CN1461430A - 质量流量计系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种质量流量计系统(20)，只在单一的压力信号的基础上计算质量流速。一个流量控制器(22、24)与节流阀(30)平行放置，这样能够在节流阀(30)的截面上保持恒定的压差。如果不进行控制，则在节流阀(30)的两侧测量流过节流阀(30)的液体压力和温度。将压力与压力和质量流速关系曲线进行比较，该曲线是由特定节流阀和被测液体计算出来的。在节流阀截面上保持的恒定压差可以在压力和流速之间产生线性关系。如果不对温度进行控制，压力和质量流速的关系曲线将保持线性，但是曲线的斜率将在液体温度的基础上进行调整。

Description

质量流量计系统及方法

本专利申请要求2001年4月13日提出的60/283,596号美国临时专利申请的优先权，该申请作为参考并入本文。

技术领域

本发明涉及用来测量并控制质量流量的系统和方法，特别是，涉及允许使用节流阀和压力温度传感器来对质量流量进行精确测量的系统和方法。

发明背景

在许多规程中，必须以很高的精度来测量液体的质量流量。例如，在医药和半导体制造中，通常需要以一定精确量来供给气体和液体，以获得理想的结果。使用流量计来测量实际供给的液体质量。

传统的基于压力的质量流量计使用一个节流阀、一个温度传感器和压力传感器来检测节流阀上游的绝对压力值以及节流阀截面上的压差。质量流量由一个表来确定，该表表示预定质量流速下压力和温度读数的关系。这种系统需要至少两个压力传感器和一个温度传感器，以确定在不同的温度和上下游压力下的液体密度、液体速度和液体粘度。

需要更加简单并且不需要太复杂的计算来确定真实质量流量的质量流量计。

相关技术介绍

授予Nishino等人的5,791,369号美国专利公开了一种流量计控制器，据称只需一个函数式压力传感器。然而，5,791,369号专利公开的控制器只能用于声速流状况下，而且该系统需要入口压力为出口压力的两倍，以便控制器很好地工作。因此，5,791,369号专利公开的控制器只能在非常低的流速下工作，只能控制气体，并且必须进行有效的上游压力调整。另外，5,791,369号专利披露，使用第二压力传感器来确定什么时候下游压力大于入口压力的一半，当这个条件满足时，控制器关闭。

授予Balazy等人的6,152,162号美国专利公开了一种液体流量控制器，需要两次压力测量，在节流阀的上下游分别进行一次。6,152,162号专利不测量质量流量。6,152,162号专利还使用了一个过滤元件作为节流阀。气流中的微粒可能会堵塞过滤器，从而改变压力下降和节流阀流动特性的关系，可能会偏离初始测量设置。

授予Waldbusser的6,138,708号美国专利公开了一种压力补偿质量流量控制器。6,138,708号专利中描述的系统将一个热质量流量控制器和一个连接在具有圆顶的压力调节器上的热丝式仪表结合在一起。另外一个使用一个独立的气体源的导向式压力调节器，将压力调节器的圆顶加载到热质量流量控制器的上游。导向式调节器和质量流量控制器都由微处理器控制，以便入口压力的控制与由独立于流量控制器的入口压力获得的流速保持一致。

附图简述

图1是一个框图，显示本发明的质量流量计的例子；

图2是通过流量计的质量流量与液体压力之间的示例对比曲线，以说明本发明的操作；

图3是一个剖面视图，示出可以用来实现图1中所示的质量流量计的示例机械系统；

图4是图1中质量流量计使用的流量计电路的框图；

图5是示例流量计电路的详细框图，可用在根据本发明原理制造的质量流量计中；

图6是表示校准图1所示的质量流量计的示例方法的流程图；

图7是通过流量计的质量流量与几种不同液体温度的液体压力的对比图，这几种温度说明对不同液体温度进行的补偿；

图8是通过流量计的质量流量与液体压力的示例对比曲线，该液体压力用于说明应用在非线性质量流量输出中的本发明操作的基本原理；

图9是使用本发明质量流量系统的示例性流量控制系统的框图；

图10是流量控制系统的另一种结构的框图。

优选实施例

以下讨论分成几个部分进行。在第一部分中，将根据一个质量流量计系统对本发明的基本操作和原理进行描述。第二和第三部分将描述作为例子的机械和电器系统，该系统可用来实现本发明。第四部分将描述一种校准按照本发明原理制造的质量流量计系统的方法。第五部分描述第一到第四部分中所描述的、用作质量流量控制的一部分的质量流量计。第六部分描述质量流量控制系统的另一种结构。最后一部分描述另外的考虑，这些考虑是在设计和制造特殊的本发明实施方案时，需要进行的典型考虑。

