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Hintergrund
der Erfindung
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Ein Abschnitt der Offenbarung dieses
Patentdokuments enthält
Material, das dem Urheberschutz unterliegt. Der Urheber hat keinen
Einwand gegen die Faksimilereproduktion des Patentsdokuments oder
der Patentoffenbarung durch eine Person, wie dieselbe in dem Patent-
und Markenamt-Patentakten
oder Aufzeichnungen erscheint, reserviert sich jedoch ansonsten
alle Urheberrechte.
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Diese Erfindung bezieht sich auf
Fluidfluß-Meßvorrichtungen.
Genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf Fluidfluß-Meßvorrichtungen
zum Liefern von elektrischen Signalen, die einen Fluidfluß darstellen.
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Es bestehen viele Techniken auf dem
Stand der Technik für
die elektronische Messung eines Fluidflusses. Üblicherweise erfordern solche
Techniken eine Kenntnis der physischen Eigenschaften des Fluids,
das gemessen werden soll, so daß die
Meßeinrichtung
kalibriert werden kann. Typische Beispiele solcher physischen Parameter
sind die spezifische Wärmekapazität, Verdichtbarkeit,
Dichte, Viskosität und
thermische Leitfähigkeit
des Fluids. Viele dieser physischen Parameter sind selbst abhängig von
der Zusammensetzung des Fluids. Bei Anwendungen, bei denen die Fluidzusammensetzung
unbekannt ist, oder auf unvorhersehbare Weise schwankt, sind solche
Techniken sowohl ungenau als auch ungeeignet.
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Zusätzliche Nachteile, die vielen
bekannten Techniken eigen sind, umfassen Einschränkungen in dem Bereich von
Flußraten, über den
genaue Messungen zuverlässig
ausgeführt
werden können, manchmal
bezeichnet als das „Umlegverhältnis", und die Erzeugung
eines inakzeptablen Gegendrucks in dem Fluidweg, wenn der Durchflußmesser
angeschlossen und funktionsfähig
ist.
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Bei einem Versuch, die oben erwähnten Mängel des
Stands der Technik zu überwinden,
wurden Flußmesser
entwickelt, die weniger empfindlich gegenüber physischen Fluidparametern
sind. Eine solche Klasse eines Flußmessers wird allgemein ein Positive-Verschiebung-Flußmesser
genannt. Bei einem Positive-Verschiebung-Flußmesser wird das Fluid, dessen
Fluß gemessen
werden soll, periodisch in einer separaten Begrenzungskammer angesammelt,
wie z. B. einem Zylinder mit einem eng eingepaßten Kolben, dessen Volumen
sich mit einer Rate gleich dem Fluß des Fluids erhöht (z. B.
durch Verschiebung des Kolbens). Durch Messen der Anstiegsrate des
begrenzten Volumens (z. B. durch Erzeugen eines Signals, das den
Betrag der Verschiebung des Kolbens darstellt), kann die Fluidflußrate berechnet
werden. Während
spezifische Flußmesserdetails
(wie z. B. die Art und Weise des Definierens des begrenzten Volumens
und der Technik zum Umwandeln der Volumenänderungsrate) sich abhängig von
der Art und der Anwendung eines gegebenen Positive-Verschiebung-Flußmessers ändern, besitzen
alle solche Flußmesser
die gewünschte
Eigenschaft einer angemessenen Genauigkeit der Fluidflußmessung
unabhängig
von den physischen Parametern des gemessenen Fluids. Ein bedeutender Nachteil
bei den meisten bekannten Positive-Verschiebung-Flußmessern
ist die Störung
bei dem Fluidfluß,
die durch die Notwendigkeit des Verschiebens der bewegbaren Oberfläche der
Begrenzungskammer verursacht wird, um das Meßsignal zu erzeugen. Dies bringt
Gegendruckcharakteristika ein, die solche Flußmesser ungeeignet für eine Verwendung
bei einer Anwendung machen, die empfindlich gegenüber der
periodischen Einbringung von Fluidflußgegendruck ist.
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Ein Gasflußmesser vom Positive-Verschiebung-Typ,
der entwickelt wurde, um die nachteilige Gegendruckwirkung zu reduzieren,
ist der Seifenfilmtyp des Positive-Verschiebung-Flußmessers.
Bei diesem Typ von Flußmesser
ist das begrenzte Volumen durch eine glattwandige zylindrische Röhre definiert, die üblicherweise
aus transparentem Glas hergestellt ist. Die Röhre weist ein Einlaßende, das
mit dem Gas verbunden ist, dessen Fluß gemessen werden soll, und
ein Auslaßende
auf, das zur Umgebung hin offen ist. Benachbart zu dem Einlaßende ist
eine Anordnung zum Einbringen eines Seifenfilms vorgesehen, der
entlang des Innenvolumens der Röhre
durch den fortschreitenden Gasfluß mitgerissen werden soll. Optische
Sensoren, die an vorbestimmten Positionen entlang der Röhre angeordnet
sind, messen die Durchgangszeit des Seifenfilms, der entlang des
Inneren der Röhre übertragen
wird, und dieser Zeitwert wird in eine Fluidflußrate unter Verwendung eines
bekannten Algorithmus umgewandelt. Aufgrund der Tatsache, daß nur die
relativ kleinen Kräfte
von Viskosität
und die Oberflächenspannungsauswirkungen der
Bewegung des Seifenfilms und somit dem Fluß des Gasstroms entgegenwirken,
sind die Gegendrücke,
die durch diesen Typ von Flußmesser
erzeugt werden, allgemein ausreichend niedrig, um akzeptabel zu
sein. Zusätzlich
dazu weist der Seifenfilm-Flußmesser
einen dynamischen Meßbereich auf,
der wesentlich breiter ist als der von anderen Positive-Verschiebung-Flußmessern
(üblicherweise
in dem Bereich von ungefähr
0,5 bis ungefähr
500 Ml/min.). Ferner ist dieser Typ von Flußmesser relativ kostengünstig herzustellen
und zu warten. Der Hauptnachteil des Seifenfilmflußmessers
ist die Anforderung, daß der
Seifenfilm periodisch erzeugt, in den Fluidstrom eingebracht und
irgendwie erschöpft werden
muß. Die
Erzeugung des Seifenfilms wird üblicherweise
mit Hilfe einer manuell betriebenen Blasenerzeugungsvorrichtung
durchgeführt,
die das Vorhandensein einer Bedienperson erfordert und eine automatische
oder unbeaufsichtigte Operation verhindert. Ferner, aufgrund der
Tatsache, daß der nasse
Film in den Gasstrom eingebracht wird, wird der Strom mit Wasserdampf
verunreinigt, der für
viele Reihenanwendungen ungeeignet ist, die Gase umfassen. Zusätzlich dazu
ist der Flußmesser
vom Seifenfilmtyp vollkommen ungeeignet für Flußmesseranwendungen, die Flüssigkeiten
umfassen.
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Eine Verbesserung gegenüber dem
Filmflußmesser,
der oben beschrieben ist, ist in der EP-A-0553550 offenbart, die
der U.S.-Patentanmeldung Seriennummer 07/827,176 entspricht, eingereicht
am 28. Januar 1992 mit dem Titel ACOUSTIC DISPLACEMENT FLOWMETER.
