CN1255667C - 流量表及流率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括一个流量传感器及评值电子装置，该电子装置包括三个分支电路并且实时平衡逆流率。一个分支电路产生流率信号，该流率信号与被测量流体的流率成比例。另一分支电路产生输出信号，该输出信号的频率与测量方向上流动流体的流率成比例，该测量方向由流量传感器的结构所确定。第三分支电路在扫描间隔期间确定在与测量方向相反的方向上逆流率，保存该逆流率并且将其从下一个被测量的流率中减去。

Description

流量表及流率测量方法

技术领域

本发明涉及一种带有流量传感器及评值电子装置的容积或质量流量表。

背景技术

为了测量流体在管道或类似物中流动的流率，有几种原理，每一种原理都基于一种具体的规律。不管流体的导电性如何，例如用基于Karman涡街的涡旋流量表或超声波流量表对其容积流率进行测量，或者，例如用基于Coriolis原理的质量流量表，用热质量流量表或基于确定孔板上压差的质量流量表对其质量流率进行测量。导电性流体的容积流率也可以用基于Faraday感应定律的电磁流量表来测量。

评值电子装置根据其中一个上述原理将所产生的信号转换为一个与容积或质量流率成比例且具有高测量精度的输出信号。例如，该输出信号可以是用于给定测量范围的4mA至20mA的直流信号，前述测量范围已经被长期用于工业计量制中。然而，本发明并不涉及这种输出信号。

相反地，本发明的目的在于消除发生于交变输出信号中的不利情况，前述交变输出信号在工业计量制中实现标准化已经很长时间，并且其频率与给定测量范围中的流率成比例。每当在由流量传感器的机械结构确定的测量方向中流动的流体在与测量方向相反的方向上发生偶然的，尤其是一个较短的时间的流动时，就会出现这种不利情况。这种逆流率不能被评值电子装置转换为相应的相反频率，众所周知，这是因为一个交变信号不可能有一个负频率。

上述标准化输出信号最终存在于输出中，该输出在技术手册及数据表中常常被指定为脉冲/频率输出。

例如，当在这样的管道中测量流率时上述逆流率会发生：流体不是连续地流动而是用一种脉动方式流动，这种流动方式是例如通过测流量泵，或者在流体上设置压力的情况下，通过能够被触发开和关的阀产生的。尽管测流量泵的精度高达0.5％，但是由于它们的设计原理(例如往复泵，波纹管泵或隔膜泵)，在每个测流量步骤期间发生的回流以及逆流率都无法避免。

人们试图在评值电子装置中通过阻尼来补偿逆流率。但这导致流率测量对流率改变的反应有一定的延迟，此外，必须使阻尼时间常数与流率相匹配，也就是说，时间常数必须被改变且必须是可以改变的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于消除上述不利情况的不同的并更有利的方法。

为了实现这一目的，本发明提出一种流量表，用于测量流经所述流量表的流体在预先选定的测量方向上或者在与所述测量方向相反的方向上的流率，所述的流量表包括：流量传感器，用于传导流体，并根据流率产生传感器信号；以及与流量传感器相连接的评值电子装置，所述的评值电子装置包括：馈入传感器信号的第一分支电路，所述的第一分支电路将所述的传感器信号转换为表示流率的流率信号，第二分支电路，可用于产生表示在测量方向上流动的流体的流率的输出信号，以及馈入流率信号的第三分支电路，发出馈入到第二分支电路的控制信号，用于控制输出信号的产生，所述第三分支电路包括一个由时钟发生器产生的时钟周期信号所控制的读写存储器，并且所述第三分支电路存储有一个表示在所述时钟周期信号给定的扫描间隔期间内，在所述与测量方向相反的方向上的逆流率的值，其中第三分支电路从当前测得的流率中减去存储在读写存储器中的所述值，以生成用于第二分支电路的所述控制信号。

本发明还提供了一种用于测量流经流量传感器的至少一个测量管道的流体的流率的方法，该流量传感器具有预先选定的测量方向，所述的方法包括以下步骤：产生至少一个表示流率和当前流体流经流量传感器的流动方向的传感器信号；根据所述的至少一个传感器信号检测流率和当前流动方向；根据所述的至少一个传感器信号计算出表示在特定时刻流体在与所述预先选定的测量方向相向的方向上流动的逆流率的值；并且从当前检测到的流率减去所述表示逆流率的值，以产生一个表示测量方向上的流率的输出信号。

