一种检测在不同时刻转轴1的位置的装置，下面将描述此系统。

在上述的这种同其自身电源相配的气体流量计中，最通常的问题是要监控在一连续流量值谱中的流量当前值的变化，该连续流量值谱从一可以为0的预定值Q₀扩展到包含在所述连续流量值谱内的一预定值Q₁＝Q_max，过剩流量为Q₂，这里Q₀＜Q₁＜Q₂。

本发明的气体流量计必须能够确定相对预定值Q₁和Q₂的流体流量当前值，从而确定流量计是否处于过剩流量的条件下(此条件可在100ms内形成)，或流量计是否在正常情况下工作，此时其流量测量范围为Q₀到Q₁(Q_max)，且消耗尽可能少的电能。更具体地说，本发明还能够从Q₀到Q₁甚至超过此范围以足够的精度来确定气体流量的当前值。

概括地讲，本发明的方法首先是在被称为“采样”频率的频率下检测转轴的转动位移而不是转速，该频率在所用的预定的采样关系中是可变的；其次是用电子方法处理与所述采样频率下的转轴转动位移的检测或非检测量相关的二进制码。

采样频率被定义为至少一个预定的气体流量值的函数。在本发明的实施例中，以两个采样频率f₁和f₂来建立采样关系以确定相对预定值Q₁和Q₂的气体流量当前值。于是频率f₁被定义为Q₁值的函数，而比f₁大的f₂被定义为Q₁和Q₂的函数。

选择频率时，最好定义两个流量范围，这两个范围合在一起能覆盖连续流量值谱且部分地重合，以免出现对转轴转动的漏检，从而避免了连续值谱中无流量值。

当前流量值为Q₁(Q_max)时，对转轴转动进行采样的采样频率，最好大于转轴转动频率值f的二倍，由此可定义流量范围a为从Q₀至Q₂′，这里Q₁＜Q₂′＜Q₂。通过选择这些频率值，就可以精确地确定当前流量值，更具体地说，可以不仅从Q₀到Q_max而且从Q₀直到Q₂′都可检测流量值Q_max。例如，f₁＝2.5f(Q_max)Q₂′取值为1.25Q_max。

如果频率f₁值选为2f(Q_max)，则就不可能在从Q₀到Q_max的范围以外来精确地确定流量当前值。其结果是，在确定当前值时在Q_max附近的流量范围不可能得到更好的精度。

图1示出了利用上述的系统所采样气体流量当前值在采样频率值为f₁和f₂时随气体实际流量的函数变化，图中由字母a所表示的直线，即方程Y＝X可看出，当气体的实际流量从增加到Q₂′＝1.25 Q_max时，采样流量也从Q₀增加到Q₂′，因此可在范围a内精确地确定。

图2示出了由本发明方法所定义的流量范围在流量连续谱(Q₀到Q₂)中的分布和部分重合的情况。图2还示出了上面所定义的范围a。另外，从图1中在实际流量Q₁和Q₁′和采样流量Q₁和Q₂′(＝1.25 Q_max)之间用三角形所表示的部分可看出，当实际流量从Q₁增加到Q₁′，采样流量沿直线部分Y＝X增加到Q₂′，然后沿直线部分Y＝-X减少到Q₁′，这种现象称为Q₂′值的谱“混迭”(aliasing)或“折叠”(folding)，它使得当检测到Q_max且采样流量先增加然后下降，同时保持大于Q_max时，可以在范围b内确定当前流量值，此范围由构成上述三角形底部的水平直线部分表示。图2清楚地表明，因谱混迭现象所得出的范围b使得流量检测范围a可以扩展到Q₁′＝1.5 Q_max，于是定义了流量的范围为从Q₀到Q₁′。

