專利名稱：帶氣泡檢測的流量測量和控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來測量和控制液體流量的系統(tǒng)和方法，更明確地說涉及用來在氣泡可能存在于液流中的環(huán)境測量和控制液體流量的系統(tǒng)和方法。
現(xiàn)有技術(shù)存在一些用來測量在導(dǎo)管、管路或管道中流動的液體的流速的技術(shù)。這些技術(shù)包括熱流量計，coriolis力流量計，差壓流量計和超聲波流量計。通常，液體流量計測知一個或多個與液體的流速(例如，體積流速或質(zhì)量流速)相對應(yīng)的能校準的流動參數(shù)。這樣的流量計既能作為通過感興趣的系統(tǒng)的液體流量的陰性監(jiān)視器(即，作為流量計使用)，也能作為在控制感興趣的系統(tǒng)的液體流量的閉環(huán)反饋系統(tǒng)中的傳感器元器件使用(即，作為流量計在流速控制器中使用)。

發(fā)明內(nèi)容
當氣泡進入任何類型的流量計的傳感器導(dǎo)管的時候，流量計以它的流量測量結(jié)果為基礎(chǔ)的信號可能受到干擾。這能導(dǎo)致虛假的測量結(jié)果。在流量計作為關(guān)閉環(huán)流量控制器的傳感器元器件工作的場合，閉環(huán)系統(tǒng)可能對虛假的信號產(chǎn)生反應(yīng)并且試圖抵消認為引起液體流速改變的事物。這可能導(dǎo)致受控流動的不穩(wěn)定，干擾控制器以與(通常由使用者設(shè)定的)設(shè)定點相對應(yīng)的速率提供穩(wěn)定流動的目的。雖然氣泡的出現(xiàn)能(不同程度地)影響任何類型的流量計或控制器，但是對于超聲波型的流量計，特別是在這樣的超聲波流量計被用來測量或控制較低的流速(例如，5到50毫升/分鐘或更低)的時候尤為棘手。申請人已認識到傳統(tǒng)的超聲波流量計和流量控制器缺乏檢測和響應(yīng)氣泡在傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)和不顧氣泡在傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)保持穩(wěn)定狀態(tài)的能力，尤其是在它們被用來測量和/或控制這種較低的流速的時候。
申請者已經(jīng)研發(fā)了即使在氣泡通過傳感器系統(tǒng)的時候也能實現(xiàn)穩(wěn)定的液體流量控制操作的系統(tǒng)和方法。申請者研發(fā)的系統(tǒng)和方法能使氣泡對液體流量測量結(jié)果或受控的液體流速的影響減到最小。
在可仿效的實施方案中，本發(fā)明的液體流量傳感器系統(tǒng)測知指示在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速的流量信號。該系統(tǒng)分析該流量信號確定氣泡是否存在于傳感器導(dǎo)管中，舉例來說，通過檢測該信號的特征變化。在系統(tǒng)確定有氣泡出現(xiàn)的時候，它可能產(chǎn)生指示氣泡出現(xiàn)的報警信號。在把流量傳感器作為閉環(huán)控制的反饋源并入并且包括氣泡檢測的流量控制系統(tǒng)的可仿效實施方案中，該流量控制系統(tǒng)可以通過在氣泡退出傳感器導(dǎo)管之前暫時凍結(jié)流量控制參數(shù)來響應(yīng)氣泡檢測結(jié)果。這樣，該系統(tǒng)可以避免由于閉環(huán)流量控制試圖跟蹤因出現(xiàn)氣泡引起的虛假的流量傳感器信號所引起的流速不穩(wěn)定。
依照本發(fā)明的一個方面，提供測量在液體流量傳感器中流動的液體的流速的方法，其中所述液體流量傳感器包括傳感器導(dǎo)管，而所述液體包括在其中形成的眾多氣泡。所述方法包括下述行為重復(fù)地測知指示在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速的流量信號；基于所述流量信號的至少一個參數(shù)確定是否有至少一個氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留；響應(yīng)在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中沒有氣泡停留的推定，基于最新近測知的流量信號提供指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號；以及響應(yīng)至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定提供下述信號至少其中之一a)以最新近測知的流量信號為基礎(chǔ)的流速信號和指示那至少一個氣泡出現(xiàn)的報警信號和b)以不同于最新近測知的流量信號的其它信號為基礎(chǔ)指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號。
依照一個液體流量傳感器包括超聲波液體流量傳感器的實施方案，流量信號的那至少一個參數(shù)包括超聲波流量信號的振幅。依照這個實施方案，所述方法可以進一步包括響應(yīng)重復(fù)測知行為計算超聲波流量信號振幅的數(shù)值的加權(quán)總和(例如，連續(xù)觀測平均值)的行為，其中所述確定行為包括確定最新近測知的超聲波流量信號振幅數(shù)值偏離所述加權(quán)總和是否超過某個確定量的行為。
依照另一個液體流量傳感器包括超聲波液體流量傳感器而且流量信號包括超聲波飛行時間差流量信號的實施方案，流量信號的那至少一個參數(shù)包括超聲波飛行時間差流量信號的幅度。依照進一步的實施方案，所述的確定行為包括確定超聲波飛行時間差流量信號的幅度偏離之前的超聲波飛行時間差流量信號的幅度是否超過閾值的行為。依照本發(fā)明更進一步的實施方案，超聲波飛行時間差流量信號的幅度可以用來以超聲波流量信號振幅為基礎(chǔ)與氣泡檢測組合提供氣泡出現(xiàn)在傳感器導(dǎo)管中的早期檢測。
依照本發(fā)明的另一方面，提供一種控制液體通過與可控閥門和液體流量傳感器耦合的流動導(dǎo)管的流速的方法。該液體流量傳感器包括傳感器導(dǎo)管而所述液體包括在其中形成的眾多氣泡，所述方法包括下述行為重復(fù)地測知指示在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速的流量信號；基于所述流量信號的至少一個參數(shù)確定是否有至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中；響應(yīng)沒有氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定基于最新近測知的流量信號把控制參數(shù)提供給可控閥門；響應(yīng)有至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定基于不同于最新近測知的流量信號的其它信號把控制參數(shù)提供給可控閥門；以及依照所述控制參數(shù)控制該可控閥門。
依照一個實施方案，所述方法進一步包括響應(yīng)重復(fù)地測知行為計算所述流量信號的那至少一個參數(shù)的數(shù)值的加權(quán)總和(例如，連續(xù)觀測平均值)的行為，其中所述的確定行為包括確定所述流量信號的那至少一個參數(shù)的最新近測知的數(shù)值偏離所述加權(quán)總和是否超過某個確定量的行為。依照另一個實施方案，基于不同于最新近測知的流量信號的其它信號提供控制參數(shù)的行為包括提供最新近提供的控制參數(shù)，就所述控制參數(shù)而言先前已確定在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中沒有氣泡停留。
依照更進一步的實施方案，所述方法進一步包括下述行為響應(yīng)有至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定等待預(yù)定的時間周期；在預(yù)定的時間周期之后基于所述流量信號的那至少一個參數(shù)確定那至少一個氣泡是否仍然停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中；以及響應(yīng)那至少一個氣泡仍然停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定執(zhí)行受控的過載程序把那至少一個氣泡從傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中除去。在一個實施方案中，受控過載程序包括打開和關(guān)上可控閥門。
