CN1488069A - 射流气体计量系统 - Google Patents

Abstract

一种射流气体计量系统，插入在从气体源伸到用户点的管线中，以在由在范围下端处的一个小流量带、在范围中部处的一个中带和在其上端处的一个大带定义的宽流量范围内计量供给到用户的气体流。该系统包括一个接收来自源的加压气体流的输入腔室和一个从其把气体供给到用户的输出腔室。互联腔室的是三个气体流动通道。第一通道由一个仅当气体流量位于小带中时可操作以产生其频率与其成正比的周期脉冲的第一射流发生器定义。第二通道由一个仅当气体流量位于中带中时可操作以产生其频率与其成正比的周期脉冲的第二射流发生器定义。第三通道由一个仅当气流位于大带中时可操作的旁通通道定义，旁通起划分在第二与第三通道之间的气流的作用，由此第二发生器然后计量在中带中的流量。处理和求和由第一和第二发生器产生的周期脉冲，以在全范围内提供由用户消耗的气体的准确读数。

Description

射流气体计量系统

发明领域

本发明一般涉及用来计量供给到用户的气体流的流量的射流气体计量系统，更具体地说，涉及一种在一个宽范围内准确、而在该整个范围呈现低压力降的这种类型的系统。

本发明的背景(先有技术的状态)

至居住、商业或工业用户的天然气供给必须准确计量，以便能够计算用户对于已经消耗的气体量承担的准确费用。计量系统的范围必须足以适应用户的气体需求，并且系统在管线中不能产生过大的压力降。低压力降是迫切需要的原因在于，计量系统插在从气体供给源到用户点延伸的气体管线中，并因此在管线中起阻碍气体流动的阻抗作用。

一种最佳类型的气体计量系统利用具有宽范围的射流流量计，如授予kang等的美国专利5,239,695(1994)中公开的“具有大流动计量范围的射流流量计”。射流流量计的主要元件是一个以与计量流体的流量成正比的重复速率产生周期流体脉冲的射流振荡器。

也公开射流气体流量计的是如下美国专利：

A.授予Okabyashi的专利5,309,770(1994)

B.授予Ueki等的专利5,335,553(1994)

C.授予Huang等的专利5,353,704(1994)。

其中射流气体流量计的多个优点如下：

1)测量仪器在其整个操作范围内是线性的。因此测量仪器输出脉冲的重复速率或频率与计量的气体的流量成正比。

2)测量仪器没有运动零件，并因此不受冲击和振动力的影响。

3)测量仪器具有高度的可调范围。

4)测量仪器能按照不受密度变化影响的体积流动校准。

5)流量仪器不需要修理或维护。

一种标准射流流量计的几何形状是这样的，从而当气体流喷射到在两个倾斜侧壁之间的空间中以启动测量仪器的操作时，然后因为Coanada效应，气流使其本身附着到这些壁之一上，流动的一部分经一条反馈通道分流到一个控制端口。这种反馈流动增大一个把气流从它附着的壁剥离的分离气流气泡，直到它锁定到其中一种类似反馈作用发生的相对壁上。因此气流在壁之间振荡，并且以与其流量成正比的频率振荡。

与这种射流振荡器有关的是一种把射流脉冲转换成其重复速率与气体的瞬时流量成正比的周期电气脉冲的传感器。通过求和这些脉冲，得到通常以由用户消耗的气体的升为单位表示的总流量的准确指示。

由系统计量的气体量，当以升每小时表示时，等于在规定时段内由射流振荡器产生的脉冲数乘以在单个脉冲中包含的气体量。

不仅气体计量系统在宽流量范围内必需是线性的，而且关键是在把气体供给到用户点的管线中由系统产生的压力降在整个范围内较低。因而如果系统除在范围的较高区域中之外呈现较低压力降，则对于必须准确计量供给到其客户的气体并且不能容许较高压力降的气体供给公司是不能接受的。

计量系统在整个宽流量范围内是准确的基本要求满足使用射流振荡器的测量仪器并不困难。但是同一系统在其整个范围内呈现低压力降的要求较麻烦。现有射流测量仪器除在其中压力降超过可接受级的范围的上部区域之外，当在宽流量范围中操作时具有或多或少的较低压力降。

