專利名稱：動態(tài)混合氣體流量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流量傳感器，更具體地涉及一種用于補償可變混合 氣體組分的熱擴散式流量計。
背景技術：
熱擴散式流量計是商業(yè)和工業(yè)計量市場中通用的一種流量計 量裝置。用于這類計量裝置中的一種典型的傳感元件是電阻式溫度
;險測器(RTD),其電阻與元件自身的溫度相關。典型的傳感器至 少采用兩個RTD元件。 一個RTD元件用作參考元件(基準元件)， 通常不被加熱。第二個RTD用作被加熱的有源元件。在使用時， 流量對熱的RTD元件的影響提供了對纟皮監(jiān)測的導管或管道中物質 流速的測量。
在熱擴散的工業(yè)中，通常^f吏用兩種不同的方法來確定管道中的 流量。一種技術是維持參考RTD和有源RTD間的恒定的溫差。這 種方法測量維持有源RTD高出參考RTD —恒定溫度所需的電壓或 電流，同時由于流動介質的物理性質而,人有源RTD帶走熱量。另 一種方法是測量有源RTD和參考RTD的電壓差，同時用恒定電流 或恒定功率的熱源加熱有源RTD。在該測量過禾呈中，與前一方法類 似，有源RTD的熱量是通過流動介質的物理性質而散失的。
影響傳統(tǒng)流量計準確性的 一個因素是流動介質的物理組成的 一致性。在很多應用中，流動介質保持相同的常規(guī)組分，在這種情形下，傳統(tǒng)的流量計能提供足夠準確的流速(流量)測量。然而， 在例如火炬氣和其它可變混合氣體組分的情形下，介質的物理組分 不斷變化，4吏得要獲得4青確的流速十分困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明的補償流量計包括適于插入管道內的流動介質中的探 頭。探頭包括熱式流量傳感器和包括在4笨頭的無流動室之中的補償 氣體性質傳感器。熱式流量傳感器可以由有源傳感器與參考傳感器
構成，這些傳感器相應地提供與介質流速相關的輸出信號。補償氣 體性質傳感器可以由補償有源傳感器與參考傳感器構成，這些傳感 器相應地提供與介質的熱傳遞相關的輸出信號。通常配置以合適的 處理器，用于調節(jié)由熱式流量傳感器檢測的實測流速，來補償由補 償氣體性質傳感器測得的熱傳遞的變化。


通過以下結合附圖對優(yōu)選的實施方式的描述，本發(fā)明的上述和
其它方面、特征、以及優(yōu)點將變得更加顯而易見，附圖中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的包括流量和氣體性質傳感器的流量計探頭 的側碎見圖。
圖2示出了置于管道中的圖1的流量計纟笨頭的示范性實施方式。
圖3是裝配的放大剖面圖，其示出才艮據(jù)本發(fā)明一個實施例包括 在圖1的流量計探頭的中間腔室部分內的各個元件的更為詳細的視 圖。圖4是剖面圖，其示出圖1的流量計探頭中熱式流量傳感器部 分的更為詳細的一見圖。
圖5是筒化的示范性方塊圖，其示出可連接至流體和氣體性質 傳感器的基本的電路元件。
圖6為示出AR與流體和氣體性質傳感器各自的輸出之間的關 系的特定實例的曲線圖。
圖7為示出了相對于基線氣體混合物的變化組分的氣體混合物 的典型流量的曲線圖。
圖8和圖9為示出了相對于基線氣體混合物的不同組分的氣體 混合物可能的流量誤差率的曲線圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明可選實施例的具校準和壓力傳感能力的流 量計探頭的側視圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明一替換實施例的具有壓力傳感能力的流量
計:探頭的側^L圖。
具體實施例方式
在以下說明中，將參照構成本說明書 一 部分的附圖并以舉例i兌 明的方式示出了本發(fā)明的具體實施方式
。本領于技術人員應該理 解，可采用其它的具體實施方式
，并且可以進4亍結構、電^各以及禾呈 序上的變化而均不背離本發(fā)明的范圍。
現(xiàn)在參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的探頭10的側#見 圖。探頭10通常包括熱式流量傳感器15和氣體性質傳感器20。流 量傳感器可配置有一對諸如電阻式溫度檢測器(RTD)的熱裝置。如圖所示，流量傳感器包括一個一皮加熱并且是有源傳感元件25的 RTD，而另外一個RTD是相對或基本上不被加熱的參考傳感元件 30。
