CN109937349B - 使用热分散技术的质量流量计 - Google Patents

Abstract

一种采用热分散技术的质量流量计，以及用于确定整个范围内的流体质量流量的方法，高于该范围时，恒定ΔT仪器在增加功率下是可能的，低于该范围时，恒定功率仪器可以提供快速ΔT读数。

Description

使用热分散技术的质量流量计

技术领域

该装置总体上涉及热分散型质量流量计，更具体地涉及一种自适应系统，以使流量计能够采用适合于任何流体流速的恒定功率和恒定温度差分技术。

背景技术

众所周知，热分散流量计用于测量流体流量，特别是气体的质量流量。虽然可以通过该技术测量任何类型的流体流量，本文的讨论将保持简化，聚焦于气体的质量流量。虽然可以应用其他传感器元件，但为了方便，该讨论将传感器视为电阻式温度检测器(RTD)。

热分散流量计测量通过气体分子的冷却效果。传感器由称为有源元件的加热的元件和称为基准元件的未加热的元件组成。有源元件和基准元件之间的温差(ΔT)与气体的质量流量成比例。

应该注意的是，在这种情况下，流体、气体可以具有许多不同的特性。它们可能是干燥的或有一些水分；气体流动的压力可能差别很大；并且气体可能具有不同的密度，与压力无关。其他变量也可能存在。液体也是如此，它们的密度可能大于或小于水，因此在测量流量时必须考虑这些特性。

通常使用两种主流传感技术。参考图2和3，它们是：

1.恒定功率，其中加热的元件接收恒定功率，并且当质量流量增加时ΔT减小。恒定功率布置允许测量所有流速，包括非常高的流速，可以处理高负载的液体含量，并提供非常稳健的传感信号，而没有波纹或其他干扰的传感信号。这种操作模式的缺点在于，在流速变化非常快的少数情况下，响应时间可能比期望的慢。

2.恒定温差(ΔT)，其中加热元件接收可变功率，该可变功率是维持有源温度传感器和基准温度传感器之间的恒定温差ΔT所需的。这种可变功率允许传感器快速响应流速的变化。这种操作模式的缺点在于，随着流速增加，可以实现加热的传感器的最大功率，超过该功率时读数是不准确的。

恒定功率传感器的相关特性是：

·它可以承受高负载的水分；

·它耐污垢；

·它可以测量非常高的流量；

·它具有扩展的可调范围(最大流量：最小流量)，达到1000：1；

·它具有优异的温度兼容性；

·它允许失效安全操作，因为它可以安全地保护健康的ΔT传感器信号；但是

·它的响应相对较慢，为10到15秒。

恒定ΔT传感器的相关特性是：

·它的响应时间快，约1秒；但

·它不太适合含水分的气体；

·它不太适合高流量；以及

·它的可调范围有限(例如100：1)。

热分散技术特别适用于测量质量流量气体有几个原因。其中包括：

·它可直接测量质量流量；

·它没有活动部件；

·它不会导致压力下降；

·它对低流量敏感；以及

·它具有高可调范围。

发明内容

该构思的目的是创建一种热分散驱动技术，该技术可以在恒定ΔT模式或恒定功率模式下工作。如上所述，恒定ΔT模式提供非常快的时间响应，但在诸如较高流速的一些应用中具有稳定性和准确性问题。恒定功率模式适用于所有应用，但响应时间比恒定ΔT模式慢。

所描述的传感系统使用自适应传感技术(AST)将恒定功率和恒定ΔT的主要积极特征结合在一台仪器中，结果是这种仪器具有以下特性：

·它直接测量质量流量；

·它没有活动部件；

·它不会导致压力下降

·它对低流量敏感；

·它具有高可调范围；

·它可以承受高负载的水分；

·它耐污垢/灰尘/微粒；

·它可以测量0.25到1000标准英尺/秒(SFPS)的流量(0.08到300m/s)

·它的调节比为1000：1；

·它的承温能力为-70℃至+450℃(-94℉至850℉)；

·它的响应时间约为一秒；

·它符合ISO-14164和许多其他国际规范；以及

·它允许监测驱动失效安全模式的健康传感器信号。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下描述中将更清楚地理解所公开的构思的目的、优点和特征。

