CN1260039A - 气量计 - Google Patents

Abstract

一种气量计,它包含使气流沿第一传感器(8)通过的通道(6),以及用来从所述通道(6)接收和容纳大体静止气体并且其中排列有第二传感器(22)的腔体(16)。在加热期间内使传感器加热,而在冷却期间内使之冷却。确定传感器的冷却速率,并根据校准值,用来计算补偿气体密度变化的通过通道(6)的流速值。

Description

气量计

本发明涉及一种气量计，它包含一个使得气体流通过的通道、位于所述通道内的第一传感器，以及处理装置，该处理装置与所述第一传感器相连，从而处理装置交替地加热第一传感器以及使之冷却，以确定其冷却速率值，并用一个校准表来判断通过通道的当前流速值，校准表中含有与校准气体的冷却速率值相关的不同流速值。

上述类型的气量计见WO 9410540中的揭示。当通过第一传感器的气体流速降低或增加时，第一传感器会在加热以后分别更缓慢或更快速地冷却。由于当前冷却速率值是可测的，所以，用所述校准表，可以从当前冷却速率值得到气流流速的相应值。

改变气体的温度和/或压力，可以改变气体的密度。当密度增加或降低时，较大量或较少量的气体分子会在单位时间内碰撞传感器，因而传感器的冷却分别会更快或更慢。因此，从测得的当前冷却速率值也能反映出当前流速值。换言之，在参照参考温度和参考压力时，气量计是按照单位时间内的气体分子的数量而不是按照单位时间的气体体积(就象采用下述常用的仪表那样)来确定气体流速的。

在已经用所述参考温度和所述参考压力(或用Boyle-Gay-Lussac定律得到的不同的参考基准)校准了气量计时，每一单位时间内通过的气体分子的数量(用测得的流速值代表)与一气流冷却速率值相关，作为校准值。随后在测量同一冷却速率值时，当前流速值也将与相应的校准流速值相同，而不管在该以后的时间内的温度和压力为何值。同时，在校准期间相同数量的气体分子在校准以及随后相同的时间内通过时，气量计会给出相同的流速值，而不管在以后的时间内的温度和压力为何值。所以，可以校准气量计，以提供仍以时间的气体体积表示的当前流速值。

现有技术的气量计的缺点是，在实际应用时，所提供的流速值在当前气体与校准时使用的气体不同时是不同的。所以，必须用与气量计将要工作的气流相同的气体来校准气量计。在许多情况下，例如在用天然气体的情况下，从安全、废气处理和成本的角度考虑，可能会有问题。为了提供一种具有某种测量精度范围的气量计，要求制造、校准和库藏能够适应多种类型的气量计，从而使成本进一步增加。

另外，在安装以后，会因其他原因而使要测量的气体密度改变。例如，在天然气的情况下，气体供货商收到含有几种组分的气体，并且他们将试图向消费者提供其混合气，并且其每单位体积的加热功率(heating power)尽可能是恒定的。为此，可以加入一种合适的辅助气体，如氮气。但是，其结果是提供给消费者的合成气体(或气体组分)的密度在相同的温度和压力下会因时间的不同而不同，从而不管每单位时间内体积相同而导致不同的冷却速率值，因而产生不同的相关流速值，从而导致不正确的测量值。

本发明的目的是克服现有技术气量计的这些缺点。

因此，本发明提供了一种如权利要求1所述的气量计。

采用这样的气量计，可以用任何一种合适的气体(甚至是空气)进行校准。另外，可以显著减小由于气体的组分(或气体组分)的变化而引起密度变化的灵敏度。

在参照附图对按照本发明的气量计的较佳实施例进行了详细描述以后，读者将会清楚地了解其他的特征和优点。其中：

图1是所述气量计实施例的示意图；

图2是与所述气量计一起使用的电子电路图；以及

图3是气量计所采用的传感器的温度作为不同气体流速的时间函数的图。

图1中示意描述的气量计的实施例包含：外壳1，它可以是任何一种合适的形状，如管形。使用时，气量计使气体(或气体组分)沿箭头2所示的方向流过外壳1。

外壳1内，有一个管子部分5，它提供通道6，其中心线最好与所示方向2平行。通道6内有一个环境温度感测传感器7。传感器7的下游处，有一个位于通道6内的流速测量传感器8。用合适的导线9、10分别将传感器7、8与处理装置12相连。

传感器7、8可以是任何一种传感器，它们可以在加热期间被加热，并且在以后的冷却时间内由处理装置12监视和测量其冷却。下文中，假设传感器7、8是具有负温度系数的热敏电阻。