依照本發(fā)明進一步的方面，為可能包括在其中形成的眾多氣泡的液體提供一種用來測量在流動導(dǎo)管中流動的液體的流速的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括液體流量傳感器，該液體流量傳感器包括與流動導(dǎo)管和氣泡檢測組件流體耦合的傳感器導(dǎo)管。所述液體流量傳感器被配置成測知在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速并且提供指示在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速的流量信號。
氣泡檢測組件與液體流量傳感器耦合接收所述流量信號并且基于所述流量信號的至少一個參數(shù)確定是否有至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中。該氣泡檢測組件被配置成響應(yīng)沒有氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定基于最新近測知的流量信號提供指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號，以及響應(yīng)有至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定至少提供下列兩組信號之一a)以最新近測知的流速信號為基礎(chǔ)的流量信號和指示那至少一個氣泡出現(xiàn)的報警信號，和b)以不同于最新近測知的流量信號的其它信號為基礎(chǔ)指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號。
依照一個指向流量控制器的實施方案，所述系統(tǒng)進一步包括與所述流動導(dǎo)管的體連通的可控閥門，該可控閥門基于提供給它的控制參數(shù)控制在流動導(dǎo)管中流動的液體的流速；以及與液體流量傳感器和可控閥門耦合接收來自液體流量傳感器的流量信號并且把控制參數(shù)提供給可控閥門的控制器。依照一個實施方案，氣泡檢測組件是在所述的控制器中實現(xiàn)的，其中，在推定沒有氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中之時，所述控制器把以最新近測知的流量信號為基礎(chǔ)的控制參數(shù)提供給可控閥門，而在推定有至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中之時，所述控制器把以不同于最新近測知的流量信號的其它信號為基礎(chǔ)的控制參數(shù)提供給可控閥門。
在指向流量控制器的替代實施方案中，其中所述氣泡檢測組件提供以最新近測知的流量信號為基礎(chǔ)的流速信號和響應(yīng)有至少一個氣泡停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的推定指示有至少一個氣泡出現(xiàn)的和報警信號，所述系統(tǒng)進一步包括與流動導(dǎo)管流體連通的可控閥門，該可控閥門基于提供給它的控制參數(shù)控制在流動導(dǎo)管中流動的液體的流速；以及與氣泡檢測組件耦合接收流速信號和報警信號并且把控制參數(shù)提供給可控閥門的控制器。在進一步的實施方案中，響應(yīng)報警信號，所述控制器把提供給可控閥門的控制參數(shù)凍結(jié)在之前的數(shù)值。在另外一個實施方案中，響應(yīng)報警信號，控制器被配置成等待預(yù)定的時間周期，并且在推定有至少一個氣泡仍然停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中而且該預(yù)定的時間周期已經(jīng)過去之時實現(xiàn)受控的過載程序把那至少一個氣泡從傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中除去。


依照本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的可仿效實施方案將通過參照未依比例繪制的附圖得以理解。在這些附圖中，舉例說明的每個相同的或幾乎相同的組成部分將用相似的標志符標注在各種不同的附圖中。為了清楚起見，可能并非在每幅附圖中標注每個組成部分。在這些附圖中圖1是液體流量測量和/或控制系統(tǒng)可仿效的實施方案的示意圖；圖2是舉例說明檢測和響應(yīng)氣泡在液體流量測量和/或控制系統(tǒng)的傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)的方法的可仿效實施方案的流程圖；圖3是舉例說明檢測和響應(yīng)氣泡從液體流量測量和/或控制系統(tǒng)的傳感器導(dǎo)管中退出的方法的可仿效實施方案的流程圖；圖4是舉例說明檢測氣泡在液體流量系統(tǒng)的傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)的方法的可仿效實施方案的流程圖；
圖5是舉例說明檢測氣泡在液體流量系統(tǒng)的傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)的方法的可仿效實施方案的流程圖；圖6是舉例說明檢測氣泡在液體流量系統(tǒng)的傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)的方法的可仿效實施方案的流程圖；圖7A舉例說明在氣泡進入傳感器導(dǎo)管之前超聲波傳感器導(dǎo)管的信號；圖7B舉例說明當氣泡到達傳感器導(dǎo)管入口的時候超聲波傳感器導(dǎo)管的信號；圖7C舉例說明當氣泡經(jīng)過第一轉(zhuǎn)換器的時候超聲波傳感器導(dǎo)管的信號；圖7D舉例說明當氣泡越過導(dǎo)管中央的時候超聲波傳感器導(dǎo)管的信號；圖7E舉例說明當氣泡到達第二轉(zhuǎn)換器的時候超聲波傳感器導(dǎo)管的信號；圖7F舉例說明當氣泡到達導(dǎo)管出口端的時候超聲波傳感器導(dǎo)管的信號；圖7G舉例說明在氣泡退出傳感器導(dǎo)管之后超聲波傳感器導(dǎo)管的信號；圖8舉例說明當氣泡越過流量傳感器的傳感器導(dǎo)管的時候超聲波流量傳感器信號對時間的曲線圖；
圖9舉例說明當氣泡越過流量傳感器的傳感器導(dǎo)管的時候從超聲波流量傳感器獲得的差分飛行時間信號對時間的曲線圖；圖10舉例說明依照本發(fā)明可能使用的超聲波流量計傳感器導(dǎo)管的可仿效實施方案。
具體實施方法參照圖1，依照本發(fā)明的某些方面舉例說明液體控制系統(tǒng)的一個例子的示意方框圖。系統(tǒng)100如同舉例說明的那樣包括可控閥門108，液體如同用線/箭頭104指出的那樣流過該可控閥門。人們將領(lǐng)會到雖然下面的討論將從根本上認為元素108是可控制的或可變的閥門，但是元素108也可能是另一種類型的液體調(diào)節(jié)器，例如，泵。閥門108可能是，舉例來說，可以通過調(diào)節(jié)改變通過該系統(tǒng)的液體的流速的電子控制的可變閥門。閥門108受控制器120控制，如同用線114指出的那樣?？刂破?20可能是，舉例來說，基于微處理器的控制器。液體流量計110可能如圖所示放置在閥門108的下游。作為替代，液體流量計110可能安排在閥門108的上游。液體的流量可以用經(jīng)由線路119直接地或如同線118和122指出的那樣間接地與控制器120通信的流量計110測量。如圖1所示，在一個例子中，流量計110可以與液體管線104是一個整體，以致在液體管線104中流動的液體也流過流量計110。人們將領(lǐng)會到流量計110可能與液體管線104是一個整體，也可能被放置在支路或旁路液體管線中，以致流量計110只可能測量整個液流的一部分。
在傳統(tǒng)的液體流量控制系統(tǒng)中，來自流量計指示液體流速的信號可能被發(fā)送給控制器120，而控制器120可能適合使用流量計110提供的諸如液體流速之類的信息監(jiān)視液體的流速和控制閥門108以實現(xiàn)所需要的流速，借此提供系統(tǒng)100的液體流量閉環(huán)控制。舉例來說，在一個實施方案中，液體流速的控制是用控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，在所述控制系統(tǒng)中液體流量計110是閉環(huán)系統(tǒng)的反饋元素。流量計110產(chǎn)生指示通過液體管線104的液體的流速的電子信號。流量計信號可以提供液體流量的實時反饋并且可以輸入到控制器120?？刂破?20提供的信號輸入到調(diào)節(jié)器驅(qū)動閥門108(如同用線114指出的那樣)而且可以用來控制閥門108，以便在需要實現(xiàn)預(yù)期的液體流速的時候改變流速。預(yù)期的液體流速也可能是給控制器120的輸入?yún)?shù)。舉例來說，液體可能是從來源102(該來源可能是，舉例來說，系統(tǒng)100的上游元素，儲藏元素和類似的東西)進入系統(tǒng)100的列舉部分的。來源102也可能包括傳感器，該傳感器可以如同線112指出的那樣把諸如可用液體的數(shù)量設(shè)定點和極限、溫度、壓力、濃度、密度之類的信息提供給控制器120而且可能把液體的初始流速提供給控制器120?？刂破?20可能適合使用這樣的信息和其它的輸入來調(diào)節(jié)液體管線104中的液體流速。