如图1和2所示，如果需要在两个预定流量Q₁和Q₂之间检测一过剩流量，那么应选择一个依赖于频率f₁的频率f₂，更确切地说，应选择一个大于或等于表达式[Q₂/2Q₂′]f₁的f₂，这里，[Q₂/2Q₂′]表示大于或等于Q₂/2Q₂′的第一个整数，由此定义一个流量范围从Q₂′＝1.25Q_max延伸到5Q_max。例如，对f₂＝4f₁，Q₁＝6m³/h以及Q₂＝50m³/h。该频率f₂用于当实际流量从1.25 Q_max增加到5 Q_max时来精确地确定流量当前值。但是由于谱的混迭现象，当实际流量从5Q_max增加到Q₂＝8.75 Q_max时，用该方法不能确定当前流量值。遗憾的是如果需要在整个范围c内精确地确定流量当前值，那么就必需增大采样频率值，这样势必会增加了气体流量计的电能消耗。

然而，通过利用5Q_max处的谱混迭以及检测何时当前流量值经过一个等于Q₂′的预定阈值，在所述阈值被检测到后，本发明的方法就可以确定当前流量值在Q₂′到Q₂的范围内(范围c)，此时就达到了过剩流量的条件。如果c包括了很宽的范围而当前流量值的确定精度要求不高，这一特性有其很大的优点。另外，频率的选择是适当的，因为它使得从Q₀到Q₁′以及从Q₂′到Q₂两个流量范围部分地重合从而不会在两个流量范围之间漏掉流量值。于是本发明通过利用适当的采样关系，从而可在流量连续值谱内监控当前流体流量值的变化。

如果不是在由本专利申请人所确定的频率下进行采样，则会导致两个并列的流量范围。此时，如果是紊乱的转动，就可能漏掉转轴的某些转动位移的检测，在两个范围的边界处就会漏掉某些流量值，而且也会增加电能消耗。如图3所示，装置10有一机械部分12，一中心孔穿过其中并在一较大的表面12a的上有一齿轮16同另一齿轮18啮合，齿轮18是固定在转轴1的末端，此末端远离和流量计的测量单元间接相连的另一端，机械部分12的大平面12a和12b是同转轴1相垂直，该部分在不带齿轮的大平面12b上包括两条沿与转轴平行方向延伸的可见系列标记或齿，数目为D₁和D₂，标记20和22处于两个不同半径的圆周上，以形成两个齿状轮24、26，它们同所述机械部分12形成一体。

如图4所示，第一个轮24例如可以仅由一个齿(D₁＝1)所构成，它占据了半径为R₁的圆周的一半，第二个轮26例如可以由32个齿(D₂＝32)所构成，它们均匀地沿半径R₂的圆周分布，这里，R₂大约为R₁的两倍，且和机械部分12的半径相等。

机械部分12被装在一个枢轴28上可转动，其中枢轴被设计成与中心孔14配合，枢轴固定于一静止支撑座30上，在本实施例中，该支撑座是一个电子板。

装置10包括至少一个光敏元件32，它由一发射器32a如一红外二极管，以及一接收器如光敏三极管所构成。此光敏元件构成U形叉状，其中一分支由发射器构成，另一分支由接收器构成。U型光敏元件的基座固定于支撑座30上，光敏元件32的发射器和接收器分别相对设在轮24的齿20的轨迹两边而固定，见图3和4。在本实施例中，两光敏元件32和34同齿状轮24相联，两光敏元件36和38同齿状轮26相联。对每个齿状轮来说，每个光敏元件都处于相对于另一光敏元件为半个齿宽的角度的位置上。这样，对于小轮24，两个光敏元件相偏离成90°，对于大轮26，两光敏元件相偏离成31°。一固定于电子板30的平板40被用来确定上述各种光敏元件之间的相对几何位置，也可以采用同标记相联的非光敏元件，而不必用和轴转动相联的光敏元件。

图5是装置10的主要功能块的总体图，在本发明中，装置10用于监控流体流量当前值的变化，这是本发明方法中的必要步骤。除去光敏元件和齿状轮，这些功能块形成了安装在上述电子板30上的专用集成电路(ASIC)的一部分。该集成电路用于控制光敏元件并对来自光敏元件的电子信息进行处理，电子板还带有一微控制器，用于按程序对光敏元件的参数(采样频率，预定流量值等)进行控制，并输入集成电路所提供的信号。该板还带有一电池，用于给本发明装置的各部件进行供电。这些都未在图中示出。

