专利名称：流量计现场校准检验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种校准系统，更具体而言，涉及一种流量计现场校准检验系统。
背景技术：
在商业及工业测量市场上，通常选择热散逸流量计用于流量测量装置。用于这样的仪表的典型的传感元件是电阻式温度检测器(RTD)，该检测器的电阻与该元件本身的温度相关。典型的传感器采用至少两个RTD元件。其中一个RTD元件用作参考元件，并且正常情况下不加热。第二个RTD用作加热的主动元件。在使用当中，加热RTD元件上的流量的作用可用于对被监测管道或导管中的物质的流速进行测量。在热散逸工业中，通常使用两种方法来确定导管中的流量。一种技术是保持参考RTD与主动RTD之间的恒定温差。该方法中，由于流动介质的物理特性引起主动RTD散热，因此要测量将主动RTD保持在高于参考RTD的常温所需要的电压或电流。在另一方法中，在由恒定电流热源或恒定功率热源加热主动RTD的同时，要测量主动RTD与参考RTD之间的电压差。在该测量过程中，类似于另一方法的情况，主动RTD由于流动介质的物理特性而损失热量。影响常规流量计精度的一个因素是流动介质的物理成分的恒定性。在很多应用中，流动介质保持大致相同的成分，在这些情况下，常规流量计可提供足够精确的流速测量值。然而，在例如火炬气以及其他可变的混合气体合成物的情况下，介质的物理成分一直在变化，严重影响了精确的流速的获得。流量计需要周期性地校准，以检验该流量计精度是否处于某个可容许的范围内。现有校准技术要求将流量计从其安装位置上取下来。取下之后，通常将该流量计交回给制造商或具有用于该流量计正确校准的专门设备的其他机构。这个过程昂贵并耗费时间。
发明内容
本发明的第一个目的通过一种校准系统实现，该校准系统包括:导管，其包括相对于流量传感器设置的第一端部；气体源，用于将校准气体以可重复的质量流量引入所述导管中，所述导管将至少一部分的所述校准气体引导至所述流量传感器上；以及计算装置，用于基于从所述流量传感器获得的测量值来确定所述校准气体的估算流速。管和气体源将校准气体以可重复的质量流量注入管中。在校准工作过程中，导管将至少一部分的校准气体引导至流量传感器上。计算装置用于基于从所述流量传感器获得的测量值来计算校准气体的估算流速。根据本发明提出，校准系统还包括:外壳，其可连接至可包含有流动气体介质的结构；以及其中所述外壳大小设计为可滑动地容纳其上连接有所述流量传感器的探测器，所述导管允许所述流量传感器在流速测量过程中伸入所述流动气体介质内，允许所述流量传感器在校准过程中被收回至所述外壳中。根据本发明进一步提出，所述流量传感器包括一体化的以分时方式工作的主动/参考传感器元件，所述一体化的主动/参考传感器元件在预定时期内是加热的主动传感器，所述一体化的主动/参考传感器元件在被允许冷却之后，用作基本上不加热的参考传感器。优选的是，所述流量传感器包括与单独的加热器元件一起工作的主动传感器元件，以及参考传感器元件。进一步优选的是，所述流量传感器包括主动传感器元件和参考传感器元件。有利的是，所述导管的所述第一端部位于可使得仅将所述校准气体引导至所述主动传感器元件上的位置。可选的是，所述导管的所述第一端部位于可使得将所述校准气体同时引导至所述主动传感器元件和所述参考传感器元件上的位置。进一步可选的是，所述导管包括第二端部，其中所述导管的所述第一端部位于将所述校准气体引导至所述主动传感器元件上的位置，以及其中所述导管的所述第二端部位于将所述校准气体引导至所述参考传感器元件上的位置。根据本发明提出，所述流量传感器包括热散逸传感器。此外，所述流量传感器包括热线风速仪。有利的是，流量传感器是从包括热散逸传感器、热线风速仪、多普勒传感器、以及涡街流量计的组中选择的一种传感器。根据本发明进一步提出，导管的所述第一端部是圆锥形。根据本发明提出，所述导管的所述第一端部包括限定于所述导管的至少一部分内的多个孔。根据本发明进一步提出，所述导管的至少一部分被包含于探测器内，所述探测器具有连接至其上的所述流量传感器。