1、质量流量计系统

首先参照附图中的图1，所描绘的是作为例子的质量流量计系统20，它按照本发明的原理制成，并体现了本发明的原理。流量计系统20包括一个机械系统22和一个电气系统24。机械系统22包括一个节流阀30，该节流阀确定了节流元件32和压力平衡系统34。电气系统24包括一个压力传感器40、一个温度传感器42和一个流量计电路44。

机械系统22确定了一个液体入口50和一个液体出口52。入口50和出口52分别连接在受压液体的供应源54和液体的终点56上。

通过以上讨论，应该清楚供应源54和终点56可以根据流量计20的使用环境具有显著不同。例如，在医用环境中，供应源54可能是压力气体瓶，而终点56可能是将气体与空气进行混合并且通过传统装置将混合气体输出给病人的混合器。在制造环境中，供应源54可能是由原材料产生气体供应源的转换器，而终点56可能是将气体用作工业处理一部分的反应室。在许多情况下，供应源54的供给压力和终点56的背压可以是未知的和/或变化的。

因此，试图将本发明的流量计系统20用作更大系统的一部分，在这个更大的系统中，受压液体从供应源54通过机械系统22流向终点56。压力平衡系统34在节流室32的截面上保持恒定的压差。

如图1所描述，作为例子的节流阀30是可变的。特别是，当流量计系统20被校准后，节流阀30确定了节流室32的预设几何形状和有效截面面积。在示例系统20中，节流阀30可改变节流室32的形状，特别是其有效横截面面积。在本发明的另一种结构中，节流阀30不需改变，而是在制造时就具有预设的几何形状和有效截面面积。这可能或者不可能包括标准管口、声音管口、各种形状的层流元件，或者可变的面积限制。使用预设或者可变节流阀可能影响流量计系统20的校准工艺，如下文所述。

优选结构中，压力平衡系统34是一个流量控制器，它使用机械调节系统来保持节流室32截面上的恒定压差，即使源头压力和终点压力都是未知的、可变的。这种机械流量控制器在诸如全部转让给本申请人的1999年12月2日授权的6,026,849号美国专利和2001年3月13日申请的09/805,708号待批美国专利申请中公开。然而，压力平衡系统34还可以是如09/805,708号申请所公开的机电流量控制器。6,026,849号专利和09/805,708号申请所公开的内容都作为参考并入此处。

优选结构中压力和温度传感器40和42都是机电传感器，将压力和温度值转化成电信号。工作时传感器40和42连接在机械系统22上，分别产生由流过机械系统22的压力和温度引起的电信号。

流量计电路44存储或者使用校准数据，这些数据确定给定液体的质量流速与压力和温度的关系。校准数据包括为给定节流阀30计算的校准因子和由流过流量计系统20的气体特性确定的气体常数。气体常数是基于与温度变化有关的特定气体的密度或粘度的。

在校准数据和压力与温度信号的基础上，流量计电路44产生对应于通过机械系统22的液体质量流量的流量输出信号。流量输出信号可以被记录下来或者显示出来，或者用作控制从供应源54流向终点56的液体流的更大电路的一部分。

现在参照图2，此处60表示当压力平衡系统34连接在上述节流阀30的截面上时，压力与通过节流阀30的质量流量的对比曲线。如图所示，质量流量输出随着出口压力线性增加。曲线60是理想气体定律效应，与体积、质量、温度和非线性压缩率的总体影响有关，如下面的公式(1)所描述：

PV＝mRTZ                                   (1)

其中：

P＝压力，

m＝质量，

V＝体积，

R＝气体常数(通用)，

T＝温度，以及

Z＝气体压缩率。

(在以下描述中，这些符号中的任一个上方的“□”表示体积流速的质量)

理想气体定律公式两边对时间求导，得到如下的等式(2)： $P\stackrel{\·}{V}=\stackrel{\·}{m}\mathrm{RT}.......\left(2\right)$

解质量流速的流速公式(2)，得到如下的质量流速公式(3)： $\stackrel{\·}{m}=\frac{\stackrel{\·}{V}}{\mathrm{RT}}.........\left(3\right)$

将质量流速公式各项重新排列，得到如下斜率公式(4)：

公式(4)的常数说明了给定系统和空气的质量流量速率与压力之间的关系。如果温度保持恒定，压力增加，则一定体积内的质量(即密度)将成比例增加。实验数据显示，在整个实验过程中，温度只变化很小的部分。由于图中的斜率保持恒定，结果是这种设备的体积流速在整个压力范围内保持恒定，直到压差(入口压力减去出口压力)接近临界值。

相反，传统的流量计设备依赖于压力测量，必须考虑三个因素：入口压力、入口温度和管口截面上的压差。管口或相似的节流阀截面上的流速通常表示成如下的流速公式(5)： $\stackrel{\·}{m}=K\left[d^2\frac{1}{\sqrt{1-{\left(\frac{d}{D}\right)}^4}}\right]\frac{\sqrt{{\mathrm{Gp}}_1}}{{\mathrm{ZT}}_1}\sqrt{p_1}........\left(5\right)$

