TWI556077B - 氣體流量檢測裝置及其數值建模方法 - Google Patents

Description

氣體流量檢測裝置及其數值建模方法

本發明係揭露一種流量檢測裝置及其數值建模方法，特別適用於管道中之氣體流量控制，藉由量測數據以建構數值模型並回授一控制訊號以調控閥門裝置之開啟程度，以精準地控制管道內之流量。

管道系統內的流體會因為管組件(閥門、彎管、歧管、變徑管、過濾器...等等)的影響會有壓損情況產生，讓管道內的流速及流量之分佈並不穩定，然而目前並無可直接量測流量之儀器設備，僅能利用流速檢測裝置量測後再推論得知，然而使用環境的差異使著實驗室的模擬結果或推導公式並無法直接套用於現場上，讓管道系統中的流量控制一直處於開迴路的控制環境上，無法有效提升其控制精準度。

再者，管道流體在經由閥門結構時，會因閥門結構的開啟角度差異使著閥門後端流體產生不同程度的紊流現象，以增加量測誤差而降低訊號精確度。

綜觀前所述，是故，本發明之發明人經多年苦心潛心研究、思索並設計一種流量檢測裝置及其數值建模方法，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種流量檢測裝置及其數值建模方法，係藉由量測管道以直接連接於管道系統中以量測實際之氣體流動狀態，並將配置在不同位置之量測訊號回傳至處理模組中以架構出一數值模型，再依據設定之流量需求以發送相對應之控制訊號以調整閥門結構之開啟程度。

有鑑於上述習知之問題，本發明之目的係提出一種流量檢測裝置及其數值建模方法，實施上所建構之數值模型可根據實際之檢測訊號以進行模型修正，以提供穩定之流量且滿足設定之流量需求，以達到回授控制之目的。

基於上述目的，本發明係提供一種流量檢測裝置，其利用於控制一管道中之氣體流量，流量檢測裝置包含量測管道、閥門控制模組、流量檢測模組以及處理模組。量測管道係裝配於管道之一側。閥門控制模組係配置於量測管道中，閥門控制模組包含閥門結構及閥門致動單元，閥門控制模組可藉由控制閥門致動單元以調整閥門結構之開啟程度。

流量檢測模組可包含複數個檢測單元，複數個檢測單元係分別配置於量測管道之兩側並傳送相對應之複數個檢測訊號。處理模組可接收複數個檢測訊號並根據複數個檢測訊號建構流量特性擬合曲線，根據流量特性擬合曲線以判斷發送控制訊號至閥門控制模組以控制閥門結構之開啟程度，進而調整量測管道之氣體流通量。

較佳地，量測管道更可包含轉換接頭，轉換接頭可用於量測管道之管徑異於管道之管徑時以便於組裝。

較佳地，閥門結構更可包含表面塗層，表面塗層係以增加閥門結構之耐蝕性。

較佳地，本發明之流量檢測裝置更可包含整流模組以降低紊流現象，進而增加量測準確性。

較佳地，流量特性擬合曲線係應用資料擬合演算法以運算擬合。

較佳地，資料擬合演算法可包含最小平方法、共軛梯度法或迴歸分析法。

較佳地，複數個檢測訊號可包含風速、風壓、風溫或其組合。

基於上述目的，本發明再提供一種流量檢測數值建模方法，其包含下列步驟：

a)將複數個檢測單元配置於量測管道之兩側。

b)利用閥門致動單元依序調整閥門結構之開啟程度。

c)利用複數個檢測單元量測相對應之複數個檢測訊號。

d)將複數個檢測訊號回傳至處理模組，並應用資料擬合演算法以建構流量特性擬合曲線。以及

e)根據流量特性擬合曲線以判斷發送控制訊號控制閥門結構之開啟程度，進而調整量測管道之氣體流通量。

較佳地，資料擬合演算法可包含最小平方法、共軛梯度法或迴歸分析法。

較佳地，複數個檢測訊號可包含風速、風壓、風溫或其組合。

本發明之主要目的係在於提供一種流量檢測裝置及其數值建模方法，其可具有下述多個優點：

1.數值建模：係利用實際量測到的量測訊號以建構出符合各環境之相對應之數值模型，並進一步修正理論推導之模型參數以提升精準度。

2.即時回授：可利用數值模型建構出之流量特性擬合曲線，以發送控制訊號至閥門控制模組以控制閥門結構之開啟程度，進而調整量測管道之氣體流通量。

為了讓上述目的、技術特徵以及實際實施後之增益性更為明顯易懂，於下文中將係以較佳之實施範例輔佐對應相關之圖式來進行更詳細之說明。

S‧‧‧流量檢測裝置

5‧‧‧管道

10‧‧‧量測管道

11‧‧‧轉換接頭

20‧‧‧閥門控制模組

21‧‧‧閥門結構

211‧‧‧表面塗層

22‧‧‧閥門致動單元

30‧‧‧流量檢測模組

31‧‧‧檢測單元

315‧‧‧檢測訊號

40‧‧‧處理模組

42‧‧‧資料擬合演算法

44‧‧‧流量特性擬合曲線

405‧‧‧控制訊號

50‧‧‧整流模組

S1~S5‧‧‧步驟流程

本發明之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知，其中：第1圖係為本發明之流量檢測裝置之方塊圖。