如图5所示，一个主时钟50发出一例如32KHz的基频，响应于该频率，电子分频器块52向装置10的各种功能块发送脉冲形式的信号，该脉冲频率在预定的采样关系中是随时间变化的。

正如前面所描述的，为了精确地确定在Q₀到Q_max范围内的气体流量，选择一频率，使得可以在直至Q₁′＝1.25Q_max的范围内都可确定当前流量值。按照实施例的方法，当气体流量当前值等于Q_max时，频率f₁等于转轴1的转动频率的2.5倍，例如，选择频率f₂等于表达式[Q₂/2Q₂′]f₁是有利的，这里[X]指大于或等于X的第一个整数。例如，对Q₁＝6m³/h，Q₂＝50m³/h，f₂可以等于4f₁，Q₀选为零，当f₂为14Hz时，f₁为3.5Hz。

通过利用在一组适当频率下所产生的脉冲信号，可以明显地减低电能消耗，因而同直流电源信号相比，或同高频采样相比，增加了电池的寿命。同时，仍然能监控气体流量的当前值，特别是能够以所需的精度确定Q_max并检测过剩流量。

在气体流量计正常的工作情况下，一开关块54从四个光敏元件32、34、36、38中选择小齿轮24的标示为A、B的光敏元件32和34，这里光敏元件36和38分别标示为C和D。分频器块52利用主时钟信号50，并以常规方式产生称为时钟信号H的电信号序列，该电信号是按时间顺序的一个个脉冲，它包括在频率2f₁下产生的第一列脉冲和在频率2f₂即8f₁下产生的第二列脉冲。如果在所述实施例中每个轮采用两个光敏元件，每个光敏元件的二极管随时间被交替驱动，这样就需要从主时钟50产生两个脉冲序列。于是，为了给光敏元件A的二极管供电，以时钟序列H的偶脉冲来产生一脉冲序列V_A，见图6。这样得到第一列20个大间隔的脉冲(频率f₁)，接着是第二列13个小间隔的脉冲(频率f₂＝4f₁)。同样地，为了驱动光敏元件B的二极管，从时钟序列H的奇脉冲来产生一脉冲序列V_B，由此得到第一列21个大间隔脉冲(频率f₁)，接着是第二列12个小间隔的脉冲(频率f₂)，图7示出了在时间上交错的二个序列V_A和V_B。

每一列在频率f₁下所产生的脉冲持续时间为Δt₁，每一列在频率f₂下所产生的脉冲持续时间为Δt₂。

每个以这种方式驱动的光敏元件A和B按相对于轮24的齿20的位置发出的一个二进制输出状态。因为光敏元件A和B相偏离成90°，所以光敏元件被不停地驱动而识别轮齿。图7的信号R_A和R_B表示了轮24的齿20的分布。光敏元件A和B的输出是以“线或”(wired-OR)而连接在一起并作为电子块60的信号输入。电子块60用于确定转轴的位移是转动位移还是振颤位移，以及用于重构对应于作为光敏元件A和B所采集的时间的函数的转轴转动位移的信号P(图7)。图7中块60的输入信号以V_AB所示。

光敏元件A和B的二进制输出状态用于形成一输出信号，该输出信号表示所述光敏元件所采集的对应转轴转动的检测量和非检测量的二进制码时间序列。在开始时，在用于驱动光敏元件A和B的序列V_A和V_B的各自脉冲的下降沿上，通过在双稳态Q_A和Q_B中的采样信号V_AB将信号V_A和V_B分离出来。图7示出了双稳态Q_A和Q_B的输出。因此，形成电子块60的一部分的且反相器、与非门(NAND)和一个R/S双稳态触发器组成的电路62通过识别和选择光敏元件A和B所提供的二进制输入状态序列来区分振颤和转动。