根据本发明进一步提出，所述导管外置于探测器的外侧，所述探测器具有连接至其上的所述流量传感器。本发明的另一个目的通过一种校准方法实现，该校准方法包括:将校准气体引入相对于流量传感器设置的校准气体管中；将所述校准气体以可重复的质量流量引导至所述流量传感器上；获取来自于所述流量传感器的输出；以及基于来自于所述流量传感器的所述输出来确定所述校准气体的估算流速。根据本发明提出，根据本发明的方法还包括基于所述校准气体的所述估算流速和所述校准气体的已知流速来计算流速误差。根据本发明进一步提出，在计算了所述流速误差之后，所述方法还包括:将所述流量传感器引入包含有流动气体介质的导管中；以及通过测量从所述流量传感器获得的输出以及补偿所述流速误差来确定所述流动气体介质的实际流速。优选的是，根据本发明的方法还包括:将校准气体以多种不同的质量流速引导至所述流量传感器上；从所述流量传感器获取在所述多种不同的质量流速中的每种流速下的输出；以及基于来自于所述流量传感器的所述多个输出来确定所述校准气体的多个估算流速。优选的是,所述方法是自动地启动。本发明的另一个目的通过一种校准系统实现，该校准系统包括:导管，其包括相对于补偿气体特性传感器设置的端部，所述补偿气体特性传感器安装于探测器的非流动室内；气体源，用于将校准气体引入所述导管中，所述导管将至少一部分的所述校准气体引导至所述气体特性传感器上；以及计算装置，用于基于从所述气体特性传感器获得的测量值来确定所述校准气体的热传递。本发明的又一目的通过一种校准系统实现，该校准系统包括:用于将校准气体引入相对于流量传感器设置的校准气体管中的装置；用于将所述校准气体以可重复的质量流量引导至所述流量传感器上的装置；用于获取来自于所述流量传感器的输出的装置；以及用于基于来自于所述流量传感器的所述输出来确定所述校准气体的估算流速的装置。本发明的最后一个目的通过一种用于在导管中的流动介质的流量计，包括:探测器，适合于伸入到在所述导管中流动的所述介质中；流量传感器，其与所述探测器接触，并适合于提供与所述介质的流速相关的输出信号；管，其包括相对于所述流量传感器设置的第一端部；气体源，用于将校准气体以可重复的质量流量引入所述管中，所述管将至少一部分的所述校准气体引导至所述流量传感器上；以及计算装置，其用于当所述流量计以流动气体介质工作模式工作时确定所述介质的流速，其中，所述计算装置当所述流量计以校准模式工作时，还基于从所述流量传感器获得的测量值来确定所述校准气体的估算流速。
以下结合附图详细描述优选实施例，本发明的上述和其它的目的、特点以及其它优点得到更好的理解，其中:图1是根据本发明的一个实施例的包含流量及气体特性传感器的流量计探测器的侧视图；图2示出了在导管内的图1的流量计探测器的典型实施例；图3是示出了根据本发明的一个实施例在图1的流量计探测器的中间井(mid-well)部分中包含的各种部件的更详细的装配放大剖视图；图4是示出了图1的流量计探测器的热流量传感器部分的更详细的剖视图；图5是示出了可耦合至流量传感器及气体特性传感器的基本电路部件的简化实施例方框图；图6是示出了 △ R与流量传感器及气体特性传感器的相应输出之间的关系的具体实例的曲线图；图7是示出了相对于基准气体混合物的变成分气体混合物的典型流速的曲线图；图8A和图SB是示出了相对于基准气体混合物的变成分气体混合物的可能流速误差率的曲线图；图9是示出了用于校准流量计的操作的流程图；图10是配置有校准和压力传感能力的流量计探测器的侧视图；图11是配置有校准和压力传感能力的流量计探测器的侧视图；图12是配置有校准能力的流量计探测器的侧视图13是配置有单一元件的流量传感器的流量计探测器的侧视图；图14是配置有三个限定了流量传感器的探测器的流量计探测器的侧视图；图15是在探测器开口内配有主动和参考传感器的流量计探测器的侧视图；图16-18示出了各种校准管设计；图19-21示出了用于校准管的端部的各种设计；图22示出了在导管内的图12的流量计探测器的典型实施例；以及图23示出了从导管中缩回并进行校准过程的图22的流量计探测器。