其中：

p₁＝节流阀上游气体压力

p₂＝节流阀下游气体压力

T₁＝节流阀上游温度

D＝流量通道直径

d＝节流阀水力直径(有效流量直径)

G＝气体的比重或正常分子重量

Z＝气体的压缩率因子

流速公式(5)中的K项是一个在校准给定节流阀时由实验确定的因子。K项取决于节流阀的几何形状和气体的扩散因子，例如JouleThompson冷/热(即压力突然改变导致的温度改变)。流速公式(5)只对低流速或内部不产生大气体速度的节流阀有效。当气体的速度接近声音的速度，气体分子的整体速度将大于压力通过介质传递的速度。因此流动特性将具有极为不同的关系，被称作可压缩流动、声速流或者阻流。

因此，传统的流量控制器依赖于压降，使用两个压力传感器和一个温度传感器。这种传统的流量控制器必须具有相对复杂的电子功能，通过测量压力、计算压差(使用常规的运算放大器(模拟)或者通过编程数字微处理器，并且需要模数转换)来计算流速，特别重要的是，通过校准设备找出K项。

通过本发明，求解以获得流量的公式将被看成是以下公式(6)或(7)： $\stackrel{\·}{m}=\frac{K}{R}$ (用于层流节流)                           (6) $\stackrel{\·}{m}=\frac{K}{R}\frac{\sqrt{\mathrm{}}}{1}$ (用于管口型节流)                         (7)

其中：K是校准因子，在下面所描述的校准过程中确定。应当注意公式(6-10)中的常数R不是公式(1-4)中的通用常数。而是依赖于气体的常数，随层流或者管口型节流而变化。

在某些气体的情况下，必须考虑非理想压缩率，将使用以下公式(8)和(9)： $\stackrel{\·}{m}=\frac{{\mathrm{KP}}_1}{{\mathrm{RT}}_1}\left[\frac{1}{Z(P,T)}\right]$ (用于层流节流)                           (8)或 $\stackrel{\·}{m}=\frac{K\sqrt{P_1}}{{\mathrm{RT}}_1}\left[\frac{1}{Z(P,T)}\right]$ (用于管口型节流)                         (9)

其中：Z(P，T)是依赖于压力和温度的压缩率因子。

通过将公式(5)和公式(6)、(7)、(8)或(9)比较可以看出，本发明极大地简化了质量流量比和压力与温度的关系。在大多数情况下，不需要直接获得压缩率，因为要校准控制器以便在校准顺序中考虑压缩率。

在给定温度和压力下，气体可能已经显示出一些非理想压缩率，这些压缩率将是校准过程中流量标准器进行的测量所固有的。另外，R项是气体特定的，这样在校准前或校准中只需输入气体特定常数，以便实现高精度的质量流量测量。校准顺序可以按照以下参考图5的描述来实现。

在使用校准顺序计算出校准因子K以后，可以只使用随后的线性斜率公式(10)来测量质量流量，该公式用来确定图2中曲线的斜率：

Y＝mx+b          (10)

其中：y＝质量流量，x＝测量压力，m＝K/RT，b是零点偏移。

根据前面对流量系统20的基本理解，现在将对本系统的各种部件进行进一步的详细描述。

2、机械系统

现在参照附图中的图3，详细描述作为例子的流量计系统20的机械系统22。机械系统22的节流阀30由主体装置120形成。主体装置120确定了具有入口132和出口134的主通道130，并且确定了节流室32。节流室32配置在入口132和出口134之间。

如上面所讨论的一样，质量流量计系统20使用压力传感器40和温度传感器42产生的压力和温度信号，测量通过主通道130从入口132到出口134的液体的质量流量。流过流量计系统20的液体在这里将作为测量液体进行参照。在形成机械系统22的各种部件的结合点上加工有刻度，这样测量液体只沿着这里所描述的通道流动。这些密封是或者可以是通用的，因此不对其进行详细描述。

示例性的主体装置120包括一个主体元件140以及，可以选择的可变管口装置142。主体元件140确定了至少一部分主通道130、入口132和出口134。主体元件包括入口部分144、出口部分146和中间部分148。

主体元件140进一步确定了分别位于可变管口装置142上游和下游的第一和第二平衡通路150和152。第一和第二平衡通路150和152允许液体分别在压力平衡系统24和主通道130的入口及出口部分144和146之间连通。第一平衡通路150和第二平衡通路152分别连接在压力平衡系统34的输入和输出通路154和156上。