在依照本發(fā)明的流量控制系統(tǒng)的可仿效實施方案中，氣泡檢測組件124可以如同線118表現(xiàn)的那樣分析由流量計提供的一個或多個信號。然后，氣泡檢測組件124可以如同用線122舉例說明的那樣把信息傳送給控制器120。傳送給控制器120的信息可能包括當前的流量計信號118、一個或多個之前的流量計信號和/或指示氣泡在流量計110中出現(xiàn)或缺席的報警信號(例如，布爾標記)。雖然氣泡檢測組件124在圖1被舉例為獨特的組件，但是，在其它的實施方案中，它可能被并入流量計110或控制器120。在氣泡檢測組件124被并入流量計110的情況下，它可以在把信息傳送給控制器之前對流量計信號作氣泡出現(xiàn)方面的分析。在氣泡檢測組件被并入控制器120的實施方案中，它可能對從流量計118輸入的信號作氣泡出現(xiàn)方面的分析，以致控制器可以因此如同下面更詳細地進一步描述的那樣作出反應(yīng)。
除此之外，如圖1所示，控制器120可以與用戶界面128耦合，該用戶界面可能是，舉例來說，圖解式的用戶界面。用戶界面128可能允許使用者監(jiān)視該系統(tǒng)并且把輸入提供給控制器120，如同線126所指出的那樣。使用者可能能夠借助用戶界面128觀察該系統(tǒng)的(由控制器120或流量計110提供的)參數(shù)并且把輸入(舉例來說，預(yù)期的液體流速(即，液體流速設(shè)定點)和/或流速的上限和下限)提供給控制器120。控制器120可以把各種不同的信息(包括，舉例來說，實際流速、超出界限警報和數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)判斷支持信息)輸出到用戶界面128。人們應(yīng)該領(lǐng)會到控制器120可能改為與另一個系統(tǒng)計算機耦合，或連同與用戶界面128耦合。氣泡檢測組件124也可能與用戶界面128耦合，如同線130示意地舉例說明的那樣。因此，舉例來說，用戶界面128可能通過顯示警報響應(yīng)從氣泡檢測組件124收到的指示出現(xiàn)氣泡的陽性報警信號。在氣泡檢測組件并入流量計110或控制器120的實施方案中，用戶界面可能接收直接來自流量計110或控制器120的氣泡警報狀況。
人們將領(lǐng)會到控制器120可能是用用來控制閥門108的多種程序之一編程的。舉例來說，控制器可能是為利用比例積分(PI)控制、比例積分微分(PID)控制之類的控制而編程的，舉例來說，在通過引證在此將其全部并入的共同擁有的美國專利第6,962,164號中連同熱質(zhì)流量計/控制器一起詳細描述的。在另一個例子中，控制器可能適合使用“無模型”自適應(yīng)控制算法驅(qū)動閥門108。這種方法包括與在系統(tǒng)中流動的特定液體無關(guān)并且不需要該系統(tǒng)的動力學先驗知識的“基于神經(jīng)原的”反饋控制算法。這種方法的至少一個實施方案是在通過引證在此被全部并入的授權(quán)給George Shu-Xing Cheng的美國專利第6,684,112號中詳細描述的。
依照一個實施方案，流量計110可能是適合使用通過待測定液體流速的液體傳播的超聲波的參數(shù)的超聲波流量計。這樣的參數(shù)可能包括通過液體傳播的超聲波信號的振幅、頻率和/或飛行時間?？梢允褂贸暡ㄐ盘柎_定液體流速的方式的說明性例子是在，舉例來說，在此通過引證被全部并入的共同擁有的以“Ultrasonic Liquid Flow Controller”為題的美國專利申請第10/878,974號(公開號為US20050288873A1)中描述的。在其它的實施方案中，可能使用其它類型的流量計，包括但不限于科里奧利力流量計、熱流量計或其它技術(shù)上已知的流量計。
圖2是以全面縱覽的方式從功能上舉例說明可以用流量計和/或流量控制器系統(tǒng)實現(xiàn)對氣泡在傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)的檢測和響應(yīng)的可仿效方法的流程圖。該系統(tǒng)可能從來自使用者啟動指令或輸入開始，舉例來說，啟動流量控制。在可仿效的實施方案中，該系統(tǒng)定期地測量通過流量計的流量，接收流量計信號(方框202)。流量計信號的性質(zhì)將取決于在該系統(tǒng)中使用的流量計的類型。收到的流量計信號可能是來自流量計的原始信號、總體上與系統(tǒng)中的液體流速相對應(yīng)的經(jīng)過校準的信號、或原始信號參數(shù)和經(jīng)過校準的測量結(jié)果的某種組合。在一些實施方案中，收到的流量計信號可能被記錄或儲存在與控制器120、流量計110或氣泡檢測組件124相關(guān)聯(lián)的存儲器中。
在方框204中，系統(tǒng)分析流量計信號并且確定該信號是否指出氣泡存在于流量計的傳感器導(dǎo)管中(方框208)。氣泡的出現(xiàn)能以使分析流量計信號(或隨著時間推移流量計信號參數(shù)的演變)檢測氣泡進入和/或退出傳感器導(dǎo)管變成可能的表征方式干擾流量計信號。在流量計信號中這樣的特征性變化的例子將在下面進一步討論。
在流量計信號的分析結(jié)果或許多收到的流量計信號的分析結(jié)果指出氣泡存在于傳感器導(dǎo)管中的情況下，可仿效的系統(tǒng)可能以多種方式響應(yīng)，取決于流量計和氣泡檢測系統(tǒng)究竟是作為圖1所示的流量控制系統(tǒng)的一部分配置的還是或正被用來顯示、記錄或聯(lián)機存入通過該系統(tǒng)的液體流量的參數(shù)的測量結(jié)果(方框210)。如果流量計正被用來顯示、記錄、或聯(lián)機存入液體流量測量結(jié)果，那么在檢測氣泡之時，該系統(tǒng)可能提供以檢測氣泡之前記錄的一個或多個流速信號為基礎(chǔ)的流速信號。舉例來說，該系統(tǒng)可能把顯示、記錄或聯(lián)機存入的數(shù)值凍結(jié)在氣泡檢測之前測量的最后一個流速或氣泡檢測之前獲得的某固定數(shù)量的流速測量結(jié)果的平均值(方框212)。以這種方式，作為氣泡中斷流量計操作的結(jié)果發(fā)生的虛假流速讀數(shù)將不顯示或記錄。作為凍結(jié)流速(方框212)的替代或補充，流量計也可能產(chǎn)生能用來通知使用者和/或系統(tǒng)其它部分已檢測到氣泡(并因此在出現(xiàn)氣泡期間提供的任何流速測量結(jié)果可能不準確)的報警信號。舉例來說，報警信號可能是布爾標記，該布爾標記能被設(shè)定并且傳送給傳給控制器(例如，作為獨立的信號或圖1中的信號122的一部分)和/或傳送給用戶界面(即，圖1中的信號130)和/或?qū)懭霚y量日志。
在流量計和氣泡檢測系統(tǒng)被并入流量控制系統(tǒng)的場合(即，控制流量嗎？是)，于是，該系統(tǒng)可以通過凍結(jié)控制器120用來控制可控閥門108的流量控制參數(shù)響應(yīng)在傳感器導(dǎo)管中檢測到氣泡的檢測結(jié)果(方框214)。這樣，當氣泡出現(xiàn)的時候能維持穩(wěn)定的流量，而不是流量控制器跟蹤和響應(yīng)由于氣泡出現(xiàn)在傳感器導(dǎo)管中引起的虛假的流量計信號。凍結(jié)控制參數(shù)(方框214)能以多種方式實現(xiàn)。在一個可仿效的實施方案中，控制器120接收來自氣泡檢測組件124的陽性報警信號，指出出現(xiàn)氣泡，并且響應(yīng)那個信號凍結(jié)控制參數(shù)(例如，可控閥門設(shè)定)。在其它的實施方案(包括氣泡檢測組件124與流量計110成為一個整體的實施方案)中，控制參數(shù)可以通過把固定的流量計信號提供給控制器120被有效地凍結(jié)，舉例來說，以之前的流量計信號為基礎(chǔ)。在控制器120基于它收到的流量計信號計算控制參數(shù)的實施方案中，只要它接收固定的流量計信號，它就不改變控制參數(shù)。這個固定的流量計信號可能是在檢測到氣泡之前收集的最后一個流量計信號。作為替代，該固定的流量計信號可能是之前記錄的許多流量計信號的加權(quán)總和(例如，平均值)，或者可能是適合當氣泡出現(xiàn)在傳感器導(dǎo)管中的時候使控制器響應(yīng)(并因此使通過導(dǎo)管104的流量)穩(wěn)定的任何固定的流量計信號。
