專(zhuān)利名稱(chēng)：在不參照粘度的情況下利用渦輪流量計(jì)測(cè)量通過(guò)它的流體流量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及渦輪流量計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及用于利用容積式渦輪流量計(jì)測(cè)量通過(guò)該流量計(jì)的質(zhì)量流量的方法和裝置。
背景技術(shù)：
人們常常期望利用質(zhì)量流量計(jì)，因?yàn)橘|(zhì)量流量計(jì)提供通過(guò)用于一定應(yīng)用的管道的每時(shí)間段數(shù)的重量。用于本發(fā)明中的術(shù)語(yǔ)“管道”指流體流過(guò)的任何管子，通道，導(dǎo)管等。
這種流量計(jì)的一個(gè)主要市場(chǎng)是需要具有用于其飛機(jī)的精確質(zhì)量流量的飛機(jī)制造工業(yè)。這允許飛機(jī)承載包括適當(dāng)安全余量的對(duì)于給定航班的最小重量的燃料。如果飛機(jī)承載大于該最小重量，則需要燃燒過(guò)多的燃料，以將過(guò)多重量運(yùn)輸?shù)狡淠康牡?。因此，需要提供用于飛機(jī)制造業(yè)和其它應(yīng)用的精確質(zhì)量流量元件。
一種方法是利用兩個(gè)不同的流量計(jì)測(cè)量質(zhì)量流量。在一種布置中，對(duì)密度不敏感的容積式流量計(jì)與用于確定流體密度的密度敏感的計(jì)量器結(jié)合使用。一旦密度已知，利用從容積式流量計(jì)讀取得容積流量結(jié)合密度通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的計(jì)算就得出質(zhì)量流量。然而，這種結(jié)合僅僅限于在較窄范圍的條件的有限次的應(yīng)用，因?yàn)橐环N或其它種流量計(jì)還對(duì)諸如溫度、粘度、和/或雷諾數(shù)的許多次要變量敏感。
渦輪流量計(jì)常常用作容積式流量計(jì)，但是這種流量計(jì)對(duì)被測(cè)量流體的粘度、溫度、和雷諾數(shù)非常敏感。圖1示出了標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)曲線(xiàn)。所示曲線(xiàn)圖示了流量計(jì)頻率除以流體運(yùn)動(dòng)粘度是流量計(jì)頻率除以容積流量的函數(shù)。如果渦輪流量計(jì)在變化的溫度操作由此粘度變化，在不知道粘度的情況下不能確定流量。
應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)渦輪流量計(jì)在給定的溫度對(duì)于具體的流體操作時(shí)，只要渦輪流量計(jì)在這些相同的條件標(biāo)定就不必知道粘度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到這種條件在實(shí)際中相當(dāng)罕見(jiàn)。
在大多數(shù)情況下，溫度變化，該變化又引起粘度變化，如圖4中所示。這種變化不要求流量計(jì)系統(tǒng)能夠在給定的溫度確定給定流體的粘度。這常常是通過(guò)利用繪制對(duì)于具體流體的粘度與溫度的關(guān)系的參考表完成。然而，任何給定批次的流體的實(shí)際粘度會(huì)與另一批次的相同的流體的粘度不同，足以否定圖4中還示出的參考表的價(jià)值。
其它容積式流量計(jì)可以類(lèi)似的方式使用，但是都具有與渦輪流量計(jì)相同的缺點(diǎn)。此外，許多其它類(lèi)型的流量計(jì)不具有足夠的精度，以與更好的質(zhì)量測(cè)量裝置競(jìng)爭(zhēng)。
對(duì)于密度測(cè)量，具有許多被使用的流量計(jì)，包括諸如孔板的壓差流量計(jì)和靶型流量計(jì)，但是它們都對(duì)溫度、粘度和雷諾數(shù)敏感。此外，這種流量計(jì)由于流量敏感性是流量計(jì)產(chǎn)生的作用力信號(hào)的壓差的平方根的函數(shù)而受到限制。
由于利用容積式流量計(jì)和密度計(jì)組合的問(wèn)題的結(jié)果，多數(shù)當(dāng)前的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于這種測(cè)量采用了直接質(zhì)量流量測(cè)量計(jì)。這種流量計(jì)的一個(gè)例子是往往相當(dāng)昂貴的科里奧利流量計(jì)。然而，當(dāng)期望直接質(zhì)量流量測(cè)量時(shí)，用戶(hù)具有很少的選擇。
另一個(gè)直接流量計(jì)采用一前一后的兩個(gè)渦輪件，其中一個(gè)渦輪件采用直渦輪葉片，而第二個(gè)流量計(jì)利用了更傳統(tǒng)的曲線(xiàn)設(shè)計(jì)。兩個(gè)元件利用扭簧耦合。當(dāng)質(zhì)量流量增加時(shí)，扭矩作用在兩個(gè)葉片之間引起移相。只要兩個(gè)元件的轉(zhuǎn)速是常數(shù)移相就是質(zhì)量流量的函數(shù)。幾種設(shè)計(jì)用于保持恒定的轉(zhuǎn)速，包括同步電動(dòng)機(jī)和離心加載葉片組。當(dāng)通常用于燃料測(cè)量時(shí)，這些流量計(jì)不是非常精確并且相對(duì)昂貴。因此，需要更精確和廉價(jià)的測(cè)量質(zhì)量流量的方法。