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Bei der durch Bezugnahme aufgenommenen Anwendung
ist ein Flußmesser
vom Positive-Verschiebung-Typ offenbart, der keine Vorkenntnisse der
physischen Parameter der Fluide erfordert, der keinen wesentlichen
Gegendruck in den Fluidflußweg
einbringt, der keine Verunreinigung in den Fluidweg einbringt, einen
breiten dynamischen Bereich von meßbaren Flußraten besitzt, der kompatibel
mit einer breiten Vielzahl von Gas- und Flüssigkeits-Fluidflußanwendungen
ist und in der Lage zu einer vollautomatischen Operation ist. Der
Positive-Verschiebung-Flußmesser
weist einen hochkonformen Verschiebungswandler vom akustischen Typ
auf, der ein Verschiebungselement aufweist, wobei der Wandler ein
Fluidtor zum Koppeln mit einem Fluidweg und einen Signalausgang
zum Manifestieren eines Signals aufweist, das eine Bewegung des
Verschiebungselements aufgrund des Eintretens eines Fluids durch das
Tor darstellt; und eine Einrichtung, die einen Eingang aufweist,
der mit dem Verschiebungswandlersignalausgang gekoppelt ist, zum
Berechnen des Durchschnittswerts der Fluidflußrate über eine Meßperiode. Die Recheneinrichtung
umfaßt
folgende Merkmale: eine Einrichtung zum Erzeugen eines Steuerungssignals
zum Ermöglichen,
daß ein
steuerbares Ventil, das in dem Fluidweg angeordnet ist, Fluid in
das Wandlerfluidtor umleitet, eine Einrichtung, die auf die Erzeugung
des Steuerungssignals anspricht, zum Maskieren eines Anfangsabschnitts des
Wandlerausgangssignals, eine Einrichtung zum Integrieren des Wandlerausgangssignals
nach dem Anfangsabschnitt, eine Einrichtung zum Abtasten der Werte
der Integrationseinrichtung, eine Einrichtung zum Summieren der
Abtastwerte und eine Einrichtung zum Abschließen des Steuerungssignals,
wenn einer der nachfolgenden Zustände auftritt: (a) die Größe des Abtast werts
erreicht einen vorbestimmten Maximalwert; oder (b) die Meßperiode
erreicht einen vorbestimmten Maximalwert. Die Recheneinrichtung bestimmt
den Wert der Fluidflußrate
aus der Gleichung F = 2S/[bn(nm + 1)], wobei F die bestimmte Flußrate ist,
S der Gesamtwert der summierten Abtastwerte ist, n die Anzahl von
erhaltenen Abtastwerten ist und b eine vorbestimmte Kalibrierungskonstante
ist. Die Maskierungseinrichtung umfaßt vorzugsweise eine. Einrichtung
zum Bestimmen der Länge
T des Anfangsabschnitts, der unter Verwendung des nachfolgenden
Algorithmus maskiert werden soll:
wenn F ≥ K, dann T = 0
wenn F < K, dann T = A[(K – f)/K],
wobei
F die Fluidflußrate
ist, die aus einer vorangehenden Messung bestimmt wird, K ein vorausgewählter konstanter
Flußratenwert
ist, der innerhalb des beschriebenen Bereichs von Werten liegt,
die gemessen werden sollen, und A eine vorausgewählte konstante Zeitdauer ist.
Die Recheneinrichtung umfaßt
ferner optional einen manuell betreibbaren Schalter zum Initiieren
der Flußmesseroperation,
einen Zeitgeber zum Abschließen
der Operation des Flußmessers
nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeitperiode und eine Einrichtung
zum Erweitern der Operation des Flußmessers, immer wenn eine Abtasteinrichtung
anzeigt, daß die
manuell betreibbare Schaltereinrichtung vor dem Ablauf der vorbestimmten
Zeitperiode aktiviert wurde.
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Während
der Operation des Akustische-Verschiebung-Flußmessers,
wird ein Fluidfluß zuerst entlang
eines Fluidwegs eingerichtet, wonach der Fluß des Fluids zu dem Wandler
gerichtet wird, der das Verschiebungselement aufweist, durch Beschränken des
Flußwegs,
wodurch der Fluß des
Fluides zu dem Wandler gerichtet wird, durch Betreiben eines Ventils
in dem Flußweg,
um eine temporäre Flußwegbegrenzung
zu schaffen. Das Signal, das von dem Wandler erzeugt wird, das eine
Verschiebung aufgrund des Fluidflusses darstellt, während der
Weg beschränkt
ist, wird verwendet, um die Fluidflußrate durch Integrieren des
Signals über
eine Meßperiode,
Abtasten des Werts des integrierten Signals, Summieren der Abtastwerte
und Bestimmen der Flußrate
aus der Gleichung zu bestimmen, die oben für F erwähnt wurde. Nachdem die Flußrate aus der
Gleichung bestimmt wurde, wird der Fluidfluß entlang des Wegs erneut eingerichtet,
durch Betreiben des Ventils, um die Flußwegbeschränkung zu entfernen, wenn die
Größe des Integrals
des Flußratensignals
einen vorbestimmten Maximalwert erreicht oder wenn die Meßperiode
einen vorbestimmten Maximalwert erreicht.
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Während
sich herausgestellt hat, daß der oben
beschriebene Akustische-Verschiebung-Flußmesser auf effektive Weise
für viele
Anwendungen funktioniert, ist die Vorrichtung auf das Messen des Flusses
in nur eine Richtung eingeschränkt.
