渦輪氣量計的製作方法

2023-11-05 22:58:57

專利名稱：渦輪氣量計的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於測量氣體流率的渦輪計，它是通過把流動氣體的動能轉換為渦輪的轉動來測量的，渦輪的軸線平行於氣體流運的路線。
渦輪計既可以用於測量液體的流率也可以用於測量氣體的流率。但是，渦輪氣量計的工作原理與液體從動計的工作原理略有不同，這是由於兩種流體的密度和運動粘度不同引起的。由於液體基本上是不可壓縮的，所以液體的密度隨壓力或溫度的變化不大。另外，液體的密度較高，所以液體流動產生巨大的推動力矩足以克服渦輪計的機械摩擦。因此，阻滯力矩的微小變化，例如運動零件之間摩擦力的增加，不會影響渦輪液量計的性能。相反，氣體的密度較低，所以渦輪氣量計對於計內阻滯力矩的變化很敏感，特別是在低壓和低流率下更是這樣。運動粘度的變化既影響渦輪氣量計的性能也影響渦輪液量計的性能。
通過渦輪氣量計的氣體總量用讀取安裝在渦輪計上的測量轉子的轉數來測定。渦輪氣量計被稱作推理計，因為這些渦輪計是通過觀測其它量來推斷有多少氣體通過渦輪計的。渦輪氣量計就是一氣體速度測量裝置。因為位於轉子前面的環形通道橫截面積是已知的，所以實際的流率可以由氣體的速度來推斷。
使轉子轉動的驅動能是被測氣體的動能，即被測氣體的運動能。氣體衝擊到安裝在測量轉子上的轉子葉片上，並克服阻礙轉子轉動的阻滯力。因為氣體的密度低，所以必須減小渦輪氣量計安裝在其內的氣體管道的橫截面積，以便使氣流加速到更高的動能，因而使氣體可以被渦輪氣量計測量。進流導管，或整流器用於使氣體流過的面積大致減小到安裝渦輪計的管道面積的一半。當氣體的流率保持不變時，減小氣體流動路線的橫截面積可使氣體的速度成正比地增加。由於液體的密度較高，所以渦輪液量計測量液體的流率，不必加速液體。
在天然氣工業所用的管路中，為了測量大量氣體的流率，通常都裝有渦輪氣量計。由於氣體的量很大，所以很小的測量誤差都會給氣體輸送公司和地方配氣公司造成巨大的損失。1992年在荷蘭計量研究所技術刊物上發表了一個可能發生的損失大小的例子。讓我們考慮一個在580磅/平方英寸表壓壓力下工作，氣體流量為最大容量的59％的12英寸的渦輪計。假定天然氣的價格是每立方英尺為0.0037美元，那麼，僅0.2％的誤差每年就會造成16萬美元的損失。很明顯，保持渦輪氣量計的精度不變是至關重要的。
在每個渦輪氣量計製成後，必須分別進行校準。校準是必要的，因為對於一定量的氣體，渦輪計零部件正常的微小變化都會使每臺渦輪氣量計記錄出略微不同的容積流率。舉例來說，由於加工的微小不一致，使在各渦輪計測量轉子上的葉片形狀略有變化。因此，對於流動速度相同的氣體，每個渦輪測量轉子的轉動速率略有不同。同樣，同一批號和同一型號的不同測量轉子軸承裝置可能對其上所裝有的不同渦輪計轉子施加略微不同的摩擦力。另外，渦輪氣量計通常有一機械計數器，有時稱作指針盤。計數器在一組刻度盤上給出氣體流量的讀數，計數器一般是通過一聯接器連接到渦輪測量轉子上的，聯接器包括齒輪，磁聯接器和其它構件，這些構件給不同渦輪氣量計的渦輪轉子的加載程度也略有不同。因此，對一定量的氣體，各渦輪計都將記錄其各自的流率水平。
在製造渦輪氣量計時，渦輪計的精度是通過與一個已知標準量具做對照測試來進行校驗的，標準量具可以是一標準儀器，或者報警校準儀(bell prover)，或者一聲波噴嘴儀(sonic nozzle)。在已知溫度，已知氣路壓力和已知氣體流率下，把渦輪計記錄的氣量與由標準量具測定的流過渦輪計的實際氣量進行比較。渦輪計的機械計數器測出的氣量與通過渦輪計的實際氣量之比被稱作該渦輪計的精度。渦輪計的校準因子是這樣一個量，渦輪計記錄的讀數被它除就得到100％精確的讀數，渦輪計的校準因子用字母K表示，即用流過渦輪計的單位氣量的脈衝數表示，對於渦輪氣量計可能工作的一已知系列氣路壓力的每個壓力，該渦輪計的預期流率範圍對應的這些K因子是確定的，因而對各渦輪計都設有一有關這些K因子的表。
在安裝並運轉一渦輪氣量計之後，由於諸如構件損壞，構件之間磨擦的增加等因素，渦輪計的精度可能隨時間發生變化，構件之間的磨擦可以是由於磨損或者由於流過該渦輪計的氣體所攜帶的汙染物造成的。因此需要定期在現場校驗渦輪氣量計。
當氣體管道中已裝有渦輪計時，當前有幾種校驗渦輪氣量計的方法，這些方法包括採用臨界流率校準儀，聲波噴嘴校準儀和軸向孔板流量計。但是，在現場使用最廣泛的校準渦輪計的方法是轉移校準法。即把渦輪計，或至少是渦輪計的測量筒從管道中取出，用大氣壓下的空氣進行校準，然後考慮由於一些因素引想的精度變化，這些因素有管道壓力，氣體成分和氣流擾動的可能影響。但是，現場校準渦輪計的每一種方法都要花費時間。都要中斷渦輪氣量計的正常工作，因而造成不希望有的花費。
作為說明，臨界流率板孔較準儀和聲波噴嘴校準儀都是這樣的儀器，它們工作時，入口和出口之間的壓降大於上述各儀器的臨界壓力比。臨界流率板孔校準儀工作所需要的出口與入口壓力比小於53％，而對於聲波噴嘴校準儀壓力則小於81％，與被校準渦輪氣量計安裝在同一管道的這些校準儀都是固定流率儀器，意思是，具有預定臨界截面直徑的板孔或噴嘴只能校準一個容積流率。因此，為了使被校準渦輪氣量計在整個工作流率範圍產生一精度曲線，必須採用各種不同尺寸的板孔或噴嘴。更換板孔或噴嘴要求氣體旁路該儀器，並要求將板孔或噴嘴減壓。這個過程需要花費時間和中斷渦輪計的使用。加之要達到臨界流率，板孔校準儀或聲波噴嘴校準儀的最佳精度需要確定氣體成分，為了在實驗室進行分析，需要對氣體採樣，或者把一移動式氣體色譜儀運到做氣體分析的地點。
軸向板孔流量計存在一些與臨界流率板孔校準儀和聲波噴嘴校準儀面臨的相同困難。軸向板孔流量計均被放在與要校準的渦輪計相同的管道中，並且通過測量被測氣流中孔板兩端的壓差來進行工作。為了獲得渦輪氣量計在整個流率範圍上的精度曲線，可能需要多個孔板，這要求使氣流旁路板孔流量計，並且為了換板，要求該板孔流量計減壓。另外，這種流量計還要求知道被測氣體的比重，即氣體的成分，這又要求氣體的實驗室分析或者在現場使用移動式氣體色譜儀。
轉移校準是由一氣量計與一已知精度的參考氣量計做對照測試組成的。把被測試氣量計從其安裝管道中取出，然後與一參考流量計串連安裝。使空氣通過兩個氣量計，並且為了估算被測試渦輪氣量計的精度，把兩個氣量讀數進行比較。把被測渦輪氣量計從管道中取出會中斷該渦輪計的正常使用。另外，精度估算不能計及管道內氣流擾動對該渦輪計精度的可能影響，由於擁有或租賃高壓轉移校準儀是很昂貴的，所以大多數轉移校準儀是在大氣壓力下校準渦輪計的。另外，空氣是測量流體。因此，在大氣壓力下使用轉移校準儀時沒有計及由管道壓力或氣體成分所造成的精度變化。而且，大多數轉移校準儀的容量對於測試較大渦輪計來說是不合適的。
最近的進展已經試圖通過補償渦輪氣量計工作中發生的不精確因素來減少或避免對校準渦輪氣量計的要求，這一進展是由一渦輪氣量計組成的，該氣量計採用兩個相互緊靠安裝的轉子，使其發生流體動態相互作用。渦輪計工作的基本原理是，渦輪計的精度及其精度變化正比於流體流出測量轉子的偏轉角。
下遊傳感轉子感受並響應於流體從測量轉子渦輪葉片流出的出口角變化，使得兩個轉子轉速的差值保持不變。傳感轉子及相關電子電路不是設計成測量渦輪計的精度，而是設計成自動地調節電子輸出，以使渦輪計的輸出在理論上是100％精確的。保持100％精度所需的調節量是為確定渦輪計的條件相對其原始校準條件的變化而設置的。這類氣量計在李(Lee)等人的美國專利4,286,471和美國專利4,305,281中均有敘述。
但是，這類渦輪計的設計假定了系統的工作是正確的，如果存在造成不正確流率的故障，用戶不會知道問題之所在。另外，因為兩個轉子是流體動態耦合的。所以，由於摩擦或障礙物造成一個轉子完全失靈時會使渦輪計不再工作。而且，這種渦輪氣量計的可調範圍，即最大容量與最小容量之比大致降為慣用渦輪計的33％，這是由於傳感轉子的葉片角小和兩個轉子之間流體動態相互作用的要求造成的。
因此，在天然氣工業中仍然需要一種在實際工作壓力和溫度下快速而精確地校準氣體管道中渦輪氣量計的某種裝置或方法，而不必把渦輪計從管道中取出，因而不必中斷渦輪計的正常使用。
轉子軸承保護渦輪氣量計出現故障的一個重要原因就是渦輪計測量轉子的轉子軸承受到汙染。其內裝有渦輪氣量計的天然氣管道往往含有諸如灰塵、鐵鏽、管屑、焊渣、酸、碳氫化合物等汙染物，這些汙染物可能是由流過的天然氣所攜帶而通過渦輪氣量計的。測量轉子軸承中的一小點灰塵可以使該軸承過早地磨損，因而增加軸承內的摩擦，因摩擦增加引起的轉子阻力而使其精度發生變化，從而又造成渦輪計的過早失效。渦輪氣量計有外部潤滑法，外部潤滑用油衝洗測量轉子軸承，以有助於從這些軸承上去除汙染物。遺憾的是，不是所有的汙染物都能在這種衝洗中除去。剩餘汙染物也可以引起測量轉子軸承的加速磨損，因而最終失效。以前設計的渦輪氣量計採用了各種各樣的結構，試圖保護測量轉子軸承免受汙染，這些設計有不同程度的成功，已採用的結構包括測量轉子的防塵罩和軸承用的軸承罩。因為密封軸承增加了磨擦，所以軸承本身不能完全被密封。因此，在轉子軸承組裝後，汙染物仍可能進入轉子軸承，這樣，仍然需要一種能儘可能減少渦輪氣量計測量轉子受汙染的結構。
渦輪計精度調節如上指出的那樣，各渦輪氣量計通常都有一個叫作計數器或指針盤的機械機構，該機構記錄流過渦輪計的氣量。渦輪計的測量轉子通過一系列齒輪，磁聯接器以及其它類似件與計數器上的一組刻度盤聯接，這組刻度盤指出已流過該渦輪氣量計的氣量。由於在測量轉子和刻度盤之間一次只能安裝一組齒輪和/或聯接器，所以計數器只能在一個流率下被校準到100％精確，這個流率通常是渦輪計最大流率的60％左右。
但是，渦輪計的計數器刻度盤記錄的氣量精度是在渦輪計整個工作條件範圍內校準時校對的。所以在任何特定管道壓力下，所畫的精度曲線表示該渦輪計的精度隨其流率的變化。經常對渦輪計的構件進行變換，試圖使渦輪計的精度在其流量的預計範圍內儘可能一致。
渦輪氣量計的精度曲線傾向在低流率下有一個不希望有的「凸起」，這表示，在這些流率下，計數器記錄的氣量比實際流過渦輪計的氣量多。圖26中示有一渦輪氣量計的精度曲線，為了在0.25磅/平方英寸壓力下進行精度測試而對該渦輪加壓。虛線曲線表示在完成渦輪氣量計校準之前的一典型不合格精度曲線。這表示，在渦輪計最大容量5％左右的流率以下，這個渦輪計記錄的氣體少於實際流過該計的，而在流率達到渦輪計最大容量的60％以前，渦輪計記錄的氣體多於實際流過該計的。
渦輪氣量計的設計者和製造者曾採用過各種各樣的構件結構和不同方法，試圖使精度曲線的低流率凸起變平，舉例說明，通過調節轉子葉尖相對其內裝有轉子的殼體間隙已使渦輪氣量計的精度曲線在低流率下的凸起得到了調節。一般來說，如果記錄的精度在低流率下比高流率下低得多，那麼減小葉尖的間隙可使精度曲線的低流率端朝高流率端升高。如果在低流率下記錄的精度比高流率下記錄的精度高得多，那麼增加葉尖間隙可使低率流率的精度降至高流率下的精度。
通過將渦輪計殼內膛在鄰近渦輪計轉子部件上的渦輪葉片轉動的地方設圓錐形的軸向截面，使液體渦輪流率計的精度得到調節。通過改變轉子葉片相對圓錐內膛的間隙使上述液體渦輪流率計的精度得到調節，這間隙是通過調節渦輪轉子和內膛的相對位置進行調節的，這就改變了單位液體流率的液體渦輪轉子轉速，以便調節液體渦輪計的精度。這類液體渦輪計示在貝拉(Belle)的美國專利3,370,465，3,589,188和黎柏(Leber)的4,316,392中。
當打算把這些精度調節原理應用於渦輪氣量計時，最好是使渦輪計的圓錐軸向截面的角度大到切實可行。這樣，對渦輪葉片位置作較小的調節就能任意地調節渦輪氣量計的精度。但是，已經發現，角度為21°的圓錐軸向截面的渦輪氣量計在高流率下其精度降到約97％至98％的範圍。對於渦輪氣量計來說，這是不合格的精度範圍。
慣用的渦輪氣量計一般包括一細長的筒形殼，該殼被裝在一管道內為該管道中流動的氣體形成一流動路線。鄰近該殼的入口裝有一進氣整流器，使來自入口的氣體在殼內沿軸向流動，一測量轉子被安裝在進氣整流器的下遊，以使其繞筒形殼的中心軸線轉動。測量轉子有安裝在其上的渦輪葉片，葉片使其以大致正比於氣體流過該殼的速度的轉速在一個方向轉動。
根據本發明的一個方面，對一慣用渦輪氣量計進行了變更，以使渦輪計能夠自校，即能夠使其精度得到自檢，而不必從安裝的管道中取出，因而不必中斷渦輪計的正常使用。該渦輪氣量計包括一參考整流器，該整流器被安裝在筒形殼內測量轉子的下遊。兩個整流器都形成恆定面積的通道，兩個通道在各個轉子之前的面積大致相等。
另外，本發明的自校渦輪氣量計包括一參考轉子，該轉子位於第二整流器下遊並鄰近該整流器，參考轉子有一些具有槳角的渦輪葉片，葉片使參考轉子以相反於測量轉子轉動方向的方向轉動。因此，使測量轉子增加或減小其轉速的氣流中的漩渦對參考轉子有相反的影響，這就放大了漩渦的影響，使漩渦更容易探測。
根據本發明的一個優選實施例，渦輪葉片也使參考轉子以這樣的轉速轉動，雖然轉速也大致正比於氣體流過該殼的速度，但是低於測量轉子的轉動速率，參考轉子的較低轉速減小了其構件的摩損早於測量轉子構件磨損的可能性，這就減小了參考轉子的精度和K因子的改變早於測量轉子精度和K因子改變的可能性。
這種自校渦輪氣量計包括一測量信號發生器，該發生器響應於測量轉子，用於產生一正比於測量轉子轉動速率的測量信號。這種自校渦輪氣量計還包括一參考信號發生器，該發生器響應於參考轉子，以便產生一正比於參考轉子轉動速率的參考信號。
自校渦輪氣量計設有一信號處理器，用參考信號除測量信號，以便根據其商指示該渦輪氣量計的精度。正如下面更充分的說明那樣，在測定渦輪計的精度中，信號處理器也計及兩個轉子的K因子，K因子是渦輪氣量計的一個十分有名的特性，定義為流過該渦輪計的單位氣量由轉動渦輪計轉子所產生的脈衝數。信號處理器使測量信號和參考信號的商與參考轉子的K因子除以測量轉子的K因子的商相乘。在用機械計數器測量氣體流率的情況下，信號處理器使上述結果乘以在校準時對現有流率條件確定的渦輪計精度。