因而R/S的双稳态的输出通过下面的方式被加强：

·通过“置位”输入“Q_A和Q_B”的逻辑乘积值。

·通过“复位”输入“Q_B和Q_A”的逻辑乘积值。电路62用于检测同下面状态序列相对应的转动：Q_A＝0、Q_B＝1、Q_A＝1、Q_B＝0、Q_A＝0。

通过在每个轮采用至少两个光敏元件，有利于细化获得的转轴位移位息。

在这种结构中，一个光敏元件，例如光敏元件A，用于检测转轴的转动位移，同时光敏元件B用于校验它的确是转动而不是振颤。在电路62的输出时，得到一个重构的信号P，该信号同光敏元件A和B所采集的转轴随时间的转动位移相对应。这种在图7底部所示的信号P是由逻辑0和1的序列所构成的。该逻辑0-1状态的0到1或1到0翻转对应于上升沿和下降沿，每次翻转表示对转动位移作一次检测。每个给定位移相应于一给定气体量。

相应于转轴转动位移的检测量或非检测量的二进制码从重构信号P中被提取，以便产生一输出信号I(图7)，该输出信号以光敏元件A和B所采集的检测脉冲的形式来直接表示检测量和非检测量二进制码随时间的状态。这个输出信号通过决60中的电路64(图8)由重构信号P产生，其中该电路是由D型双稳态触发器，一异门(XOR)和一与非门组成。应当说明的是，这种将重构信号P转换成信号I的步骤不是必需的，所述信号P可以直接进行电子处理，这里，信号P在本发明方法的其它部分里的电子处理中作为输出信号。

在本发明的一个变形中，每个轮可以只用一个光敏元件，在此情况下，对光敏元件来说只产生一个电源信号序列，该序列是由在时间间隔Δt₁内和频率f₁下所产生的一列脉冲，以及在时间间隔Δt₂内和频率f₂下所产生的一列脉冲而构成的。

块70用于对来自信号I的检测脉冲进行计数且仅仅对那些逻辑值为1的脉冲进行计数，这就可对流经流量计测量单元的气体量进行连续检测，在实施例中，块70可以由一四位电子计数器所构成，于是为确定在Q₀到Q₂(50m³/h)的流量连续值谱的范围内的流量当前值，对相应于转动位移的检测量或非检测量的二进制码进行电子处理，此当前值相对于预定值Q₁和Q₂而定。

更确切地说，本发明方法用来确定相对于流量范围Q₀到Q₁′和Q₂′到Q₂的流量当前值，因而可以确定气体流量计是否在流量测量范围内(0到Q_max)的测量模式或者气体流量计是否在范围C(Q₂′到Q₂)的过剩流量状态下工作。

第一个处理步骤是在输出信号I中选择一预定义的检测和非检测二进制码数，其中所选的数对每个频率f₁和f₂是不同的，在气体流量计正常的工作情况下，光敏元件A和B是在采样频率f₁下被驱动，且，在所述采样频率f₁下，通过将预定二进制码数存入一个I₁位的移位寄存器72的方式来选定该预定数，在正常工作情况期间内都持续进行。在频率f₁下每个二进制码都为“1”或“0”的形式根据它是表示检测量或非检测量而被存贮。

为了确定气体流量的当前值，在选定了每个所述二进制码并将其存在寄存器中时，一电子块对I₁个二进制码进行累加，该电子块由一个半加法器的阵列(array of half-adders)74所构成。尽管如此，为了得到更好的精度，需要对I₁个二进制码中的每个都给以加权系数。下面所描述的实施例更清楚地说明了为什么在寄存器72中给二进制码加权是有利的。假定第一个检测码(“1”)被存于寄存器中并得到非常好的精度，即几乎在翻转发生的同时而检测到该翻转(检测)。其后，其它二进制码(“0”或“1”)被存于寄存器中，这些二进制码的时间精度很差，紧跟其后的最后一位二进制码能得到很好的时间精度，它记录在所述的移位寄存器72的第一个位单元中。在这特定的情况下，第一个记录位是在寄存器的最后一个位单元中，并且在两个端位之间，因而时间间隔精确，所得到的精确给定的二进制码是和气体量是相关的，所以，可以得到一个正确的平均流量值。此时，移位寄存器所记录的下一位，例如一个具有很差时间精度的二进制码使第一个记录位离开寄存器72的最后位单元，从而使整个寄存器的精度变差，因而使测得的平均流量值精度下降，因此，通过在所应用特殊加权关系中对寄存器的位单元给以加权系数，可以将二进制码进入和离开寄存器所造成的影响降低到最小。

