專利名稱：在不參照粘度的情況下利用渦輪流量計(jì)測量通過它的流體流量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及渦輪流量計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及用于利用容積式渦輪流量計(jì)測量通過該流量計(jì)的質(zhì)量流量的方法和裝置。
背景技術(shù)：
人們常常期望利用質(zhì)量流量計(jì)，因?yàn)橘|(zhì)量流量計(jì)提供通過用于一定應(yīng)用的管道的每時間段數(shù)的重量。用于本發(fā)明中的術(shù)語“管道”指流體流過的任何管子，通道，導(dǎo)管等。
這種流量計(jì)的一個主要市場是需要具有用于其飛機(jī)的精確質(zhì)量流量的飛機(jī)制造工業(yè)。這允許飛機(jī)承載包括適當(dāng)安全余量的對于給定航班的最小重量的燃料。如果飛機(jī)承載大于該最小重量，則需要燃燒過多的燃料，以將過多重量運(yùn)輸?shù)狡淠康牡?。因此，需要提供用于飛機(jī)制造業(yè)和其它應(yīng)用的精確質(zhì)量流量元件。
一種方法是利用兩個不同的流量計(jì)測量質(zhì)量流量。在一種布置中，對密度不敏感的容積式流量計(jì)與用于確定流體密度的密度敏感的計(jì)量器結(jié)合使用。一旦密度已知，利用從容積式流量計(jì)讀取得容積流量結(jié)合密度通過相對簡單的計(jì)算就得出質(zhì)量流量。然而，這種結(jié)合僅僅限于在較窄范圍的條件的有限次的應(yīng)用，因?yàn)橐环N或其它種流量計(jì)還對諸如溫度、粘度、和/或雷諾數(shù)的許多次要變量敏感。
渦輪流量計(jì)常常用作容積式流量計(jì)，但是這種流量計(jì)對被測量流體的粘度、溫度、和雷諾數(shù)非常敏感。圖1示出了標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)曲線。所示曲線圖示了流量計(jì)頻率除以流體運(yùn)動粘度是流量計(jì)頻率除以容積流量的函數(shù)。如果渦輪流量計(jì)在變化的溫度操作由此粘度變化，在不知道粘度的情況下不能確定流量。
應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)渦輪流量計(jì)在給定的溫度對于具體的流體操作時，只要渦輪流量計(jì)在這些相同的條件標(biāo)定就不必知道粘度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識到這種條件在實(shí)際中相當(dāng)罕見。
在大多數(shù)情況下，溫度變化，該變化又引起粘度變化，如圖4中所示。這種變化不要求流量計(jì)系統(tǒng)能夠在給定的溫度確定給定流體的粘度。這常常是通過利用繪制對于具體流體的粘度與溫度的關(guān)系的參考表完成。然而，任何給定批次的流體的實(shí)際粘度會與另一批次的相同的流體的粘度不同，足以否定圖4中還示出的參考表的價(jià)值。
其它容積式流量計(jì)可以類似的方式使用，但是都具有與渦輪流量計(jì)相同的缺點(diǎn)。此外，許多其它類型的流量計(jì)不具有足夠的精度，以與更好的質(zhì)量測量裝置競爭。
對于密度測量，具有許多被使用的流量計(jì)，包括諸如孔板的壓差流量計(jì)和靶型流量計(jì)，但是它們都對溫度、粘度和雷諾數(shù)敏感。此外，這種流量計(jì)由于流量敏感性是流量計(jì)產(chǎn)生的作用力信號的壓差的平方根的函數(shù)而受到限制。
由于利用容積式流量計(jì)和密度計(jì)組合的問題的結(jié)果，多數(shù)當(dāng)前的測量系統(tǒng)對于這種測量采用了直接質(zhì)量流量測量計(jì)。這種流量計(jì)的一個例子是往往相當(dāng)昂貴的科里奧利流量計(jì)。然而，當(dāng)期望直接質(zhì)量流量測量時，用戶具有很少的選擇。
另一個直接流量計(jì)采用一前一后的兩個渦輪件，其中一個渦輪件采用直渦輪葉片，而第二個流量計(jì)利用了更傳統(tǒng)的曲線設(shè)計(jì)。兩個元件利用扭簧耦合。當(dāng)質(zhì)量流量增加時，扭矩作用在兩個葉片之間引起移相。只要兩個元件的轉(zhuǎn)速是常數(shù)移相就是質(zhì)量流量的函數(shù)。幾種設(shè)計(jì)用于保持恒定的轉(zhuǎn)速，包括同步電動機(jī)和離心加載葉片組。當(dāng)通常用于燃料測量時，這些流量計(jì)不是非常精確并且相對昂貴。因此，需要更精確和廉價(jià)的測量質(zhì)量流量的方法。