圖3是舉例說明流量計或流量控制器系統(tǒng)的可仿效實施方案對氣泡從傳感器導(dǎo)管退出的響應(yīng)的流程圖。在方框214(圖2)中已在檢測到氣泡之時凍結(jié)了控制參數(shù)和/或流量測量結(jié)果，可仿效的系統(tǒng)現(xiàn)在可能在等待表征氣泡從傳感器導(dǎo)管中退出的流量計信號檢測結(jié)果(方框300)。該系統(tǒng)可能定期地記錄來自流量計的信號(方框302)并且分析這些信號(方框304)找出表征氣泡從傳感器導(dǎo)管中退出的特征。與檢測到氣泡在傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)的情況一樣，該系統(tǒng)如同下面進一步詳細討論的那樣為了檢測表征氣泡從傳感器導(dǎo)管退出的變化可能分析流量計信號、許多記錄下來的流量計信號的集合和/或流量計信號參數(shù)隨時間的演變。該系統(tǒng)可以以許多不同的方式響應(yīng)氣泡退出的檢測結(jié)果(步驟308)，取決于流量計和氣泡檢測系統(tǒng)究竟是作為流量控制系統(tǒng)(例如，圖1舉例說明的那個系統(tǒng))的一部分配置的還是被用來陰性地顯示、記錄或聯(lián)機存入通過系統(tǒng)的液體流量的測量結(jié)果(方框310)。在流量計和氣泡檢測系統(tǒng)被用來顯示、記錄或聯(lián)機存入液體流量測量結(jié)果的可仿效實施方案中，在檢測到氣泡退出之時，該系統(tǒng)可能只是重新開始新測量值的顯示、記錄或聯(lián)機存入(方框318)。在一些實施方案中，流量計系統(tǒng)可能(除了或改為重新開始顯示或記錄測量結(jié)果之外)重新設(shè)定報警信號和/或傳送指出沒有氣泡的信號。這樣的信號可能被，舉例來說，用戶界面128和/或控制器120接收。
在流量計和氣泡檢測系統(tǒng)被并入流量控制系統(tǒng)的實施方案中，該系統(tǒng)通過重新開始流量控制(即允許控制器120根據(jù)流量計信號改變流量控制參數(shù))響應(yīng)氣泡從傳感器導(dǎo)管退出的檢測結(jié)果(方框320)。這能以多種方式實現(xiàn)。在一個可仿效的實施方案中，控制器120接收來自氣泡檢測組件124的指出氣泡退出的信號(例如，響應(yīng)氣泡檢測結(jié)果產(chǎn)生的解除警報信號)并且響應(yīng)那個信號重新開始動態(tài)流量控制。在其它的實施方案(包括氣泡檢測組件124與流量計110成為一個整體的實施方案)中，控制參數(shù)可以通過重新開始把當前來自流量計110的流量計信號提供給控制器120被有效地解凍。
在任一種情況下，無論流量計和氣泡檢測系統(tǒng)是作為圖1舉例說明的那種流量控制系統(tǒng)的一部分配置的，還是用來陰性地顯示、記錄或聯(lián)機存入通過系統(tǒng)的液體流量，該系統(tǒng)都可以包括在檢測到氣泡退出和重新開始動態(tài)流量控制和/或顯示或記錄測量結(jié)果之間的延遲(方框312、314)。這樣的延遲對于允許由于氣泡通過傳感器導(dǎo)管引起的流量計信號、流速或平滑的層流流動的任何中斷在重新開始記錄測量結(jié)果之前或在重新開始控制動態(tài)流量之前平息可能是有用的。
因此，在可仿效的實施方案中，響應(yīng)氣泡從傳感器導(dǎo)管退出的檢測(方框308)，可以開始某預(yù)定時間量(或者，在數(shù)字控制回路的情況下，某預(yù)定數(shù)目的處理或線程周期)的倒計時，而且掛起來的流量計測量結(jié)果和/或控制器參數(shù)可以延續(xù)到倒計時結(jié)束。這種延遲鎖存允許任何虛假信號在氣泡通過傳感器導(dǎo)管之后重新開始測量和/或流量控制之前平息。在可仿效的實施方案中，該延遲被這樣優(yōu)化，以致它既不如此短暫以致虛假的信號或流動紊流喧囂不可能尚未平息，也不如此長以致流動參數(shù)有機會漂移遠離設(shè)定點。在可仿效的實施方案中，大約100-150毫秒的延遲足以允許消除任何虛假信號或流動紊流而不必延遲重新開始實時測量和控制，但是對于某些實施方案較長的延遲可能是必要的。適當?shù)难舆t將取決于流量計和流量控制系統(tǒng)的具體落實，包括諸如流速、液體粘度、典型的氣泡尺寸、傳感器導(dǎo)管的直徑或取向之類的參數(shù)。
可仿效的流量計或流量控制系統(tǒng)也可能適合響應(yīng)在第一個氣泡退出開始的倒計時程序期間第二個氣泡進入傳感器導(dǎo)管。在一個實施方案，在第一個氣泡退出之后不久(即，在用方框312和/或314代表的延遲周期期間)第二個氣泡進入傳感器導(dǎo)管的情況下，流量計測量和/或控制器參數(shù)的重新開始可能被進一步延遲。一旦檢測到第二個氣泡退出就可以開始新的倒計時。
在替代實施方案中，而非檢測來自依照描述的傳感器導(dǎo)管的氣泡的出口上方，流量計和/或流量控制器系統(tǒng)可能被配置成在預(yù)先設(shè)定的時間量或預(yù)先設(shè)定數(shù)目的處理或線程周期之后重新設(shè)定警報信號、重新開始聯(lián)機存入測量結(jié)果和/或重新開始動態(tài)流量控制。適當?shù)念A(yù)先設(shè)定的持續(xù)時間能憑經(jīng)驗確定，而且可能取決于各種不同的系統(tǒng)參數(shù)，包括諸如流速、液體粘度、典型的氣泡尺寸、傳感器導(dǎo)管的直徑或取向之類的參數(shù)。
在特定的情況下，舉例來說，在流量的特色是低流速的情況下，和/或?qū)τ诘鸵后w壓力的情況，氣泡可能要花費較長的時間穿越傳感器導(dǎo)管，從而引起延長精確測知流動參數(shù)的中斷時間。由于那個理由，流量控制器的某些實施方案可能包括用來從傳感器導(dǎo)管對氣泡受控施力的方法，特別是在出現(xiàn)氣泡粘連的情況下。受控施力通常包括強迫典型地暫時改變通過傳感器導(dǎo)管的流速促使氣泡離開導(dǎo)管。在可仿效的實施方案中，用于受控施力的方法可以包括為了敲擊來自導(dǎo)管的氣泡快速地打開和關(guān)閉閥門的程序代碼。
在一些實施方案中，控制器可能從檢測到氣泡在流量控制系統(tǒng)中出現(xiàn)之時或從收到來自流量計或氣泡檢測組件的指出氣泡出現(xiàn)的警報信號之時開始計算時間和/或線程周期。除此之外，控制器可能用預(yù)期的氣泡通過傳感器導(dǎo)管的穿越時間編程或提供該穿越時間(例如，通過用戶界面或其它的數(shù)據(jù)來源)。采用那個信息，系統(tǒng)能以受控施力程序響應(yīng)氣泡需要花費比預(yù)期的穿越時間長得多的時間才能通過的情況。預(yù)估的氣泡穿越時間可能取決于多種系統(tǒng)參數(shù)(例如，液體的流速、粘度，導(dǎo)管直徑，等等)以及容易在系統(tǒng)中出現(xiàn)的氣泡的尺寸。舉例來說，較小的氣泡移動比較緩慢，因為液體傾向于在它們周圍移動而不是沿著導(dǎo)管推動它們。反之，較大的氣泡傾向于連同液體一起以液體流速流動，但是(取決于氣泡尺寸與導(dǎo)管直徑之比)可能傾向于在導(dǎo)管中粘連和/或引起不穩(wěn)定流動、湍流或節(jié)涌流。人們應(yīng)該領(lǐng)會到依據(jù)傳感器導(dǎo)管的取向(例如，傳感器導(dǎo)管究竟是安排在與地心引力或其它加速力的方向一致的方向還是安排在與這些力垂直的方向)，某些落實可能包括準備檢測和/或響應(yīng)粘連的氣泡，而其它的落實可能不包括這種準備。
在一個可仿效的實施方案中，在比預(yù)期的時間已過去但該系統(tǒng)還沒有檢測到氣泡退出的情況下，控制器可能在響應(yīng)時執(zhí)行快速打開和關(guān)閉控制閥門，暫時增加通過傳感器導(dǎo)管的流速以迫使氣泡出去。在這樣的實施方案中，閉環(huán)操作可能在執(zhí)行這個程序之前被中止然后再重新開始，使流速回到它的受控水平。在執(zhí)行受控施力程序之后流量計信號的分析指出氣泡仍然在流動導(dǎo)管里面的情況下，可以重復(fù)受控施力程序，直到收到特性上正常的流量信號和/或氣泡檢測信號指出氣泡不再存在為止。
不同于流量控制器，陰性的流量計不能強迫阻塞的氣泡離開傳感器導(dǎo)管。在流量計應(yīng)用中，可配置的報警輸出可能用來發(fā)信號指出已經(jīng)出現(xiàn)氣泡在傳感器導(dǎo)管中粘連的不正常的或破壞流動的情況。在一些實施方案中，這樣的標記可能被設(shè)定并且發(fā)送到用戶界面，和/或連同來自流量計的測量結(jié)果一起被記錄或聯(lián)機存入。
如上所述，氣泡在傳感器導(dǎo)管中出現(xiàn)或消失能通過分析流量計信號參數(shù)的特征性變化檢測出來。現(xiàn)在描述可仿效的氣泡檢測系統(tǒng)。
