CN108088510A - 热质量流量计 - Google Patents

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Abstract

一种热质量流量计，包括：第一测量导管(12)，其具有连接至主导管的入口(E1)和出口(S1)并且设置有两个温度传感器和用于加热两个传感器之间的流体的装置；压降部件(14)；压力测量设备(17)，用于产生对在分别位于压降部件(14)的上游和下游的上游点与下游点之间的主导管中存在的压差的测量；以及处理器单元，其连接至温度传感器以根据由温度传感器产生的温度测量产生流速测量以及还连接至压力测量设备以因变于压差测量而校正流速测量。一种测量流速的方法。

Description

热质量流量计
技术领域
本发明涉及热质量流量计的领域。
背景技术
热质量流量计构成用于测量流体流速的经过证实且相对便宜的解决方案。
参照图1，用于测量在主导管2中流动的流体F的流速的此种流量计1常规上包括与主导管2并联连接的测量导管3。测量导管3包括加热器电阻4和位于加热器电阻4的相对侧处的两个热敏电阻5。
参照图2，当主导管中(并且因此也在测量导管3中)的流为零时，具有经加热流体的Z区是对称的，因此两个热敏电阻5测得相同温度。
参照图3，当主导管中(并且因此也在测量导管3中)的流为非零时，经加热流体Z区在流的作用下变形。两个热敏电阻5随后测得不同温度。
在下式的应用中，结果所得的温差是流速的函数：
RI2＝Qm(h2-h1)＝QmCp(t2-t1)
其中：
Cp是以焦耳每开尔文每千克(J.kg-1.K-1)计的恒定压力下的特定热容量；
Qm是以千克每秒(kg.s-1)计的质量流速；
h2和h1是以焦耳每千克(J.kg-1)计的质量焓；
R是以欧姆(Ω)计的加热器电阻的电阻；
I是以安培(A)计的加热器电阻中流动的电流；以及
t2和t1是由热敏电阻测得的以开尔文(K)计的温度。
测量流速的该方法需要在主导管2中流动的流体的流速与在测量导管3中流动的流体的流速之间的比率恒定。为了确保某个流速的确在测量导管3中流动，通常使用位于测量导管的入口与出口之间的压降部件。压降部件产生用于确保测量导管3的入口与出口之间的压力差的截面收缩，在该压力差的作用之下，导致流体沿测量导管3行进。
参照图4，此种压降部件6通常包括位于压降部件6中心处的开口和网格7。
热质量流量计对于积尘非常敏感。积尘往往阻塞和部分阻挡压降部件6的网格7，由此篡改测量而没有可能检测该测量是被篡改的。
当热质量流量计在允许执行常规维护操作以清洁网格的工业环境中使用时，这种现象是不重要的。相反，当热质量流量计用于安装在家庭房屋中时，这种现象是非常有问题的。具体地，在此类情况下，热质量流量计需要在不执行任何维护操作的情况下操作达通常20年的历时。
发明目的
本发明的目的是为了方便在家庭房屋中纳入热质量流量计。
发明内容
为了实现该目的，提供了一种用于测量在主导管中流动的流体的流速的热质量流量计，该热质量流量计包括：
第一测量导管，其具有连接至主导管的入口和出口并且设置有两个温度传感器和用于加热两个传感器之间的流体的装置；
位于第一测量导管的入口与出口之间的主导管中的压降部件；
压力测量设备，用于产生对在分别位于压降部件的上游和下游的上游点与下游点之间的主导管中存在的压差的测量；以及
处理器单元，其连接至温度传感器以根据由温度传感器产生的温度测量产生流速测量以及还连接至压力测量设备以便因变于压差测量而校正流速测量。
由处理器单元执行的校正用于消除或限制可能在主导管中发生的关于流速测量的意外(例如诸如积尘之类的意外)的影响。当流量计在用户房屋上操作时执行该校正，并且不需要任何维护操作。
本发明还提供了一种通过使用如上述的热质量流量计来测量流速的方法。