上面参照图1描述的气量计见WO 9410540。下面针对与本发明相关的内容详细描述其操作。

另外，按照本发明，辅助构件15有一个腔体16，它在上游一端开口，而在其下游一端上有一个封闭构件17。辅助构件15是一个管子部分，其中心线最好与方向2所示的气流流向平行。并且封闭构件17最好有一个中央小开口18，使得少量的气流能够流过所示腔体16，从而其内部能够由当前气体(组分)所更新。

如同通道6一样，腔体16内部有一个环境温度感测传感器21，并且在其下游方向，有一个流速测量传感器22。传感器21、22分别通过合适的导线23、24与处理装置12相连。

传感器21、22的类型最好与传感器7、8类型相同。这将便于对来自传感器7、8、21、22的测量信号的进行处理以及校准的准备工作。

图2示出的是更详细的传感器7、8、21、22和处理装置12。

如图所示，每一对传感器7、8和21、22分别相连为分压器，其一端与地或机壳25相连，而其另一端分别与数字/模拟转换器28的一个输出端相连。所述分压器的中间节点分别与模/数转换器33的输入端31、32相连。D/A转换器28与微处理器35相连，并行从微处理器35接收数据，在输出端26或输出端27处提供输出电压，其幅度对应于所述数据的值。

A/D转换器33与微处理器35相连，以提供数据，其值与输入端31或32处的输入信号的幅度对应。

转换器28和33由所述分压器时间共享，并且通过接续(使D/A转换器28的输出与输出26或27相连，同时使A/D转换器33的输入分别与输入端31或32相连)，由微控制器35控制。

NPN晶体管41、42的集电极分别与A/D转换器33的输入端31、32相连，发射极与地25相连，基极单独地与微处理器35相连。

微处理器35与显示装置44相连，显示装置用来显示测得的流速和/或通过气量计的累计气体量。

另外，微处理器35可以与输入/输出端(I/O)45相连，用于进行远程测量。

图2中所示用于带有传感器7、8的分压器的电路运行如下：

在加热期间，微处理器35控制D/A转换器28向输出端26提供特定的电压，控制晶体管41不导通，并控制A/D转换器33将输入端31处的电压转换成数字值，并将其提供给微处理器35。该数字值代表传感器7、8之间的温度差。当传感器7、8的温度相同并且传感器7、8也相同时，所述输入电压是D/A转换器28的输出端26处的电压的一半。该温度是进入气量计的气体的环境温度TA。假设气量计已经工作了一会儿了，那么在某一瞬间，下游传感器8的温度是一预定值TB-TA，高于所述环境温度TA。从这一时刻起，微处理器35增加D/A转换器28的输出端26处的电压，并控制晶体管41导通，从而旁路传感器7。因而传感器8被加热，而传感器7(基本上)不被加热。间断地重复这一测量和加热过程，并在该过程中调节输出端26处的电压，以便使传感器8的温度对每一段这样的加热时间t0-t1内遵循一条预定的参考曲线，如图3中温度TB和TC之间的直线。

当达到高于TB的特定温度TC时，热传感器8的电压被用来测量传感器8的温度的电压所取代。在以后的冷却期间，传感器8将趋向于从温度TC冷却到环境温度TA。然而，当冷却到温度TB时，再次开始所述加热过程，等等。

传感器8的温度从TC降到TB的冷却时间t1-t2是气体流速的一个量度。当流速降低时，传感器8冷却得更慢，并且所述冷却时间持续得更长，例如是t1-t3或t1-t4。当气体(组分)密度降低时也是这样。

温度TB可以是任何一个使得可以进行充分精确测量的温度。例如，TC-TB＝15°，以及TB-TA＝1.6*(冷却曲线的时间常数)。

具有传感器21、22的分压器的运行与具有传感器7、8的分压器的运行是相同的。然而，具有传感器21、22的加热-冷却循环无需与具有传感器7、8的分压器一样频繁。结果，传感器22老化一定比传感器8慢，并且可以用来补偿传感器8的老化，读者将在后文中清楚地理解这一点。

由于腔体16内的流速大体上为零，在校准期间以及在原地(in situ)气量计安装以后也会产生这样的情况，可以用当前气体的传感器22的当前“零”冷却速率值，对不同的气体组分，补偿作为传感器8的冷却速率的时间常数的函数的零气体流速处的起点(origin)，同时使之与在校准气体(可以为空气)的校准期间得到的这样的值相关。

