專利名稱：用于可變節(jié)流孔流量計(jì)的軟件校正方法及設(shè)備的制作方法
本申請(qǐng)于2005年6月24日以美國(guó)國(guó)家公司Rivatek Incorporated以及美國(guó)公民John Allan Kielb、Grant Bradley Edwards和Dennis JohnSmith的名義作為PCT國(guó)際專利申請(qǐng)?zhí)峤?，并且要求以下申?qǐng)的優(yōu)先權(quán)美國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)第10/877,377號(hào)，提交于2004年6月25日，和美國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)栁粗?，提交于2005年6月22日，這些申請(qǐng)通過引用結(jié)合于此。
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明總體上涉及流體流量計(jì)量和控制裝置，更具體地，涉及用于這種流量裝置的與軟件相關(guān)的校正方法。
背景技術(shù)：
在過程控制行業(yè)，當(dāng)需要小量流體用于制造過程時(shí)，通常使用小直徑管以低流量來輸送過程流體。管的橫截面幾乎總是圓形的。用來測(cè)量管內(nèi)流量的儀表必須與在管內(nèi)流動(dòng)的流體交界，同時(shí)使對(duì)流體流的干擾最小。為了使對(duì)流體流的干擾最小，所述儀表典型地包括圓形橫截面以便與管的橫截面相匹配。對(duì)于測(cè)量節(jié)流孔上的壓力變化的流量計(jì)，流量由以下方程1定義Q=C·Ao·(11-(AoAP)2)12·(2·(Phi-Plo)ρ)12]]>方程1其中Q＝體積流量C＝節(jié)流孔排放系數(shù)(discharge coefficient)
Ao＝節(jié)流孔的橫截面積Ap＝管道的橫截面積Phi＝上游壓力Plo＝下游壓力ρ＝流體密度差壓測(cè)量(Phi-Plo)可以這樣完成使用兩個(gè)單獨(dú)的壓力測(cè)量并將它們組合以得到壓力差或壓力降，或使用如圖14中所表示的單個(gè)裝置。
當(dāng)節(jié)流孔和差壓測(cè)量被用來計(jì)算通過大管道的流量時(shí)，它們通常是栓接或附著于管道的分立裝置。也有可用來測(cè)量小管中的流量的裝置，其將節(jié)流孔和壓力傳感器集成在同一殼體內(nèi)。在幾乎所有情況下，測(cè)量裝置節(jié)流孔具有固定的尺寸，用于測(cè)量固定的流量范圍內(nèi)的流量。節(jié)流孔的流量特性或“流量系數(shù)”由制造者測(cè)量或根據(jù)設(shè)計(jì)來確定。對(duì)于分立系統(tǒng)，終端用戶可以基于方程1中的參數(shù)計(jì)算流量，包括制造者所提供的排放系數(shù)。在集成的系統(tǒng)中，排放系數(shù)可以簡(jiǎn)單地作為制造者所執(zhí)行的總的裝置校準(zhǔn)的一部分來考慮并且保持恒值。
當(dāng)流量接近計(jì)量器所設(shè)計(jì)的流量范圍的上端時(shí)，即，在對(duì)于給定的流量變化、壓力變化相對(duì)大的情況下，差壓節(jié)流孔流量計(jì)量是最精確的。流量減小時(shí)，裝置的精度減小，因?yàn)閷?duì)于給定的流量變化，壓力變化相對(duì)小。這種現(xiàn)象也可以描述為圖15的曲線圖中所示的差壓-流量比的減小。因?yàn)楸仨毦_地知道壓差以計(jì)算流量，差壓測(cè)量的任何誤差導(dǎo)致流量計(jì)算的誤差。由于曲線的斜率在低流量時(shí)較陡(見圖15)，任何壓力測(cè)量誤差導(dǎo)致較大的流量計(jì)算誤差。
為了利用節(jié)流孔和差壓測(cè)量在較大的流量范圍內(nèi)進(jìn)行較為精確的流量測(cè)量，使用尺寸可變的節(jié)流孔會(huì)是有利的。通過針對(duì)每一種流量提供相對(duì)高的壓差，尺寸可變節(jié)流孔可用來提高節(jié)流孔開口范圍內(nèi)的流量測(cè)量精度。然而，盡管計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件可用來優(yōu)化尺寸可變節(jié)流孔的設(shè)計(jì)，當(dāng)節(jié)流孔的尺寸改變時(shí)，排放系數(shù)仍有小的變化。這種變化是由于所述裝置設(shè)計(jì)用來測(cè)量的流量的范圍和對(duì)節(jié)流孔的排放系數(shù)有貢獻(xiàn)的物理因素所導(dǎo)致的。
一些尺寸可變節(jié)流孔裝置設(shè)計(jì)成覆蓋開始于層流區(qū)、結(jié)束于湍流區(qū)的流量范圍，這使得排放系數(shù)可能會(huì)在不同的流量范圍內(nèi)變化。而且，眾所周知的是，節(jié)流孔的排放系數(shù)由與流體和節(jié)流孔形狀相關(guān)的物理效應(yīng)的組合構(gòu)成。當(dāng)節(jié)流孔設(shè)置為非常小的開口時(shí)，流動(dòng)通道的壁的表面積相對(duì)于流動(dòng)通道的橫截面積是大的。這是因?yàn)榈玫搅恕蔼M縫”型開口。在狹縫型開口中，在流動(dòng)通道的節(jié)流孔區(qū)，液體對(duì)壁的粘性力變得比開口較大時(shí)大得多。壁表面積對(duì)流動(dòng)通道橫截面積的較大比率具有降低節(jié)流孔排放系數(shù)的效果。
盡管可變節(jié)流孔流量計(jì)具有將流量計(jì)的量程擴(kuò)展10倍或更多倍的優(yōu)點(diǎn)，但它會(huì)具有精度減小的固有缺點(diǎn)，這歸因于排放系數(shù)在不同開口時(shí)以及對(duì)于任何給定開口尺寸時(shí)的不同流量的輕微改變。
除了上述與排放系數(shù)有關(guān)的缺點(diǎn)外，由于幾個(gè)其它的原因，已知的可變節(jié)流孔裝置是低效的。第一，已知的可變節(jié)流孔裝置典型地使用圓形或彎曲部件，其相對(duì)于流體流移動(dòng)以改變節(jié)流孔的尺寸。由于這些部件的彎曲特性，節(jié)流孔的形狀隨著節(jié)流孔尺寸的改變而改變，當(dāng)在某個(gè)節(jié)流孔尺寸范圍內(nèi)計(jì)算流體流量時(shí)，這產(chǎn)生顯著的誤差。第二，節(jié)流孔形狀的改變導(dǎo)致對(duì)于流量范圍的至少一部分非理想的節(jié)流孔形狀。這導(dǎo)致流量改變時(shí)對(duì)于任何給定開口的不一致的流量特性，從而再次導(dǎo)致流體流量計(jì)算的誤差。
克服已知的流量控制和計(jì)量裝置的這些和其它缺點(diǎn)的流量裝置將是本領(lǐng)域內(nèi)的重要進(jìn)步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體上涉及用于諸如差壓流量計(jì)量和控制裝置的流量裝置的與軟件相關(guān)的校正方法。
根據(jù)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明說明性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些目的和進(jìn)一步的目的將更加清楚。


參考附圖可以對(duì)所述說明性實(shí)施例作最好的描述，其中圖1是根據(jù)發(fā)明原理的流量裝置的頂部透視圖；圖2是圖1所示的流量裝置的頂部平面視圖；