本发明可以鉴于以下对于本发明的特定非限定性实施例的描述而被更好地理解。
附图说明
对各附图作出引用，在附图中：
图1示出了现有技术中的热质量流量计；
图2示出了当测得的流为零时，现有技术中的热质量流量计的测量导管；
图3是当测得流为非零时等效于图2的附图；
图4示出了现有技术中的热质量流量计的压降部件；
图5示出了本发明的热质量流量计；以及
图6示出了本发明的热质量流量计的压差传感器。
具体实施方式
参照图5，在该示例中，本发明的热质量流量计10用于测量在导管中流动的气体G的流速。
流量计10包括具有气体入口Eg和气体出口Sg的主导管11。主导管11连接至管道并且呈现等于管道截面的截面S，从而主导管11中通过气体入口Eg和气体出口Sg的气体G的流等于管道中的气体G的流。
流量计10具有包括入口E1和出口S1的第一测量导管12。
测量封装13位于第一测量导管12中。测量封装13包括第一热敏电阻、第二热敏电阻、加热器电阻和处理器单元。第一热敏电阻、第二热敏电阻、加热器电阻和处理器单元被集成到共用硅衬底上的测量封装13中，由此用于降低制造测量封装13的成本并且由此降低制造流量计10的成本。
用于加热在第一测量导管12中流动的气体的加热器电阻位于第一热敏电阻与第二热敏电阻之间。
处理器单元包括硬件装置和软件装置两者。
硬件装置包括“智能”电子组件(例如，微控制器或现场可编程门阵列(FPGA))连同各种其它有源或无源电子组件，包括惠斯通电桥和仪表放大器。
软件装置包括校正装置。
流量计10进一步包括位于第一测量导管的入口E1与出口S1之间的主导管11中的压降部件14。作为示例(但非必要)，压降部件14类似于图4的部件。在该示例中，压降部件14具有位于压降部件14的中心处的截面为s的开口15。
流量计10还具有压力测量设备17，它产生对在分别位于压降部件14的上游和下游的上游点与下游点之间的主导管11中存在的压差的测量。
术语“上游”和“下游”在本文中应该相对于从气体入口Eg朝气体出口Sg流动的气体G来理解。
在该示例中，压力测量设备17包括具有入口E2和出口S2的第二测量导管18。
因此，上游点位于第二测量导管18的入口E2处，而下游点位于第二测量导管18的出口S2处。上游点(并且因此第二测量导管18的入口E2)位于第一测量导管12的入口E1处。下游点(并且因此第二测量导管18的出口S2)位于第一测量导管12的出口S1的下游处。
已知使用任何类型的压降部件导致取决于压降部件类型的不可恢复的压头损失(head loss)。在该示例中，下游点位于距压降部件14某一距离处，该距离足以确保下游点与位于压降部件14的上游的点之间的压差对应于因压降部件14导致的残余压头损失。
压力测量设备17还包括压差传感器20。压差传感器20同样被集成到测量封装13的硅衬底上。
压差传感器20可更清楚地在图6中看到。
压差传感器20包括装有应变仪的隔膜21、硅单元22和高硼硅基底23。压差传感器20测量施加到隔膜21的每个面的入射压力Pi1与Pi2之间的压差。
应变仪用于测量极低水平的压差。
应变仪连接至测量封装13的处理器单元的惠斯通电桥。由此由处理器单元经由仪表放大器来取得和采集压差测量。
以下是关于流量计10操作原理的说明。
测量封装13的处理器单元采集由第一测量导管12的第一热敏电阻和第二热敏电阻产生的温度测量，并且在这些温度测量的基础上生成对在主导管11中流动的气体G的流速的测量。
校正装置因变于由压力测量设备17的压差传感器20取得的压差测量来校正气体G的流速测量。
具体地，已知由第一测量导管12测量的气体G的流速是第一测量导管12的入口E1与第一测量导管12的出口S1之间的压差ΔPab＝Pb-Pa的函数，其中入口压力等于Pa而出口压力等于Pb。
具体地，伯努利定律给出：
1/2×ρ×Ca 2+Pa+ρ×g×Za＝1/2×ρ×Cb 2+Pb+ρ×g×Zb
