專利名稱：氣量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣量計(jì)，它包含一個(gè)使得氣體流通過的通道、位于所述通道內(nèi)的第一傳感器，以及處理裝置，該處理裝置與所述第一傳感器相連，從而處理裝置交替地加熱第一傳感器以及使之冷卻，以確定其冷卻速率值，并用一個(gè)校準(zhǔn)表來判斷通過通道的當(dāng)前流速值，校準(zhǔn)表中含有與校準(zhǔn)氣體的冷卻速率值相關(guān)的不同流速值。
上述類型的氣量計(jì)見WO 9410540中的揭示。當(dāng)通過第一傳感器的氣體流速降低或增加時(shí)，第一傳感器會(huì)在加熱以后分別更緩慢或更快速地冷卻。由于當(dāng)前冷卻速率值是可測(cè)的，所以，用所述校準(zhǔn)表，可以從當(dāng)前冷卻速率值得到氣流流速的相應(yīng)值。
改變氣體的溫度和/或壓力，可以改變氣體的密度。當(dāng)密度增加或降低時(shí)，較大量或較少量的氣體分子會(huì)在單位時(shí)間內(nèi)碰撞傳感器，因而傳感器的冷卻分別會(huì)更快或更慢。因此，從測(cè)得的當(dāng)前冷卻速率值也能反映出當(dāng)前流速值。換言之，在參照參考溫度和參考?jí)毫r(shí)，氣量計(jì)是按照單位時(shí)間內(nèi)的氣體分子的數(shù)量而不是按照單位時(shí)間的氣體體積(就象采用下述常用的儀表那樣)來確定氣體流速的。
在已經(jīng)用所述參考溫度和所述參考?jí)毫?或用Boyle-Gay-Lussac定律得到的不同的參考基準(zhǔn))校準(zhǔn)了氣量計(jì)時(shí)，每一單位時(shí)間內(nèi)通過的氣體分子的數(shù)量(用測(cè)得的流速值代表)與一氣流冷卻速率值相關(guān)，作為校準(zhǔn)值。隨后在測(cè)量同一冷卻速率值時(shí)，當(dāng)前流速值也將與相應(yīng)的校準(zhǔn)流速值相同，而不管在該以后的時(shí)間內(nèi)的溫度和壓力為何值。同時(shí)，在校準(zhǔn)期間相同數(shù)量的氣體分子在校準(zhǔn)以及隨后相同的時(shí)間內(nèi)通過時(shí)，氣量計(jì)會(huì)給出相同的流速值，而不管在以后的時(shí)間內(nèi)的溫度和壓力為何值。所以，可以校準(zhǔn)氣量計(jì)，以提供仍以時(shí)間的氣體體積表示的當(dāng)前流速值。
現(xiàn)有技術(shù)的氣量計(jì)的缺點(diǎn)是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所提供的流速值在當(dāng)前氣體與校準(zhǔn)時(shí)使用的氣體不同時(shí)是不同的。所以，必須用與氣量計(jì)將要工作的氣流相同的氣體來校準(zhǔn)氣量計(jì)。在許多情況下，例如在用天然氣體的情況下，從安全、廢氣處理和成本的角度考慮，可能會(huì)有問題。為了提供一種具有某種測(cè)量精度范圍的氣量計(jì)，要求制造、校準(zhǔn)和庫(kù)藏能夠適應(yīng)多種類型的氣量計(jì)，從而使成本進(jìn)一步增加。
另外，在安裝以后，會(huì)因其他原因而使要測(cè)量的氣體密度改變。例如，在天然氣的情況下，氣體供貨商收到含有幾種組分的氣體，并且他們將試圖向消費(fèi)者提供其混合氣，并且其每單位體積的加熱功率(heating power)盡可能是恒定的。為此，可以加入一種合適的輔助氣體，如氮?dú)?。但是，其結(jié)果是提供給消費(fèi)者的合成氣體(或氣體組分)的密度在相同的溫度和壓力下會(huì)因時(shí)間的不同而不同，從而不管每單位時(shí)間內(nèi)體積相同而導(dǎo)致不同的冷卻速率值，因而產(chǎn)生不同的相關(guān)流速值，從而導(dǎo)致不正確的測(cè)量值。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)氣量計(jì)的這些缺點(diǎn)。