圖3是沿橫截面指示3-3所取的圖2所示的流量裝置的一個(gè)示例配置的橫截面視圖；圖4是沿橫截面指示4-4所取的圖3所示的示例流量裝置的橫截面視圖；圖5是圖3所示裝置的節(jié)流孔和可移動(dòng)元件部分的放大視圖；圖6是沿橫截面指示6-6所取的圖2所示的示例流量裝置的橫截面視圖；圖7是沿橫截面指示7-7所取的圖2所示的示例流量裝置橫截面視圖，該示例裝置具有到節(jié)流孔的長(zhǎng)方形入口；圖8是沿橫截面指示8-8所取的圖2所示的示例流量裝置的橫截面視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明原理的示例流量裝置的示意性過程圖；圖10是針對(duì)根據(jù)本發(fā)明原理的示例可變節(jié)流孔流量裝置、基于節(jié)流孔尺寸和壓差的排放系數(shù)的示例陣列；圖11是流體流量控制裝置的圖示；圖12是表示根據(jù)本發(fā)明的原理確定通過流量裝置的流體流量的示例方法的流程圖；圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的原理確定通過流量裝置的流體流量的另一個(gè)示例方法的流程圖；圖14是配置成測(cè)量節(jié)流孔上的壓差的壓差測(cè)量裝置的圖示；圖15是表示具有固定節(jié)流孔尺寸的示例流量裝置的流量對(duì)壓差的曲線圖；圖16是表示仿真流量裝置的排放系數(shù)對(duì)節(jié)流孔尺寸的曲線圖；圖17是表示具有固定節(jié)流孔尺寸的仿真流量裝置的排放系數(shù)對(duì)流量的曲線圖；
圖18是表示節(jié)流孔的已知流量系數(shù)值對(duì)雷諾數(shù)的曲線圖；圖19是表示將根據(jù)本發(fā)明原理來近似的典型數(shù)據(jù)點(diǎn)集的三維曲線圖；圖20是針對(duì)根據(jù)本發(fā)明原理的示例可變節(jié)流孔流量裝置、基于節(jié)流孔尺寸的流量系數(shù)和雷諾數(shù)除以流量系數(shù)的值的示例陣列；圖21是示出三角剖分產(chǎn)生的誤差的曲線圖；圖22A和22B是示出對(duì)圖19中所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)集的多項(xiàng)式曲線擬合的二維和三維曲線圖；圖23是示出原始數(shù)據(jù)和多項(xiàng)式之間的殘值或差的曲線圖；圖24A和24B示出分散數(shù)據(jù)和半網(wǎng)格化數(shù)據(jù)之間的差別；圖25A和25B是示出圖22A和22B以及所得到的三角剖分的樣本數(shù)據(jù)集的頂視圖的曲線圖；圖26是示出圖22A和22B的三角剖分殘余表面的三維曲線圖；圖27示出兩個(gè)平行網(wǎng)格線之間的三角剖分區(qū)的構(gòu)造；以及圖28是表示根據(jù)本發(fā)明原理確定通過流量裝置的流體流量的另一個(gè)示例方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明總體上涉及流體流量計(jì)量和控制裝置，更具體地，涉及尺寸可變節(jié)流孔流量裝置和用于這種流量裝置的與軟件相關(guān)的校正方法。尺寸可變節(jié)流孔特別適合用于將要在此參考幾個(gè)附圖加以描述的差壓流量計(jì)，盡管這種應(yīng)用僅僅是可應(yīng)用本發(fā)明原理的多種應(yīng)用的示例。
與軟件相關(guān)的校正方法可以利用所存儲(chǔ)的排放或流量系數(shù)的矩陣或陣列，這些系數(shù)與流量裝置的特定壓差和節(jié)流孔尺寸特性相互關(guān)聯(lián)。其它與軟件相關(guān)的校正方法可以利用方程或算法、針對(duì)每一個(gè)所確定的流量裝置的壓差和節(jié)流孔尺寸來計(jì)算確切的排放或流量系數(shù)。排放和流量系數(shù)的陣列以及用來計(jì)算排放和流量系數(shù)的方程/算法可存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，并由諸如處理器的控制器用來確定流體流量。
I.示例流量裝置根據(jù)發(fā)明原理構(gòu)造的用于控制和計(jì)量流體流量的示例流量裝置10在圖1-9中示出。該裝置包括殼體12、可移動(dòng)元件14、第一和第二壓力傳感器16、18以及入口和出口導(dǎo)管連接器22、20。導(dǎo)管30穿過殼體形成并包括第一、第二、和第三段50、52、54。殼體也包括在導(dǎo)管30的橫向方向上與導(dǎo)管30相交的第一和第二傳感器孔36、38，以及也在導(dǎo)管30的橫向方向上與導(dǎo)管30相交的元件孔40。在這個(gè)示例中，元件孔40和傳感器孔36、38相互平行延伸，但在其它實(shí)施例中，可以排成相互垂直。殼體12可以分成分開件或兩半13、15(見圖1)，以便于在殼體內(nèi)精確地形成復(fù)雜特征，或可以整體地形成單一件。
可移動(dòng)元件14包括底座42和接觸部件44，且位于元件孔40中，以便延伸到導(dǎo)管30的第二段52中。接觸部件44包括前沿46、錐形后沿48和配置成與第二段52的平面表面(例如，以下描述且在圖5中示出的固定壁90)配合的平面接觸表面49(見圖5)，?？梢苿?dòng)元件14可沿著直線軸經(jīng)由打開(收回)位置和閉合位置之間的位置范圍可移動(dòng)地調(diào)節(jié)，其中可移動(dòng)元件14的移動(dòng)限制在所述直線軸上。打開位置允許通過導(dǎo)管30的最大流體流量。當(dāng)可移動(dòng)元件14因?yàn)楹土黧w接觸向閉合位置移動(dòng)時(shí)，通過導(dǎo)管30的流體流量減小。元件孔40中的可移動(dòng)元件14的調(diào)節(jié)可以利用例如以下來執(zhí)行線性致動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、液力或氣力致動(dòng)器、螺線管、伺服電機(jī)或手動(dòng)裝置如帶有指旋按鈕的螺紋軸?？梢苿?dòng)元件14的位置可以利用例如以下來確定霍爾效應(yīng)傳感器、磁致伸縮裝置、線性可變差動(dòng)變送器(LVDT)、光學(xué)編碼器和其它位置確定技術(shù)。
將可移動(dòng)元件14的移動(dòng)限制為元件孔40內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化可移動(dòng)元件14的定位。其它方法可基于與所述可移動(dòng)元件相關(guān)的漸進(jìn)移動(dòng)(incremental movement)來“推斷”可移動(dòng)元件14的位置。在一個(gè)示例方法中，可移動(dòng)元件14可以從諸如完全打開或完全閉合的位置移動(dòng)某個(gè)步數(shù)。可以對(duì)控制裝置10的軟件進(jìn)行編程以便將所行進(jìn)的步數(shù)轉(zhuǎn)換成所行進(jìn)的距離。獨(dú)立的位置測(cè)量裝置在這樣的配置中是不必要的，這可以減少用于裝置10的硬件的數(shù)量和復(fù)雜度。這種方法可能的缺點(diǎn)是如果元件鎖定在單一位置而處理器在該元件實(shí)際上靜止時(shí)認(rèn)為其正在移動(dòng)某個(gè)步數(shù)，則可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的位置測(cè)量。與步進(jìn)電機(jī)或線性致動(dòng)器一起使用的編碼器或根據(jù)相關(guān)的漸進(jìn)移動(dòng)“推斷”線性位置的其它裝置可具有相似的問題，即可能不準(zhǔn)確。
第二段52包括入口部60、出口部62和置于入口和出口部60、62之間的節(jié)流孔部64。入口部60在一端與傳感器室32保持流體連通，并在鄰近節(jié)流孔部64的第二端包括多個(gè)錐形表面。同樣地，出口部62在一端與傳感器室34保持流體連通，并在鄰近節(jié)流孔部64的相對(duì)端包括多個(gè)錐形表面。
