流量計現場校準檢驗系統的製作方法

2023-07-06 16:59:36

專利名稱：流量計現場校準檢驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種校準系統，更具體而言，涉及一種流量計現場校準檢驗系統。
背景技術：
在商業及工業測量市場上，通常選擇熱散逸流量計用於流量測量裝置。用於這樣的儀表的典型的傳感元件是電阻式溫度檢測器(RTD)，該檢測器的電阻與該元件本身的溫度相關。典型的傳感器採用至少兩個RTD元件。其中一個RTD元件用作參考元件，並且正常情況下不加熱。第二個RTD用作加熱的主動元件。在使用當中，加熱RTD元件上的流量的作用可用於對被監測管道或導管中的物質的流速進行測量。在熱散逸工業中，通常使用兩種方法來確定導管中的流量。一種技術是保持參考RTD與主動RTD之間的恆定溫差。該方法中，由於流動介質的物理特性引起主動RTD散熱，因此要測量將主動RTD保持在高於參考RTD的常溫所需要的電壓或電流。在另一方法中，在由恆定電流熱源或恆定功率熱源加熱主動RTD的同時，要測量主動RTD與參考RTD之間的電壓差。在該測量過程中，類似於另一方法的情況，主動RTD由於流動介質的物理特性而損失熱量。影響常規流量計精度的一個因素是流動介質的物理成分的恆定性。在很多應用中，流動介質保持大致相同的成分，在這些情況下，常規流量計可提供足夠精確的流速測量值。然而，在例如火炬氣以及其他可變的混合氣體合成物的情況下，介質的物理成分一直在變化，嚴重影響了精確的流速的獲得。流量計需要周期性地校準，以檢驗該流量計精度是否處於某個可容許的範圍內。現有校準技術要求將流量計從其安裝位置上取下來。取下之後，通常將該流量計交回給製造商或具有用於該流量計正確校準的專門設備的其他機構。這個過程昂貴並耗費時間。

發明內容
本發明的第一個目的通過一種校準系統實現，該校準系統包括:導管，其包括相對於流量傳感器設置的第一端部；氣體源，用於將校準氣體以可重複的質量流量引入所述導管中，所述導管將至少一部分的所述校準氣體引導至所述流量傳感器上；以及計算裝置，用於基於從所述流量傳感器獲得的測量值來確定所述校準氣體的估算流速。管和氣體源將校準氣體以可重複的質量流量注入管中。在校準工作過程中，導管將至少一部分的校準氣體引導至流量傳感器上。計算裝置用於基於從所述流量傳感器獲得的測量值來計算校準氣體的估算流速。根據本發明提出，校準系統還包括:外殼，其可連接至可包含有流動氣體介質的結構；以及其中所述外殼大小設計為可滑動地容納其上連接有所述流量傳感器的探測器，所述導管允許所述流量傳感器在流速測量過程中伸入所述流動氣體介質內，允許所述流量傳感器在校準過程中被收回至所述外殼中。根據本發明進一步提出，所述流量傳感器包括一體化的以分時方式工作的主動/參考傳感器元件，所述一體化的主動/參考傳感器元件在預定時期內是加熱的主動傳感器，所述一體化的主動/參考傳感器元件在被允許冷卻之後，用作基本上不加熱的參考傳感器。優選的是，所述流量傳感器包括與單獨的加熱器元件一起工作的主動傳感器元件，以及參考傳感器元件。進一步優選的是，所述流量傳感器包括主動傳感器元件和參考傳感器元件。有利的是，所述導管的所述第一端部位於可使得僅將所述校準氣體引導至所述主動傳感器元件上的位置。可選的是，所述導管的所述第一端部位於可使得將所述校準氣體同時引導至所述主動傳感器元件和所述參考傳感器元件上的位置。進一步可選的是，所述導管包括第二端部，其中所述導管的所述第一端部位於將所述校準氣體引導至所述主動傳感器元件上的位置，以及其中所述導管的所述第二端部位於將所述校準氣體引導至所述參考傳感器元件上的位置。根據本發明提出，所述流量傳感器包括熱散逸傳感器。此外，所述流量傳感器包括熱線風速儀。有利的是，流量傳感器是從包括熱散逸傳感器、熱線風速儀、都卜勒傳感器、以及渦街流量計的組中選擇的一種傳感器。根據本發明進一步提出，導管的所述第一端部是圓錐形。根據本發明提出，所述導管的所述第一端部包括限定於所述導管的至少一部分內的多個孔。根據本發明進一步提出，所述導管的至少一部分被包含於探測器內，所述探測器具有連接至其上的所述流量傳感器。根據本發明進一步提出，所述導管外置於探測器的外側，所述探測器具有連接至其上的所述流量傳感器。本發明的另一個目的通過一種校準方法實現，該校準方法包括:將校準氣體引入相對於流量傳感器設置的校準氣體管中；將所述校準氣體以可重複的質量流量引導至所述流量傳感器上；獲取來自於所述流量傳感器的輸出；以及基於來自於所述流量傳感器的所述輸出來確定所述校準氣體的估算流速。根據本發明提出，根據本發明的方法還包括基於所述校準氣體的所述估算流速和所述校準氣體的已知流速來計算流速誤差。根據本發明進一步提出，在計算了所述流速誤差之後，所述方法還包括:將所述流量傳感器引入包含有流動氣體介質的導管中；以及通過測量從所述流量傳感器獲得的輸出以及補償所述流速誤差來確定所述流動氣體介質的實際流速。優選的是，根據本發明的方法還包括:將校準氣體以多種不同的質量流速引導至所述流量傳感器上；從所述流量傳感器獲取在所述多種不同的質量流速中的每種流速下的輸出；以及基於來自於所述流量傳感器的所述多個輸出來確定所述校準氣體的多個估算流速。