本發(fā)明滿足這一需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的質(zhì)量流量測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)精確并且廉價(jià)。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)隨著下面描述的進(jìn)行將變得明顯并且使本發(fā)明具有特點(diǎn)的新穎特征將在該申請中的形成說明書一部分的權(quán)利要求中具體指出。


下面將參照附圖更容易地描述本發(fā)明，其中圖1是描述用于渦輪流量計(jì)的典型通用粘度曲線的圖形；圖2示出了用于雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的典型斯德魯哈爾數(shù)(StrouhalNumber)與Roshko數(shù)的相關(guān)曲線；圖3示出了作為用于未修整的轉(zhuǎn)子的Roshko數(shù)的函數(shù)的雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)頻率比值的曲線。
圖4繪出了典型流體粘度與溫度的關(guān)系曲線；圖5利用頻率比值繪出了斯德魯哈爾數(shù)，其中每一個都作為用于未修整的雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)的Roshko數(shù)的函數(shù)；圖6繪出了作為已經(jīng)被調(diào)節(jié)到非線性關(guān)系的流量計(jì)的Roshko數(shù)的函數(shù)的雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)頻率比值；圖7繪出了用于被調(diào)節(jié)的非線性流量計(jì)的利用頻率比值的斯德魯哈爾數(shù)，其中每一個斯德魯哈爾數(shù)曲線都作為已經(jīng)被修整到非線性的雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)的Roshko數(shù)的函數(shù)；圖8示出了具有通常的上下限的流體密度與溫度的關(guān)系曲線；圖9示出了修整轉(zhuǎn)子的技術(shù)；以及圖10示出了質(zhì)量流量計(jì)的組件。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用了美國專利No.5,689,071中描述的雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)10，該美國專利No.5,689,071的名稱為“寬范圍、高精度流量計(jì)”，并且于1997年11月18日授予Ruffner和Olivier(本申請人)。該專利在這里通過參考并入并且在圖10中示出。美國專利No.5,689,071描述了在單個外殼中兩個反向旋轉(zhuǎn)液力耦合的轉(zhuǎn)子18、20的操作。盡管在許多方面象傳統(tǒng)的渦輪流量計(jì)一樣操作，但是該獲得專利的流量計(jì)在其它方面具有優(yōu)良的特性。具體地說，操作范圍大大擴(kuò)大。此外，通過監(jiān)測兩個轉(zhuǎn)子18、20的輸出頻率，能夠進(jìn)行自我診斷。
如美國專利No.5,689,071所述，Roshko數(shù)和Strouhal數(shù)用于如下計(jì)算容積流量。每一個轉(zhuǎn)子的Roshko數(shù)為Ro1＝f1/V*(1+2a(Top-Tref))Ro2＝f2/V*(1+2a(Top-Tref))其中f1＝轉(zhuǎn)子1(18)的輸出頻率f2＝轉(zhuǎn)子2(20)的輸出頻率v＝流體在Top的運(yùn)動粘度a＝構(gòu)成流量計(jì)主體的材料的線性膨脹系數(shù)，例如，300系列不銹鋼Top＝從流量計(jì)的溫度計(jì)16獲得的操作溫度Tref＝流量計(jì)的參考溫度(可以是傳統(tǒng)溫度)。
組合Roshko數(shù)Roc定義為Roc＝(f1+f2)/V*(1+3a(Top-Tref))并且每一個轉(zhuǎn)子的Srouhal數(shù)為St1＝f1/q*(1+3a(Top-Tref))St2＝f2/q*(1+3a(Top-Tref))其中q＝容積流量并且其它參數(shù)與前面相同。
組合Strouhal數(shù)Stc定義為Stc＝(f1+f2)/q*(1+3a(Top-Tref))或者作為選擇，可以用頻率平均值代替頻率之和，頻率平均值為上述給定值的一半。