所述裝置的節(jié)流孔段的入口部和出口部包括多個(gè)固定側(cè)壁，其在這個(gè)實(shí)施例中限定非圓形橫截面。其它實(shí)施例可以包括具有圓形橫截面的節(jié)流孔段的入口部和出口部，該配置在一些實(shí)例中會(huì)是優(yōu)選的。示例的第一部和第二部60、62包括基本上正方形形狀的固定壁(見圖7中的入口部60的示例橫截面)。如在此文件中通篇所用的，長(zhǎng)方形的定義為有四個(gè)壁的形狀，而正方形的定義為具有相同長(zhǎng)度的四個(gè)壁的長(zhǎng)方形。長(zhǎng)方形的壁基本上是平的或線性的，兩壁相交成大約90°的角。在一些應(yīng)用中，因?yàn)橹圃斓南拗?，長(zhǎng)方形的角會(huì)略微地成圓形、圓角、倒角等特征而錐化。進(jìn)一步，一個(gè)或多個(gè)所述壁的部分可以略微傾斜或斜切，以產(chǎn)生密封點(diǎn)或滿足其它設(shè)計(jì)目標(biāo)和/或克服制造限制。在包括線性壁和彎曲壁的組合(未示出)的實(shí)施例中，這些壁的相交處也可以包括諸如圓形、圓角、倒角等的特征。最后，一個(gè)或多個(gè)所述壁的部分可以通過墊片或密封的暴露面形成。
錐形70、72、74、76形成于入口部60的側(cè)壁，以便減小入口部60與節(jié)流孔部64鄰接點(diǎn)處的橫截面積。錐形70、72、74、76在單個(gè)軸位置對(duì)準(zhǔn)，以便使部分60的橫截面積一步減小(見圖3-5)。出口部62也包括正方形形狀的橫截面，在相對(duì)的側(cè)壁上具有錐形表面78、80(見圖4)，以便減小在節(jié)流孔部64和出口部62之間的過渡點(diǎn)處的出口部62的橫截面積。
節(jié)流孔部64包括三個(gè)固定壁90、92、94，固定壁90包括錐形后沿96和前沿98(見圖5)。結(jié)果，節(jié)流孔部64的橫截面積以錐形組96、48和78、80分兩步錐形擴(kuò)展到部分62的較大橫截面積。如圖8的橫截面視圖所示，與圖7所示的入口部60的橫截面積相比，節(jié)流孔部64具有相對(duì)小的橫截面積。
相應(yīng)的移動(dòng)元件44和節(jié)流孔部64的前沿46、98和后沿96、48提供了進(jìn)出節(jié)流孔部64的一致流量特性。節(jié)流孔部64的橫截面的尺寸由可移動(dòng)元件14相對(duì)于節(jié)流孔部64的固定壁90、92、94的位置來確定。節(jié)流孔部64沒有傳感器開口和死容積空間，從而避免了對(duì)流體流的擾亂和過程材料或沉淀物的可能的積累。
諸如上述那些(例如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等等)的線性致動(dòng)器(未示出)，可被用來影響可移動(dòng)元件14的移動(dòng)。通過沿單個(gè)直線軸移動(dòng)，可移動(dòng)元件14線性地改變節(jié)流孔部64的橫截面的尺寸，同時(shí)保持了大體上統(tǒng)一的形狀，從而提供了可移動(dòng)元件位置范圍內(nèi)相對(duì)一致的流量特性集合。節(jié)流孔部64的橫截面形狀允許根據(jù)可移動(dòng)元件14的位置范圍內(nèi)的位置重復(fù)調(diào)節(jié)流體流量。在一個(gè)示例中，統(tǒng)一的形狀是長(zhǎng)方形，當(dāng)可移動(dòng)元件14在打開和閉合位置之間移動(dòng)時(shí)，節(jié)流孔部64的橫截面的高的尺寸減小。保持長(zhǎng)方形的形狀，或至少具有至少一個(gè)平面或線性側(cè)壁的形狀，使流量特性(背景技術(shù)部分的流量方程中的變量“C”)的變化最小，這樣減小了針對(duì)每個(gè)節(jié)流孔尺寸確定流量時(shí)的誤差。
使用時(shí)，流體首先通過導(dǎo)管30的第一段50進(jìn)入流量裝置10(該示例將用于對(duì)本發(fā)明各方面的描述的其余部分)。通過段50的流量具有與第一段50的圓形橫截面匹配的流量特性。該流量然后進(jìn)入打開的傳感器室32，在這里、在流體流進(jìn)入第二段52的非圓形入口部60之前提供了過渡容積。然后流體流由于正好在節(jié)流孔部64之前的入口部60形成的幾個(gè)錐形而減小了橫截面積。如上所述，由于節(jié)流孔部64非常小的橫截面積以及由前沿46、98產(chǎn)生的壁狀結(jié)構(gòu)，在節(jié)流孔部64的入口處產(chǎn)生了較高的壓力。節(jié)流孔部64的橫截面積依賴于可移動(dòng)元件14在方向A上的位置。沿方向A的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)于在確定通過流量裝置10的體積流量時(shí)使用的節(jié)流孔部64的不同橫截面積。
流體流出節(jié)流孔部64，進(jìn)入部分62時(shí)，流體流的橫截面積由于可移動(dòng)元件14和節(jié)流孔部64的錐形78和80以及后沿48和96而增加。出口部62的橫截面積優(yōu)選地具有與入口部60(在流量裝置10中的示例流量裝置中是正方形橫截面，見圖2和6-9)相同的尺寸和形狀。流出出口部62的流量進(jìn)入傳感器室34，在這里、在流體流進(jìn)入第三段54并呈現(xiàn)針對(duì)第三段54的圓形橫截面的流量模式之前提供了另一個(gè)過渡容積。
第一和第二壓力傳感器16、18位于節(jié)流孔部64的相對(duì)側(cè)，以便能夠確定導(dǎo)管30的第二段52的入口和出口側(cè)的壓力差。第一和第二壓力傳感器16、18可以安裝得接近過程液體，以使流體的死容積量最小并減小第一和第二壓力傳感器16、18與導(dǎo)管30中的流體之間的結(jié)晶和粒子形成。在本發(fā)明的其它方面，單個(gè)差壓傳感器可以用來與第一和第二傳感器室32、34兩者聯(lián)系，以便確定壓差。而且，在第一和第二傳感器室32、34之一具有固定壓力的應(yīng)用中，只需要單個(gè)傳感器。例如，如果第二傳感器室34在節(jié)流孔的下游并流注到處于大氣壓的開放容器中，就不需要下游壓力測(cè)量，并且來自第一傳感器16的壓力測(cè)量可以單獨(dú)與大氣壓一起用來確定壓差。同樣地，如果第一傳感器室32在節(jié)流孔部64的上游并接收來自壓力嚴(yán)格控制在固定值的加壓容器的液體，就不需要上游壓力，并且來自第二傳感器18的壓力測(cè)量可以單獨(dú)與所述固定上游壓力值一起用來確定壓差。
其它示例實(shí)施例可以使用單個(gè)的差壓傳感器，其從節(jié)流孔部的入口和出口側(cè)獲取壓力讀數(shù)，并確定節(jié)流孔部上的差壓。這種和其它類型的傳感器沒必要必須安裝在傳感器孔中，所使用的傳感器孔也不要求比導(dǎo)管橫截面積大的橫截面積。例如，傳感器可以配置成利用小探頭獲取壓力讀數(shù)，相對(duì)于導(dǎo)管尺寸，該探頭需要非常小的進(jìn)入導(dǎo)管的開口，而且傳感器可安裝在與裝置殼體相鄰或殼體內(nèi)的不同位置。
另外的實(shí)施例可以不包括任何與所述裝置直接關(guān)聯(lián)的傳感器，但可以配置成使用由外部源所提供的壓力信號(hào)。這種來自外部源的壓力讀數(shù)可以包括例如，來自位于所述裝置上游或下游的壓力傳感器的壓力讀數(shù)，或表示所述裝置的上游或下游系統(tǒng)的已知靜壓條件的壓力信號(hào)。這樣，盡管該裝置不需要壓力傳感器，該裝置優(yōu)選地配置成使用壓力信號(hào)，目的是計(jì)量或控制流經(jīng)該裝置的流體。
