專利名稱：測(cè)量氣流或汽流的質(zhì)量流率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)科里奧利氏原理測(cè)量氣流或汽流的質(zhì)量流率的方法。
這種測(cè)量是用眾所周知的至少有一根在流體流經(jīng)時(shí)振動(dòng)的彎曲的或直的流管的科里奧利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)進(jìn)行的。
通常在流管上至少安裝一個(gè)振動(dòng)器，至少安裝兩個(gè)振動(dòng)傳感器，振動(dòng)傳感器在流動(dòng)方向上以一定間隔配置。所述流管一般根據(jù)其材料和尺寸預(yù)定的并根據(jù)流體濃度變化的機(jī)械共振頻率振動(dòng)。在其他情況下，流管的振動(dòng)頻率并不嚴(yán)格地就是流管的機(jī)械共振頻率，而是接近這一頻率。
這些振動(dòng)傳感器發(fā)送與流管振動(dòng)頻率相同頻率的模擬信號(hào)，它們?cè)跁r(shí)間上是分隔開的，即在流體流經(jīng)流管時(shí)模擬信號(hào)間存在相位差。從這種相位差中可以產(chǎn)生代表例如傳感器信號(hào)零交點(diǎn)之間的時(shí)間差的信號(hào)，例如4,187,721號(hào)美國專利所說明的這直接與質(zhì)量流率成正比。
然而，也可以從這種相位差中產(chǎn)生一個(gè)角度差，它被2π與流管的共振頻率f之積除之后直接與質(zhì)量流率成正比，如5,648,616號(hào)美國專利或EP-A866 319所說明的。
在測(cè)量液體的質(zhì)量流率時(shí)，總可以認(rèn)為上述比例是準(zhǔn)確的，因此，使用目前的科里奧利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)，0.1％的精度是可以保證的。
正如發(fā)明家們所發(fā)現(xiàn)的那樣，在對(duì)氣流或汽流的大多數(shù)測(cè)量中，不能保持這種準(zhǔn)確的比例，這會(huì)導(dǎo)致精度下降。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)科里奧利氏原理測(cè)量氣流或汽流的質(zhì)量流率而其精度可與測(cè)量液體時(shí)的精度相比的方法。
為了達(dá)到這一目的，本發(fā)明提供了一種通過科里奧利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)的質(zhì)量流量傳感器的至少一根流管測(cè)量氣流或汽流的質(zhì)量流率的方法，該流管a、在運(yùn)行中以由其材料和尺寸而預(yù)定的頻率f振動(dòng)，但所述頻率為流體的密度所改變，等于或接近于流管的瞬時(shí)機(jī)械共振頻率；b、附裝了第一振動(dòng)傳感器，此傳感器發(fā)送第一傳感器信號(hào)；c、附裝了第二振動(dòng)傳感器，此傳感器發(fā)送第二傳感器信號(hào)；所述第一和第二振動(dòng)傳感器設(shè)置在流體流動(dòng)方向上相互有一定距離；d、附裝了一個(gè)振動(dòng)器；e、為支承框或支承管所包圍或?yàn)橹С邪逅潭?，從而能振?dòng)；所述方法包括從所述第一和第二傳感器信號(hào)生成決定于傳感器信號(hào)之間的相位差的信號(hào)，和以決定于流體內(nèi)音速c的函數(shù)f(c)放大所述信號(hào)的步驟。
在本發(fā)明的第一實(shí)施例里，決定于相位差的信號(hào)表示的是傳感器信號(hào)的零交點(diǎn)之間的時(shí)間差。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例里，決定于相位差的信號(hào)表示的是角度差，后者被2π與振動(dòng)頻率f的積除。