優選的是,所述方法是自動地啟動。本發明的另一個目的通過一種校準系統實現，該校準系統包括:導管，其包括相對於補償氣體特性傳感器設置的端部，所述補償氣體特性傳感器安裝於探測器的非流動室內；氣體源，用於將校準氣體引入所述導管中，所述導管將至少一部分的所述校準氣體引導至所述氣體特性傳感器上；以及計算裝置，用於基於從所述氣體特性傳感器獲得的測量值來確定所述校準氣體的熱傳遞。本發明的又一目的通過一種校準系統實現，該校準系統包括:用於將校準氣體引入相對於流量傳感器設置的校準氣體管中的裝置；用於將所述校準氣體以可重複的質量流量引導至所述流量傳感器上的裝置；用於獲取來自於所述流量傳感器的輸出的裝置；以及用於基於來自於所述流量傳感器的所述輸出來確定所述校準氣體的估算流速的裝置。本發明的最後一個目的通過一種用於在導管中的流動介質的流量計，包括:探測器，適合於伸入到在所述導管中流動的所述介質中；流量傳感器，其與所述探測器接觸，並適合於提供與所述介質的流速相關的輸出信號；管，其包括相對於所述流量傳感器設置的第一端部；氣體源，用於將校準氣體以可重複的質量流量引入所述管中，所述管將至少一部分的所述校準氣體引導至所述流量傳感器上；以及計算裝置，其用於當所述流量計以流動氣體介質工作模式工作時確定所述介質的流速，其中，所述計算裝置當所述流量計以校準模式工作時，還基於從所述流量傳感器獲得的測量值來確定所述校準氣體的估算流速。



以下結合附圖詳細描述優選實施例，本發明的上述和其它的目的、特點以及其它優點得到更好的理解，其中:圖1是根據本發明的一個實施例的包含流量及氣體特性傳感器的流量計探測器的側視圖；圖2示出了在導管內的圖1的流量計探測器的典型實施例；圖3是示出了根據本發明的一個實施例在圖1的流量計探測器的中間井(mid-well)部分中包含的各種部件的更詳細的裝配放大剖視圖；圖4是示出了圖1的流量計探測器的熱流量傳感器部分的更詳細的剖視圖；圖5是示出了可耦合至流量傳感器及氣體特性傳感器的基本電路部件的簡化實施例方框圖；圖6是示出了 △ R與流量傳感器及氣體特性傳感器的相應輸出之間的關係的具體實例的曲線圖；圖7是示出了相對於基準氣體混合物的變成分氣體混合物的典型流速的曲線圖；圖8A和圖SB是示出了相對於基準氣體混合物的變成分氣體混合物的可能流速誤差率的曲線圖；圖9是示出了用於校準流量計的操作的流程圖；圖10是配置有校準和壓力傳感能力的流量計探測器的側視圖；圖11是配置有校準和壓力傳感能力的流量計探測器的側視圖；圖12是配置有校準能力的流量計探測器的側視圖13是配置有單一元件的流量傳感器的流量計探測器的側視圖；圖14是配置有三個限定了流量傳感器的探測器的流量計探測器的側視圖；圖15是在探測器開口內配有主動和參考傳感器的流量計探測器的側視圖；圖16-18示出了各種校準管設計；圖19-21示出了用於校準管的端部的各種設計；圖22示出了在導管內的圖12的流量計探測器的典型實施例；以及圖23示出了從導管中縮回並進行校準過程的圖22的流量計探測器。
具體實施例方式以下參照附圖進行說明，該附圖構成了本文的一部分並示出了本發明的具體實施例。對於本領域的技術人員而言，應該明白的是，也可以採用其他實施例，並且也可以在結構方面、電方面、以及程度方面變化，而這些都不脫離本發明的範圍。參照圖1，圖中示出了根據本發明的一個實施例的探測器10的側視圖。探測器10包括熱流量傳感器15和氣體特性傳感器20。流量傳感器可通過使用一對熱裝置例如電阻式溫度檢測器(RTD)來實現。在該圖中，流量傳感器包括其中一個是加熱的並且是主動(active)傳感器元件25的RTD，而另一個RTD是相當程度上或基本上不加熱的傳感器元件30。在典型的裝置中，氣體混合物流經導管或其他環境中的傳感器15的主動元件和參考元件，從而與參考傳感器元件的熱散逸相比較使得熱從主動傳感器散逸出。典型流速範圍為約1.5至300標準英尺每秒(SFPS)。溫差(AT)的變化被反映為微分電阻(Λ R)(differential resistance)的變化。ΔΤ或Δ R值可與例如導管中氣體混合物的瞬時流速相關。利用AR計算流速是用於計算流速的許多可行技術中的一種。以下將詳細描述其他的技術。類似於流量傳感器15，氣體特性傳感器20 (虛線所示)包括主動RTD傳感器元件35及參考RTD傳感器元件40。如圖中所示這些元件被包含在中間井45內，並位於近端探測器元件50和遠端探測器元件55之間。在操作過程中，氣體混合物流入中間井的非流動室中，與暴露的主動傳感器元件35及參考傳感器元件40接觸。微分電阻反映了氣體混合物在中間井中的熱傳遞。微分電阻(AR)的變化可與氣體混合物的熱傳遞中的變化相關，並因此與氣體混合物的氣體構成中的變化相關。上述示範性描述一般假定主動傳感器元件及參考傳感器元件是基於熱微分的，主要的實例是RTD。然而，也可使用其他基於熱的傳感器包括熱電偶、熱電堆、熱敏電阻、晶體