參考轉子及其有關構件不影響渦輪氣量計的基本功能，因為它是用來測量天然氣的體積流率或總體積的，儘管流過參考轉子的氣體流率也可以由信號處理器來確定。自校渦輪氣量計有兩個渦輪轉子，通過在兩個轉子之間插入第二整流器使兩個轉子的流體動態耦合完全消除。兩個轉子的功能與兩個分開的轉子軸無關，因而作為測量計，渦輪計的工作不需要另一轉子。
推導自校渦輪計精度方程以表明本發明的基本原理。
任何渦輪計的精度都用該計的體積讀數被標準儀測量的體積數除來確定。
對於穩定流動Q＝V/t(2)
其中「Q」是體積流率，「V」是總體積，「t」是流過的總時間。
於是，
流率與頻率「f」有關，它是渦輪計轉子的渦輪轉動速率的一量度，按單位時間的脈衝數計。轉動速率也可以在某一選定時間間隔內，用對轉動轉子所產生的脈衝總數進行計數來測定。但是頻率已被選為轉速的一方便量度，按照定義，脈衝因子或渦輪計K因子是在選定渦輪計條件下由轉子獲得的輸出脈衝總數與流過該渦輪氣量計的實際氣量之比。因此，按照定義，K因子是100％精確的，當考慮相同的時間間隔時，K因子變為輸出頻率與實際流率之比，因此，實際流率、頻率和K因子的關係為Q＝f/K (4)正如上面指出的那樣，在希望測量轉子有機械輸出的場合，它是用通過一齒輪系聯接於測量轉子的計數器或指針測量的，當轉子的轉速與流率相關時，計數器本身只能用一個K因子調節，因為在轉子的計數器的刻度盤之間只能使用一個傳動關係，通常，K因子是選擇在流率約為渦輪計容量的2/3，這一流率被稱為更換齒輪流率。這一流率的K因子被稱作測量轉子的標稱K因子，或K標稱測量。標稱K因子與其它流率條件下的K因子的關係為K測量＝K標稱測量·精度校準(5)其中精度校準是測量轉子機械輸出的精度，即測量轉子計數器的精度，該精度是在渦輪計原始校準期間，在其它流率條件下測定的。由機械輸出或計數器測定的流率和由主轉子獲得的頻率之間的關係來自方程(4)Q渦輪計＝f/K標稱測量(6)然後把方程(6)代入方程(3)得到
現在，如果渦輪計的精度是測量轉子的標稱精度，即在特定工作條件下最近校準確定的精度，且按定義，假定參考轉子的精度是1，那麼
於是，自校渦輪計獲得的精度等於測量轉子精度與參考轉子的精度之比。測量轉子的機械輸出精度是根據K標稱測量確定的，因此
分子和分母中的Q標準互相抵消，得到
最後，把方程(5)中的式K標稱測量＝K測量/精度校準代入方程(10)得到精度方程的一式，該式可以用於校準程序或校準電路，以便在現場確定主轉子的機械輸出，或計數器的精度
因此，自校渦輪氣量計測量轉子的精度表示為參考轉子K因子與測量轉子K因子之比乘以測量轉子頻率與參考轉子頻率之比與校準時測量轉子精度的乘積。當渦輪氣量計的輸出是用電子儀器測定時，精度校準就等於1。這些輸出頻率是渦輪計在現場使用時在特定條件下測定的。可以選用兩種K因子和精度，一種是在各種流率條件下在工廠校準渦輪計期間確定的K因子和精度，另一種是在測量頻率時的特定條件下確定的K因子和精度。
在推導自校渦輪氣量計精度公式中假定了在測量轉子處的體積流率等於參考轉子處的體積流率，僅當兩個轉子處的靜壓力和靜溫度相等時這個假定才是正確的。對於渦輪計來說在轉子處氣體的速度只能達到每秒約105英尺。因此最大馬赫數，即氣體速度與當地聲速之比，約為0.1。在此馬赫數範圍內，由於兩個轉子相互靠得很近，所以如果兩個轉子前面的環形通道面積近似相等，那麼在每個轉子處的靜壓力和靜溫度將是相等的。在這一假設下，自校渦輪氣量計的精度方程可以與壓力和溫度無關。這就簡化了為確定渦輪計的精度所必須進行的一些測量，這就減少了構件發生故障的可能性，因而減少了造成誤差的可能性，並且簡化了確定精度的計算。
根據本發明有關自校渦輪氣量計的另一個方面，第二整流器包括一中心殼和多個沿徑向從該殼向外伸出的翅片。一筒形參考導流管位於翅片的徑向端，這個導流管還延伸在參考轉子的範圍內，而參考轉子則被安裝在翅片的下遊端。這些構件和有關軸承以及其它構件形成一整體參考筒，參考筒可以整體從渦輪氣量計中取出。這種結構使要校準的參考轉子能與裝有參考轉子在其內的渦輪計無關。因此，參考筒的參考轉子可以在工廠進行校準，儲備待用，並安裝在自校渦輪氣量計中，而不必為每個渦輪計重新校準參考轉子。
轉子與軸承保護根據本發明的關於帶有或沒有第二個轉子的另一方面，渦輪氣量計的測量轉子被安裝在測量筒內的上遊端，測量轉子包括一筒狀轉子套，多個安裝在轉子套上的渦輪葉片和一支撐轉子套的前端面。該轉子前端面的整個表面都是實心的，所以在渦輪氣量計正常使用期間，氣體以及氣體攜帶的任何汙染物都不能通過它。
另外，測量筒包括一與測量轉子同心的筒室，筒室有一敞口的上遊端和一下遊端。該筒室的外徑略小於轉子套的內徑。該筒室的軸向長度是這樣的，當測量轉子被安裝在測量筒內時，其上遊端至少在一部分轉子套下方延伸。在轉子套下遊、轉子套附近的那部分圓筒外表面是連續和光滑的，所以汙染物不能積累在轉子套和圓筒之間的縫隙附近。
每個筒室都包括測量轉子軸承和一把這些軸承連接於測量轉子的軸。測量轉子軸承的一軸承座被安裝在筒室內，位於轉子軸和測量轉子聯接處的下遊，當軸承被安裝在軸承座內時，筒室和軸承座的下遊端的流率接近於流過渦輪氣量計的正常流率，另外，為了在測量筒殼上施加正壓力而設有一結構，以在其上遊端形成一密封層，來控制氣體的流動路線。
渦輪計精度調節渦輪氣量計一般是由一其內裝有測量筒的筒形金屬殼製造的。通常測量筒至少包括一測量轉子，其轉子軸承和一將測量轉子互聯到機械計數器上的聯接器，該計數器則被安裝在測量筒頂部，通常在北美製造的渦輪氣量計有幾個測量筒，這些測量筒可以和機械計數器一起從渦輪計的頂部取出，而不必把整個渦輪計從安裝渦輪計的管道中取出。
本發明的另一個方面涉及一簡單的方法，這種方法用於調節本發明的自校渦輪氣量計和沒有第二個轉子的渦輪氣量計兩者的精度。測量轉子被安裝在測量筒的上遊端，使測量轉子上的渦輪葉片的上遊葉尖伸向入口。測量筒殼有形成被測氣體流動路線的內表面，內表面有一軸向截面，該截面從其上遊端沿一預定長度是成圓錐形漸縮遠離渦輪葉片的。通過測試已經發現，為了能夠調節渦輪氣量計的精度，圓錐形截面的錐角必須在約5°和約7°之間的範圍內，這時在高流率下得到一令人滿意的精度曲線。應用本發明這方面的原理，渦輪葉片的上遊葉尖與測量筒的錐形內表面之間的間隙被調節在0.010英寸左右到0.045英寸左右。
為了調節渦輪計的精度，本發明設有一機構，以可靠地定出渦輪葉片的上遊葉尖相對測量筒的錐形內表面的軸向位置。僅舉例說明，在本發明的優選實施例中，在轉子被固定在轉子軸上之前，在轉子和靠其安裝轉子的轉子軸組件的平衡塊之間放置一個或多個填隙片，可以通過改變放置在適當位置、寬度相等的填隙片的數目來改變渦輪葉片上遊葉尖相對測量筒圓錐形內表面的位置，從而調節該渦輪計精度曲線的低流率端。
本發明並不在於上面和在優選實施例說明中所公開的以及下面權利要求所要求的任何一種渦輪氣量計的特徵和方法。反之，本發明通過其對這些渦輪氣量計的特徵和所公開方法步驟的特殊組合而不同於已有技術。本發明的重要特徵在本發明的優選實施例詳細說明中已經公開，這些將在下面示出並加以說明，以便說明迄今為止實現本發明設想的最佳方式。
本專業的技術人員將會認識到，在不脫離本發明範圍的情況下，本發明可以包括一些不同於那些已示出的實施例的實施例，還會認識到，可以各種方式改變這些渦輪氣量計的結構細節和方法。據此，附圖和說明書被認為是說明性質的，實質上不是限制本發明的範圍。因此，權利要求被認為包括那些不脫離本發明精神和範圍的渦輪氣量計和方法。
為了完整地理解和評價本發明及其許多優點，下面將結合附圖進行詳細闡述，其中

圖1是含有本發明特徵的渦輪氣量計的側剖視圖；圖2是包含本發明特徵的渦輪氣量計的分解透視圖；圖3是包含本發明特徵的渦輪氣量計的背面透視圖；圖4是部分切去的上遊整流裝置的透視圖；圖5是部分切去的測量轉子透視圖；圖6是表示其中一個渦輪葉片的測量轉子部分頂視圖；圖7是測量筒的部分側剖視圖；圖8是參考筒的部分側剖視圖；圖9是參考整流裝置的透視圖；圖10是部分切去的參考轉子透視圖；圖11是表示其渦輪葉片的參考轉子頂視圖；圖12是安裝氣體渦輪葉片的電磁鄰近傳感器殼的剖視圖13是按本發明使用的信號處理器方框圖；圖14描述本發明的一優選實施例，其中信號處理器包括一筆記本校驗儀和一筆記本計算機；圖15表示筆記本校驗儀的實際配置；圖16是筆記本校驗儀的接線圖；圖17是筆記本校驗儀的示意圖；圖18是本發明信號處理器的LABVIEW程序的源碼圖；圖19表示信號處理器LABVIEW虛擬儀器程序的前面版；圖20是圖18所示的頻率平均子程序的源碼圖；圖21表示圖22所示LABVIEW虛擬儀器程序的前面板；圖22表示一LABVIEW程序的源碼，該程度在校準根據本發明製造的渦輪氣量計期間用於檢查測試結果；圖23是包含本發明另一方面特徵的渦輪氣量計的側剖視圖；圖24是一放大圖表示渦輪葉片上遊葉尖相對於測量筒殼錐形截面的位置；圖25是轉子和轉子軸組件的部分分解放大圖，表示定位渦輪葉片上遊葉尖位置的填隙片；圖26是根據本發明製造的渦輪氣量計的精度曲線；參考附圖，在這些附圖的全部圖中都用相同的件號和字母表示相同或相應的零件。
圖1和圖2表示根據本發明構成的渦輪氣量計的基本構件，一渦輪氣量計20包括金屬殼22，該殼具有一入口24和一出口26。該殼22通常由例如鋁的金屬構成，並且設計成能承受預計被安裝在氣體輸送管或分配管中時要受到的壓力。
該渦輪氣量計20包括一鄰近入口24的進氣整流裝置，該裝置有一些形成通道的葉片29，以減少或消除其內裝有渦輪氣量計的管道中所產生的氣流擾動，參考圖4和圖1，葉片29被安裝在一套30上，該套鄰近入口24有一子彈形的前面部分。如圖1和圖4所示，一導流管或管套32被安裝在葉片29的徑向端，並伸至葉片29的下遊端29A之外，對於根據本發明構成的4英寸渦輪氣量計來說，管套32伸出葉片29的下遊端29A外約1英寸。管套32在其上遊端有一法蘭34。該法蘭34套入一如圖1中看到的區域，該區域已從殼22的入口區切掉，法蘭34用一組螺釘固定在渦輪計殼22上，示有其中一個為螺釘36。
通過把管套32的外表面和殼22的內表面加工成高精度公差，使其與渦輪氣量計20的的測量轉子38有更高的同心度以改進整流裝置28的性能。通過採用16個葉片消除進入渦輪氣量計20入口24氣流的氣流擾動已經獲得了良好的結果。
該套30伸出葉片29下遊端29A之外和管套32下遊端之外的位置，即它中止在鄰近測量筒36上遊端的那個位置。在葉片29的端部29A和測量轉子38之間形成一混合室37，測量轉子是測量筒的一構件。該混合室37使由入口導流管翅片所產生的小漩渦能在到達測量轉子之前消失。該混合室37也使整流裝置28內的氣流能在到達測量轉子38之前變成略有湍流。當校準渦輪氣量計20時，這有助於減小在低流率和低工作壓力下該渦輪氣量計精度曲線的凸起，但是，渦輪氣量計20之前管道內的氣流擾動，如漩渦是通過增加葉片29的長度來減少的。因此，實際葉片長度是在使上遊漩渦減至最小和使精度曲線凸起減少之間取折衷。對於根據本發明構成的4英寸渦輪計來說，通過包括3英寸長的葉片29和2英寸長的混合室37來優化整流裝置28的設計。但是，已經發現，對於6英寸和8英寸的渦輪計來說，混合室的長度最好為1英寸，可以相信，對於4英寸的渦輪計，2英寸的混合室是需要的，因為在4英寸的渦輪計中磨擦小得多，使得精度曲線的凸起在4英寸的渦輪計中比在6英寸或8英寸的渦輪計中更大。
測量筒36通常被安裝在殼22的中心室22A內，被安裝在測量筒36上遊端的測量轉子38包括一些徑向延伸的渦輪葉片40，這些葉片使測量轉子以近似正比於流過該殼22和入口整流裝置28的氣體速度的轉速在一個方向轉動。
測量轉子38更詳細地示於圖5和圖6中。渦輪葉片40有螺旋扭曲，以減弱氣流在葉片之間的相互作用，因而改進了渦輪氣量計20的性能。對於45°角的渦輪葉片來說，螺旋扭曲的導程為10.542英寸，平均螺旋角為45°。通過把槳角改變為30°可以增加轉子38的容量。每個渦輪葉片40在其前緣都有一個圓角，用作減小轉子葉片的推進負荷。並且有助於防止灰塵積累在轉子前面。包括轉子葉片在內的轉子可以用像鋁那樣的材料機械加工製成，正如在本發明的優選實施例中那樣，或者用像鋼或不鏽鋼那樣的材料機械加工。或者用模壓塑料生產出來，或者用專業技術人員所希望的其它方法來製造。在用電感性鄰近傳感器傳感轉子轉動的場合，正如下面提出的，轉子必須用適當的金屬而不是塑料製造。
特別參考圖1，測量轉子38通過一系列齒輪和聯接器被連接在計數器46上，計數器36在一組刻度盤上給出流過該渦輪氣量計20的氣量的機械指示。如圖2所示，測量筒36和記數器46都被固定在一頂板48上。殼22包括一環形法蘭50，其直徑與頂板48的直徑一致，頂板48和法蘭50中有一組孔，這些孔能使頂板48和法蘭50用一組螺栓例如螺栓52固定在一起。
本發明的渦輪氣量計20也包括一帶有整流裝置56的參考筒54，整流裝置56有一些葉片58。根據本發明的一個方面，進氣整流裝置28和參考筒54的整流裝置形成恆定面積的兩個通道。兩個通道的面積是近似相等的。整流裝置包括固定在套60上的葉片58以及一安裝在葉片58徑向端的管套68。葉片58伸過套60的整個長度，因此，在葉片端和在套60下遊端的參考轉子62的前面之間設有混合區。在套60的整個長度上都有葉片58對套60的長度產生最佳流率調節。因為參考轉子的轉動是用電子裝置探測的，所以在葉片端和參考轉子62之間不需要混合室。由於沒有混合室，在校準中由K因子曲線的大凸起造成的非線性是用電子裝置進行修正的。渦輪氣量計20是在渦輪計整個工作範圍的5個或5個以上流率下和兩個以上工作壓力下進行校準的。並記錄下任何給定流率條件下的相應K因子，雖然得到的性能曲線不是線性的，但它們是已知的，並且是可重複的，因此可以通過參考轉子62的測量轉速，在確定的氣體流率的電子計算中乘個係數。
整流裝置56是使參考轉子62與測量轉子38分離。因此，參考轉子62的轉動與測量轉子38無關，與整流裝置28一樣，整流裝置56也有16個葉片。該裝置是由填充30％玻璃的乙縮醛模壓製成的。
根據本發明的另一個方面，一管套68延伸在整個參考轉子62的渦輪葉片64的範圍上，參考轉子62用軸66安裝在參考筒54的下遊端。因此，在轉子葉片64和轉子葉尖間隙周圍的環形通道的臨界流率區是由管套68控制的。轉子葉片並不取決於渦輪計殼22。這使得參考轉子62可以在渦輪計外面分開進行校準，並在校準以後安裝到一渦輪計殼中或從一渦輪計殼移到另一渦輪計殼，而不影響參考轉子62的校準。