本領(lǐng)域中已知的流量控制器的一個例子使用超聲波流量傳感器把液體流速反饋提供給控制器。超聲波流量傳感器通過使一個或多個超聲波信號穿過液體傳播和測量流動液體可能具有的對傳播信號的一種或多種影響來測量通過傳感器導(dǎo)管的液體流速。舉例來說，超聲波液體流量傳感器可能檢測通過流動液體傳播的超聲波信號的頻率、相位或時間的改變來確定測量流速的經(jīng)過時間(飛行時間)。這樣的超聲波傳感器和與它們合并的控制器已有描述，舉例來說，在美國專利第6,055,868號、第5,974,897號和第3,575,050號以及美國專利申請公開第US2005/0288873A1號。
在可仿效的超聲波流量傳感器中指出氣泡出現(xiàn)的特征信號的例子是在圖7A-7G中舉例說明的。超聲波流量傳感器700包括傳感器導(dǎo)管712和超聲波轉(zhuǎn)換器702和704。供超聲波流量計使用的替代傳感器導(dǎo)管1000可能有不同的形狀，例如，圖10所描繪的和通過引證在此并入的Thomas Owen Maginnis和Kim NgocVu于2006年8月10日以“Ultasonic Flow Sensor”為題在代理人案卷第C1138-700910號之下申請的共同擁有的共同未定的美國專利申請所描述的。在圖7A列舉的實施方案中，液體沿著流動方向710流過導(dǎo)管712。在操作期間，超聲波信號是每個轉(zhuǎn)換器702和704產(chǎn)生的并且被允許通過流動液體傳播以供另一個轉(zhuǎn)換器檢測。液體的流速能被這樣確定，舉例來說，依據(jù)與沿著流動方向710的反方向傳播的超聲波信號相比較沿著流動方向710傳播的超聲波信號的頻率、相位或時差的互相關(guān)分析確定飛行時間。
在可仿效的實施方案中，喳喳聲信號(例如，在圖7A中用參考數(shù)字720表示的信號)是在轉(zhuǎn)換器702產(chǎn)生的并且被允許通過液體傳播到轉(zhuǎn)換器704。為了確定氣泡708是否存在于傳感器導(dǎo)管712之中，可以分析該信號的振幅變化。這些變化被示意地展示在圖7A-7G中而且被示意地在圖8中畫出對時間的曲線。(雖然這個討論考慮超聲波信號沿著流動方向傳播的可仿效情形，但是，在一些實施方案中喳喳聲信號720是在轉(zhuǎn)換器704產(chǎn)生的而且向上游傳播到轉(zhuǎn)換器702。在進一步的實施方案中，使用沿著兩個方向傳播的信號。)在圖7A中，在氣泡708進入傳感器導(dǎo)管之前，接收信號的振幅是隨著時間相對穩(wěn)定的(圖8中的點A)。當氣泡708接近通往傳感器導(dǎo)管的測量段入口的時候(如圖7B所示)，接收信號的振幅立刻增加，如同在圖7B中用參考數(shù)字722和在圖8中以點B舉例說明的那樣。接收信號振幅的這個瞬間增加似乎與流量計電子器件對收到的流量信號施加的增益的變化無關(guān)(因為它發(fā)生在通常比流量計電子器件的增益控制的響應(yīng)時間短得多的時間周期里)，而且被認為是歸屬于在通往導(dǎo)管712的入口從氣泡708反射回來的超聲波信號而且在相位方面正在用朝向轉(zhuǎn)換器704的方向行進的傳輸波前加強。不管物理機制，所觀察到的信號振幅變化是氣泡出現(xiàn)的特征并因此能用來檢測氣泡。
當氣泡708到達轉(zhuǎn)換器702的時候(如圖7C所示)，轉(zhuǎn)換器704檢測到的信號的振幅開始驟然衰減，如同用參考數(shù)字724(圖8中的點C)舉例說明的那樣。圖7D舉例說明當氣泡708正在穿越傳感器導(dǎo)管712的中央?yún)^(qū)域的時候收到的信號728(圖8中的點D)。這些圖舉例說明為什么用來補償氣泡708出現(xiàn)的系統(tǒng)是有價值的；沒有這樣的系統(tǒng)，信號振幅的這些瞬間變化將作為控制系統(tǒng)將試圖補償?shù)牧魉僮兓霈F(xiàn)在控制系統(tǒng)面前，從而可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的流動。
當氣泡708到達并通過轉(zhuǎn)換器704的時候(如圖7E所示)，接收信號730驟然上升(圖8中的點E)。通常，信號水平在穩(wěn)定到穩(wěn)態(tài)值之前可能突增。該突增可能至少部分地歸于當氣泡到達轉(zhuǎn)換器704的時候來自轉(zhuǎn)換器702的主要超聲波波前和來自氣泡708的反射波的相位的增強。反射信號隨著氣泡708通過傳感器導(dǎo)管的測量段移動逐漸減弱，如圖7F所示(圖8中的點F)。最后，如圖7G所示，當氣泡708離開傳感器導(dǎo)管712的時候，接收信號振幅734回到它的穩(wěn)態(tài)值(圖8中的點G)。
可仿效的氣泡檢測程序利用檢測到的信號振幅的特征時間演變(例如，圖7A-7G和圖8舉例說明的演變)來檢測氣泡708的出現(xiàn)。人們應(yīng)該領(lǐng)會到，圖7A-7G和圖8舉例說明的檢測信號振幅的時間演變反映用特定的流量傳感器在特定的流速范圍內(nèi)獲得的測量結(jié)果，而且檢測信號振幅的特征時間演變在供其它的傳感器配置和其它的流速使用的時候可能改變。經(jīng)驗的測量可以用其它的傳感器配置和在其它的流速下進行，以識別氣泡出現(xiàn)影響檢測信號振幅的方式，然后，氣泡檢測程序可能適合反映那個特征簽字。
依照本發(fā)明，提供用圖4從功能上舉例說明的可仿效的氣泡檢測程序，該程序?qū)⑦B續(xù)檢測的信號振幅與先前的信號振幅進行比較，尋找指示氣泡出現(xiàn)的特征，例如，圖7A-7G和圖8舉例說明的那些。在一個可仿效的實施方案中，氣泡檢測系統(tǒng)可以接收來自流量計的信號振幅數(shù)值(方框402)。在一個實施方案中，許多接收信號振幅可能被儲存在與流量計、流量控制器或氣泡檢測組件相關(guān)聯(lián)的存儲器中。該系統(tǒng)定期地將收到的振幅與先前收到并儲存的振幅進行比較，或者，作為替代，與多個先前收到并儲存的振幅進行比較(方框404)。在該系統(tǒng)檢測信號振幅的特征變化的情況下(例如，圖7A-7G和圖8所舉例說明的)(方框408)，如上所述，它可能在響應(yīng)時產(chǎn)生警報信號(方框410)。
進一步的可仿效實施方案計算檢測到的流量計信號振幅的加權(quán)總和，而且在該流量計信號振幅的接收振幅值偏離該加權(quán)總和達到，舉例來說，某個預(yù)定的閾值或數(shù)量的時候，在響應(yīng)中發(fā)送陽性氣泡檢測信號。舉例來說，圖5舉例說明的實施方案計算檢測到的超聲波信號振幅的連續(xù)觀測平均值，并且在該流量計信號的振幅的接收值偏離該連續(xù)觀測平均值的時候，在響應(yīng)中發(fā)送陽性氣泡檢測信號。人們應(yīng)該領(lǐng)會到，雖然檢測到的超聲波信號振幅的連續(xù)觀測平均值被用于這個實施方案，但是檢測到的超聲波信號振幅的其它形式的加權(quán)總和也可能被使用，因為本發(fā)明不局限于此。舉例來說，較新近接收的流量計信號振幅的數(shù)值可能被授予不同于(例如，高于)較早些接收的那些數(shù)值的權(quán)，而不是簡單地計算連續(xù)觀測平均值。該加權(quán)總和可能是用與流量計、流量控制器或氣泡檢測組件相關(guān)聯(lián)的處理器計算的，雖然人們應(yīng)該領(lǐng)會到，作為替代，這樣的加權(quán)總和可能是，舉例來說，通過使用低通濾波器過濾收到的流量計信號確定的。
依照圖5描繪的實施方案，接收信號的振幅可以被定期地抽樣并儲存在緩沖區(qū)中(方框502)，按某個預(yù)定的時間間隔抽取流量測量結(jié)果的樣本。一定數(shù)目N的樣本(例如，在一個可仿效的實施方案中20個樣本)可能被儲存起來。在一個可仿效的實施方案中，信號樣本可能被這樣儲存在堆棧中，以致當新的接收信號被抽樣的時候，新的數(shù)據(jù)被放置在頂端而舊的數(shù)據(jù)在堆棧中被向下推。在收集數(shù)據(jù)達到預(yù)定的樣本數(shù)目N之后，計算平均的信號振幅。實時地確定連續(xù)觀測平均振幅(而不是儲存預(yù)先設(shè)定的數(shù)值)的好處在于是不同的傳感器配置可以導(dǎo)致不同的信號強度，取決于傳感器的實際裝配，特定安排的流動參數(shù)和其它因素。因此，盡管可能使用預(yù)定的(即，在校準期間基于來自相似的傳感器及其它的測量結(jié)果確定的)振幅值作為基準，但是實時地確定連續(xù)觀測平均信號振幅是優(yōu)選的。
在獲得新的樣本的時候，最新的樣本被儲存在堆棧的頂端，而最陳舊的樣本(在堆棧的底部)被丟棄。定期地計算緩沖區(qū)中N個樣本的連續(xù)觀測平均值(方框504)。在可仿效的實施方案中，每逢一個新的樣本被放進該緩沖區(qū)之時就可能計算一次信號振幅連續(xù)觀測平均值。