在運4亍中，氣體混合物流過管道中傳感器15的有源和無源元 件，導致熱從有源傳感器耗散，與參考傳感元件的熱耗散相比。通 常的流速在約0.5至約300標準英尺每秒(SFPS )之間的任何區(qū)域 變化。溫差(AT)的變化反映為電阻差(AR)的變化。AT和AR 值可與管道中氣體混合物的瞬間流速相關聯(lián)。使用AR是計算流速 的多種可能的才支術中的一種。這里將對其它技術作更詳細地描述。
與流量傳感器15類似，氣體性質傳感器20 (虛線所示)可包 括有源RTD傳感元件35和參考RTD傳感元件40。如圖所示，這 些元件包含在中間腔室45之內，并安置于近端4笨頭元件50和遠端 探頭元件55之間。在運行中，氣體混合物流入中間腔室的無流動 室內，并與暴露的有源傳感元件35和無源傳感元件40 4妄觸。電阻 差反映出中間腔室內氣體混合物的熱傳遞。電阻差(AR)的變化可 與氣體混合物熱傳遞的變化相關聯(lián)，因而與氣體混合物的氣體組成 的變化相關Jf關。
以上典型的說明通常W支定有源傳感元件和參考傳感元件是基 于熱差的，首選的例子是RTD。然而，可以使用其它的基于熱的傳 感器，除了別的之外還，包括熱電耦、熱電堆、熱敏電阻、晶體管、 以及二才及管。
圖2示出了設置在管道65的壁60上的探頭10的典型實例。 在使用時，氣體性質傳感器20利用具有不同組成的氣體呈現(xiàn)出不 同熱傳遞水平的原理?？紤]例如氣體混合物以恒速流過管道的情 況。如果氣體混合物的組分發(fā)生變化，則氣體混合物的熱傳遞也發(fā) 生變化。熱傳遞的變化影響了流量傳感器中有源傳感器的散熱速率，因而影響了流速。這意味著實際流量可以是恒定的，但氣體組 分的變化將反映為流速的變化?？梢詫嶋H的和測得的流速間的偏 差稱作流量誤差。
對于任何流量誤差，即使氣體混合物的實際流速維持恒定，測 得的流速也可能變化(更高或更低)。例如，當氣體混合物的熱傳 遞升高時，測得的(不是實際的)流速將會增加。相反地，當氣體 混合物的熱傳遞下降時，測量的流速將會減小。
可通過補償氣體混合物的熱傳遞來實現(xiàn)因氣體混合物物理性 質的變化而引起的流量誤差的校正。也就是說，如果可以確定氣體 混合物的熱傳遞，就可獲得更準確的氣體混合物的流速。流量誤差 的校正在可變混合氣體組分的測量應用中可能是非常重要的。
才艮據(jù)本發(fā)明，氣體性質傳感器20 ^皮設計成省爭止的腔室(still well)來才全測管道中流動的氣體介質的熱傳遞，并和流量傳感器15 耳關合使用。在運行中，流量傳感器將測量管道65中氣體混合物的 流速，同時氣體性質傳感器測量氣體的熱傳遞。這里將作更詳細描 述，必要時調節(jié)纟皮測量的流量，以補償氣體混合物熱傳遞的任〗可變 化。
圖3是裝配的放大的剖面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的 包含在流量計探頭的中間腔室之內的各個元件的更為詳細的視圖。 如圖所示，中間腔室45具有端板85和87，以密封其內部而與探頭 的其它部分隔開。為確保流量不是傳感器35和40的影響因素，下 游的孔80允許氣體進入無流動室75。這些氣孔允許足量的氣體進 入無流動室，并連4妄至擋4反卯，與有源傳感器35和無源傳感器40 相接觸。通常中間腔室設置有一個或多個孔，但其它設計也是可行 的。管95具有另外的功能，將在隨后的圖中描述。為優(yōu)化由氣體性質傳感器20進行的熱傳遞測量，期望使得無 流動室內的氣體流量最小化。如圖所示的中間腔室的構造的本質是 允許有源和參考傳感器能在靜止的或"無流動，，的環(huán)境中進行流動
氣體的采才羊。通常^f吏用擋^反90以進一步減小該室內的氣體流量。 在中間腔室45內產生的無流動環(huán)境的特殊設計，并不是關4建的或 必需的，允許通過傳感器20進行足夠準確的熱傳遞測量的其它任 何合適的設計都可以使用。
圖4是剖面圖，示出了熱式流量傳感器15的更為詳細的視圖。 可以使用合適的裝置(例如基板105 )將有源傳感器25和參考傳感 器30連接至該遠端元件。如圖所示，遠端元件55具有空腔110, 可用于布置連4妻傳感器和電^"所需的配線。