因为按照本发明的射流计量系统包括一条旁通通道，所以对先有技术有兴趣的是授予Okabayashi等的美国专利NO.5,610,162(1986)。在这个专利中公开的射流计量系统包括上游和下游元件，一个带有其开口面积比在另一个元件中的喷嘴的开口面积小的喷嘴。一条在其中带有一个阀的旁通通道与带有一个小面积喷嘴的元件平行布置。这个专利指出，喷嘴开口的面积越小，测量仪器的灵敏度越大但其压力降越大。

本发明概述

鉴于上文，本发明的主要目的在于，提供一种在宽范围内准确测量供给到用户点的气体流的流量的射流气体计量系统，该系统产生在其整个范围内较低的压力降。

更具体地说，本发明的一个目的在于提供一种以上类型的系统，其中把流量范围划分成小、中和大流量带，每个由一个分离的通道处理，这些通道的只有两个在其中有一个射流发生器。通道这样布置，从而两个发生器之一测量在中和流量带中的流量。

本发明的目的还在于，提供一种以上类型的、能以较低成本制造以生产一个操作高效和可靠的紧凑、自足单元的计量系统。

本发明的又一个目的在于，提供一种补偿环境温度、气压压力或没有补偿使测量仪器读数有些不准确的其它变量的变化的气体计量系统。

本发明的再一个目的在于，提供一种其操作由一个微处理器控制的射流计量系统，该微处理器起处理由两个射流发生器向其供给的脉冲数据的作用，以提供在宽范围内准确的由用户消耗的气体的读数。

按照本发明、包括一个微处理器的系统的一个显著特征在于，由微处理器获得的数字数据能微波发送到客户记庤ふ尽(14)蛱赝阇净蛐要这种数据的任何外部站。

简要地说，这些目的可在这样一种射流计量系统中实现，该系统插入在从气体源伸到用户点的管线中，以在由在范围下端的一个小流量带、在范围中部的一个中流量带和在其上端的一个大流量带定义的宽流量范围内计量供给到用户的气体流。该系统包括一个接收来自源的加压气体流的输入腔室和一个从其把气体供给到用户的输出腔室。

互联腔室的是三个气体流动通道。第一通道由一个仅当气体流量位于小带中时可操作以产生其频率与其成正比的周期脉冲的射流发生器定义。第二通道由一个仅当气体流量位于中带中时可操作以产生其频率与其成正比的周期脉冲的射流发生器定义。第三通道由一个仅当气流位于大带中时可操作的旁通通道定义，旁通起划分在第二与第三通道之间的气流的作用，由此第二发生器然后计量在中带中的流量。处理由第一和第二发生器产生的周期脉冲，以在全范围内提供由用户消耗的气体的准确读数。

附图的简要描述

为了更好地理解本发明以及另外的特征和其目的，对附图进行参考，其中：

图1是按照本发明一个最佳实施例的一种射流流量计量系统的方块图，和

图2是在系统中包括的一种三元件射流振荡器的示意图。

本发明的详细描述

计量系统如图1中所示，按照本发明在宽范围内用来准确计量气体流的流量的系统包括三个流动通道A、B和C。通道A专供在要计量的全范围的下端处的小流量带中的流量之用。通道B专供在范围中部中的中流量带中的流量之用。及通道C专供在范围上端处的大流量带中的流量之用。这些带下文称作小、中和大带。

例如，我们假定要计量的流量的宽范围是从1升每小时到90升每小时。这个范围由在范围底端处的小带(1至30升每小时)、在范围中部中的中带(28至60升每小时)、及在范围上端处的大带(58至90升每小时)组成。在带的接合部重叠的原因在于，提供滞后以延缓从一个带到另一个的过渡。