Somit muß der
Messer bei jenen Anwendungen, bei denen es wünschenswert ist, den Fluß in einer
Vorwärts- und
Rückwärts-Richtung
zu messen, von dem Flußweg
getrennt werden und die Flußwegverbindungen müssen umgekehrt
werden, was insofern unerwünscht
ist, daß es
Ausfallverzögerungen
einbringt. Zusätzlich
dazu ist der Akustische-Verschiebung-Flußmesser
nicht entworfen, um Inkonsistenzen in der Beziehung zwischen dem
tatsächlichen Fluß und einer
Flußmessung
wirksam zu machen, wenn die Flußrate über einen
extrem weiten Bereich variiert. Zusätzlich dazu ist der Akustische-Verschiebung-Flußmesser
nicht entworfen, um Schwankungen des Gasvolumens zu berücksichtigen,
dessen Fluß gemessen
wird, aufgrund von Änderungen
der absoluten Temperatur oder des absoluten Druckes. Schließlich ist
der Anfangskalibrierungsprozeß,
der für
den Akustische-Verschiebung-Flußmesser
erforderlich ist, relativ arbeitsintensiv und erfordert ein Testverfahren,
das eine Bezugnahme auf Flußstandards
einer bekannten Genauigkeit umfaßt, bevor das Instrument als
ausreichend zuverlässig
betrachtet werden kann. Momentane Bemühungen, einen Akustische-Verschiebung-Flußmesser
zu entwerfen, der frei von den obigen Nachteilen ist, waren bislang nicht
erfolgreich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei einem Aspekt schafft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Flußrate eines Fluids, wobei das
Verfahren folgende Schritte aufweist:
Einrichten eines Flusses
des Fluids durch eine Leitung;
Beschränken des Fluidflußwegs durch
die Leitung, um den Fluidfluß zu
einem Verschiebungswandler umzuleiten, der ein Verschiebungselement
aufweist, das durch den Fluidfluß verschiebbar ist, wodurch bewirkt
wird, daß der
Verschiebungswandler ein Signal erzeugt, das eine Verschiebung aufgrund
des Fluidflusses darstellt, während
der Flußweg
entlang der Leitung zu dem Verschiebungswandler umgeleitet wird;
Bestimmen
der Flußrate
unter Verwendung des Wandlersignals; und
erneutes Einrichten
des Fluidflusses durch die Leitung durch Entfernen der Beschränkung, gekennzeichnet
durch den Bestimmungsschritt, der folgende Schritte umfaßt:
Liefern
eines Referenzsignals zu einem Ladungsakkumulator, um ein Laden
des Ladungsakkumulators über
eine vorbestimmte Zeitperiode hinweg zu bewirken, um ein integriertes
Referenzsignal zu erzeugen;
dann Liefern des Wandlersignals
zu dem Ladungsakkumulator, um ein Entladen des Ladungsakkumulators
zu bewirken, bis die Ladung auf dem Ladungsakkumulator einen Pegel
erreicht, der einen Schwellenwert darstellt; und
Berechnen
der Flußrate
unter Verwendung der Zeit, die das Wandlersignal benötigt, um
zu bewirken, daß die
Ladung auf dem Ladungsakkumulator den Pegel erreicht, der den Schwellenwert
darstellt.
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Der Berechnungsschritt kann die Schritte des
Akkumulierens der Zeit durch Zählen
der Anzahl N von grundlegenden Abtastperioden, die während des
Entladens auftreten, und des Bestimmens der Flußrate aus der Gleichung:
V
= A/N – B
umfassen, wobei V die volumetrische Flußrate ist und A und B Konstanten
sind.
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Das Verfahren kann ferner den Schritt
des Lieferns eines Temperaturkorrektursignals zum Anpassen des berechneten
Flußratenwerts
umfassen. Dies kann den Schritt des Erzeugens eines ersten und zweiten
Sensorsignals, deren Verhältnis
die Temperatur darstellt, das Akkumulieren von Ladung, die das erste
Sensorsignal darstellt, für
eine zweite vorbestimmte Zeitperiode, um ein integriertes erstes Signal
zu erzeugen, das Verwenden des zweiten Signals, um ein Entladen
der akkumulierten Ladung zu bewirken, bis der Wert des integrierten
ersten Signals einen zweiten Schwellenwert erreicht und das Verwenden
der Zeit, die das integrierte erste Signal benötigt, um den zweiten Schwellenwert
zu erreichen, um das Temperaturkorrektursignal zu berechnen, umfassen.
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Bei einem anderen Aspekt schafft
die vorliegende Erfindung einen Akustische-Verschiebung-Flußmesser
zum Bestimmen der Flußrate
eines Fluids durch eine Leitung, die ein steuerbares Ventil enthält, zum
Beschränken
des Fluidflusses entlang der Leitung, wobei der Flußmesser
folgende Merkmale aufweist:
einen Verschiebungswandler, der
ein Fluidtor aufweist, das mit der Leitung gekoppelt werden kann, wobei
der Verschiebungswandler ein Verschiebungselement aufweist, das
durch den Fluidfluß verschiebbar
ist und betreibbar ist, um ein Signal zu erzeugen, das die Verschiebung
des verschiebbaren Elements aufgrund der Bewegung des Fluids durch
das Tor darstellt;
eine Steuerungseinrichtung zum Liefern eines
Steuerungssignals für
eine vorbestimmte Meßperiode, um
zu bewirken, daß das
steuerbare Ventil den Fluidfluß entlang
der die Leitung beschränkt
und den Fluidfluß zu
dem Verschiebungswandler umleitet, um zu bewirken, daß der Verschiebungswandler
ein Signal erzeugt, das die Verschiebung aufgrund des Fluidflusses
darstellt;
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Flußrate unter
Verwendung des Wandlersignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungseinrichtung
folgende Merkmale aufweist:
einen Ladungsakkumulator zum Ansammeln
von Ladung;
eine Signallieferungseinrichtung zum Liefern eines Referenzsignals
zu dem Ladungsakkumulator für eine
vorbestimmte Zeitperiode, um ein Laden des Ladungsakkumulators zu
bewirken, um ein integriertes Referenzsignal zu erzeugen und um
dann das Wandlersignal zu dem Ladungsakkumulator zu liefern, um ein
Entladen des Ladungsakkumulators zu bewirken, bis die Ladung auf
dem Ladungsakkumulator einen Pegel erreicht, der einen Schwellenwert
darstellt;
eine Zähleinrichtung
zum Bestimmen der Entladungszeit, die das Wandlersignal benötigt, um
zu bewirken, daß die
Ladung auf dem Ladungsakkumulator den Pegel erreicht, der den Schwellenwert
darstellt; und
eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Flußrate unter
Verwendung der Zeit, die durch die Zähleinrichtung bestimmt wird.
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Die Berechnungseinrichtung umfaßt ferner vorzugsweise
eine Einrichtung zum Berechnen eines Temperatursteuerungssignals zum
Anpassen der berechneten Fluidflußrate. Die Temperaturkorrektursignalberechnungseinrichtung
kann eine Sensoreinrichtung zum Liefern eines ersten und zweiten
Sensorsignals umfassen, dessen Verhältnis Temperatur darstellt,
eine Einrichtung zum Koppeln des ersten Sensorsignals mit dem Ladungsakkumulator
für eine zweite
vorbestimmte Zeitperiode, um ein integriertes erstes Signal zu erzeugen,
eine Einrichtung zum Liefern des zweiten Sensorsignals zu dem Ladungsakkumulator,
um ein Entladen des Ladungsakkumulators zu bewirken, eine Einrichtung
zum Zählen
der Zeit, die erforderlich ist, damit die Ladung auf dem Ladungsakkumulator
einen zweiten Schwellenwert erreicht, und eine Einrichtung zum Berechnen
des Temperaturkorrektursignals aus der Zählung, die durch die Zähleinrichtung
erreicht wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
weist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines bidirektionalen
Fluidflusses (z. B. Gas) auf, der unabhängig von der Gaszusammensetzung,
und optional von der Umgebungstemperatur und dem atmosphärischen
Druck ist. Ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung schafft eine sogar noch umfassendere Umwandlung des dynamischen
Bereichs des Flußratensignals
als bei dem vorangehenden Akustische-Verschiebung-Flußmesser.
Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung schafft eine Technik zum automatischen Kalibrieren
der Flußmeßvorrichtung
während
der Herstellung, die sowohl Herstellungsvariablen als auch Flußwandler-Nichtlinearitäten kompensiert.