最好的方法是，对中间的位都给出一个相同且最大的加权系数，同时，对进入寄存器的最后一个和第一个二进制码相应的位分别给出递增和递减的系数。例如，I₁等于20，f₁＝3.5Hz。则I₁/f₁等于5.7S。每个和一次翻转对应的二进制码表示一个流量Q_max/16，即0.6l/h。作为寄存器中位单元的函数的加权关系如下：

·对前面4个单元，加权值从1至4线性增加；

·对中间12个单元，加权值不变，等于5。

·对最后4个单元，加权值从4到1线性减小。

电子块74也可以常规方式进行加权。

当对二进制码进行记录和加权时，电子块74不对所加权的二进制码进行累加，通过识别一个比64大的累加值来检测Q_max，该累加值和寄存器72中所存的16个检测二进制码或翻转对应。检测到时，一报警信号被触发指示微处理器必须立即发出一个指令来关掉处于流量计上游的阀门。

当和值为80时，那就意味着当前流量值为1.25 Q_max(Q₂′)。经过存贮16次检测相应的时间后，就得到一个高精度的平均流量值，如1.8％。一般来讲，所得到的平均流量值的精度依赖于二进制码数I₁和频率f₁。时间间隔I₁/f₁可以满足所需要的精度且可消除转轴转动的紊乱现象。

在采样频率f₁下以及在正常工作时间内，对二进制码连续地进行电子处理以便能够在任何时刻确定流量计量程内的流体流量当前值。在Δt₁的时间间隔结束时的同转轴转动位移的检测量和非检测量相对应的二进制码在时间间隔Δt₂内在采样频率f₂下进行电子处理，即在所述采样频率下同时驱动光敏元件A和B时进行电子处理。例如，Δt₁＝6S及Δt₂＝0.9S。

块80用于选择一个预定义的二进制码数，并在I₂个二进制码中识别出现的检测(翻转)数。数I₂依赖于频率f₂和预定的流量值Q₁，还依赖于齿数D₁。如果检测数大于依赖Q₁和齿状轮齿数D₁的预定数I₃，那么就可确定流体流量的当前值是在流量范围c内，即，在预定值Q₂′和Q₂之间。

为了在频率4f₁下采用单齿轮24来检测大于预定值Q₂′＝1.25Q_max的值，只要知道在所述频率4f₁下的7个周期内，在转动整整一周中光敏元件A和B检测了多少次实际转动，这意味着要检测阈值，就要知道光敏元件A和B是否在8位的范围内即七个连续周期内检测到多于三次的翻转，因此在本例中I₂＝8、I₃＝3。不过，这些预定数会根据预定的流量值和所选的采样频率而变化。

如图9所示，一个具有反相输入的逻辑与门同一个二位计数器82和一计数器84一起置于块80的输入处，其中二位计数器82用来识别预定的翻转次数I₃，而计数器84用来选择一个预定义的连续采样的数I₂，即时钟4f₁的七个周期数。这个简单电路还包括两个与门。于是块80通过在二位计数器82中记录翻转次数直到经过时钟Δf₁的七个周期为止。一旦计数器检测到三次翻转，就不再记录新的翻转且产生一个信号表明已检测到一过剩流量，于是使处于流量计上游的阀门关掉。