本發(fā)明滿(mǎn)足這一需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的質(zhì)量流量測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)精確并且廉價(jià)。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的和優(yōu)點(diǎn)隨著下面描述的進(jìn)行將變得明顯并且使本發(fā)明具有特點(diǎn)的新穎特征將在該申請(qǐng)中的形成說(shuō)明書(shū)一部分的權(quán)利要求中具體指出。


下面將參照附圖更容易地描述本發(fā)明，其中圖1是描述用于渦輪流量計(jì)的典型通用粘度曲線(xiàn)的圖形；圖2示出了用于雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的典型斯德魯哈爾數(shù)(StrouhalNumber)與Roshko數(shù)的相關(guān)曲線(xiàn)；圖3示出了作為用于未修整的轉(zhuǎn)子的Roshko數(shù)的函數(shù)的雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)頻率比值的曲線(xiàn)。
圖4繪出了典型流體粘度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)；圖5利用頻率比值繪出了斯德魯哈爾數(shù)，其中每一個(gè)都作為用于未修整的雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)的Roshko數(shù)的函數(shù)；圖6繪出了作為已經(jīng)被調(diào)節(jié)到非線(xiàn)性關(guān)系的流量計(jì)的Roshko數(shù)的函數(shù)的雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)頻率比值；圖7繪出了用于被調(diào)節(jié)的非線(xiàn)性流量計(jì)的利用頻率比值的斯德魯哈爾數(shù)，其中每一個(gè)斯德魯哈爾數(shù)曲線(xiàn)都作為已經(jīng)被修整到非線(xiàn)性的雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)的Roshko數(shù)的函數(shù)；圖8示出了具有通常的上下限的流體密度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)；圖9示出了修整轉(zhuǎn)子的技術(shù)；以及圖10示出了質(zhì)量流量計(jì)的組件。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用了美國(guó)專(zhuān)利No.5,689,071中描述的雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)10，該美國(guó)專(zhuān)利No.5,689,071的名稱(chēng)為“寬范圍、高精度流量計(jì)”，并且于1997年11月18日授予Ruffner和Olivier(本申請(qǐng)人)。該專(zhuān)利在這里通過(guò)參考并入并且在圖10中示出。美國(guó)專(zhuān)利No.5,689,071描述了在單個(gè)外殼中兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)液力耦合的轉(zhuǎn)子18、20的操作。盡管在許多方面象傳統(tǒng)的渦輪流量計(jì)一樣操作，但是該獲得專(zhuān)利的流量計(jì)在其它方面具有優(yōu)良的特性。具體地說(shuō)，操作范圍大大擴(kuò)大。此外，通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)轉(zhuǎn)子18、20的輸出頻率，能夠進(jìn)行自我診斷。
如美國(guó)專(zhuān)利No.5,689,071所述，Roshko數(shù)和Strouhal數(shù)用于如下計(jì)算容積流量。每一個(gè)轉(zhuǎn)子的Roshko數(shù)為Ro1＝f1/V*(1+2a(Top-Tref))Ro2＝f2/V*(1+2a(Top-Tref))其中f1＝轉(zhuǎn)子1(18)的輸出頻率f2＝轉(zhuǎn)子2(20)的輸出頻率v＝流體在Top的運(yùn)動(dòng)粘度a＝構(gòu)成流量計(jì)主體的材料的線(xiàn)性膨脹系數(shù)，例如，300系列不銹鋼Top＝從流量計(jì)的溫度計(jì)16獲得的操作溫度Tref＝流量計(jì)的參考溫度(可以是傳統(tǒng)溫度)。
組合Roshko數(shù)Roc定義為Roc＝(f1+f2)/V*(1+3a(Top-Tref))并且每一個(gè)轉(zhuǎn)子的Srouhal數(shù)為St1＝f1/q*(1+3a(Top-Tref))St2＝f2/q*(1+3a(Top-Tref))其中q＝容積流量并且其它參數(shù)與前面相同。
組合Strouhal數(shù)Stc定義為Stc＝(f1+f2)/q*(1+3a(Top-Tref))或者作為選擇，可以用頻率平均值代替頻率之和，頻率平均值為上述給定值的一半。