根据本发明优选的改进，评值电子装置把分别被保存的逆流率加起来，并且使它们可为进一步的处理和/或显示所利用。

根据本发明的优选实施例和/或其优选改进，第三分支电路包括：

-一个时钟发生器，其周期性地产生带有一预先确定的时钟周期的时钟脉冲；

-一个由时钟发生器控制的平均器级，其输入端被输入流率信号，其输出端提供一个表示一个时钟周期内的平均值的平均流率值信号；

-一个读写存储器；

-一个第一除法器，其除数输入端被输入表示时钟周期的时钟周期信号，其被除数输入端被连接至读写存储器的输出端；

-一个第一加法器，其第一输入端被连接至平均器级的输出端，其第二输入端被连接至第一除法器的输出端；

-一个第一乘法器，其第一输入端被连接至第一加法器的输出端，其第二输入端被输入一个表示质量的倒数或容积的倒数的置位信号，其输出端提供一表示频率的频率信号；

-一个三重比较器，其输入端被连接至第一乘法器的输出端，其输出端被连接至第二分支电路的输入端，并且提供一个信号：

当频率信号表示小于零的值时，该信号表示零；

当频率信号表示在零与一个可调整的最大值之间的值时，该信号等于频率信号；

当频率信号表示比最大值更大的值时，该信号表示最大值；

-一个第二乘法器，其第一输入端被连接至三重比较器的输出端，其第二输入端被输入时钟周期信号；

-一个第二除法器，其第一输入端被连接至第二乘法器的输出端，其第二输入端被输入所述置位信号；

-第三乘法器，其第一输入端被连接至平均器级的输出端，其第二输入端被输入时钟周期信号；

-一个加法器/减法器，其减数输入端被连接至第二除法器的输出端，其第一加数输入端被连接至第三乘法器的输出端，其第二加数输入端被连接至读写存储器的输出端，并且其输出端被连接至能够被时钟信号起动的读写存储器的输入端。

本发明的一个优点是发生于特定时间的逆流率将通过在测量下一个流率值期间，即实时的平衡来考虑。因此根据本发明，该平衡紧跟着流率中的变化而不会延迟，这样也不必改变任何时间常数。

下面参照附图并结合实施例对本发明及其它优点做更加详细的解释。不同附图中的相同部分使用相同的标记。如果要求附图的清晰，已经在前面提到的标记在随后的图中被忽略。此外，已经被描述的细节在下面各图中不再进一步解释。

附图说明

图1给出了用于解释本发明基本原理的简化方框图；

图2给出了用于说明第二分支电路的其中一个特性的示意图，该特性与本发明相关；

图3给出了用于说明本发明问题的示意图；

图4给出了第二分支电路的其中一个优选实施例的方框图；

图5给出了用于说明第二分支电路的三重比较器输出信号特性的示意图。

具体实施方式

图1所示的方框图用简化和抽象方式给出了根据本发明的容积和质量流量表的主要结构。在下文中，凡称为容积流量表还是质量流量表都无关紧要的地方均仅使用流量表这一术语。可以使用本发明的优选类型的流量表已经在上文开始描述。

这种流量表的主要元件仍然是流量传感器1以及评值电子装置2。流量传感器1主要相应的测量原理及其操作所需要的机械元件(未示出)。至少有一个测量管以及一个可以选择的外壳，在该测量管中流动着将被测量的流体。

至少有一个专门用于该测量原理的激励装置和/或至少一个传感器装置被附加在测量管上或测量管内，传感器装置被用作物理电子变换器，并且产生尤其是直接表示流率的输出信号。

评值电子装置2用这样的方式处理该输出信号或多个传感器装置各自的输出信号，使得例如流率可以被显示在显示器上。此外，评值电子装置2将该流率转换成至少一种适当的其它信号形式，尤其是与本发明有关的上述频率输出标准的信号形式，用于进一步的电子处理。

在电磁流量表的情况下，专用于该测量原理的激励装置为一个用于产生穿过测量管的磁场的装置，例如带有相关线圈电流发生器的线圈装置，专用于该测量原理的传感器装置包括至少两个电极，该电极能够测出根据Faraday感应定律在流动的流体上所感应的电压，前述流体必须具有导电性。