Strouhal數(shù)和Roshko數(shù)之間的關(guān)系在流量計(jì)的標(biāo)定期間通過導(dǎo)出圖2中所示的曲線圖而確定。如圖2中所示，在1厘沱粘度15獲取的轉(zhuǎn)子1的數(shù)據(jù)形成連續(xù)曲線，其中轉(zhuǎn)子1的數(shù)據(jù)在8.3厘沱粘度16獲取，而在1厘沱粘度19獲取的轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)形成連續(xù)曲線，其中轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)在8.3厘沱粘度20獲取。在1厘沱粘度17獲取的平均組合的轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)形成連續(xù)曲線，其中組合的轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)在8.3厘沱粘度18獲取。當(dāng)利用該流量計(jì)時，Roshko數(shù)通過測量轉(zhuǎn)子的頻率、如下面詳細(xì)所述確定運(yùn)動粘度、測量操作溫度、然后求解上面的等式而確定。
然后從圖2中的標(biāo)定曲線計(jì)算Strouhal數(shù)。對容積流量求解Strouhal數(shù)方程得q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))其中Stc＝組合Strouhal數(shù)(或平均值)對于雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的典型Strouhal數(shù)與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線與組合Strouhal數(shù)(Stc)曲線一起在圖2中示出。請注意，這些曲線是非線性的，其中隨著轉(zhuǎn)子1的Roshko數(shù)(Ro1)降低轉(zhuǎn)子1趨于具有下降的Strouhal數(shù)(St1)，而隨著轉(zhuǎn)子2的Roshko數(shù)(Ro2)在其大部分范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)子2趨于具有增加的Strouhal數(shù)(St2)。在較低數(shù)值，兩曲線均下降。上面的回顧表明很少或沒有Roshko數(shù)范圍，其中任意一個轉(zhuǎn)子為非常線性的。然而，至少在較高的Roshko數(shù)組合(平均)Strouhal數(shù)(Stc)更線性。
應(yīng)當(dāng)注意，在不知道兩個轉(zhuǎn)子的頻率(f1和f2)和流體的操作運(yùn)動粘度(v)的情況下不可能直接確定Roshko數(shù)。當(dāng)然，可以測量轉(zhuǎn)子的頻率(f1和f2)并且流體的運(yùn)動粘度(v)作為操作溫度(Top)的函數(shù)通常預(yù)先確定。從而，如果已知操作溫度(Top)，則也知道運(yùn)動粘度(v)。
如果流體是水，則粘度與溫度的關(guān)系曲線可靠地從教科書或其它來源獲得。純水的粘度值即使與出版的溫度/粘度圖表不同，也不會差別很大。
然而，對于其它流體的粘度與溫度的關(guān)系應(yīng)當(dāng)對每一批次使用的流體根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，例如包括噴氣發(fā)動機(jī)燃料和汽油的碳?xì)浠衔?。該粘?溫度關(guān)系可能依諸如每一批次的產(chǎn)地、制造商和成分從一批到另一批變化極大。給定流體的粘度從一批到另一批在恒定的溫度變化差不多±10％是相當(dāng)普遍的，如圖4中圖示，該圖繪制了上下限為24的教科書中的數(shù)據(jù)25。由于Strouhal數(shù)與Roshlo數(shù)的關(guān)系曲線是非線性的，這種±10％的變化對于給定的輸出頻率(f)能夠引起Strouhal數(shù)的顯著變化。如果用于計(jì)算的粘度誤差該數(shù)量，則計(jì)算的容積流量也將不精確。因此，這種變化常常使教科書或出版的圖表數(shù)25是不可行的粘度來源。然而，對于每一批次的流體獲取溫度/粘度曲線常常是不實(shí)際或至少非常費(fèi)力。
然而，如果頻率比(f2/f1)被認(rèn)為是圖3中所示的組合Roshlo數(shù)(平均數(shù))的函數(shù)，則示出了在任意給定的Roc值，存在不同的頻率比。然后，利用圖2，能夠得出對應(yīng)于組合Roshko數(shù)(Roc)的唯一的Stc數(shù)。因此，對于給定的容積流量，組合頻率(f1+f2)隨著粘度的變化保持恒定，但是頻率比(f2/f1)將變化。相反，對于任意給定的組合頻率(f1+f2)值，對于任意運(yùn)動粘度值將存在唯一的頻率比(f2/f1)。