表示節(jié)流孔上的壓差的壓力信號(hào)可以與節(jié)流孔的橫截面積、正好在節(jié)流孔前或后的入口部和出口部的橫截面積、以及流體的密度一起用來確定體積流量(在以上的背景技術(shù)部分所討論的)。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過改變節(jié)流孔尺寸可以在每一種流量?jī)?yōu)化壓力信號(hào)(ΔP)。例如，針對(duì)給定的流量，通過改變節(jié)流孔尺寸可以將壓力信號(hào)設(shè)置在最小值。進(jìn)一步地，針對(duì)所希望的流量或入口壓力，通過改變節(jié)流孔尺寸可以優(yōu)化壓力信號(hào)。
進(jìn)一步地，盡管所示出的第二段52的入口、出口和節(jié)流孔部60、62、64的橫截面是長(zhǎng)方形的形狀，可以理解，所述橫截面可以是不同形狀的橫截面，如長(zhǎng)方形、等腰三角形等等，但不限于此。進(jìn)一步地，第二段52的不同部分可以具有不相似的橫截面形狀和尺寸，并沿第二段52的每一部分的長(zhǎng)度可以具有變化的形狀或尺寸。此外，盡管節(jié)流孔部64具有長(zhǎng)方形橫截面，由可移動(dòng)元件14的接觸部件44的前沿和后沿46、48所限定的節(jié)流孔部64的前部和后部，以及固定壁90、92、94的前沿和后沿98、96可以是與圖中所示的那些不同的尺寸、形狀和取向。
其它示例流量裝置和流量裝置10的進(jìn)一步的方面在提交于2003年12月3日、名稱為“APPARATUS FOR CONTROLLING ANDMETERING FLUID FLOW”的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)第10/728,594中示出和描述，該專利申請(qǐng)通過引用結(jié)合于此。
圖1-8中所示的優(yōu)選實(shí)施例流量裝置10的特征在圖9中作為流量裝置組件100的部分示意性地示出。組件100包括微控制器102，其控制大部分其它組件特征并與之通信。組件100包括與流量裝置尺寸可變節(jié)流孔113有關(guān)的致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路104、線性致動(dòng)器106、位置傳感器基準(zhǔn)108、位置傳感器110，和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)112，以及控制到特征106、108、110、112的功率的開關(guān)114、調(diào)節(jié)器116、調(diào)節(jié)器150、和線性調(diào)節(jié)器118。微處理器102可以是諸如以下的任何適合的處理器或控制器例如，由San Jose，CA的RENESAS生產(chǎn)的HD64F3062 16位微處理器。
組件100也包括壓力傳感器基準(zhǔn)120、高壓傳感器122、低壓傳感器124以及差動(dòng)放大器126、128和ADC 129，共同用來確定流量裝置中的壓差。組件100也包括溫度傳感器121和溫度放大器127，它們用來確定流量裝置中的流體的溫度。諸如RAM 130、NVROM 132和程序存儲(chǔ)器134的不同存儲(chǔ)裝置可以由微處理器102用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖10的示例陣列(和/或下面的多項(xiàng)式方程)、指令、編碼、算法等等。
微處理器102可以接收具有例如4-20mA量值的電流信號(hào)形式的輸入，利用ADC 136和電壓隔離137將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并可以通過UART 138和數(shù)字接口140與直接的數(shù)字信號(hào)聯(lián)系。微處理器102也可以產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)通過電壓基準(zhǔn)142、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)144，電壓隔離145和輸出電路146轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，所述輸出電路產(chǎn)生具有例如4-20mA量值的信號(hào)。組件100可以使用包括負(fù)調(diào)節(jié)器148和開關(guān)調(diào)節(jié)器150的電源，用于為組件100的各種特征提供功率。
II.軟件校正方法A.示例#1由于排放系數(shù)在不同節(jié)流孔開口時(shí)以及對(duì)于任何給定開口時(shí)的不同流量的略微變化，可變節(jié)流孔流量計(jì)具有喪失一定精度的固有缺點(diǎn)。此處所公開的示例流量計(jì)量和控制裝置提供了一種利用排放系數(shù)的軟件校正來克服這兩個(gè)缺點(diǎn)的手段。不是將用于裝置的單一排放系數(shù)用于所有的流量計(jì)算，而是可在每一個(gè)流量計(jì)算中使用取決于節(jié)流孔開口和所測(cè)量的差壓的排放系數(shù)。針對(duì)待使用的差壓和節(jié)流孔開口范圍的排放系數(shù)值的陣列(見圖10中的示例陣列)可以存儲(chǔ)于流量計(jì)的存儲(chǔ)器中，適當(dāng)?shù)闹悼梢杂闪髁坑?jì)訪問并用于每一個(gè)單獨(dú)的流量計(jì)算。
如上所述，霍爾效應(yīng)傳感器可以用來測(cè)量改變流量裝置的節(jié)流孔開口的、包含于流量裝置的可移動(dòng)元件中的磁體的線性位置。因?yàn)閳D1-9所示的流量裝置10中的節(jié)流孔開口具有至少一個(gè)平面壁，節(jié)流孔橫截面積與這個(gè)滑動(dòng)元件的位置成線性比例。通過監(jiān)視霍爾效應(yīng)傳感器的輸出，流量計(jì)組件中的微處理器102可以確定節(jié)流孔開口面積，其為圖10所示的示例陣列的一個(gè)索引。微處理器102配置成每次執(zhí)行流量計(jì)算時(shí)對(duì)壓力傳感器122、124進(jìn)行讀取。通過對(duì)壓力傳感器122、124進(jìn)行讀取并計(jì)算差壓，微處理器102確定圖10所示的陣列的第二索引的壓力值。針對(duì)陣列中所列的差壓和位置點(diǎn)之間的值，簡(jiǎn)單的插值可用來確定陣列中的值之間的準(zhǔn)確排放系數(shù)值。
用于圖10所示的排放系數(shù)值的二維陣列可以通過設(shè)計(jì)確定并存儲(chǔ)于每一個(gè)流量計(jì)的程序存儲(chǔ)器134中。陣列中的排放系數(shù)值也可以通過針對(duì)所生產(chǎn)的每個(gè)單獨(dú)的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試來確定，這將為每個(gè)流量計(jì)提供唯一且較為精確的陣列。陣列值可存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器(NVROM)132或其它的與流量計(jì)組件100相關(guān)的存儲(chǔ)器中。其它實(shí)施例可以包括具有范圍擴(kuò)展到圖10所示的范圍之外的索引，并依賴于所需要的精度水平，可以包括更大或更小的分辨率。而且，由于排放系數(shù)相對(duì)于節(jié)流孔開口和流量的變化不是線性的(見圖16和17的模擬結(jié)果)，陣列的每個(gè)軸上的值不需要是線性的。這樣，陣列可以保持盡可能小，以便在維持所希望的精度的同時(shí)減少對(duì)存儲(chǔ)器的需要。進(jìn)一步地，盡管節(jié)流孔的位置與流量裝置10中的節(jié)流孔的橫截面積成線性比例，其它實(shí)施例可以不包括面積和可移動(dòng)元件的線性位置之間的線性關(guān)系。在這樣的實(shí)施例中，陣列索引可以是可移動(dòng)元件的位置或節(jié)流孔的橫截面積。