參考圖8、圖10和圖11可以更好地理解參考轉子的結構。參考轉子62的渦輪葉片64的葉距是這樣的，葉片使參考轉子以相反於測量轉子38轉動方向的方向轉動。可以這樣選擇渦輪葉片64的定向角，使得參考轉子62的轉動速率低於測量轉子38的轉動速率。通常目的在於使參考轉子62其及軸承上產生的磨損小於測量轉子38及其軸承上的，以便使參考轉子62失效的可能性小於測量轉子38失效的可能性。在根據本發明製造的4英寸渦輪計中，將軸承壽命最長的參考轉子的槳角定為18.5°，這一槳角也被選為6英寸和8英寸渦輪計的槳角。不同尺寸渦輪計的最佳槳角預計在略大和略小於18.5°的範圍內變化。對於一定的氣體流量，槳角為18.5°的參考轉子62的轉速是以45°角安裝渦輪葉片的測量轉子38轉速的1/3。在測量轉子有30°角的渦輪葉片組的情況下，有18.5°角渦輪葉片組的參考轉子的轉速則為測量轉子轉速的1/2。
在該優選實施例中，選擇參考轉子62與測量轉子有相同的葉片數，即14個。像測量轉子38那樣，參考轉子62可以由像鋁那樣的金屬，或者鋼、或者不鏽鋼機械加工而成，或者由塑料模壓製成，或者用其它按技術人員選擇的方法製造。正如上面指出的那樣，當用電感性傳感器傳感轉子的轉動時，必須用一種合適的金屬製造轉子。參考圖10，渦輪葉片64的圓形前沿65類似於測量轉子渦輪葉片40的前沿42。
如圖8所示，參考轉子62用一螺栓65固定在轉子軸66上，螺栓65設有的螺紋與在轉子軸66的下遊端的那些螺紋相配，一墊片67被放置在螺栓65和參考轉子62的內套之間。一軸承座70被安裝在套60內，以便夾持支撐軸66，因而支撐參考轉子62的軸承72和74。相對測量筒36而言，參考筒54應保持小的故障率。因此，軸承72和74的軸承系統可靠性應高於軸承76和78的可靠性，如圖7所示，軸承76和78用於支撐測量轉子38。在本發明的一個優選實施例中，圖8所示的參考轉子軸承72和74均為混合陶瓷軸承，軸承滾珠是氮化矽的，保持架是酚醛的，並且軸承72和74是用低粘度的NYE RHEOLUBE719-M潤滑脂永久性潤滑的，這種潤滑脂是新貝德福(NEWBEDFORD，MA02742)的NYE潤滑劑公司製造的。據說，對於正常工作，酚醛保持架比慣用不鏽鋼帶保持架需要的潤滑脂少。使軸承72和74永久性地潤滑。由於不需要維修，也就降低了參考筒的故障率，而且軸承72和74也不會因為沒有再往軸承內注油而發生故障。適當的混合陶瓷軸承是由新罕普什爾州的貝德福新罕普什爾滾珠軸承公司製造的。
預計，結合激勵磁性軸承的磁性軸承組件將可能是參考轉子62的另一種長壽命軸承。
套60的內膛必須按高精度公差來機械加工，以使軸承座70與套60具有緊配合。這就保證了參考轉子62和參考筒54的其餘構件之間是真正同心的。軸承座70是由如鋁那樣的適當硬金屬製造，且也按高精度公差機械加工。軸承座70包括一中心圓柱孔，該圓柱孔夾持軸承72和74以及參考轉子66。一軸承座蓋69被安裝在軸承座70的上遊端，而一防塵罩71則被安裝在軸承座70的下遊端，使之與轉子62一起轉動。軸承座蓋69有一抬肩延伸部分，該部分裝進軸承座70的中心孔內，在軸承座蓋69的中心孔內製有螺紋，將軸承座蓋69用3個螺栓固定到軸承座70上，其中一個螺栓以螺栓73示出。套60的上遊端用一有中心孔的蓋板59封閉，在中心孔內裝有一通氣管61。在蓋板59和套60的上遊端之間裝有一貝氏(BELLVILE)墊圈63。下面對蓋板59、通氣管61和貝氏墊圈63的作用作更充分的說明。防塵罩71有一裝入軸承座70的雙抬肩71A。該雙抬肩71A的一部分裝入軸承72的座圈和轉子軸66之間，使防塵罩71與轉子62一起轉動。改錐可以穿過軸承座70中的孔被插入轉子軸66上遊端的槽75中。一平頭螺栓77穿過套60的上遊端被插入軸承座蓋69的螺紋中，以使軸承座70保持在套60上遊端的應有位置，防止軸承座70與參考轉子62一起轉動。這個平頭螺栓77也有助於防止灰塵進入軸承74。該平頭螺栓有一小的中心孔77a，該孔77a可以釋放由於軸承72和74轉動所產生的任何熱量和壓力，而汙染物進入軸承的危險是很小的。
由於參考軸承72和74都是自動潤滑的，與以後對圖7所述的主轉子軸承76和78不同，不需往軸承72和74中加潤滑劑。包括軸承座蓋69、軸承座70、防塵罩71和平頭螺栓77的整個軸承座組件形成一相當牢固的結構，這一結構圍住參考轉子軸承，因而保護軸承免受汙染，同時保證這些軸承因而保證參考轉子62的安裝是牢固的。
為了能用電子裝置測定渦輪氣量計20的容量，渦輪計必須包括一響應於測量轉子38轉動的測量信號發生器，以產生包括一系列脈衝的測量信號，脈衝的頻率正比於測量轉子的轉速。同樣，為了能夠用參考轉子62測定流過渦輪氣量計的氣體容量，該渦輪氣量計還必須包括一響應於參考轉子62轉動的參考信號發生器，以產生包括一系列脈衝的參考信號，脈衝頻率正比於參考轉子的轉速。可以採用能實現這一功能的任何類型信號發生器來測量轉子38和參考轉子62的轉速。適當的信號發生器可以採用永久磁鐵的霍爾效應傳感器，響應於磁場變化的維根(Whiegand)脈衝發生器，電感鄰近裝置，紅外探測器等。專業技術人員會認識到，其中一些傳感器能夠響應於通過這些傳感器的渦輪轉子葉片的轉動。這些探測器也可能響應於定時盤或一些其它機構，這些機構與測量轉子一起轉動，此時通過採用各種各樣的傳動齒輪裝置和聯接器或者採用轉子結構內的一些孔，或者採用本身就安裝在測量轉子結構上的構件，在本發明的一個優選實施例中，選擇電感鄰近傳感器來探測轉子的轉速。參考圖3，在殼80中裝有一產生測量信號的電感鄰近傳感器，測量信號的頻率正比於測量轉子38的轉速，殼80被安裝在渦輪計殼22內靠近測量轉子32的渦輪葉片40的區域，在殼82中裝有一產生參考信號的電感鄰近傳感器，信號頻率正比於參考轉子62的轉速，如圖1所示，殼82被安裝在渦輪計殼22靠近渦輪葉片64的區域，兩個電感鄰近傳感器相互成135°角安置，以使測量筒能夠從渦輪計20的頂部取出。
當轉子葉片的葉尖通過傳感器的探測範圍內時，電感鄰近傳感器可以探測到轉子葉片的葉尖，使用電感鄰近傳感器比探測轉子轉速的其它方法有以下一些優點1、如果轉子葉片被彎曲或缺少，傳感器會探測出毛病來。在其它類型的轉動傳感器中，例如上面提出的那些，彎曲或缺少渦輪葉片是探測不到的。
2、這種探測方法不會對轉子產生任何阻礙。
在本發明的優選實施例中採用的那種傳感器的最高頻率約為1500赫茲。傳感器是這樣安裝在渦輪計殼中的，使其可以取出檢修，而不需取出測量筒36。另外，電感鄰近傳感器不受被測氣流中的灰塵或液體的影響，NJ 1.5 10GM-N-Y0741型傳感器是一適用的電感鄰近傳感器，該傳感器是設在俄亥俄44087-2202土溫斯堡(TWINSBURG)的皮伯爾和福斯公司(PEPPERL FUCHS INC.)製造和銷售的。
參考圖12和圖13可以看到鄰近傳感器的一種安裝方式。在殼80中裝有一鄰近傳感器84。電線86從鄰近傳感器84拉到一處理脈衝的信號處理器，脈衝是當圖1和圖2所示的測量轉子38的渦輪葉片40通過該鄰近傳感器時產生的。該傳感器被擰入傳感器殼內，然後把樹脂灌入殼內使其加壓密封。
自校渦輪氣量計的基本工作前提是，由參考轉子角速度確定的體積流率是實際流率。換句話說，假定參考轉子是100％精確的，因此影響上遊測量轉子性能的因素，如機械摩擦和漩渦之類氣流擾動的變化，非對稱的速度分布和脈動氣流都不會影響下遊轉子。另外，假定，在現場使用一段時間後，參考轉子的性能與原始校準的性能沒有變化。即參考轉子能完成校準其它流率計所用的標準儀器的功能。通過以下設計特徵使參考轉子相對測量轉子的故障率和誤差率大大降低，證明這一假設是正確的。這些特點是1、參考轉子是自由運轉的，而沒有任何其它通常被測量轉子驅動的蝸杆和蝸輪組，齒輪系、機械指針或校正器所產生的附加機械負載。
2、由參考整流器提供的額外流率調節減少由於上遊氣流擾動所引起的參考轉子誤差率。
3、因為參考轉子的槳角較小而可這樣來設計，使參考轉子以慢於測量轉子的速度轉動，這樣，因為較低的轉子轉速和較低的推力負荷，使轉子軸承的磨損較小。
4、可以用一種陶瓷材料氮化矽製造參考轉子的滾珠軸承，這種材料的磨損不像一般用於負荷較重測量轉子的不鏽鋼軸承那麼快，這些混合陶瓷軸承的工作壽命至少是慣用不鏽鋼軸承的三倍。除此之外，這種類型的軸承是永久潤滑的，所以不需要定期維修，因而不會由於沒有執行定期維修而發生故障。另外，可以用相當牢固的結構圍住自動潤滑軸承，以便保護軸承免受汙染。
參考轉子筒的另一個選擇是結合一激勵可控的磁性軸承系統。因為磁性軸承不會磨損且不受氣流中汙染的影響，所以這一系統會進一步減少參考筒的故障。
信號處理器根據本發明的一個方面製成的信號處理器88的方框圖示於圖13中。可以先將位於殼80和82中的鄰近傳感器所產生的測量信號f測量和參考信號f參考分別放大或者說增大到使這兩個信號可以被所選擇的信號處理器利用。舉例來說，信號可以具有任何要求的形狀，例如使信號成為矩形脈衝，然後把測量信號和參考信號耦合到信號處理器88的分頻器90中，分頻器90測定這兩個信號的頻率，並用f參考除f測量。根據上面的方程(1)，通過使用一定標器92使商f測量/f參考乘以在渦輪氣量計20的特定工作條件下測量的(K參考/K測量)*精度校準，正如由方程(11)所看到的，結果
是渦輪氣量計20的精度測定。這個精度可以顯示或記錄在精度指示器94上，例如一儀器上或圖表紙上，或者記錄在計算機存儲器的數據存儲媒體上。
氣路操作員要知道，有些州的法律和法規要求氣路操作員定期確定，渦輪氣量計的構件是否已磨損到使渦輪計的精度到了很低的程度，即必須要更換的程度。因此，信號處理器88包括一原始校準功能96，它產生渦輪氣量計20在現行測量工作條件下的原始校準精度的機械輸出。一比較器98對渦輪計20的原始精度與測量精度進行比較。在我們的優選實施例中，比較器98由從原始校準功能96獲得的精度校準中減去定標器92產生的測量精度，以便產生誤差指示
精度偏差指示器100按照高於還是低於原始精度來確定，所測量的精度是否已在任何一個範圍偏離了一個等於到大於一預選的偏差量，在圖13中表示來自比較器98的誤差指示絕對值。如果精度的偏差量大於預選量，故障報警器102被激勵，以便通知管路操作員關於偏差的情況，偏差是顯示在適當的儀器上或圖表上或者數據儲存媒體上。
另外，信號處理器88可以指示如圖1所示的測量轉子38和參考轉子62所測量的渦輪氣量計的現行流率。測量信號f測量被耦合到定標器104，用適合於多數工作條件下的測量轉子的K因子K測量除以測量轉子的頻率，以便按上面的公式(4)獲得流率。用測量流率指示器106可以顯示或記錄這一流率。流率本身可以用數字指示，或者表示在圖上，或者用一種儀器的指針表示流率也可以用如同渦輪氣量計20的容量百分數的方式表示。這種流率的測量方法可以用於最初在被測試渦輪計的現行工作壓力下設置各種流率，渦輪計的精度就是在該壓力下被校準的。
同樣，參考信號f參考被耦合到一定標器108中，該定標器用渦輪氣量計20現行工作條件下的參考轉子的K因子即K參考除該信號頻率，以便確定由參考轉子62指示的氣體流率，由參考轉子62測到的流率也可以被參考流率指示器110顯示為其數字項，或者顯示為渦輪氣量計20容量的百分數。而且，在用一傳感器，例如一電磁感應鄰近傳感器，傳感器探測轉子每個渦輪葉片的通過，產生測量信號和/或參考信號的情況下，所得到的信號可以顯示在適當的圖表紙上或屏幕上，所以可以對這些信號進行檢查。
在每次測試中用人工往信號處理器中輸入一些個別數據的另一種方法是，如果有計算機的話，可以把各種流率條件下的K因子和校準精度表儲存在計算機的資料庫中，並且在測量時當流率確定後再自動調出來。本專業技術人員也會認識到，可以用在測試時間間隔內測量從兩個轉子匯集的脈衝總數代替測量這兩個轉子的頻率，這時測量的量是流過渦輪計的總量而不是渦輪計的流率。另外，可以用參考頻率被測量頻率除的比代替方程(11)中K因子的比。這一替代應用了上面方程(4)的原理，方程(4)表示頻率與校準時測量的K因子之間的倒數關係。這兩個頻率的數值都是在管道壓力下和在渦輪計被校準時多數出現的流率下校準時被測量的。或者專業技術人員能夠產生一以管道雷諾數為變量的測量K因子和參考K因子的最佳擬合方程，雷諾數是管道中氣體的慣性力與粘滯力之比。
專業技術人員會認識到，可用許多不同形式設置圖13所示的信號處理器88，例如，可以通過硬體實現的電路來設置，僅舉例說明，可以採用帶有一穩壓電源的高分辮率可編程序225兆赫的定時器/計數器，例如可以採用飛利浦斯(PHILLIPS)PM6680定時器/計數器，由華盛頓98206，埃費裡特郵箱9090的約翰法路基(JOHN FLUKE)製造公司製造的。可以在示波器上監測來自測量轉子葉片的信號。另外，信號處理器88可以通過安裝在渦輪氣量計上並由渦輪計測量轉子的機械輸出驅動的專用電子流率計算機來設置。例如，該處理器可以包含在氣體工業當前採用的計算機中，例如賓夕法尼亞的伊利的美國儀表公司出售的系列AE500渦輪計，它用微處理器記錄，存儲和/或傳送有關流過渦輪氣量計氣體的數據，這些氣量計用於配氣、氣體管道輸送和氣體生產。可以安排用電子電路或適當的計算機定期校驗被監測的渦輪氣量計的精度，並把不希望有的渦輪氣量計精度變化傳給用戶，如果已經確定了這一變化的話。另一方法是，根據本發明渦輪氣量計的精度測量值可以記錄或儲存在計算機存儲媒體中，並在以後傳送，或反之當用戶需要時自己提取。
對於本發明的許多應用來說，預計渦輪氣量計的用戶會買的一些渦輪計具有兩個獨立地轉動的轉子，這兩個轉子適合於連接到根據本發明所設計的信號處理器上。不過儀用一個信號處理器校準多臺渦輪計的精度並儲存校準結果，以備後用。