具体实施例方式以下参照附图进行说明，该附图构成了本文的一部分并示出了本发明的具体实施例。对于本领域的技术人员而言，应该明白的是，也可以采用其他实施例，并且也可以在结构方面、电方面、以及程度方面变化，而这些都不脱离本发明的范围。参照图1，图中示出了根据本发明的一个实施例的探测器10的侧视图。探测器10包括热流量传感器15和气体特性传感器20。流量传感器可通过使用一对热装置例如电阻式温度检测器(RTD)来实现。在该图中，流量传感器包括其中一个是加热的并且是主动(active)传感器元件25的RTD，而另一个RTD是相当程度上或基本上不加热的传感器元件30。在典型的装置中，气体混合物流经导管或其他环境中的传感器15的主动元件和参考元件，从而与参考传感器元件的热散逸相比较使得热从主动传感器散逸出。典型流速范围为约1.5至300标准英尺每秒(SFPS)。温差(AT)的变化被反映为微分电阻(Λ R)(differential resistance)的变化。ΔΤ或Δ R值可与例如导管中气体混合物的瞬时流速相关。利用AR计算流速是用于计算流速的许多可行技术中的一种。以下将详细描述其他的技术。类似于流量传感器15，气体特性传感器20 (虚线所示)包括主动RTD传感器元件35及参考RTD传感器元件40。如图中所示这些元件被包含在中间井45内，并位于近端探测器元件50和远端探测器元件55之间。在操作过程中，气体混合物流入中间井的非流动室中，与暴露的主动传感器元件35及参考传感器元件40接触。微分电阻反映了气体混合物在中间井中的热传递。微分电阻(AR)的变化可与气体混合物的热传递中的变化相关，并因此与气体混合物的气体构成中的变化相关。上述示范性描述一般假定主动传感器元件及参考传感器元件是基于热微分的，主要的实例是RTD。然而，也可使用其他基于热的传感器包括热电偶、热电堆、热敏电阻、晶体
管、二极管等。根据一些实施例，探测器10具有两种主要操作模式。在第一种模式中，探测器测量例如在气体导管等结构内流动的气体介质的流速。正如本文中所详细描述的，可基于从流量传感器15和气体特性传感器20获得的测量值来计算流速。在第二种操作模式中，对探测器进行校准过程，以检查和如有必要的话修正从流量传感器或气体特性传感器、或这两个传感器获得的测量值。该校准过程可通过用户手动进行，或者该过程也可周期性地或在预定时间自动地发生。关于校准模式的操作，所示探测器10设置有校准检验能力。特别地，该探测器包括校准管66，其从该校准管的开口端发出校准气体77。校准功能使用户可检查相关传感器例如流量传感器15或气体特性传感器20的功能。已经描述了利用校准管传输校准气体各种实施例的，然而也可选择使用以可重复的物质流传输校准气体的任何结构(例如，管道、导管等)。还需要注意的是校准部件是任选的。图2示出了设置在导管65的壁60中的探测器10的典型实施例。在使用当中，气体特性传感器20利用了不同构成的气体具有不同程度的热传递的原理。考虑例如气体混合物以恒定的速率流过导管的情况。如果该气体混合物的成分变化，那么气体混合物的热传递也同样发生变化。热传递中的变化影响流量传感器的主动传感器的热散逸率,并因而影响流速。这意味着，实际流速可能是恒定的，但是气体构成中的变化将被反映为流速中的变化。该实际流速与测量流速之间的差值可称之为流速误差。对于任何流速误差，即使气体混合物的实际流速保持恒定，测得的流速也可能变化(变高或变低)。例如，随着气体混合物的热传递上升，测得的(非实际的)流速将上升。相反地，随着气体混合物的热传递下降，测得的流速将下降。对于由气体混合物的物理特性的改变所导致的流速误差的修正可通过补偿气体混合物的热传递来实现。即，如果可确定出气体混合物的热传递，则可获得该气体混合物的更精确的流速。对流速误差的修正在可变的混合气成分测量应用中将很重要。在一个实施例中，气体特性传感器20设置为静态井(a still well)，以检测在导管中流动的气体介质的热传递，该气体特性传感器还用于与流量传感器15配合。在操作当中，流量传感器测量导管65中的气体混合物的流速，而气体特性传感器测量气体的热传递。