Strouhal數(shù)和Roshko數(shù)之間的關(guān)系在流量計(jì)的標(biāo)定期間通過(guò)導(dǎo)出圖2中所示的曲線(xiàn)圖而確定。如圖2中所示，在1厘沱粘度15獲取的轉(zhuǎn)子1的數(shù)據(jù)形成連續(xù)曲線(xiàn)，其中轉(zhuǎn)子1的數(shù)據(jù)在8.3厘沱粘度16獲取，而在1厘沱粘度19獲取的轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)形成連續(xù)曲線(xiàn)，其中轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)在8.3厘沱粘度20獲取。在1厘沱粘度17獲取的平均組合的轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)形成連續(xù)曲線(xiàn)，其中組合的轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2的數(shù)據(jù)在8.3厘沱粘度18獲取。當(dāng)利用該流量計(jì)時(shí)，Roshko數(shù)通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子的頻率、如下面詳細(xì)所述確定運(yùn)動(dòng)粘度、測(cè)量操作溫度、然后求解上面的等式而確定。
然后從圖2中的標(biāo)定曲線(xiàn)計(jì)算Strouhal數(shù)。對(duì)容積流量求解Strouhal數(shù)方程得q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))其中Stc＝組合Strouhal數(shù)(或平均值)對(duì)于雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的典型Strouhal數(shù)與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)與組合Strouhal數(shù)(Stc)曲線(xiàn)一起在圖2中示出。請(qǐng)注意，這些曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，其中隨著轉(zhuǎn)子1的Roshko數(shù)(Ro1)降低轉(zhuǎn)子1趨于具有下降的Strouhal數(shù)(St1)，而隨著轉(zhuǎn)子2的Roshko數(shù)(Ro2)在其大部分范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)子2趨于具有增加的Strouhal數(shù)(St2)。在較低數(shù)值，兩曲線(xiàn)均下降。上面的回顧表明很少或沒(méi)有Roshko數(shù)范圍，其中任意一個(gè)轉(zhuǎn)子為非常線(xiàn)性的。然而，至少在較高的Roshko數(shù)組合(平均)Strouhal數(shù)(Stc)更線(xiàn)性。
應(yīng)當(dāng)注意，在不知道兩個(gè)轉(zhuǎn)子的頻率(f1和f2)和流體的操作運(yùn)動(dòng)粘度(v)的情況下不可能直接確定Roshko數(shù)。當(dāng)然，可以測(cè)量轉(zhuǎn)子的頻率(f1和f2)并且流體的運(yùn)動(dòng)粘度(v)作為操作溫度(Top)的函數(shù)通常預(yù)先確定。從而，如果已知操作溫度(Top)，則也知道運(yùn)動(dòng)粘度(v)。
如果流體是水，則粘度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)可靠地從教科書(shū)或其它來(lái)源獲得。純水的粘度值即使與出版的溫度/粘度圖表不同，也不會(huì)差別很大。
然而，對(duì)于其它流體的粘度與溫度的關(guān)系應(yīng)當(dāng)對(duì)每一批次使用的流體根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，例如包括噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料和汽油的碳?xì)浠衔铩Ｔ撜扯?溫度關(guān)系可能依諸如每一批次的產(chǎn)地、制造商和成分從一批到另一批變化極大。給定流體的粘度從一批到另一批在恒定的溫度變化差不多±10％是相當(dāng)普遍的，如圖4中圖示，該圖繪制了上下限為24的教科書(shū)中的數(shù)據(jù)25。由于Strouhal數(shù)與Roshlo數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，這種±10％的變化對(duì)于給定的輸出頻率(f)能夠引起Strouhal數(shù)的顯著變化。如果用于計(jì)算的粘度誤差該數(shù)量，則計(jì)算的容積流量也將不精確。因此，這種變化常常使教科書(shū)或出版的圖表數(shù)25是不可行的粘度來(lái)源。然而，對(duì)于每一批次的流體獲取溫度/粘度曲線(xiàn)常常是不實(shí)際或至少非常費(fèi)力。
然而，如果頻率比(f2/f1)被認(rèn)為是圖3中所示的組合Roshlo數(shù)(平均數(shù))的函數(shù)，則示出了在任意給定的Roc值，存在不同的頻率比。然后，利用圖2，能夠得出對(duì)應(yīng)于組合Roshko數(shù)(Roc)的唯一的Stc數(shù)。因此，對(duì)于給定的容積流量，組合頻率(f1+f2)隨著粘度的變化保持恒定，但是頻率比(f2/f1)將變化。相反，對(duì)于任意給定的組合頻率(f1+f2)值，對(duì)于任意運(yùn)動(dòng)粘度值將存在唯一的頻率比(f2/f1)。