在本發(fā)明的第三實(shí)施例里，其函數(shù)f(c)的公式是f(c)＝[1+b·(2π·f·d/c)2]-1此公式也可以用于第一或第二實(shí)施例，式中b是決定于校準(zhǔn)的常量，等于流管4的公稱直徑；d是流管4的內(nèi)徑。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例里，音速c近似等于決定于流管當(dāng)時(shí)溫度Tm的函數(shù)f(Tm)，優(yōu)選地函數(shù)的公式是c＝c0+c1·Tm，式中c0、c1是流體特定常量。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是考慮到流體內(nèi)的音速以及由此間接而來的流體的可壓縮性都予以測(cè)量，從而，氣流或汽流的質(zhì)量流量測(cè)量精度實(shí)際上與液體的這種測(cè)量的精度是一樣的。
結(jié)合附圖閱讀以下對(duì)實(shí)施例的說明，本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)會(huì)更明顯，附圖中
圖1是具有一根流管的質(zhì)量流量/密度計(jì)的質(zhì)量流量傳感器的部分剖面正視圖；圖2是實(shí)施本發(fā)明的方法例如圖1的質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量線路方塊圖。
本發(fā)明易于作各種修改，可以有多種可供選擇的形式，但是，仍以附圖顯示示范實(shí)施例，并加以詳細(xì)說明。然而，應(yīng)該理解，無意把本發(fā)明局限于所說明的特定形式里，相反，本發(fā)明包括所附權(quán)利要求規(guī)定的本發(fā)明的精神范圍內(nèi)的所有改變、同等物和替換。
參看圖1，這里顯示的是一張適于實(shí)施本發(fā)明的方法的測(cè)量質(zhì)量流量的科里奧利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)的質(zhì)量流量傳感器1的部分剖面正視圖，這一傳感器，例如，可以用法蘭2、3安裝于要測(cè)量的氣流或汽流流經(jīng)其中的一定直徑的管子內(nèi)(為了簡化未顯示)。不用法蘭，也可以用其他的已知手段，例如，螺紋連接機(jī)構(gòu)把質(zhì)量流量傳感器與管子連接起來。
圖1的質(zhì)量流量傳感器1有一根直的流管4，其流體流入端例如通過流體流入端板13連接于法蘭2，其流體流出端通過，例如，流體流出端板14連接于法蘭3。流管4以密封方式，特別是，例如通過焊接、軟焊接或輥壓等成真空密封裝在端板13、14中，見5,610,342號(hào)美國專利。
本發(fā)明的方法也可用于根據(jù)1999年4月1日申請(qǐng)的S/N 09/283,401號(hào)美國專利申請(qǐng)的夾合式科里奧利氏質(zhì)量流量傳感器，或者用于如與EP-A 849 568相應(yīng)的6,006,609號(hào)美國專利所公開的具有帶懸臂的單流管的質(zhì)量流量傳感器?？评飱W利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)，沒有直的單流管，但可以有一根在一個(gè)平面上彎曲的單流管，諸如像，例如，5,750,754號(hào)美國專利所說明的圓扇形流管。
也可能如4,793,191號(hào)美國專利所說明的那樣，有兩根或兩根以上(特別是兩根)直的流管，或者如4,127,038號(hào)美國專利所公開的那樣，有兩根或兩根以上(特別是兩根)彎曲的流管。
此外，本發(fā)明的方法還可以用于5,531,126號(hào)美國專利所說明的那種一根流管和一根模擬管的質(zhì)量流量傳感器。最后，本發(fā)明的方法也可以運(yùn)用于5,557,973號(hào)或者5,675,093號(hào)美國專利所公開的其質(zhì)量流量傳感器至少具有一根螺旋流管的質(zhì)量流量/密度計(jì)。
在圖1中，法蘭2、3和端板13、14用緊固零件5(例如螺釘)固定于支承管15，緊固零件只畫了一個(gè)。端板13、14以密封(特別是真空密封)的辦法焊接或軟焊于支承管15的內(nèi)壁。但是也可以把支承管15和端板13、14制成一個(gè)單一部件。不用支承管15，則可以使用支架或撐板。