圖5是簡化的方塊圖的實例，示出了可連4妾至流體傳感器15 和氣體性質傳感器20的基本電路元件。將參考圖1和圖2所示的 探頭元件描述該圖。應當理解，該圖中所示的元件是代表性的，許 多其它的構件也是可4亍的?？梢詫⑦@些元件安置于外殼115中，該 外殼通?？拷艿?5的外側。作為變化形式，如圖5所示的部分 或全部的非傳感元件可位于中央、較遠的位置。
如圖所示，電源120向流量計提供必需的電能，同時信號調節(jié) 器125產生流量計中各元件所需的功率水平和信號格式。在使用中， 將由流量傳感器15和氣體性質傳感器20產生的信號輸出發(fā)送至信 號調節(jié)器，最終到達信號處理器130。利用許多已知技術中的任何 —種，信號處理器基于流量傳感器的輸出確定流速，并基于氣體性 質傳感器的輸出確定流動氣體的熱傳遞。根據(jù)本發(fā)明，信號處理器 進一步提供補償?shù)牧魉伲湔f明了流動氣體混合物的熱傳遞的任何 變化。將參照圖6-9更詳細地描述這一特征。電源能向流量計提供由信號調節(jié)器確定的任何適當?shù)墓β仕?br> 平和格式。通常地，電源將向功率和熱傳感器15和20提供20-42 伏特的可變直流電壓(VDC),并向數(shù)字邏輯電路提供調制的5伏 特直流電壓(VDC)。 5伏特直流電壓是現(xiàn)4亍標準，^f旦是可才艮據(jù)需求 和期望調整才是供給流量計元件的功率。電源自身可以由具有115伏 特或23(H犬特的交流電壓(VAC)、或24Y犬特直流電壓(VDC )的
豐lr入電源供電。
可以使用許多不同技術中任何一種來控制流量傳感器15以確 定流速，以及控制氣體性質傳感器20來確定流動氣體的熱傳遞。 例如， 一種技術是，設置信號調節(jié)器125以將20-42伏特直流電 (VDC )轉換為0.5mA的恒定電流供電給參考傳感器30和40,以 及轉換為20mA的恒定電流，以加熱有源傳感器25和35。
在運行中，對于流量傳感器，信號調節(jié)器感應通過傳感器25 和30的電壓，以確定電壓差(AV)。電壓差AV產生自在恒定電流 下的電阻變化(AR),其與溫度差AT成比例，為計算根據(jù)現(xiàn)有技術 所涉及的介質的流量提供了依據(jù)。信號調節(jié)器以類似的方式感應通 過傳感器35和40的電壓，以測定該特定傳感器的AR， /人而為計算 氣體的熱傳遞提供了依據(jù)。20mA的加熱電流僅4又是示例，可以采 用能產生期望結果的任何激勵。
另一技術可以是，其中信號調節(jié)器.125對于有源傳感器25和 參考傳感器30作為恒定電源工作，流向這些傳感器的電流和跨過 它們的電壓降可變化。在這種構造中，信號調節(jié)器通常包括乘法電 路，該電路為這些傳感器中的每一個監(jiān)測功率(Vxl),并維持該功 率恒定。流向有源傳感器的電流或^,過它的電壓降的變化，與電阻 變化(AR)相關(并因此與溫度變化(AT)相關)，并由此用于計 算介質的流速?？梢杂妙愃频姆椒刂朴性磦鞲衅?5和參考傳感器40,以使得流向有源傳感器35的電流或跨過它的電壓降的變化 與AR和AT相關，其可用于測定熱4專遞。
還有一種獲得必需的測量的可4于的方法，即^f呆持有源RTD和 參考RTD的溫差AT恒定。才艮據(jù)這個方案，功率作為流速或熱傳遞 的函數(shù)而變化。就是說，當流速增力p (或熱傳遞增加)時，必須向 力口熱的RTD傳感器施加額外的功率，以4呆持溫度恒定。
在本技術中，信號調節(jié)器維持恒定的AT。由于對于RTD來說， 電阻和溫度的關系是固定的，所以AR也是恒定的。為維持AT或AR 恒定，可以檢測AV和AI二者或A功率，以便為計算流速提供依據(jù)， 或者對氣體性質傳感器的情況為計算熱傳遞提供依據(jù)。通過將任何 特定的工藝溫度用作維持恒定溫差所需的功率的函數(shù)，可以得到這
些計算。。
還有一種可供選^奪的方法，可維持電壓恒定，這與上述恒定電 流的方案相反。當維持AV恒定時，電流隨著溫度的改變而改變。 AI為測定流速(傳感器15)或熱傳遞(傳感器20) l是供了依據(jù)。
上述用于測定流動氣體流速以及測量流動氣體的無流動樣品