图1是已知的原位热分散质量流量计的示意图；

图2以图表方式示出了恒定功率质量流量计如何工作；

图3以图表方式示出了恒定ΔT质量流量计如何工作；

图4以图表方式示出了根据本构思的仪器如何工作；

图5A、5B和5C包括本构思的仪器的组合示意图和框图；

图6A-6D包括系统细节的组合电路图；

图7A和7B包括系统的其他细节的组合电路图；

图8A和8B包括系统的其他细节的组合电路图；

图9A-9D包括系统的其他细节的组合电路图；

图10A-10C包括系统的其他细节的组合电路图；以及

图11是示出本系统与已知竞争者之间对比的示例性图表。

具体实施方式

如本文所用，以下定义适用：

恒定DeltaΔT(ΔT)：该操作模式使用反馈回路对加热的传感器供电，以维持有源和基准RTD测量装置之间的恒定温差，而不管由不同流速、温度或压力引起的周围流体流量的变化；

恒定功率：该操作模式在所有情况下保持加热的传感器的恒定功率。

图1示出了传统的原位热分散质量流量计。导管壁由附图标记11表示，流体流量由箭头12表示。流量计头部13包含通常的电子器件并提供操作热套管14和15所需的功率和操作信号。热套管14包含基准或未加热的传感器，热套管15包含有源或加热的传感器。

图2是不言自明的，示出了恒定功率流量计如何操作。随着质量流量增加，ΔT减小。

类似地，图3以图表方式示出了恒定ΔT流量计如何工作。注意，有源传感器加热元件的功率随着流速的增加而增加。如此处所示，在大约400SFPS时，功率接近最大值，即压力水平，其中流速读数趋于变得不准确。虽然该系统可提供高达600SFPS的某些有用结果，但在这些高质量流量水平下可能会损害准确度。这些流速仅是示例性的，并且对于不同的安装，以维持恒定的ΔT的加热元件的功率可以低于或高于所示的。

现在参考图4，可以看出，在较低的流量水平下，根据本发明的实施例的仪器在两个传感器之间保持恒定的电压差(ΔT)，其中一个传感器由单独的加热器加热而一个传感器未加热。即使通过仪器传感器的流速增加或减少，也维持该电压差。经由反馈回路根据需要增加或减少加热的或有源传感器中的单独加热器的功率，以维持恒定的电压差。

恒定ΔT方法的一个限制是存在预定的最大加热器功率限制，并且在更高的流速下，如此处作为示例所示的高于200SFPS，当达到该最大功率限制时，该恒定电压差将不再维持，并且实际上会随着流速的增加而减少。当然，这将导致仅采用恒定ΔT操作功能的仪器中的质量流量读数不准确。

与现有技术的仅恒定的ΔT单元不同，一旦在较高流速下达到最大加热器功率，本文所述的仪器将继续起作用。该仪器始终测量有源传感器的加热器功率和两个传感器之间的电压差。当到有源传感器的加热器电流达到其最大值，并且所施加的加热器电流保持恒定时，通过使用测量的传感器之间的电压差，由内部软件算法仍然可以精确地计算出更高的流速。

该系统的这一方面允许在恒定电压差模式下进行非常快速的时间响应，同时还允许在非常高的流速(高达1600标准英尺/秒(SFPS))下持续运行。图4示出了作为示例的到1000SFPS的质量流量。当典型的仅恒定的ΔT单元不再能够维持传感器之间的恒定电压差时，它们“达到最大”，因为已达到预定的最大功率但质量流速继续增加。有些仪器的流速限于低至300SFPS。流速取决于流动介质的特性，以及仪器的特性，图4为示例性目的示出了200SFPS。

恒定ΔT切换到恒定功率的交叉(在该特定示例中为200SFPS)是可用的最大功率(其为预定值)和介质的传热速率的函数。较高的最大功率将使交叉点向右或更高的SFPS移动，如图4所示。较低的最大功率会使交叉向左移动。

同样，较低的传热介质会使交叉向右移动，而较高的传热介质会使交叉向左移动。

例如，天然气比空气更好地传递热量，因此与空气相比，天然气作为介质时，交叉点将向左移动。氢气传递的热量更多，因此当介质为氢气时，交叉点将向左移动更远。

本技术还可以配置成使得维持对单独加热器的恒定功率，并且允许传感器之间的电压差随着流速增加而下降。有一些应用，特别是半湿和低流速应用，其中这种配置表现更好。当以这种方式操作时，仪器可根据应用用于优化时间响应或优化稳定性。