第2圖係為本發明之流量檢測裝置之實施例示意圖。

第3圖係為本發明之流量檢測數值建模方法之步驟流程圖。

為利 貴審查員瞭解本發明之特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明 書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。

本發明之優點、特徵以及達到之技術方法將參照例示性實施例及所附圖式進行更詳細地描述而更容易理解，且本發明或可以不同形式來實現，故不應被理解僅限於此處所陳述的實施例，相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。

請同時參閱第1圖及第2圖，第1圖係為本發明之流量檢測裝置之方塊圖，第2圖係為本發明之流量檢測裝置之實施例示意圖。由圖中可知悉，流量檢測裝置S係利用於控制管道5中所輸送之氣體流量，藉由此流量檢測裝置S以進一步調整管道5中的流量，以利於後續之運用。流量檢測裝置S包含量測管道10、閥門控制模組20、流量檢測模組30以及處理模組40。量測管道10係裝配於管道5之一側，當管道5與量測管道10之管徑相異時，可增設一轉換接頭11以便於組裝。

閥門控制模組20係配置於量測管道10中，閥門控制模組20包含閥門結構21及閥門致動單元22，閥門控制模組20可藉由控制閥門致動單元22以調整閥門結構21之開啟程度。實施上，閥門結構21可為常見之蝶型閥或其它閥類，在管徑及強度的需求下選擇適當的閥門結構21，更可依據使用環境的差異，於閥門結構21之外表面塗佈上一層表面塗層211，此表面塗層211係用以增加閥門結構21的耐蝕性，以避免管道5中的腐蝕性氣體直接破壞閥門結構21，而造成結構破壞或裝置失效。

流量檢測模組30可包含複數個檢測單元31，複數個檢測單元31係分別配置於量測管道10之兩側並傳送相對應之複數個檢測訊號315。檢測單元31可為插入式流量檢測儀、超音波流量檢測儀、壓差式流量檢測儀等，所量測到的檢測訊號315則包含風速、風壓、風溫或其組合。實施上，當檢測訊號315測量到氣流中的溫度變化超過設定門檻值時，閥門控制模組20則發送緊急應變訊號以關閉閥門結構21，並發送警示訊號以提醒操作者進行處理及事故排除。

當複數個檢測單元31中之部分檢測單元31配置在閥門控制模組20之前端時係為量測管道10中的流場訊號，此時的相關訊號因尚未受到紊流現象影響而相對穩定。而其餘之部分檢測單元31設置於閥門控制模組20之後端時，則會受到紊流現象及邊界流效應等因素干擾，使著所量測到的訊號不穩定，為解決此問題本發明提出下列幾項解決方案。

第一、可將配置於閥門控制模組20之後端的複數個檢測單元31利用間隔式、環繞式或其組合的配置排列，藉由不同位置之檢測訊號315以進行修正分析，進而降低檢測訊號315的量測誤差值。

第二、可於閥門控制模組20之後端增設一整流模組50以降低量測管道10中管內之流體因閥門結構21偏轉阻擋而造成之紊流現象，進而提升檢測訊號315之精確性。

第三、藉由閥門致動單元22緩慢調整閥門結構21之開啟程度，以避免因流通面積急速變化而造成檢測訊號315不穩定。

處理模組40係將配置於量測管道10兩側的複數個檢測訊號315加以接收，並藉由最小平方法、共軛梯度法或迴歸分析法等資料擬合演算法42以建構出流量特性擬合曲線44之數值模型，當使用者設定一預定流量時，流量檢測裝置S則利用流量特性擬合曲線44以發送出相對應之控制訊號405至閥門控制模組20，以控制閥門結構21之開啟程度，進而調整量測管道10之氣體流通量。並可利用檢測訊號315加以回授修正閥門結構21之開啟程度，以提供穩定之流量且滿足設定之流量需求，以達到回授控制之目的。

進一步說明，使用者可先於處理模組40中建構若干個常見或已推導出之流場模型，再依據實際運用情況選擇適當匹配之數值模型，利用所接收之複數個檢測訊號315以修正數值模型之流量特性擬合曲線44。

若是內建之數值模型無法實際與運用環境相匹配時，則先控制閥門致動單元22依據量測解析度依序調整閥門結構21之開啟程度，再利用流量檢測模組30以擷取閥門結構21在不同開啟程度下的相對應之複數個檢測訊號315，並回傳至處理模組40中利用資料擬合演算法42以建構出相對應之流量特性擬合曲線44。