總之，如圖5中最清楚地所示，利用兩個關(guān)系(f1+f2)和(f2/f1)消除了需要知道流體的運(yùn)動粘度。對圖5中所示的曲線26的徹底的考察表明，對于任意組合頻率(f2+f1)，存在對于任何給定運(yùn)動粘度值的唯一的組合Strouhal數(shù)(Stc)值。它還表明對于任意給定的頻率比(f2/f1)值，還存在唯一的組合Roshko數(shù)(Roc)。因此，通過簡單地知道兩個頻率(f2和f1)，這些數(shù)可以獲得，而不必參照運(yùn)動粘度，由此消除了對于每一批次的流體預(yù)先確定或測量運(yùn)動粘度與溫度的關(guān)系的需要。
本領(lǐng)域技術(shù)人員意識到包括雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的渦輪流量計(jì)常常設(shè)計(jì)為盡可能具有線性響應(yīng)。然而，在本發(fā)明中，必須避免完全的線性響應(yīng)。顯而易見，只有圖2中所示的Strouhal數(shù)與Roshlo數(shù)的關(guān)系的單獨(dú)的各曲線是非線性的f2/f1關(guān)系和導(dǎo)出的曲線才起作用。
如圖5中最清楚所示，頻率比的曲線26在較高的Roshko數(shù)為平的。難于利用曲線26的該部分分離出操作Roshko數(shù)。利用在頻率和以及在當(dāng)前操作溫度(Top)27的標(biāo)稱粘度值的技術(shù)能夠用于分離正確的Roshko數(shù)將下降的頻帶。
首先，計(jì)算頻率和(f1+f2)并且利用來自類似圖4的教科書數(shù)據(jù)25的在操作溫度27的標(biāo)稱運(yùn)動粘度值確定相應(yīng)的對于該總和的Roshlo數(shù)。結(jié)果曲線27在圖5中給出，誤差帶28示出了該計(jì)算引起的潛在誤差。
如果各個Strouhal數(shù)與Roshlo數(shù)關(guān)系和求得的Roshlo數(shù)與頻率比的關(guān)系的曲線是非線性的，則上述計(jì)算更精確。在渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)中必須注意確保在需要的范圍保持非線性特征。在雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的情況下，這種特征通過設(shè)計(jì)兩個轉(zhuǎn)子中的至少一個，使頻率比值作為Roshko數(shù)的函數(shù)連續(xù)變化而現(xiàn)實(shí)。
然而，在許多流量計(jì)設(shè)計(jì)中，期望使頻率比與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線盡可能是線性的。如果是這種情況，盡管用戶必須意識到獲得的數(shù)值具有更大的不確定性。
具有許多提供具有非線性響應(yīng)的轉(zhuǎn)子的技術(shù)，即改變弦長、改變轉(zhuǎn)子的軸向長度或通過改變?nèi)~片形狀。一種簡單的方式如圖9中所示，該方式為修整轉(zhuǎn)子葉片的角部。如果用戶期望在較高的Roshko數(shù)提高Strouhal數(shù)，則修整角部C有效地縮短了葉片的壓力側(cè)的弦長，由此產(chǎn)生期望的效果。
圖6和7中示出了修整第一轉(zhuǎn)子的結(jié)果。可以觀察到，整個曲線在整個范圍具有可使用的斜率，因?yàn)?厘沱粘度點(diǎn)30形成具有8.3厘沱粘度點(diǎn)31的連續(xù)曲線并且不再需要通過確定流體粘度計(jì)算結(jié)果。從而，該流量計(jì)現(xiàn)在完全對年度不敏感，因?yàn)镽oshko數(shù)能夠在不參照粘度的情況下確定，如圖7中所示，其中頻率比與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線32直接導(dǎo)出以曲線33表示的Strouhal數(shù)，同樣不必參照粘度。請注意，流量計(jì)的標(biāo)定和校驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^實(shí)際校驗(yàn)操作粘度并且將結(jié)果與標(biāo)稱值比較而完成，以避免較大誤差從瞬間無效讀數(shù)進(jìn)入系統(tǒng)。