如此处将详细描述的那样，有必要调整测得的流速，以补偿气体混合物的热传递中的任何变化。如图所示，探测器10与外壳79相连接，该外壳包括可选校准气体源81。校准气体源通过适当的导管例如管66来提供校准气体77。校准气体可以是对于探测器10操作的过程而言是可接受的任何可重复的气体或气体混合物。适合的校准气体的实例包括空气、氮气、和甲烧等。根据一个实施例，校准气体77以可重复的质量流速从管66中释放，并被引导至主动传感器25及参考传感器30的一部分之上。主动传感器及参考传感器的输出产生可用于估算校准气体流速的数据。可通过比较校准气体的估算流速与实际流速来确定该传感器的精度。术语“流速误差”可用于指校准气体的估算流速与实际流速之间的差值。正常工作的流量计可以是流速误差处于某可接受精度范围的(例如，流速误差为0.0 %到3 % )中的一个流量计。如果需要的话，作为校准过程的一部分，校准气体源还可设置为以多个不同的流速操作。每个流速与特定的传感器输出相关联。利用该技术，可通过两种或两种以上的不同速度激励主动传感器元件及参考传感器元件，接着确定校准气体在这些不同速度时的流速误差，来实现流量计的校准。校准过程的步骤如下所述:首先，自动启动或由用户启动校准气体源81，以提供5PSI的合适的校准气体77，例如可测得流量传感器15的输出以确定出AR。如果测得的AR值处于期望AR值的某预定范围内，则认为传感器操作正常。该校准程序可重复用于在特定应用中是合适的气体压力范围内(例如10PS1、50PS1、100PSI或者其他需要的值)。
图1和图2示出了校准气体77同时冲击主动传感器25和参考传感器30，但是这并不是必要条件。也可选择仅将校准气体引导至主动传感器以获得足够精确的校准测量值。如果在校准过程中仅使用主动传感器，则可通过减少校准气体与主动传感器的温度差值来优化校准过程的精度。如果将这些部件的温差减少至例如约O T至约3 T，则可获得非常精确的结果。可利用多种不同技术来校准流量计。通常，仅当流量计不有效的地测量导管中流动的气体介质时才将流量计进行校准。例如，可通过暂时停止导管65内的气体流并接着给流量计加入校准气体，来现场校准流量计。另一种替换方式是，可通过来自于导管的第一可移动探测器10启动场校准技术，并随后执行校准过程。场校准技术不要求停止导管内的气体流。另一可行的校准技术是利用外壳或其他装置进行校准，对于这些装置，探测器10可暂时地从流动气体介质中移除。该技术也不要求停止导管内的气体流,下面将结合图22和图23进行更详细地描述。这里所披露的校准功能的一个优点在于不需要为了检测目的而将额外的元件暂时连接至流量计。另外，该流量计不要求通常是现有技术装置的一个方面的任何元件的拆卸。可在几分钟之内将流量计现场校准，这相对于现有装置而言是一个巨大的进步，因为现有装置在远程检测设备上进行校准时候要求数天或数周的时间。图3是示出了根据本发明的一个实施例的在流量计探测器的中间井部分内包含的各种部件的更详细的组装剖视图。所示中间井45具有侧板85和87，以将其内部相对于探测器的其他部分而密封。为了确保流动不是影响传感器元件35和40的因素，下游孔80允许气体进入非流动室75。这些气体孔允许足够量的气体进入非流动室，并且结合挡板90与主动传感器35及参考传感器40接触。通常，中间井配有一个或多个孔，但也可有其他设计。为了优化由气体特性传感器20进行的热传递测量，期望将非流动室内的气体的流速最小化。这些图中示出的中间井构造的本质在于允许主动传感器和参考传感器对静止的或“非流动”环境中的流动气体进行采样。挡板90通常用于进一步减少在该室内的气体流速。在中间井内形成的非流动环境的特定设计并不是关键的或必须的，也可采用允许传感器20进行足够精确的热传递测量的任何其他合适的设计。图4是详细地示出了热流量传感器15的剖视图。合适的装置(例如基板105)可用于将主动传感器25和参考传感器30连接至远端元件。如图所示，远端元件55具有腔110，其可用于将传感器连接至电路所需的导线弓I入。