在包括用来实现从一个带到另一个的过渡的分离阀的气体计量系统的上下文中，滞后的目的在于防止阀的过快关闭和打开，生成的阀波动危害系统的操作。

电流供电和自足的整个系统封闭在一个壳体10中，壳体10由隔壁11和12分隔成一个高压腔室13、一个低压腔室14、及一个数据处理腔室15。

要计量的气体经一根从一个供给源16伸到一个用户点17的气体管线流动，由用户消耗的气体量由插入在管线中的系统计量。因此，基本上不仅系统准确地计量供给到用户点的气体，而且由系统引入的压力降在全计量范围的小、中和大带中也较低。

通道A、B和C互联高压和低压腔室13和14，从而当这些通道的任一个打开并且是可操作的时，气流然后流经从高压到低压腔室的操作通道。

通道A由一个当其流量在小带中的气流供给到用户时然后产生其重复速率与流量成正比的周期流体脉冲的射流振荡器18定义。这些流体脉冲施加到一个压力响应传感器上，如把流体脉冲转换成对应电脉冲的压电传感器19。传感器19与振荡器18结合形成一个射流发生器。由这个发生器产生的脉动信号施加到一个布置在数据处理腔室15中的微处理器20上，微处理器20以升为单位处理和求和由用户消耗的气体量。由发生器产生的脉冲的频率代表气体的瞬时流量，并且这些脉冲必须在处理器中求和以得到升读数。

这个读数由联接到微处理器20上的LCD器件21或能够以字母数字项显示数据的类似显示装置指示。通道B由一个当气体流的流量位于中带中以产生其重复速率与气体流量成正比的周期流体脉冲时可操作的射流振荡器22定义。这些流体脉冲施加到一个压电传感器23上，压电传感器23把这些脉冲转换成供给微处理器20中以便处理的脉动信号。这个第二振荡器与传感器23结合构成一个第二射流发生器。

通道C由一个当供给到用户的流量位于大带中时然后把来自高压腔室13的气流一个小部分传导到低压腔室14的旁通通道24定义，主要部分然后流经其中它由第二射流发生器计量的通道B。

经到气体源16上的一个进口25供给到高压腔室13的是在正常气体压力下的天然气，通常为300mm H₂O。为了防止由气体携带的颗粒物质进入计量系统，一个过滤器25放置在端口28中。流经通道A、B和C进入低压腔室14中的气体排放到一个从其把它供给到用户点17的气体出口26中。因此，计量系统插入在从源16伸到用户点17的管线中，并且起计量供给到该点的气体量的作用。

进入通道A和B中的气体的流动由安装在高压腔室13中的一个双稳态电磁双阀27控制。由通过微处理器20施加到其上的直流电压电磁致动的阀27，装有一个在至通道A的进口处的可密封端口27A和一个在至通道B的进口处的可密封端口27B。施加到阀27上的直流电压，当在一个极性中时，使端口27A打开而使端口27B关闭，但当在相反极性中时，打开端口27B而关闭端口27A。因此，双稳态阀使通道A或通道B是可操作的，但绝不会同时使两个通道可操作。

由于当通道A是可操作时由在该通道中的发生器产生的周期脉冲具有与在小带中的气体流量成正比的频率，那么这些脉冲由微处理器20求和以产生由LCD器件21显示的升读数。由在通道B中的射流发生器产生的周期脉冲具有与在中带中的气体流量成正比的频率，并且当通道B是可操作的时，LCD 21然后指示在范围的中带中由用户消耗的气体量。

也安装在高压腔室13中的是一个在至旁通通道C的进口处有一个可密封端口28A的单作用电磁阀28。因此仅当使该端口由通过微处理器20施加到阀28上的直流电压打开时，来自高压腔室13的气体然后才能进入腔室C和流过到低压腔室14。阀27和28的直流控制是这样的，当阀28的端口28A是打开的时，那么阀27的端口27B也是打开的。

系统的操作：最初，阀27的端口27A是打开的以允许气体进入通道A，而端口21B是关闭的以防止气体进入通道B。及在通道C中的阀端口28A那么是关闭的，从而没有气体能旁通。

当供给到用户的气体流量在范围中的小带中时，在输入腔室13中的所有气体然后流入其射流发生器产生具有与流量成正比的重复速率的脉冲的通道A中。这些脉冲传输到其升读数显示在LCD器件21上的微处理器20。