这种补偿所用的公式将因所使用的传感器的类型的不同而不同。然而，举例来说，下面将举热敏电阻为例作为所述传感器来描述一种方法。

在下面的公式中，先给出下面的文字定义：

φ        流速(每单位时间内的体积)；

M    传感器8的冷却时间常数；

Z    传感器22的冷却时间常数；

Mc，Zc校准气体在静止时(即，在通道6和通道16内)测得的M、Z的值；

Mi，Zi  特定气体在静止使用时M、Z的初始化值；

Mg，Zg  公式中使用的M、Z，如果M0：在校准期间：Mc、Zc

        当安装气量计时：Mi、Zi

        安装以后：在φ＝0处测得的；

Mx，Zx  测量当前气体期间特别是在φ≠0处的M、Z；

Ma，Za  对特定个(例如32个)测量值取平均的Mx、Zx；

M0      假设在静止时对当前气体计算的M(虚构原点(ficticious

        origin))；

My      由M0补偿的Mx；

φy     与My相关的φ

φj(Mj) 校准气体的几对(φ，M)的校准表；

M1，M2  M1≥My＞M2时，Mj的两个顺序值的例子；

F0      M0≠Mc时的原点校准因子；

Fc(φ)  对于所述校准气体的几个φ，具有校准校正因子(calibration

        correction factor)Fc的表；

Ft      M0的老化校正因子。

对于测得的Mx，要计算的气体流速值是： $\mathrm{\φy}=\mathrm{\φ}1*\mathrm{Exp}[\left(\frac{M1-\mathrm{My}}{M1-M2}\right)*\mathrm{Ln}\left(\frac{\mathrm{\φ}2}{\mathrm{\φ}1}\right)]---\left(1\right)$

其中， $\mathrm{My}=\mathrm{Mx}*(\frac{\mathrm{Mc}}{M0}+F0)---\left(2\right)$ $F0=\frac{\mathrm{Mc}-M0}{\mathrm{Mc}}*\frac{\mathrm{Fc}}{358.4}---\left(3\right)$ $M0=\mathrm{Za}*\frac{\mathrm{Mg}}{\mathrm{Zg}}*\mathrm{Ft}---\left(4\right)$ $\mathrm{Ft}=\frac{\mathrm{Ma}}{M0}$ (如果Ma≤M0≤0，则Ft＝1)    (5)校准

可以用与气量计的目标气体不同的校准气体来校准按照本发明的气量计。尤其是在本例中(时间常数是毫秒，流速值以升/小时表示)校准气体所采用的是空气。

假设在校准期间测得：

Mc＝12319，并且Zc＝12851。

在校准期间没有发生老化的情况下，有Ma＝M0，从而Ft＝1。则：

M0＝12851*12319/12851*1＝12319；以及

F0＝(12319-12319)/12319/358.4＝0；对于给定的Mx＝3410毫秒的校准气体的当前流速值：

My＝3410*(12319/12319+0)＝3410。进一步假设(900，3581)和(1200，3303)的校准对(φ，M)最接近于My＝3410的要计算的校准对的两边。那么，