其中：
ρ是以千克每立方米(kg.m-3)计的气体密度；
Ca是以米每秒(m.s-1)计的第一测量导管12的入口处的气体速度；
Pa是以帕斯卡(Pa)计的第一测量导管12的入口处的压力；
g是以牛顿每千克(N.kg-1)计的因重力导致的加速度；
Za是以米(m)计的第一测量导管12的入口高度；
ρ是以千克每立方米(kg.m-3)计的气体密度；
Cb是以米每秒(m.s-1)计的第一测量导管的入口处的气体的流动速度；
Pb是以帕斯卡(Pa)计的第一测量导管12的出口处的压力；
g是以牛顿每千克(N.kg-1)计的因重力导致的加速度；以及
Zb是以米(m)计的来自第一测量导管12的出口高度。
忽略高度的任何差异，压差ΔPab因此可被如下表达：
ΔPab＝1/2×ρ×(Cb 2-Ca 2)
还已知：
Qv＝Uma×S＝Umb×s
其中Qv是气体的体积流速，S是主导管11的截面，s是压降部件14中的开口15的截面，而Umx是点X处的气体G的平均速度。
然而，因为Qv是恒定的，故得到下式：
ΔPab＝1/2×ρ×Qv 2×(1/S2-1/s2)
即：
ΔPab＝1/2×ρ×(Qv/S)2×(1/R2-1)
以及其中R＝s/S，这给出：
ΔPab＝f(1/R2)
处理器单元因此产生对气体G的流速的测量，该测量与因变于R并且具体地因变于截面S和s的比率的平方而变的压差ΔPab成比例。
压力测量设备17测量下游点与上游点之间的压差ΔPac。压差ΔPac因此等于第二测量导管12的出口S2(即，下游点)处的压力Pc与第二测量导管18的入口E2(即，上游点，或第一测量导管12的入口E1处)处的压力Pa之差。
然而，压差ΔPac＝Pc-Pa对应于由改变主导管11的形状的意外导致的奇异压头损失。作为示例，此种事故可以是部分阻挡网格并且因此减小压降部件14中的开口的截面s的积尘。
已知奇异压头损失，诸如奇异压头损失ΔPac可被如下表达：
ΔPac＝α×ξ×ρ×v2
其中α是比例系数，v是气体的平均速度，ρ是气体密度，而ξ是取决于截面s与S之间的比率的无量纲系数。从描述奇异压头损失的表中取得系数ξ，并且它取决于所考虑的意外的性质。
处理器单元因此采集压差测量ΔPac，该压差测量因变于截面s与S之间的比率而变，并且计及由修改主导管形状的意外(诸如积尘)产生的奇异压头损失。
校正装置随后基于对压差ΔPab的测量和对压差ΔPac的测量来产生校正因子。
为了产生校正因子，校正装置计算因变于倾向于减小截面s的意外的幅度而变的压头损失参数，它们随后将压头损失参数与参考值作比较，并且它们从该比较中导出校正因子。
作为示例，压头损失参数可以是比率ΔPab/ΔPac或者差ΔPab-ΔPac。
参考值是理论值，或者是通过在流量计10的制造期间执行的校准操作获得的值。
有利地，对于生产线的100％的流量计执行的三点校准使得通过消除因关于构成流量计10的各种组件的制造容差导致的误差来显著增加校正准确性成为可能。
这可通过主导管11呈现圆形截面并且压降部件14是包括具有孔的盘型的示例来解说。
主导管11的直径被写为D，压降部件14中的孔的直径被写为d，其中d/D＝0.8，并且气体的体积流速被写为Qv。
通过重用上述等式，给出：
ΔPab＝Pb-Pa
＝-(2ρ×((1-d2)/D2)Qv 2)/(πd2)
＝-(2×ρ×Qv 2)×(0.497-0.204×D4)/D2
＝-0.64×ρ×Qv 2((1-d4)/d2)。
ΔPac＝Pc-Pa
＝-ξ×ρ*v2/(2×g)
＝-0.0135×ρ×Qv 2/d4；
其中ξ是取决于d/D的比率并且从描述奇异压头损失的表中取得的无量纲系数。
积尘导致直径d的减小。
如果d＝1，则：
ΔPab-ΔPac＝0.0135×ρ×Qv 2
如果d＝0.8，则：
ΔPab-ΔPac＝0.327×ρ×Qv 2
