CN1436296A - 气量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量混合气用量的气量计，它测量与流速成比例的传感器信号值，该气量计被校准成能量测量单元。所述校准基于标准混合气(CH)。在测量用气量时，一测量能耗值乘以一个至少大致考虑了供应混合气的卡值的修正系数，该卡值由一外部单元确定。这使得用一个简单经济的气量计为用气量建立有效的能量关系成为可能。于是，可以根据该关系开具发票。

Description

气量计

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的或权利要求9的前序部分的、混合气用量测量方法及气量计。该方法和气量计尤其适用于家用和商业领域并且尤其适用于天然气供应的测量。

背景技术

目前，尤其是家用和商业领域的用气量帐单是都是基于用气体积。因此，主要使用的是直接基于流经气体体积测量的气量计，在这里，它们部分补偿因温度变化而产生的测量误差。

使用最频繁的气量计是如由Vulkan-Verl在U.Wernekinck于1996年在Gasmessung und Gasabrechnung中的第20-31页中描述的所谓膜盒式气量计。这种膜盒式气量计有两个测量室，它们被流经气体交替填充并又被排空。当填充一个室时，气量计使气体进入另一室。计量填充和排空并乘以测量室体积地得到流经气体的总体积。但是，由于气体体积随环境温度及压力而变，所以测量常存在误差。在夏季，当气体是温暖的并有较大体积时，用户要为同样的气体卡值支付比冬天多的费用。为此，现代的膜盒式气量计配备有补偿温度的简单的机械电子装置，但实际上很少使用这些装置。不过，没有考虑压力波动。

专利申请WO99/06800已经公开了测量体积流速的气量计。为此，在一气体管线中，用第一热敏电阻测量冷却状况并用第二热敏电阻测量当前气温并由此确定气体分子流速。在管线中还设有一个在其中测量静止气体的冷却状况的单元。因此，在该气体管线工作时，可以在随时获得一个校准值。于是，又可借助该校准值由第一热敏电阻的冷却状况确定体积流速。

尽管有这些补偿方法，但基于体积测量的气量计总有误差并造成不正确的用气量帐单。另外，基于体积用量的收费原理对用户是不公平。即用气多少不应按照体积来决定，而应按照气体量即气体用量以及气体质量如气体卡值来决定。无论是在加热系统、热水供应系统或烹饪区中，气体越浓密且质量越高，则获得同样效果的气体体积越小。

因此，未公开的德国专利申请号19908664.8描述了一个测定气体量流速并因此考虑气体密度的气量计。为此，最好使用一个如F.Mayer等人在国际电子仪器会议(IEDM，1997)的IEEE会刊上发表的“Single-Chip CMOS Anemometer”的第895-898页所述的风速计。这两个文献的公开内容是以下说明书的组成部分。

但是，在上述气量计中没有考虑气体质量波动。尤其是在天然气的情况下，这样的波动是相当大的，这主要是由于天然气成分视来源而定而引起的。但在气体供应管路中，来源不同的气体被混合供应，其中混合比可视需要而显著变化。

现有技术确实公开了考虑气体卡值并测定能耗的装置。例如，专利申请WO00/11465已公开一种能量测量装置，它一方面有一个测量体积的膜盒式气量计，另一方面有一个测定气体卡值的装置，该卡值测量装置基于声学测量原理。美国专利US-A 6047589也公开了一个测定气体流量体积及气体卡值的能量测量装置，在这里，这两种测量都基于声学效应。因此，这两个能量测量装置足以进行体积测量，其中它们分别算出现场测得的卡值和体积测量值，以便获得所需的能量值。

因此，这些能量测量装置比较复杂并且它们必须能进行体积测量、卡值测定并且将所获的两个测量值逻辑联接起来。因此，这样的对于用作家用和商业领域的普通气量计来说太昂贵了。