图5是示出了可连接至流量传感器15和气体特性传感器20的基本电路部件的简化方框图的实例。参考图1和图2中所示的探测器部件来描述该图。然而，此处所作的描述同样应用于例如后面的图中所示的其他探测器构造中。图5中所示的一些或所有非传感器元件的部件可位于外壳79内，其通常紧邻导管65的外面。可选地，一些或所有这些部件可位于中间、远端、某一位置(location)。如图所示，电源120向流量计提供必要的功率，而信号调节器125则用于转换为该流量计中不同部件可能需要的功率级别和信号形式。在使用当中，由流动传感器15及气体特性传感器20生成的信号输出被引导至信号调节器，最终到达信号处理器130。利用众多公知技术中的任何一种公知技术，信号处理器基于流量传感器的输出来确定流速，以及基于气体特性传感器的输出来确定流动气体的热传递。根据一个实施例，信号处理器还为流动气体混合物的热传递的任何变化提供补偿流速。下面将根据图6-9更详细地描述该特征。电源可向流量计提供信号调节器所确定的任何合适的功率级别和形式。通常，向功率传感器15及热传感器20提供可变的20-42伏特直流电(VDC)，向数字逻辑电路提供稳压电源5VDC。5VDC是通用标准，但是可根据要求或依期望来修正提供给流量计部件的功率。电源本身可供给115或230伏特交流电(VAC)或24伏特VDC。可采用大量的技术中的任何一种技术来控制流量传感器15，以确定流速，以及控制气体特性传感器20来确定流动气体的热传递。例如，一种技术是将信号调节器125配置为将20-42VDC转换成0.5mA的恒定电流，以激励参考传感器30和40，以及转换成20mA以加热主动传感器25和35。在操作当中，关于流量传感器，信号调节器检测传感器25和30的电压，以确定电压差(AV)。AV是由具有恒定电流的电阻变化(AR)所导致，其与AT成正比，这提供了根据公知技术的用于计算所涉及介质流速的根据。信号调节器以类似的方式检测传感器35和40上的电压，以确定该特定传感器的AR，从而提供了用于计算气体的热传递的根据。20mA的加热电流仅仅是一个实例，可以采用任何可产生期望结果的激励。另一种技术是，使信号调节器125相对于主动传感器25及参考传感器30作为恒定功率源来运行，其中提供给这些传感器的电流以及施加在这些传感器上的电压可以变化。在这种配置中，信号调节器通常包括乘法电路，其监测各传感器的功率(VxI )，并保持该功率恒定。提供给这些传感器的电流的变化以及施加在这些主动传感器上的电压的变化都与电阻变化(AR)有关(并进而和温度变化(AT)有关)，并因而用于计算介质的流速。可类似地控制主动传感器35及参考传感器40，以使提供给这些传感器的电流的变化和施加在这些传感器上的电压的变化都与AR和AT有关，用于确定热传递。用于获得必要的测量值的另一可能性是保持主动RTD和参考RTD的温差AT恒定。根据该方案，功率作为流速或热传递的函数而变化。即，随着流速增大(或者热传递增大)，必须向加热的RTD传感器提供额外的功率，以保持温度恒定。在该技术中，信号调节器保持恒定的AT。由于RTD的电阻与温度的关系是恒定的，所以AR也是恒定的。为了保持AT或AR恒定，可监测AV和ΛΙ，或Λ功率(Apower),以提供用于计算流速的根据，或者如果是气体特性传感器，则提供用于计算热传递的根据。可利用任何特定的过程温度作为保持恒定温度差所需要的功率的函数来实现这些计算。另外一种可替换方案是，可保持电压恒定，该方案与上述保持恒定电流方案相反。当AV保持恒定时，则电流随着温度变化而变化。Λ I提供了用于确定流速(传感器15)或热传递(传感器20)的根据。上述用于确定流动气体的流速，以及用于测量流动气体的非流动样本的热传递的方法，对于热传感器技术领域的一般技术人员而言是公知的。无论是将传感器25、30、35、和40作为恒定电流、恒定功率、恒定温差(differential temperature)、或者恒定电压来操作，都可使得传感器的作用相反(叠倒)，向充当过参考传感器的传感器提供加热激励，向充当过主动传感器的传感器提供非加热激励。