在涡旋流量表的情况下，专用于该测量原理的激励装置为一迎着流体流动的方向设置于测量管中的非流线形体，涡旋从该激励装置分开，因而发生压力的波动，并且专用于该测量原理的传感器装置包括至少一个响应于所述压力波动的传感器元件。

在Coriolis质量流量表的情况下，专用于该测量原理的激励装置作用于至少一个测量管，使其振动，尤其是使其谐振，并且专用于该测量原理的传感器装置包括传感器元件，该传感器元件测出测量管在入口端与出口端的振动之间的相移。

在超声波流量表的情况下，专用于该测量原理的激励装置以及传感器装置被用这样的方式可操作地互连，即与测量管相连的第一超声波转换器，以及与测量管相连且与第一超声波转换器偏离一定距离设置的第二超声波转换器，该两个超声波转换器用这样的方式周期性交替地操作，即当一个作为发射器时，另一个作为接收器。因此，超声波通过流体在流动方向及与流动相反的方向交替地发送，这样流速及流率可以根据超声波的传播时间的不同而确定。

在热质量流量表的情况下，专用于该测量原理的激励装置为一设置于流体中的发热元件，专用于该测量原理的传感器装置包括一探测自身与发热元件之间温差的温度计。温差依赖于质量流率。

在压差质量流量表的情况下，专用于该测量原理的激励装置为一设置在流体中并限制横截面流量的孔板，专用于该测量原理的传感器装置包括在孔板前面的压敏元件以及孔板后面的压敏元件，这两个压敏元件形成一个压差传感器元件。

在图1中，评值电子装置2包括一用于产生流率信号“q”的第一分支电路21。在给定的测量范围m中，m与在流量传感器1中流动流体的流率q非常精确地成比例。

评值电子装置2还包括一第二分支电路22，该第二分支电路22根据上述标准产生一输出信号“q_c”，在给定的测量范围内，输出信号“q_c”的频率与产生于流动流体的测量方向上的流率q_c非常精确地成比例，该流动流体的测量方向由流量传感器的结构上的设置所决定。第二分支电路22例如可以为方波发生器，例如，其频率f由流率q_c所控制，其输出信号具有一预先确定的，但固定的脉冲信号标控比。

这些联系被示意性地示于图2中。由于简化的缘故，假设图2中每个坐标轴都具有线性刻度，这样函数关系q～f为严格地线性，也就是说，其产生了一直线族，该直线族的参数为在频率f为最大值f_max时流率q的测量范围m。

在图1中，第三分支电路被设置于第一分支电路与第二分支电路之间，第三分支电路确定一逆流率-q’，该逆流率发生在扫描间隔δt期间与测量相反的方向上，存储该逆流率并且从下一个被测量的流率中减去该逆流率。

图3用于解释该逆流率-q’所产生的不利情况。在图3中，被输入的流率q为纵坐标轴，时间t为横坐标轴。

图3的曲线不仅在横坐标轴上方延伸，这时q值为正值，而且在横坐标轴下方延伸，这时q值为负值。它们是由上述原因所引起的，并且搞错测量的结果且减少其准确性。而且，图3给出了流率具有平均值q_m的持续时间。

图4给出了评值电子装置优选实施例的更加详细的方框图，该评值电子装置具体涉及第三分支电路23。一个时钟发生器23₁被用于产生周期性时钟脉冲，该时钟脉冲具有一预先确定的或可预先确定的时钟周期δt，也就是说，等于图3中的持续时间δt。

时钟脉冲随时间的变化被示于时钟发生器23₁的左下方。在这种情况下它们为带有一致的脉冲信号标控比及适当频率的矩形脉冲。

平均器级23₂由时钟发生器23₁控制。平均器级23₂的输出端被输入流率信号“q”。其输出信号在每个时钟脉冲的末端提供平均流率值信号“q_m”，该平均流率值信号“q_m”表示时钟周期δt内的平均值q_m。

第一除法器23₃的除数输入端被输入一表示时钟周期δt的时钟周期信号“δt”。除法器23₃的被除数输入端被连接至读写存储器23₄的一个输出端，该读写存储器例如可以是一个普通的RAM甚至是一个EEPROM。