然而，当响应在通道A中的射流发生器的脉冲的微处理器20检测到在小带以上的流量时，它然后供给到微处理器20的脉动信号使微处理器把一个直流电压施加到电压阀21上，阀21然后关闭端口27A而打开端口21B。因此关闭通道A和C，现在流经通道B的是其流量位于范围的中带中的气流。这个流量由在通道B中的射流发生器计量，并且由微处理器处理，从而现在显示在LCD 21的屏幕上的是在范围的中带中的升读数。

当响应来自通道B的脉冲的微处理器20检测到气流的流量已经升高到高于中带时，它然后施加一个直流电压，以致动阀28打开在旁通通道C中的端口28A。这种状态当流量位于范围的大带中时才产生，在该状态下通道B和C都是打开的而通道A是关闭的。定旁通通道的节流口的尺寸，以便划分然后计量的气流，从而一个小部分流经通道C而主要部分通过通道B。

流经通道B的主要部分位于范围的中带中。因此即使然后供给到用户的气流位于大带中，然后计量该气流的射流发生器也在中带中进行。

微处理器20的操作是这样的，以当施加到其上的脉动信号指示流量频率在相邻带的边界处时产生一个阀致动电压。

为了当流量位于大带中时系统提供适当读数，由在通道B中的传感器23通知的微处理器20，当流量升高到中带以上时，那么起作用以修改由在通道B中的射流发生器产生的脉冲的数学权重，从而脉冲指示在大带中的流量。因而当只有通道A是可操作的时(模式I)，LCD 21显示在小带中由用户消耗的气体升数。当只有通道B是可操作的时(模式II)，那么显示的是在范围的中带中消耗的气体升数。及当通道B是不可操作的而通道B和C都是可操作的时(模式III)，那么在LCD上显示的是在范围的大带中消耗的气体升数。

为了求和由包括在系统中的射流发生器产生的脉冲，在每个脉冲中包含的气体的体积必须乘以这些脉冲的频率或重复速率。这此频率指示计量的气体的瞬时流动速率。进行计算的微处理器20必须给出以升为单位的一个脉冲的值，这对于如下条件的哪一个在计量气体的过程中有效是适当的。

条件(1)当射流脉冲由在系统的通道A低频带中的射流发生器(G1)产生时，这种条件是有效的。

条件(2)当射流脉冲由在系统的通道B中频带中的射流发生器(G2)产生，通道C旁通通道是关闭的从而所有气体流经通道B时，这种条件是有效的。

条件(3)除在通道C中的旁通通道是打开的之外与条件(2)相同，从而只有气体的一部分流经通道B，这种条件是有效的。

在下面的表中，给出关于在微处理器20中处理的以升为单位的一个脉冲的值以计算由用户消耗的和由系统计量的气体升数的数据的一个例子。

以升为单位的一个脉冲的值	频率
		G1＝4.3287*10-5	F1＝45-330Hz
G2＝1.6521*10-3	F2＝6-130Hz
		G2加打开的旁通＝1.853*10-2	F3＝6-130Hz

要注意在模式I中，系统的压力降是仅由通道A产生的压力降，而在模式II中，压力降只是通道B产生的压力降，在两个情况下压力降都较低。而在大流量带中，射流流量计通常具有较高压力降，在模式III中，压力降由通道B结合旁通通道C确定并因此较低。因而系统在其整个范围具有低压力降。

结构特征：在通道A中的射流振荡器18只计量是全范围的小带的流量。它因此包括由一个安装在另一个上的分离模压塑料板形成的两个双稳态射流元件。在这种重叠排列中，一个元件的输出通道经一个中间联通板联接到另一个元件的相应控制输入上。

在通道B中的射流振荡器22要求计量在中带的气流，并且最好包括一个在一个上形成在分离板上的三个双稳态元件，从而一个元件的相应输出通道连接到另一个元件的控制输入上。一个这样的三元件排列表示在以后描述的图2中。