圖14表示本發明的一優選實施例，在這一實施例中，信號處理器88的功能均由一與渦輪計本身分開的計算機，例如筆記本計算機109來完成，為了根據本發明進行工作，所需的任何類型電腦程式都可以使用適合於該程序的程度設計語言。在該優選實施例中，筆記本計算機109採用了一種軟體程序，該軟體程序是由LABVIEW程序開發系統編制的，由德克薩斯78730-5039的奧斯丁國家儀器公司出售。該程序是用圖形程序設計語言G編寫的，它包括使用LABVIEW驅動器軟體，和為了使軟體由軟磁碟擴大到筆記本計算機而採用的人們熟知的PKUNZIP通用軟體程序。所開發出的程序需要兩個1.44兆位組的軟盤。使用LABVIEW軟體的筆記本計算機109必須至少有16兆位組的隨機存取存儲器和一486硬驅動器。該計算機中也必須有WINDOWS3.1或WINDOWS95作業系統。
殼80和82中的鄰近傳感器通過纖維光纜110及連接器111和纖維光纜112及連接器113被分別耦合到一具有全天候外殼116的筆記本校驗儀114上。校驗儀114內的構件在圖15、16和17中得到較充分的說明。校驗儀114的用途是放大和形成來自鄰近傳感器的信號，使這些信號能用於信號處理器的比較。校驗儀114把測量轉子38和參考轉子62的渦輪葉片通過殼80和82中的鄰近傳感器時所產生的低電壓正弦波信號轉換為能被筆記本計算機109處理的方波信號。來自筆記本校驗儀114的方波信號通過屏蔽扁電纜118和數據採集卡120被耦合到筆記本計算機109。在該優選實施例中，數據採集卡120是由德克薩斯78730-5039，奧斯丁國家儀器公司出售的DAQ卡700，該卡包含一與筆記本計算機一起使用的8253計算機晶片。
筆記本校驗儀114和計算機109對測量轉子38的輸出進行精度檢查，測量轉子的輸出是由計數器46或其它類型的氣體流率測量機構測定的。由於筆記本校驗儀114和計算機109是可攜式的，所以它們可以聯合使用檢查精度或校驗若干具有一對獨立轉動轉子的渦輪氣量計。在該優選實施例中，光纜110和112至少有20英尺長，以保證可以將筆記本校驗儀114和計算機109放置在危險區之外，即繞渦輪氣量計20半徑為15英尺的範圍之外。光纜110和112與渦輪計20和筆記本校驗儀114有快速接頭，這些快速接頭使光纜能迅速連接和斷開，以方便用戶。
參考圖15和圖16，筆記本校驗儀114基本上包含一變壓器絕緣板122、一24伏的電池124、一對穩壓二極體126和一對電阻128。筆記本校驗儀114還設有接線條130和132，以方便於筆記本校驗儀114中由電元件構成的電路接線，也方便於通過電纜118把它們耦合到數據採集卡120。圖14中所示，來自光纜110的測量信號通過連接器111的插座和電線134耦合到變壓器接線條136的兩個接線柱上，接線條136則被連接到變壓器絕緣板122的一側。同樣，圖14中所示，來自光纜112的參考信號通過連接器113的插座和電線138連接到變壓器接線條136的兩個分開的接線柱上。
變壓器接線條140被配置在變壓器絕緣隔板122的另一側，該變壓器絕緣隔離板是雙通道的，每個通道都有一個有源電晶體，由位於俄亥俄44087-2202土溫斯堡的皮柏爾和福克斯公司出售，其件號為KFD2-ST-EX2。如圖14所示，它接收來自安裝在殼80和82中的鄰近傳感器的低電壓正弦波參考信號和低電壓正弦波測量信號。它把正弦波信號放大到22伏，並把正弦波信號轉換成矩形的脈衝信號。變壓器絕緣隔板還設有一安全絕緣層，以消除來自電池的124的較高電壓電源進到渦輪氣量計殼80和82中鄰近傳感器的可能性。
來自接線條140的正弦波測量輸出信號和參考輸出信號通過電線142耦合到接線條130，在這裡，兩個信號的每一個信號通過電阻128的一個電阻連接到穩壓二極體126中一個穩壓二極體的一端，所得到的電路更清楚地示於圖17的線路圖中，在該優選實施例中，電池124是一24伏的763號埃費雷地(EVEREADY)電池，在負荷下，其接線柱端電壓約為22.5伏。如圖16所示，該電池通過電線144被連接到鄰近變壓器接線條140的變壓器絕緣隔板一接線柱上，並通過電線145連接到公共地線上。兩個穩壓二極體126中每個管的一側也被連接到公共地線上。兩個穩壓二極體126產生測量信號和參考信號的兩個5伏方波，這兩個方波通過接線條146被耦合到圖14所示的屏蔽扁電纜118和數據採集卡120上，5伏信號保證數據採集卡120不會被損壞。
在本發明的圖18和圖19所示該優選實施例中，就分析來自渦輪氣量計20並通過筆記本校驗儀114接收的測量信號和參考信號來說在LABVIEW程序中使用了兩個模擬輸入通道，一個數字輸入通道和數據採集卡120的三個計數器/定時器。分析包括把由測量轉子38的葉片40或參考轉子62的葉片64(示於圖1)中產生的方波模擬信號顯示在帶式記錄紙上或計算機終端屏幕上或其它方便的顯示裝置或媒體上，以及利用測量信號和參考信號的頻率測量數據來確定測量轉子的精度和兩個轉子的流率。顯示這些信號的目的是可以使筆記本計算機109的操作員來對其檢查，以確定例如兩個信號在空間上或在其周期上是否不對稱，不對稱表示一個特定轉子上的一個或多個葉片可能已經損壞；或者顯示的信號在空間上或其周期上是否有變化，變化表示由於某種條件例如氣路中的脈動氣流或通-斷氣流，使轉子的轉速不穩定。
LABVIEW程序開發系統用圖形程式語言G編制如圖18所示的方框圖形式的程序。為了說明編程的作用，LABVIEW程序的源碼依賴於圖形符號而不是文本語言。對於大多數編程任務，LABVIEW系統有表示功能和子程序的多種圖符庫，另外，可以依靠國家儀表公司僱用的LABVIEW應用工程師提供一些手頭上的LABVIEW庫中沒有的功能元件和子程序，這些工程師精通於開發LABVIEW程序。
LABVIEW程序被稱作虛擬儀器(「VI」)，因為其每個程序都包括一前面板，如圖19中所示的前面板，前面板與其方框圖源編碼的碼元有關聯，方框圖源碼表示在圖18上。LABVIEW程序操作員在計算機終端屏幕上觀看和操作圖19所示的前面板，而不看、不用或者不必有源碼圖。可以用類似於使用實際儀器的方法來操縱前面板上所示的開關，按鈕和錶盤，除非開關、按鈕和錶盤是用計算機屏幕上的計算機的滑鼠來操縱的。可以由操作人員通過使用計算機滑鼠和用LABVIEW程序開發系統提供的說明書所述的技術輸入前面板左上角的數據輸入區。正如由圖19可看到的，要輸入到圖中的數據包括渦輪計的尺寸，渦輪計和測量筒以及參考筒的序號，參考筒被稱作標準儀。操作人員還必須輸入在測試流率條件下校準的機械指針的精度，在測試流率條件下測量轉子和參考轉子的K因子和精度變化的誤差極限。如果校準精度和根據本發明測量的精度之差大於誤差極限，那麼在圖19右下角的渦輪計狀態指示將指出，誤差已經超過了所允許的誤差極限。
更具體地參考圖18，LABVIEW程序被分為三部分一方波跟蹤程序160，一測量轉子流率程序162和一精度測量程序164。三個程序中的每個程序都被框在一個黑色矩形框裡，並被稱作「當型」(While)循環，用一組合文件夾圖符示於左上角的「循環」166包括ICTR控制168。ICTR控制168確保三個「當型」循環160、162和164以正確的順序工作。該ICTR控制利用包含在8253計算機晶片中的一個計數器/定時器來確定「當型」循環160、162和164內各種功能的時間順序，於此文中已被列入參考文獻，8253計算機晶片包括在數據採集卡120中。其內有「N」字母的小框170是「循環」循環的一部分，該框170接收一數字，這樣在框122中示有數字4，表示在整個程序中有4個基本循環，包括「循環」(FOR)循環166和「當型」循環160、162和164，框171中所示的數字1被耦合到數據採集卡120，數字1本身表示只用了一個數據採集卡，在「循環」循環166和「當型」循環160、162和164的每個循環中都包括一交互終端174，以計每個循環已經完成其特定功能的次數，復位端鈕176可用於把所有功能設置為零或預設狀態。LABVIEW程序有能力把輸入到程序的各種數值復位到程序用戶所選擇的預設值。當按下復位端鈕176，數據輸入表中的所有數值都輸入預設值或輸入已經沒置要取代預設值的某些新數值。
在「循環」循環166的右邊示有一組共三個輸入端鈕，它包括渦輪計序號端鈕178，測量筒序號端鈕180和標準儀器序號端鈕182，這些端鈕使用戶能在所進行的測試中根據序號辯認正在被測試的渦輪氣量計體，正在被測試的測量筒和正在被用作測試標準的參考筒。參考圖19，這三個端鈕作為渦輪計序號控制178A，測量筒序號控制180A和標準序號控制182A示於LABVIEW程序的前面板上。
方波「當型」循環160包括一方波跟蹤子程序184，用於採集方波模擬測量信號或參考信號，這些信號來自圖14中所示的數據採集卡120的8253晶片，子程序184是國家儀表公司的應用工程師提供的，已被列入參考的程序184被國家儀表公司稱作Acquire N Scan-SW Trig，用於在獲得信號後把模擬信號顯示在端鈕186上，不過，專業技術人員為此用途設計的任何程序都是令人滿意的。
方波「當型」循環160還包括參考信號循環188和測量信號循環190，以及一桌球開關192，該開關可以假設「真」或「偽」的狀態，雖然循環188和190是分開表示的，但是這兩個循環通過連器194耦合到方波跟蹤子程序184一終端。在參考信號循環188內，框195內的數字表示數據採集卡120的通道「1」是通過參考信號循環188耦合的，以便為方波跟蹤子程序188提供參考信號，框196中的數字2100代表一控制掃描速率的定標器。「偽」框198指示桌球開關192必須處在其「偽」模式內，以便使參考信號通過參考信號循環188連接到方波跟蹤子程序184。
測量信號循環190包括其內數字為「0」的框200，這表示，循環190被連接到數據採集卡120的通道「0」以便接收測量信號。在框202中的數字7500表示一控制外部定時器掃描速率的定標器。測量信號循環190的掃描速率高於參考信號循環188的掃描速率，因為在本發明的實施例中，測量轉子的轉速高於參考轉子的轉速。「真」框204指示，桌球開關192必須處在其「真」的模式，以便使測量信號循環190通過連接器194連接到方波跟蹤子程序184。
ICTR控制168由國家儀表公司的應用工程師設置成這樣，使得在任何時候，無論被監測的轉子轉得多麼快，代表測量轉子或參考轉子的每個渦輪葉片的14個順序脈衝都出現在圖19所示的帶狀記錄紙上，桌球開關192相應於計算機的滑鼠激勵開關192A，在圖19中，該開關示於顯示記錄紙186A的旁邊，因此，當開關192A被拔到其上邊位置或「主要」位置時，圖18中的開關192就處在其「真」位置上。因此，來自被測渦輪氣量計測量轉子的測量信號通過測量信號循環190和連接器194耦合到方波跟蹤程序184。在顯示終端186和圖19的顯示記錄紙186A上就產生14個脈衝，這些脈衝代表由測量轉子的每個葉片所產生的信號。同樣，如果開關192A被拔到其下邊的位置，那麼圖18的狀態結構192就處在其「偽」的模式，這使得參考信號通過參考信號循環188和連接器199連接器194耦合到方波跟蹤程序184。然後在顯示終端186上和在圖19的顯示記錄紙186A上就產生14個代表每個參考轉子葉片的脈衝。
桌球開關206被連接到「運行」圖符208上就指示，當桌球開關206處於「真」模式時，只要「當型」循環162和164的相應「運行」桌球開關都不處在其「真」模式上，方波「當型」循環160就一直運行。當桌球開關206處在「偽」模式時，它是開關的預設模式，「當型」循環160不運行，在「當型」循環162和164中的每個相應「運行」桌球開關都以相同的方式操縱和控制其「當型」循環。因此，桌球開關210被連接到運行圖符212上，以指示當桌球開關210處在其「真」模式上時，流率「當型」循環162就處於運轉狀態，桌球開關210的預設模式是「偽」，因而它不能轉換到「真」模式使「當型」循環162運轉，除非「當型」循環160的桌球開關206處在其「偽」的位置和連接到精度測量「當型」循環164的運行圖符216的桌球開關214處在其「偽」的位置上。桌球開關214的工作也是如此。
在LABVIEW程序的運行過程中，在確定測量轉子的精度之前，操作人員首先測定測量轉子的流率，然後以轉子容量百分數的形式，設置這一流率。其目的是測定一個或多個流率，然後把相對已測定流率下的精度校準、K測量和K參考輸進程序，使精度的計算能夠進行。這正是圖18所示的流率「當型」循環162的目的。
流率「當型」循環162包括一被連接到除法功能元件分子上的「速頻」(Quick Freqs)VI子程序218。「速頻」子程序218是國家儀表公司的應用工程師專門為測量測量信號和參考信號兩個信號的頻率編寫的，該程序和用在DA Q Card 700數據採集卡120中的8253計算機晶片一起可以公開地從AMER METVI 4/96指定的國家儀表公司買到，並且已被列入本文參考。該程序不能用於採用其他形式計算機晶片，例如通用9513晶片的數據採集卡。專業技術人員可以編寫頻率測量程序來滿足任何計算機晶片或使用其它設備的需要。「速頻」子程序較大，而且需要佔用相當多的處理機時間。已經設定，在5秒內從測量信號和參考信號兩個信號中獲取脈衝，然後利用DA Q Card 700中的三個計算器/定時器對兩個這些方波信號的頻率進行計算。正如下面更清楚的描述那樣，「速頻」子程序還用在精度測量的「當型」循環164中。
測量轉子的K因子K測量是通過被連接在除法功能元件220分母上的終端222輸進程序。終端222相當於圖19中所示的Km控制222A。
除法功能元件220的商數f測量/K測量被連接到乘法功能元件224的一個終端。正如從上面方程式(4)可以看到的，除法功能元件220產生由被測渦輪氣量計的測量轉子確定的流率。但是，在本發明的優選實施例中，最好用渦輪計容量的百分數來表示流率，容量是用每小時若干千立方英尺量度的。因此，為了按每小時若干千立方英尺的流率量度，把數為3.6的因子226連接到乘法功能元件224的另一個終端。所得到的乘積通過連接器228被耦合到除法功能元件230的分子端。