的。不管4專感器25、 30、 35、和40是以恒定電;克、恒定功率、恒 定溫差或恒定電壓下工作，都可以調換傳感器的作用，而向曾經(jīng)的 參考傳感器提供加熱激勵，向曾經(jīng)的有源傳感器提供較低的非加熱 激勵。通常將同樣的測量技術用于流量傳感器和氣體性質傳感器， 但這并不是必要的，如果需要也可使用不同的測量技術。
如上所述，流量傳感器和氣體性質傳感器通常各自配置有兩個 截然不同的傳感器有源傳感器和參考傳感器。然而，其它配置也 是可行的。例如，單個元件傳感器可4要分時方式工作，其中，在預定的一個較短的時間段內，其用作(被加)熱傳感器。然后，使傳
感器降溫(通常為20-40秒)而用作基本上不熱的參考傳感器。之 后可獲得參考測量值，并且可以根據(jù)需要或希望在連續(xù)的或周期性 的基礎上重復該加熱-冷卻循環(huán)。
信號處理器130可以是微處理器、硬件連接狀態(tài)機(hard wired state machine )、 ^t字信號處理器、《效控制器、專用集成電3各(ASIC )、 嵌入式處理器、或任何其它合適的控制或處理裝置。信號處理器通 常配置有適當?shù)拇鎯ζ?35,用于處理、記錄和存儲與流量計的操 作相關的數(shù)據(jù)?？墒褂萌魏晤愋?或組合)的合適的易失或非易失 存儲器或儲存裝置實現(xiàn)存儲單元，包括隨機存取存儲器(RAM)、 靜態(tài)隨才幾存耳又存儲器(SRAM)、電可纟察除可編程只讀存4渚器 (EEPROM)、可纟察除可編禾呈只讀存4諸器(EPROM)、可編,呈只讀 存儲器(PROM)、只讀存儲器(ROM)、磁存儲器、閃速存儲器、 萬茲盤或光盤、或其它類似的存儲器或數(shù)據(jù)存儲裝置。
信號處理器的主要功能是計算由流量傳感器15輸出的氣體介 質的初始、未4交正的流速，以及計算由氣體性質傳感器20輸出的 氣體的無流動樣品的熱傳遞。信號處理器基于未才交正的流速進一步 提供氣體介質經(jīng)校正的流速，用于補償氣體熱傳遞的任何變化。
此外，初始的、未校正的流速和熱傳遞可以基于AR、 AT、 AI、 △V、或者任何其它合適的測量4支術而測得?？赏ㄟ^合適的^T入裝置 (例如小鍵盤140)向信號處理器提供流量計操作指令。從流量計 的本地輸出可在顯示器145上顯示，該顯示器可以是CRT、 LCD、 LED顯示屏、或打印機、或其它顯示裝置?？捎刹⑿薪涌诨虼薪?口 150提供另外的輸出，該接口能夠驅動外部操作，如為計量計或 為了調整監(jiān)控程序的控制?？舍娪幂敵鲵寗悠?55來驅動外部指示 器，例如附加顯示器、打印^L、或者可浮見或聽見的警凈艮器。流量計的操作可進行如下。首先，附圖5所示的流量計向有源
RTD傳感器25供能，提供恒定的電流，以將其加熱至預定的溫度， 以及施加小得多的恒定電流來激勵或啟動參考RTD傳感器30，但 不會^f吏其溫度明顯升高。于此同時，以同樣方法激勵氣體性質傳感 器20的有源傳感器35和參考RTD傳感器40。
當氣體混合物流經(jīng)流量傳感器15的有源傳感器25和參考傳感 器30時，熱量將從有源傳感器25散失，且溫差將減小。溫差(AT) 的變化反映為電阻差的變化(AR)。在任何時候信號處理器130都 將AR轉譯為管道65中流動的氣體介質的具體流速，并且流量計提 供適當?shù)妮敵?。當AR降低時，流量計顯示流速增加，因為與相對 不熱的參考傳感器相比，熱量更易于通過氣體介質從熱的有源傳感 器散去。附圖6中曲線215, 220和225描述了與AR值相關的流速 的實例。
計算的流速通常相當準確。然而，當氣體混合物組成發(fā)生變化 時，計算的流速可能含有明顯程度的誤差。產生這種誤差的一個原 因在于流經(jīng)流量傳感器15的氣體混合物的熱傳導率或熱傳遞發(fā)生 了變化。火炬氣流(flare gas stream )就是一個實例，其中就存在氣 體組成的可變混合物。例如，通常的火炬氣流可能含有4軍發(fā)性石友氫 化合物氣體的混合物，其中除了別的，包括曱烷、丁烷、乙烷、以 及戊烷。也可能存在諸如氧氣、氮氣、二氧化碳、硫化氬、氫氣、 禾口丙纟希的氣體。