總之，如圖5中最清楚地所示，利用兩個(gè)關(guān)系(f1+f2)和(f2/f1)消除了需要知道流體的運(yùn)動(dòng)粘度。對(duì)圖5中所示的曲線(xiàn)26的徹底的考察表明，對(duì)于任意組合頻率(f2+f1)，存在對(duì)于任何給定運(yùn)動(dòng)粘度值的唯一的組合Strouhal數(shù)(Stc)值。它還表明對(duì)于任意給定的頻率比(f2/f1)值，還存在唯一的組合Roshko數(shù)(Roc)。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單地知道兩個(gè)頻率(f2和f1)，這些數(shù)可以獲得，而不必參照運(yùn)動(dòng)粘度，由此消除了對(duì)于每一批次的流體預(yù)先確定或測(cè)量運(yùn)動(dòng)粘度與溫度的關(guān)系的需要。
本領(lǐng)域技術(shù)人員意識(shí)到包括雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的渦輪流量計(jì)常常設(shè)計(jì)為盡可能具有線(xiàn)性響應(yīng)。然而，在本發(fā)明中，必須避免完全的線(xiàn)性響應(yīng)。顯而易見(jiàn)，只有圖2中所示的Strouhal數(shù)與Roshlo數(shù)的關(guān)系的單獨(dú)的各曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的f2/f1關(guān)系和導(dǎo)出的曲線(xiàn)才起作用。
如圖5中最清楚所示，頻率比的曲線(xiàn)26在較高的Roshko數(shù)為平的。難于利用曲線(xiàn)26的該部分分離出操作Roshko數(shù)。利用在頻率和以及在當(dāng)前操作溫度(Top)27的標(biāo)稱(chēng)粘度值的技術(shù)能夠用于分離正確的Roshko數(shù)將下降的頻帶。
首先，計(jì)算頻率和(f1+f2)并且利用來(lái)自類(lèi)似圖4的教科書(shū)數(shù)據(jù)25的在操作溫度27的標(biāo)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)粘度值確定相應(yīng)的對(duì)于該總和的Roshlo數(shù)。結(jié)果曲線(xiàn)27在圖5中給出，誤差帶28示出了該計(jì)算引起的潛在誤差。
如果各個(gè)Strouhal數(shù)與Roshlo數(shù)關(guān)系和求得的Roshlo數(shù)與頻率比的關(guān)系的曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，則上述計(jì)算更精確。在渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)中必須注意確保在需要的范圍保持非線(xiàn)性特征。在雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的情況下，這種特征通過(guò)設(shè)計(jì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子中的至少一個(gè)，使頻率比值作為Roshko數(shù)的函數(shù)連續(xù)變化而現(xiàn)實(shí)。
然而，在許多流量計(jì)設(shè)計(jì)中，期望使頻率比與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)盡可能是線(xiàn)性的。如果是這種情況，盡管用戶(hù)必須意識(shí)到獲得的數(shù)值具有更大的不確定性。
具有許多提供具有非線(xiàn)性響應(yīng)的轉(zhuǎn)子的技術(shù)，即改變弦長(zhǎng)、改變轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度或通過(guò)改變?nèi)~片形狀。一種簡(jiǎn)單的方式如圖9中所示，該方式為修整轉(zhuǎn)子葉片的角部。如果用戶(hù)期望在較高的Roshko數(shù)提高Strouhal數(shù)，則修整角部C有效地縮短了葉片的壓力側(cè)的弦長(zhǎng)，由此產(chǎn)生期望的效果。
圖6和7中示出了修整第一轉(zhuǎn)子的結(jié)果?？梢杂^察到，整個(gè)曲線(xiàn)在整個(gè)范圍具有可使用的斜率，因?yàn)?厘沱粘度點(diǎn)30形成具有8.3厘沱粘度點(diǎn)31的連續(xù)曲線(xiàn)并且不再需要通過(guò)確定流體粘度計(jì)算結(jié)果。從而，該流量計(jì)現(xiàn)在完全對(duì)年度不敏感，因?yàn)镽oshko數(shù)能夠在不參照粘度的情況下確定，如圖7中所示，其中頻率比與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)32直接導(dǎo)出以曲線(xiàn)33表示的Strouhal數(shù)，同樣不必參照粘度。請(qǐng)注意，流量計(jì)的標(biāo)定和校驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)實(shí)際校驗(yàn)操作粘度并且將結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)值比較而完成，以避免較大誤差從瞬間無(wú)效讀數(shù)進(jìn)入系統(tǒng)。