用作使流管振動(dòng)，特別是共振振動(dòng)，優(yōu)選地為撓性共振振動(dòng)的手段的振動(dòng)器16，例如電磁振動(dòng)器，配置于法蘭2、3和端板13、14的中間以及支承管15和流管4的中間。振動(dòng)器包含一個(gè)線圈162和一塊永久磁鐵161，線圈固定于支承管15，永久磁鐵安裝于流管4上并在線圈內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
在圖1中，振動(dòng)器16使流管4在圖示的平面內(nèi)作撓性振動(dòng)，從而，在又有流體在流管4內(nèi)流動(dòng)的情況下，在此平面內(nèi)產(chǎn)生科里奧利力，引起流管4的流入端和流出端之間的換相。
另外，檢測(cè)流管4的振動(dòng)的第一、第二振動(dòng)傳感器17、18配置于流管4與支承管15的中間。振動(dòng)傳感器17安裝于端板13和振動(dòng)器16之間，振動(dòng)傳感器18安裝于端板14和振動(dòng)器16之間；兩個(gè)傳感器最好配置在離振動(dòng)器16(即流管4中央)同等距離的位置。
在圖1中，振動(dòng)傳感器17、18都是電磁傳感器，各自包含線圈172、182和永久磁鐵171、181，線圈安裝于支承管15，永久磁鐵安裝于流管4并在線圈內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)傳感器17和18分別生成第一傳感器信號(hào)x17和第二傳感器信號(hào)x18。
有一個(gè)安裝于端板13上發(fā)送表示流管4的當(dāng)時(shí)溫度的溫度信號(hào)x19的溫度傳感器19。溫度傳感器19最好有一個(gè)例如以粘結(jié)劑與端板13相連接的鉑電阻元件。
圖1中還顯示了一個(gè)固定于支承管15，和尤其是對(duì)連接到振動(dòng)器16和振動(dòng)傳感器17、18的導(dǎo)線起保護(hù)作用的殼21。為了簡化起見這些導(dǎo)線沒有顯示。
殼21有一個(gè)頸狀過渡部22，在此過渡部上有固定了一個(gè)容納質(zhì)量流量/密度計(jì)的測(cè)量工作線路的電子儀器罩23(僅繪出一部分)。
如果過渡部22和電子儀器罩23對(duì)支承管15的振動(dòng)性能起不良作用，也可以不跟質(zhì)量流量傳感器配置于一起。在這種情況下，電子儀器與質(zhì)量流量傳感器之間以電纜相連。
圖2是使用上述各種流管的質(zhì)量流量/密度計(jì)實(shí)施本發(fā)明的方法的測(cè)量線路的方塊圖。測(cè)量線路包含從上述傳感器信號(hào)x18、x19生成質(zhì)量流率信號(hào)“qf”和濃度信號(hào)“σ”的普通分支電路31。對(duì)于分支電路31而言，任何適合的現(xiàn)有電路，特別是上面提到的4,187,721號(hào)或5,648,616號(hào)美國專利所公開的電路，都可以使用。
液體流經(jīng)流管4時(shí)，質(zhì)量流率信號(hào)“qf”一般已經(jīng)表示了液體的質(zhì)量流率q’，即測(cè)量結(jié)果。這是由于在液體測(cè)量中，條件(2π·F·d)/c＜＜1(1)實(shí)際上總是滿足的；式中c＝流體中的音速，這里是液體中的音速；d＝流管4的壁厚；f＝流管4的瞬時(shí)振動(dòng)頻率。因此，就液體而言，qf＝c·δτ＝(c·δφ)/(2πf)(2)式中c＝由校準(zhǔn)和所謂的校準(zhǔn)因數(shù)決定的常量；δτ＝上面提到的時(shí)間差，例如，傳感器信號(hào)x17和x18之間的零交點(diǎn)，和δφ＝上面提到的角度差。
相反地，根據(jù)本發(fā)明的方法，在圖2的線路安排中，可以說，在表示氣流或汽流的質(zhì)量流率q的(最后)質(zhì)量流率信號(hào)“q”生成之前質(zhì)量流率qf是校正的。
信號(hào)qf乘以決定于流體內(nèi)的音速c的函數(shù)f(c)。函數(shù)f(c)可能是，f(c)＝[1+b·(2π·f·d/c)2]-1(3)式中b是決定于校準(zhǔn)的常量，等于流管4的公稱直徑；d是流管4的內(nèi)徑。
在圖2的實(shí)施例中，質(zhì)量流率滿足下列方程式的要求q=c·δτ1+b·(2π·f·d)2(c0+c1·x19)2=(c·δφ)/(2πf)1+b·(2π·f·d)2(c0+c1·x19)2---(4)]]>式中c0、c1是氣或汽的特定常量，并在假定溫度信號(hào)x19與以攝氏度表示的溫度成比例的情況下具有下表所列值。<