流量传感器和气体特性传感器通常使用相同的技术，但这并不是必要条件，如有要求的话，也可以采用不同的测量技术。如上所述，通常给流速及气体特性传感器分别配置两个不同的传感器:主动传感器以及参考传感器。然而，也可以采用其他的配置。例如，单一元件的传感器可以分时方式来运行，其中在预定的短期间中，将其用作加热传感器。接着，允许将传感器冷却(通常为20-40秒)，以用作基本不加热的参考传感器。接着可得到参考测量值，并且如有必要或者有要求，可持续地或周期性地重复加热一冷却周期。图13中示出了一个单一元件的传感器的实例。仍然参照图5，可利用计算装置例如微处理器、硬连线状态机、数字信号处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、嵌入式处理器、或任何其他合适的控制或处理装置来实现信号处理器130。信号处理器通常配有合适的存储器135，用于处理、记录、以及储存与流量计的操作有关的数据。可利用任何类型的合适的易失和非易失存储器或存储装置，包括随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPR0M)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、磁性存储器、闪速存储器、磁盘或光盘、或其他类似的存储器或数据存储装置，来实现存储器装置。信号处理器的一个功能是从流量传感器15的输出来计算气体介质的初始的非修正的流速，以及从气体特性传感器20的输出来计算气体的非流动样本的热传递。信号处理器根据该非修正流速进一步提供了气体介质的修正流速，作为对气体的热传递中的任何变化的补偿。信号处理器还可用 于执行本文所提出的各种校准技术。而且，可基于AR、AT、Al、Λ V、或任何其他合适的测量技术来确定初始的未修正的流速和热传递。可将用于流量计的操作的指令通过合适的输入装置例如键盘140而提供给信号处理器。来自流量计的本地输出可显示于显示装置145上，该显示器可以是CRT、IXD、LED屏幕、或打印机、或其他显示装置。如有要求，可通过并行或串行接口 150提供额外的输出，其可驱动外部操作例如用于该仪表或用于对该监测过程修正的控制。输出驱动器155可用于驱动外部指示器例如附加显示器、打印机、或光警示或声音警示。根据一种操作模式，对在导管65中流动的气体介质的流速的测量可如下进行。图1、图2、和图5中的流量计以恒定电流激励主动RTD传感器25，以将其加热到预定的温度，并用非常小的恒定电流激励或启动参考RTD传感器30，但是不将其温度升高至相当大的程度。同时，以类似方式激励气体特性传感器20的主动RTD传感器35及参考RTD传感器40。当气体混合物流经流量传感器15的主动传感器25及参考传感器30时，热量将从主动传感器25散逸，并且温差将减小。温差(AT)的变化将反映为微分电阻(AR)的变化。信号处理器130将任何时刻的△ R解释为在导管65中流动的气体介质的特定流速，然后流量计提供合适的输出。当AR减小时，流量计示出了流速的增大，这是因为相对于非加热参考传感器，更容易通过气体介质从加热主动传感器中散热。图6中的曲线215、220、以及225示出了与Λ R值相关的流速的一个实例。可用类似于用于测量在导管65中流动的气体介质的方式来测量校准气体77在校准过程中的流速。例如，信号处理器130可将任何时刻的△ R解释为校准气体77的特定流速。计算的流速通常非常精确。然而，当气体混合物的构成变化时，计算的流速可能会包括相当大程度的误差。这些误差的一个原因是流经流量传感器15的气体混合物的导热性或热传递的变化。火炬气流是经历了气体构成的可变化混合的一个实例。例如，典型火炬气流可包括不稳定的碳氢化合物气体的混合物，其中包括甲烷、丁烷、乙烷、以及戊烷等。还可存在例如氧气、氮气、二氧化碳、硫化氢、氢气、以及丙稀的气体。根据本发明的一个实施例，气体特性传感器20的输出可用于补偿初始测量的流速的任何不精确性。