因此，本發(fā)明提供了一種如權(quán)利要求1所述的氣量計(jì)。
采用這樣的氣量計(jì)，可以用任何一種合適的氣體(甚至是空氣)進(jìn)行校準(zhǔn)。另外，可以顯著減小由于氣體的組分(或氣體組分)的變化而引起密度變化的靈敏度。
在參照附圖對(duì)按照本發(fā)明的氣量計(jì)的較佳實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述以后，讀者將會(huì)清楚地了解其他的特征和優(yōu)點(diǎn)。其中

圖1是所述氣量計(jì)實(shí)施例的示意圖；圖2是與所述氣量計(jì)一起使用的電子電路圖；以及圖3是氣量計(jì)所采用的傳感器的溫度作為不同氣體流速的時(shí)間函數(shù)的圖。
圖1中示意描述的氣量計(jì)的實(shí)施例包含外殼1，它可以是任何一種合適的形狀，如管形。使用時(shí)，氣量計(jì)使氣體(或氣體組分)沿箭頭2所示的方向流過外殼1。
外殼1內(nèi)，有一個(gè)管子部分5，它提供通道6，其中心線最好與所示方向2平行。通道6內(nèi)有一個(gè)環(huán)境溫度感測(cè)傳感器7。傳感器7的下游處，有一個(gè)位于通道6內(nèi)的流速測(cè)量傳感器8。用合適的導(dǎo)線9、10分別將傳感器7、8與處理裝置12相連。
傳感器7、8可以是任何一種傳感器，它們可以在加熱期間被加熱，并且在以后的冷卻時(shí)間內(nèi)由處理裝置12監(jiān)視和測(cè)量其冷卻。下文中，假設(shè)傳感器7、8是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。
上面參照?qǐng)D1描述的氣量計(jì)見WO 9410540。下面針對(duì)與本發(fā)明相關(guān)的內(nèi)容詳細(xì)描述其操作。
另外，按照本發(fā)明，輔助構(gòu)件15有一個(gè)腔體16，它在上游一端開口，而在其下游一端上有一個(gè)封閉構(gòu)件17。輔助構(gòu)件15是一個(gè)管子部分，其中心線最好與方向2所示的氣流流向平行。并且封閉構(gòu)件17最好有一個(gè)中央小開口18，使得少量的氣流能夠流過所示腔體16，從而其內(nèi)部能夠由當(dāng)前氣體(組分)所更新。
如同通道6一樣，腔體16內(nèi)部有一個(gè)環(huán)境溫度感測(cè)傳感器21，并且在其下游方向，有一個(gè)流速測(cè)量傳感器22。傳感器21、22分別通過合適的導(dǎo)線23、24與處理裝置12相連。
傳感器21、22的類型最好與傳感器7、8類型相同。這將便于對(duì)來自傳感器7、8、21、22的測(cè)量信號(hào)的進(jìn)行處理以及校準(zhǔn)的準(zhǔn)備工作。
圖2示出的是更詳細(xì)的傳感器7、8、21、22和處理裝置12。
如圖所示，每一對(duì)傳感器7、8和21、22分別相連為分壓器，其一端與地或機(jī)殼25相連，而其另一端分別與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器28的一個(gè)輸出端相連。所述分壓器的中間節(jié)點(diǎn)分別與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器33的輸入端31、32相連。D/A轉(zhuǎn)換器28與微處理器35相連，并行從微處理器35接收數(shù)據(jù)，在輸出端26或輸出端27處提供輸出電壓，其幅度對(duì)應(yīng)于所述數(shù)據(jù)的值。