在一個可仿效的實施方案中，在連續(xù)觀測平均值上下擴充的閾值水平窗口是作為氣泡檢測閾值選定的，以致在流量計信號振幅的接收值超過這個閾值或下降到這個閾值以下之時，假定已經(jīng)檢測到氣泡并產(chǎn)生陽性氣泡檢測信號(方框508、510)。該閾值可能被選定為在連續(xù)觀測平均值上下偏離某個百分比。舉例來說，閾值可能是偏離該連續(xù)觀測平均值10％、15％或20％。該閾值可能更大或更小，取決于一系列系統(tǒng)參數(shù)和操作條件。該閾值不需要相當于連續(xù)觀測平均值對稱。對確定閾值有貢獻的因素可能包括(但不限于)正在測量其流量的液體的粘度、工作溫度和壓力、泥漿型液體的顆粒含量，等等。在實踐中，最佳的閾值能通過反復(fù)試驗或和錯誤確定或者在校準期間，舉例來說，通過故意將氣泡注入傳感器導(dǎo)管和設(shè)定允許氣泡檢測達到預(yù)期效率的閾值水平(即，將未檢測到氣泡的次數(shù)和假陽性的次數(shù)減到最少)。將收到的流量計信號的振幅數(shù)值與閾值比較將減少假陽性氣泡檢測的可能性。
依照圖5所描繪的實施方案，收到的流量信號振幅值超過較高的閾值或落到較低的閾值以下之時，該系統(tǒng)在響應(yīng)時產(chǎn)生陽性氣泡檢測信號(方框508)。在一個可仿效的實施方案中，該陽性氣泡檢測信號可能只需要斷言氣泡存在的標記(即，將表示氣泡存在的布爾變量設(shè)定為某個特定的數(shù)值)。在氣泡離開傳感器導(dǎo)管(或至少離開傳感器導(dǎo)管的測量段)之前，該氣泡存在標記可能仍然保留。如上所述，氣泡存在標記能作為觸發(fā)信號被用于其它的控制和數(shù)據(jù)儲存操作，例如，凍結(jié)控制參數(shù)或凍結(jié)記錄的測量值。
在可仿效的實施方案中，在斷言氣泡存在標記之時，該系統(tǒng)可能在響應(yīng)時啟動計算時間(CPU時鐘周期，或者程序或線程周期的數(shù)目)的定時器。這個定時器能用來確定氣泡存在標記的斷言究竟是由于確實存在氣泡造成的還是由于收集數(shù)據(jù)時瞬間的雜散信號造成的。換句話說，在氣泡存在標記仍然被斷言的時間比預(yù)定時鐘周期或線程周期的最小數(shù)目少的情況下，該系統(tǒng)可能在響應(yīng)時把超出閾值范圍的漂移作為雜散信號而不是作為真實氣泡事件處理。另一方面，在氣泡存在標記被斷言的時間比某個預(yù)定的最大間隔(或者時鐘或線程周期的數(shù)目)長久的情況下，有可能是氣泡已經(jīng)完全阻塞傳感器導(dǎo)管并使流動停止。在這樣的環(huán)境中，該系統(tǒng)可能在響應(yīng)時開始對氣泡受控施力的行動使流動返回到正常的穩(wěn)態(tài)操作條件，如同前面討論過的那樣?？梢詥邮芸厥┝Τ绦虻哪莻€預(yù)定的最大間隔(或周期數(shù)目)取決于操作條件，例如，流速、液體粘度，等等。
在一些實施方案中，在氣泡通過傳感器導(dǎo)管時非常早地檢測到氣泡出現(xiàn)是令人想要的。具體地說，在超聲波流量計作為流量控制器中的傳感器部件使用的情況下，在氣泡破壞控制信號之前，，優(yōu)選在控制器有機會響應(yīng)氣泡出現(xiàn)所引起的虛假信號改變反饋參數(shù)(并因此改變流速)之前，盡快地檢測到氣泡是令人想要的。
在某些情況下，上述的移動的或連續(xù)觀測的平均閾值檢測將及時地測知氣泡，而且控制器將響應(yīng)陽性氣泡檢測信號，保持控制器參數(shù)，直到氣泡完全通過傳感器導(dǎo)管。然而，如同圖7b和圖8的點B舉例說明的那樣，在信號的振幅驟然上升之時，在信號振幅連續(xù)觀測平均值(或某種其它的加權(quán)總和)反映這個信號峰值之前和在控制系統(tǒng)對這個變化產(chǎn)生反應(yīng)之前，及早就這個信號峰值提醒控制器可能是有益的。所以，帶氣泡檢測的流量計的一個可仿效實施方案可以使用微分閾值檢測方案在控制器改變操作參數(shù)之前幫助非常早的階段檢測氣泡。
在一個實施方案中，微分閾值檢測以比振幅變化更敏感的飛行時間延遲差參數(shù)(在此用x0表示)的數(shù)值變化為基礎(chǔ)。飛行時間延遲差參數(shù)x0是在超聲波信號(例如，喳喳聲信號)從轉(zhuǎn)換器702傳播到轉(zhuǎn)換器704的飛越時間和超聲波信號沿著相反的方向從轉(zhuǎn)換器704傳播到轉(zhuǎn)換器702的飛越時間之間的差(換言之是下游飛越時間和上游飛越時間之間的差)。當前的數(shù)值x0[t]和先前的數(shù)值x0[t-1]之間的差可以被定期地計算出來，然后將這個合成差與預(yù)定的閾值比較(方框608，610)。
圖9舉例說明與圖7A-7G和圖8舉例說明的整個氣泡飛越序列對應(yīng)的飛行時間差數(shù)值x0[t]-x0[t-1]隨時間變化的曲線圖。從圖9能看到，當使用x0之差的時候，氣泡存在是作為非常接近在圖8中觀察到的特征信號序列的起點的陡峭尖峰出現(xiàn)的。
使用這樣的微分測量的氣泡檢測程序的可仿效實施方案是在圖6中從功能上舉例說明的。飛行時間延遲差參數(shù)x0的數(shù)值可以通過測量向下游飛行時間(方框602)、測量向上游飛行時間(方框604)和獲得差值(方框606)定期地計算出來。人們應(yīng)該領(lǐng)會到方框602和604可以按照相反的次序完成或同時完成。
在一個可仿效的實施方案中，飛行時間差x0[t]-x0[t-1]是每逢獲得一個新的x0數(shù)值就被計算一次。在確定該差值超過預(yù)定的閾值(微分閾值)之時，則猜測有氣泡并且可以產(chǎn)生陽性氣泡檢測信號，例如，斷言氣泡存在標記(方框610，612)。作為替代，為了將假陽性響應(yīng)的影響范圍減到最小，微分閾值條件可以在下一個線程周期被再一次檢驗，并且僅僅在再一次滿足閾值條件的情況下才產(chǎn)生陽性氣泡檢測信號。在任一情況下，該閾值都可以被選定為大于由于系統(tǒng)參數(shù)(例如，設(shè)定點的數(shù)值)的階梯式變化可能發(fā)生的x0的最大變化，所以在故意地改變流量參數(shù)的時候，不產(chǎn)生假陽性氣泡檢測信號。作為替代，微分氣泡檢測可以在改變設(shè)定點數(shù)值期間被暫時鎖在外面或掛起來。
作為x0的改變超過微分閾值的結(jié)果產(chǎn)生的陽性氣泡檢測信號可以如同前面描述的那樣用來凍結(jié)反饋參數(shù)或測量值，從而避免不穩(wěn)定的系統(tǒng)響應(yīng)由于出現(xiàn)氣泡產(chǎn)生的虛假信號。
微分檢測判據(jù)可以比連續(xù)觀測平均值檢測更早檢測出氣泡的出現(xiàn)，因此可以更早地提供警告，從而允許系統(tǒng)在控制器狀態(tài)被由氣泡出現(xiàn)引起的虛假信號惡化之前凍結(jié)控制器狀態(tài)。甚至在微分檢測先于連續(xù)觀測平均值檢測只有一兩個線程周期的情況下，它在促成控制系統(tǒng)在氣泡經(jīng)過期間的穩(wěn)定操作方面可能仍然是有用的。
在可仿效的實施方案中，微分檢測補充先前描述的連續(xù)觀測平均值檢測并且在氣泡進入傳感器導(dǎo)管期間大體上是活躍的。然而，它也能用來檢測圖9中第二個較小的峰所示的氣泡離開傳感器導(dǎo)管。
雖然在此主要描述本發(fā)明被用來在出現(xiàn)氣泡時提供流體流速的精確測量和/或控制，但是本發(fā)明的各個方面可以用于在出現(xiàn)氣泡可能影響測量和/或控制程序的情況下的其它目的。舉例來說，美國專利第5,569,844號描述使用超聲波測量固體在溶液/固體懸浮液(例如，CMP泥漿)中的粒度和粒度分布。844號專利描述氣泡的出現(xiàn)能限制這種測量的準確性并且指出氣泡通常需要在測量之前除去。本發(fā)明的各個方面可以很容易適應(yīng)這樣的粒度和粒度分布測量方案，檢測氣泡的出現(xiàn)，和/或把粒度和粒度分布的測量限制在沒檢測到氣泡的周期。適應(yīng)氣泡的出現(xiàn)可能影響測量和/或控制的其它技術(shù)可能也很容易想象。
至此雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明用來測量和控制液體流量的系統(tǒng)和方法的實施方案的若干方面，但是人們將領(lǐng)會到各種不同的變更、修正和改進對于熟悉這項技術(shù)的人將很容易發(fā)生。這樣的變更、修正和改進傾向于作為這份揭示的一部分，而且傾向于落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。因此，前面的描述和附圖僅僅作為例子。
權(quán)利要求
