專利名稱：氣量計的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣量計，它包含一個使得氣體流通過的通道、位于所述通道內的第一傳感器，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，并用一個校準表來判斷通過通道的當前流速值，校準表中含有與校準氣體的冷卻速率值相關的不同流速值。
上述類型的氣量計見WO 9410540中的揭示。當通過第一傳感器的氣體流速降低或增加時，第一傳感器會在加熱以后分別更緩慢或更快速地冷卻。由于當前冷卻速率值是可測的，所以，用所述校準表，可以從當前冷卻速率值得到氣流流速的相應值。
改變氣體的溫度和/或壓力，可以改變氣體的密度。當密度增加或降低時，較大量或較少量的氣體分子會在單位時間內碰撞傳感器，因而傳感器的冷卻分別會更快或更慢。因此，從測得的當前冷卻速率值也能反映出當前流速值。換言之，在參照參考溫度和參考壓力時，氣量計是按照單位時間內的氣體分子的數(shù)量而不是按照單位時間的氣體體積(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壓力(或用Boyle-Gay-Lussac定律得到的不同的參考基準)校準了氣量計時，每一單位時間內通過的氣體分子的數(shù)量(用測得的流速值代表)與一氣流冷卻速率值相關，作為校準值。隨后在測量同一冷卻速率值時，當前流速值也將與相應的校準流速值相同，而不管在該以后的時間內的溫度和壓力為何值。同時，在校準期間相同數(shù)量的氣體分子在校準以及隨后相同的時間內通過時，氣量計會給出相同的流速值，而不管在以后的時間內的溫度和壓力為何值。所以，可以校準氣量計，以提供仍以時間的氣體體積表示的當前流速值。
現(xiàn)有技術的氣量計的缺點是，在實際應用時，所提供的流速值在當前氣體與校準時使用的氣體不同時是不同的。所以，必須用與氣量計將要工作的氣流相同的氣體來校準氣量計。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，可能會有問題。為了提供一種具有某種測量精度范圍的氣量計，要求制造、校準和庫藏能夠適應多種類型的氣量計，從而使成本進一步增加。
另外，在安裝以后，會因其他原因而使要測量的氣體密度改變。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，如氮氣。但是，其結果是提供給消費者的合成氣體(或氣體組分)的密度在相同的溫度和壓力下會因時間的不同而不同，從而不管每單位時間內體積相同而導致不同的冷卻速率值，因而產(chǎn)生不同的相關流速值，從而導致不正確的測量值。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術氣量計的這些缺點。
因此，本發(fā)明提供了一種如權利要求1所述的氣量計。
采用這樣的氣量計，可以用任何一種合適的氣體(甚至是空氣)進行校準。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。
在參照附圖對按照本發(fā)明的氣量計的較佳實施例進行了詳細描述以后，讀者將會清楚地了解其他的特征和優(yōu)點。其中

圖1是所述氣量計實施例的示意圖；圖2是與所述氣量計一起使用的電子電路圖；以及圖3是氣量計所采用的傳感器的溫度作為不同氣體流速的時間函數(shù)的圖。
圖1中示意描述的氣量計的實施例包含外殼1，它可以是任何一種合適的形狀，如管形。使用時，氣量計使氣體(或氣體組分)沿箭頭2所示的方向流過外殼1。
外殼1內，有一個管子部分5，它提供通道6，其中心線最好與所示方向2平行。通道6內有一個環(huán)境溫度感測傳感器7。傳感器7的下游處，有一個位于通道6內的流速測量傳感器8。用合適的導線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間內由處理裝置12監(jiān)視和測量其冷卻。下文中，假設傳感器7、8是具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。
上面參照圖1描述的氣量計見WO 9410540。下面針對與本發(fā)明相關的內容詳細描述其操作。
另外，按照本發(fā)明，輔助構件15有一個腔體16，它在上游一端開口，而在其下游一端上有一個封閉構件17。輔助構件15是一個管子部分，其中心線最好與方向2所示的氣流流向平行。并且封閉構件17最好有一個中央小開口18，使得少量的氣流能夠流過所示腔體16，從而其內部能夠由當前氣體(組分)所更新。
如同通道6一樣，腔體16內部有一個環(huán)境溫度感測傳感器21，并且在其下游方向，有一個流速測量傳感器22。傳感器21、22分別通過合適的導線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。這將便于對來自傳感器7、8、21、22的測量信號的進行處理以及校準的準備工作。
圖2示出的是更詳細的傳感器7、8、21、22和處理裝置12。