φy＝900*Exp[(3581-3410)/(3581-3303)*Ln(1200/900)]＝1074。使用指定的气体的操作：

假设对于气量计要采用的气体，开始计算过程的初始值是：

Mi＝10907，并且Zi＝11459。

在安装了气量计以后，以及在腔体16中含有所述目标气体时，气量计将注意到当前的Z≠Zc，因此将进行下述初始赋值：

Zc＝Zi，Zg＝Zi，Za＝Zi，Mg＝Mi以及Ma＝Mi，使得：

Zc＝11459，Zg＝11459，Za＝11459，Mg＝10907以及Ma＝10907。

安装时，没有发生显著的老化，并且Ma＝M0，从而Ft＝1。于是：

M0＝11459*10907/11459*1＝10907。

进一步假设所述当前流速值Mx＝3410毫秒，并且按照校准表，Fc的相应值＝145，从而：

F0＝(12319-10907)/12319*145/358.4＝0.04637；

My＝3410*(12319/10907+0.04637)＝4010；以及

φy＝600*Exp[(4042-4010)/(4042-3581)*Ln(900/600)]＝617。

使用不同的气体的操作

假设腔体16中“零”流速处传感器22的平均冷却速率变化为Za＝11246。由于这一变化是不能通过前述温度或压力的变化来产生，所以，必须通过下述来产生，即：

Zc＝11459，Zg＝11459，Za＝11246，Mg＝10907，以及Ma＝10907，从而：

M0＝11246*10907/11459*1＝10704

(出现Ma＜M0，从而Ft＝1)；

F0＝(12319-10704)/12319*145/358.4＝0.05304；

My＝3410*(12319/10704+0.05304)＝4105；以及

φy＝300*Exp[(4885-4105)/(4885-4042)*Ln(600/300)]＝570

(注意变化的My的(φj，Mj)对的变化)。

从上面可以清楚地看到，第二和第三计算例子中Mx＝3410的测得的时间常数是由较小的流速引起的，第三个例子中的流速比第二个例子中的流速小。这就是说，第三个例子中的气体密度大于第二个例子中的气体密度。然而实际上，假设消费者每单位时间中取相同的体积，这可能是由于单位时间内的体积的加热功率是由提供者控制为恒定的，在所述不同气体的情况下，将取较大的流速，产生比Mx＝3410毫秒更小的时间常数，这接着产生比φy＝570l/h更大的计算的流速值，以由消费者得到每单位时间内相同的加热功率。

从上文中可以看到，不管相对于校准气体温度、压力和组分为何，按照本发明的气量计提供了正确的气体流速测量值。

读者看到，按照本发明的气量计可以以几种不同的方式来构成。例如，图1中管子部分5可以被省去，而将传感器7、8排列在外壳1内而起通道6的作用。另外，处理装置12可以含有具有两个集成的D/A和A/D转换器的ASIC。

Claims (9)

1.一种气量计，它包含：使气流通过的通道(6)、排列在所述通道(6)内的第一传感器(8)，以及与所述第一传感器(8)相连的处理装置(12)，所述处理装置(12)可以交替地使所述第一传感器(8)加热和冷却，以确定其冷却速率值，并用一含有校准气体的相关冷却速率值的不同流速值的校准表，确定通过通道(6)的流速的当前值，其特征在于，它还包含：收容从所述通道(6)接收的大体为静止的气体的腔体(16)、排列在所述腔体(16)内部并与所述处理装置相连的第二传感器(22)，并且，所述处理装置(12)交替地使所述第二传感器(22)加热和冷却，以确定其冷却速率值，所述处理装置(12)使所述第一传感器(8)的当前测得的冷却速率值与所述校准表的一个冷却速率值相关，用所述第二传感器(22)的当前测得的冷却速率值以及用用于所述校准气体的第二传感器(22)的校准冷却速率值，从所述表中的值得到其相关的流速值作为所述当前流速值。

2.如权利要求1所述的气量计，其特征在于，在确定所述当前流速值时，所述处理装置(12)计算并使用所述第二传感器(22)的一系列当前测得的冷却速率值的平均值。

3.如权利要求1或2所述的气量计，其特征在于，在确定所述当前流速值时，所述处理装置(12)根据所述第二传感器(22)的一个或多个当前的冷却速率值以及大体为零的通过通道(6)的流速值的两个传感器的冷却速率值，计算并使用虚构为在所述通道(6)中的静止的当前气体情况下第一传感器(8)的虚构冷却速率值。

4.如权利要求3所述的气量计，其特征在于，在确定所述当前流速值时，所述处理装置(12)根据大体为静止的所述校准气体的所述第一传感器(8)的校准冷却速率值以及根据所述第一传感器(8)的所述虚构的冷却速率值，计算并使用所述第一传感器(8)的当前冷却速率值的原始校正因子(origincorrection factor)。

5.如权利要求3或4所述的气量计，其特征在于，在确定所述当前流速值时，相对于所述第一传感器(8)的所述虚构冷却速率值，所述处理装置(12)计算由所述第一传感器(8)的一系列当前冷却速率值的平均值组成的老化校正因子，并与提供所述虚构冷却速率的项相乘。

6.如前述任何一个权利要求所述的气量计，其特征在于，在对第二传感器(22)加热的顺序时间之间的时间间隔比对所述第一传感器(8)进行加热的顺序时间之间的时间间隔要长。

7.如前述任何一个权利要求所述的气量计，其特征在于，所述腔体(16)是一个小开口。

8.如前述任何一个权利要求所述的气量计，其特征在于，在确定所述当前流速值以及在一当前流速值高于一参考值时，所述处理装置(12)将所述第一传感器(8)的所述虚构冷却速率值固定在一预定值上。

9.如前述任何一个权利要求所述的气量计，其特征在于，所述第一和第二传感器(22)的类型相同。

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