A/D轉(zhuǎn)換器33與微處理器35相連，以提供數(shù)據(jù)，其值與輸入端31或32處的輸入信號(hào)的幅度對(duì)應(yīng)。
轉(zhuǎn)換器28和33由所述分壓器時(shí)間共享，并且通過接續(xù)(使D/A轉(zhuǎn)換器28的輸出與輸出26或27相連，同時(shí)使A/D轉(zhuǎn)換器33的輸入分別與輸入端31或32相連)，由微控制器35控制。
NPN晶體管41、42的集電極分別與A/D轉(zhuǎn)換器33的輸入端31、32相連，發(fā)射極與地25相連，基極單獨(dú)地與微處理器35相連。
微處理器35與顯示裝置44相連，顯示裝置用來顯示測(cè)得的流速和/或通過氣量計(jì)的累計(jì)氣體量。
另外，微處理器35可以與輸入/輸出端(I/O)45相連，用于進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量。
圖2中所示用于帶有傳感器7、8的分壓器的電路運(yùn)行如下在加熱期間，微處理器35控制D/A轉(zhuǎn)換器28向輸出端26提供特定的電壓，控制晶體管41不導(dǎo)通，并控制A/D轉(zhuǎn)換器33將輸入端31處的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，并將其提供給微處理器35。該數(shù)字值代表傳感器7、8之間的溫度差。當(dāng)傳感器7、8的溫度相同并且傳感器7、8也相同時(shí)，所述輸入電壓是D/A轉(zhuǎn)換器28的輸出端26處的電壓的一半。該溫度是進(jìn)入氣量計(jì)的氣體的環(huán)境溫度TA。假設(shè)氣量計(jì)已經(jīng)工作了一會(huì)兒了，那么在某一瞬間，下游傳感器8的溫度是一預(yù)定值TB-TA，高于所述環(huán)境溫度TA。從這一時(shí)刻起，微處理器35增加D/A轉(zhuǎn)換器28的輸出端26處的電壓，并控制晶體管41導(dǎo)通，從而旁路傳感器7。因而傳感器8被加熱，而傳感器7(基本上)不被加熱。間斷地重復(fù)這一測(cè)量和加熱過程，并在該過程中調(diào)節(jié)輸出端26處的電壓，以便使傳感器8的溫度對(duì)每一段這樣的加熱時(shí)間t0-t1內(nèi)遵循一條預(yù)定的參考曲線，如圖3中溫度TB和TC之間的直線。
當(dāng)達(dá)到高于TB的特定溫度TC時(shí)，熱傳感器8的電壓被用來測(cè)量傳感器8的溫度的電壓所取代。在以后的冷卻期間，傳感器8將趨向于從溫度TC冷卻到環(huán)境溫度TA。然而，當(dāng)冷卻到溫度TB時(shí)，再次開始所述加熱過程，等等。
傳感器8的溫度從TC降到TB的冷卻時(shí)間t1-t2是氣體流速的一個(gè)量度。當(dāng)流速降低時(shí)，傳感器8冷卻得更慢，并且所述冷卻時(shí)間持續(xù)得更長(zhǎng)，例如是t1-t3或t1-t4。當(dāng)氣體(組分)密度降低時(shí)也是這樣。
溫度TB可以是任何一個(gè)使得可以進(jìn)行充分精確測(cè)量的溫度。例如，TC-TB＝15°，以及TB-TA＝1.6*(冷卻曲線的時(shí)間常數(shù))。
具有傳感器21、22的分壓器的運(yùn)行與具有傳感器7、8的分壓器的運(yùn)行是相同的。然而，具有傳感器21、22的加熱-冷卻循環(huán)無需與具有傳感器7、8的分壓器一樣頻繁。結(jié)果，傳感器22老化一定比傳感器8慢，并且可以用來補(bǔ)償傳感器8的老化，讀者將在后文中清楚地理解這一點(diǎn)。
由于腔體16內(nèi)的流速大體上為零，在校準(zhǔn)期間以及在原地(in situ)氣量計(jì)安裝以后也會(huì)產(chǎn)生這樣的情況，可以用當(dāng)前氣體的傳感器22的當(dāng)前“零”冷卻速率值，對(duì)不同的氣體組分，補(bǔ)償作為傳感器8的冷卻速率的時(shí)間常數(shù)的函數(shù)的零氣體流速處的起點(diǎn)(origin)，同時(shí)使之與在校準(zhǔn)氣體(可以為空氣)的校準(zhǔn)期間得到的這樣的值相關(guān)。