實(shí)施該方法需要相當(dāng)可觀的數(shù)學(xué)計(jì)算，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言也是顯而易見的。盡管手算當(dāng)然可能，但是利用計(jì)算機(jī)或微處理器使得該方案相當(dāng)實(shí)用并且相對廉價(jià)。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯，上述方案最小化了由于次級變量，即溫度、粘度和雷諾數(shù)而引起的容積測量的變化。該變化的降低使得考慮結(jié)合密度傳感器使用雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)確定通過諸如燃料供應(yīng)線路的管道的質(zhì)量流量是可行的。請注意，雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)通常對壓力變化不敏感。從而，利用雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)測量壓差以確定密度是較好的選擇，因?yàn)樗苊饬藘蓚€流量計(jì)之間的交叉敏感性。
具有許多利用壓差的流量計(jì)，包括(但不限于)由皮托管或利用壁靜壓法測量穿過孔口、穿過鈍體、穿過轉(zhuǎn)子的壓差。靶型流量計(jì)可以類似地使用。
然而，利用靶型流量計(jì)、或通過利用孔口、或穿過鈍體和穿過轉(zhuǎn)子測量流量都對雷諾數(shù)和流體密度敏感。由于假定在上述雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)中運(yùn)動粘度未知(盡管它可以用數(shù)學(xué)方法確定)，因此利用這類方法基本上消除了運(yùn)動粘度的用途，即消除作為變量的粘度。
從而，計(jì)算密度的一種優(yōu)選方法是利用皮托管和壁靜壓。圖10示出了雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)10，其中安裝有皮托管12和壁靜壓管14。如本領(lǐng)域熟知，皮托管用于計(jì)算流體的速度V＝[(Pt-Ps)/ρ]1/2其中V＝在Pt測量點(diǎn)的流體速度Pt＝總壓力Ps＝壁靜壓力ρ＝操作流體密度或逆求出ρ＝(Pt-Ps)/V2密度將隨溫度變化，但是壓差將成比例地變化。從而，獨(dú)立于其它變量確定操作密度。此時，雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)已經(jīng)確定了容積流量并且皮托管/壁靜壓已經(jīng)分離出密度，兩者都獨(dú)立于次要變量。進(jìn)而，管道中的平均速度計(jì)算為Vavg＝q/A其中A＝管道的橫截面面積由皮托管測量的速度是局部或點(diǎn)的速度，而從流量算出的速度是平均速度。比例常數(shù)加到等式以處理該差值，由此密度等式整理如下ρ＝K*(Pt-Ps)/V2比例常數(shù)K實(shí)際上可能隨Vavg或q稍稍變化并且在標(biāo)定時容易確定。密度等式重新整理為ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)并且質(zhì)量流量為M＝q*ρ總之，本發(fā)明的方法僅僅結(jié)合皮托管和壁靜壓的壓差測量轉(zhuǎn)子頻率f1和f2，因此利用本發(fā)明的方法很理想地適合于確定通過管道的質(zhì)量流量。
利用雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是這種流量計(jì)的較寬的操作范圍或調(diào)節(jié)。然而，皮托管/壁靜壓口的主要缺點(diǎn)之一是其較小的操作范圍。如上所述，皮托管中測出的速度是壓力差和密度的平方根的函數(shù)。因此，對于壓力差16∶11的變化，僅僅實(shí)現(xiàn)4∶1的流量變化。因?yàn)閴毫鞲衅魍ǔＴO(shè)定極限為全部數(shù)值范圍的百分比，因此16∶1比值通常是許用的全部范圍。請注意，具有許多方法擴(kuò)大該極限，諸如堆積式壓差裝置，或在擴(kuò)大的范圍簡單地接受降低的精度。然而，另一個解決方案還可能特別適用于諸如噴氣發(fā)動機(jī)燃料的碳?xì)浠衔铩?br> 從上面可以注意到，對于多數(shù)碳?xì)浠衔锪黧w的密度與溫度的關(guān)系從一批次到另一批次顯著變化。在多數(shù)應(yīng)用中，采用流量計(jì)的流體的批次定期變化。然而，一旦系統(tǒng)的操作限于特定的流體批次，密度變化就是溫度的簡單函數(shù)(并且在高壓應(yīng)用中還在較低的程度是壓力的簡單函數(shù))。
作為例子，考慮在噴氣式飛機(jī)中的燃料供應(yīng)線路中的應(yīng)用。發(fā)動機(jī)啟動并且空轉(zhuǎn)，通常流量非常低。然后，發(fā)動機(jī)在相對較短的時間段加速到接近起飛的最大值。一旦升空，發(fā)動機(jī)節(jié)流返回到巡航流量，相對而言，該巡航流量保持較長時間段。該巡航流量完全在最大流量的4∶1范圍內(nèi)。在降落和著陸期間，在短時間流量再次降低到較低值，然后返回到關(guān)閉前的空轉(zhuǎn)。在空轉(zhuǎn)和著陸時間的過程中使用的燃料總量與起飛和巡航期間相比非常少。請注意該情節(jié)還適于許多其它應(yīng)用。