管、二極體等。根據一些實施例，探測器10具有兩種主要操作模式。在第一種模式中，探測器測量例如在氣體導管等結構內流動的氣體介質的流速。正如本文中所詳細描述的，可基於從流量傳感器15和氣體特性傳感器20獲得的測量值來計算流速。在第二種操作模式中，對探測器進行校準過程，以檢查和如有必要的話修正從流量傳感器或氣體特性傳感器、或這兩個傳感器獲得的測量值。該校準過程可通過用戶手動進行，或者該過程也可周期性地或在預定時間自動地發生。關於校準模式的操作，所示探測器10設置有校準檢驗能力。特別地，該探測器包括校準管66，其從該校準管的開口端發出校準氣體77。校準功能使用戶可檢查相關傳感器例如流量傳感器15或氣體特性傳感器20的功能。已經描述了利用校準管傳輸校準氣體各種實施例的，然而也可選擇使用以可重複的物質流傳輸校準氣體的任何結構(例如，管道、導管等)。還需要注意的是校準部件是任選的。圖2示出了設置在導管65的壁60中的探測器10的典型實施例。在使用當中，氣體特性傳感器20利用了不同構成的氣體具有不同程度的熱傳遞的原理。考慮例如氣體混合物以恆定的速率流過導管的情況。如果該氣體混合物的成分變化，那麼氣體混合物的熱傳遞也同樣發生變化。熱傳遞中的變化影響流量傳感器的主動傳感器的熱散逸率,並因而影響流速。這意味著，實際流速可能是恆定的，但是氣體構成中的變化將被反映為流速中的變化。該實際流速與測量流速之間的差值可稱之為流速誤差。對於任何流速誤差，即使氣體混合物的實際流速保持恆定，測得的流速也可能變化(變高或變低)。例如，隨著氣體混合物的熱傳遞上升，測得的(非實際的)流速將上升。相反地，隨著氣體混合物的熱傳遞下降，測得的流速將下降。對於由氣體混合物的物理特性的改變所導致的流速誤差的修正可通過補償氣體混合物的熱傳遞來實現。即，如果可確定出氣體混合物的熱傳遞，則可獲得該氣體混合物的更精確的流速。對流速誤差的修正在可變的混合氣成分測量應用中將很重要。在一個實施例中，氣體特性傳感器20設置為靜態井(a still well)，以檢測在導管中流動的氣體介質的熱傳遞，該氣體特性傳感器還用於與流量傳感器15配合。在操作當中，流量傳感器測量導管65中的氣體混合物的流速，而氣體特性傳感器測量氣體的熱傳遞。如此處將詳細描述的那樣，有必要調整測得的流速，以補償氣體混合物的熱傳遞中的任何變化。如圖所示，探測器10與外殼79相連接，該外殼包括可選校準氣體源81。校準氣體源通過適當的導管例如管66來提供校準氣體77。校準氣體可以是對於探測器10操作的過程而言是可接受的任何可重複的氣體或氣體混合物。適合的校準氣體的實例包括空氣、氮氣、和甲燒等。根據一個實施例，校準氣體77以可重複的質量流速從管66中釋放，並被引導至主動傳感器25及參考傳感器30的一部分之上。主動傳感器及參考傳感器的輸出產生可用於估算校準氣體流速的數據。可通過比較校準氣體的估算流速與實際流速來確定該傳感器的精度。術語「流速誤差」可用於指校準氣體的估算流速與實際流速之間的差值。正常工作的流量計可以是流速誤差處於某可接受精度範圍的(例如，流速誤差為0.0 %到3 % )中的一個流量計。如果需要的話，作為校準過程的一部分，校準氣體源還可設置為以多個不同的流速操作。每個流速與特定的傳感器輸出相關聯。利用該技術，可通過兩種或兩種以上的不同速度激勵主動傳感器元件及參考傳感器元件，接著確定校準氣體在這些不同速度時的流速誤差，來實現流量計的校準。校準過程的步驟如下所述:首先，自動啟動或由用戶啟動校準氣體源81，以提供5PSI的合適的校準氣體77，例如可測得流量傳感器15的輸出以確定出AR。如果測得的AR值處於期望AR值的某預定範圍內，則認為傳感器操作正常。該校準程序可重複用於在特定應用中是合適的氣體壓力範圍內(例如10PS1、50PS1、100PSI或者其他需要的值)。
圖1和圖2示出了校準氣體77同時衝擊主動傳感器25和參考傳感器30，但是這並不是必要條件。也可選擇僅將校準氣體引導至主動傳感器以獲得足夠精確的校準測量值。如果在校準過程中僅使用主動傳感器，則可通過減少校準氣體與主動傳感器的溫度差值來優化校準過程的精度。如果將這些部件的溫差減少至例如約O T至約3 T，則可獲得非常精確的結果。可利用多種不同技術來校準流量計。通常，僅當流量計不有效的地測量導管中流動的氣體介質時才將流量計進行校準。例如，可通過暫時停止導管65內的氣體流並接著給流量計加入校準氣體，來現場校準流量計。另一種替換方式是，可通過來自於導管的第一可移動探測器10啟動場校準技術，並隨後執行校準過程。場校準技術不要求停止導管內的氣體流。另一可行的校準技術是利用外殼或其他裝置進行校準，對於這些裝置，探測器10可暫時地從流動氣體介質中移除。該技術也不要求停止導管內的氣體流,下面將結合圖22和圖23進行更詳細地描述。這裡所披露的校準功能的一個優點在於不需要為了檢測目的而將額外的元件暫時連接至流量計。另外，該流量計不要求通常是現有技術裝置的一個方面的任何元件的拆卸。可在幾分鐘之內將流量計現場校準，這相對於現有裝置而言是一個巨大的進步，因為現有裝置在遠程檢測設備上進行校準時候要求數天或數周的時間。圖3是示出了根據本發明的一個實施例的在流量計探測器的中間井部分內包含的各種部件的更詳細的組裝剖視圖。所示中間井45具有側板85和87，以將其內部相對於探測器的其他部分而密封。為了確保流動不是影響傳感器元件35和40的因素，下遊孔80允許氣體進入非流動室75。這些氣體孔允許足夠量的氣體進入非流動室，並且結合擋板90與主動傳感器35及參考傳感器40接觸。通常，中間井配有一個或多個孔，但也可有其他設計。