這種補(bǔ)償所用的公式將因所使用的傳感器的類型的不同而不同。然而，舉例來說，下面將舉熱敏電阻為例作為所述傳感器來描述一種方法。
在下面的公式中，先給出下面的文字定義φ流速(每單位時(shí)間內(nèi)的體積)；M傳感器8的冷卻時(shí)間常數(shù)；Z傳感器22的冷卻時(shí)間常數(shù)；Mc，Zc校準(zhǔn)氣體在靜止時(shí)(即，在通道6和通道16內(nèi))測(cè)得的M、Z的值；Mi，Zi 特定氣體在靜止使用時(shí)M、Z的初始化值；Mg，Zg 公式中使用的M、Z，如果M0在校準(zhǔn)期間Mc、Zc當(dāng)安裝氣量計(jì)時(shí)Mi、Zi安裝以后在φ＝0處測(cè)得的；Mx，Zx 測(cè)量當(dāng)前氣體期間特別是在φ≠0處的M、Z；Ma，Za 對(duì)特定個(gè)(例如32個(gè))測(cè)量值取平均的Mx、Zx；M0 假設(shè)在靜止時(shí)對(duì)當(dāng)前氣體計(jì)算的M(虛構(gòu)原點(diǎn)(ficticiousorigin))；My 由M0補(bǔ)償?shù)腗x；φy 與My相關(guān)的φφj(Mj) 校準(zhǔn)氣體的幾對(duì)(φ，M)的校準(zhǔn)表；M1，M2 M1≥My＞M2時(shí)，Mj的兩個(gè)順序值的例子；F0 M0≠M(fèi)c時(shí)的原點(diǎn)校準(zhǔn)因子；Fc(φ) 對(duì)于所述校準(zhǔn)氣體的幾個(gè)φ，具有校準(zhǔn)校正因子(calibrationcorrection factor)Fc的表；Ft M0的老化校正因子。
對(duì)于測(cè)得的Mx，要計(jì)算的氣體流速值是φy=φ1*Exp[(M1-MyM1-M2)*Ln(φ2φ1)]---(1)]]>其中，My=Mx*(McM0+F0)---(2)]]>F0=Mc-M0Mc*Fc358.4---(3)]]>M0=Za*MgZg*Ft---(4)]]>Ft=MaM0]]>(如果Ma≤M0≤0，則Ft＝1)(5)校準(zhǔn)可以用與氣量計(jì)的目標(biāo)氣體不同的校準(zhǔn)氣體來校準(zhǔn)按照本發(fā)明的氣量計(jì)。尤其是在本例中(時(shí)間常數(shù)是毫秒，流速值以升/小時(shí)表示)校準(zhǔn)氣體所采用的是空氣。
假設(shè)在校準(zhǔn)期間測(cè)得Mc＝12319，并且Zc＝12851。
在校準(zhǔn)期間沒有發(fā)生老化的情況下，有Ma＝M0，從而Ft＝1。則M0＝12851*12319/12851*1＝12319；以及F0＝(12319-12319)/12319/358.4＝0；對(duì)于給定的Mx＝3410毫秒的校準(zhǔn)氣體的當(dāng)前流速值My＝3410*(12319/12319+0)＝3410。進(jìn)一步假設(shè)(900，3581)和(1200，3303)的校準(zhǔn)對(duì)(φ，M)最接近于My＝3410的要計(jì)算的校準(zhǔn)對(duì)的兩邊。那么，φy＝900*Exp[(3581-3410)/(3581-3303)*Ln(1200/900)]＝1074。使用指定的氣體的操作假設(shè)對(duì)于氣量計(jì)要采用的氣體，開始計(jì)算過程的初始值是Mi＝10907，并且Zi＝11459。
在安裝了氣量計(jì)以后，以及在腔體16中含有所述目標(biāo)氣體時(shí)，氣量計(jì)將注意到當(dāng)前的Z≠Zc，因此將進(jìn)行下述初始賦值Zc＝Zi，Zg＝Zi，Za＝Zi，Mg＝Mi以及Ma＝Mi，使得Zc＝11459，Zg＝11459，Za＝11459，Mg＝10907以及Ma＝10907。