因为由第二个齿状轮26可以得到很好的分辨率，用于监控流体流量当前值变化的装置10还能够检测气体的泄漏，这个轮可以检测到5.6°的转动，相当于0.018升的气体量。

当气体流量计进行泄漏检测时，当上游的阀门打开后，可在例如50S的时间内检测出5l/h的泄漏流量。开关块54选择第二齿状轮的光敏元件C和D，分频器块在频率f₃下将一列脉冲形式的电子信号在时间上交替地馈送给每个光敏元件，其中频率f₃大于齿数D₂和频率f₂的乘积，即，大于采样频率f₂＝1.4Hz的32倍，例如该频率值可以为512Hz。频率f₃为齿状轮26的齿数D₂及频率f₂的函数。

和上述方法类似，光敏元件C和D发出由块60的D型和R/S双稳态触发器所存贮和使用的二进制码输出，以形成由光敏元件C和D所采集的脉冲形式的输出信号I，该信号表示二进制码的检测码和非检测码随时间的出现。四位计数器70于是在上述的时间区间(50S)内对同转轴的位移相应的脉冲数开始计数，并将计数结果送到微控制器，一旦记录了一给定的脉冲数，微控制器就触发一关闭阀门的信号。此脉冲数意味着已达到了流体流量的预定值Q₃，该流量被称为泄漏流量，这里Q₃＜Q₁，Q₃＝5l/h。

在本发明的一个变化形式中，微控制器从块60的双稳态Q_A和Q_B的输出中直接读出相应转轴转动位移的检测的二进制码。同时，随着在输出信号I中对转轴转动位移的检测二进制码的计数，分频器块86将所述信号的频率分成32份，这与大轮26的齿数32是对应的，从而使相同的功能块72、74和80能被重复使用，在整个泄漏检测过程中分别在采样频率f₁和f₂下同时对输出信号所提供的信息进行电子处理，其中所采用的方式和功能块72、74和80一样，这种同时处理的优点是，可以在泄漏检测条件下，在包括了预定值Q₁和Q₂的流量范围内监控流量的变化。

较有利的是，由于采样频率的可变性，可改变采样频率值f₁、f₂、f₃以适应给定流量计的单位流量，从而不必须修正采样流量即可标定流量计。

Claims (30)

1、一种监控通过一流量计的流体流量当前值变化的方法，该流量计包括一测量单元和同所述测量单元相连且当一定量流体经过测量单元时转轴可绕自身轴线转动的一个转轴(1)，该方法的特征在于，它是在采样频率下检测转轴的转动位移而不是转速，该采样频率在所用的预定采样关系中是可变的，所述频率被定义为至少一个预定的流体流量值的函数，为了在一连续流量值谱内相对于包括在所述流量连续值谱内的预定的流体流量确定流体流量的当前值，在所述采样频率下对同转轴转动位移的检测量和非检测量相应的二进制码进行电子处理。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在至少两个由采样关系所预定的频率值f₁和f₂下，检测的是转轴的转动位移而不是转速，采样关系按如下方式，f₁被定义为第一预定的流体流量值Q₁的函数，f₂被定义为Q₁和第二预定的流体流量值Q₂的函数，这里f₁＜f₂以及Q₁＜Q₂，由频率f₁和f₂定义两个流量连续值范围，这两个范围部分地重合，一个是一直扩展到由频率f₁所定义的流量值Q₁′的范围，这里Q₁＜Q₁′＜Q₂，另一个是从所述频率f₂所定义的流量值Q₂′扩展到值Q₂的范围，这里Q₁＜Q₂′＜Q₁′。以及为了确定相对于所述流量范围的流量当前值，二进制码被作为所述频率f₁和f₂的函数来进行电子处理。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在对二进制码进行电子处理之前，所述方法包括如下的步骤：

1)在采样频率下产生大量的相继的电子信号，该采样频率在所用的预定的采样关系中是可变的；

2)用每个所述电子信号来驱动至少一个敏感元件(32，36)，所述敏感元件面对和转动转轴相联系的至少一个标记(20，22)的轨迹放置，用于根据所述敏感元件同所述标记的相对位置发出一个二进制输出状态；以及