如圖所示，每一對傳感器7、8和21、22分別相連為分壓器，其一端與地或機殼25相連，而其另一端分別與數(shù)字/模擬轉換器28的一個輸出端相連。所述分壓器的中間節(jié)點分別與模/數(shù)轉換器33的輸入端31、32相連。D/A轉換器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，其幅度對應于所述數(shù)據(jù)的值。
A/D轉換器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處的輸入信號的幅度對應。
轉換器28和33由所述分壓器時間共享，并且通過接續(xù)(使D/A轉換器28的輸出與輸出26或27相連，同時使A/D轉換器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轉換器33的輸入端31、32相連，發(fā)射極與地25相連，基極單獨地與微處理器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得的流速和/或通過氣量計的累計氣體量。
另外，微處理器35可以與輸入/輸出端(I/O)45相連，用于進行遠程測量。
圖2中所示用于帶有傳感器7、8的分壓器的電路運行如下在加熱期間，微處理器35控制D/A轉換器28向輸出端26提供特定的電壓，控制晶體管41不導通，并控制A/D轉換器33將輸入端31處的電壓轉換成數(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。當傳感器7、8的溫度相同并且傳感器7、8也相同時，所述輸入電壓是D/A轉換器28的輸出端26處的電壓的一半。該溫度是進入氣量計的氣體的環(huán)境溫度TA。假設氣量計已經(jīng)工作了一會兒了，那么在某一瞬間，下游傳感器8的溫度是一預定值TB-TA，高于所述環(huán)境溫度TA。從這一時刻起，微處理器35增加D/A轉換器28的輸出端26處的電壓，并控制晶體管41導通，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。間斷地重復這一測量和加熱過程，并在該過程中調節(jié)輸出端26處的電壓，以便使傳感器8的溫度對每一段這樣的加熱時間t0-t1內遵循一條預定的參考曲線，如圖3中溫度TB和TC之間的直線。
當達到高于TB的特定溫度TC時，熱傳感器8的電壓被用來測量傳感器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，當冷卻到溫度TB時，再次開始所述加熱過程，等等。
傳感器8的溫度從TC降到TB的冷卻時間t1-t2是氣體流速的一個量度。當流速降低時，傳感器8冷卻得更慢，并且所述冷卻時間持續(xù)得更長，例如是t1-t3或t1-t4。當氣體(組分)密度降低時也是這樣。
溫度TB可以是任何一個使得可以進行充分精確測量的溫度。例如，TC-TB＝15°，以及TB-TA＝1.6*(冷卻曲線的時間常數(shù))。
具有傳感器21、22的分壓器的運行與具有傳感器7、8的分壓器的運行是相同的。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。結果，傳感器22老化一定比傳感器8慢，并且可以用來補償傳感器8的老化，讀者將在后文中清楚地理解這一點。
由于腔體16內的流速大體上為零，在校準期間以及在原地(in situ)氣量計安裝以后也會產(chǎn)生這樣的情況，可以用當前氣體的傳感器22的當前“零”冷卻速率值，對不同的氣體組分，補償作為傳感器8的冷卻速率的時間常數(shù)的函數(shù)的零氣體流速處的起點(origin)，同時使之與在校準氣體(可以為空氣)的校準期間得到的這樣的值相關。
這種補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(每單位時間內的體積)；M傳感器8的冷卻時間常數(shù)；Z傳感器22的冷卻時間常數(shù)；Mc，Zc校準氣體在靜止時(即，在通道6和通道16內)測得的M、Z的值；Mi，Zi 特定氣體在靜止使用時M、Z的初始化值；Mg，Zg 公式中使用的M、Z，如果M0在校準期間Mc、Zc當安裝氣量計時Mi、Zi安裝以后在φ＝0處測得的；Mx，Zx 測量當前氣體期間特別是在φ≠0處的M、Z；Ma，Za 對特定個(例如32個)測量值取平均的Mx、Zx；M0 假設在靜止時對當前氣體計算的M(虛構原點(ficticiousorigin))；My 由M0補償?shù)腗x；φy 與My相關的φφj(Mj) 校準氣體的幾對(φ，M)的校準表；M1，M2 M1≥My＞M2時，Mj的兩個順序值的例子；F0 M0≠Mc時的原點校準因子；Fc(φ) 對于所述校準氣體的幾個φ，具有校準校正因子(calibrationcorrection factor)Fc的表；Ft M0的老化校正因子。
對于測得的Mx，要計算的氣體流速值是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)校準可以用與氣量計的目標氣體不同的校準氣體來校準按照本發(fā)明的氣量計。尤其是在本例中(時間常數(shù)是毫秒，流速值以升/小時表示)校準氣體所采用的是空氣。
假設在校準期間測得Mc＝12319，并且Zc＝12851。