為了優化由氣體特性傳感器20進行的熱傳遞測量，期望將非流動室內的氣體的流速最小化。這些圖中示出的中間井構造的本質在於允許主動傳感器和參考傳感器對靜止的或「非流動」環境中的流動氣體進行採樣。擋板90通常用於進一步減少在該室內的氣體流速。在中間井內形成的非流動環境的特定設計並不是關鍵的或必須的，也可採用允許傳感器20進行足夠精確的熱傳遞測量的任何其他合適的設計。圖4是詳細地示出了熱流量傳感器15的剖視圖。合適的裝置(例如基板105)可用於將主動傳感器25和參考傳感器30連接至遠端元件。如圖所示，遠端元件55具有腔110，其可用於將傳感器連接至電路所需的導線弓I入。圖5是示出了可連接至流量傳感器15和氣體特性傳感器20的基本電路部件的簡化方框圖的實例。參考圖1和圖2中所示的探測器部件來描述該圖。然而，此處所作的描述同樣應用於例如後面的圖中所示的其他探測器構造中。圖5中所示的一些或所有非傳感器元件的部件可位於外殼79內，其通常緊鄰導管65的外面。可選地，一些或所有這些部件可位於中間、遠端、某一位置(location)。如圖所示，電源120向流量計提供必要的功率，而信號調節器125則用於轉換為該流量計中不同部件可能需要的功率級別和信號形式。在使用當中，由流動傳感器15及氣體特性傳感器20生成的信號輸出被引導至信號調節器，最終到達信號處理器130。利用眾多公知技術中的任何一種公知技術，信號處理器基於流量傳感器的輸出來確定流速，以及基於氣體特性傳感器的輸出來確定流動氣體的熱傳遞。根據一個實施例，信號處理器還為流動氣體混合物的熱傳遞的任何變化提供補償流速。下面將根據圖6-9更詳細地描述該特徵。電源可向流量計提供信號調節器所確定的任何合適的功率級別和形式。通常，向功率傳感器15及熱傳感器20提供可變的20-42伏特直流電(VDC)，向數字邏輯電路提供穩壓電源5VDC。5VDC是通用標準，但是可根據要求或依期望來修正提供給流量計部件的功率。電源本身可供給115或230伏特交流電(VAC)或24伏特VDC。可採用大量的技術中的任何一種技術來控制流量傳感器15，以確定流速，以及控制氣體特性傳感器20來確定流動氣體的熱傳遞。例如，一種技術是將信號調節器125配置為將20-42VDC轉換成0.5mA的恆定電流，以激勵參考傳感器30和40，以及轉換成20mA以加熱主動傳感器25和35。在操作當中，關於流量傳感器，信號調節器檢測傳感器25和30的電壓，以確定電壓差(AV)。AV是由具有恆定電流的電阻變化(AR)所導致，其與AT成正比，這提供了根據公知技術的用於計算所涉及介質流速的根據。信號調節器以類似的方式檢測傳感器35和40上的電壓，以確定該特定傳感器的AR，從而提供了用於計算氣體的熱傳遞的根據。20mA的加熱電流僅僅是一個實例，可以採用任何可產生期望結果的激勵。另一種技術是，使信號調節器125相對於主動傳感器25及參考傳感器30作為恆定功率源來運行，其中提供給這些傳感器的電流以及施加在這些傳感器上的電壓可以變化。在這種配置中，信號調節器通常包括乘法電路，其監測各傳感器的功率(VxI )，並保持該功率恆定。提供給這些傳感器的電流的變化以及施加在這些主動傳感器上的電壓的變化都與電阻變化(AR)有關(並進而和溫度變化(AT)有關)，並因而用於計算介質的流速。可類似地控制主動傳感器35及參考傳感器40，以使提供給這些傳感器的電流的變化和施加在這些傳感器上的電壓的變化都與AR和AT有關，用於確定熱傳遞。用於獲得必要的測量值的另一可能性是保持主動RTD和參考RTD的溫差AT恆定。根據該方案，功率作為流速或熱傳遞的函數而變化。即，隨著流速增大(或者熱傳遞增大)，必須向加熱的RTD傳感器提供額外的功率，以保持溫度恆定。在該技術中，信號調節器保持恆定的AT。由於RTD的電阻與溫度的關係是恆定的，所以AR也是恆定的。為了保持AT或AR恆定，可監測AV和ΛΙ，或Λ功率(Apower),以提供用於計算流速的根據，或者如果是氣體特性傳感器，則提供用於計算熱傳遞的根據。可利用任何特定的過程溫度作為保持恆定溫度差所需要的功率的函數來實現這些計算。另外一種可替換方案是，可保持電壓恆定，該方案與上述保持恆定電流方案相反。當AV保持恆定時，則電流隨著溫度變化而變化。Λ I提供了用於確定流速(傳感器15)或熱傳遞(傳感器20)的根據。上述用於確定流動氣體的流速，以及用於測量流動氣體的非流動樣本的熱傳遞的方法，對於熱傳感器技術領域的一般技術人員而言是公知的。無論是將傳感器25、30、35、和40作為恆定電流、恆定功率、恆定溫差(differential temperature)、或者恆定電壓來操作，都可使得傳感器的作用相反(疊倒)，向充當過參考傳感器的傳感器提供加熱激勵，向充當過主動傳感器的傳感器提供非加熱激勵。流量傳感器和氣體特性傳感器通常使用相同的技術，但這並不是必要條件，如有要求的話，也可以採用不同的測量技術。如上所述，通常給流速及氣體特性傳感器分別配置兩個不同的傳感器:主動傳感器以及參考傳感器。然而，也可以採用其他的配置。例如，單一元件的傳感器可以分時方式來運行，其中在預定的短期間中，將其用作加熱傳感器。接著，允許將傳感器冷卻(通常為20-40秒)，以用作基本不加熱的參考傳感器。