氣體性質傳感器20的輸出用于補償初始測量的流速的任何不 準確性。例如，當可才全測量的流動氣體混合物進入中間腔室75中 的無流動室時，氣體性質傳感器20的有源傳感器35和無源傳感器 40就暴露于該氣體混合物中。與流量傳感器類似，熱量將從有源傳 感器35上散失，與氣體混合物熱傳遞相關的溫差將下降。此外， 溫差(AT)的變〗t反映為電阻差(AR)的變4匕。由于氣體性質傳感器位于無流動的環(huán)境中，因此AR數(shù)據(jù)與氣 體混合物熱傳遞相關，與流速無關。在氣體混合物熱傳遞增加的情
形下，AR出現(xiàn)相應的減小。相反地，當氣體混合物的熱傳遞降4氐 時，才企測到AR相應的增加。如果需要，本發(fā)明的流量計可以配置 有壓力傳感器315、或標定校驗氣源310、或兩者皆有。在隨后的 附圖中將更為詳細地描述這些可選的特征。
附圖6為示出了 AR與流量傳感器15和氣體性質傳感器20各 自輸出之間的關系的具體實例的曲線圖。在該曲線圖靠近頂端的部 分有三條較直曲線，其與氣體性質傳感器產生的輸出相關聯(lián)。線200 表示從100%丙烷的氣體混合物中獲得的讀數(shù)，該氣體混合物在本 實例中作為基線氣體。線205和210表示分別,人95%丙烷和5%氳 氣、以及85%丙烷和15%氫氣的氣體混合物中獲得的讀數(shù)。如本圖 所示，每種特定氣體混合物的AR保持基本上不受流速的影響。這 是因為氣體性質傳感器是在無流動環(huán)境中獲得的這些測量值。
線205和210中的AR值低于線200中的AR值，這是因為當通 過增加氫氣的含量來代替100%丙烷的基線混合物時，其具有相對 較高水平的熱傳導率和熱傳遞(能力)，AR值自然將會降低。描述 這種關系的一個方法是4吏得特定氣體組成與和基線氣體混合物(例 ^口丙》克)相關的ARj直相關耳關。
流量曲線215表示乂人流動的100%丙烷氣體混合物的流量傳感 器15中獲得的讀數(shù)，而流量曲線220和225是分別從95%丙烷和 5%氫氣、以及85%丙烷和15%氫氣的氣體混合物中獲得的讀數(shù)。 該圖中曲線和直線可如下;也相關耳關直線200和曲線215;直線205 和曲線220;以及直線210和曲線225。 3口前所述，AR^直的減小可 與;危速的增力口才目關耳關。各種流量曲線明顯地示出當氣體混合物的組成發(fā)生變化時， AR值也發(fā)生變化，因而這些氣體的流量讀lt也發(fā)生變化。傳統(tǒng)的 傳感器不能容易地補償氣體組成的變化，因而易出現(xiàn)流量計算的誤 差?？朔勺兓旌蠚怏w組分的流量測量誤差的一種方法是利用 一種 具有代表性的氣體混合物來校準流量傳感器。然而，如圖7所示， 這并不總是可行的解決方案，這是由于當被測量的氣體混合物偏離 基線混合物時，在計算的流速中誤差的可能性。
圖7為示出了相對于基線氣體混合物，可變組成的氣體混合物 的流速的曲線圖。在該圖中，X-軸表示在給定流速下的100%丙烷 基線混合物，Y-軸表示基線氣體和兩種單獨的氣體混合物之間相對 偏差。
流量曲線240A反映出從95%丙》克和5%氫氣的氣體混合物中 獲得的誤差量，而流量曲線245A為從85%丙烷和15%氫氣的氣體 混合物中獲得的誤差量。該圖表明，只要氣體組成從100%丙烷基 線組成發(fā)生變化時，就會產生計算流量的顯著誤差。
才艮據(jù)本發(fā)明，氣體性質傳感器20適于檢測與基線氣體相關的 熱傳遞的變化。再次，流動氣體熱傳遞的變化影響測量的流速的準 確性。因此，如果檢測到熱傳遞的變化，測得的流速被調節(jié)以補償 這種變化。
圖7中還示出了才交正過的流量的實例。具體來i兌，流量曲線 240B表示95%丙》克和5%氫氣的氣體混合物的流量計算的4交正，曲 線245B表示85%丙烷和15%氫氣的氣體混合物的流量計算的校正。 圖7示出一個實例，其說明補償氣體混合物熱傳遞的變化是如何顯 著提高計算流速的準確性。在這里已經(jīng)4吏用了 100%丙烷作為基線氣體，作為可能用于才交 準流量計的可能氣體中的 一個具體實例，^f旦是也可以使用任何其它 合適的氣體或氣體混合物組成。通常選l奪基線氣體混合物作為具體 應用中要遇到的氣體組成的代表，^旦并不要求單一的氣體組成。
圖8和圖9示出不同組成的氣體混合物相對于基準氣體混合物 的可能的流速誤差。例如，圖8示出了〗吏用流量傳感器15 乂人不同 氣體混合物中獲得的原始的、未經(jīng)校正的流量數(shù)據(jù)，圖9示出了在