流率「當型」循環的平衡被確認為渦輪計尺寸子程序232，並產生一數字，該數字通過連接器234被耦合到除法功能元件230的分母上，以便把每小時若干千立方英尺計的測量轉子流率測量數值轉換為表示特定渦輪計容量的百分數。子程序232包括一渦輪計尺寸終端236，該終端236通過連接器238被耦合到比較器功能元件240的上端。含有數字7的框242被連接到比較器功能元件240的下端。同樣，渦輪計尺寸終端236通過連接器244被耦合到比較器功能元件246的上端。包含數字9的框248被耦合到比較器功能元件246的下端。另外，渦輪計尺寸終端236通過連接器250被耦合到比較器功能元件252的下端。包含數字5的框254被連接到比較器功能元件252的上端。
比較器功能元件240、246和252的運算方式是這樣的，如果其上端的數字小於其下端的數字，那麼輸出將是「T」，表示條件正確，但是，如果其上端的數字大於其下端的數字，那麼輸出將是「F」，表示條件是不正確的。
渦輪計尺寸子程序232還包括三個選擇功能元件256、258和260。每個選擇功能元件都有一表示為「？」的輸入端，以及一標有「T」的上輸出端，用於指示，如果其輸入端的條件為「真」，那麼耦合到選擇功能元件該區域的數值將成為輸出。每個選擇功能元件還包括一下「F」端， 其作用是這樣的，如果選擇功能元件輸入端的條件是「偽」，那麼在這個終端的數值將成為選擇功能元件的輸出。
比較器功能元件252的輸出被耦合，或者用LABVIEW系統的術語「用線接」到選擇功能元件256的輸入端。包含數字0.3的框262被用線接到選擇器256的「T」端，而包含數字0.18的框264則被用線接到選擇功能元件256的「F」端，且比較器240的輸出被用線接到選擇功能元件258的輸入端，同樣，選擇功能元件256的輸出被用線接到選擇功能元件258的「T」端，而包含數字0.6的框266則被連接到選擇功能元件258的「F」端。另外，比較器246的輸出被用線接到選擇功能元件260的輸入端，同時選擇器258的輸出被用線接到選擇器260的「T」端，含有數字1.5的框268被用線接到選擇器260的「F」端。選擇器260的輸出通過連接器234被用線接到除法功能元件230的分母。除法功能元件230的商被用線接到渦輪計容量百分數端270。
參考圖19和圖18，「按壓設置流率」按鈕210A相當於桌球開關210，並用計算機滑鼠執行其「真」模式，以便在適當的數據被輸進「數據輸入表」之後接通流率「當型」循環162。前面板左上角的渦輪計尺於輸入端236A相應於流率「當型」循環162的渦輪計尺寸端236。在測試開始之前，操作人員先把被測渦輪氣量計的尺寸輸進渦輪計尺寸輸入端236A，再參考圖19的前面板，％渦輪計容量指示器270A相應於渦輪計容量的百分數端270，並示出佔渦輪計最大容量的百分數的數字，最大容量是通過測定被測渦輪氣量計的轉子而測定的。渦輪計最大容量百分數也表示在渦輪計容量百分數錶盤270B上。
在流率「當型」循環162運行之前，操作人員還必須輸進在被測試的渦輪計流率下的K測量的數值。必須把被測渦輪氣量計的實際流率調節到所希望測試的渦輪氣量計的流率，正如指示器270A和指針盤270B所示的。
啟動桌球開關210使流率「當型」循環162開始運行，並且只要方波「當型」循環160的桌球開關206和精度測量「當型」循環164中的桌球開關214處在「偽」的狀態下就一直運行下去。「速頻」子程序218確定通過比較器220耦合的測量信號頻率，以便提供被測渦輪氣量計的流率。這一流率用乘法功能元件224乘以因子3.6，通過連接器228用線接到除法功能元件230的分子上。
假定正被測試的是6英寸的渦輪計。數字6被輸進圖19的渦輪計尺寸輸入端236A，並通過圖18的流率「當型」循環162的渦輪計尺寸端236用線接到比較器240的上端和比較器252的下端。由於框254的數字5小於6，所以，比較器252的輸出是「真」，這使框262的0.3通過選擇器256的「T」端送或發到選擇器258的「T」端。現在參考比較器240，由於從渦輪計尺寸端236端收的6小於從框242接收的7，所以比較器240的輸出是「真」，這使選擇器258有來自其「T」功能元件的輸出0.3，0.3是從選擇器256中接收到的。另外，比較器246從渦輪計尺寸端236接收的數字6小於從框248接收的9，這使得比較器246的輸出是「真」。由於選擇功能元件260的輸入狀態是「真」，所以在選擇功能元件260「T」端接收的數字0.3成為其輸出，並通過連接器234送到除法功能元件230的分子上。當用每小時若干千立方英尺計的測量轉子流率被0.3除時，測量轉子的流率就是按該轉子容量的百分數來表示了。
參考圖13和圖18，頻率測量器的功能由Quick Fregs子程序提供，而定標器104的功能則是由K測量端222和比較器220聯合提供的。流率「當型」循環162的平衡把測量的流率轉換成所希望的標度，即優選實施中若干千立方英尺/小時，並輸入要指示的量度類型，在該優選實施例中，即佔被側渦輪計最大容量的百分數。
精度測量「當型」循環164確定被測渦輪氣量計的精度，並把這精度指示提供給程序操作人員，提供與被測渦輪氣量計原始標準精度的偏差指示，根據預選的誤差極限提供被測渦輪氣量計的故障指示，並測量流過參考轉子的氣體流率。利用平均頻率功能元件272測量測量信號和參考信號的頻率。這個功能是由表示在圖20的「速頻」子程序218加平均程序提供的。在平均頻率功能元件272中，「速頻」子程序218測量測量信號和參考信號的頻率。平均頻率功能元件272包括一「循環」循環279和一對標準偏差功能元件281和283，該偏差功能元件281和283是由LABVIEW系統提供的，並用圖20所示和圖符表示。標準偏差功能元件能夠完成一系列輸入的標準偏差數字計算，例如一系列根據本發明提出的渦輪氣量計的測量轉子或參考轉子頻率測量值。上述計算結果是由標準偏差功能元件端耦合的，標準偏差功能元件用希臘字母σ表示。另外，標準偏差功能元件程序能夠產生均值計算或一系列頻率測量的平均值，此計算由用希臘字母μ標記的終端輸出指示。在圖20中，接線273和277分別被連接到標準偏差功能元件281和283的平均頻率端。
參考「循環」循環279示有「速頻」的子程序218用線接到框285，框285表示測量信號和參考信號的輸入，在圖18中，這兩個信號來自「循環」循環166，交互端174完成的功能與圖18所示的「循環」和「當型」循環中的每個循環的相同，其功能是確定執行其特殊功能的循環次數。N框287被連接到其上有數字「5」的框287A上，指示測量信號和參考信號兩個信號的5個分離採樣通過「速頻」子程序218程序供給到標準偏差功能元件281和283，以完成平均頻率功能元件的運行。
因此，在運行中，「速頻」子程序218測量5秒內的測量信號和參考信號和脈衝數。這兩個信號5個連續採樣的每個頻率測量值都饋至其適當的標準偏差功能元件，對於參考信號來說，標準偏差功能元件是281，對於測量信號來說，標準測量功能元件是283。參考信號5次測量值的運行平均值是在導線273處在參考標準偏差功能元件281的μ端被接收。同樣，測量信號頻率的5次測量值的運行平均值是在連接在測量標準偏差功能元件283μ端導線277處被接收。
現在參考圖18，測量信號的頻率測量值通過導線273被送到除法功能元件274的分子上，同時K測量從K測量端222供給到除法功能元件274的分母端。輸入到除法功能元件274的商，即流率f測量/f測量被供給到除法功能元件276分子端。
參考信號的頻率測量值f參考通過導線277由平均功能元件272耦合到除法功能元件278的分子端。f參考也被耦合到除法功能元件280的分子端。K參考端282把在測試流率條件下參考轉子的K因子的值供給到除法功能元件278的分母和除法功能元件280的分母。除法功能元件280的商K參考/K參考被耦合到乘法器283的一個輸入端，而值為3.6的框284則被耦合到乘法器的另一輸入端。參考流率和3.6的乘積在參考流率端284提供一個以若於千立方英尺/小時計的通過參考轉子的流率測量值。流率的這一測量值可能比由流率「當型」循環162提供的佔渦輪計最大容量百分數的測量值更精確。其原因是兩方面的。首先，正如前面所說明的，參考轉子是以這樣一種方式製造的，使參考轉子受摩擦增加和構件損壞以及改變渦輪氣量計精度的其它因素的影響可能較小。另外，通過平均參考信號頻率的4次連續測量值，使得平均頻率功能元件272可以保證流率有更精確的測量值。
為了幫助確定被測渦輪氣量計的精度，除法功能元件278的商被耦合到除法功能元件276的分母端，然後該除法功能元件276用參考轉子的流率測量值除測量轉子的流率測量值，並把這一商數耦合到乘法功能元件286的一端。校準精度端288從操作人員或從適當的資料庫接收精度校準的數值，然後把這一數值耦合到乘法功能元件286的第二個終端。因此，乘法功能元件286的輸出就是被測渦輪氣量計的機械輸出或指針的精度測量值，正如上面的方法(11)所示的那樣。這一精度測量值顯示在測量精度端290。
被測渦輪氣量計的精度與校準時精度的變化由減法功能元件292確定，該減法功能元件292從終端290端接收精度測量值，並從終端288接收精度校準的值。終端294接收來自減法功能元件292的校準精度與測量精度之差值。那個差值被耦合到絕對值功能元件296，絕對值功能元件296把差值的絕對值提供給比較器298的一個終端。要求的誤差極限是通過誤差極限端300提供給比較器298的另一端。如果精度誤差的絕對值大於要求的誤差極限，比較器298就在終端302假設「T」或「真」狀態。如果精度誤差的絕對值不大於誤差極限，在終端302假設「F」，或「偽」狀態，表示，被測渦輪氣量計的精度測試結果仍是令人滿意的。
再參考圖19和圖18，圖19所示的「虛擬儀器」操作員必須在輸入控制器282A輸入測試條件下的參考轉子K因子的數值，控制器282A相應於K參考終端282，並且必須在控制器288A處輸入測量轉子在測試條件下的校準精度，控制器288A相應於終端288。在控制器300A處輸入要求的誤差極限，該控制器300A相應於圖18中的終端300。
精度測量「當型」循環164的運算結果顯示在圖19中所示前面板左下角和右下部分。渦輪計精度的測量值表示在相應於精度測量終端290的指示器290A上。另外，精度的變化顯示在相應於終端294的指示器294A上。由參考轉子測量的流率顯示在相應於參考流率終端284的指示器284A上。渦輪計相對要求誤差極限的狀態顯示在相應於精度測量「當型」循環164終端302的指示器302A上。
圖19所示的前面板上數據輸入表上的所有數據都可以用計算機記錄，可以用計算機記錄的還有確定渦輪計精度時的容量的百分數，精度的確定結果以及渦輪計的狀況。然後可以把這一信息傳到另一資料庫或包含在一報告中。
圖21和22表示一「虛擬儀器」，在校準期間，它被用於確定其內具有兩個獨立轉動渦輪氣量計的測量轉子和參考轉子的K因子。根據上面的方程(4)，流率Q等於在校準的特定點條件下測量的頻率除以這些條件下測量的K因子。專業技術人員會認識到，K因子可以通過在校準時測量頻率並提供精確測量的氣體流率來確定，精確測量氣體流率可以使用一些熟知的儀器，如報警校驗儀，聲波噴嘴校驗儀或已知精度的類似儀器。圖21和22所示的「虛擬儀器」測量參考頻率和測量頻率，並確定表明每個被測數據可靠還是不可靠的相對標準偏差。
「循環」循環279以及標準偏差功能元件281和283與圖20所述的那些程序項相同。正如上面指出的，「循環」循環279用「速頻」功能元件218測量5秒時間間隔的頻率。「循環」循環279把參考信號的頻率測量值提供給標準偏差功能元件281的輸入端，並把這一頻率測量值提供給標準偏差功能元件283的輸入端。標準偏差功能元件281和283的每個都積累來自「速頻」功能元件218的5個連續頻率測量值。參考信號頻率和5次測量值的平均值或連續平均值由標準偏差功能元件281的μ端傳到參考頻率端289，然後傳到除法功能元件291的分母上。同樣，測量信號的5次頻率測量值的均值或平均值由標準偏差功能元件283的μ端被傳送到終端293，然後被傳送到除法功能元件295的分母上。
根據本發明的一個方面，用標準偏差功能元件281對參考信號頻率的5個採樣標準差進行計算。也就是，標準偏差功能元件計算出參考信號5個測量值與5個測量值的均值偏差平方的均方根。這一計算值通過參考標準偏差端297用線接到除法功能元件291的分子上，在這裡它被除以參考信號的頻率測量值的均值或平均值。除法功能元件291的商在終端299提供參考信號5個測量值的相對標準偏差。正是由這個值確定，參考信號的5個測量值是否足夠接近，以求從統計的觀點來看該參考信號的這些測量值是可靠的。如果它們是足夠接近的，那麼應該用對頻率所計算的均值或平均值與用於校準這一步驟的流率一起採用方程(4)來確定K因子。如果5個頻率測量值的相對標準偏差顯示信號接近不足，那麼必須採用新的頻率測量值。根據所進行的測試，如果相對標準偏差大於0.2％左右，那麼，在這個校準點工作條件下的K因子計算中不應採用這個頻率測量值。
同樣，除法功能元件295的商為終端301提供測量信號5個採樣頻率的相對標準偏差。這個計算使操作人員能夠確定，這些信號是否被配成使這個測量值是不可靠的。
參考圖21，所示的前面板有一參考頻率指示器289A，該指示器289A顯示來自圖20中終端289的參考頻率平均值，前面板還有一參考信號標準偏差指示器297A。該指示器顯示來自終端297的參考信號標準偏差測量值，前面板還有一相對參考標準偏差指示器299A，該指示器299A顯示終端299出現的測量參考信號的相對標準偏差。前面板還包括一測量頻率指示器293A，它相應於圖20中的終端293，一相應於終端303的測量信號標準偏差指示器303A和相應於終端301的測量信號5個測量值相對標準偏差指示器301A。專業技術人員會認識到，在校準渦輪氣量計的過程中可以使用圖21所示的前面板來確定，在渦輪計的校準期間用於計算渦輪計K因子的頻率測量值是否可靠。
轉子軸承保護圖23表示根據本發明的某些方面構造的渦輪氣量計350，它不一定需要使用參考轉子。渦輪氣量計350在以前附圖如圖1-9所示的前述渦輪氣量計20相同的那些構件以及在說明書中涉及到的上述構件都使用相同的件號。
詳細地參考圖2和圖23，渦輪計20和350都包括一殼22，殼內都裝有整流裝置28和測量筒36，頂板48和計數器46及參考筒54的殼54A。雖然在渦輪氣量計350中不包括參考轉子及其有關的轉子軸、軸承和軸承座，但是使用參考筒殼54A使測量筒36能牢固地安裝在渦輪計殼44中。另外，如果用戶希望採用本發明自校驗方面的優點，那麼使用參考筒殼54A可使渦輪氣量計350的用戶以一包含參考轉子62的完整參考筒54來代替殼54A。