流量计系统20所使用的示例性压力和温度传感器40和42用于检测流过主通道130的测量液体的压力和温度。特别是，主体元件140确定了配置在主体元件140的出口部分146上的第一和第二检测通路160和162。然而，在本发明的另一种结构中，检测通路160和162也可能配置在主体元件140的入口和/或中间部分144或148上。

传感器40和42是或者可以是通用的，插入或者通过螺纹进入检测通路160和162。通常在传感器40和42与检测通路160和162之间安装有密封。这样，连接在主体元件140上以后，传感器40和42能够产生压力和温度的电信号，这些信号与邻近检测通路160和162的测量液体的压力和温度相对应。

主体元件140的入口、出口和节流部分144、146和148实现不同的功能，因而具有不同的形状。入口和出口部分144和146都具有螺纹，或者适合于在主体元件140和测量液体的供应源54与终点56之间形成密封连接。对于任何本发明的实施方案来说，入口和出口部分144和146的有效横截面面积不是重要的，除非流向终点56的测量液体流必须满足预定系统的要求。在示例主体装置120中，入口和出口部分144和146确定了圆柱形入口和出口内壁表面170和172，并且具有完全相同的直径和有效横截面面积。

主体元件140的中间部分148，在仍然允许测量液体流动以满足系统要求的同时，限制经过主通道130的测量液体的流动。因此，至少主通道130的中间部分148的一部分的有效横截面面积小于入口和出口部分144和146的有效横截面面积。特别是，中间部分148至少部分由主体元件140的内部节流壁180来确定。节流壁180为完全圆柱形，其直径小于入口和出口壁表面170和172的直径。

本发明的流量计系统20制造成形后可以没有可变管口装置142。在这种情况下，主体元件140的节流壁180确定节流室32。如果不使用可变管口装置，主体元件140必须加工成具有紧配合公差和/或需要为每个主体元件140计算校准数据，以补偿由单个主体元件确定的节流部分的变化。

如果使用了可变管口装置142，与给定主体元件140有关的节流室32可能需要改变，以校准给定主体元件140。可能会使用任何数量的机构来改变节流室32的形状。

在流量计系统20中，作为例子的可变管口装置142包括一个具有内表面222的管道元件220。管道元件220的内表面222确定了节流室32的有效横截面面积。

在某些情况下，管道元件220可能由刚性材料制成，例如某些金属或者聚合物。在这种情况下，管道元件220由许多预定结构组成，每个结构都对应于一个具有不同预定横截面面积的节流室32。这种预定结构中的一个被选中用来获得节流室32理想的几何形状。

然而，示例管道元件220是由可变形材料制成的，这样，当管道元件220变形时，节流室32的有效横截面面积就会改变。示例管道元件220由金属制成，但是也可以使用聚合物、天然橡胶或者其它材料，这取决于使用环境。在这方面，管道元件220可以由弹性(例如聚合物或者天然橡胶)或者非弹性材料(例如金属)制成。

示例流量计系统20所用的可变管口装置142进一步包括楔块224、压缩垫片226、第一和第二人字形元件228和230，以及具有螺纹表面234的压缩螺母232。

为了安装这种可变管口装置142，示例主体元件140的中间部分148包括除了节流壁180以外的下列内壁：管座壁240、压缩壁242、间隔壁144，以及螺纹壁246。管座壁240位于上面描述的节流壁180的上游，通常为圆柱形。压缩壁242位于管座壁的上游，通常为圆锥形。间隔壁244位于压缩壁的上游，通常为圆柱形。螺纹壁246位于间隔壁的上游，与压缩螺母230的螺纹表面232通过螺纹进行配合。

压缩螺母230相对主体元件140进行轴向旋转，因此导致螺母230沿着主体元件140的纵轴A向节流壁180移动。当螺母230向着节流壁180移动时，螺母230通过人字形元件228和230以及压缩垫片226在压缩楔块224上施加力。压缩楔块224包括圆锥形外表面250。压缩楔块224的外表面250与压缩壁242接触，这样楔块224沿径向朝着纵向轴A向内移动。如上所述，压缩楔块224的向内运动使管道元件220发生变形，以改变节流壁32的有效横截面面积。

3、电气系统

现在参照附图中的图4，该图中详细描述了流量计电路44的一种示例结构，该电路作为示例流量计系统20的电气系统24的一部分。流量计电路44包括第一、第二、第三求和与比例系统320、322和324。第一求和与比例系统320将校准因子和原始压力信号结合起来，以获得校准压力信号。第二求和与比例系统322将原始温度信号和气体常数输入结合起来，以获得补偿温度信号。第三求和与比例系统324将校准压力信号和补偿温度信号结合起来，以获得流量输出信号。

求和与比例系统320-324的设计细节将由流量计系统20特定的使用环境确定。典型情况下，这些系统320-324将包括信号特定零件和一个求和与比例放大器。信号特定零件将模拟或者数字形式的原始输入信号转换成经过处理的数字或者模拟信号，适于与信号特定零件相关的求和与比例放大器使用。然后，求和与比例放大器设计成可以产生基于经过处理的输入信号的比例信号。