實(shí)施該方法需要相當(dāng)可觀的數(shù)學(xué)計(jì)算，這對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言也是顯而易見(jiàn)的。盡管手算當(dāng)然可能，但是利用計(jì)算機(jī)或微處理器使得該方案相當(dāng)實(shí)用并且相對(duì)廉價(jià)。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯，上述方案最小化了由于次級(jí)變量，即溫度、粘度和雷諾數(shù)而引起的容積測(cè)量的變化。該變化的降低使得考慮結(jié)合密度傳感器使用雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)確定通過(guò)諸如燃料供應(yīng)線(xiàn)路的管道的質(zhì)量流量是可行的。請(qǐng)注意，雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)通常對(duì)壓力變化不敏感。從而，利用雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)測(cè)量壓差以確定密度是較好的選擇，因?yàn)樗苊饬藘蓚€(gè)流量計(jì)之間的交叉敏感性。
具有許多利用壓差的流量計(jì)，包括(但不限于)由皮托管或利用壁靜壓法測(cè)量穿過(guò)孔口、穿過(guò)鈍體、穿過(guò)轉(zhuǎn)子的壓差。靶型流量計(jì)可以類(lèi)似地使用。
然而，利用靶型流量計(jì)、或通過(guò)利用孔口、或穿過(guò)鈍體和穿過(guò)轉(zhuǎn)子測(cè)量流量都對(duì)雷諾數(shù)和流體密度敏感。由于假定在上述雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)中運(yùn)動(dòng)粘度未知(盡管它可以用數(shù)學(xué)方法確定)，因此利用這類(lèi)方法基本上消除了運(yùn)動(dòng)粘度的用途，即消除作為變量的粘度。
從而，計(jì)算密度的一種優(yōu)選方法是利用皮托管和壁靜壓。圖10示出了雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)10，其中安裝有皮托管12和壁靜壓管14。如本領(lǐng)域熟知，皮托管用于計(jì)算流體的速度V＝[(Pt-Ps)/ρ]1/2其中V＝在Pt測(cè)量點(diǎn)的流體速度Pt＝總壓力Ps＝壁靜壓力ρ＝操作流體密度或逆求出ρ＝(Pt-Ps)/V2密度將隨溫度變化，但是壓差將成比例地變化。從而，獨(dú)立于其它變量確定操作密度。此時(shí)，雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)已經(jīng)確定了容積流量并且皮托管/壁靜壓已經(jīng)分離出密度，兩者都獨(dú)立于次要變量。進(jìn)而，管道中的平均速度計(jì)算為Vavg＝q/A其中A＝管道的橫截面面積由皮托管測(cè)量的速度是局部或點(diǎn)的速度，而從流量算出的速度是平均速度。比例常數(shù)加到等式以處理該差值，由此密度等式整理如下ρ＝K*(Pt-Ps)/V2比例常數(shù)K實(shí)際上可能隨Vavg或q稍稍變化并且在標(biāo)定時(shí)容易確定。密度等式重新整理為ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)并且質(zhì)量流量為M＝q*ρ總之，本發(fā)明的方法僅僅結(jié)合皮托管和壁靜壓的壓差測(cè)量轉(zhuǎn)子頻率f1和f2，因此利用本發(fā)明的方法很理想地適合于確定通過(guò)管道的質(zhì)量流量。
利用雙轉(zhuǎn)子渦輪流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是這種流量計(jì)的較寬的操作范圍或調(diào)節(jié)。然而，皮托管/壁靜壓口的主要缺點(diǎn)之一是其較小的操作范圍。如上所述，皮托管中測(cè)出的速度是壓力差和密度的平方根的函數(shù)。因此，對(duì)于壓力差16∶11的變化，僅僅實(shí)現(xiàn)4∶1的流量變化。因?yàn)閴毫鞲衅魍ǔＴO(shè)定極限為全部數(shù)值范圍的百分比，因此16∶1比值通常是許用的全部范圍。請(qǐng)注意，具有許多方法擴(kuò)大該極限，諸如堆積式壓差裝置，或在擴(kuò)大的范圍簡(jiǎn)單地接受降低的精度。然而，另一個(gè)解決方案還可能特別適用于諸如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的碳?xì)浠衔铩?br> 從上面可以注意到，對(duì)于多數(shù)碳?xì)浠衔锪黧w的密度與溫度的關(guān)系從一批次到另一批次顯著變化。在多數(shù)應(yīng)用中，采用流量計(jì)的流體的批次定期變化。然而，一旦系統(tǒng)的操作限于特定的流體批次，密度變化就是溫度的簡(jiǎn)單函數(shù)(并且在高壓應(yīng)用中還在較低的程度是壓力的簡(jiǎn)單函數(shù))。