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Für
ein umfassenderes Verständnis
der Eigenschaft und der Vorteile der Erfindung sollte Bezug auf
die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen genommen werden.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein Teilschema, das den Analog-zu-Digital-Wandler des bevorzugten Ausführungsbeispiels
zeigt;
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3 ist
ein Zeitgebungsdiagramm, das die Operation des Ausführungsbeispiels
aus 1 und 2 zeigt; und
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4 ist
ein detailliertes Schema des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen
ist 1 ein schematisches
Blockdiagramm, das die Haupteinheiten darstellt, die das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
der Erfindung aufweisen. Wie in dieser Figur ersichtlich ist, umfaßt ein Abschnitt
des Fluidwegs einen Einlaß 10,
in den ein Fluid, üblicherweise ein
Gas, eingebracht wird, und einen Fluidauslaß 11, der mit dem
nachgeschalteten Abschnitt des Fluidflußwegs gekoppelt ist. Ein elektrisch
betreibbares Flußbeschränkungsventil 14 ist
vorgeschaltet zu dem Auslaß 11 und
nachgeschaltet zu den Einlaß 10 positioniert.
Ein Flußbeschränker 15 ist
in dem Einlaßabschnitt
des Flußwegs
direkt vorgeschaltet zu einem Zweig 16 umfaßt, zu einem
Zweck, der nachfolgend beschrieben wird. Der verzweigte Abschnitt
des Fluidflußwegs
ist mit dem Einlaßtor
des Verschiebungswandlers 17 gekoppelt.
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Ein Flußbeschränkungsventil 14 ist
vorzugsweise ein üblicherweise
offenes, elektrisch betreibbares Ventil, wie z. B. vom Typ LFDX0510250A,
das von der Lee Company in Westbrook, Connecticut erhältlich ist.
Dieses Ventil wird durch eine Ventilsteuerungseinheit 18 gesteuert,
die Steuerungssignal genannt VENTIL EIN von einer Mikrocomputereinheit 40 empfängt. Das
Ventil 14 wird durch die Ventilsteuerungseinheit 18 immer
in den geschlossenen Zustand betrieben, wenn das VENTIL EIN-Signal,
das in 3 gezeigt ist,
im aktiven Zustand ist.
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Der Verschiebungswandler 17 weist
vorzugsweise einen Verschiebungswandler vom hochkonformen akustischen
Typ auf, wie z. B. einen Wandler vom Typ 25ST500, der von Mouser
Electronics Co. in Randolf, New Jersey erhältlich ist. Der Wandler 17 umfaßt ein Mylar-Membranelement
und ist so befestigt, daß Gas
in eine Kammer eingebracht wird, die durch das Diaphragma und eine
starre Platte eingegrenzt ist. Der Wandler 17 erzeugt ein
elektrisches Signal, das die Verschiebung bei einem Paar von Ausgangsanschlußleitungen 18, 20 darstellt,
die mit einer Polaritätsumkehrschaltung 21 gekoppelt sind,
die in 4 detailliert
dargestellt ist. Die Polaritätsumkehrschaltung
ist in der Lage, die Polarität
der Signale umzukehren, abhängig
von der Flußrichtung, so
daß das
Signal, das von einem Fluß entlang
des Flußwegs
in einer Richtung resultiert, korrekt durch einen Analog-zu-Digital-Wandler 25 verarbeitet
werden kann, mit dem die Polaritätsumkehrschaltung 21 über eine
Anschlußleitung 22 gekoppelt
ist. Ein Referenzspannungserzeuger 26 liefert eine Referenzspannung
Vr auf dem Leiter 27 zu der Polaritätsumkehrschaltung 21 und
ferner zu dem Analog-zu-Digital-Wandler 25.
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Ein Umgebungs-Druck/Temperatur-Sensor 30 liefert
ein Paar von Signalen, die sich auf einen gemessenen Wert des Umgebungsdrucks
und der Temperatur beziehen, auf den Leitern 32 und 34 zu dem
Analog-zu-Digital-Wandler 25. Die zwei Signale, die durch
den Sensor 30 geliefert werden, werden als „UMGEBUNGSSENSOR" bzw. „UMGEBUNGSANREGUNG" bezeichnet. Der
Umgebungssensor 30 weist vorzugsweise einen Sensor vom
Typ FPM-05PG auf, der von Fujikura Ltd. in Tokyo, Japan erhältlich ist,
der im wesentlichen aus einem piezoresistiven Überdrucksensor besteht, der
mit einem kleinen Luftreservoir verbunden ist. Der Sensor wird modifiziert,
durch Abdichten des Einlaßtors,
um ein abgedichtetes Innenluftreservoir zu erzeugen. Diese Vorrichtung
erzeugt die zwei elektrischen Signale UMGEBUNGSSENSOR und UMGEBUNGSANREGUNG,
wobei das Verhältnis
zwischen denselben das Druckdifferential zwischen der Flußmesserumgebungsatmosphäre und dem Druck
der Luftprobe darstellt, die in dem abgedichteten Sensorreservoir gefangen
ist.
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Ein Paar von Steuerungssignalen,
die als „AUTO
NULL" und „EINGABE-AUSWAHL" bezeichnet werden,
wird zu dem Analog-zu-Digital-Wandler 25 über die
Anschlußleitungen 37, 38 von
dem Mikrocomputer 40 geliefert. Das Ausgangssignal des
Analog-zu-Digital-Wandlers 25, genannt „NULLDURCHGANG", wird zu dem Mikrocomputer 40 als
ein Rohdatensignal auf dem Leiter 39 geliefert. Eine Bedienpersonschnittstelle 42 ist
mit einem Paar von manuell betreibbaren Schaltern 43, 44 versehen,
die es einer Bedienperson ermöglichen,
eine Flußmesseroperation
durch Manipulieren des Schalters 43 zu beginnen, und die
es einer Bedienperson zu ermöglichen,
die Flußmessungen
zu unterbrechen und eine Anzeige einer Aufforderungsmeldung auf
einer Anzeige 45 zu verursachen, die den aktuellen Modus
der Flußmesseroperation
anzeigt (volumetrisch, Massenfluß, lineare Geschwindigkeit
etc.), durch Betreiben des Schalters 44. Eine nachfolgende
Operation des Schalters 44 verursacht eine Anzeige des
nächsten Eintrags
in der Liste der verfügbaren
Modi.
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Der Mikrocomputer 40 weist
einen Mikroprozessor vom Typ Z84C0004PEC auf, der von Zilog, Inc.
in Campbell, Kalifornien erhältlich
ist.
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Die Anzeige 45 weist vorzugsweise
eine Anzeige vom Typ AND671 auf, die von AND in Burlingame, Kalifornien
erhältlich
ist.
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Eines der Ausgangstore des Mikrocomputers 40 ist
mit einem Ausgangstreiber 46 gekoppelt, der serielle Daten
vom Typ RS232 liefert, die an dem Anschluß 48 ausgegeben werden.
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In Betrieb wird der Fluß, der gemessen
werden soll, an den Flußweg
angelegt und zu dem Verschiebungswandler 17 umgeleitet,
durch Schließen des
Ventils 14 ansprechend auf ein Steuerungssignal, das durch
die Ventilsteuerungseinheit 18 erzeugt wird, ansprechend
auf den Empfang eines Signals VENTIL EIN von dem Mikrocomputer 40.