3)所述二进制输出状态被用来形成表示同转轴转动位移的检测量和非检测量相对应的二进制码时序的输出信号，每个检测表示一给定量流体。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1)中：

a)在第一个时间间隔Δt₁内，在频率f₁下至少产生一个电信号；

b)在Δt₁随后的第二个时间间隔Δt₂内，在频率f₂下至少产生一个电信号；以及

c)重复上述步骤。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

a)在采样频率f₁下，来自输出信号并表示转轴(1)转动位移的检测量和非检测量的二进制码被连续地进行电子处理；

b)在时间间隔Δt₁结束时，来自输出信号并表示转轴(1)转动位移的检测和非检测的二进制码同时在频率f₂下被进行电子处理，而在Δt₁内二进制码是在所述频率f₁下被进行电子处理；

c)重复上述步骤。

6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，频率f₂依赖于频率f₁。

7、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，频率f₂大于或等于[Q₂/2Q₂′]f₁，其中[X]表示大于或等于X的第一个整数。

8、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采样频率f₁大于转轴转动频率值的两倍，此时流体流量的当前值为Q₁。

9、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，多个标记(22)同转轴(1)相联。

10、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，不是分别在频率f₁和f₂下产生大量相继的信号，而是在大于频率f₂的频率f₃下不断地产生大量相继的信号，频率f₃为预定流体流量值Q₃的函数，这里Q₃＜Q₁，也为f₂的函数以及标记数的函数，为了确定相对于预定值Q₁和Q₃的流体流量当前值，对转轴转动位移的检测次数进行计数。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在采样频率f₁和f₂下同时地对输出信号的二进制码连续地进行电子处理，以确定相对于预定值Q₁和Q₂，更确切地说是相对于两个流量范围的流量当前值。

12、根据权利要求10所述的方法，其特征在于，频率f₃大于标记(22)数和频率f₂的乘积。

13、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在采样频率f₁下的二进制码的电子处理过程中，通过在采样频率f₁下在时间间隔I₁/f₁内进行存贮来选择一个二进制码数I₁，在I₁个二进制码被存贮时，同时对它们进行累加，以便以依赖于I₁和f₁的精度来确定直到预定值Q₂′的流体流量当前值。

14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在对I₁个二进制码累加之前，对其中每一个二进制码都给定一个加权系数，以便提高确定流体流量当前值的精度。

15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，I₁个二进制码被存在一具有I₁个位单元的移位寄存器中，并对每个中央位单元都给定一个相同的也是最大的加权系数，同时对与所存贮的最后一个和第一个二进制码相应的位单元分别给以递增的和递减的加权系数。

16、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在采样频率f₂下的二进制码的电子处理过程中，选择一个预定义的输出信号二进制码数I₂并识别在所述I₂个二进制码中且表示转轴位移的检测量的二进制码数，如果所识别的数不小于一预定数I₃，则流体流量当前值位于预定流体流量值Q₂′和Q₂之间，否则所述当前值小于Q₂′。

17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，预定义的二进制码数I₂依赖于f₂、Q₁和标记(20)数。

18、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，数I₃依赖于Q₁和标记(20)数。

19、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在重构信号之前，通过交替地驱动一敏感元件(34，38)以及通过识别和选择敏感元件的有序的二进制输出状态来确定转轴(1)的位移是转动位移还是振颤位移。

20、根据权利要求3或19所述的方法，其特征在于，敏感元件(32、34、36、38)是一光敏元件。

21、一种流量计，包括一个用于测量流体量的测量单元，其中测量单元同一个转轴(1)相连，每次转动都表示一定量流体经过所述测量单元，以及包括用于通过采用根据权利要求1到20中任一权利要求所述的方法由转轴的转动来监控流体流量当前值变化的装置(10)，该流量计特征在于，所述装置(10)包括：