例如，当可检测量的流动气体混合物进入中间井75的非流动室，气体特性传感器20的主动传感器35及参考传感器40就暴露于该气体混合物中。类似于流量传感器，热量会从主动传感器35散逸，并且温差会由于该气体混合物的热传递而减小。温差(AT)的变化再次被反映为微分电阻(AR)的变化。由于气体特性传感器位于非流动环境内，所以AR数据与气体混合物的热传递相关，而与流速无关。在气体混合物的热传递增大的情况下，AR会经历相应的减小。相反地，随着气体混合物的热传递减�。峒觳獾健� R相应的增大。应该注意，在通常的校准过程当中，由校准气体源81提供的校准气体在校准处理整个过程中保持相同或基本相同。由此，由于校准气体混合物中没有变化，所以在通常的校准处理过程中不需要气体特性传感器20。如有要求，如下面的图中更详细描述的那样，可另外配置包括压力传感器315的流量计。图6是示出了 Λ R与流量传感器15及气体特性传感器20的相应输出之间的关系的具体实例的曲线图。靠近该图的顶部是与气体特性传感器所产生的输出有关的三条线的图。线200表示从100%丙烷的气体混合物获得的读数，在此实例中该气体用作基准气体。线205和210表示分别从95%丙烷与5%氢气的气体混合物，以及从85%丙烷与15%氢气的气体混合物获得的读数。如图所示，各特定气体混合物的AR保持基本不受流速的影响。这是因为气体特性传感器在非流动环境中获得这些测量值的缘故。随着用逐渐增多的氢气代替100%丙烷的混合物，由于其中的氢气呈现相对较高程度地导热性或热传递性，AR自然地减�。韵�205和210的AR值小于线200的值。一种描述该关系的方式是相对于基准气体混合物例如丙烷而将特定气体化合物与AR值关联。 流动曲线215表示从100%丙烷的流动气体混合物的流量传感器15获得的读数，而流动曲线220和225是分别从95%丙烷与5%氢气的气体混合物，以及从85%丙烷与15%氢气的气体混合物获得的读数。图中的曲线与线可如下相关联:线200与曲线215 ;线205与曲线220 ;以及线210与曲线225。如上所述，Λ R值的减小与流速的增加相关。各种流动曲线容易地示出了随着气体混合物成分的改变，Λ R值也同样地改变，并且相应地这些气体的流速读数也发生改变。常规传感器不容易补偿气体成分变化，因而在流速计算中的会容易产生误差。用于克服可变混合气成分的一种流速测量误差的技术是采用用于校准流量传感器的典型气体混合物。然而，如图7所示，由于当测得的气体混合物偏离基准混合物时，可能在计算的流速中的发生误差，所以这并不总是可行的解决方案。图7是示出了相对于基准气体混合物，具有变化成分的气体混合物的流速的曲线图。在此图中，X轴表示给定流速的100%丙烷的基准气体混合物，而Y轴表示基准气体与两种单独的气体混合物之间的相对差别。流动曲线240Α反映从95%丙烷与5%氢气的气体混合物获得的误差值，而流动曲线245Α反映从85%丙烷与15%氢气的气体混合物获得的误差值。该曲线图示出了每当气体成分由100%的基准成分变化时在计算的流速中可能发生的大致误差。根据一个实施例，气体特性传感器20适合于检测相对于基准气体的热传递的变化。流动气体的热传递中的变化再一次影响了测得的流速的精确度。因此，如果检测到热传递中的变化，则调节测得的流速，以补偿该变化。图7中还示出了修正的流速的实例。特别地，流动曲线240B表示95%丙烷与5%氢气的气体混合物计算的流速的修正值，而流动曲线245B表示85%丙烷与15%氢气的气体混合物计算的流速修正值。图7示出了如何补偿气体混合物的热传递中的变化的一个实例，其大大地提高了流速的计算的精确度。此处使用了 100%丙烷作为基准气体，作为可用于校准流量计的可接受气体的一个实例，但是也可使用任何其他合适的气体或气体混合物成分作为基准气体。通常选择基准气体混合物来表示要特殊应用的气体成分，但不要求单一气体成分。图8A和图8B是示出了具有不同成分的气体混合物相对于基准气体混合物的可能流动误差率的曲线图。例如，图8A示出了使用流量传感器15从各种气体混合物获得的原始的未修正的流速数据，而图8B示出了在补偿了如由气体特性传感器20所测量的气体混合物的热传递中的变化之后的修正的流速数据。