輸入端。在后者的輸出端就生成質(zhì)量流率信號(hào)“q”。連接于所述除法器32的除數(shù)輸入端的是第一加法器33的輸出端，此加法器的第一輸入端接收表示數(shù)字1的信號(hào)“1”。
加法器33的第二輸入端連接于第一乘法器34的輸出端。乘法器34的第一輸入端接收表示上述常量b的信號(hào)“b”。因?yàn)榇顺Ａ吭谛?zhǔn)期間決定，信號(hào)“b”通常作為校準(zhǔn)值存儲(chǔ)于諸如電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)之類的電子存儲(chǔ)器內(nèi)。信號(hào)“b”然后從所述電子存儲(chǔ)器施加于乘法器34的第一輸入端。
與乘法器34的第二輸入端聯(lián)接的是第二乘法器35的輸出端，對(duì)第二乘法器第一和第二輸入端施加的是同一信號(hào)，即這兩個(gè)輸入端都連接于第二除法器36的輸出端。因此，乘法器35對(duì)除法器36發(fā)出的信號(hào)起平方電路的作用。除法器36有第一被除數(shù)輸入端，施加于它的是代表流管4的瞬時(shí)振動(dòng)頻率f的信號(hào)“f”。這一信號(hào)可以由傳感器信號(hào)x17、x18中的一個(gè)以通常方式生成，例如，參見上面提到的5,648,616號(hào)美國專利。
除法器36有第二被除數(shù)輸入端，施加于它的是代表流管4壁的厚度d的信號(hào)“d”。此信號(hào)來自，例如，電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器這樣的存儲(chǔ)了實(shí)用中可能有的所有壁厚d的電子存儲(chǔ)器37。壁厚隨流管4的直徑而變化，而流管的直徑又隨質(zhì)量流量傳感器置入的管的公稱管徑而變化。第一選擇信號(hào)s1一直施加于存儲(chǔ)器37的選擇輸入端，科里奧利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)的制造廠家是以第一選擇信號(hào)確定各個(gè)表的壁厚d的值。
最后，除法器36有一個(gè)除數(shù)輸入端，它連接于第二加法器的輸出端。第二加法器38的第一輸入端連接于第三乘法器39的輸出端，第三乘法器的第一輸入端接收上面提到的溫度信號(hào)x19，而其第二輸入端則連接于第二電子存儲(chǔ)器40的第一輸出端。第二電子存儲(chǔ)器也可以是，例如，電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器40存儲(chǔ)信號(hào)“c0”、“c1”，代表上面表里列出常量的值c0、c1。存儲(chǔ)器40的第一輸出端輸出信號(hào)“c1”，其第二輸出端輸出信號(hào)“c0”。此第二輸出端連接于加法器38的第二輸入端。存儲(chǔ)器40的選擇輸入端接收第二選擇信號(hào)s2，科里奧利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)的用戶以此設(shè)定要測(cè)量的流體的信號(hào)“c0”、“c1”的讀數(shù)。
如果輸進(jìn)圖2的分支電路32、40的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，這些分支電路的操作可以用適當(dāng)編程的微信息處理機(jī)進(jìn)行。假使分支電路31輸出模擬信號(hào)，那么在分支電路31和除法器32之間就一定要有一個(gè)模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器，例如，在上面提到的5,648,616號(hào)美國專利說明的電路之一的情況下，也是如此。
如果分支電路31提供數(shù)字信號(hào)，以及在用5,648,616號(hào)美國專利所說明的電路或上面提到的EP-A866 319的電路的情況下，模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器都是不必要的。