Der Flußbeschränker 15 funktioniert,
um eine unerwünschte
Unterdrucksetzung zu beseitigen, die bei hohen Flußraten am
Eingang des Verschiebungswandlers aufgrund verschiedener Widerstandsquellen
gegen den Gasfluß in
dem Flußweg
auftreten kann. Wenn der Fluß in
das Volumen umgeleitet wird, das durch die Wandlermembran begrenzt
ist, verdrängt
das Gas, das so akkumuliert wird, die Membran und erzeugt ein elektrisches
Signal an den Anschlüssen 19, 20 das
proportional zu der Akkumulationsrate und folglich zu dem volumetrischen
Fluß ist.
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Die Polaritätsumkehrschaltung 20 paßt die Polarität des Verschiebungssignals
an den Leitern 19, 22 ansprechend auf ein Steuerungssignal
von dem Mikrocomputer 40 an, um ein analoges Signal einer
ordnungsgemäßen Polarität für den Analog-zu-Digital-Wandler 25 zu
liefern.
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Bezug nehmend auf 2 umfaßt der Analog-zu-Digital-Wandler 25 einen
Eingangsmultiplexer 50, der fünf unterschiedliche Eingangsanschlüsse zum
Empfangen des Vr Referenzsignals auf dem
Leiter 27, der zwei Signale von dem Umgebungssensor 30 auf
den Leitern 32, 34, des Verschiebungssignals von
dem Polaritätsumkehrer 21 auf
dem Leiter 22 und einer analogen Massereferenz auf dem
Leiter 58 aufweist. Der Eingangsmultiplexer 50 wird
durch Eingangsauswahlsignale gesteuert, die von dem Mikrocomputer 40 auf
den Eingangsauswahlleitungen 38 gekoppelt werden.
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Der Wandler 25 umfaßt ferner
einen Eingangswiderstand 51, einen Auto-Null-Speicherungskondensator 52,
einen Integrator- (d. h. einen Ladungsakkumulierungs-) Kondensator 53,
einen Integrator- (oder Ladungsakkumulator-) Verstärker 54, einen
Stromeinschränkungswiderstand 55,
einen Betriebsverstärker 56,
der als ein Komparator konfiguriert ist, und einen Auto-Null-Schalter 57.
Die Verstärker 54, 56 weisen
eine Hälfte
einer Quad-Betriebsverstärkerschaltung
vom Typ TLC27M4 auf, die von Texas Instruments in Dallas, Texas,
erhältlich
ist. Der Auto-Null-Schalter 57 weist einen Abschnitt eines CMOS-Multiplexers
vom Typ CD4053 auf, der von National Semiconductor in Santa Clara,
Kalifornien erhältlich
ist. Der Analog-zu-Digital-Wandler 25 funktioniert auf
nachfolgende Weise.
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Bezug nehmend auf 3 gibt der Mikrocomputer 40 anfänglich einen
VENTIL EIN-Befehl aus, gefolgt durch einen AUTO-NULL-Befehl, der verursacht, daß sich der
Auto-Null-Schalter 57 schließt. Dies koppelt den Ausgang
des Ladungsakkumulatorverstärkers 54 mit
dem Auto-Null-Speicherungskondensator 52 durch den Stromeinschränkungswiderstand 55.
Die Spannung, die nachfolgend an dem Kondensator 52 akkumuliert,
dient zum Setzen eines Versatzfehlers des Ladungsakkumulators auf
Null. Diese Anfangsphase wird die „Auto-Null-Phase" genannt. Die zweite Phase, genannt die „Referenzladungsakkumulatorphase", beginnt, wenn das
Auto-Null-Steuerungssignal
auf dem Leiter 37 nicht angesteuert wird, wodurch der Auto-Null-Schalter 57 deaktiviert
wird. Gleichzeitig liefert der Mikrocomputer 40 Eingangsauswahlsignale auf
den Leitern 38, die den Eingangsmultiplexer 50 konfigurieren,
um das analoge Massesignal zu den angeschlossenen Eingängen des
Verstärkers 54 und des
Komparators 56 zu verbinden. Ferner ist die Referenzspannung
Vr mit dem Ladungsakkumulator für eine
vorausgewählte
Zeitperiode Tr gekoppelt. Während
dieser Zeit akkumuliert Ladung auf dem Kondensator 53,
die gleich dem Produkt von Tr mal der Referenzspannung Vr geteilt
durch die Werte des Kondensators 53 und des Eingangswiderstands 51 ist.
Am Ende von Tr, beginnt die dritte Phase – genannt die Deintegrations-
oder Entlade-Phase – durch
Aufheben der Auswahl des Vr-Referenzeingangs
zu dem Multiplexer 50 und Auswählen des Verschiebungssignaleingangs
an dem Leiter 22. Da die Polaritätsumkehrschaltung 21 sicherstellt,
daß die
Polarität
des Verschiebungssignals, wie es dem Wandler 25 vorgelegt
wird, immer entgegengesetzt der Referenzspannung Vr ist, beginnt
sich die Ladung auf dem Kondensator 53 nun mit einer Rate proportional
zu der Stärke
des Signals von dem Verschiebungswandler 17 und folglich
zu der Flußrate, die
gemessen wird, zu verringern. Die Zeit, die erforderlich ist, daß sich die
Ladung auf Null (Td) verringert ist somit gegeben durch: Td = Tr·Vr/(Sf
+ Vo)wobei
Td = Entladezeit
Tr = Referenzladungsakkumulationszeit
Vr
= Referenzspannung
Sf = Flußratensignalstärke
Vo
= Geringe Vorspannungsspannung zum Einschränken der Maximalumwandlungszeit
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Während
Td tastet der Mikrocomputer 40 den Pegel des Nulldurchgangssignals
ab, das auf dem Leiter 39 vorliegt, das durch den Komparator 56 bei
einer Frequenz F erzeugt wird, die durch die interne Instruktionsausführungsgeschwindigkeit
des Mikrocomputers 40 eingeschränkt ist. Das abschließende Digitalumwandlungsergebnis
N ist gegeben durch: N = F·Tr·Vr/(Sf + Vo)
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Die Anzahl von Abtastwerten N wird
in einem Register in dem Mikrocomputer 40 akkumuliert,
bis zu einer Zeit, zu der das Nulldurchgangssignal in den entgegengesetzten
Zustand übergeht.
Dies liefert dem gemessenen Wert der Flußrate unkorrigiert für Abweichungen
von standardmäßigen Temperatur- und
Druck-Bedingungen.
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Um Abweichungen von standardmäßigen Temperatur-
und Druck-Bedingungen
zu korrigieren, nachdem der Flußraten-Abtastzyklus abgeschlossen ist,
werden die Signale von dem Sensor 30 auf ähnliche
Weise unter Verwendung des oben beschriebenen Dreiphasen-Umwandlungsalgorithmus
bewertet, der wie folgt modifiziert ist. Während Phase 1 wird der Wandler 25 in
der Auto-Null-Phase betrieben. Während
Phase 2 wird das UMGEBUNGSSENSOR-Ausgangssignal auf dem Leiter 32 für eine Ladungsakkumulation
für eine
vorbestimmte Zeitperiode ausgewählt.