圖18以已知值的曲線進(jìn)一步說明排放系數(shù)和流量之間的關(guān)系，該曲線見于技術(shù)書JOHN A.ROBERSON和LAYTON T.CROWE的ENGINEERING FLUID MECHANICS，在612(1993)。圖18將流量系數(shù)(K)作為Y-軸，雷諾數(shù)(Re)作為X-軸，其中流量系數(shù)和雷諾數(shù)分別與排放系數(shù)(C)和流量(Q)相關(guān)，如以下方程2和3K=C[1-(AoAp)2]1/2]]>方程2Red=4Qπdρ]]>方程3圖18也在頂軸上繪出了如以下方程4的雷諾數(shù)與流量系數(shù)之間的關(guān)系RedK=(2gΔh)1/2dv=dv(2ΔPρ)1/2]]>方程4其中Red＝節(jié)流孔部分中的雷諾數(shù)D＝管道直徑d＝節(jié)流孔直徑(長(zhǎng)方形節(jié)流孔與使用水力半徑的d相關(guān))υ＝流體運(yùn)動(dòng)粘度ρ＝流體密度對(duì)于節(jié)流孔直徑和運(yùn)動(dòng)粘度的固定值，雷諾數(shù)只隨流量的變化而變化。方程2-4所提供的系數(shù)關(guān)系使圖18基本上表示排放系數(shù)相對(duì)于流量的變化。
圖18中的各個(gè)曲線示出了對(duì)于給定的節(jié)流孔-管道尺寸比、流量(以雷諾數(shù)表示)從低流量增加到高流量時(shí)導(dǎo)致的排放系數(shù)的顯著變化。圖18中的曲線的差異表示節(jié)流孔尺寸相對(duì)于管道尺寸變化時(shí)排放系數(shù)的變化。
圖12中的流程圖示出針對(duì)給定流量裝置執(zhí)行流量計(jì)算和更新輸入/輸出(I/O)時(shí)所包含的步驟。流量計(jì)算中的一些步驟包括確定排放或流量系數(shù)。這些步驟可以以存儲(chǔ)于本地存儲(chǔ)器(例如，程序存儲(chǔ)器)的編程實(shí)施，或可以下載或發(fā)送到微控制器102。過程可以這樣開始對(duì)位置傳感器進(jìn)行讀取以確定流量計(jì)可移動(dòng)元件的位置，從而確定可變節(jié)流孔的面積。對(duì)壓力傳感器讀取可以在對(duì)位置傳感器進(jìn)行讀取之前、之后或同時(shí)執(zhí)行。壓力和位置讀數(shù)用作在所存儲(chǔ)的排放系數(shù)陣列中查詢排放系數(shù)的索引。必要時(shí)對(duì)排放系數(shù)進(jìn)行插值以便確定確切的排放系數(shù)值。然后將排放系數(shù)輸入流量方程，并根據(jù)流量方程計(jì)算流量。然后可以利用流體流量和傳感器讀數(shù)來更新模擬和數(shù)字輸出變量。如果節(jié)流孔位置沒有變化，或節(jié)流孔裝置的使用沒有任何中斷，該循環(huán)以新的壓力讀取來重復(fù)。如果使用中斷或位置傳感器發(fā)生變化，該循環(huán)從開始處重復(fù)。
圖10中的排放系數(shù)值的二維陣列也可以由微處理器102利用將節(jié)流孔開口尺寸和差壓作為變量輸入的多項(xiàng)式來確定。示例多項(xiàng)式如以下方程5所列C＝A·(Phi-Plo)2+B·(Phi-Plo)+D·(Ao)2+E·(Ao)+F 方程5其中A，B，D，E和F＝常數(shù)C＝節(jié)流孔排放系數(shù)Ao＝節(jié)流孔橫截面積Phi＝上游壓力Plo＝下游壓力常數(shù)A，B，D，E和F典型地在制造過程中、在表征差壓和排放系數(shù)與節(jié)流孔開口時(shí)確定。常數(shù)而不是陣列值可以存儲(chǔ)于流量計(jì)組件100的存儲(chǔ)器中。多項(xiàng)式系數(shù)可以通過設(shè)計(jì)確定并且對(duì)于所制造的每個(gè)流量計(jì)都相同且存儲(chǔ)于程序存儲(chǔ)器134中，或者，系數(shù)可以通過校準(zhǔn)確定，并且對(duì)于所制造的每個(gè)流量計(jì)是唯一的，且然后存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器132中。
圖13中的流程圖示出利用多項(xiàng)式確定最優(yōu)排放系數(shù)和執(zhí)行流量計(jì)算的步驟。過程可以這樣開始對(duì)位置傳感器進(jìn)行讀取以確定流量計(jì)可移動(dòng)元件的位置，從而確定可變節(jié)流孔的面積。對(duì)壓力傳感器進(jìn)行讀取可以在對(duì)位置傳感器進(jìn)行讀取之前、之后或同時(shí)執(zhí)行。將壓力和位置讀數(shù)輸入多項(xiàng)式并計(jì)算確切的排放系數(shù)。然后將排放系數(shù)輸入流量方程，并根據(jù)流量方程計(jì)算流量。然后可以利用流體流量和傳感器讀數(shù)來更新模擬和數(shù)字輸出變量。如果節(jié)流孔位置沒有變化，或節(jié)流孔裝置的使用沒有任何中斷，該循環(huán)以新的壓力傳感器讀取來重復(fù)。如果使用中斷或位置傳感器讀數(shù)發(fā)生變化，該循環(huán)從開始處重復(fù)。
本發(fā)明的原理也包括一種裝置，其可以用作可變節(jié)流孔流量計(jì)或用作流量控制器。用于可變節(jié)流孔流量計(jì)和流量控制器的電硬件可以相同。流量計(jì)量和流量控制裝置之間的一個(gè)差別包括流量控制器所要求的另外的軟件功能。圖11是示出流量裝置200的基本特征的框圖。裝置200包括控制器210、控制閥212和流量計(jì)214?？刂破?10可以包括將所希望的流量設(shè)置點(diǎn)(set point)與由流量計(jì)214所測(cè)量的測(cè)量流量相比較的軟件。然后控制器210向控制閥212發(fā)送信號(hào)，以改變節(jié)流孔開口，從而根據(jù)需要來增加或減小流量以滿足流量設(shè)置點(diǎn)。流量控制器執(zhí)行流量計(jì)量的方法與上述可變節(jié)流孔流量計(jì)10的執(zhí)行方法相同或相似。因此通過陣列(例如見圖10)或多項(xiàng)式(見方程5)對(duì)節(jié)流孔排放系數(shù)的二維校正可以用于以下兩者可變節(jié)流孔流量計(jì)10和流量控制器200中的流量計(jì)功能。
B.示例#2-對(duì)過程液體的粘度和密度變化的補(bǔ)償基于節(jié)流孔上所測(cè)量的差壓(ΔP)的典型的流量計(jì)算包含過程液體密度項(xiàng)，但不包含粘度項(xiàng)(見方程1)。結(jié)果，計(jì)算只對(duì)于單一粘度是精確的，其中裝置在這一粘度校準(zhǔn)。
對(duì)于固定的節(jié)流孔尺寸/幾何參數(shù)和差壓的有限范圍，方程1中的排放系數(shù)C是實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。對(duì)于具有可變節(jié)流孔尺寸的裝置，排放系數(shù)C不再是常數(shù)，而現(xiàn)在必須是節(jié)流孔尺寸的函數(shù)。在最簡(jiǎn)單的情況，排放系數(shù)只是節(jié)流孔尺寸Ho的函數(shù)C＝f(Ho) 方程6在這種情況下，函數(shù)f的實(shí)現(xiàn)必須通過以下來從經(jīng)驗(yàn)上確定在若干節(jié)流孔尺寸時(shí)測(cè)量Q，然后針對(duì)在方程1中根據(jù)所測(cè)量的Q值計(jì)算的C值來擬合內(nèi)插式或近似式。其方法可以包括針對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)或分段線性插值來擬合多項(xiàng)式或樣條曲線。在任何方法中，目標(biāo)是針對(duì)通過校準(zhǔn)從實(shí)驗(yàn)上測(cè)量的二維(2D)數(shù)據(jù)點(diǎn)集來擬合f所定義的曲線。