1.一種測量液體流量傳感器中流動的液體的流速的方法，所述液體流量傳感器包括傳感器導(dǎo)管而所述液體包括在其中形成的眾多氣泡，所述方法包括下述行為反復(fù)地測知指示在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速的流量信號；基于流量信號的至少一個參數(shù)確定在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中是否有至少一個氣泡停留；響應(yīng)在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中沒有氣泡停留的確定，基于最新近測知的流量信號提供指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號；以及響應(yīng)在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中有至少一個氣泡停留的確定提供下述信號中的至少一個a)以最新近測知的流量信號和指示出現(xiàn)至少一個氣泡的警報信號為基礎(chǔ)的流速信號，b)以不同于最新近測知的流量信號的其它信號為基礎(chǔ)指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號。
2.一種控制液體通過與可控閥門和液體流量傳感器耦合的流動導(dǎo)管的流速的方法，液體流量傳感器包括傳感器導(dǎo)管而液體包括在其中形成的眾多氣泡，該方法包括下述行為重復(fù)地測知指示在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速的流量信號；基于流量信號的至少一個參數(shù)確定在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中是否有至少一個氣泡停留；響應(yīng)在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中沒有氣泡停留的推定以最新近測知的流量信號為基礎(chǔ)把控制參數(shù)提供給可控閥門；響應(yīng)在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中有至少一個氣泡停留的推定以不同于最新近測知的流量信號的其它信號為基礎(chǔ)把控制參數(shù)提供給可控閥門；以及依照控制參數(shù)控制可控閥門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一項的方法，其中所述的確定行為包括檢測在流量信號的至少一個參數(shù)中的至少一個變化的行為，所述變化代表停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的那至少一個氣泡出現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一項的方法，其中所述液體流量傳感器包括超聲波液體流量傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述流量信號的那至少一個參數(shù)包括超聲波流量信號的振幅。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述確定行為包括檢測超聲波流量信號振幅變化的行為，這種變化代表停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的那至少一個氣泡出現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，進一步包括響應(yīng)重復(fù)測知行為計算超聲波流量信號振幅數(shù)值的連續(xù)觀測平均值的行為，其中所述確定行為包括確定最新近測知的超聲波流量信號的振幅數(shù)值偏離連續(xù)觀測平均值是否超過閾值的行為。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述流量信號包括超聲波飛行時間差流量信號，而所述流量信號的至少一個參數(shù)包括超聲波飛行時間差流量信號的幅度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述確定行為包括確定超聲波飛行時間差流量信號的幅度偏離之前的超聲波飛行時間差流量信號的幅度是否超過閾值的行為。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一項的方法，進一步包括行為響應(yīng)重復(fù)地測知行為計算流量信號的至少一個參數(shù)的數(shù)值的加權(quán)總和；其中所述確定行為包括確定所述流量信號的那至少一個參數(shù)的最新近的測知值偏離所述加權(quán)總和是否超過某確定數(shù)量的行為。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一項方法，進一步包括響應(yīng)重復(fù)測知行為計算所述流量信號的那至少一個參數(shù)的數(shù)值的連續(xù)觀測平均值的行為；其中所述確定行為包括確定所述流量信號的那至少一個參數(shù)的最新近測知的數(shù)值偏離連續(xù)觀測平均值是否超過閾值的行為。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述基于不同于最新近測知的流量信號的其它信號提供指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號的行為包括提供先前測知的先前已確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的流量信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述先前測知的流量信號包括先前已確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的最近測知的流量信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述基于不同于最新近測知的流量信號的其它信號提供指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號的行為包括提供先前測知的先前已確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留也沒有報警信號的流量信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述基于不同于最新近測知的流量信號的其它信號提供控制參數(shù)的行為包括提供先前提供的已確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的控制參數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述先前提供的控制參數(shù)包括最近提供的先前已確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的控制參數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，進一步包括下述行為等待預(yù)定的時間周期以響應(yīng)至少一個氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的推定；在預(yù)定的時間周期之后基于流量信號的那至少一個參數(shù)確定那至少一個氣泡是否仍然在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留；以及響應(yīng)那至少一個氣泡仍然在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的推定執(zhí)行受控的過載程序把那至少一個氣泡從傳感器導(dǎo)管里面的液體中除去。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述確定那至少一個氣泡是否仍然在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的行為包括檢測所述流量信號的至少一個參數(shù)的至少一種變化，所述變化代表下述現(xiàn)象之一a)那至少一個停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的氣泡出現(xiàn)；以及b)那至少一個氣泡從傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中離開。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述執(zhí)行受控的過載程序的行為包括暫時改變可控閥門的控制參數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述執(zhí)行受控的過載程序的行為包括打開和關(guān)上該可控閥門。