第一加法器23₅的第一输入端被连接至平均器级23₂的输出端，第二输入端被连接至第一除法器23₃的输出端，其输出端被连接至第一乘法器23₆的第一输入端。第一乘法器的第二输入端被提供一置位信号“k”，该置位信号“k”表示容积的倒数或质量的倒数。乘法器23₆在输出端产生一表示频率F的频率信号“F”。

三重比较器23₇的输入端被连接至乘法器23₆的输出端。其中一个输出端被连接至第二分支电路22的输入端，并且提供如下的信号s：

-如果频率信号“F”表示低于零的值，则该信号s表示零。

-如果频率信号“F”表示零与最大值F_max之间的值，则该信号s等于频率“F”本身。

-如果频率信号“F”表示比最大值F_max更大的值，则该信号s等于最大值F_max。

该信号s的轨迹被示于图5中。值得注意的是，前面提到的频率信号“F”可以比零值小与前面提到的没有负频率并不矛盾。后者与分支电路22的特性有关，该分支电路分配交变电流或电压发生器的可变频率给流率q。然而，交变电流或电压的频率只可以为正。

这种情况与频率信号“F”的情况相反。它表示平均流率值信号“q_m”与控制信号“k”的相乘的结果。前述平均流率值信号“q_m”表示平均值q_m，前述控制信号“k”表示容积的倒数或质量的倒数。因而上述值表示频率。即当上述逆流率-q发生时，频率信号“F”毫无疑问地为负值。

在图4中，第二乘法器23₈的第一输入端被连接至三重比较器23₇的输出端，乘法器的第二输入端接收时钟周期信号“δt”。接着，第二除法器23₉的第一输入端被连接至乘法器23₈的输出端，并且第二输入端被输入置位信号“k”。第三乘法器23₁₀的第一输入端被连接至平均器级的输出端，其第二输入端被输入时钟周期信号“δt”。

加法器/减法器23₁₁的减数输入端被连接至除法器23₉的一个输出端，其第一加数输入端被连接至乘法器23₁₀的输出端，其第二加数输入端被连接至读写存储器23₄的输出端。加法器/减法器23₁₁的输出端被连接至读写存储器23₄的一个输入端，该读写存储器被时钟信号起动。

加法器/减法器23₁₁的输出信号总是在时钟脉冲的下降沿被读入读写存储器23₄中，参见箭头。由于平均流率值信号“qm”总是在时钟脉冲的上升沿期间可以被得到，在前一时钟周期被读入读写存储器234的值，在随后的半个时钟脉冲周期内被施加于加法器235的输入端，直到一个新值被写入读写存储器234为止。

因此，在一个时钟脉冲周期之后，逆流率已经从该流率中减去。与前述的阻尼相反，这时有一个即刻的平衡。

当接通流量表时，一个适当初始值被写入读写存储器234，例如该初始值最好为零值。即使在电流测量期间，将零值写入读写存储器234，从而实现读写存储器234的复位，也是合适的。

图4用虚线示出了逆流率-q’可以被加起来，并且可选择地通过比较器23₁₂及随后的累加器23₁₃用其它方式被显示和进一步处理。例如可以这样设置比较器23₁₂的开关门限，使其输入信号的(正)值被抑制。

值得注意的是，带引号的非数字标记表示相应的不带引号的信号的值。这些信号的信息内容为相应的值，而不是该信号本身。

图4方框图的各个级的功能也可以通过相应的可编程微处理器来实现，当评值电子装置已经带有用于处理流率信号的微处理器时，这种实现方法被优先地应用。

Claims (18)

1.一种流量表，用于测量流经所述流量表的流体在预先选定的测量方向上或者在与所述测量方向相反的方向上的流率，所述的流量表包括：

流量传感器，用于传导流体，并根据流率产生传感器信号；以及

与流量传感器相连接的评值电子装置，所述的评值电子装置包括：

馈入传感器信号的第一分支电路，所述的第一分支电路将所述的传感器信号转换为表示流率的流率信号，

第二分支电路，可用于产生表示在测量方向上流动的流体的流率的输出信号，以及

馈入流率信号的第三分支电路，发出馈入到第二分支电路的控制信号，用于控制输出信号的产生，所述第三分支电路包括一个由时钟发生器产生的时钟周期信号所控制的读写存储器，并且