接著可得到參考測量值，並且如有必要或者有要求，可持續地或周期性地重複加熱一冷卻周期。圖13中示出了一個單一元件的傳感器的實例。仍然參照圖5，可利用計算裝置例如微處理器、硬連線狀態機、數位訊號處理器、微控制器、專用集成電路(ASIC)、嵌入式處理器、或任何其他合適的控制或處理裝置來實現信號處理器130。信號處理器通常配有合適的存儲器135，用於處理、記錄、以及儲存與流量計的操作有關的數據。可利用任何類型的合適的易失和非易失存儲器或存儲裝置，包括隨機存取存儲器(RAM)、靜態隨機存取存儲器(SRAM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPR0M)、可擦除可編程只讀存儲器(EPROM)、可編程只讀存儲器(PROM)、只讀存儲器(ROM)、磁性存儲器、閃速存儲器、磁碟或光碟、或其他類似的存儲器或數據存儲裝置，來實現存儲器裝置。信號處理器的一個功能是從流量傳感器15的輸出來計算氣體介質的初始的非修正的流速，以及從氣體特性傳感器20的輸出來計算氣體的非流動樣本的熱傳遞。信號處理器根據該非修正流速進一步提供了氣體介質的修正流速，作為對氣體的熱傳遞中的任何變化的補償。信號處理器還可用 於執行本文所提出的各種校準技術。而且，可基於AR、AT、Al、Λ V、或任何其他合適的測量技術來確定初始的未修正的流速和熱傳遞。可將用於流量計的操作的指令通過合適的輸入裝置例如鍵盤140而提供給信號處理器。來自流量計的本地輸出可顯示於顯示裝置145上，該顯示器可以是CRT、IXD、LED屏幕、或印表機、或其他顯示裝置。如有要求，可通過並行或串行接口 150提供額外的輸出，其可驅動外部操作例如用於該儀表或用於對該監測過程修正的控制。輸出驅動器155可用於驅動外部指示器例如附加顯示器、印表機、或光警示或聲音警示。根據一種操作模式，對在導管65中流動的氣體介質的流速的測量可如下進行。圖1、圖2、和圖5中的流量計以恆定電流激勵主動RTD傳感器25，以將其加熱到預定的溫度，並用非常小的恆定電流激勵或啟動參考RTD傳感器30，但是不將其溫度升高至相當大的程度。同時，以類似方式激勵氣體特性傳感器20的主動RTD傳感器35及參考RTD傳感器40。當氣體混合物流經流量傳感器15的主動傳感器25及參考傳感器30時，熱量將從主動傳感器25散逸，並且溫差將減小。溫差(AT)的變化將反映為微分電阻(AR)的變化。信號處理器130將任何時刻的△ R解釋為在導管65中流動的氣體介質的特定流速，然後流量計提供合適的輸出。當AR減小時，流量計示出了流速的增大，這是因為相對於非加熱參考傳感器，更容易通過氣體介質從加熱主動傳感器中散熱。圖6中的曲線215、220、以及225示出了與Λ R值相關的流速的一個實例。可用類似於用於測量在導管65中流動的氣體介質的方式來測量校準氣體77在校準過程中的流速。例如，信號處理器130可將任何時刻的△ R解釋為校準氣體77的特定流速。計算的流速通常非常精確。然而，當氣體混合物的構成變化時，計算的流速可能會包括相當大程度的誤差。這些誤差的一個原因是流經流量傳感器15的氣體混合物的導熱性或熱傳遞的變化。火炬氣流是經歷了氣體構成的可變化混合的一個實例。例如，典型火炬氣流可包括不穩定的碳氫化合物氣體的混合物，其中包括甲烷、丁烷、乙烷、以及戊烷等。還可存在例如氧氣、氮氣、二氧化碳、硫化氫、氫氣、以及丙稀的氣體。根據本發明的一個實施例，氣體特性傳感器20的輸出可用於補償初始測量的流速的任何不精確性。例如，當可檢測量的流動氣體混合物進入中間井75的非流動室，氣體特性傳感器20的主動傳感器35及參考傳感器40就暴露於該氣體混合物中。類似於流量傳感器，熱量會從主動傳感器35散逸，並且溫差會由於該氣體混合物的熱傳遞而減小。溫差(AT)的變化再次被反映為微分電阻(AR)的變化。由於氣體特性傳感器位於非流動環境內，所以AR數據與氣體混合物的熱傳遞相關，而與流速無關。在氣體混合物的熱傳遞增大的情況下，AR會經歷相應的減小。相反地，隨著氣體混合物的熱傳遞減小，會檢測到△ R相應的增大。應該注意，在通常的校準過程當中，由校準氣體源81提供的校準氣體在校準處理整個過程中保持相同或基本相同。由此，由於校準氣體混合物中沒有變化，所以在通常的校準處理過程中不需要氣體特性傳感器20。如有要求，如下面的圖中更詳細描述的那樣，可另外配置包括壓力傳感器315的流量計。圖6是示出了 Λ R與流量傳感器15及氣體特性傳感器20的相應輸出之間的關係的具體實例的曲線圖。靠近該圖的頂部是與氣體特性傳感器所產生的輸出有關的三條線的圖。線200表示從100%丙烷的氣體混合物獲得的讀數，在此實例中該氣體用作基準氣體。線205和210表示分別從95%丙烷與5%氫氣的氣體混合物，以及從85%丙烷與15%氫氣的氣體混合物獲得的讀數。如圖所示，各特定氣體混合物的AR保持基本不受流速的影響。這是因為氣體特性傳感器在非流動環境中獲得這些測量值的緣故。隨著用逐漸增多的氫氣代替100%丙烷的混合物，由於其中的氫氣呈現相對較高程度地導熱性或熱傳遞性，AR自然地減小，所以線205和210的AR值小於線200的值。一種描述該關係的方式是相對於基準氣體混合物例如丙烷而將特定氣體化合物與AR值關聯。 