修整第一轉(zhuǎn)子的結(jié)果如圖6和7中所示。可以觀察出，整個曲線在整個范圍具有可用的斜率，因?yàn)?厘沱粘度點(diǎn)30與8.3厘沱粘度點(diǎn)30形成連續(xù)的曲線并且不再需要通過確定流體的粘度計(jì)算結(jié)果。從而，流量計(jì)現(xiàn)在總體對粘度不敏感，因?yàn)槟軌虼_定Roshko數(shù)，而不參照粘度，如圖7中所示，其中頻率比與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線32直接導(dǎo)出以曲線33表示的Strouhal數(shù)，同樣不參照粘度。請注意，流量計(jì)的標(biāo)定和校驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^實(shí)際校驗(yàn)操作粘度并且將結(jié)果與標(biāo)稱值比較而完成，以避免較大誤差從瞬間無效讀數(shù)進(jìn)入系統(tǒng)。
因此，在皮托管的最優(yōu)范圍外側(cè)的流量，密度測量可以從前面獲得的數(shù)據(jù)外推。用于特定批次流體的密度數(shù)值被保持并且積累，受到數(shù)據(jù)存儲限制，直到新批次到達(dá)。一旦新批次到達(dá)，數(shù)據(jù)被清除并且新數(shù)據(jù)加入，以允許皮托管的操作范圍外側(cè)的精確外推。直到積累足夠的進(jìn)行精確外推的數(shù)據(jù)，可以使用教科書的平均值作為溫度/密度測量值。
圖8示出了在系統(tǒng)操作期間密度數(shù)據(jù)的典型積累。如果需要，可以使用移動平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算或限制非常大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)的其它形式，以抑制數(shù)據(jù)壓倒處理器。每次使用新批次的流體，數(shù)據(jù)緩沖器復(fù)位并且新數(shù)據(jù)積累。對于初次啟動，或在復(fù)位之后，使用用于特性流體的教科書或標(biāo)稱數(shù)據(jù)，直到積累足夠的數(shù)據(jù)，以更精確地確定對于該新批次的密度與溫度的關(guān)系曲線。
采用該密度確定方法，當(dāng)前的操作溫度實(shí)際上用于從定義的曲線確定密度。測量的密度點(diǎn)僅僅用于繼續(xù)定義溫度與密度的關(guān)系曲線。
盡管僅僅示出和描述了一定的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯，在不偏離本發(fā)明的精神或權(quán)利要求的范圍的情況下可以對上述實(shí)施例進(jìn)行各種變化或修改。
權(quán)利要求
1.一種在不知道流體粘度的情況下測量通過管道的容積流量的方法，所述方法包括如下步驟提供雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，所述流量計(jì)連接到流體通過的管道，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪具有溫度計(jì)、第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)子和所述第二轉(zhuǎn)子中的至少一個具有對于流體流量的非線性響應(yīng)，通過求出用于所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)的Roshko/Strouhal數(shù)曲線標(biāo)定所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，確定第一轉(zhuǎn)子頻率和第二轉(zhuǎn)子頻率，將第二轉(zhuǎn)子頻率除以第一轉(zhuǎn)子頻率，求出頻率比值，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)，利用組合Roshko數(shù)和組合Roshko/Strouhal數(shù)曲線確定組合Strouhal數(shù)，利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中容積流量利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算，其中q為容積流量，Stc為組合Strouhal數(shù)，f1為第一轉(zhuǎn)子的頻率，f2為第二轉(zhuǎn)子的頻率，a＝線性膨脹系數(shù)，Top＝流量計(jì)的操作溫度，以及Tref＝流量計(jì)的參考溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中組合Roshko數(shù)利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算。