要在壓力的寬范圍內(nèi)提高精度，上述過程可以擴(kuò)展為包括在節(jié)流孔尺寸(Ho)的范圍和壓力(ΔP)的范圍內(nèi)表征C。排放系數(shù)于是為節(jié)流孔尺寸和差壓兩者的函數(shù)，而f現(xiàn)在是對(duì)三維而不是兩維的點(diǎn)集進(jìn)行擬合的內(nèi)插式或近似式C＝f(Ho，ΔP) 方程7在前面的示例中，假定粘度為常數(shù)。如果過程液體的粘度與根據(jù)方程6和7用來表征C的粘度不同，就會(huì)產(chǎn)生所計(jì)算的流量的誤差。已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明的原理開發(fā)了以下表征方法，以便為不同粘度的液體提供較為一般的解決方法。
對(duì)考慮粘度時(shí)的問題的一個(gè)解決方法是，在f的定義域中加入另一維度，并使其也成為粘度υ的函數(shù)C＝f(Ho，ΔP，υ)方程8這樣做在理論上非常有效，但在實(shí)際中引起至少以下困難的問題·Q必須測(cè)量且C必須確定的點(diǎn)的數(shù)量增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。針對(duì)10個(gè)壓力和10個(gè)節(jié)流孔尺寸的集合來表征C，需要100次測(cè)試運(yùn)行。增加10個(gè)粘度的集合需要共計(jì)1000次的測(cè)試運(yùn)行。
·改變并檢驗(yàn)壓力和節(jié)流孔尺寸是需要幾秒鐘的簡(jiǎn)單操作。改變粘度需要將液體從測(cè)試系統(tǒng)中傾空并再注入不同的液體。注入后必須檢驗(yàn)粘度。這是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程，會(huì)使校準(zhǔn)所產(chǎn)生的每個(gè)單元所需要的時(shí)間從幾小時(shí)增加到幾天。
為避免在粘度的范圍內(nèi)表征每個(gè)裝置的需要，使用了不同的流量方程[Roberson and Crowe，1993，p612]Q=Kπd24(2ΔPρ)12]]>方程9其中Q＝體積流量K＝流量系數(shù)d＝節(jié)流孔水力直徑ΔP＝節(jié)流孔上的差壓ρ＝流體密度在這個(gè)方程中，節(jié)流孔水力直徑(d)根據(jù)節(jié)流孔的高度和寬度(Ho和Wo)計(jì)算。長(zhǎng)方形節(jié)流孔的水力半徑是面積和周長(zhǎng)的函數(shù)，稱為節(jié)流孔幾何參數(shù)[Roberson and Crowe，1993，方程10.3、10.35]r2=AP]]>方程10直徑是半徑的兩倍，直徑然后根據(jù)節(jié)流孔高度和寬度來計(jì)算d=2HoWoHo+Wo]]>方程11利用方程8計(jì)算流量的一個(gè)缺點(diǎn)是，排放系數(shù)C需要針對(duì)三個(gè)獨(dú)立的變量來表征節(jié)流孔尺寸、差壓和粘度。針對(duì)粘度來表征是一個(gè)困難的過程，因此需要一種方法將粘度如此并入方程，從而消除表征粘度的需要。盡管以上方程9看起來不考慮粘度，利用如以上方程4中所示的流量系數(shù)K的特性[Roberson and Crowe，1993，p612]可容易地使其考慮粘度1.已知流量系數(shù)K節(jié)流孔尺寸和節(jié)流孔內(nèi)的雷諾數(shù)Re的函數(shù)。
2.K可被看作Re/K值的函數(shù)。
3.Re/K值可以基于節(jié)流孔尺寸、差壓、密度和粘度計(jì)算(見方程4)。因?yàn)镽e/K的計(jì)算包括了粘度的影響，K需要只作為節(jié)流孔尺寸和Re/K的函數(shù)來表征K=f(Ho,ReK)]]>方程12函數(shù)K＝f(Ho，Re/K)的表征通過在節(jié)流孔尺寸Ho和差壓ΔP的值的范圍內(nèi)對(duì)體積流量Q的經(jīng)驗(yàn)測(cè)量實(shí)現(xiàn)。針對(duì)校準(zhǔn)過程中所確定的(Q，Ho，ΔP)的每組測(cè)量值(例如，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn))來計(jì)算Re/K和K的值。利用方程4計(jì)算Re/K，通過以下計(jì)算K將方程11代入方程9并根據(jù)所測(cè)量的Q，ΔP，Ho的值來求解KK=Qπ(HoWoHo+Wo)2(2ΔPρ)12]]>方程13這給出K、Ho和Re/K值的集合，針對(duì)該集合可以根據(jù)方程12來擬合函數(shù)f的近似式。待近似的典型數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合在圖19中示出。
另一個(gè)重要的步驟是確定函數(shù)f(Ho，Re/K)的實(shí)現(xiàn)。函數(shù)的一般形式需要在單元與單元之間是相同的，以便使得相同版本的固件能夠安裝在所有單元中。然而，表面的確切形狀會(huì)由于機(jī)械制造公差而略微改變。這可以通過下載固件用來計(jì)算表面的確切形狀的常數(shù)集合(例如，圖20中所示的表示在裝置校準(zhǔn)過程中獲取的一些測(cè)量數(shù)據(jù)的值的表)來實(shí)現(xiàn)。為避免流量計(jì)算產(chǎn)生顯著誤差，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中為近似所述表面所選擇的方法需要再生成誤差小于0.1％的K值。
幾種實(shí)現(xiàn)方法可以使用，但每一種都有一些顯著的缺點(diǎn)·雙變量多項(xiàng)式-為了在所希望的誤差界限內(nèi)獲得擬合，需要高次多項(xiàng)式。這些多項(xiàng)式在所測(cè)量的數(shù)據(jù)集的界限之外通常表現(xiàn)不良，并且在數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間常常表現(xiàn)不良。高次多項(xiàng)式的計(jì)算也是密集的，計(jì)算它們所需要的時(shí)間不允許實(shí)現(xiàn)其它理想的特征。
·雙三次樣條表面-樣條表面需要網(wǎng)格化數(shù)據(jù)(其中數(shù)據(jù)點(diǎn)全部位于長(zhǎng)方形網(wǎng)格的交點(diǎn)上)。在生產(chǎn)環(huán)境中收集校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的實(shí)際限制產(chǎn)生分散于獨(dú)立變量的一個(gè)軸上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。使樣條表面適合于對(duì)分散數(shù)據(jù)起作用導(dǎo)致表現(xiàn)不良的差的擬合和表面。另外，樣條表面的計(jì)算也是密集的。
·三角剖分-三角剖分的表面計(jì)算簡(jiǎn)單，良好地作用于分散數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)點(diǎn)之間表現(xiàn)良好，并能使其在數(shù)據(jù)集之外表現(xiàn)良好。然而，高彎曲表面的誤差會(huì)變大，而且對(duì)于一致地凹或凸的表面，誤差全在一個(gè)方向上(誤差的平均值不趨向于零)。圖21是由三角剖分產(chǎn)生的誤差的二維(2D)圖示。三角剖分方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是需要大量的數(shù)據(jù)來以分散數(shù)據(jù)點(diǎn)表示三角剖分表面。