流動曲線215表示從100%丙烷的流動氣體混合物的流量傳感器15獲得的讀數，而流動曲線220和225是分別從95%丙烷與5%氫氣的氣體混合物，以及從85%丙烷與15%氫氣的氣體混合物獲得的讀數。圖中的曲線與線可如下相關聯:線200與曲線215 ;線205與曲線220 ;以及線210與曲線225。如上所述，Λ R值的減小與流速的增加相關。各種流動曲線容易地示出了隨著氣體混合物成分的改變，Λ R值也同樣地改變，並且相應地這些氣體的流速讀數也發生改變。常規傳感器不容易補償氣體成分變化，因而在流速計算中的會容易產生誤差。用於克服可變混合氣成分的一種流速測量誤差的技術是採用用於校準流量傳感器的典型氣體混合物。然而，如圖7所示，由於當測得的氣體混合物偏離基準混合物時，可能在計算的流速中的發生誤差，所以這並不總是可行的解決方案。圖7是示出了相對於基準氣體混合物，具有變化成分的氣體混合物的流速的曲線圖。在此圖中，X軸表示給定流速的100%丙烷的基準氣體混合物，而Y軸表示基準氣體與兩種單獨的氣體混合物之間的相對差別。流動曲線240Α反映從95%丙烷與5%氫氣的氣體混合物獲得的誤差值，而流動曲線245Α反映從85%丙烷與15%氫氣的氣體混合物獲得的誤差值。該曲線圖示出了每當氣體成分由100%的基準成分變化時在計算的流速中可能發生的大致誤差。根據一個實施例，氣體特性傳感器20適合於檢測相對於基準氣體的熱傳遞的變化。流動氣體的熱傳遞中的變化再一次影響了測得的流速的精確度。因此，如果檢測到熱傳遞中的變化，則調節測得的流速，以補償該變化。圖7中還示出了修正的流速的實例。特別地，流動曲線240B表示95%丙烷與5%氫氣的氣體混合物計算的流速的修正值，而流動曲線245B表示85%丙烷與15%氫氣的氣體混合物計算的流速修正值。圖7示出了如何補償氣體混合物的熱傳遞中的變化的一個實例，其大大地提高了流速的計算的精確度。此處使用了 100%丙烷作為基準氣體，作為可用於校準流量計的可接受氣體的一個實例，但是也可使用任何其他合適的氣體或氣體混合物成分作為基準氣體。通常選擇基準氣體混合物來表示要特殊應用的氣體成分，但不要求單一氣體成分。圖8A和圖8B是示出了具有不同成分的氣體混合物相對於基準氣體混合物的可能流動誤差率的曲線圖。例如，圖8A示出了使用流量傳感器15從各種氣體混合物獲得的原始的未修正的流速數據，而圖8B示出了在補償了如由氣體特性傳感器20所測量的氣體混合物的熱傳遞中的變化之後的修正的流速數據。在這些曲線圖中，曲線250表示從包括70% N2UO% C4H10,6% CH4,以及14% CO2的基準氣體混合物獲得的流速讀數。曲線255表示從包括50% CH4和50% N2的氣體混合物獲得的讀數，而曲線260表示從包括50% CO2和50% N2的基準氣體混合物獲得的讀數。圖8A示出了每當測得的氣體混合物偏離基準成分時，由流量傳感器15生成的初始流速經歷了相當大的誤差。圖8B提供了一個實例，可相對於基準混合物，通過補償氣體混合物的熱傳遞中的變化來實現初始流動值的修正值。在該特定實例中，原始的流動誤差率約為10-20%(圖8A)，隨後將其修正為平均值為幾個百分比的誤差率(圖SB)。圖9是表示根據本發明的一個實施例用於校準流量計的操作流程圖。在方框270處，將校準氣體引入相對於質量流量傳感器設置的校準氣體管中。在方框272處，將校準氣體以可重複的質量流量引導至質量流量傳感器上。在方框274處，從質量流量傳感器獲得輸出。接著，基於來自質量流量傳感器的輸出確定校準氣體的估算流速(方框276)。如有要求，可基於校準氣體的實際流速和校準氣體的估算流速來計算估算流速的誤差(方框278)。可以各種不同的方式來使用從本文所公開的各種校準技術獲得的信息。例如，可將估算流速的誤差用作偏差量或補償值部分，以使校準傳感器的進一步測量值補償測得的誤差。可將該偏差量儲存於本地存儲器中，或者用戶可利用該信息來手動地校準流量計。應該明白的是，本領域的技術人員已經熟知了本文所給出的各種技術的細節，在這些技術中，流量計應用了不同校準過程中獲得的信息，因此不需要對此進一步描述。圖9中所示的方法可利用例如本文中所描述的各種流量計結構中的任何一種來實現。下面將通過圖解的方式描述本發明的另外的實施例，這些實施例具有可選的校準檢查或檢驗能力、壓力檢測裝置、以及不同的流量傳感器結構。圖10是在很多方面都類似於探測器10 (圖1和圖2)的探測器300的側視圖。二者的主要區別在於，探測器300配有壓力傳感器315，該壓力傳感器與管66相通。每當要求流動氣體介質的壓力讀數時，就可應用壓力傳感器315。通常壓力讀數範圍為約l-500psig (磅每平方英寸)。如圖所示，壓力傳感器與終止於探測器的遠端並靠近流量傳感器15的管66連接。在操作當中，隨著氣體混合物流經導管，氣體混合物的壓力也會存在於通過壓力傳感器來測量該壓力的管中。可將表示導管中的流動氣體的壓力的信號輸出傳遞至信號處理器130 (圖5)。當然，校準功能和壓力傳感器功能相互獨立，並可用在管66的遠端的合適的閥來分開。合適的閥機構還可用於防止流動氣體混合物進入校準氣體源310。由於氣體特性傳感器20位於非流動室中，所以其對壓力敏感。因此，氣體特性傳感器的精確度可能隨著壓力偏離校準壓力而減小。