4.一種計(jì)算通過管道的質(zhì)量流量的方法，所述方法包括如下步驟提供雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，所述流量計(jì)連接到流體通過的管道，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪具有溫度計(jì)、第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)子和所述第二轉(zhuǎn)子中的至少一個具有對于流體流量的非線性響應(yīng)，通過求出用于所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)的Roshko/Strouhal數(shù)曲線標(biāo)定所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，確定第一轉(zhuǎn)子頻率和第二轉(zhuǎn)子頻率，將第二轉(zhuǎn)子頻率除以第一轉(zhuǎn)子頻率，求出頻率比值，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)，利用組合Roshko數(shù)和Roshko/Strouhal數(shù)曲線確定組合Strouhal數(shù)，利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量，提供密度計(jì)，所述密度計(jì)連接到所述管道上，所述密度計(jì)確定流體的密度，將密度乘以容積流量，計(jì)算出通過管道移動的質(zhì)量流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中容積流量利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算，其中q為容積流量，Stc為組合Strouhal數(shù)，f1為第一轉(zhuǎn)子的頻率，f2為第二轉(zhuǎn)子的頻率，a＝線性膨脹系數(shù)，Top＝溫度計(jì)讀出的操作溫度，以及Tref＝流量計(jì)的參考溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中組合Roshko數(shù)利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中質(zhì)量流量利用等式M＝q*ρ計(jì)算，其中M＝質(zhì)量流量，q＝容積流量，ρ＝密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中質(zhì)量計(jì)利用壓差確定密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中質(zhì)量計(jì)是皮托管和壁靜壓測量的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中質(zhì)量計(jì)利用等式ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)確定密度，其中ρ＝流體密度，Pt＝總壓力，Ps＝壁靜壓，K＝比例常數(shù)，以及Vavg＝q/A，其中q＝容積流量，A＝管道的截面面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括下面的步驟導(dǎo)出用于流體的溫度與密度的關(guān)系曲線，從溫度計(jì)讀取流體溫度讀數(shù)，由溫度讀數(shù)以及溫度與密度的關(guān)系曲線外推密度。
12.一種用于計(jì)算通過管道的質(zhì)量流量的裝置，所述裝置包括雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，所述流量計(jì)連接到流體通過的管道，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪具有溫度計(jì)、第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)子和所述第二轉(zhuǎn)子中的至少一個具有對于流體流量的非線性響應(yīng)，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)適