作為例子，考慮在噴氣式飛機(jī)中的燃料供應(yīng)線(xiàn)路中的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并且空轉(zhuǎn)，通常流量非常低。然后，發(fā)動(dòng)機(jī)在相對(duì)較短的時(shí)間段加速到接近起飛的最大值。一旦升空，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流返回到巡航流量，相對(duì)而言，該巡航流量保持較長(zhǎng)時(shí)間段。該巡航流量完全在最大流量的4∶1范圍內(nèi)。在降落和著陸期間，在短時(shí)間流量再次降低到較低值，然后返回到關(guān)閉前的空轉(zhuǎn)。在空轉(zhuǎn)和著陸時(shí)間的過(guò)程中使用的燃料總量與起飛和巡航期間相比非常少。請(qǐng)注意該情節(jié)還適于許多其它應(yīng)用。
修整第一轉(zhuǎn)子的結(jié)果如圖6和7中所示?？梢杂^察出，整個(gè)曲線(xiàn)在整個(gè)范圍具有可用的斜率，因?yàn)?厘沱粘度點(diǎn)30與8.3厘沱粘度點(diǎn)30形成連續(xù)的曲線(xiàn)并且不再需要通過(guò)確定流體的粘度計(jì)算結(jié)果。從而，流量計(jì)現(xiàn)在總體對(duì)粘度不敏感，因?yàn)槟軌虼_定Roshko數(shù)，而不參照粘度，如圖7中所示，其中頻率比與Roshko數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)32直接導(dǎo)出以曲線(xiàn)33表示的Strouhal數(shù)，同樣不參照粘度。請(qǐng)注意，流量計(jì)的標(biāo)定和校驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^(guò)實(shí)際校驗(yàn)操作粘度并且將結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)值比較而完成，以避免較大誤差從瞬間無(wú)效讀數(shù)進(jìn)入系統(tǒng)。
因此，在皮托管的最優(yōu)范圍外側(cè)的流量，密度測(cè)量可以從前面獲得的數(shù)據(jù)外推。用于特定批次流體的密度數(shù)值被保持并且積累，受到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)限制，直到新批次到達(dá)。一旦新批次到達(dá)，數(shù)據(jù)被清除并且新數(shù)據(jù)加入，以允許皮托管的操作范圍外側(cè)的精確外推。直到積累足夠的進(jìn)行精確外推的數(shù)據(jù)，可以使用教科書(shū)的平均值作為溫度/密度測(cè)量值。
圖8示出了在系統(tǒng)操作期間密度數(shù)據(jù)的典型積累。如果需要，可以使用移動(dòng)平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算或限制非常大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)的其它形式，以抑制數(shù)據(jù)壓倒處理器。每次使用新批次的流體，數(shù)據(jù)緩沖器復(fù)位并且新數(shù)據(jù)積累。對(duì)于初次啟動(dòng)，或在復(fù)位之后，使用用于特性流體的教科書(shū)或標(biāo)稱(chēng)數(shù)據(jù)，直到積累足夠的數(shù)據(jù)，以更精確地確定對(duì)于該新批次的密度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。
采用該密度確定方法，當(dāng)前的操作溫度實(shí)際上用于從定義的曲線(xiàn)確定密度。測(cè)量的密度點(diǎn)僅僅用于繼續(xù)定義溫度與密度的關(guān)系曲線(xiàn)。
盡管僅僅示出和描述了一定的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯，在不偏離本發(fā)明的精神或權(quán)利要求的范圍的情況下可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行各種變化或修改。
權(quán)利要求
1.一種在不知道流體粘度的情況下測(cè)量通過(guò)管道的容積流量的方法，所述方法包括如下步驟提供雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，所述流量計(jì)連接到流體通過(guò)的管道，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪具有溫度計(jì)、第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)子和所述第二轉(zhuǎn)子中的至少一個(gè)具有對(duì)于流體流量的非線(xiàn)性響應(yīng)，通過(guò)求出用于所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)的Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)標(biāo)定所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，確定第一轉(zhuǎn)子頻率和第二轉(zhuǎn)子頻率，將第二轉(zhuǎn)子頻率除以第一轉(zhuǎn)子頻率，求