该技术的另一个特点是它可以在现场重新配置为恒定功率配置，而不会影响设备的准确度。这很有用，因为有些客户在安装设备之前不知道其特定应用的特定需求。能够在现场更改仪器的配置而无需工厂重新校准是对终端用户的重大便利。

质量流速技术操作的基本数学原理相当简单。在具有特定介质组成和恒定温度的给定质量流速下，质量流速与传热之间存在关系，其由以下简化方程表征：

其中P＝有源(加热的)传感器的加热功率；

dT＝加热的传感器和非加热的传感器之间的温差；以及

K是由校准确定的常数，仅对该特定质量流速、温度和特定介质组成有效。出于校准目的，导管中的压力包含在质量流速因子中。运行的流量计需要在所需介质中的所需质量流量范围内确定K值阵列。K值必须根据线性化算法来曲线拟合，其示例在市场上可获得。

与其他流量计不同，该技术不断同时测量加热功率(P)和温差(ΔT)，并将其用于线性化算法中。这允许通过使功率变化以保持ΔT恒定，来使流量计优化以获得更快的响应时间，或通过保持功率恒定并允许ΔT变化，来使流量计优化以获得优化的稳定性和准确度。

参考图5B，当在流量范围的下端操作时(即在图4的左侧)，PID加热器返回控制块51使得有源或加热的传感器的加热器功率能被控制以得到有源和基准传感器(例如RTD)之间的恒定ΔT。当在流量范围的较高端操作时，加热器功率设定为恒定电流。

虽然用于有源传感器元件的单独的加热器是优选实施例，但是系统可以通过在有源RTD上采用更高的电流来自加热有源传感器来操作。

进一步参考图5，全面描述该系统。识别有源传感器15和基准传感器14，并且优选地它们在结构上相同。因此，任何两个热套管14、15(图5A)都可以构建到本系统中。加热器可以具有线圈或任何其他形式。线圈14A和15A例如表示该图中的加热器元件。一个通电使其传感器成为有源传感器，另一个是基准传感器。

如前所述，图5-10的系统连续监测传送到有源传感器加热器的功率水平以及有源传感器和基准传感器之间的温差ΔT。

图4是系统的运行状态的图表表示，从非常低的(≥0SFPS)到高的(≥1000SFPS)的质量流量。在仪器范围的下端，仅为示例性目的而示出为0到200SFPS，系统以恒定ΔT模式操作。当功率水平接近压力水平时，在图3的示例中以400-600SFPS示出，仪器切换为以恒定功率模式操作。

如上所述，传统的恒定ΔT操作模式提供在约一秒的范围内的快速响应。当仪器在较低质量流量下以恒定功率模式操作时，响应时间可长达10-15秒。然而，该仪器在较低的流速下提供快速响应时间，因为它在恒定ΔT模式下操作，并且当以恒定功率模式操作时，在较高的流速下，它还提供相对快的响应时间，≤1至5秒。这种快速响应时间是由于流动介质在较高质量流速下将热量从有源传感器带走得更快。

如前所述，可以没有硬性定义在流速尺度的何处低流速变为高流速的，因为这取决于仪器在工厂校准时，建立K常数时必须考虑的因素。在校准仪器时，制造商必须考虑终端用户期望会遇到的介质特性，该信息提供给制造商。

图5C是图5A和图5B的框图的继续。图5B中所示的系统的部分的输出进入FE数字板53。术语“FE”表示从流动元件接收信号，如图5A所示。在板53中处理持续监视的ΔT和功率输入。当质量流速接近压力水平或交叉点时，转换到恒定功率模式的决定，如图4所示，或者当流速减小时转换到恒定ΔT模式的决定由控制器板55完成。该功能在板55中由微处理器控制。板53的一个目的是将来自传感器的模拟信号转换成数字信号以供控制器板55使用。

如上所述，终端用户可以在介质特性改变或变化时调整设定点。这是借助于计算机/配置器57完成的，由操作员将计算机/配置器57选择性地插入板55中的USB接口中。

应该注意，板53和55，以及图6-10的电路，可以包含在图1中示出为头部13的类型的头部中。可替代地，一些或所有电路可以位于远离实际仪器的位置，该实际仪器包括穿过导管壁安装的热套管14和15，介质通过该壁流动。图6-10的传感器和电路以及图5C中所示的框之间的耦合或连接，可以是硬连线连接或无线地耦合的。