安裝時(shí)，沒有發(fā)生顯著的老化，并且Ma＝M0，從而Ft＝1。于是M0＝11459*10907/11459*1＝10907。
進(jìn)一步假設(shè)所述當(dāng)前流速值Mx＝3410毫秒，并且按照校準(zhǔn)表，F(xiàn)c的相應(yīng)值＝145，從而F0＝(12319-10907)/12319*145/358.4＝0.04637；My＝3410*(12319/10907+0.04637)＝4010；以及φy＝600*Exp[(4042-4010)/(4042-3581)*Ln(900/600)]＝617。
使用不同的氣體的操作假設(shè)腔體16中“零”流速處傳感器22的平均冷卻速率變化為Za＝11246。由于這一變化是不能通過前述溫度或壓力的變化來產(chǎn)生，所以，必須通過下述來產(chǎn)生，即Zc＝11459，Zg＝11459，Za＝11246，Mg＝10907，以及Ma＝10907，從而M0＝11246*10907/11459*1＝10704(出現(xiàn)Ma＜M0，從而Ft＝1)；F0＝(12319-10704)/12319*145/358.4＝0.05304；My＝3410*(12319/10704+0.05304)＝4105；以及φy＝300*Exp[(4885-4105)/(4885-4042)*Ln(600/300)]＝570(注意變化的My的(φj，Mj)對(duì)的變化)。
從上面可以清楚地看到，第二和第三計(jì)算例子中Mx＝3410的測(cè)得的時(shí)間常數(shù)是由較小的流速引起的，第三個(gè)例子中的流速比第二個(gè)例子中的流速小。這就是說，第三個(gè)例子中的氣體密度大于第二個(gè)例子中的氣體密度。然而實(shí)際上，假設(shè)消費(fèi)者每單位時(shí)間中取相同的體積，這可能是由于單位時(shí)間內(nèi)的體積的加熱功率是由提供者控制為恒定的，在所述不同氣體的情況下，將取較大的流速，產(chǎn)生比Mx＝3410毫秒更小的時(shí)間常數(shù)，這接著產(chǎn)生比φy＝570l/h更大的計(jì)算的流速值，以由消費(fèi)者得到每單位時(shí)間內(nèi)相同的加熱功率。
從上文中可以看到，不管相對(duì)于校準(zhǔn)氣體溫度、壓力和組分為何，按照本發(fā)明的氣量計(jì)提供了正確的氣體流速測(cè)量值。
讀者看到，按照本發(fā)明的氣量計(jì)可以以幾種不同的方式來構(gòu)成。例如，圖1中管子部分5可以被省去，而將傳感器7、8排列在外殼1內(nèi)而起通道6的作用。另外，處理裝置12可以含有具有兩個(gè)集成的D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的ASIC。
權(quán)利要求
1.一種氣量計(jì)，它包含使氣流通過的通道(6)、排列在所述通道(6)內(nèi)的第一傳感器(8)，以及與所述第一傳感器(8)相連的處理裝置(12)，所述處理裝置(12)可以交替地使所述第一傳感器(8)加熱和冷卻，以確定其冷卻速率值，并用一含有校準(zhǔn)氣體的相關(guān)冷卻速率值的不同流速值的校準(zhǔn)表，確定通過通道(6)的流速的當(dāng)前值，其特征在于，它還包含收容從所述通道(6)接收的大體為靜止的氣體的腔體(16)、排列在所述腔體(16)內(nèi)部并與所述處理裝置相連的第二傳感器(22)，并且，所述處理裝置(12)交替地使所述第二傳感器(22)加熱和冷卻，以確定其冷卻速率值，所述處理裝置(12)使所述第一傳感器(8)的當(dāng)前測(cè)得的冷卻速率值與所述校準(zhǔn)表的一個(gè)冷卻速率值相關(guān)，用所述第二傳感器(22)的當(dāng)前測(cè)得的冷卻速率值以及用用于所述校準(zhǔn)氣體的第二傳感器(22)的校準(zhǔn)冷卻速率值，從所述表中的值得到其相關(guān)的流速值作為所述當(dāng)前流速值。