Schließlich,
während
Phase 3, wird die Ladung, die auf den Kondensator 53 während Phase
2 akkumuliert wurde, mit einer Rate proportional zu dem Wert des
UMGEBUNGSANREGUNG-Sensorsignals entladen, das auf dem Leiter 34 vorliegt.
Da der Sensor 30 von einem Typ ist, bei dem das Ausgangsumgebungssensorsignal
auf dem Leiter 32 proportional zu dem Anregungsstrom ist, der
zu dem Sensor geliefert wird, wird die Analog-zu-Digital-Umwandlung
des Sensorausgangssignals auf eine Weise durchgeführt, die
inhärent
ein numerisches Ergebnis gleich dem Verhältnis von Sensorausgangssignal
zu Sensoranregung erzeugt. Da das Entladen der akkumulierten Ladung
auf dem Kondensator 53 mit einer Rate direkt proportional
zu der Sensoranregung auftritt, ist die Zeit, die zum Fertigstellen
des Entladens erforderlich ist, umgekehrt proportional zu der Anregung.
-
Der gemessene Wert des Umgebungsdrucks
von dem Sensor 30 wird verwendet, um die Volumenflußmessung über die
folgende Beziehung umzuwandeln: Fm = Fv·Pa/Tawobei
Fm
= Massefluß
Fv
= volumetrischer Fluß
Pa
= Umgebungsdruck (in Atmosphären)
Ta
= absolute Umgebungstemperatur (in Einheiten von Grad K/293, d.
h., das Verhältnis
von Umgebungstemperatur zu Standardtemperatur)
-
Es wird nun der Druckunterschied
zwischen den Inhalten des abgedichteten starren Behälters eines
Gases und einer umliegenden Umgebung betrachtet. Wenn ein Gas in
einem Behälter
auf Standard-Temperatur und -Druck war, als der Behälter abgedichtet
wurde, dann ist das Druckdifferential in Atmosphären: pd
= Pa – Tawobei
Pa
= Umgebungsdruck
Ta = Umgebungstemperatur (ausgedrückt in den oben
erwähnten
Einheiten)
-
Eine gute Näherung des Masseflusses Fm kann
wie folgt ausgedrückt
werden: Fm = Fv·(1 + pd) = Fv·(1 + Pa – Ta)
-
Tatsächlich ist die resultierende
Korrektur für Druckabweichungen
exakt, ist jedoch nur ungefähr für Temperaturabweichungen.
Der Beitrag der Temperaturabweichungen ist jedoch sehr klein, im
Bereich von 1% über
einen Temperaturbereich von ungefähr –10°C bis ungefähr 50°C. Genauer gesagt sei ein Umgebungsdruck
Pa von 1 Atmosphäre
angenommen. Das Verhältnis
der exakten Beziehung Fm = Fv·Pa/Ta
zu dem ungefähren
Verhältnis
Fm = Fv·(1 +
Pa – Ta)
ist wie folgt: (1/Ta)/(1 + Pa – Ta) =
1/(2·Ta – Ta2)
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Damit dieses Verhältnis von 1,0 um mehr als 1%
abweicht, muß Ta
von 1 (gleich einer Temperatur von 293° Kelvin) um mehr als 10% abweichen
(gleich 29°C).
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Wie oben erwähnt wurde, ist ein Flußbeschränker 15
dem Zweig 16 in dem Fluidweg vorgeschaltet. Der Flußbeschränker 15 erzeugt
eine Extrahiererwirkung zum beträchtlichen
Reduzieren oder vollständigen
Beseitigen eines unerwünschten
Unterdrucksetzens bei hohen Eingangsflußraten, erzeugt durch verschiedene
Quellen des Widerstands gegen den Gasfluß, die unverhinderbar in dem
Flußweg
existieren.
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Es sollte darauf hingewiesen werden,
daß der
Flußbeschränker 15 den
Nettofluß durch
das System nicht bedeutend verändert,
da der Druckabfall, der durch den Beschränker 15 eingebracht
wird extrem niedrig in absoluten Zahlen ist (beträchtlich weniger
als 1 psi), und da kein alternativer Flußweg in dem Messer existiert,
durch den Gas umgeleitet werden könnte.
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Die spezifischen Gründe zum
Verwenden des Beschränkers 15 sind
wie folgt. Es wurde beobachtet, daß ein beträchtlicher statischer Druck
(relativ zu der extrem hohen Konformität des Wandlers 17) bei
hohen Flußraten
aus Flußwiderstand
erzeugt wird, der durch Elemente des Flußwegs verursacht wird, während das
Ventil offen ist, und das Gas soll frei entweichen. Dieser statische
Druck neigt dazu, die Membran des Verschiebungswandlers 17 von
der Nullfluß-Ruheposition
zu einer anderen Position zu verschieben. Dies beeinflußt das quantitative
Ansprechverhalten der Membran während
der nachfolgenden Flußmeßzyklen
nachteilig. Der Betrag des statischen Druckes und daher die Wandlerstörung ist abhängig von
der Gasstromdichte.
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Die Auswahl der Position des Flußbeschränkers 15 kann
am besten empirisch bestimmt werden, und es hat sich herausgestellt,
daß die
Installation des Beschränkers 15 die
Auswirkung des statischen Drucks wesentlich beseitigt. Obwohl es
nicht genau bekannt ist, ist es wahrscheinlich, daß diese
Verbesserung an einem „Extrahierer" oder Venturi-Effekt liegt, der
durch eine Senkung des dynamischen Flußstromdrucks aufgrund der lokalen
Erhöhung
der Fluidgeschwindigkeit an dem Punkt der Flußstromverengung verursacht
wird, wie in Standardmodellen eines Fluidflusses beschrieben ist
(z. B. Bernoulli-Effekt). Diese Senkung des dynamischen Flußdrucks wirkt,
um die statische Unterdrucksetzung des Einlasses des Verschiebungswandlers 17 zu beseitigen und
beseitigt daher die unerwünschte
Abhängigkeit der
Flußmessung
von der Gaszusammensetzung.
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Zufriedenstellende Abmessungen für den Beschränker 15 wurden
empirisch bestimmt, um relativ unkritisch zu sein, da die ursprüngliche
Unterdrucksetzungsungenauigkeit nur kleine Fehler im Bereich von
plus oder minus 5% verursacht hat. Bei einem Flußweg, der eine einfache 3,2
mm (1/8 Zoll) ID-T-Kunststoffanschlußstück aufweist, angeordnet wie
in 1 gezeigt ist, ist
der Flußbeschränker 15 als
eine Röhrenleitung
kurzer Länge
(im Bereich von 1 cm) von 0,8 mm (1/32 Zoll) ID gedrückt in die
Einlaßstichleitung
der T-Einpassung
implementiert.