发明内容

因此，本发明的任务是提供如前言所述类型的混合气用量测量方法及气量计，它通过简单的方式方法实现了与热值有关的气体使用情况的测量并因而适用于家用和商业领域。

通过具有权利要求1或9的特征的方法及气量计来完成该任务

本发明的方法是源于以下认识，即在测量流速且尤其是质量流速时，传感器信号与气体热值或卡值有关地变化。此外，这种相关性具有一个按照第一阶是比例关系的固定关系。因而，可以直接作为能量测量装置地校准本发明的气量计。

可以与气量计测量无关地进行考虑了混合气成分波动的进一步校准。实际供应的混合气的所需卡值的测定可以由一个在现场与气量计分开的外部单元来完成。

因此，优点是，不需要给每个气量计配备一个测定卡值的单元。一个唯一的外部单元足以给许多用户和进而与同一个气体供应网相连的气量计提供关于所供应混合气的卡值的所需信息。

在一个本发明方法的优选变型方案中，这个外部单元将关于卡值的信息传输给该气量计，气量计本身根据该信息进行对测量能耗值的修正。

在方法的另一个优选变型方案中，气量计将能耗值或一个在预定时间段内合计的能耗值传给一个中央装置，在该中央装置中，用关于在这个时间段内的供应混合气卡值的信息来修正这个值。

由从属权利要求中得到进一步的有利实施形式。

附图说明

以下，结合一个如附图所示的优选实施例来详细说明发明主题，其中：

图1表示具有本发明气量计的气体管线的局部；

图2表示天然气卡值的月平均值偏差与本发明气量计的相应测量值的对比；

图3a表示在体积测量情况下的关于气体有效能值的测量值误差；

图3b表示在质量流量测量的情况下；

图3c表示在本发明的能量流量测量的情况下。

具体实施方式

图1示出一条配备有一个本发明气量计的气体管线。该气体管线包括一主管路1，它与一条在建筑物外的且在此未示出的气体供应网管路相连。主管路1具有一个有确定横截面的管缩部10或具有其它被装入主管路1中的并用于获得适当压降的装置(降压装置)。气体流经气体管线。所述气体通常为混合气，其实际成分是变化的。例如对天然气来说，情况就是这样的，天然气的三种主要成分即甲烷、丙烷及乙烷根据气体来源的不同也具有不同的重量。不过，这三种可燃主要成分也有不同的卡值，所以合成混合气的卡值有相应的波动。

设有一个气量计，它有一个测量气体质量流量的测量装置2以及一个在此未示出的计算电子仪器。在一个简单的实施例中，测量装置2被直接安置在主管路1内。但在如图所示的优选实施例中，从主管路1分支出一形成一条通向管缩部10的旁路的旁通管11。测量装置2被安置在这个旁通管内。该测量装置最好是风速计，即一个在夹层结构中含多晶硅的CMOS风速计，如J.Robadey等人在1995年发表的“Twodimensional integrated gas flow sensors by CMOS IC technology”(记载于J.Micromech.Microeng.5中的第243-250页)、在F.Mayer等人在IEEEMicro Electro Mechanical System(IEEE，1996)的会刊上发表的“Scalingof thermal CMOS gas flow microsensors：experiment and simulation”(第116-121页)以及在F.Mayer等人在IEEE国际电子装置会议(IEDM，1997)的会刊上发表的“Single-Chip CMOS Anemometer”(第895-898页)所述的并且在前言中提到的德国未公开专利申请号19908664.8中被用作气量计的装置。

测量装置2有一个加热件并且分别具有一个在流动方向上等间距地布置在加热件的前后的温度传感器。待测气体流经测量装置2的表面并且被该加热件加热。借助该温度传感器，在流动方向上在加热件的前后测量气体的温差或温度，在此，获得一个呈电压信号U形式的传感器信号S，它与温差ΔT成比例。传热速度依赖于单位体积内的分子数量并进而依赖于气体质量。不过，它也依赖于混合气的卡值，即依赖于混合气的成分或类型。