由圖2明顯看出，測量筒36是通過法蘭50安裝到渦輪計殼22的中心槽22A中去的。包括參考筒殼54A的參考筒54也是通過法蘭50安裝在渦輪計殼22中的。在測量筒336被安裝在殼22中之前，先進行參考筒的安裝。因此，參考筒54上遊端的法蘭55與渦輪計殼22的槽22A的下遊端接觸，以便使參考筒54保持在應有的位置上。本發明的該優選實施例是就這樣一種渦輪計進行描述的，在這種渦輪氣量計中，如測量筒36及參考筒54和/或參考筒殼54A這樣一些構件是通過殼22的中心進行安裝的。專業技術人員會認識到，在本發明的範圍內所示的結構可以沿用到其構件通過渦輪計一端安裝的渦輪計。
現在參考圖7及圖23，測量轉子38被安裝在一轉子軸352上，該轉子軸通過上遊測量轉子軸承76和下遊測量轉子軸承78以及軸承座354連接到一內軸承套356上，軸承座354則被安裝在軸承套356內。
轉子38包括一裝有渦輪葉片40的轉子套351和一支撐轉子套351的圓形前端面353。
根據本發明的一個方面，前端面353的整個表面都是實心的，就是說，除了穿過中心有一個能使轉子38安裝在轉子軸352上的孔之外，在其表面中沒有其它孔。前端面353的實心表面可以防止流過渦輪氣量計的氣體，包括氣體中可能存在的任何汙染物，直接通過轉子流向轉子軸承76和78。
另外，測量筒44包括一形成筒室的筒體355，該筒體與轉子38是同心的，其外徑略小於轉子套351的內徑。筒體355的上遊端具有這樣的長度，使其在下方至少延伸到轉子套351的一部分。筒體355在轉子38下遊的那部分是連續而光滑的，所以，汙染物不能積累在轉子套351附近，汙染物可能被帶入的地方是在轉子套351和筒體355之間。前端面353的實心表面，轉子套351與筒體355的重疊和在轉子套351下遊的筒體355的光滑而連續的表面形成一條件，該條件要求流過轉子套351和筒體355之間上遊的汙染物進到裝有軸承座354和測量轉子軸承76及78的筒室。另外，筒體355的外表面有一微小朝向筒體軸線的下遊錐坡。這一斜坡有助於流過渦輪計的氣體中的汙染物從轉子套351和筒體355之間的縫隙中流走。
軸承座354是從測量筒44的下遊端插入內套356中的，在內套356的下遊端的法蘭358與內套356的下遊端接觸。軸承座354用六角螺母360保持在面對內套356的應有位置，隨著六角螺母360在軸承座354的外表面上的螺紋362上的轉動，軸承座354被擰緊在內套356的上遊端。
軸承78用一對擋圈364保持在應有位置上。而轉子軸承76則用一對同樣的擋圈366保持在其應有位置上。滾珠軸承76和78用加油墊368分開。加油墊368內有一槽370，該槽370必須與測量筒殼中的那些孔(未示出)對齊，以使潤滑油正常地流到加油墊368上。槽370還必須與擋圈364和366中靠近加油墊的那些孔(未示出)對齊，以使潤滑油能夠正常地潤滑轉子軸承76和78。這種類型結構對於設計和製造渦輪氣量計的專業技術人員來說是熟知的。
測量轉子38通過一組填隙片372和軸承罩374聯接到轉子軸352上。下面將充分說明填隙片372的用途。軸承罩374與轉子軸52對中，並固定在軸承座354上遊端附近，以便有助於保護軸承76和78免受汙染。一旦把轉子38面對填隙片72放置在應有位置上，就面對轉子38的上遊端放置一平墊圈376，並把一大角螺母378擰到轉子軸352上遊端的螺紋上。把該六角螺母378擰緊到所要求的程度，以使轉子38保持在應有位置上。
測量筒365還包括一個聯接室382，在聯接室382中裝有一聯接在轉子軸352和計數器46之間的聯接器384，計數器示於圖23中。聯接器384可包括任何系列的齒輪、軸及軸承，並且/或者這些構件包括專業技術人員用於聯接渦輪氣量計的測量軸轉子與機械計數器的那種磁性聯接構件。
聯接室382用一蓋板386蓋住，該蓋板386用一組圍繞其周緣的螺栓固定在聯接室382的下遊端，其中一個螺栓示為388。蓋板386的中心有一板孔390，其內裝有一通氣管392。板孔的用途是消散渦輪氣量計工作時、齒輪和軸承轉動時在聯接室382中所產生的熱量和壓力。它防止了通過轉子套357和筒體355之間縫隙吸氣的可能性和可能受到汙染。通氣管可以做成任何適當的結構，如細小網孔或纖維隔板，這種結構可使熱量和壓力從聯接室382逸出，同時防止汙染物進入聯接室382，反過來影響聯接器384或轉子軸承78或76。
同樣，一帶有中心板孔和通氣管396的蓋板394用一組螺栓398固定在參考筒套60上，該通氣管396與通氣管392相同。蓋板386和394產生一定程度的彈簧張力，而且在裝有這些蓋板時就起彈簧板的作用。另外，還設有一彈簧機構，以便對測量室22施加壓力，在該優選實施例中，彈簧機構400包括一貝氏墊片。該貝氏墊片400被裝在蓋板394和參考套60上遊端的切口區402之間。貝氏墊片400對蓋板394施加壓力，蓋板394通過蓋板386被聯接到筒殼44上。專業技術人員會認識到，可以採用其它形式的彈簧機構對筒殼44施加壓力，有些彈簧機構可以通過蓋板394起作用，而另一些則可以不通過蓋板394起作用。
筒殼44有一安裝在其上遊端外圍的密封機構404，以防止旁路測量室36的正常氣路。在該優選實施例中，這個密封機構404是O形圈，儘管可以用其它形式的密封裝置來代替O形圈。由貝氏墊片施加的壓力通過蓋板394和386以及筒殼44的結構對該O形圈404施力。以便有助於對渦輪氣量計350的殼形成一可靠的密封。
渦輪計精度調節如上面所說明的那樣，渦輪氣量計就其精度來說是通過在不同的預期工作氣路壓力下對其進行測試來校準的。也就是說在各種氣路壓力和在各種預期有的流率下測定渦輪氣量計工作時的精度。參考圖23，校準渦輪氣量計，例如渦輪計350，常常包括調節聯接器384內的齒輪比，使得在渦輪計最大容量的約60％的流率下，計數器46是100％準確的。
在圖26中所示的曲線中，虛線曲線表示渦輪氣量計在校準之前的典型精度曲線。在該虛線精度曲線中，低流率下的凸起是明顯的，而且對於商業渦輪計來說是不合格的。根據本發明的一個方面校準的渦輪氣量計其典型精度曲線在圖26的曲線中用實線曲線表示。為了精度測試渦輪計被加壓在0.25磅/平方英寸。根據圖26中曲線的實線曲線可以看出，即使是校準過的渦輪計，在低流率下，精度曲線也有一個凸起，儘管是在容許的限度內。在所示的精度曲線中，在流率低於渦輪計最大容量的約10％以下，渦輪計計數器記錄的氣體少於實際流過該器的氣體。直到渦輪計的流率達到其最大容量的約50％以前，計數器記錄的氣體多於實際流過該器的氣體。
根據本發明的另一個方面，圖23中所示的渦輪氣量計350有一些結構，更詳細地示於圖24和圖25，這些結構能夠調節渦輪計的精度，使低流率下精度曲線的凸起減至最小，而不反過來影響高流率下的精度曲線。參考圖24，測量筒44有一軸向截面為錐形的內表面，該內表面在預定長度範圍內從測量筒44的上遊端406延伸到其內表面上一點，並以約5°和約7°之間範圍的角度漸縮遠離渦輪葉片40。換句話說，在測量筒殼44的上遊端406和該殼內表面的點408之間一預定長度上測量筒44的內徑以這個角度範圍內的某一角度增大。
通過把渦輪葉片40的上遊葉尖的位置調節至筒殼錐區內一要求的固定位置可以改變渦輪葉片40的葉尖和測量筒44內表面之間的間隙。增加葉尖的間隙使轉子的轉速降低。從能量轉移的觀點來看，轉子轉速降低的原因是，通過增加間隙的面積使更多的氣體旁路渦輪葉片40。因此，從氣體轉移到轉子葉片40上的動能減少，因而降低了轉子38的轉速。反之，葉尖間隙的減小有相反的效應，即有更多的氣體流過轉子葉片40，使測量轉子38的轉速增加。根據本發明的又一個方面已經發現，最佳結果是通過使渦輪葉片上遊葉尖和測量筒錐形內表面之間有一間隙來獲得，該間隙調節在約0.010英寸至0.045英寸的範圍內。
可以通過用任何方便的機構或方法來調節渦輪葉片40的上遊葉尖位置，最後加以牢固地定位。如圖25所示，在該優選實施例中，利用在轉子38和軸承罩374之間的轉子軸352上放置一個或多個的填隙片372來控制渦輪葉片40上遊葉尖相對錐形區的位置。為了調節渦輪葉片40上遊葉尖相對錐形區的位置，從轉子軸352的端頭卸下螺母378，並且從轉子軸352卸下轉子38。為了把渦輪葉片40的葉尖移向測量筒殼44內的左方或者說上遊，可以使用附加的填隙片或更厚的填隙片。這就減小了測量筒44內表面和渦輪葉片40上遊端之間的間隙，從而增加了單位氣體流率所引起的測量轉子38的轉速。可以取出填隙片372中的一個或多個填隙片，或者使用更薄的填隙片，以便使渦輪葉片40的上遊端在渦輪計內移向右方或者說下遊。這就增加了測量筒44內表面和渦輪葉片40上遊端之間的間隙，因而降低了單位氣體流率所引起的轉子38的轉速。轉速的這種增加或減少在較低氣體流率下比在較高氣體流率下更顯著。另外，這種轉速的增加或減小在較低工作壓力下比在較高工作壓力下更有效。這使得低壓和高壓精度曲線更為接近。
再一次參考圖26，如果精度曲線的低流率部分比該曲線的高流率部分低得不能容許，那麼減小葉尖間隙會使曲線的低流率部分向高流率部分抬高。而如果渦輪氣量計的精度曲線低流率部分比該曲線的高流率部分高得不能容許，那麼增加葉尖間隙會使曲線的低流率部分向高流率部分降低。
能使渦輪氣量計的精度得到有效調節的壁角範圍可以通過有關壓力流在具有各種不同壁角的光滑通道中流體力學一般原理來推斷，也可以通過測試端部406和點408之間不同內壁角對氣體速度分布的影響來確定。已經發現，當壁406對408的角度約小於5°時，要得到葉尖間隙的適當變化，以便適當地調節渦輪氣量計的精度，需要測量轉子38沿軸向作很大的移動。當壁406對408的角度約大於7°時，在高流率下渦輪氣量計精度開始不適宜地下降。對於任何特定的渦輪計，在這個近似的角度範圍內究竟選擇多大的角度取決於該渦輪計的具體特徵。
專業技術人員會認識到，本發明的上述各種特徵可以單獨地用在單轉子或雙轉子渦輪氣量計中。或者可將兩個或多個特徵組合在單轉子或雙轉子渦輪氣量計中。另外，本發明已經就某些具體實施例的一些細節、構件的配置和步驟做了說明，為了說明本發明的實質已經對這些實施例做了敘述和說明。專業技術人員可以在不離開本發明精神和範圍的情況下做許多修正和改變。因此附有的權利要求是要說明權利要求包括不離開本發明精神和範圍的那些相當的渦輪氣量計、系統和方法。
權利要求
1.一種渦輪氣量計測量在其內流過的氣流量，該氣量計包括(a)一限定氣體流程的筒形細長殼，所述殼有一入口，一中心軸線和一出口；(b)一進氣整流器被安裝在所述流動路徑中靠近所述入口，以形成一恆定面積通道，該通道使來自所述入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c)一測量筒被安裝在所述進氣整流器的下遊並與其毗鄰，還包括一測量轉子繞所述殼的軸線轉動；所述測量轉子上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些葉片使測量轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速，在相對於所述殼軸線的一個方向轉動；(d)一參考整流器被安裝在所述殼內所述測量轉子下遊，以形成一具有恆定面積的通道，該通道的面積基本上等於所述入口整流器形成的通道面積，使來自所述測量轉子的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(e)一參考轉子被安裝在所述參考整流器的下遊並與其毗鄰以繞所述殼的軸線轉動；所述參考轉子以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述參考轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速，在相反於所述測量轉子轉動方向的方向轉動；(f)一測量信號發生器響應於所述測量轉子以產生正比於所述測量轉子轉動速率的測量信號；(g)一參考信號發生器響應於所述參考轉子，以產生正比於所述參考轉子轉速的參考信號；(h)一信號處理器響應於所述測量信號發生器和參考信號發生器，它用於根據測量信號除以參考信號的商提供所述渦輪氣量計的精度指示。
2.一種根據權利要求1所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器包括一K因子的表示K測量，K測量是在渦輪氣量計工作條件下對所述測量轉子確定的，還包括一K因子的表示K參考，K參考是在所述渦輪氣量計工作條件下對所述參考轉子確定的，精度指示也是根據K參考除以K測量的商。
3.一種根據權利要求2所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述渦輪氣量計在其工作條件下校準時的精度表示，精度校準被包含在所述信號處理器中，而精度指示則是由測量信號頻率除以參考信號頻率的商確定的，這個商乘以K參考被K測量除的商，並乘以精度校準。
4.一種根據權利要求1所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器包括所述渦輪氣量計的要求精度表示，並提供所述渦輪氣量計的要求精度和指示精度之間差值的量度。
5.一種根據權利要求1所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器包括所述渦輪氣量計的要求精度表示，並提供所述渦輪氣量計的要求精度和指示精度之間差值的量度。
6.一種根據權利要求3所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器包括所述渦輪氣量計的要求精度表示，並提供所述渦輪氣量計的要求精度和指示精度之間差值的量度。