所述第三分支电路存储有一个表示在所述时钟周期信号给定的扫描间隔期间内，在所述与测量方向相反的方向上的逆流率的值，

其中第三分支电路从当前测得的流率中减去存储在读写存储器中的所述值，以生成用于第二分支电路的所述控制信号。

2.如权利要求1所述的流量表，其中输出信号的频率与流率相关，并且所述的频率由控制信号来控制。

3.如权利要求1所述的流量表，其中读写存储器包括用于存储所述值的RAM。

4.如权利要求1所述的流量表，其中第三分支电路包括用于计算要存储在读写存储器中的所述值的加法器/减法器，所述加法器/减法器具有一个连接到读写存储器的一个输入端的输出端，并且具有一个连接到读写存储器的一个输出端的输入端。

5.如权利要求1所述的流量表，其中第三分支电路包括一个用于生成所述控制信号的三重比较器，向所述三重比较器馈送由所述流率信号和存储在读写存储器中的所述值推导出的信号。

6.如权利要求1所述的流量表，其中流量传感器为容积流量传感器。

7.如权利要求1所述的流量表，其中流量传感器为质量流量传感器。

8.如权利要求1至7中任一项所述的流量计，其中所述评值电子装置的各级都通过微处理器来实现。

9.与流量传感器相连接的评值电子装置，该流量传感器用于根据待测流体的流率产生传感器信号，所述的流体流经流量传感器的至少一个测量管道，并具有预先选定的测量方向，所述的评值电子装置包括：

施加有传感器信号的第一分支电路，所述的分支第一分支电路可用于产生表示流体流率的流率信号；

可用于产生输出信号的第二分支电路，输出信号的频率与在流量传感器的测量方向上流动的流体的流率相关；以及

施加有流率信号的第三分支电路，它产生馈入到第二分支电路的控制信号，用于控制输出信号的产生，所述第三分支电路包括一个由时钟发生器产生的时钟周期信号所控制的读写存储器，并且

所述第三分支电路存储有一个表示在所述时钟周期信号给定的扫描间隔期间内，在所述与测量方向相反的方向上的逆流率的值，

其中第三分支电路从当前测得的流率中减去存储在读写存储器中的所述值，以生成用于第二分支电路的所述控制信号。

10.如权利要求9所述的评值电子装置，其中输出信号的频率与在测量方向上流动的流体的流率相关，并且所述的频率由控制信号来控制。

11.如权利要求9所述的评值电子装置，其中读写存储器包括用于存储所述值的RAM。

12.如权利要求9所述的评值电子装置，其中第三分支电路包括用于计算要存储在读写存储器中的所述值的加法器/减法器，所述加法器/减法器具有一个连接到读写存储器的一个输入端的输出端，并且具有一个连接到读写存储器的一个输出端的输入端。

13.如权利要求9所述的评值电子装置，其中第三分支电路包括一个用于生成所述控制信号的三重比较器，向所述三重比较器馈送由所述流率信号和存储在读写存储器中的所述值推导出的信号。

14.如权利要求9至13中任一项所述的评值电子装置，其中所述评值电子装置的各级都通过微处理器来实现。

15.用于测量流经流量传感器的至少一个测量管道的流体的流率的方法，该流量传感器具有预先选定的测量方向，所述的方法包括以下步骤：

产生至少一个表示流率和当前流体流经流量传感器的流动方向的传感器信号；

根据所述的至少一个传感器信号检测流率和当前流动方向；

根据所述的至少一个传感器信号计算出表示在特定时刻流体在与所述预先选定的测量方向相向的方向上流动的逆流率的值；并且

从当前检测到的流率减去所述表示逆流率的值，以产生一个表示测量方向上的流率的输出信号。

16.如权利要求15所述的方法，其中产生输出信号的步骤包括：将所述输出信号的频率调整为与检测到的流率相关的频率值的步骤。

17.如权利要求15所述的方法，其中计算表示逆流率的值的步骤包括：根据传感器信号计算出平均流率的步骤。

18.如权利要求17所述的方法，其中计算表示逆流率的值的步骤还包括将表示逆流率的值存储到一个读写存储器中的步骤。

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