根据本发明，人们现在认识到，传感器信号与混合气卡值有关地变化。这出现在该装置被校准为体积测量装置时，尤其是该装置被校准成质量流量计。在图2中示出了这种依赖关系。在这里，CW表示天然气卡值的月平均值与其年平均值的百分比偏差。如图所示，卡值的波动约为2％。还示出并用ΔS表示了传感器信号值S的变化，该信号是在气体流量不变的情况下借助上述测量装置2获得的。可以看到，该传感器信号值在相同方向上变化，甚至几乎与卡值成比例地变化。这种关系不仅适用于月平均值，当然也适用于瞬间值，即在任意小的时间段内的值。

因此，根据本发明，气量计或测量质量流量的的装置可以被校准或校正成一个能量测量装置或单元。为此，采取如下措施。

第一步，根据校准气的体积流速或质量流速来确定N个传感器信号值S(_N2，n)，其中在标准条件下，即在规定温度(如20℃)和规定压力(如1巴)下，进行这种确定。此外，如上所述，对所用测量装置2来说，传感器信号值与气体质量流速成比例。传感器信号值S(_N2，n)被转换并以传感器校准曲线F_n(S(_N2，n))的形式并作为倚赖传感器信号S的流速被存储在气量计的计算电子仪器中。

所用校准气体最好是氮气N₂或空气。在第二步中，传感器校准曲线F_n(S(_N2，n))乘以一个信号转换系数f_N2-CH和一个用于用符号CH表示的标准混合气的卡值系数H_CH并又被存储起来。在这种情况下，信号转换系数是一个考虑了在用标准混合气代替校准气体(在此是氮气)时的测量装置2灵敏度差异的转换系数。卡值系数H_CH考虑了该标准混合气的卡值，就是说，考虑了其单位流量内的卡值或卡值，即每标准体积或每公斤的卡值。所用的标准混合气最好是典型地被用于气量计领域的平均混合气。

所获乘积是与传感器信号S有关的功率P。

              P＝P(S)＝F_n(S(_N2，n)·f_N2-CH·H_CH它作为单位时间能量地表示出瞬间用气量。因此，通过为规定时间段积分，可以确定能耗E：

           E＝∫P(S)·dt＝f_N2-CH·H_n·∫F_n(S(_N2，n)·dt

因此，气量计已被校准成一个基于标准混合气的功率测量装置或能量测量装置。在其工作中，自动地通过传感器信号S的相应波动而至少部分考虑了消耗混合气的成分随时间的波动，即与标准混合气成分之差。为此，不需要不断更新随时间波动的有效卡值H或其与标准混合气卡值H_CH之差。

如图2所示，通过本发明的校准而获得的对气体成分随时间波动的考虑虽然从质上讲是正确的，但在量上不是很理想的。如此获得进一步的改进，即代替标准混合气卡值H_CH，使用一个至少大致考虑了有效供应的混合气的卡值的卡值 H。例如，这个值 H通过对一个任意时间段形成适当的平均值来确定。因此，为确定有效供应能量，根据标准混合气被校准的测量能耗值乘以一个修正系数 H/H_CH。

有利地在一个外部单元中通过计算或实验来确定这个卡值 H。这个单元不一定要在相应的用户中，而是可以为整个用户网采用唯一一个单元。它可以是一个中央装置的组成部分，或是与之通信连接。已知装置可被用于确定该卡值。在这种情况下，也可以有利地为此采用精确昂贵的测量装置，因为只需要唯一一个装置。因此，该外部单元随时或在某些时刻测量流经用户网的混合气的卡值并将此值存储于其中。

在本发明的一个变型方案中，该外部单元给用户网的气量计或每个气量计提供关于所供应混合气的卡值 H的信息。这可以定时地进行或在混合气变化明显时进行。在此变型方案中，气量计具有用卡值信息来修正测量能耗值的计算部件。在这种情况下，信息包括修正系数、卡值或一个可配属于修正系数的代码。在一个优选变型方案中，气量计为某个时间段i如一周或一个月对测量能耗值进行积分并将此值乘以包含第i个时间段的平均卡值 H(i)的修正系数 H(i)/H_CH。结果，为m时间段内的有效能耗获得以下式子 $E=f_{N_2-\mathrm{CH}}\·\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\‾}{H}\left(i\right)\·\underset{i}{\∫}{F}_n\left(S\left({\stackrel{\·}{V}}_{N_2,n}\right)\right)\·\mathrm{dt})$