2.如權(quán)利要求1所述的氣量計(jì)，其特征在于，在確定所述當(dāng)前流速值時(shí)，所述處理裝置(12)計(jì)算并使用所述第二傳感器(22)的一系列當(dāng)前測(cè)得的冷卻速率值的平均值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氣量計(jì)，其特征在于，在確定所述當(dāng)前流速值時(shí)，所述處理裝置(12)根據(jù)所述第二傳感器(22)的一個(gè)或多個(gè)當(dāng)前的冷卻速率值以及大體為零的通過通道(6)的流速值的兩個(gè)傳感器的冷卻速率值，計(jì)算并使用虛構(gòu)為在所述通道(6)中的靜止的當(dāng)前氣體情況下第一傳感器(8)的虛構(gòu)冷卻速率值。
4.如權(quán)利要求3所述的氣量計(jì)，其特征在于，在確定所述當(dāng)前流速值時(shí)，所述處理裝置(12)根據(jù)大體為靜止的所述校準(zhǔn)氣體的所述第一傳感器(8)的校準(zhǔn)冷卻速率值以及根據(jù)所述第一傳感器(8)的所述虛構(gòu)的冷卻速率值，計(jì)算并使用所述第一傳感器(8)的當(dāng)前冷卻速率值的原始校正因子(origincorrection factor)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的氣量計(jì)，其特征在于，在確定所述當(dāng)前流速值時(shí)，相對(duì)于所述第一傳感器(8)的所述虛構(gòu)冷卻速率值，所述處理裝置(12)計(jì)算由所述第一傳感器(8)的一系列當(dāng)前冷卻速率值的平均值組成的老化校正因子，并與提供所述虛構(gòu)冷卻速率的項(xiàng)相乘。
6.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的氣量計(jì)，其特征在于，在對(duì)第二傳感器(22)加熱的順序時(shí)間之間的時(shí)間間隔比對(duì)所述第一傳感器(8)進(jìn)行加熱的順序時(shí)間之間的時(shí)間間隔要長(zhǎng)。
7.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的氣量計(jì)，其特征在于，所述腔體(16)是一個(gè)小開口。
8.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的氣量計(jì)，其特征在于，在確定所述當(dāng)前流速值以及在一當(dāng)前流速值高于一參考值時(shí)，所述處理裝置(12)將所述第一傳感器(8)的所述虛構(gòu)冷卻速率值固定在一預(yù)定值上。
9.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的氣量計(jì)，其特征在于，所述第一和第二傳感器(22)的類型相同。
全文摘要
一種氣量計(jì),它包含使氣流沿第一傳感器(8)通過的通道(6),以及用來從所述通道(6)接收和容納大體靜止氣體并且其中排列有第二傳感器(22)的腔體(16)。在加熱期間內(nèi)使傳感器加熱,而在冷卻期間內(nèi)使之冷卻。確定傳感器的冷卻速率,并根據(jù)校準(zhǔn)值,用來計(jì)算補(bǔ)償氣體密度變化的通過通道(6)的流速值。
文檔編號(hào)G01F5/00GK1260039SQ97182321
公開日2000年7月12日 申請(qǐng)日期1997年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月29日
發(fā)明者A·T·赫伊伯特斯 申請(qǐng)人:氣體控制有限公司