為了補償該與非精確性相聯繫的壓力，可基於由壓力傳感器生成的壓力讀數來修正由氣體特性傳感器生成的信號。圖11是探測器350的側視圖。在此實施例中，管66終止於中間井45的非流動室，並靠近氣體特性傳感器20的主動傳感器及參考傳感器。可選的壓力傳感器315從進入中間井的非流動室的氣體獲取流動氣體介質的壓力讀數。用於探測器350的校準過程與其他實施例稍有變化。在該實施例中，校準氣體源81向氣體特性傳感器20的主動及參考傳感器提供校準氣體。與質量流量傳感器15形成對比的是，氣體特性傳感器提供與接觸該傳感器的氣體混合物的估算熱傳遞有關的輸出。在校準過程中，將校準氣體引導至氣體特性傳感器上。接著，基於氣體特性傳感器的輸出確定校準氣體的估算熱傳遞。如有要求，可基於校準氣體的實際或預期熱傳遞與該氣體的估算熱傳遞之間的差來計算校準氣體的估算熱傳遞的誤差。如上所述，可利用以多種不同流速引導至流量傳感器上的校準氣體來實現流量傳感器15的校準。相反地，可利用多種不同的氣體混合物來校準氣體特性傳感器20，其中每一種氣體混合物均具有不同的熱傳遞特性。儘管圖10和圖11中所示的校準氣體源和壓力傳感器共用一公共管，但這並不示必要的。如有要求，這些裝置中的各個裝置可獨立地配有單獨的管。如圖所示，探測器300和350都具有校準功能和壓力傳感器，但也存在省略校準氣體源81或壓力傳感器315的其他可能性。根據另一可選實施例，探測器300和350的某些方面可以合併。例如，探測器可配有校準氣體源81，該氣體源具有一個終止於熱流量傳感器15 (圖10)附近和終止於氣體特性傳感器20 (圖11)附近的單獨管。該實施例允許熱流量傳感器與氣體特性傳感器同時校準。如圖所示，流量傳感器及氣體特性傳感器相當地靠近外殼79中的流量計控制器和電子裝置。然而，同樣可能的是，流量計的任何或所有元件可位於相對於導管和傳感器或其他與流動介質具有作用關係的其他信號發生元件的遠距離位置。由各種傳感器部件生成的信號可通過導線連接或這些部件可無線地耦合。常規的信號和電源線未示出，但將通過探測器，從外殼79引至傳感器元件。在其中具有探測器的管的實施例中，導線可容納於管內。除了上述實施例以外，還可以是具有校準功能的多個不同類型的流量計。例如，圖12示出了包括流量傳感器15的探測器360的側視圖。應該注意，探測器360不具有氣體特性傳感器。在圖13中，探測器370配置有單一元件的流量傳感器372，其有效地提供了類似於可由流量傳感器15獲得的測量值。例如，傳感器372可以分時方式操作，其中，其在預定的短時期內用作加熱傳感器。接著，該傳感器允許被冷卻(通常為20-40秒)以用作基本上不加熱的參考傳感器。接著可實現參考測量，如必要或者有要求的話，可持續地或周期性地重複加熱一冷卻周期。當流量傳感器372處於加熱一冷卻周期的加熱部分中時，可進行校準測量。如有要求的話，還可當流量傳感器372處於加熱一冷卻周期的冷卻部分中時，進行校準測量。在圖13的實施例中，管66的露出端相對於流量傳感器372大致彎成直角。該設置相比較於例如圖12的實施例，使校準氣體77更集中地衝擊流量傳感器。當將探測器370插入導管65中時，管66的開口端可最佳地被導向在導管中流動的氣體介質的下遊。該設置有助於防止微粒以及其他類型的異物進入管中。在圖14中，探測器380配有三個限定了流量傳感器381的探測器。在該實施例中，加熱元件382在主動傳感器383和參考傳感器384之外。從操作過程中，加熱元件382通過對流或傳導裝置熱耦合至主動傳感器。參考傳感器不由加熱元件加熱。流量傳感器381有效地提供了類似於由流量傳感器15獲得的流速測量值。圖15是在開口 401內包括主動傳感器30和參考傳感器25的探測器400的側視圖。主動傳感器和參考傳感器測量流過開口的介質的流速。在此實施例中，管66具有兩個均發出校準氣體77的孔。第一孔將校準氣體引導至參考傳感器30上，第二孔將校準氣體引導至主動傳感器25上。如上所述，可選地，不用向參考傳感器施加校準氣體就可實現校準處理。在這樣的實施例中，對於管66而言，不必包括向參考傳感器30提供校準氣體的第一孑U圖12-15中所示的流量傳感器部件的特定設置並不是關鍵的或必須的，還可使用公知的流量傳感器技術。美國專利第5，600，528號和第5，780，737號中提供了這些技術的實例，這兩個專利都是轉讓給Fluid Components International of SanMarcos, California。如有要求，圖12-15中的任何一個探測器實施例還可包括氣體特性傳感器20並利用氣體特性傳感器20起作用。通常，本文所披露的流量計可應用具有各種不同外形和配置的校準管。在很多情況下，應用特定類型的校準管並不是關鍵的，只要該管可將校準氣體77的可重複的質量流量輸送至合適的一個或多個流量傳感器即可。圖16-21示出了各種校準管結構，其可用於與本文所披露的任何一種流量傳感器和氣體特性傳感器連接。類似於圖13，圖16所示管66的露出端相對於主動傳感器25大致彎成直角。該設置使校準氣體77更集中地被引導至主動傳感器上。該設置通常用於校準氣體的溫度與主動傳感器之間僅有較小的溫差值的情況。在圖17中，管66的露出端是T形的，並將校準氣體77同時引導至主動傳感器25及參考傳感器30上。有多個實施例示出了管66伸入相關的探測器內，但這並不是一個必要條件，校準管也可安裝於外面，從而將其連接至探測器的外面或連接至任何其他合適的結構。圖18中示出了該實施例的一個例子。如該圖中所示，該管的終端部分相對於主動傳感器25大致彎成直角。如有要求，可選地，可將該管定位於使校準氣體77同時衝擊主動傳感器25及參考傳感器30的位置。圖19-21示出了用於校準管66的端部的各種可選設計。該可選的管結構可用於實現本文所披露的任何一個校準實施例。