21.一種用來測量在流動導(dǎo)管中流動的液體的流速的系統(tǒng)，所述液體包括在其中形成的眾多氣泡，所述系統(tǒng)包括液體流量傳感器，該液體流量傳感器包括與所述流動導(dǎo)管流體耦合的傳感器導(dǎo)管，該液體流量傳感器是為測知在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速和提供指示在傳感器導(dǎo)管中流動的液體的流速的流量信號配置的；氣泡檢測組件，該氣泡檢測組件與液體流量傳感器耦合，接收所述流量信號并且基于所述流量信號的至少一個參數(shù)確定是否有至少一個氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留，該氣泡檢測組件被配置成響應(yīng)沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的推定基于最新近測知的流量信號提供指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號，以及響應(yīng)至少一個氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的推定至少提供下述信號之一a)以最新近測知的流量信號為基礎(chǔ)的流速信號和指示那至少一個氣泡出現(xiàn)的報警信號，以及b)以不同于最新近測知的流量信號的其它信號為基礎(chǔ)的指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件檢測所述流量信號的至少一個參數(shù)的至少一種變化，所述變化代表停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的那至少一個氣泡出現(xiàn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述液體流量傳感器包括超聲波液體流量傳感器。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中所述流量信號的那至少一個參數(shù)包括超聲波流量信號的振幅。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件檢測超聲波流量信號振幅的變化，所述變化代表停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中的那至少一個氣泡出現(xiàn)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件被進一步配置成計算超聲波流量信號振幅的數(shù)值的連續(xù)觀測平均值；以及確定最新近測知的超聲波流量信號振幅數(shù)值偏離所述連續(xù)觀測平均值是否超過閾值。
27.根據(jù)權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中所述流量信號包括超聲波飛行時間差流量信號，而所述流量信號的那至少一個參數(shù)包括超聲波飛行時間差流量信號的幅度。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件被進一步配置成確定所述超聲波飛行時間差流量信號偏離先前確定的超聲波飛行時間差流量信號是否超過檢測閾值。
29.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件被進一步配置成計算所述流量信號的那至少一個參數(shù)的數(shù)值的加權(quán)總和；以及確定所述流量信號的那至少一個參數(shù)的最新近測知的數(shù)值偏離所述加權(quán)總和是否超過某個確定量。
30.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件被進一步配置成計算所述流量信號的那至少一個參數(shù)的數(shù)值的連續(xù)觀測平均值；以及確定所述流量信號的那至少一個參數(shù)的最新近測知的數(shù)值偏離所述連續(xù)觀測平均值是否超過閾值。
31.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述以不同于最新近測知的流量信號的其它信號為基礎(chǔ)指示在液體流量傳感器中流動的液體流速的流速信號包括先前已確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的先前測知的流速信號。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中所述先前測知的流速信號包括先前已確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留的最近測知的流速信號。
33.根據(jù)權(quán)利要求2 1的系統(tǒng)，進一步包括與所述流動導(dǎo)管流體連通的可控閥門，所述可控閥門基于提供給該可控閥門的控制參數(shù)控制在流動導(dǎo)管中流動的液體的流速；以及與液體流量傳感器和可控閥門耦合接收來自液體流量傳感器的流量信號并且將控制參數(shù)提供給可控閥門的控制器。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件是在控制器中實現(xiàn)的；在確定沒有氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留之時，所述控制器基于最新近測知的流量信號將控制參數(shù)提供給所述可控閥門；以及，在確定那至少一個氣泡在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中停留之時，所述控制器基于不同于最新近測知的流量信號的其它信號把控制參數(shù)提供給所述可控閥門。
35.根據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述氣泡檢測組件基于最新近測知的流量信號提供流速信號并且響應(yīng)那至少一個氣泡在傳感器導(dǎo)管的液體中停留的推定提供指示那至少一個氣泡出現(xiàn)的報警信號，所述系統(tǒng)進一步包括與流動導(dǎo)管流體連通的可控閥門，該可控閥門基于提供給可控閥門的控制參數(shù)控制在流動導(dǎo)管中流動的液體的流速；以及與氣泡檢測組件耦合接收所述流速信號和報警信號并且將控制參數(shù)提供給可控閥門的控制器。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述控制器響應(yīng)報警信號將提供給可控閥門的控制參數(shù)凍結(jié)在之前的數(shù)值。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述控制器響應(yīng)報警信號被配置成等待預(yù)定的時間周期并且在確定那至少一個氣泡仍然停留在傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中和預(yù)定的時間周期已經(jīng)消逝之時實現(xiàn)受控的過載程序把那至少一個氣泡從傳感器導(dǎo)管內(nèi)的液體中除去。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中所述受控的過載程序包括打開和關(guān)上可控閥門。
全文摘要
這項發(fā)明揭示供各種不同類型的液體流量測量和控制系統(tǒng)使用的測知和控制液體流量的系統(tǒng)和方法。液體流量傳感器系統(tǒng)測知指示在傳感器導(dǎo)管中流動液體的流速的流量信號并且分析該流量信號通過檢測信號中的特性變化確定在傳感器導(dǎo)管中是否存在氣泡。如果系統(tǒng)確定有氣泡存在，它可能產(chǎn)生指示出現(xiàn)氣泡的報警信號。將流量傳感器作為反饋來源并入的流量控制系統(tǒng)可能通過在氣泡離開傳感器導(dǎo)管之前暫時凍結(jié)流量控制參數(shù)響應(yīng)氣泡的檢測。當系統(tǒng)檢測到有氣泡停留的時候，該流量控制系統(tǒng)能實現(xiàn)用來清除傳感器導(dǎo)管中的氣泡的程序。
文檔編號G01F1/00GK101091105SQ200680001605
公開日2007年12月19日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月12日
發(fā)明者段灝, 亞倫·S·汀塔, 克里斯托夫·艾萊克 申請人:迅捷公司