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Wie oben erwähnt wurde, funktioniert die
Polaritätsumkehrschaltung 21,
um die Polarität
der Ausgangssignale des Verschiebungswandlers 17 umzukehren,
abhängig
von der Flußrichtung,
so daß das Signal,
das aus dem Fluß entlang
des Fluidweges in einer Richtung resultiert, korrekt durch den Analog-zu-Digital-Wandler 25 verarbeitet
werden kann. Die Art und Weise, auf die die Signalpolarität getestet und
umgekehrt wird, falls nötig,
ist wie folgt. Während des
Entladens des Signals von dem Wandler 17 während der
Phase 3 des Meßzyklus
mißt der
Mikrocomputer 40 die Zeit, die für das Nulldurchgangssignal auf
dem Leiter 39 erforderlich ist, um seinen Zustand zu ändern. Wenn
diese Zeit eine vorbestimmte Grenze überschreitet, die bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ungefähr
minus 15 ml/min entspricht, bestimmt die Flußmetersoftware, daß die tatsächliche
Flußrichtung
entgegengesetzt zu der ist, die für die aktuelle Einstellung
des Zustands des Polaritätsumkehrers 21 angemessen
ist. Folglich erzeugt der Mikrocomputer 40 ein Signal,
das den Zustand der Umkehrschaltung 21 umkehrt und ignoriert
die aktuelle Messung. Danach treten nachfolgende Flußmessungen
mit der korrekten Umkehrereinstellung auf. Als ein manuelles Übersteuern
kann die Bedienperson die aktuelle Einstellung der Umschalterschaltung 21 übersteuern,
durch Manipulieren von einem der Schalter 43, 44 bei der
Bedienpersonschnittstelle 42 ansprechend auf das Aufrufen
der Anzeige 45 durch den Mikrocomputer 40.
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Der dynamische Bereich der Flußratensignalverarbeitung
ist groß genug
entworfen, um Herstellungstoleranzen von plus oder minus 20% der Flußmesserkomponenten
unterzubringen, vorwiegend aufgrund von Abweichungen bei der Empfindlichkeit
des Verschiebungswandlers 17. Eine 1%-Auflösung eines
gewünschten
Verhältnis
von 1000-zu-1 von maximalen (1 L/min) zum minimalen (1 ml/min) Flußraten wird
durch den Analog-zu-Digital-Wandler 25 geliefert. Somit
ist der dynamische Bereich des Flußratensignalverarbeitungswegs
groß genug,
um einen Wandlerantwortbereich unterzubringen, wenn derselbe mit
dem dynamischen Bereich des Flußratensignals
selbst zusammengelegt wird. Diese Anforderung erfordert eine Erhöhung des dynamischen
Bereichs um einen Faktor von 1,44, was durch den Signalverarbeitungsweg
benötigt wird.
Das heißt,
der Analog-zu-Digital-Wandler 25 muß ausreichend empfindlich sein,
um die 1/1,2 = 0,833.... Antwort des Flußmessers, die auf die niedrige
Seite der Verteilung fällt,
in einen dynamischen Bereich von 100.000 : 1 aufzulösen, der
in der Spezifikation des Flußmessers
gefordert wird. Gleichzeitig muß der
Analog-zu-Digital-Wandler 25 genug
Reserve aufweisen, so daß die
1,2-Antwort der
Flußmesser,
die in das hohe Ende der Verteilung fällt, keinen Überbereichszustand
verursacht. Diese kombinierte Anforderung kann als dynamischer Nettobereich
von (1,2)2 × 100.000 = 144.000 beschrieben
werden.
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Da der Flußmesser, der durch das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, erforderlich ist, um Gasflußraten in dem Bereich von 1
bis 1.000 ml/min mit einer Minimalauflösung von 1/100 des angezeigten
Werts zu digitalisieren, und aufgrund der zuvor genannten Vorkalibrierungsungewißheit des Verschiebungswandlers 17,
wird ein minimaler dynamischer Bereich von 144.000 : 1 benötigt. Um
diesen großen
dynamischen Bereich zu erreichen, ohne Wirtschaftlichkeit und Einfachheit
der Implementierung zu opfern, wird das oben beschriebene Umwandlungsverfahren
verwendet, das zusammenfassend beschrieben eine numerische Darstellung
des Verschiebungswandlersignals erzeugt, die proportional zu dem
Kehrwert dieses Signals ist.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die Auswahl
der Referenzladungsakkumulationszeit Tr abhängig von verschiedenen Faktoren
ist. An dem Minimalende des Bereichs ist der Wert von Tr durch die benötigte Genauigkeit
der Referenzladung eingegrenzt, die auf den Kondensator 53 vor
der Signaldigitalisierung aufgebracht wird, und ferner durch die realisierbaren
Zeitgebungsauflösungsgrenzen,
die durch die Bandpaßcharakteristika
des Verstärkers 55 auferlegt
werden. Maximalwerte für
Tr sind durch Grenzen eingeschränkt,
die sich auf Leckströme
und ähnliche
analoge Fehler beziehen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
hat sich der Wert von drei Millisekunden als zufriedenstellend herausgestellt.
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In Betrieb wird der Ladungsakkumulationsabschnitt
des Analog-zu-Digital-Wandlers 25 normalerweise in den
AUTO-NULL-Modus
gesetzt, außer während der
Referenzladungsakkumulationszeit (Phase 2) und der Entladezeit (Phase
3). Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Flußabtastintervall 500 Millisekunden
und die Leerlaufperioden während
denen der Integratorabschnitt in dem AUTO-NULL-Modus vorliegt weist
einen Großteil
dieses 500-Millisekunden-Flußabtastintervalls
auf.
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Die Umgebungssensorsignal-Abtastperiode ist
wesentlich kürzer
als die, die für
die Flußratenmessung
erforderlich ist, und die Referenzladungsakkumulationszeit Tr für das Sensorsignal
wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
als 1 Millisekunde ausgewählt.
Umgebungssensorentladezeiten Td liegen üblicherweise im Bereich von
0–6 Millisekunden.
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Wie bei dem Wandlersignal ersichtlich
ist, das in 3 dargestellt
ist, kann das Signal von dem Verschiebungswand ler 17 einen
anfänglichen
Nachschwingabschnitt am Beginn des Meßprozesses aufweisen. Falls
erwünscht
kann dieser anfängliche Nachschwingabschnitt
durch Verzögern
der Anfangsoperation des Analog-zu-Digital-Wandler-Ladungsakkumulationszyklus
maskiert werden, bis das Nachschwingen abgeklungen ist, durch Verwenden der
Maskierungstechnik, die in der U.S.-Patentanmeldung Seriennummer
07/827,176 offenbart ist, die oben identifiziert ist.