合于利用用于它們的Roshko/Strouhal數(shù)曲線標(biāo)定，第一轉(zhuǎn)子具有第一頻率并且第二轉(zhuǎn)子具有第二頻率，通過將第一轉(zhuǎn)子頻率除以第二轉(zhuǎn)子頻率計(jì)算頻率比值的裝置，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)的裝置，利用組合Roshko數(shù)和Roshko/Strouhal數(shù)曲線計(jì)算組合Strouhal數(shù)的裝置，利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量的裝置，密度計(jì)，所述密度計(jì)連接到所述管道上，所述密度計(jì)確定流體的密度，通過將密度乘以容積流量計(jì)算出通過管道移動的質(zhì)量流量的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中用于計(jì)算容積流量的裝置利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))，其中q為容積流量，Stc為組合Strouhal數(shù)，f1為第一轉(zhuǎn)子的頻率，f2為第二轉(zhuǎn)子的頻率，a＝線性膨脹系數(shù)，Top＝溫度計(jì)讀出的操作溫度，以及Tref＝流量計(jì)的參考溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中組合Roshko數(shù)利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))被計(jì)算出。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中用于計(jì)算質(zhì)量流量的裝置利用等式M＝q*ρ，其中M＝質(zhì)量流量，q＝容積流量，ρ＝密度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中質(zhì)量計(jì)利用壓差確定密度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中質(zhì)量計(jì)是皮托管和壁靜壓測量的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中密度計(jì)利用等式ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)確定密度，其中ρ＝流體密度，Pt＝總壓力，Ps＝壁靜壓，K＝比例常數(shù)，以及Vavg＝q/A，其中q＝容積流量，A＝管道的截面面積。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括下面的步驟導(dǎo)出用于流體的溫度與密度的關(guān)系曲線，從溫度計(jì)讀取流體溫度讀數(shù)，由溫度讀數(shù)以及溫度與密度的關(guān)系曲線外推密度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在不知道流體的粘度的情況下測量通過管道的容積流量的方法和裝置。雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)(10)可操作地連接到流體通過的管道。雙轉(zhuǎn)子渦輪(10)具有溫度計(jì)(16)、第一轉(zhuǎn)子(18)和第二轉(zhuǎn)子(20)，所述第一轉(zhuǎn)子(18)和所述第二轉(zhuǎn)子(20)中的至少一個具有對于流體流量的非線性響應(yīng)。雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)(10)通過求出用于它們的Roshko/Strouhal數(shù)曲線(32)標(biāo)定。在測量期間，確定第一轉(zhuǎn)子頻率和第二轉(zhuǎn)子頻率。將第二轉(zhuǎn)子頻率除以第一轉(zhuǎn)子頻率，求出頻率比值，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)。利用組合Roshko數(shù)并且結(jié)合Roshko/Strouhal數(shù)曲線(32)求出組合Strouhal數(shù)。利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量。
文檔編號G01F1/90GK1639545SQ03805529
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月7日
發(fā)明者保羅·D·奧利維亞 申請人:保羅·D·奧利維亞