補償氣體混合物的熱傳遞變化(由氣體性質傳感器20檢測)之后 的校正的流量數(shù)據(jù)。
在這些圖中，曲線250表示從70。/。N2、 10%C4H1()、 6%CH4、以 及14%C02的基線氣體混合物中獲得的流量讀數(shù)。曲線255描述了 從50%CH4和50%N2的氣體混合物中獲得的讀數(shù)，曲線260表示從 50。/。C02和50。/。N2的氣體混合物中獲得的讀數(shù)。圖8表明，只要被 測量的氣體混合物偏離基線組成，由流量傳感器15輸出產生的初 始流速就會出現(xiàn)很大的誤差。圖9示出了初始流量值相對于基線混 合物的4交正量的實例，該才交正可通過補償氣體混合物熱傳遞的變化 而實現(xiàn)。在這個具體實例中，原來的流量誤差率大約為10-20% (圖 8),后來一皮4交正至平均只有百分之幾級別的誤差率(附圖9)。
本發(fā)明的流量計提供了可變混合氣體混合物的高度準確的流 量測量。如果需要，流量計可以根據(jù)需要或希望配置有與許多不同 的零件。通過舉例，if見在來描述本發(fā)明的可選的具有標定4交-驗、或 才僉-驗功能(verification capacities )、以及壓力4專感裝置的實施例。
圖10為探頭300的側視圖，示出了設置有標定校驗功能的流 量計的典型實施例。纟罙頭300在^艮多方面與圖l和圖2所述的纟果頭 10相似。主要區(qū)別在于，探頭300設置有組合式校準/壓力管95。 所示的這個管連接至標定校驗氣源310以及壓力傳感器315。校準功能使用戶能夠校驗流量傳感器15的功能。探頭300可 這樣才全-驗該才交準，即以預定的速率將標定4交-驗氣體320引入管95 中，以沖擊有源傳感器25和無源傳感器30的側面。標定4交^瞼氣源 能放出空氣或任何適宜的氣體(如千燥的氮氣)。
隨后將有源傳感器和無源傳感器的輸出與存儲的校正數(shù)據(jù)進 行比較來確定傳感器的準確性。可以將標定校驗氣源設置為在多個 不同流速下工作，每個流速與某一特定傳感器輸出相關聯(lián)?？赏ㄟ^ 用標定才交-險氣體在兩種或更多種不同流速下激勵有源傳感元件，然 后比較各種傳感器輸出，來完成校準確認。
一種特定標定一交-驗過程可按如下方式進^f于。首先，例如，可以 由用戶激活標定校驗氣源310來提供適合的5 PSI的校驗氣體320, 可測量流量傳感器15的輸出來得到例如AR。如果測量的AR值屬于 預期的AR值的某些預定范圍中，則i人為傳感器才喿作適當。該才交準 程序可在適合于具體應用的氣壓范圍內(例如，10PSI, 50PSI, 100 PSI，以及其它期望值)重復。本發(fā)明的流量計的標定校驗功能使 用方便并且非常準確。另外的好處是不需要為測試的目的而往流量 計上臨時連接另外的元件，也不需要拆卸任何元件，這二者都是現(xiàn) 有技術裝置中的常見的情況。
只要需要流動氣體介質的壓力讀數(shù)，都可以采用壓力傳感器 315。通常的壓力讀凄t范圍大約為1-500 psi。如圖所示，壓力傳感 器與終止于探頭末端、靠近傳感器15處的管95耦合。在運行中， 當氣體混合物流經(jīng)管道時，氣體混合物的壓力也存在于氣體傳感器 測量該壓力的管中?？蓪⒈硎竟艿乐辛鲃託怏w壓力的信號輸出傳送 至信號處理器130 (圖5 )。當然，校準和壓力傳感器功能是獨立運 行的，并可通過位于管95遠端的適當?shù)拈y將其分開。也可以-使用 合適的閥機構來防止流動氣體混合物進入校準氣源310。由于氣體性質傳感器20位于無流動室中，因此它對壓力壽丈感。 因而，當壓力偏離校準壓力時，氣體性質傳感器的準確性會降低。 為補償這種與壓力相關的不準確性，可以基于由壓力傳感器產生的 壓力讀數(shù)來校正由氣體性質傳感器產生的信號。
雖然標定校驗氣源和壓力傳感器共享同一根管，但這不是必要 的，如果需要，這些裝置中的每一種都可以獨立地配置有單獨的管。
如圖所示，探頭300既具有才交正功能也具有壓力傳感器，4旦當只有 這些功能中的一種^皮安裝時，才存在其它可能性。圖11描述了配 置有壓力傳感器的探頭的實例。在該圖中，所示探頭350具有壓力 傳感器315，但是不執(zhí)行探頭300的校正功能。另一個區(qū)別在于管 95終止于中間腔室45的無流動室之內，靠近氣體性質傳感器20中 的有源傳感器和參考傳感器。流動氣體介質的壓力讀數(shù)可從進入中 間月空室的無流動室內的氣體獲得。