·至少一个敏感元件(32、36)它面对同转轴(1)相联的至少一个标记(20、22)的轨迹放置，用于根据所述敏感元件同所述标记的相对位置发出一个输出二进制码；

·用于在一采样频率下产生相继的电子信号以驱动光敏元件的一主时钟(50)以及一分频器块(52)，该采样频率在所用的预定的采样关系中是可变的，每个频率值被定义为至少一个预定的流体流量值的函数；

·用于根据敏感元件(32、36)所发出的二进制输出状态产生输出信号的一电子块(60)以及一电路(62)，所述输出信号表示同转轴转动位移的检测量和非检测量相对应的二进制码时间序列；以及

·功能块，其用于根据所述采样频率对二进制码进行处理，以便在连续值谱内相对于预定的流体流量值确定流体流量当前值，预定流量值决定了采样频率值，所述功能块包括存贮装置(72)、加法装置(74)以及电子块(80)。

22、根据权利要求21所述的流量计，其特征在于，存贮装置(72)包括至少一个移位寄存器，该移位寄存器由I₁个位单元所构成，且每个位单元用于接收在采样频率f₁下的一个二进制码，用于在采样频率f₁下选择输出信号的一个预定义的二进制码数，I₁，其中采样频率f₁为预定流体流量值Q₁的函数，所述二进制码数对于不同采样频率所取的值来说是不同的，加法装置(74)包括一个半加法器的阵列，用于累加所存贮的I₁个二进制码以确定一个连续流量值谱范围内的流体流量当前值，该范围一直扩展到一个比Q₁大且由在f₁下所选的值定义的值，所确定的值的精度依赖于I₁和f₁。

23、根据权利要求22所述的流量计，其特征在于，包括一个半加法器的阵列的加法装置(74)也是应用某关系中给I₁个二进制码加权的加权装置，该关系就是对每个中央位单元采用一个相同的也是最大的加权系数，且对相应于最后一个和第一个所存的二进制码的位单元，分别采用递增的和递减的加权系数，所述加权关系用于提高所确定的当前流量值的精度。

24、根据权利要求21所述的流量计，其特征在于，电子块(80)包括用于在采样频率值f₂下来选择输出信号的预定的二进制码数I₂的计数器(84)，f₂依赖于f₁、Q₁和第二预定的流体流量值Q₂，这里f₁＜f₂以及Q₁＜Q₂，I₂依赖于f₂、Q₁以及标记(20)数，并且还包括用于在所述I₂个二进制码中识别表示转轴位移检测量的二进制码数的另一计数器(82)，所述的数用于确定当前流体流量值是在直至大于Q₁值的流量范围内还是在从所述值扩展到Q₂的范围内。

25、根据权利要求21所述的流量计，其特征在于，敏感元件(32、36)是一光敏元件，且标记是可见的标记(20、22)。

26、根据权利要求25所述的流量计，其特征在于，用于监控流体流量当前值变化的装置(10)包括轮(24)，该轮随转轴一起转动，齿(22)数或可见标记数为D₁。

27、根据权利要求26所述的流量计，其特征在于，用于监控该流量当前值变化的装置(10)包括另一个轮(26)，该轮随转轴一起转动，齿(22)数或可见标记数为D₂，这里D₂＞D₁。

28、根据权利要求21所述的流量计，其特征在于，用于监控流体流量当前值的装置(10)包括各敏感元件(34、38)和一电路(62)，以确定轴的运动是转动还是振颤。

29、根据权利要求28所述的流量计，其特征在于，用于确定转轴的位移是转动位移还是振颤位移的装置包括每个轮(24、26)的第二敏感元件(34、38)，该第二敏感元件处于相对第一敏感元件半个齿(20、22)宽的角度的位置，该装置同电路(62)一起用于识别和选择敏感元件的连续输出状态。

30、根据权利要求26所述的流量计，其特征在于，每个敏感元件(32、34、36、38)是由一个发射器(32a、34a、36a、38a)和一个接收器(32b、34b、36b、38b)所构成，它们在轮(24、26)的齿(20、22)轨迹两边相对配置。

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