在通道C中的旁通通道24由分层排列的板创建，带有一个中央供给通道。阀27和28每个由带有一个其内径与阀座相对应的环形槽的圆盘层创建的铸造元件形成。

微处理器20装有起按照公式计算流经射流测量仪器的气体量的作用的软件：

Q＝f×q，其中：

Q是流经测量仪器的以升每小时为单位的气体量，

f是由射流振荡器产生流体脉冲的数量，及

q是在单脉冲中的气体量。

补偿：

为了提高计量系统的精度，可以提供补偿气体测量仪器经受的环境温度变化、或补偿影响读数精度的任何其它变量的装置。

因而与系统有关的是一个相邻伸到测量仪器的气体管线安装以检测普通温度的温度传感器T，传感器信号施加到起校正计算的流量的作用以补偿温度对其影响的微处理器20上。如果传感器T产生一个模拟信号，那么它经一个模数转换器施加到微处理器上，从而能数字处理它。

在某些情况下，气体测量仪器可能安装在海平面以上或以下的位置处，并且这可能不利地影响计量的气体能量值的计算。为了消除气压变化对于测量仪器的影响，提供一个气压传感器V，其输出供给到对于气压压力变化然后补偿读数的微处理器20中。

也影响系统计量精度的是计量气体的热量的变化。由于天然气来自具有不同热量的各个源，所以提供一个热量传感器K，其输出供给到微处理器以调节读数。

还有一个可以包括在系统中的是一个气体压力传感器P或检测和补偿其它变量的任何其它传感器N。必须记住，在没有这些外部传感器的情况下测量仪器是可接受准确的，并且传感器的目的在于实现更高的精度级。

这里公开的射流气体计量系统，为了测量在宽范围内的气体流量，把这个范围划分成三个带：小、中和大，每一个分配一个独立通道。在小带通道中，其中的一个射流发生器起测量在该带中的气体流量的作用，而在中带通道中，一个第二射流发生器起测量在该带中的气体流量的作用。由一条旁通通道形成的大带通道分流气体流的一部分，从而在第二通道中的射流发生器然后起计量在大带中的流量的作用。

在实际中，可以把系统布置成把范围划分成多于三个带，如一种具有一个小流量带、一个中小带、一个中大带及一个大带的四通道系统。在这种布置中，在小、中小和中大通道的每一个中包括有一个独立的射流发生器，第四通道专供一条旁通通道之用。

阅读器：计量系统可以与一个用来扫描与用于操作公共洗衣机或公用电话一个时间段的卡类似的预付卡的阅读器相联。在这种情况下，卡授予其购买者取决于为卡负担的费用的预定量气体能量。

因而如果卡值25美元并且授予其用户1000升气体，那么每当卡持有者插入卡时，他然后能键入他希望购买的气体量，比如100升，卡然后降低这个量。当用户已经用完他的气体指标时，卡就不再有效。

与卡阅读器29相联的是一个可视或可听警报器(未表示)，当卡持有者插入他的几乎用完并且对于他最好购买一张新卡的卡时，该警报器警告卡持有者。预付卡阅读器联系一个主阀操作，当预付卡用完时该主阀切断气体源，而当插入一张新卡时重新打开气源。

预付卡的优点在于，它消除了对供气公司记帐其客户、和当客户欠款时通知客户、及当没有接收到付款时切断气体供给的需要。借助于预付卡，客户永远不会滞后付款，并且供给他的气体已经付款。

系统也可以通过一个调制解调器链接到因特网公共通路上从而能把在微处理器中存储的数字数据传输到起气体记帐站作用的网站、或需要该数据的任何其它网站。为了标识送出数据的计量系统，数据由一个数字形式的标识符号或代码引导。

三元件射流发生器：在通道B中使用一个三元件射流发生器的原因在于，它具有比两元件发生器快的响应时间，并因此当流量位于范围的中带中时更适于计量气体流的流量。

如图2中所示，用于通道B的三元件发生器由元件E1、E2和E3形成，每个带有一个初级气体输入30。到三个元件的输入并联连接，从而它们同时接收要计量的气体。每个初级输入流入到一对次级进口30A和一对次级出口30B中。每个元件的次级进口30B联接到另一个元件的次级出口上。