出頻率比值，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)，利用組合Roshko數(shù)和組合Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)確定組合Strouhal數(shù)，利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中容積流量利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算，其中q為容積流量，Stc為組合Strouhal數(shù)，f1為第一轉(zhuǎn)子的頻率，f2為第二轉(zhuǎn)子的頻率，a＝線(xiàn)性膨脹系數(shù)，Top＝流量計(jì)的操作溫度，以及Tref＝流量計(jì)的參考溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中組合Roshko數(shù)利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算。
4.一種計(jì)算通過(guò)管道的質(zhì)量流量的方法，所述方法包括如下步驟提供雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，所述流量計(jì)連接到流體通過(guò)的管道，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪具有溫度計(jì)、第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)子和所述第二轉(zhuǎn)子中的至少一個(gè)具有對(duì)于流體流量的非線(xiàn)性響應(yīng)，通過(guò)求出用于所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)的Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)標(biāo)定所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，確定第一轉(zhuǎn)子頻率和第二轉(zhuǎn)子頻率，將第二轉(zhuǎn)子頻率除以第一轉(zhuǎn)子頻率，求出頻率比值，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)，利用組合Roshko數(shù)和Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)確定組合Strouhal數(shù)，利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量，提供密度計(jì)，所述密度計(jì)連接到所述管道上，所述密度計(jì)確定流體的密度，將密度乘以容積流量，計(jì)算出通過(guò)管道移動(dòng)的質(zhì)量流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中容積流量利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算，其中q為容積流量，Stc為組合Strouhal數(shù)，f1為第一轉(zhuǎn)子的頻率，f2為第二轉(zhuǎn)子的頻率，a＝線(xiàn)性膨脹系數(shù)，Top＝溫度計(jì)讀出的操作溫度，以及Tref＝流量計(jì)的參考溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中組合Roshko數(shù)利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))計(jì)算。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中質(zhì)量流量利用等式M＝q*ρ計(jì)算，其中M＝質(zhì)量流量，q＝容積流量，ρ＝密度。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中質(zhì)量計(jì)利用壓差確定密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中質(zhì)量計(jì)是皮托管和壁靜壓測(cè)量的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中質(zhì)量計(jì)利用等式ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)確定密度，其中ρ＝流體密度，Pt＝總壓力，Ps＝壁靜壓，K＝比例常數(shù)，以及Vavg＝q/A，其中q＝容積流量，A＝管道的截面面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括下面的步驟導(dǎo)出用于流體的溫度與密度的關(guān)系曲線(xiàn)，從溫度計(jì)讀取流體溫度讀數(shù)，由溫度讀數(shù)以及溫度與密度的關(guān)系曲線(xiàn)外推密度。