7.一種渦輪氣量計測量在其內流過的氣流量，該氣量計包括(a).一種限定氣體流程的筒形細長殼，所述殼有一入口、一個中心軸線和一出口；(b).一進氣整流器被安裝在所述流動路徑中靠近所述入口，以形成一具有恆定面積的通道，該通道使來自入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c).一測量筒被安裝在所述進氣整流器的下遊並與其毗鄰，還包括一測量轉子繞所述殼的軸線轉動；所述測量轉子上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使測量轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速，在相對於所述殼軸線的一個方向轉動；(d).一參考整流器被安裝在所述殼內所述測量轉子下遊，以形成一具有恆定面積的通道，該通道面積基本上等於由所述入口整流器形成的通道面積，以使來自所述測量轉子的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(e)一參考轉子被安裝在所述參考整流器的下遊並與其毗鄰，以繞所述殼軸線轉動；所述參考轉子上以一定槳角裝有一些輪葉渦片，這些渦輪葉片使所述參考轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速，在相反於所述測量轉子轉動方向的方向轉動；(f)一測量信號發生器響應於所述測量轉子，以產生具有其頻率f測量正比於所述測量轉子轉速的測量信號；(g)一參考信號發生器響應於所述參考轉子，產生具有其頻率f參考正比於所述參考轉子轉速的參考信號；(h)一信號處理器響應於所述測量信號發生器和所述參考信號發器，以根據下列公式確定所述渦輪氣量計的精度；
其中在測量轉子和參考轉子的工作條件下，K測量是測量轉子的K因子，K參考是參考轉子的K因子，精度校準是在校準期間確定的測量轉子機械輸出的精度。
8.一種根據權利要求7所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器根據下列公式對精度校準與渦輪計當前的精度進行比較
9.一種根據權利要求8所述的渦輪氣量計，其特徵在於信號處理器根據下列公式對精度校準和渦輪計當前精度之間差值與誤差極限值進行比較
10.一種根據權利要求7所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述測量信號發生器響應於所述測量轉子的所述渦輪葉片，以產生測量信號，而所述參考信號發生器響應於所述參考轉子上的所述渦輪葉片，以產生參考信號，並且所述信號處理器產生表示由所述轉子葉片的轉動所產生信號模式。
11.一種根據權利要求1所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述測量信號發生器響應於所述測量轉子的所述渦輪葉片，以產生測量信號，而所述參考信號發生器響應於所述參考轉子上的所述渦輪葉片，以產生參考信號，並且所述信號處理器產生表示由所述轉子葉片轉動所產生信號的信號模式。
12.一種根據權利要求7所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述參考信號發生器響應於所述參考轉子上的所述渦輪葉片的轉動，以產生參考信號，而所述測量信號發生器響應於所述測量轉子上的所述渦輪葉片的轉動，以產生測量信號，所述信號處理器包括一放大器，以放大參考信號和測量信號，還包括一隔離器被連接在所述測量信號發生器和所述參考信號發生器兩個信號發生器與放大器之間，以使所述測量信號發生器和所述參考信號發生器與所述放大器隔離開。
13.一種根據權利要求1所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述參考信號發生器響應於所述參考轉子上的所述渦輪葉片轉動，以產生參考信號，而所述測量信號發生器響應於所述測量轉子上的所述渦輪葉片轉動，以產生測量信號，並且所述信號處理器包括一放大器以放大參考信號和測量信號，還包括一隔離器被連接在所述測量信號發生器和所述參考信號發生器兩個信號發生器和所述放大器之間，以使所述測量信號發生器和所述參考信號發生器與放大器隔離開。
14.一種根據權利要求7所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器用於確定所述渦輪氣量計精度的頻率f測量和f參考的數值，此時是取這些頻率測量值的多次採樣的平均值。
15.一種根據權利要求7所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器是一虛擬儀器帶有一前面板，該前面板能顯示流過所述渦輪氣量計的氣體流率，和所述渦輪氣量計的確定精度。
16.一種根據權利要求9所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述信號處理器是一虛擬儀器帶有一前面板，所述前面板能顯示流過所述渦輪氣量計的氣體流率，所述渦輪氣量計的確定精度，精度校準與所述渦輪氣量計當前精度的比較結果，以及所述渦輪氣量計的精度校準和當前精度之間的差值與誤差極限值的比較結果。
17.一種渦輪氣量計測量在其內流過氣流量，該氣量計包括(a)一限定氣體流程的筒形細長殼，所述殼有一入口、一中心軸線和一出口；(b)一進氣整流器被安裝在所述流程中靠近所述入口，以形成一具有恆定面積的通道，該通道使來自所述入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c)一測量筒被安裝在所述進氣整流器的下遊並與其毗鄰，還包括一測量轉子繞所述殼軸線轉動；所述測量轉子上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述測量轉子以大致正比於流過所述殼的速度的氣體的轉速，在相對於所述殼軸線的一個方向轉動；(d)一參考整流器被安裝在所述殼內所述測量轉子下遊，以形成一具有恆定面積的通道，所述通道的面積基本上等於由所述入口整流器形成的通道面積，以使來自所述測量轉子的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(e)一參考轉子被安裝在所述參考整流器的下遊並與其毗鄰，以繞所述殼的軸線轉動；所述考轉子在其上以大約18.5°槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述參考轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度並小於所述測量轉子的轉速的轉速，在相反於所述測量轉子轉動方向的方向轉動；(f)一測量信號發生器響應於所述測量轉子，以產生正比於所述測量轉子轉動速率的測量信號；(g)一參考信號發生器響應於所述參考轉子產生正比於所述參考轉子轉動速率的參考信號；(h)一信號處理器響應於所述測量信號發生器和所述參考信號發生器，以根據測量信號除以參考信號的商提供所述渦轉氣量計的精度指示。
18.一種根據權利要求17所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述測量轉子的所述渦輪槳角被設置在大約45°。
19.一種根據權利要求17所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述測量轉子的所述渦輪葉片的槳角被設置在大約30°。
20.一種渦輪氣量計測量在其內流過的氣流量，該氣量計包括(a)一限定氣體流程的筒形細長殼，所述殼包括一入口、一中心軸線和一出口。(b)一進氣整流器被安裝在所述流動路徑中靠近所述入口處，以形成一具有恆定面積的通道，該通道使來自入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c)一測量筒被安裝在所述進氣整流器的下遊並與其毗鄰，還包括一測量轉子以繞所述殼軸線轉動；所述測量轉子上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述測量轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速在相對於所述殼軸線的一個方向轉動；(d)一參考整流器被安裝在所述殼內所述測量轉子下遊，以形成一具有恆定面積的通道，該通道的面積基本上等於由所述入口整流器形成的通道面積，使來自所述測量轉子的氣體在所述殼內基本上沿軸向流動；所述參考整流器包括一中心殼，許多從所述中心殼沿徑向朝外伸出的翅片和一筒形導流管被安裝在所述翅片的徑向端並在所述參考轉子範圍內延伸；(e)一參考轉子被安裝在所述參考整流器下遊並與其毗鄰，以繞所述殼軸線轉動；所述參考轉子上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述參考轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速，在相反於所述測量轉子轉動方向的方向轉動；(f)一測量信號發生器響應於所述測量轉子，以產生正比於所述測量轉子轉動速率的測量信號；(g)一參考信號發生器響應於所述參考轉子，產生正比於參考轉子轉動速率的參考信號；和(h)一信號處理器響應於所述測量信號發生器和參考信號發生器，以根據測量信號除以參考信號的商提供所述渦輪氣量計的精度指示。
21.一種根據權利要求20所述的渦輪氣量計，該氣量計包括參考轉子軸承被安裝在中央殼內和一軸把所述參考轉子連接到參考轉子軸承上；所述參考整流器，所述參考轉子軸承和參考轉子構成一整體部件，該部件可以從所述殼中取出。
22.一種根據權利要求21所述的渦輪氣量計，其特徵在於包括所述筒形導流管所述延伸部分的所述整體部件是這樣構造的，使所述整體部件從所述殼中取出之後，所述參考轉子仍能保持其校準精度。
23.一種根據權利要求21所述的渦輪氣量計，該氣量計包括測量轉子軸承，被安裝在所述測量筒內，和一軸把所述測量轉子連接到所述測量轉子軸承上，所述參考轉子軸承是自動潤滑的，且具有比所述測量轉子軸承更長的正常使用壽命。
24.一種根據權利要求23所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述參考轉子軸承均用環繞所述軸承的相當牢固的結構被安裝在所述中心殼內的。
25.一種根據權利要求23所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述參考轉子軸承是由氮化矽材料構造的。
26.一種根據權利要求20所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述參考轉子的所述渦輪葉片的槳角使所述參考轉子的轉動速率低於所述測量轉子的轉動速率。
27.一種根據權利要求23所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述參考轉子的所述渦輪葉片的槳角使所述參考轉子的轉動速率低於所述測量轉子的轉動速率，且所述自動潤滑軸承是由氮化矽材料製成的。
28.一種渦輪氣量計測量在其內流過的氣流量，該氣量計包括(a)一限定氣體流動路徑的筒形細長殼，所述殼有一入口、一中心軸線和一出口；(b)一進氣整流器被安裝在所述流動路徑中靠近所述入口，以形成一具有恆定面積的通道，該通道使來自入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c)一測量筒被安裝在所述進氣整流器下遊並與其毗鄰，還包括一測量轉子在其上遊端繞所述殼軸線轉動；測量轉子有一些渦輪葉片，其上遊葉尖向所述入口延伸，並在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述測量轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速在相對於所述殼軸線的一個方向轉動；(d)所述測量筒有一內表面形成被測氣體流動路徑，所述內表面的軸向截面是錐形的，在預定長度上以約5°和約7°之間的一角度從其上遊端漸縮地遠離所述渦輪葉片；(e)一機構算作所述測量筒一部分，它把所述渦輪葉片的所述上遊葉尖相對所述筒的所述錐形內表面設在一要求的固定位置上；(f)一參考整流器被安裝在所述殼中所述測量轉子上遊，以形成一具有恆定面積的通道，該通道面積大致等於由所述入口整流器形成的通道面積，以使來自所述測量轉子的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(g)一參考轉子被安裝在所述參考整流器的下遊並與其毗鄰，以繞所述殼的軸線轉動；所述參考轉子在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述參考轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速在相反於所述測量轉子轉動方向的方向轉動；(h)一測量信號發生器響應於所述測量轉子，以產生正比於所述測量轉子轉動速率的測量信號；(i)一參考信號發生器響應於所述參考轉子產生正比於所述參考轉子轉動速率的參考信號；(j)一信號處理器響應於所述測量信號發生器和參考信號發生器，以根據測量信號除以參考信號的商提供渦輪氣量計的精度指示。
29.一種根據權利要求28所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述轉子葉片的上遊葉尖和所述測量筒的所述錐形內表面之間的間隙可以通過把所述上遊葉尖設在約0.010英寸到約0.045英寸範圍內的位置上進行調節。
30.一種根據權利要求28所述的渦輪氣量計，其特徵在於，確定所述轉子葉片的所述上遊葉尖位置的所述機構至少包括一個用於安裝所述測量轉子的調整墊。