已發(fā)現(xiàn)低次單變量多項(xiàng)式與三角剖分表面的特例的結(jié)合滿足函數(shù)f(Ho，Re/K)的實(shí)現(xiàn)目的。這種結(jié)合提供了好的擬合，表現(xiàn)良好，并需要最少的計(jì)算時(shí)間。
三角剖分表面產(chǎn)生的誤差與表面的曲率和所測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離成比例，所測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)是三角形的頂點(diǎn)。通過使表面平坦或增加所測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量可以減小誤差。因?yàn)樵黾铀鶞y(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量增加了測(cè)試時(shí)間(從而增加了制造成本)，使用多項(xiàng)式來“平坦化”所述表面。
彎曲表面的平坦化或展開通過以下完成利用最小平方算法針對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)來擬合多項(xiàng)式表面。然后待三角剖分的表面由殘值(數(shù)據(jù)點(diǎn)和多項(xiàng)式表面之間的差)來限定。因?yàn)镵的改變更依賴于Ho，而不是Re/K，使用以Ho表示的單變量多項(xiàng)式?，F(xiàn)在函數(shù)f(Ho，Re/K)包含兩項(xiàng)的和K=p(Ho)+T(Ho,ReK)]]>方程14其中p(Ho)＝多項(xiàng)式在Ho的值T(Ho，Re/K)＝三角剖分表面在Ho，Re/K的值圖22A(二維)和22B(三維)示出對(duì)圖19中所示的數(shù)據(jù)點(diǎn)集的多項(xiàng)式曲線擬合。多項(xiàng)式是三次多項(xiàng)式，具有以下形式的附加倒數(shù)項(xiàng)ax3+bx2+cx+d+ex+f]]>方程15三角剖分表面然后由原始數(shù)據(jù)和多項(xiàng)式之間的差來限定。一些示例殘值在圖23中示出。
將多項(xiàng)式殘值而不是原始數(shù)據(jù)值用于三角剖分表面提供了至少以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)·待三角剖分的表面不再是凹的，產(chǎn)生正的和負(fù)的兩種插值誤差，它們的平均值接近于零。
·表面的斜率在一個(gè)方向上顯著減小，使得插值誤差的量值減小。
·用于三角形表面的組合值不再是平坦的，而是具有與數(shù)據(jù)集相同的特性曲線。這進(jìn)一步減小了插值誤差的量值。
預(yù)測(cè)試表明，組合方法中的插值誤差可以小于單獨(dú)使用三角剖分時(shí)的量值的一半。
殘余表面的三角剖分可以在運(yùn)行時(shí)間即時(shí)(on-the-fly)完成，或可以在裝置外部完成，所得到的三角形的列表下載到非易失性存儲(chǔ)器。使用前者的方法的優(yōu)點(diǎn)在于其限制了裝置中所需的非易失性存儲(chǔ)量。為進(jìn)一步減小存儲(chǔ)需要并簡(jiǎn)化三角剖分算法，對(duì)數(shù)據(jù)集和三角剖分算法有兩個(gè)附加約束·數(shù)據(jù)點(diǎn)可以只分散于Re/K軸Ho值將限于離散值的集合。換言之，數(shù)據(jù)將是“半網(wǎng)格化”的，其中點(diǎn)位于一個(gè)軸的網(wǎng)格線上(網(wǎng)格線可以不規(guī)則地間隔開)，但分散在另一個(gè)軸上。圖24A和24B示出分散的和半網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)之間的差別。這種方法將所需要的存儲(chǔ)空間減小了30％，因?yàn)橹恍枰鎯?chǔ)每個(gè)唯一的Ho值的一個(gè)拷貝。
·三角剖分方法將限于使用同一網(wǎng)格線或鄰近網(wǎng)格線上的三角形的頂點(diǎn)。這產(chǎn)生用于Delaunay三角剖分的執(zhí)行時(shí)間，其是相對(duì)于每一網(wǎng)格線上的點(diǎn)數(shù)的O(N)，而不是相對(duì)于總點(diǎn)數(shù)的O(NlogN)，后者是針對(duì)更一般的Delaunay三角剖分算法的情況。
圖25A和25B示出樣本數(shù)據(jù)集和所得到的三角剖分的“頂視圖”。圖26示出三角剖分殘余表面，其與圖22A和22B的多項(xiàng)式表面相加，以得到作為Ho和Re/K的函數(shù)的K的最終值。
在上述兩個(gè)約束適當(dāng)設(shè)置的情況下，即時(shí)三角剖分算法比一般情況的Delaunay三角剖分算法更簡(jiǎn)單。因?yàn)閷⒈砻嫒瞧史值哪康氖窃谔囟ǖ?Ho，Re/K)的值對(duì)表面進(jìn)行計(jì)算，這足以能夠找到包含那個(gè)點(diǎn)的三角形。
尋找包含給定點(diǎn)的三角形包括兩部分。第一，尋找數(shù)據(jù)集(見圖25A和25B中的豎直“網(wǎng)格線”)中的Ho值，其包圍待計(jì)算表面的Ho值。這給出位于兩條平行線上的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)集。第二，在所述兩條平行線之間的區(qū)域的三角剖分中尋找包含點(diǎn)(Ho，Re/K)的三角形。每一個(gè)三角形將包括由所述兩條平行線之一上的兩個(gè)相鄰點(diǎn)限定的一條線段(在圖27中豎直畫出)，以及連接所述豎直線段的端點(diǎn)與相對(duì)的平行線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)之一的兩條線段(以下描述中稱為“梯級(jí)(rung)”)(在圖27中大體上水平畫出)。
將所述區(qū)域三角剖分的過程包括利用在兩條平行線的每一個(gè)上的底部?jī)牲c(diǎn)建立第一梯級(jí)(見圖27)。所述算法可開始于頂部或底部，只要起始端選擇一致。下一個(gè)梯級(jí)通過以下確定首先確定從最新建立的梯級(jí)的每一端到相對(duì)平行線上的下一個(gè)點(diǎn)的距離(在圖27中示出為雙箭頭線)，然后根據(jù)前一步中的兩段中的最短者建立下一個(gè)梯級(jí)。最后，包含點(diǎn)(Ho，Re/K)的三角形由兩個(gè)最新的梯級(jí)限定。在處理點(diǎn)位于三角剖分區(qū)域之外的情況時(shí)會(huì)存在誤差。
一旦找到了三角形，ΔK值由通過將(Ho，Re/K)投影到由所述三角形的頂點(diǎn)所限定的平面上所得到的點(diǎn)的Z坐標(biāo)來確定。ΔK值加到由方程15中所示的多項(xiàng)式所產(chǎn)生的近似K值，這樣產(chǎn)生最終的流量系數(shù)值K。利用方程9，根據(jù)圖28的流程圖中給出的基本過程步驟，將最終的流量系數(shù)值K用于計(jì)算體積流量。圖28中所表示的過程作為用來操作可變節(jié)流孔流量計(jì)量裝置的計(jì)算機(jī)程序的步驟特別有用。這樣，體積流量可以根據(jù)這種示例系統(tǒng)和方法針對(duì)某個(gè)范圍的節(jié)流孔幾何參數(shù)、雷諾數(shù)和流體密度及粘度來確定。