12.一種用于計(jì)算通過(guò)管道的質(zhì)量流量的裝置，所述裝置包括雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)，所述流量計(jì)連接到流體通過(guò)的管道，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪具有溫度計(jì)、第一轉(zhuǎn)子和第二轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)子和所述第二轉(zhuǎn)子中的至少一個(gè)具有對(duì)于流體流量的非線(xiàn)性響應(yīng)，所述雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)適合于利用用于它們的Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)標(biāo)定，第一轉(zhuǎn)子具有第一頻率并且第二轉(zhuǎn)子具有第二頻率，通過(guò)將第一轉(zhuǎn)子頻率除以第二轉(zhuǎn)子頻率計(jì)算頻率比值的裝置，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)的裝置，利用組合Roshko數(shù)和Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)計(jì)算組合Strouhal數(shù)的裝置，利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量的裝置，密度計(jì)，所述密度計(jì)連接到所述管道上，所述密度計(jì)確定流體的密度，通過(guò)將密度乘以容積流量計(jì)算出通過(guò)管道移動(dòng)的質(zhì)量流量的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中用于計(jì)算容積流量的裝置利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))，其中q為容積流量，Stc為組合Strouhal數(shù)，f1為第一轉(zhuǎn)子的頻率，f2為第二轉(zhuǎn)子的頻率，a＝線(xiàn)性膨脹系數(shù)，Top＝溫度計(jì)讀出的操作溫度，以及Tref＝流量計(jì)的參考溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中組合Roshko數(shù)利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))被計(jì)算出。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中用于計(jì)算質(zhì)量流量的裝置利用等式M＝q*ρ，其中M＝質(zhì)量流量，q＝容積流量，ρ＝密度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中質(zhì)量計(jì)利用壓差確定密度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其中質(zhì)量計(jì)是皮托管和壁靜壓測(cè)量的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中密度計(jì)利用等式ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)確定密度，其中ρ＝流體密度，Pt＝總壓力，Ps＝壁靜壓，K＝比例常數(shù)，以及Vavg＝q/A，其中q＝容積流量，A＝管道的截面面積。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，還包括下面的步驟導(dǎo)出用于流體的溫度與密度的關(guān)系曲線(xiàn)，從溫度計(jì)讀取流體溫度讀數(shù)，由溫度讀數(shù)以及溫度與密度的關(guān)系曲線(xiàn)外推密度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在不知道流體的粘度的情況下測(cè)量通過(guò)管道的容積流量的方法和裝置。雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)(10)可操作地連接到流體通過(guò)的管道。雙轉(zhuǎn)子渦輪(10)具有溫度計(jì)(16)、第一轉(zhuǎn)子(18)和第二轉(zhuǎn)子(20)，所述第一轉(zhuǎn)子(18)和所述第二轉(zhuǎn)子(20)中的至少一個(gè)具有對(duì)于流體流量的非線(xiàn)性響應(yīng)。雙轉(zhuǎn)子渦輪容積流量計(jì)(10)通過(guò)求出用于它們的Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)(32)標(biāo)定。在測(cè)量期間，確定第一轉(zhuǎn)子頻率和第二轉(zhuǎn)子頻率。將第二轉(zhuǎn)子頻率除以第一轉(zhuǎn)子頻率，求出頻率比值，利用頻率比值計(jì)算組合Roshko數(shù)。利用組合Roshko數(shù)并且結(jié)合Roshko/Strouhal數(shù)曲線(xiàn)(32)求出組合Strouhal數(shù)。利用組合Strouhal數(shù)計(jì)算容積流量。
文檔編號(hào)G01F1/90GK1639545SQ03805529
公開(kāi)日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月7日
發(fā)明者保羅·D·奧利維亞 申請(qǐng)人:保羅·D·奧利維亞