因为第一测量导管12中的流速与ΔPab成比例，将ΔPab与ΔPac作比较的确使得测量因积尘导致的流直径减小并且因此校正流速测量成为可能。
当然，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。
具体地，使用除热敏电阻以外的温度传感器，除加热器电阻以外的加热器装置以及除应变仪传感器以外的压差传感器是可能的。取代压差传感器，使用多个非压差传感器也是可能的。
同样，所提及的所有组件(热敏电阻、压差传感器等)要被集成到共用衬底上不是必须的，并且实际上它们甚至不需要位于共用封装中。
压降部件可以是与本文中描述的不同的形式。

Claims (8)

1.一种使用用于测量在主导管(11)中流动的流体(G)的流速的热质量流量计来测量流速的方法，所述热质量流量计包括：
第一测量导管(12)，其具有连接至所述主导管的入口(E1)和出口(S1)并且设置有两个温度传感器和用于加热所述两个传感器之间的所述流体的装置；
位于所述第一测量导管(12)的所述入口与所述出口之间的所述主导管中的压降部件(14)；以及
压力测量设备(17)，用于产生对在分别位于所述压降部件(14)的上游和下游的上游点与下游点之间的所述主导管中存在的压差的测量；
所述测量方法包括以下步骤：
通过使用所述温度传感器来产生流速测量；
通过使用所述压力测量设备来产生压差测量；
根据所述流速测量和所述压差测量产生校正因子；以及
通过使用所述校正因子来校正所述流速测量；
所述测量方法进一步包括使用所述流速测量来估算所述第一测量导管的所述入口与所述出口之间的压差的步骤。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，根据所述压差与所述压差测量之间的比率来获得所述校正因子。
3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，根据所述压差与所述压差测量之差来获得所述校正因子。
4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，进一步包括在所述热质量流量计的制造期间执行并且包括根据流速测量和压差测量估算参考值的校准步骤，当计及所述参考值时产生所述校准因子。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述压力测量设备包括在所述上游点处具有入口(E2)并且在所述下游点处具有出口(S2)的第二测量导管(18)，压差传感器(20)位于所述第二测量导管中。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述上游点位于所述第一测量导管的所述入口处，而所述下游点位于来自所述第一测量导管的所述出口的下游。
7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述压差传感器(20)是应变仪传感器。
8.一种用于测量在主导管(11)中流动的流体(G)的流速的热质量流量计，所述流量计包括：
第一测量导管(12)，其具有连接至所述主导管的入口(E1)和出口(S1)并且设置有两个温度传感器和用于加热所述两个传感器之间的所述流体的装置；
位于所述第一测量导管(12)的所述入口与所述出口之间的所述主导管中的压降部件(14)；
压力测量设备(17)，用于产生对在分别位于压降部件(14)的上游和下游的上游点与下游点之间的主导管中存在的压差的测量；以及
连接至所述温度传感器并且连接至所述压力测量设备的处理器单元；
所述热质量流量计被安排成根据前述任何权利要求来执行所述测量方法。
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