如圖所示，流量和氣體性質傳感器與外殼115內的流量計控制 器和電子設備相對臨近。然而，任何或所有流量計元件同樣可能位 于離管道和傳感器或與流動介質有密切關系的其它信號產生元件 較遠的位置。由各種傳感元件產生的信號可通過電線連接或這些元 件可無線合。
圖中未示出常M^的^言號和電源線，它們從外殼115穿過探頭到 達傳感元件。在4罙頭(附圖3, 10, 11)內具有管的實施例中，可 以將這些電線》文置在這個管中。
盡管已結合所披露的實施例對本發(fā)明作了詳細描述，在本發(fā)明 范圍內的許多4務改對于本領域普通沖支術人員來it是顯而易見的。應 該明了 ，對于一個實施例所描述的典型的特征還可以用于其它實施 例。因此，本發(fā)明應該由權利要求來合理解釋。
權利要求
1. 一種用于管道(65)中的流動介質的補償流量計，所述流量計包括探頭(10)，適合于插入所述管道中的所述介質中；熱擴散式傳感器(15)，安裝在所述探頭之上，適用于提供與所述介質的流速相關的輸出信號；補償氣體性質傳感器(20)，安裝于所述探頭的無流動室(75)之內，適用于提供與所述介質的熱傳遞相關的輸出信號；以及處理器(130)，用于調節(jié)由所述熱擴散式傳感器檢測到的所述流速，以補償由所述補償氣體性質傳感器檢測到的熱傳遞變化。
2. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中，所述介質包括混合氣體 組分。
3. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中，所迷介質包括可變的混 合氣體組分。
4. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中，所述介質包括具有變化 熱傳遞范圍的可變混合氣體組分。
5. 才艮據(jù)^又利要求1所述的流量計，其中，所述無流動室形成于所 述探頭的中間腔室部分(45 )內；所述中間腔室部分包括至少 一個孔(80),允許所述介質進入所述無流動室、并與所述補 償氣體性質傳感器接觸。
6. 根據(jù)權利要求5所述的流量計，其中，所述中間腔室部分包括 擋板(90)，用來進一步限制所述介質在所述無流動室中的流 動。
7. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，進一步包括標定校驗氣源(310),與所述探頭連通；以及導氣管(95)，與所述標定校驗氣源連接，并且具有相對 于所述熱擴散式傳感器定位的開口端，并且其中，所述標定才交 驗氣源適于以預定流速將標定才交-驗氣體(320)引入所述導氣 管，以4吏所述標定校-驗氣乂人所述開口端流出，并沖擊所述熱擴 散式傳感器。
8. 根據(jù)權利要求7所述的流量計，進一步包括壓力傳感器(315)，與所述探頭通信，并與所述導氣管 連接，并且其中所述導氣管與所述流動介質連通，所述流動介 質的壓力通過所述壓力傳感器測定。
9. 4艮據(jù)權利要求1所述的流量計，進一步包才舌壓力傳感器(315),與所述探頭通信；以及導氣管(95)，與所述壓力傳感器連接，所述導氣管具有 相對于所述熱擴散式傳感器定位的開口端，并且其中所述導氣 管與所述流動介質連通，由所述壓力傳感器測定所述流動介質 的壓力。
10. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中所述熱擴散式傳感器包括 以分時模式運行的一體式有源/參考傳感元件(25、 30),以致 所述一體式有源/參考傳感元件在一預定時間|史內為加熱的有 源傳感器，在被降溫之后，所述一體式有源/參考傳感元件作 為基本上不加熱的參考傳感器。
11. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中，所述熱擴散式傳感器包括有源傳感元件(25)和參考傳感元件(30)。
12. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中，所述補償氣體性質傳感 器包括以分時模式運行的一體式的有源/參考傳感元件(35、 40 ),以致所述一體式有源/參考傳感元件在一預定時間^:內為 :帔加熱的有源傳感器，在^皮降溫之后，所述一體式有源/參考 傳感元件又作為基本上不加熱的參考傳感器。
13. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中，所述補償氣體性質傳感 器包括補償有源傳感元件(35)和補償參考傳感元件(40)。
14. 根據(jù)權利要求1所述的流量計，其中所述熱擴散式傳感器包括有源傳感元件(25)和參考傳 感元件(30)，以及所述補償氣體性質傳感器包^^補償有源傳感元件(35 ) 和補償參考傳感元件Uo)。
15. 才艮據(jù)權利要求14所述的流量計，其中，所述熱擴散式傳感器 的所述有源傳感元件和所述參考傳感元件，以及所述補償氣體 性質傳感器的所述補償有源傳感元件和所述補償參考傳感元 件都包括電阻式溫度才全測器(RTD )。
16. 根據(jù)權利要求14所述的流量計，其中，所述熱擴散式傳感器 中的所述有源傳感器和參考傳感器，以及所述補償氣體性質傳 感器中的所述補償有源傳感器和所述補償參考傳感器包括選 自于由熱電井馬、熱電堆、熱，敏電阻、晶體管和二才及管組成的組 中的4專感元<牛。
17. —種用于測定管道(65)中流動介質的補償流量的方法，所述 方法包括在適于監(jiān)測所述管道中所述介質的流量的探頭(10)上 安裝熱擴散式傳感器(15),其中，所述熱擴散式傳感器相應 地提供與所述介質的流速相關的輸出信號；在所述探頭的無流動室(75)內安裝補償氣體性質傳感 器(20)，其中，所述補償氣體性質傳感器相應地-提供與所述 介質的熱傳遞相關的輸出信號；以及調節(jié)由所述熱式流量傳感器才企測的所述流速，以補償由 所述補償氣體性質傳感器4僉測的熱傳遞的變化。
18. 根據(jù)權利要求17所述的方法，所述方法進一步包括使用與所述探頭通信且與導氣管(95)相連接的壓力傳 感器(315)測量所述流動介質的壓力，其中，所述導氣管允 許所述流動介質流入所述導氣管的開口端，所述壓力傳感器在 所述開口端處4妻"欠并測量所迷流動介質。
19. 一種用于管道(65 )中流動介質的補償流量計，所述流量計包 括_探頭(10)，適于插入所述管道中的所述介質中；熱式流量傳感器(15),安裝于所述探頭上，并與裝置 (130)相連接，以測定所述介質的流速；補償氣體性質傳感器(20),安裝于所述探頭的無流動室 (75)之內，并與裝置(130)相連接，以測定所述介質的熱 傳遞；以及裝置(130),用于調節(jié)所述流速以補償所述熱傳遞的變化。
20. —種用于測定管道(65 )中流動介質的補償流量的方法，所述 方法包4舌使用安裝于所述探頭之上的熱式流量傳感器(15)來測 定所述介質的初始流速；使用安裝于所述探頭的無流動室(75)之內的補償氣體 性質傳感器(20)來測定所述介質的熱^f專遞；以及才艮據(jù)所述初始流速計算所述介質的調節(jié)流速，補償所述 熱傳遞的任何變化。
21. —種用于測定管道(65)中動態(tài)變化的混合氣體流動介質的補 償流量的方法，所述方法包4舌通過熱傳感裝置(15)測量所述流動介質的流速；通過熱卩專感裝置(20)測量戶斤述流動介質的熱4專遞；以及補償所述流速用于所述流動介質的熱傳遞。
全文摘要
一種帶有適于插入管道(65)內流動介質中的探頭(10)的補償流量計。所述探頭包括熱擴散式傳感器(15)和包含在探頭的無流動室(75)之中的補償氣體性質傳感器(20)。所述熱式流量傳感器包括有源和參考傳感元件(25、30)，它們相應地提供與介質流量相關的輸出信號。所述補償氣體性質傳感器具有補償有源和參考傳感元件(35、40)，它們相應地提供與介質的熱傳遞相關的輸出信號。通常配置合適的處理器(130)，用于調節(jié)由熱擴散式傳感器測得的流量，來補償由補償氣體性質傳感器檢測到的熱傳遞的變化。
文檔編號G01F25/00GK101421592SQ200480029858
公開日2009年4月29日 申請日期2004年7月29日 優(yōu)先權日2003年8月14日
發(fā)明者埃里克·J·威布爾 申請人:流體元件國際公司