當流量特性擬合曲線44之數值模型建構或修正完成後，使用者則可輸入所需之流量需求至處理模組40中，處理模組40則將流量需求帶入流量特性擬合曲線44模型中進行運算，以運算求得閥門結構21所需之開啟程度，並發送相對應之控制訊號405給閥門控制模組20以調控閥門結構21之開啟程度，並再利用調整後所量測之複數個檢測訊號315以回授修正閥門結構21 之開啟程度。

請參閱第3圖，其係為本發明之流量檢測數值建模方法之步驟流程圖。在步驟S1，將複數個檢測單元31配置於量測管道10之兩側，其中複數個檢測單元31係可依據實際環境及需求，將其適當地配置於量測管道10的相對位置。在步驟S2，利用閥門致動單元22依序調整閥門結構21之開啟程度。在步驟S3，利用複數個檢測單元31量測相對應之複數個檢測訊號315，其中可藉由控制閥門致動單元22的作動速率，以進一步增加檢測訊號315的量測資料量。

在步驟S4，將複數個檢測訊號315回傳至處理模組40，並應用資料擬合演算法42以建構流量特性擬合曲線44，其中流量特性擬合曲線44可藉由最小平方法、共軛梯度法或迴歸分析法等資料擬合演算法42以建構出相對應之數值模型。接著，在步驟S5，根據流量特性擬合曲線44以發送控制訊號405控制閥門結構21之開啟程度，進而調整量測管道10之氣體流通量，其中可利用檢測訊號315加以回授修正閥門結構21之開啟程度，以提供穩定之流量且滿足設定之流量需求。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

S‧‧‧流量檢測裝置

10‧‧‧量測管道

20‧‧‧閥門控制模組

21‧‧‧閥門結構

22‧‧‧閥門致動單元

30‧‧‧流量檢測模組

31‧‧‧檢測單元

315‧‧‧檢測訊號

40‧‧‧處理模組

42‧‧‧資料擬合演算法

44‧‧‧流量特性擬合曲線

405‧‧‧控制訊號

Claims (9)

1. 一種氣體流量檢測裝置，用於控制一管道中之氣體流量，該氣體流量檢測裝置包含：一量測管道，係裝配於該管道之一側；一閥門控制模組，係配置於該量測管道中，該閥門控制模組包含一閥門結構及一閥門致動單元，該閥門控制模組係藉由控制該閥門致動單元以調整該閥門結構之開啟程度；一流量檢測模組，係包含複數個檢測單元，該複數個檢測單元係分別配置於該閥門結構之兩側並傳送相對應之複數個檢測訊號，其中該閥門結構之後端的該複數個檢測單元係利用間隔式、環繞式或其組合的配置排列；以及一處理模組，係接收該複數個檢測訊號並根據該複數個檢測訊號建構一流量特性擬合曲線，並根據該流量特性擬合曲線以判斷發送一控制訊號至該閥門控制模組以控制該閥門結構之開啟程度，進而調整該量測管道之氣體流通量；其中，更包含一整流模組以降低紊流現象。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流量檢測裝置，其中該量測管道更包含一轉換接頭，該轉換接頭係用於該量測管道之管徑異於該管道之管徑時以便於組裝。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流量檢測裝置，其中該閥門結構更包含一表面塗層，該表面塗層係以增加該閥門結構之耐蝕性。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流量檢測裝置，其中該流量特性擬合曲線係應用一資料擬合演算法以運算擬合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之氣體流量檢測裝置，其中該資料擬合演算法係包含最小平方法、共軛梯度法或迴歸分析法。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氣體流量檢測裝置，其中該複數個檢測訊號係包含風速、風壓、風溫或其組合。
7. 一種氣流流量檢測數值建模方法，其包含：a)將複數個檢測單元配置於一量測管道之兩側；b)利用一閥門致動單元依序調整一閥門結構之開啟程度；c)利用該複數個檢測單元量測相對應之複數個檢測訊號，其中該複數個檢測單元係分別位於該閥門結構之兩側，該閥門結構之後端的該複數個檢測單元係利用間隔式、環繞式或其組合的配置排列；d)將該複數個檢測訊號回傳至一處理模組，並應用一資料擬合演算法以建構一流量特性擬合曲線； 以及e)根據該流量特性擬合曲線以判斷發送一控制訊號控制該閥門結構之開啟程度，進而調整該量測管道之氣體流通量；其中，利用一整流模組以降低紊流現象。
8. 如申請專利範圍第7項所述之氣體流量檢測數值建模方法，其中該資料擬合演算法係包含最小平方法、共軛梯度法或迴歸分析法。
9. 如申請專利範圍第7項所述之氣體流量檢測數值建模方法，其中該複數個檢測訊號係包含風速、風壓、風溫或其組合。