而且，在信号转换系数被平均的情况下，还得到 $E=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\stackrel{\‾}{f}}_{N_2-\mathrm{CH}}\left(i\right)\·\stackrel{\‾}{H}\left(i\right)\·\underset{i}{\∫}{F}_n\left(S\left({\stackrel{\·}{V}}_{N_2,n}\right)\right)\·\mathrm{dt})$

在方法的另一变型方案中，气量计将测量能耗值传给一中央装置，它把测量能耗值乘以修正系数。如果外部单元没有被整合在中央装置里，则它也将关于供应混合气卡值的信息传给中央装置。气量计和/或外部单元最好为某个时期段对测量值进行积分或合计并把积分值传给中央装置。

在所有变型方案中，测量能耗值的修正可以在任何时刻进行，或者说，只有在读表时才进行。

由于直接被校准为能量测量装置，所以本发明的方法及气量计允许廉价而公平地为用气量付费。更加精确的测量方法可以从图3a-图3c中看到。这些图示出了测量能量值与混合气的有效能量值之差有多大。图3a表示为气体体积流量测量而校准气量计的情况。示出了与能量E成函数关系的体积流速，在这里，是针对没有附加温度补偿措施的普通的膜盒式测量装置。如果用这样的装置根据体积流量来确定相应的气体能量，则误差高达±18％。误差起因是通常最高达到约±10％的温度波动以及最高约为±5％的压力波动。图3b表示一个因如使用上述测量装置2来校准成质量流量而出现的测量误差。示出了与能量E成函数的质量流速

最大误差约为±4％，其中的2％是因测量装置而产生的，另外2％是因混合气成分或卡值随时间波动而产生的。图3c表示当使用按照本发明地校准成能量流的上述测量装置2时的测量误差。示出了与能量E成函数的能量流速度或功率 如图所示，直接被校准成能量流量测量的装置产生最好效果，因为在这种情况下，测量装置自动地把混合气成分随时间的波动修正到能量流速的正确方向上。

                符号一览表1            主管路10           管缩部11           旁通管2            测量装置CW           月平均值偏差S            传感器信号值ΔS          传感器信号值S的变化

Claims (10)

1、一种通过一气量计来测量混合气用量的方法，该气量计确定一个与一流速成比例的传感器信号值(S)，其特征在于，该气量计被校准成能量测量单元，在这里，该气量计的校准基于一标准混合气(CH)，该气量计测定一个功率(P)或一能耗值(E)。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了校准该气量计，根据一校准气体(N₂)的流速来确定传感器信号值(S_n)并以传感器校准曲线(F_n(S_n))的形式被存储在该气量计中，该传感器校准曲线乘以一个信号转换系数(f)和一个用于标准混合气(CH)的卡值系数(H_CH)，所获乘积按能量单位地表示用气量。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，一个测量能耗值(E)乘以一个至少大致考虑了一供应混合气的卡值( H)的修正系数( H/H_CH)。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，供应混合气的卡值( H)由一外部单元确定。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，该外部单元将关于供应混合气的卡值( H)的信息传给该气量计。

6、如权利要求4所述的方法，其特征在于，该气量计将测量能耗值传给一个中央装置并且该外部单元将关于供应混合气的卡值( H)的信息传给该中央装置。

7、如权利要求4所述的方法，其特征在于，该外部单元是该中央装置。

8、如权利要求3所述的方法，其特征在于，该修正系数( H/H_CH)考虑了一个在某时间段内测定的供应混合气的卡值( H)。

9、一种测量混合气用量的气量计，其中该气量计有一个测定一与一流速成比例的传感器信号(S)的装置(2)，其特征在于，该气量计被校准为能量测量单元，在这里，该气量计的校准基于一标准混合气，该气量计测定一功率(P)或一能耗值(E)。

10、如权利要求9所述的气量计，其特征在于，该气量计有修正手段，以便将一测量能耗值乘以一个至少大致考虑了供应混合气的卡值( H)的修正系数( H/H_CH)。

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