图6-10从内部角度看示出了用于操作图4和5的系统的电路。虽然在结合图5进行审阅时电路是不言自明的，这里列出了图6-10的细节，以扩展个人对相对复杂电路的理解。该描述可能比必要的更详细，但目的是帮助理解而不留分歧。

参考图6A，L9-L13和L15-L17(ACH32C-104-T)是用于滤除电噪声的T型电磁干扰滤波器。U41(TS5A23166)是双通道单刀单掷模拟开关，用于选定或取消选定分别由CTRL_SW3_1和CTRL_SW3_2信号控制的ACT_SENSE和REF_SENSE信号。

图6B继续自图6A，其中U20(TS5A23159DGSR)是一个2通道单刀双掷模拟开关，用于分别由CTRL_SW_2和CTRL_SW_1信号控制而将点A或点C连接到ACT_EXC_OUT上，将点B或点D连接到REF_EXC_OUT上。

参考图6C至图10C，P3和P1分别是将FE自适应传感技术(AST)模拟板连接到FE数字板53的连接器，如图5C所示。

在图6D中，U40(TS5A3359DCUR)是一个单刀三掷模拟开关，用于由点G和点H控制而将R70、R69或R68连接到点E上。U43(TS5A3166DBVR)是单刀单掷模拟开关，用于由CTRL_ACT_ZERO信号控制而将R67连接到点E上。U39(TS5A23166DCUR)是双单刀单掷开关，用于将R66(由CTRL_REF_HI控制)或R65(由CTRL_REF_ZERO控制)连接到REF点F上。U18(LT1790BIS6-2.048#PBF)是采用+5V输入并产生2.048伏输出的低压差电压基准芯片。

参考图7A，部分AD5143BCPZ100-RL7是非易失性数字电位器，用于调节PID(比例、积分和微分)电路的增益。参考SENSOR_RET，R38、R30和C22形成低通滤波器电路，并且参考A接地，R39、R42和C21形成用于来自基准RTD，REF的信号的另一个低通滤波器，；该滤波后的信号标记为REF_FILT，并连接到U6的+IN端子上。类似地，参考REF，R40、R32和C32形成低通滤波器电路，参考A接地，R40、R41和C21形成用于来自有源RTD的信号的另一个低通滤波器；该滤波后的信号标记为ACT_FILT，并连接到U6的-IN端子上。U6(AD8237ARMZ)是仪器放大器，用于放大+IN和-IN端子之间的差分信号，增益为1+R21/R22。而U7A(OPA4313)是运算放大器，用于比较U6和CONST_DT_ADJUST(Δ-温度设定点)信号的输出，增益为-R3/R14，低通滤波器由R3和C16组成。

在图7B中，R16、R4、C18、R17、U1B和上DPA4313运算放大器形成PID电路的比例(P)。R36、R35(100k)、R37、C1、U1C和中间DPA4313运算放大器形成PID电路的积分(I)。R34、C6、R24、R33、U1D和底部DPA4313运算放大器形成PID电路的微分(D)。R35(10k)、R19、R20和右侧DPA4313运算放大器形成求和电路，其对P、I和D信号求和，并产生PID_OUT信号，PID_OUT信号用于控制加热器电流(见图5B)。

参考图8A，U11B(DPA4313)、R76和Q1形成加热器电流控制电路；当U11B的引脚5和引脚6之间的差值电压为正时，Q1导通，如果Q9也导通，则允许加热器电流从HEATER_LO流向AH接地。类似地，U11A、R46和Q9形成另一个加热器电流控制电路；当U11A的引脚3和引脚2之间的差值电压为正时，Q9导通，如果Q1也导通，则允许加热器电流从HEATER_LO流向AH接地。MAX_HTR_ADJUST是来自数模转换器(DAC)(来自图5C中所示的FE数字板)的输出的DC(直流)信号，用于设置系统中允许的最大加热器电流。当点5的电压大于MAX_HTR_ADJUST或PID_OUT之一，或大于其两者时，加热器电流减小，直到有源RTD和基准RTD之间的温差等于图7A中的CONST_DT_ADJUST信号设置的所需Δ温度(Δ-T)。R64用于感测加热器电流。R1B、C26、R1A、C27、R47和C8形成用于在R64处感测的信号的滤波器电路。R98、R97和U11D形成加热器开路/短路检测电路。Q8(FDC5612)用于关闭加热器，并由HEATER_SHTDWN信号控制。