31.一種渦輪氣量計測量在其內流過的氣流量，該氣量計包括(a).一限定氣體流程的筒形細長殼，所述殼有一入口、一個中心軸線和一出口；(b).一進氣整流器被安裝在所述流動路徑中靠近所述入口處，以形成一個具有恆定面積的通道，該通道使來自所述入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c).一測量筒被安裝在所述進氣整流器的下遊並與其毗鄰，還包括一測量轉子，繞所述殼軸線轉動；所述測量轉子在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述測量轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速在相對於所述殼軸線的一個方向轉動；(d)所述測量轉子被安裝在所述測量筒的上遊端，包括一筒形轉子套，所述渦輪葉片被安裝在所述轉子套上；(e)所述測量筒包括一筒室，與所述轉子同心，該筒室有一上遊端和一個下遊端，通過所述上遊端裝有所述測量轉子，所述筒室的外徑略小於所述轉子套的內徑，所述筒室的長度是這樣的，當所述測量室被安裝在所述測量筒內時所述其上遊端延伸在所述轉子套的下面，且所述測量室的外表面在所述轉子附近的部分是連續而光滑的，使得汙染物不能積累在所述轉子套和所述筒室之間的縫隙附近；(f)所述測量轉子的轉子軸承和一軸連接所述測量轉子到所述軸承上；(g)所述筒室包括一結構，其內所述轉子軸承被安裝在所述位置的下遊，所述位置就是所述軸與所述測量轉子連接的位置，當所述軸承被安裝在所述結構內時，在所述結構的下遊端接近於氣體流過所述渦輪氣量計的正常流率；(h)一參考整流器被安裝在所述殼中所述測量轉子下遊，以形成一具有恆定面積的通道，該通道的面積大致等於由所述進氣整流器形成的通道面積，以使來自所述測量轉子的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(i)一參考轉子被安裝在所述參考整流器的下遊並與其毗鄰，以繞所述殼的軸線轉動；所述參考轉子在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述參考轉子以大致正比於流過所述殼氣體速度的轉速在相反於所述測量轉子轉動方向的方向轉動；(j)一測量信號發生器響應於所述測量轉子，以產生正比於所述測量轉子轉動速率的測量信號；(k)一參考信號發生器響應於所述參考轉子，產生正比於所述參考轉子轉動速率的參考信號；(l)一信號處理器響應於所述測量信號發生器和所述參考信號發生器，以根據測量信號除以參考信號的商提供所述渦輪氣量計的精度指示。
32.一種根據權利要求31所述的渦輪氣量計，該氣量計包括一技術器測量流過所述渦輪氣量計的氣體流率；所述測量筒包括一聯接室，位於所述軸承座下遊；一聯接器，位於所述接室內並被聯接在轉子軸和所述計數器之間，和一蓋板，被固定在所述測量室的下遊端以防止氣體流入所述聯接室。
33.一種根據權利要求32所述的渦輪氣量計，該氣量計包括一板孔在所述蓋板中和一過濾筒被安裝在所述板孔中，以使熱量和壓力能消散，同時防止汙染物進入所述聯接室。
34.一種根據權利要求28所述的渦輪氣量計，其特徵在於(a)所述測量轉子是被安裝在所述測量筒內且位於所述測量筒的上遊端，還包括一筒形轉子套，所述渦輪葉片被安裝所述轉子套上；(b)所述測量筒包括一筒室與所述轉子同心，所述筒室有一上遊端和一下遊端，所述測量轉子通過該上遊端進行安裝，所述筒室的外徑略小於所述轉子套的內徑，所述筒室的長度是這樣的，當所述測量室被安裝在所述測量筒中時，所述筒室的上遊端延伸在所述轉子套的下面，同時所述測量室外表面在所述轉子附近的部分是連續而光滑的，使得汙染物不能積累在所述轉子套和所述筒室之間的縫隙附近；(c)所述測量轉子的轉子軸承和軸，聯接所述測量轉子到所述軸承；(d)所述筒室包括一結構，其內把所述轉子軸承安裝在所述位置的下遊，所述位置就是所述軸與所述測量轉子連接的位置，當所述軸承被安裝在所述結構內時，所述結構的下遊端接近於氣體流過所述渦輪氣量計的正常流率。
35.一種渦輪氣量計測量氣流的流量，該氣量計包括(a)一限定氣體流程的筒形細長殼，所述細長殼有一入口、一中心軸線和一出口；(b)一整流裝置被安裝在所述殼內並靠近所述入口，以形成一個具有恆定面積的通道，使來自所述入口的氣體在所述殼內基本上沿軸向流動；(c)一測量筒被安裝在所述殼中靠近所述整流裝置；(d)一測量轉子安裝在所述測量筒內且在所述測量筒的上遊端；(e)所述測量轉子在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述測量轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速轉動，所述渦輪葉片有伸向所述入口的上遊葉尖；(f)所述測量筒有一形成被測氣體流動路徑的內表面，所述內表面的軸向截面是錐形的，在預定長度上以約5°和約7°之間範圍的斜度從其上遊端漸縮地遠離所述渦輪葉片；(g)一機構算作所述測量筒一部分，該機構把所述渦輪葉片的所述上遊葉尖相對所述筒的所述錐形內表面設在一固定位置。
36.一種根據權利要求35所述的渦輪氣量計，其特徵在於設置所述轉子葉片的所述上遊葉尖位置的所述機構至少包括一用於安裝所述測量轉子的調整墊。
37.一種根據權利要求35所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述轉子葉片的上遊葉尖與測量筒錐形內表面之間的間隙可以通過把所述轉子葉片上遊葉尖的位置設在約0.010英寸至約0.045英寸範圍內來調節。
38.一種渦輪氣量計測量在其內流過的氣流的流量，該氣量計包括(a)一限定氣體流程的筒形細長殼，所述細長殼有一入口和一出口；(b)一整流裝置被安裝在上述殼內並靠近入口，以形成一具有恆定面積的通道，使來自所述入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c)一測量筒被安裝在所述殼內靠近所述第一整流裝置；(d)一測量轉子被安裝在所述測量筒內並在所述測量筒上遊端；(e)所述測量轉子在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述測量轉子以正比於流過所述殼的氣體速度的轉速轉動，所述渦輪葉片有向入口延伸的上遊葉尖；(f)所述測量筒有限定被測定氣體動路徑的內表面，所述內表面是錐形的，在靠近所述渦輪葉片的所述上遊葉尖所在的位置，在預定的長度上，所述內表面的直徑以約5°和約7°之間範圍的斜度從所述測量筒的上遊端逐漸增加到這樣一個程度，使得可以通過改變所述渦輪葉片和所述殼內表面之間的間隙來改變所述渦輪計的精度；和(g)一機構，算作所述測量筒一部分，該機構把所述測量轉子的所述渦輪葉片的所述上遊葉尖的軸向固定位置設在所述內表面的預定距離內。
39.一種權利要求38所述的渦輪氣量計，其特徵在於所述渦輪葉片的上遊葉尖和所述筒的所述錐形內表面之間的間隙可以通過把所述上遊葉尖設在約0.010英寸到約0.045英寸的範圍內進行調節。
40.一種渦輪氣量計測量流過管道氣流的流量，該氣量計包括(a)一限定氣體流程的細長殼，所述細長殼有一入口和一出口；(b)一整流器被安裝在所述殼內靠近所述入口；(c)一測量筒被安裝在所述殼內所述第一整流器的下遊並與其毗鄰；(d)一測量轉子被安裝在所述測量筒內並在所述測量筒上遊端，還包括一筒形轉子套和被安裝在所述轉子套上的許多渦輪葉片；(e)所述測量筒包括一筒室與所述轉子同心，筒室有一上遊端和一下遊端，所述測量轉子通過所述上遊端進行安裝，所述筒室的外徑略小於所述轉子套的內徑，所述筒室的軸向長度是這樣的，當所述測量轉子被安裝在所述測量筒內時，所述筒室上遊端延伸在所述轉子套的下面並且所述筒室的外表面在所述轉附近的那部分是連續而光滑的，以使汙染物不能積累在所述轉子套與所述筒室之間的縫隙附近；(f)所述測量轉子的轉子軸承和一軸聯接所述測量轉子與所述軸承；和(g)所述筒室包括一結構，其內把所述轉子軸承安裝在一個位置的下遊，該位置就是所述軸與所述測量轉子連接的位置，當所述軸承被安裝在所述結構中時，所述結構的下遊端接近於流過所述渦輪氣量計的氣體正常流率。
41.一種根據權利要求40所述渦輪氣量計，該氣量計包括一計數器，測量流過所述渦輪氣量計的氣體流率；所述測量筒包括一聯接室，位於所述軸承座的下遊；一聯接器，位於所述聯接室內並被聯接在所述轉子軸和所述寄存器之間；和一蓋板，被固定在所述測量室下遊端，以防止氣體流入所述聯接室。
42.一種根據權利要求41所述的渦輪氣量計，該氣量計包括一板孔在所述端板中和一濾筒被安裝在所述板孔中，以使熱量和壓力能消散，同時防止汙染物進入聯接室。
43.一種方法利用計算機處理器分析一渦輪氣量計精度，該渦輪氣量計有一測量轉子和一參考轉子基本上與測量轉子影響無關而轉動，該方法包括以下一些步驟(a)選擇來自測量轉子且大致正比於測量轉子轉動速率的測量信號；(b)選擇來自參考轉子且大致正比於參考轉子轉動速率的參考信號；(c)利用信號處理器確定流過渦輪氣量計的流率，並把流率調節到確定渦輪計精度所要求水平；(d)利用信號處理器處理測量信號和參考信號，以便根據測量信號除以參考信號的商來確定渦輪氣量計的精度。
44.一種方法利用計算機處理器分析一渦輪氣量計精度，該渦輪氣量計有一測量轉子和一基本上與測量轉子影響無關而轉動的參考轉子，該方法包括以下一些步驟(a)選擇來自測量轉子且其頻率f測量大致正比於測量轉子轉動速率的測量信號；(b)選擇來自參考轉子且其頻率f參考大致正比於參考轉子轉動速率的參考信號；(c)利用信號處理器處理測量信號和參考信號，以便根據下列公式確定該渦輪氣量計的精度
其中在測量轉子和參考轉子的工作條件下，K測量是測量轉子的K因子，K參考是參考轉子的K因子，精度校準是在渦輪計的校準期間確定的測量轉子精度。
45.一種根據權利要求44所述的方法包括根據下列公式把精度校準與渦輪計當前精度進行比較的步驟
46.一種根據權利要求45所述的方法包括以下一些步驟(1)根據下列公式把精度校準和渦輪計當前精度之間的差值與誤差極限值進行比較
和(2)顯示這一比較結果的指示。
47.一種根據權利要求44所述的方法包括對該渦輪計根據下列公式確定氣體流率的步驟
顯示該流率，並調整該流率至測試該渦輪計精度的水平。
48.一種根據權利要求44所述的方法包括這些步驟利用一探測器產生測量信號，該探測器傳感測量轉子上轉子葉片的轉動，利用一探測器產生參考信號，該探測器傳感參考轉子上轉子葉片的轉動，並產生表示轉動轉子葉片所產生信號的信號模式。
49.一種方法利用計算機處理器分析多個渦輪氣量計中任何一個渦輪計的精度，每個渦輪計都有一測量轉子和一參考轉子基本上與測量轉子影響無關而轉動，該方法包括以下一些步驟(a)選擇要分析精度的渦輪氣量計；(b)從被選定的渦輪氣量計中選擇來自測量轉子且大致正比於測量轉子轉動速率的測量信號；(c)從被選定的渦輪氣量計中選擇來自參考轉子且大致正比於參考轉子轉動速率的參考信號；(d)利用信號處理器確定通過該選定渦輪氣量計的流率，並把該流率調節到確定該渦輪計精度所要求的水平；(e)利用信號處理器處理測量信號和參考信號，以便根據測量信號除以參考信號的商確定該選定渦輪氣量計的精度。
50.根據權利要求49所述的方法，該方法包括儲存表示該選定渦輪氣量計精度信號的步驟。
51.一種方法利用計算機處理器分析多個渦輪氣量計中任何一個渦輪計的精度，每個渦輪計都有一測量轉子和一參考轉子基本上與測量轉子影響無關而轉動，該方法包括以下一些步驟(a)選擇要分析精度的渦輪氣量計；(b)從選定渦輪氣量計中選擇來自測量轉子且頻率f測量大致正比於測量轉子轉動速率的測量信號；(c)從選定渦輪氣量計中選擇來自參考轉子且頻率f參考大致正比於參考轉子轉動速率的參考信號；(d)利用信號處理器處理測量信號和參考信號，以便根據下列公式確定該選定渦輪氣量計的精度
其中在測量轉子和參考轉子工作條件下，K測量是測量轉子的K因子，K參考是參考轉子的K因子，精度校準是在渦輪計的校準期間確定的測量轉子精度。
52.一種渦輪氣量計測量在其內流過的氣體流量，這種渦輪計適合於使用響應於測量信號發生器和參考信號發生器的信號處理器，兩個信號發生器均為該渦輪氣量計的構件，用於根據測量信號除以參考信號的商提供渦輪氣量計的精度指示，該渦輪氣量計包括(a)一限定氣體流程的筒形細長殼，所述殼有一入口、一中心軸線和一出口；(b)一進氣整流器被安裝在所述流程中並靠近入口處，以形成一具有恆定面積的通道，使來自所述入口的氣體在所述殼中基本上沿軸向流動；(c)一測量筒被安裝在所述進氣整流器的下遊並與其毗鄰，還包括一測量轉子繞所述殼的軸線轉動；所述測量轉子在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述測量轉子以大致正比於流過所述殼的氣體速度的轉速相對於所述殼軸線的一個方向轉動；(d)一參考整流器被安裝在所述殼內在測量轉子下遊，以形成一具有恆定面積的通道，該通道面積大致等於由所述進氣整流器形成的通道面積，使來自所述測量轉子的氣體在所述殼內基本上沿軸向流動；(e)一參考轉子被安裝在所述參考整流器的下遊並與其毗鄰，以繞所述殼軸線轉動，所述參考轉子在其上以一定槳角裝有一些渦輪葉片，這些渦輪葉片使所述參考轉子以小於所述測量轉子轉速在相反於測量轉子轉動方向的方向轉動，測量轉子的轉速大致正比於流過所述殼的氣體速度；(f)一測量信號發生器適合於與信號處理器耦合，並響應於所述測量轉子以產生正比於所述測量轉子轉動速率的測量信號；和(g)一參考信號發生器適合於與信號處理器耦合，並響應於所述參考轉子產生正比於所述參考轉子轉動速率的參考信號。
全文摘要
渦輪氣量計包括一測量簡,該測量簡有一測量轉子和一參考轉子,測量轉子以大致正比於氣體流過渦輪氣量計的速度的轉動速率在一個方向轉動,而安裝在測量轉子下遊的參考轉子則在與測量轉子相反的方向轉動。在測量轉子上遊的一進氣整流器使氣體在渦輪氣量計中基本上沿軸向流動,安裝在測量轉子和參考轉子之間的一參考整流器也使氣體在渦輪計中基本上沿軸向流動。根據測量信號被參考信號除的商,信號處理器提供渦輪氣量計的精度指示,測量信號正比於測量轉子的轉動速率,參考信號正比於參考轉子的轉運速率。
文檔編號G01F1/115GK1251167SQ98803477
公開日2000年4月19日 申請日期1998年1月21日 優先權日1997年1月24日
發明者斯奇亞博·威廉姆·M 申請人:美國儀表公司