每个元件也装有一对初级出口X、Y和Z。这些并联连接以把计量的气体供给到用户点。

由射流振荡器产生的周期脉冲由压电传感器34检测，压电传感器34产生一个其重复速率与计量气体的流量成正比的脉动信号。

要理解，在系统中包括的射流振荡器不必是这里公开的那些，而是可以由能够计量在计量的流量带中的气体流量的任何射流振荡器构成。

尽管已经表明本发明的最佳实施例，但要理解，其中可以进行多种变更和修改而不脱离本发明的精神。因而在系统中包括的阀不必是电磁型的，而实际上可以是电机驱动球或响应由微处理器施加到其上的控制电压的任何其它类型的。而且，不必为每个射流发生器提供一个独立的压电传感器，因为两个发生器可以共享一个共用传感器。

Claims (17)

1.一种当插入在从气体源到用户点延伸的管线中时产生较低压力降的射流气体计量系统，经系统供给到点的气体在由范围下部中的小流量带、中部中的中带及在其上部中的大带定义的宽流量范围内；所述系统包括：

A.一个输入腔室，向其供给从所述源导出的加压气体流；

B.一个输出腔室，从其把气流供给到所述点；

C.一个第一通道，互联由仅当气流具有在小带中的流量以产生具有与其成正比的重复速率的周期脉冲时才可操作的一个第一射流发生器定义的腔室；

D.一个第二通道，互联由仅当气流具有在中带的流量以产生具有与其成正比的重复速率的周期脉冲时才可操作的一个第二射流发生器定义的腔室；

E.一个第三腔室，互联由仅当气流的流量在大带中时才可操作的一个旁通通道定义的腔室，第三通道然后起作用，以把气流划分成由此旁通的小部分、和流经第二通道并且具有位于中带中的流量的主要部分；

F.联接到第一和第二发生器上的装置，在系统在小、中和大带中操作期间处理由此产生的脉冲，并且求和这些脉冲以在整个范围内提供由用户消耗的气体的准确读数，及

G.指示所述读数的装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二发生器每个包括一个射流振荡器和一个响应由振荡器产生的射流脉冲以产生对应电脉冲的传感器。

3.根据权利要求2所述的系统，其中传感器是一个压电元件。

4.根据权利要求2所述的系统，其中第一发生器包括两个射流元件。

5.根据权利要求2所述的系统，其中第二发生器包括三个射流元件。

6.根据权利要求1所述的系统，其中处理装置是一个通过把脉冲频率乘以在单个脉冲中包含的气体体积计算以升为单位的消耗气体量的微处理器。

7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个双阀，该阀在流量位于小带中时操作以打开第一通道而关闭第二通道，当流量位于中带中时操作以关闭第一通道而打开第二通道。

8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括一个单阀，仅当气流的流量位于大带中时才可操作以对于该气流的小部分打开第三通道，由此位于中带中的主要部分然后流经第二通道。

9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括借助于致动电压按这样一种顺序致动双和单阀的装置，其中当计量的气流的流量在小带中时，由双阀使气流于是流经第一通道，当流量位于中带中时，双阀使气流于是流经第二通道，及当流量位于大带中时，单阀使气流的小部分在第三通道中流动。

10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个显示流量读数的LCD器件。

11.根据权利要求6所述的系统，进一步包括把在所述微处理器中包含的流量数据传输到一个远程站的装置。

12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括装有一个温度响应传感器以补偿对于环境温度变化的计量读数的装置。

13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括装有一个气压传感器以补偿对于气压压力变化的计量读数的装置。

14.根据权利要求1所述的系统，进一步包括装有一个气体压力传感器以补偿对于计量的气体压力变化的计量读数的装置。

15.根据权利要求1所述的系统，进一步包括装有一个热量传感器以补偿对于计量的气体热量值变化的计量读数的装置。

16.根据权利要求1所述的系统，与系统相联的是一个预付卡阅读器，适于向把卡插入在阅读器中的用户供给预定量的气体。

17.根据权利要求6所述的系统，进一步包括联接到微处理器上用来把存储在其中的关于流量的数字数据传输到一个远程站的装置。