在圖19中，該管具有向外突起端450。該設置引導校準氣體至相對較廣的區域。相反地，圖20所示管66具有比管的主體更狹小的端部455。該設計使得校準氣體氣流更集中。圖21示出了在管的端部形成有多個穿孔或孔460的校準管。這些孔可僅形成於管的露出部的一部分上，從而僅使主動傳感器暴露給校準氣體。可選地，這些孔可形成於管的整個外圍上，以允許校準氣體同時衝擊到主動和參考傳感器上。應該注意，通過從包含流動氣體介質的導管中收回探測器和有關的傳感器，可對流量計進行現場校準。根據一個實施例，圖22示出了可操作地連接至外殼470的探測器360。將探測器定位於導管65的內部之內使得流量傳感器15可測量在導管內流動的氣體介質的流速。圖22示出了流量計的正常操作狀態。一定程度上，可能必須或者期望校準探測器。參照圖23，可通過將探測器360從導管65的內部中取出來啟動校準過程。在流量傳感器15容納於限定於外殼470內的腔中之後，可通過將校準氣體77引導至流量傳感器上來校準流量傳感器。可利用任何一種上述校準技術來進行流量傳感器的校準。通常，流入導管內的氣體介質的一部分會移動至外殼470的腔內，並接觸流量傳感器。然而，這樣的接觸相對較小，不會顯著影響校準過程的精確度。為了將流動氣體介質的影響最小化，外殼470可選地可配有裝置例如閥或滑板(未示出)，其有效地將流量傳感器與在導管內流動的氣體介質隔離。如圖22所示，在完成校準處理之後，可將探測器重新放入導管65的內部。圖22和圖23中所示的校準技術可用於校準本文所描述的任何流量計。圖22和圖23中所示的校準過程可由用戶手動地執行，或者該校準過程可以自動地啟動和執行。上面已經描述了其中流量計適合於測量流動氣體介質的各種實施例，其中該氣體具有校準檢驗特性。然而，本公開的技術同樣地可應用於其他類型的流量傳感器。這樣的傳感器的實例其中包括熱線風速儀、都卜勒傳感器、以及渦街流量計。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。以上僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種校準系統,包括: 導管，其包括相對於流量傳感器設置的第一端部； 氣體源，用於將校準氣體以可重複的質量流量引入所述導管中，所述導管將至少一部分的所述校準氣體引導至所述流量傳感器上；以及 計算裝置，用於基於從所述流量傳感器獲得的測量值來確定所述校準氣體的估算流速。
2.根據權利要求1所述的校準系統，所述系統還包括: 外殼，其可連接至可包含有流動氣體介質的結構；以及 其中所述外殼大小設計為可滑動地容納其上連接有所述流量傳感器的探測器，所述導管允許所述流量傳感器在流速測量過程中伸入所述流動氣體介質內，允許所述流量傳感器在校準過程中被收回至所述外殼中。
3.根據權利要求1所述的校準系統，其中所述流量傳感器包括一體化的以分時方式工作的主動/參考傳感器元件，所述一體化的主動/參考傳感器元件在預定時期內是加熱的主動傳感器，所述一體化的主動/參考傳感器元件在被允許冷卻之後，用作基本上不加熱的參考傳感器。
4.根據權利要求1所述的校準系統，其中所述流量傳感器包括與單獨的加熱器元件一起工作的主動傳感器元件，以及參考傳感器元件。
5.根據權利要求1所述的校準系統，其中所述流量傳感器包括主動傳感器元件和參考傳感器兀件。
6.根據權利要求5所述的校準系統，其中所述導管的所述第一端部位於可使得僅將所述校準氣體引導至所述主動傳感器元件上的位置。
7.根據權利要求5所述的校準系統，其中所述導管的所述第一端部位於可使得將所述校準氣體同時引導至所述主動傳感器元件和所述參考傳感器元件上的位置。
8.根據權利要求5所述的校準系統，其中所述導管包括第二端部，其中所述導管的所述第一端部位於將所述校準氣體引導至所述主動傳感器元件上的位置，以及 其中所述導管的所述第二端部位於將所述校準氣體引導至所述參考傳感器元件上的位置。
9.根據權利要求1所述的校準系統，其中所述流量傳感器包括熱散逸傳感器。
10.根據權利要求1所述的校準系統，其中所述流量傳感器包括熱線風速儀。
全文摘要
一種流量計現場校準檢驗系統，包括管或其他導管、氣體源、以及計算裝置。管具有相對流量傳感器設置的端部，並與氣體源相通。管和氣體源將校準氣體以可重複的質量流量注入所述管中。在校準操作過程中，導管將至少一部分的校準氣體引導至流量傳感器上。所述計算裝置用於基於從流量傳感器獲得的測量值來計算校準氣體的估算流速。
文檔編號G01F25/00GK103196522SQ20131005090
公開日2013年7月10日 申請日期2005年8月4日 優先權日2005年1月18日
發明者埃裡克·J·威布爾 申請人:流體元件國際公司