流量计电路44的实现可能要使用分立电路组件、一个特定用途集成电路(ASIC)，以及在集成处理器例如通用微机或者数字信号处理器上运行的软件，或者这些方法的结合。电气系统24的任何既定实施方案的实质将取决于诸如制造成本、设计人员的背景和经验、以及流量计系统20的使用环境这些因素。例如，在本发明的一种使用数字信号处理器(DSP)的结构中，数字信号处理器的优选结构包括一个存储单元，该单元具有查询表，可以存储包括但是不限于流量计的原始校准状态在内的校准状态。这些数据对于在压力和/或温度传感器发生漂移时，回到初始状态进行参考是非常有用的。这些数据对于进行诊断以确定流量计是否需要校准或者其它维护也是很有用的。另外，优选结构中数字信号处理器存储单元具有查询表，该表为一种或多种液体的粘度和温度的关系。这些数据在补偿液体温度改变时是很有用的。

现在参照图5，这里详细描述了一个示例流量计电路44，该电路适于产生基于模拟输入信号的流量输出信号。如图5所示，第一求和与比例系统320包括一个信号调节模块330、一个可选算术逻辑单元332、一个可选线性化放大器334，以及第一和第二求和与比例放大器336和338。

开始时，原始压力信号经过调节模块330滤波放大。如果需要，经过滤波的压力信号进入一个或者两个算术逻辑单元332和线性化放大器334，然后进入第一求和与比例放大器336。如果不需要算术逻辑单元332和线性化放大器334，滤波后的压力信号直接进入第一求和与比例放大器336。第二求和与比例放大器338产生一个基于校准因子的校准信号。然后压力信号和校准信号进入第一求和与比例放大器336，以获得经过处理的压力信号。

第二求和与比例系统322包括一个信号调节模块340、一个比例和增益放大器342，以及一个求和与比例放大器344。信号调节模块340对温度信号进行滤波并放大，以获得经过滤波的温度信号。比例和增益放大器342产生一个基于气体常数输入的气体常数信号。求和与比例放大器344产生基于滤波后的温度信号的经过处理的温度信号和气体常数信号。

第三求和与比例系统324包括一个求和与比例放大器350和一个缓冲放大器352。求和与比例放大器350产生一个基于校准压力信号的流量信号，和一个如上所述的温度补偿信号。缓冲放大器352产生基于流量信号的流量输出信号。

4、校准过程

现在参照附图中的图5，这里描述了一个校准上述流量计系统20的示例过程的流量框图360。在下面的讨论中，被校准的特定流量计系统20将被称作在试验设备(DUT)。

校准过程的第一步362是将DUT的节流阀30串联连接在校准的流量计系统上。然后在步骤364中，向DUT的节流阀30的出口施加一个负测量压力或者真空，并且将流量计系统20的电子装置设置为零。

在下一步366中，在DUT的上游施加一个压力，以产生通过DUT的流量。使用校准了的流量计系统来测量流量。然后在368步中，使用传统装置例如数字串行输入和/或一个或者多个能够构成产生恰当气体常数输入的开关，为电子部分24输入气体的特殊气体常数。

然后在370步中可以通过使用上述任一种方法，给节流孔32选择一个恰当的几何形状，从而获得最大流量范围。

然后在372步中将流量减小到DUT所设置的百分之十。然后读出并存储与流量相关的压力和温度信号。在374步中增加流速，增量为从百分之十直到百分之百。与流速的每个增量相关的压力和温度信号被测量并存储起来。在378步中，由校准的流量计系统测量的压力信号和质量流速的关系曲线的斜率，被作为校准因子通过传统的装置例如调谐电位器或数字串行输入，进行测量并存储。

参照图6，在380a、380b、380c中描述了几种温度下，压力信号与质量流速的示例关系曲线。流量计电路44产生基于由校准因子和气体常数输入生成的压力/质量流量曲线的流量信号输出信号。

现在参照图7，描述了压力信号和质量流速的关系曲线382，其中压力信号和质量流速的关系是非线性的。例如，在存在管口的情况下，这种关系可能是非线性的。

如果压力/质量流量的关系是非线性的，滤波后的压力信号将通过一个或两个算术逻辑单元332和线性化放大器334。算术逻辑单元332和线性化放大器334实现了补偿压力/质量流量关系的非线性的功能。例如，信号调节电路可能在滤波后的压力信号上执行一个或者两个“分段线性化”的功能，或者平方根功能，以获得补偿压力信号。特别是，参照图8，在384中描述了对应于非线性曲线382的倒数的曲线。曲线386表示曲线382和384的中点，并且能够用在上面描述的直线斜率公式(10)中。