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Die Verbesserung der Auflösung, die
durch die Signalverarbeitung geboten wird, die bei dem Analog-zu-Digital-Wandler 25 verwendet
wird, kann durch Untersuchen der Änderungsrate von N als eine Funktion
von (Sf + Vo) erkannt werden, d. h., der Änderungsrate des gemessenen
Flußratensignals
als eine Funktion der Verschiebungswandler-Flußratensignalmessung. Der Betrag
der Ableitung von N im Hinblick auf diese Summer erhöht sich
als das umgekehrte Quadrat der Summe. Wenn somit die Konstanten
der Gleichung für
N = F·Tr·Vr/(Sf
+ Vo) so angepaßt
werden, daß Flüsse in der
Nähe von
1.000 ml/min auf eine Auflösung
von 10 ml/min aufgelöst werden,
muß der
Wert von N, der einer Auflösung von
0,01 ml/min bei 1 ml/min entspricht nur 32 (d. h. die ungefähre Quadratwurzel
von 1.000) mal größer sein
und nicht 1.000 mal größer. Somit
weist die 30-fache Verbesserung der ADC-Auflösung gegenüber dem, was benötigt werden
würde,
wenn die ADC-Auflösung linear
proportional zu der Flußrate wäre, eine
beträchtliche
Bedeutung beim Reduzieren der Kosten und der Komplexität des Analog-zu-Digital-Wandlers 25 auf.
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Nach der Anordnung des Systems, die
in 1, 2 und 4 gezeigt
ist, wird das System auf nachfolgende Weise kalibriert. Zum Beginnen
des Kalibrierungsprozesses wird das Einlaßtor des Testflußmessers
mit einer Quelle eines genau bekannten Gasflusses verbunden, üblicherweise
1 L/min. Ansprechend darauf werden die Flußmesserwerte, die durch den
Mikrocomputer 40 berechnet werden, über den Ausgangstreiber 46 und
den seriellen Datenausgabeanschluß 48 zu einem Hauptcomputer übertragen,
wo die Kalibrierungstabellen erzeugt werden. Der Ausdruck N = F·Tr·Vr/(Sf
+ Vo)kann auf N = A/(V + B)vereinfacht
werden, wo V die volumetrische Gasflußrate ist und A und B Konstanten
sind, die empirisch bestimmt werden. Wenn N gegeben ist, kann dies wie
folgt angeordnet sein: V = A/N – B
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Die Aufgabe des Kompilierens einer
Tabelle dieser empirischen Kalibrierungskonstanten wird durch Software
ausgeführt,
die in dem Computer betrieben wird. Beginnend mit dem N-Wert, der
durch den Testflußmesser übertragen
wird, während
derselbe mit der 1 L/min-Quelle verbunden ist, und fortfahrend mit ähnlichen
Ablesungen, die von einer Gesamtheit von genau vorbestimmten Flußquellen
genommen werden, einschließlich
Nullfluß,
kompiliert der Computer eine Liste von Flußmesserantworten auf eine Anzahl
von Flüssen
(sieben in dem Fall des bevorzugten Ausführungsbeispiels). Ein Satz
einer gleichen Anzahl von Ablesungen wird dann von einer Gesamtheit
von vorbestimmten Flußsenken
genommen (für
einen Fluß in
der umgekehrten Richtung von 1).
Nachfolgend zu dem Abtasten jedes Flusses in der Gesamtheit erzeugt
der Computer eine Kalibrierungstabelle, die aus fünfzig A-Zählerkonstanten und einer B-Nullversatzkonstante
für jede
Flußrichtung
besteht. Interpolation wird verwendet, um jene Tabelleneinträge zu erzeugen,
die nicht direkt einem gemessenen Flußwert entsprechen.
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Die resultierenden Tabellen, eindeutig
für den
individuellen Flußmesser,
der kalibriert wird, werden durch den Computer mit einer Kopie der
Flußmessermikroprozessorsoft ware
zusammengeführt und
in eine programmierbare Nur-Lese-Speicher-Vorrichtung
(PROM-Vorrichtung) geschrieben, die nachfolgend Teil des kalibrierten
Flußmessers wird.
Die Kalibrierungsinformationen werden somit unauslöschlich
in das Flußmesserprodukt
selbst eingelagert.
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Ferner sind Konstanten in die Kalibrierungsdaten
eingelagert, die in dem PROM gespeichert sind, die für eine Standardisierung
des Umgebungs-Druck/-Temperatur-Sensors geeignet sind. Um diesen
Prozeß zu
ermöglichen,
werden dem Computer durch die Bedienperson Umgebungstemperatur-
und Barometerdruck-Daten am Anfang des Kalibrierungsverfahrens geliefert.
Eine Kalibrierungssoftware, die in dem Computer ausgeführt wird,
korreliert Umgebungssensor-ADC-Ergebnisse, die von dem Flußmesser übertragen
werden, mit Umgebungstemperatur-/Barometer-Daten, um eine Kalibrierungskonstante
für diesen
Sensor zu erzeugen.
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Während
der tatsächlichen
Flußmessung werden
Verschiebungssensor-ADC-Ergebnisse in korrigierte volumetrische
Flußdaten
umgewandelt, durch Anwenden der Beziehung V = A/N – B in Verbindung
mit den interpolierten A-Zählerkonstanten von
der Kalibrierungstabelle und der B-Nullversatzkonstante.
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Die resultierenden volumetrischen
Flußwerte können direkt
in Einheiten von ml/min angezeigt werden, oder für eine Anzeige in einer Vielzahl
von benutzerausgewählten
Einheiten neu skaliert werden. Unter diesen Einheiten sind:
- (a) volumetrisch (ml/min)
- (b) Massefluß (Standard
kubisch cm/min)
- (c) Verhältnisfluß (n,nn
: 1) – ein
Referenzfluß wird zuerst
durch einen Bedienpersonbefehl über
die Bedienpersonschnittstelle erfaßt. Nachfolgend werden Flußmessungen
als Verhältnis
zu dieser Referenz angezeigt.
- (d) Lineare Geschwindigkeit (m/sek) – der Quotient des volumetrischen
Flusses geteilt durch den Querschnittsbereich von einer Anzahl von
Silikakapillarmeßgeräten, die üblicherweise
für Gaschromatographie
verwendet werden (wie ausgewählt
durch die Bedienperson aus einem Menü der Standardbohrwerte) wird
als lineare Geschwindigkeit angezeigt.
Eine Anzeige eines Flusses,
der so normiert ist, ist für
Chromatographen von Vorteil während
der anfänglichen
Anpassung und des Aufbaus von Gaschromatographieeinrichtungen.
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Anhang 1 zu dieser Erklärung ist
ein Objektcodeprogramm im Dezimalformat (Base 10) des Programms,
das bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendet wird. Für
eine gegebene Leitung ist die erste Zahl die PROM-Adresse und die
zweite bis zur elften Zahl sind die Bytewerte. Adressen 2304 bis 2661
enthalten die Kalibrierungs-/Linearisierungs-Tabelle, die für diesen bestimmten Flußmesser
eindeutig ist.
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Während
das oben genannte eine volle und komplette Offenbarung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung liefert, können
verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und Entsprechungen
verwendet werden. Während
z. B. spezifische Schaltungselemente oben beschrieben wurden, können andere
spezifische Elemente verwendet werden, die von den Anforderungen
einer bestimmten Anwendung abhängen.
Daher sollte die obige Beschreibung und die Darstellungen nicht
als einschränkend
für den
Schutzbereich der Erfindung betrachtet werden, der durch die beiliegenden
Ansprüche
definiert ist.