在圖2中，考慮了到音速，使用c0+c1·x19表示它與溫度的依從關(guān)系。也可以使用諸如下面的(5)和(6)之類其他公式表示與溫度之間的依從關(guān)系c＝z0+z1·Tm+z2·p+z3Tm(5)式中z0、za、z2、z3＝要測(cè)量流體的特定常量；p＝用壓力傳感器測(cè)定的流體壓力；c＝k0·(Tm)1/2(6)式中k0是要測(cè)量的流體的特定常量。
如果使用方程(5)、(6)中的一個(gè)來考慮音速c，必須用方程(5)或(6)的右邊代替方程(4)的分母c0+c1·x19，還要使用溫度信號(hào)x19代替Tm。
因?yàn)橹圃斐龅拿恳粋€(gè)質(zhì)量流量/密度計(jì)都要以已知的方式校準(zhǔn)，在校準(zhǔn)中，要測(cè)定校準(zhǔn)因數(shù)并將其儲(chǔ)存于上述計(jì)的存儲(chǔ)器內(nèi)，所以，上面提到的常量也可以簡單地在這種校準(zhǔn)中測(cè)出。
雖然本發(fā)明參照?qǐng)D在前面的說明中作了詳細(xì)顯示和說明，但是這種顯示和說明在性質(zhì)上是示例性的，并不是限制，要理解顯示和說明的只是示范實(shí)施例，在本發(fā)明精神范圍內(nèi)的一切改變和修改都要予以保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量氣流或汽流的質(zhì)量流率的方法，通過科里奧利氏質(zhì)量流量/濃度表的質(zhì)量流量傳感器的至少一根流管進(jìn)行所述的流管a、在運(yùn)行中以由其材料和尺寸而預(yù)定的頻率f振動(dòng)，但所述頻率為流體的密度所改變，等于或接近于流管的瞬時(shí)機(jī)械共振頻率；b、附裝了第一振動(dòng)傳感器，此傳感器發(fā)送第一傳感器信號(hào)；c、附裝了第二振動(dòng)傳感器，此傳感器發(fā)送第二傳感器信號(hào)；所述第一和第二振動(dòng)傳感器設(shè)置在流體流動(dòng)上方向相互有一定距離；d、附裝了一個(gè)振動(dòng)器；e、為支承框或支承管所包圍或?yàn)橹С邪逅潭?，從而能振?dòng)；所述方法包括從所述第一和第二傳感器信號(hào)生成決定于傳感器信號(hào)之間的相位差的信號(hào)，和以決定于流體內(nèi)音速c的函數(shù)f(c)放大所述信號(hào)的步驟。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是決定于相位差的信號(hào)表示的是傳感器信號(hào)的零交點(diǎn)之間的時(shí)間差δτ。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征是決定于相位差的信號(hào)表示的是角度差δφ，后者被2π與振動(dòng)頻率f的積除。
4.按照權(quán)利要求1至權(quán)利要求3中任一項(xiàng)的方法，其特征是函數(shù)f(c)的公式是f(c)＝[1+b·(2π·f·d/c)2]-1式中b是決定于校準(zhǔn)的常數(shù)，等于流管4的公稱直徑；d是流管4的內(nèi)徑。
5.按照權(quán)利要求3的方法，其特征是音速c近似等于決定于流管當(dāng)時(shí)溫度Tm的函數(shù)f(Tm)。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征是函數(shù)f(Tm)的公式是c＝c0+c1·Tm，式中c0、c1是流體特定常量。
全文摘要
測(cè)量氣流或氣流的質(zhì)量流率的方法,精度可與測(cè)量液體的精度相比。流體流經(jīng)科里奧利氏質(zhì)量流量/密度計(jì)的質(zhì)量流量傳感器(1)的至少一根流管(4);所述流管,有一振動(dòng)器(16),以等于或接近于其瞬時(shí)機(jī)械共振頻率的頻率f振動(dòng)。第一和第二振動(dòng)傳感器(17、18)附裝于所述流管,發(fā)送第一和第二傳感器信號(hào)(x
文檔編號(hào)G01F1/84GK1274835SQ0010890
公開日2000年11月29日 申請(qǐng)日期2000年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月20日
發(fā)明者羅曼·哈伯利, 格哈德·?？颂?申請(qǐng)人:安德雷斯和霍瑟·弗羅泰克有限公司