在实际中，流量计电路44优选情况下制造完毕后具有算术逻辑单元332和线性化放大器334，以及如图5所示，开关390和392的结构允许这些电路元件332和334中的任意一个从电路44中去掉。开关390和392的使用允许生产出标准流量计电路44，该电路可以很容易地按照特殊的环境进行定制。

5、质量流量控制系统

如上面一般所述，上面所描述的本发明的质量流量计具有许多种应用。它可以简单地单独用于多种液体在很大的流速范围内的质量流速的测量。它还可以作为处理或者管理液体的更大系统的一部分来使用，在这种系统中精确的质量流速是非常重要的。它也可以和其它部件结合起来使用，以获得更为复杂的独立设备。

在本部分中参照图9所描述的是质量流量控制系统420的示例，它包含了上述的示例质量流量计20。质量流量控制系统420是一个独立的设备，不仅用于测量质量流速，而且还允许以很高的精度控制这种流速，控制可以在很大的液体和流速范围内进行。

质量流量控制系统420包含上述的流量计系统20，这里不对流量控制系统420的流量计部分进行再一次描述，除了为完整地理解流量控制系统420所必需进行的扩展。

除了流量计系统20以外，流量控制系统420还包括一个阀门控制反馈回路系统422和一个流量控制器系统424。流量控制器系统424和流量计系统20串联配置，这样流量控制器系统424确定了通过流量计系统20的液体的质量流量。

优选结构中，流量控制系统420是一个机械或者电子机械流量控制器，例如上面引用的`849号专利和`708号申请中所描述的。然而，流量控制器系统424可以是任何一个流量控制器系统，该系统能够在电子或机械控制下，增加或者减少通过系统420的液体的流量。

在本发明中，由第三求和与比例系统324的求和与比例放大器350产生的流量信号施加在阀门控制反馈回路系统422上。阀门控制回路系统422将流量信号与希望的流量信号进行比较。希望的流量信号可能是预设的，或者可能随环境的要求而改变。例如，在医用设置中，医生可能指定按照预定的流速给病人输送气体。由医生确定的预定流速将转换成希望的流速信号。

在理想流速信号和由流量计系统20产生的流量信号的不同的基础上，阀门控制反馈回路系统422产生流量控制信号，用来控制流量控制器系统424。如果流量控制器系统424为机械系统，流量控制信号将是机械运动的形式(转动、平动)，它操纵流量控制器信号以增加或减小通过系统424的液体流速。如果系统424是电子-机械系统，流量控制信号可能采取电子信号的形式，这种信号在系统424内转换成机械运动。

流量控制器系统424和流量计系统20的结合使得可以以高精度对系统420输出的液体进行控制。

6、质量流量控制系统的另一种结构

上面在图9中描述的质量流量控制系统的另一种结构显示在图10中。特别是，流量控制器524包括一个连接在阀门528上的压电执行控制器或者螺线管执行控制器526。执行控制器526向流量计电路44发送一个信号530。如果执行控制器526是一个螺线管执行控制器，那么信号530是一个电流信号，然后转换成电压信号；如果执行控制器526是一个压电执行控制器，信号530是从集成应变仪传来的电压信号。在任何一种情况下，信号530都可以被看作V_pm，即电压(原动力)。

信号530表示执行控制器526通过改变阀门528上的压力而产生的洛伦兹力之间的关系。因此，信号530可以用作间接的压力标志，代替、放大和/或校准图1中的压力传感器40。例如，在图10中，没有压力传感器40，而是使用了信号530。信号530也可以用作诊断标志，来验证给定节流阀的R值没有改变。

优选结构中，显示在图10中的质量流量控制系统的计量电路44具有至少128千字节的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。流量计电路44的存储器应当包括一个V_pm值的查询表，V_pm用于各种气体和/或液体节流的增加的质量流速。优选情况下，这个查询表表示公式的值： $\stackrel{\·}{m}=\frac{K_p}{R}......\left(11\right)$

因此，上面描述了使用信号530、V_pm测量系统中压力变化并控制质量流量控制系统中阀门528的另一种结构。

7、另外的考虑

典型情况下，设计者开始时将通过确定流量计系统所使用的操作环境来设计本发明的一种特定实施方案。操作环境将包括液体本身的特性、液体输入和输出压力的期望范围、周围状况、误差容限，等等。设计者可能还要考虑商业因素，例如成本。

本发明的许多机械和电子组件的性能将随着环境而改变，以“调整”某个特定的流量计系统，使其适于特殊应用。

例如，节流室和入口以及出口开孔可在液体类型、希望的入口压力以及希望的流速的基础上选取。

另外，各种组件所使用的材料必须在所希望的液体压力和类型的基础上选取。例如，对于低压气体，许多组件可能使用塑料。对于腐蚀性液体和高压气体，可能会使用钢材或者不锈钢。