在图8B中，U5(LMH6551MA)是差分高速运算放大器，其放大所感测的加热器电流，其增益为5，该增益由图8A的R2C、R2D、R1C、R2A、R2B、R1D和R1A以及R1B设定。

参考图9A，U3(AD8237ARMZ)是仪器放大器，用于放大REF_FILT信号和SENSRET_FILT信号之间的电压差，增益为1。U2A(DPA4313)是REF_FILT信号的缓冲器。

参考图9B，U42、U50和附图左上方的相关组件形成压力输入模数数据采集电路；U42(ADS1112IDGST)是16位模数转换器(ADC)，U50(OPA333AIDBVT)是压力输入的缓冲器。U53(LTC2485IDD#PBF)是24位ADC，用于将基准RTD的模拟信号转换为ADC计数，以供嵌入的软件进一步处理。U4(LTC2485IDD#PBF)是24位ADC，用于将加热器电流的模拟信号转换为ADC计数，以供嵌入的软件进一步处理。U48(TMP100MDBVREP)是16位ADC温度传感器，用于监测FE AST模拟电路板周围的温度。

在图9C中，U2B(DPA4313)是用于有源RTD的缓冲器。

参考图9D，U55(LT1236AIS8-5#PBF)是精密基准，其采用+17V输入，并调节至稳定的+5VREF输出。U54(LTC2485IDD#PBF)是24位ADC，用于将来自Delta-R(有源RTD和基准RTD之间的电压差)的模拟信号转换为ADC计数，以供嵌入的软件进一步处理。

在图10A中，U56(上)、Q7、Q2、Q3及其相关组件形成用于有源RTD的激励电流的电压-电流转换器。同样，U56(下)、Q5、Q6、Q4及其相关组件形成用于基准RTD的激励电流的电压-电流转换器。

参考图10B，U51(ADR01BRZ)是10V电压基准，它采用+17V输入并产生10伏的输出，进而提供图10A中的U56(上)和U56(下)。U49(OP777ARMZ)是10V输出的缓冲器，为图10A中的U56(上)和U56(下)提供更高的电流能力。

图10C的P1块已经在图6C的描述中讨论过。

Claims (3)

1.一种用于流体介质的质量流量计，所述质量流量计包括：

未加热的传感器，其具有电激励输入和输出，所述未加热的传感器检测流体介质的温度；

加热的传感器，其具有电功率输入和输出，连续确定从未加热的传感器和加热的传感器的输出之间的温差ΔT；

耦合到所述加热的传感器的加热器的电功率源；

控制器，其控制施加到所述加热的传感器的加热器的功率以保持ΔT恒定，直到随质量流量增加，所施加的功率达到预定的水平，并且随着介质的质量流量继续增加而ΔT减小时保持所述功率水平，所述控制器使用基于硬件的闭环控制电路来控制施加到所述加热的传感器的加热器的功率；以及

数字电路，用于随着电功率相对于质量流量变化而改变时，确定介质的质量流量，以及用于当施加到所述加热的传感器的加热器的电功率维持在预定的水平时，随着ΔT相对于质量流量变化而变化时，确定介质的质量流量。

2.一种用于使用装置测量流体的质量流量的方法，所述装置包括具有激励输入和输出的未加热的传感器，具有电功率输入和输出的加热的传感器，对未加热的传感器的电激励源和对加热的传感器的加热器的电功率源，所述方法包括：

当流体质量流量增加到输入到加热的传感器的预设功率水平时，维持未加热的传感器和加热的传感器之间的温差ΔT恒定；

测量随着介质的质量流量增加而增加的电功率水平；

确定与施加到加热的传感器的加热器的功率水平相关的质量流量；

继续以预设水平向加热的传感器的加热器施加电功率；

当质量流量增加时测量ΔT，并且施加到加热的传感器的加热器的功率水平保持恒定；并且

随着质量流量变化，确定与ΔT变化相关的质量流量。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括连续测量ΔT和施加到加热的传感器的加热器的电功率。

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