在校準期間沒有發(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；對于給定的Mx＝3410毫秒的校準氣體的當前流速值My＝3410*(12319/12319+0)＝3410。進一步假設(900，3581)和(1200，3303)的校準對(φ，M)最接近于My＝3410的要計算的校準對的兩邊。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對于氣量計要采用的氣體，開始計算過程的初始值是Mi＝10907，并且Zi＝11459。
在安裝了氣量計以后，以及在腔體16中含有所述目標氣體時，氣量計將注意到當前的Z≠Zc，因此將進行下述初始賦值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，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。
進一步假設所述當前流速值Mx＝3410毫秒，并且按照校準表，F(xiàn)c的相應值＝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)對的變化)。
從上面可以清楚地看到，第二和第三計算例子中Mx＝3410的測得的時間常數(shù)是由較小的流速引起的，第三個例子中的流速比第二個例子中的流速小。這就是說，第三個例子中的氣體密度大于第二個例子中的氣體密度。然而實際上，假設消費者每單位時間中取相同的體積，這可能是由于單位時間內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毫秒更小的時間常數(shù)，這接著產(chǎn)生比φy＝570l/h更大的計算的流速值，以由消費者得到每單位時間內相同的加熱功率。
從上文中可以看到，不管相對于校準氣體溫度、壓力和組分為何，按照本發(fā)明的氣量計提供了正確的氣體流速測量值。
讀者看到，按照本發(fā)明的氣量計可以以幾種不同的方式來構成。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內而起通道6的作用。另外，處理裝置12可以含有具有兩個集成的D/A和A/D轉換器的ASIC。
權利要求
1.一種氣量計，它包含使氣流通過的通道(6)、排列在所述通道(6)內的第一傳感器(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，并用一含有校準氣體的相關冷卻速率值的不同流速值的校準表，確定通過通道(6)的流速的當前值，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)的當前測得的冷卻速率值與所述校準表的一個冷卻速率值相關，用所述第二傳感器(22)的當前測得的冷卻速率值以及用用于所述校準氣體的第二傳感器(22)的校準冷卻速率值，從所述表中的值得到其相關的流速值作為所述當前流速值。
2.如權利要求1所述的氣量計，其特征在于，在確定所述當前流速值時，所述處理裝置(12)計算并使用所述第二傳感器(22)的一系列當前測得的冷卻速率值的平均值。
3.如權利要求1或2所述的氣量計，其特征在于，在確定所述當前流速值時，所述處理裝置(12)根據(jù)所述第二傳感器(22)的一個或多個當前的冷卻速率值以及大體為零的通過通道(6)的流速值的兩個傳感器的冷卻速率值，計算并使用虛構為在所述通道(6)中的靜止的當前氣體情況下第一傳感器(8)的虛構冷卻速率值。
4.如權利要求3所述的氣量計，其特征在于，在確定所述當前流速值時，所述處理裝置(12)根據(jù)大體為靜止的所述校準氣體的所述第一傳感器(8)的校準冷卻速率值以及根據(jù)所述第一傳感器(8)的所述虛構的冷卻速率值，計算并使用所述第一傳感器(8)的當前冷卻速率值的原始校正因子(origincorrection factor)。
5.如權利要求3或4所述的氣量計，其特征在于，在確定所述當前流速值時，相對于所述第一傳感器(8)的所述虛構冷卻速率值，所述處理裝置(12)計算由所述第一傳感器(8)的一系列當前冷卻速率值的平均值組成的老化校正因子，并與提供所述虛構冷卻速率的項相乘。
6.如前述任何一個權利要求所述的氣量計，其特征在于，在對第二傳感器(22)加熱的順序時間之間的時間間隔比對所述第一傳感器(8)進行加熱的順序時間之間的時間間隔要長。
7.如前述任何一個權利要求所述的氣量計，其特征在于，所述腔體(16)是一個小開口。
8.如前述任何一個權利要求所述的氣量計，其特征在于，在確定所述當前流速值以及在一當前流速值高于一參考值時，所述處理裝置(12)將所述第一傳感器(8)的所述虛構冷卻速率值固定在一預定值上。
9.如前述任何一個權利要求所述的氣量計，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,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)。在加熱期間內使傳感器加熱,而在冷卻期間內使之冷卻。確定傳感器的冷卻速率,并根據(jù)校準值,用來計算補償氣體密度變化的通過通道(6)的流速值。
文檔編號G01F5/00GK1260039SQ97182321
公開日2000年7月12日 申請日期1997年7月29日 優(yōu)先權日1997年7月29日
發(fā)明者A·T·赫伊伯特斯 申請人:氣體控制有限公司