电子元件也需要适应特定的环境。例如，一旦确定了特殊的操作环境，就可以确定上面描述的各种求和与比例系统的实施细节。

因此，本发明可能以几种与上面所述不同的结构出现，而不会偏离本发明的精神和实质特征。因此，在各方面对这些结构进行的考虑都只是作为示例而不是对其进行限制，本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述来说明。因此，这意味着所有在与权利要求书等效的涵义和范围内的改变都包括在这里。

Claims (28)

1.一种质量流量计，包括：

一个具有一定直径的入口和一个具有一定直径的出口；

一个具有节流室的节流阀和一个放在入口和出口之间的压力平衡系统；

节流室具有一个圆柱形节流壁，其直径小于入口和出口的直径；以及

在节流阀上游的一个压力传感器和一个温度传感器，向具有校准数据的流量计电路提供输入；这样流量计电路产生一个基于校准数据和压力传感器和温度传感器输入的流量输出信号。

2.权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，节流壁确定节流室。

3.权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，节流室进一步包括：

位于节流壁上游的一个圆锥形压缩壁；

一个可变管口装置，可变管口装置具有一个可变形管道元件，该元件具有一个确定节流室有效横截面面积的内表面；一个压缩楔块；一个压缩垫片；第一和第二人字形元件；以及一个压缩螺母；

这样当螺母向着节流壁移动时，压缩螺母的轴向旋转使得螺母向着节流壁移动；螺母通过第一和第二人字形元件和压缩垫片在压缩楔块上施加一个力，迫使压缩楔块径向向内造成可变形管道元件变形，并减小节流室的有效横截面面积。

4.权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，流量计电路进一步包括：

第一求和与比例系统，将校准数据和压力信号结合起来以获得校准后的压力信号；

第二求和与比例系统，将温度信号和气体常数结合起来以获得补偿温度信号；以及

第三求和与比例系统，将校准后的压力信号和补偿温度信号结合起来以获得流量输出信号。

5.权利要求4所述的质量流量计，其特征在于，流量计电路在一个特定用途集成电路上实现。

6.权利要求4所述的质量流量计，其特征在于，流量计电路在一个数字信号处理器上实现。

7.权利要求6所述的质量流量计，其特征在于，流量计电路进一步包括一个存储单元，用来存储校准状态。

8.权利要求4所述的质量流量计，其特征在于，第一求和与比例系统包括：

一个信号调节模块；

一个算术逻辑单元；

一个可选线性化放大器；以及

一个第一和第二求和与比例放大器。

9.权利要求4所述的质量流量计，其特征在于，第二求和与比例系统包括：

一个信号调节模块；

一个比例和增益放大器；以及

一个求和与比例放大器。

10.权利要求4所述的质量流量计，其特征在于，第三求和与比例系统包括：

一个求和与比例放大器；以及

一个产生流量输出信号的缓冲放大器。

11.权利要求8所述的质量流量计，其特征在于，流量计电路进一步包括一个开关，可以去掉电路中的算术逻辑单元或者线性化放大器。

12.一种质量流量控制系统，包括：

一个能够通过质量流量控制系统控制流速的流量控制器，该控制器与质量流量计串联连接；

该质量流量计包括一个具有一定直径的入口和一个具有一定直径的出口；一个具有一个节流室的节流阀和一个放在入口和出口之间的压力平衡系统；节流室具有一个圆柱形节流壁，其直径小于入口和出口的直径；在节流阀上游的一个压力传感器和一个温度传感器，向具有校准数据的流量计电路提供输入；这样流量计电路产生一个基于校准数据和压力传感器和温度传感器输入的流量输出信号；

该质量流量计连接在一个阀门控制反馈回路系统上；这样质量流量计将流量输出信号传送到阀门控制反馈回路系统，而该反馈系统将流量输出信号与一个预设流速进行比较，以产生一个流量控制信号；

阀门控制反馈回路系统连接在流量控制器上，这样反馈系统将控制信号送到流量控制器，以操纵流量控制器改变流速。

13.权利要求12所述的质量流量控制系统，其特征在于，节流壁确定节流室。

14.权利要求12所述的质量流量控制系统，其特征在于，节流室进一步包括：

位于节流壁上游的一个圆锥形压缩壁；

一个可变管口装置，可变管口装置具有一个可变形管道元件，该元件具有一个确定节流室有效横截面面积的内表面；一个压缩楔块；一个压缩垫片；第一和第二人字形元件；以及一个压缩螺母；

这样当螺母向着节流壁移动时，压缩螺母的轴向旋转使得螺母向着节流壁移动；螺母通过第一和第二人字形元件和压缩垫片在压缩楔块上施加一个力，迫使压缩楔块径向向内造成可变形管道元件变形，并减小节流室的有效横截面面积。