III.結(jié)論這里所描述的示例流量裝置和軟件校正系統(tǒng)是用于提高可變節(jié)流孔流量計(jì)的流量測(cè)量精度的示例性設(shè)備和方法。該方法包括在考慮諸如粘度和密度的流體性質(zhì)的同時(shí)，針對(duì)不同的節(jié)流孔開口和流量來表征節(jié)流孔的排放或流量系數(shù)。通過針對(duì)這些參數(shù)來表征節(jié)流孔的排放或流量系數(shù)，并在流量計(jì)算中對(duì)它們進(jìn)行校正，流量計(jì)能夠在寬流量范圍內(nèi)保持流量測(cè)量精度。這樣，流量計(jì)對(duì)于達(dá)到或超過常規(guī)差壓流量計(jì)的流量范圍的10倍的流量范圍會(huì)是有用的，并可以在整個(gè)該流量范圍內(nèi)精確地表現(xiàn)。
上述說明、示例和數(shù)據(jù)對(duì)本發(fā)明的組成的制造和使用作了完整的描述。因?yàn)榭稍诒景l(fā)明的精神和范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的許多實(shí)施例，本發(fā)明旨在由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)量通過可變節(jié)流孔的流體流量的方法，該方法包括以下步驟確定由所述可變節(jié)流孔所限定的橫截面積；測(cè)量所述可變節(jié)流孔上的壓差；利用所確定的橫截面積和所測(cè)量的壓差來確定排放系數(shù)；以及利用所確定的排放系數(shù)來確定通過所述可變節(jié)流孔的流體流量。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，確定所述排放系數(shù)包括從排放系數(shù)值陣列中選擇排放系數(shù)。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，確定所述排放系數(shù)包括利用多項(xiàng)式來計(jì)算排放系數(shù)。
4.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括對(duì)陣列值進(jìn)行插值以便確定確切的排放系數(shù)。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述可變節(jié)流孔包括可移動(dòng)元件，并且確定所述節(jié)流孔的橫截面積包括確定所述可移動(dòng)元件的位置。
6.權(quán)利要求5的方法，其中，所述可移動(dòng)元件包括至少一個(gè)線性表面，并且所述可變節(jié)流孔還包括具有至少一個(gè)線性表面的導(dǎo)管，其中所述可移動(dòng)元件的線性表面和所述導(dǎo)管的線性表面配置成相互配合。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述流體具有密度和粘度，所述方法進(jìn)一步包括確定由所述可變節(jié)流孔所限定的節(jié)流孔幾何參數(shù)；利用所述節(jié)流孔幾何參數(shù)、所述壓差、所述密度和所述粘度來確定雷諾數(shù)除以流量系數(shù)的值(Re/K)；
8.權(quán)利要求7的方法，進(jìn)一步包括利用所述節(jié)流孔幾何參數(shù)和所確定的(Re/K)值來確定流量系數(shù)；以及利用所確定的流量系數(shù)來確定通過所述可變節(jié)流孔的流體流量。
9.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括利用雷諾數(shù)的值和可變節(jié)流孔開口的幾何參數(shù)來確定所述可變節(jié)流孔的流量系數(shù)。
10.一種用于計(jì)量流體流量的具有可變節(jié)流孔類型的裝置，包括由流體流導(dǎo)管和相對(duì)于所述流體流導(dǎo)管可移動(dòng)以便改變節(jié)流孔尺寸的元件所限定的尺寸可變的節(jié)流孔；配置成確定所述節(jié)流孔上的壓差并產(chǎn)生壓力信號(hào)的壓力傳感器；配置成確定所述元件相對(duì)于所述導(dǎo)管的位置并產(chǎn)生位置信號(hào)的定位裝置；以及處理器，配置成利用壓力信號(hào)、位置信號(hào)以及依賴于所述壓力信號(hào)和所述位置信號(hào)的排放系數(shù)或依賴于所述壓力信號(hào)、所述位置信號(hào)和流體粘度及密度的流量系數(shù)來確定所述流體流量。
11.權(quán)利要求10的裝置，進(jìn)一步包括配置成確定流體溫度的溫度傳感器。
12.權(quán)利要求11的裝置，其中所述流體溫度用于確定所述流體粘度和密度。
13.權(quán)利要求10的裝置，進(jìn)一步包括所述處理器可訪問的非易失性存儲(chǔ)器，其中用于確定流量系數(shù)或排放系數(shù)的多個(gè)常數(shù)存儲(chǔ)于該非易失性存儲(chǔ)器中。
14.一種計(jì)量通過可變節(jié)流孔的流體流量的方法，所述流體具有密度和粘度，所述方法包括以下步驟確定由所述可變節(jié)流孔所限定的節(jié)流孔幾何參數(shù)；測(cè)量所述可變節(jié)流孔上的壓差；利用所述節(jié)流孔幾何參數(shù)、所述壓差、所述密度和所述粘度來確定雷諾數(shù)除以流量系數(shù)的值(Re/K)；利用所述節(jié)流孔幾何參數(shù)和所確定的(Re/K)值確定流量系數(shù)；以及利用所確定的流量系數(shù)確定通過所述可變節(jié)流孔的流體流量。
15.權(quán)利要求14的方法，其中，確定所述流量系數(shù)包括利用低次單變量多項(xiàng)式和三角剖分表面插值出所述流量系數(shù)的值。
16.權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括確定所述流體的溫度和利用所確定的溫度確定所述密度和所述粘度。
17.權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括通過針對(duì)預(yù)先確定的壓力條件和節(jié)流孔開口幾何參數(shù)集測(cè)量通過可變節(jié)流孔開口的流體流量，確定校準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)集，其中，所確定的節(jié)流孔幾何參數(shù)和所測(cè)量的壓力條件在所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間。
18.權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括針對(duì)每個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)確定Re/K值，以及針對(duì)所確定的壓力條件和節(jié)流孔幾何參數(shù)、利用所確定的Re/K值，使用低次單變量多項(xiàng)式和三角剖分表面來插值出流量系數(shù)的值。
全文摘要
一種提高可變節(jié)流孔流量計(jì)的精度的方法，包括針對(duì)不同的節(jié)流孔開口和不同的差壓來表征流量計(jì)節(jié)流孔的流量系數(shù)。該方法對(duì)于如下流量計(jì)量和控制裝置特別有用，該裝置包括具有至少一個(gè)平面內(nèi)壁的流體流導(dǎo)管和具有配置成與所述流體流導(dǎo)管的至少一個(gè)平面內(nèi)壁配合的直線邊緣的元件。該元件相對(duì)于所述導(dǎo)管可移動(dòng)，以便限定流量節(jié)流孔并改變所述節(jié)流孔的橫截面積。該裝置也包括處理器，配置成基于節(jié)流孔的橫截面積、差壓和流量系數(shù)來計(jì)算流體流量。
文檔編號(hào)G01F15/02GK101040167SQ200580025190
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者約翰·艾倫·基爾布, 格蘭特·布雷德利·愛德華茲, 丹尼斯·約翰·史密斯 申請(qǐng)人:瑞瓦泰克公司