15.权利要求12所述的质量流量控制系统，其特征在于，流量计电路进一步包括：

第一求和与比例系统，将校准数据和压力信号结合起来以获得校准后的压力信号；

第二求和与比例系统，将温度信号和气体常数结合起来以获得补偿温度信号；以及

第三求和与比例系统，将校准后的压力信号和补偿温度信号结合起来以获得流量输出信号。

16.权利要求12所述的质量流量控制系统，其特征在于，流量计电路在一个特定用途集成电路上实现。

17.权利要求15所述的质量流量控制系统，其特征在于，流量计电路在一个数字信号处理器上实现。

18.权利要求15所述的质量流量控制系统，其特征在于，第一求和与比例系统包括：

一个信号调节模块；

一个算术逻辑单元；

一个可选线性化放大器；以及

一个第一和第二求和与比例放大器。

19.权利要求15所述的质量流量控制系统，其特征在于，第二求和与比例系统包括：

一个信号调节模块；

一个比例和增益放大器；以及

一个求和与比例放大器。

20.权利要求15所述的质量流量控制系统，其特征在于，第三求和与比例系统包括：

一个求和与比例放大器；以及

一个产生流量输出信号的缓冲放大器。

21.一种校准流量计的方法；所述流量计包括一个具有一定直径的入口和一个具有一定直径的出口；一个具有一个节流室的节流阀和一个放在入口和出口之间的压力平衡系统；一个具有可变管口装置的节流室；一个圆柱形节流壁，其直径小于入口和出口的直径；位于节流阀上游的一个压力传感器和一个温度传感器，向具有校准数据的流量计电路提供输入；这样流量计电路产生一个基于校准数据和压力传感器和温度传感器输入的流量输出信号，这种方法的步骤包括：

将流量计连接到参考流量标准器上；

在出口上施加一个负测量压力；

为流量计电路设置零点；

在流量计上游施加压力；

测量流量；

将气体特定常数输入流量计电路的校准数据；

通过将可变管口装置调节到一个给定的入口压力，获得最大流量范围；

将流量减小为最大流量的十分之一；

测量压力和温度并将结果存储在流量计电路中；

增加百分之十的流量直到最大流量；

测量每个十分之一增量后的压力和温度，将结果存储在流量计电路中；

计算由存储在流量计电路中的结果得到的压力和质量流速关系曲线的斜率；

使用该斜率设置流量计电路。

22.权利要求21所述的的方法，其特征在于，流量计电路进一步包括一个算术逻辑单元和一个线性化放大器，其中曲线是非线性的，该方法的步骤进一步包括：

在滤波后的压力信号上执行分段线性化功能以获得补偿压力信号，用来设置流量计电路。

23.权利要求21所述的的方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：

测量电流并将结果作为一个压力值存储在流量计电路中。

24.一种质量流量计，包括：

一个入口和一个出口；

一个节流阀和一个放在入口和出口之间的压力平衡系统；这样系统可以保持恒定体积流量通过节流阀；

在节流阀上游的一个压力传感器和一个温度传感器，向流量计电路分别提供输入P和T，具有存储的校准因子K、存储的气体常数R以及零点偏移；这样流量计电路根据以下公式，产生一个基于存储的校准因子、存储的气体常数、零点偏移和压力传感器和温度传感器的输入的流量输出信号：

y＝mx+b

其中y是质量流量，x是P，m是KR/T，b是零点偏移。

25.一种质量流量控制系统，包括：

一个能够通过质量流量控制系统控制流速的流量控制器，该控制器与质量流量计串联连接，并为流量计电路产生压力信号；

该质量流量计包括一个具有一定直径的入口和一个具有一定直径的出口；一个具有一个节流室的节流阀和一个放在入口和出口之间的压力平衡系统；节流室具有一个圆柱形节流壁，其直径小于入口和出口的直径；以及在节流阀上游的一个压力传感器和一个温度传感器；流量计电路具有校准数据，这样流量计电路产生一个基于校准数据、温度传感器输入和电压信号的流量输出信号；

该质量流量计连接在一个阀门控制反馈回路系统上；这样质量流量计将流量输出信号传送到阀门控制反馈回路系统，而该反馈系统将流量输出信号与一个预设流速进行比较，以产生一个流量控制信号；

阀门控制反馈回路系统连接在流量控制器上，这样反馈系统将控制信号送到流量控制器，以操纵流量控制器改变流速。

26.权利要求25所述的的质量控制系统，其特征在于，流量控制器包括一个压电执行控制器和一个阀门。

27.权利要求25所述的的质量控制系统，其特征在于，流量控制器包括一个螺线管执行控制器和一个阀门。

28.权利要求25所述的的质量控制系统，其特征在于，流量控制器产生一个电流信号，该信号被转换成电压信号。

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