在这些曲线图中，曲线250表示从包括70% N2UO% C4H10,6% CH4,以及14% CO2的基准气体混合物获得的流速读数。曲线255表示从包括50% CH4和50% N2的气体混合物获得的读数，而曲线260表示从包括50% CO2和50% N2的基准气体混合物获得的读数。图8A示出了每当测得的气体混合物偏离基准成分时，由流量传感器15生成的初始流速经历了相当大的误差。图8B提供了一个实例，可相对于基准混合物，通过补偿气体混合物的热传递中的变化来实现初始流动值的修正值。在该特定实例中，原始的流动误差率约为10-20%(图8A)，随后将其修正为平均值为几个百分比的误差率(图SB)。图9是表示根据本发明的一个实施例用于校准流量计的操作流程图。在方框270处，将校准气体引入相对于质量流量传感器设置的校准气体管中。在方框272处，将校准气体以可重复的质量流量引导至质量流量传感器上。在方框274处，从质量流量传感器获得输出。接着，基于来自质量流量传感器的输出确定校准气体的估算流速(方框276)。如有要求，可基于校准气体的实际流速和校准气体的估算流速来计算估算流速的误差(方框278)。可以各种不同的方式来使用从本文所公开的各种校准技术获得的信息。例如，可将估算流速的误差用作偏差量或补偿值部分，以使校准传感器的进一步测量值补偿测得的误差。可将该偏差量储存于本地存储器中，或者用户可利用该信息来手动地校准流量计。应该明白的是，本领域的技术人员已经熟知了本文所给出的各种技术的细节，在这些技术中，流量计应用了不同校准过程中获得的信息，因此不需要对此进一步描述。图9中所示的方法可利用例如本文中所描述的各种流量计结构中的任何一种来实现。下面将通过图解的方式描述本发明的另外的实施例，这些实施例具有可选的校准检查或检验能力、压力检测装置、以及不同的流量传感器结构。图10是在很多方面都类似于探测器10 (图1和图2)的探测器300的侧视图。二者的主要区别在于，探测器300配有压力传感器315，该压力传感器与管66相通。每当要求流动气体介质的压力读数时，就可应用压力传感器315。通常压力读数范围为约l-500psig (磅每平方英寸)。如图所示，压力传感器与终止于探测器的远端并靠近流量传感器15的管66连接。在操作当中，随着气体混合物流经导管，气体混合物的压力也会存在于通过压力传感器来测量该压力的管中。可将表示导管中的流动气体的压力的信号输出传递至信号处理器130 (图5)。当然，校准功能和压力传感器功能相互独立，并可用在管66的远端的合适的阀来分开。合适的阀机构还可用于防止流动气体混合物进入校准气体源310。由于气体特性传感器20位于非流动室中，所以其对压力敏感。因此，气体特性传感器的精确度可能随着压力偏离校准压力而减小。为了补偿该与非精确性相联系的压力，可基于由压力传感器生成的压力读数来修正由气体特性传感器生成的信号。图11是探测器350的侧视图。在此实施例中，管66终止于中间井45的非流动室，并靠近气体特性传感器20的主动传感器及参考传感器。可选的压力传感器315从进入中间井的非流动室的气体获取流动气体介质的压力读数。用于探测器350的校准过程与其他实施例稍有变化。在该实施例中，校准气体源81向气体特性传感器20的主动及参考传感器提供校准气体。与质量流量传感器15形成对比的是，气体特性传感器提供与接触该传感器的气体混合物的估算热传递有关的输出。在校准过程中，将校准气体引导至气体特性传感器上。接着，基于气体特性传感器的输出确定校准气体的估算热传递。如有要求，可基于校准气体的实际或预期热传递与该气体的估算热传递之间的差来计算校准气体的估算热传递的误差。如上所述，可利用以多种不同流速引导至流量传感器上的校准气体来实现流量传感器15的校准。相反地，可利用多种不同的气体混合物来校准气体特性传感器20，其中每一种气体混合物均具有不同的热传递特性。尽管图10和图11中所示的校准气体源和压力传感器共用一公共管，但这并不示必要的。如有要求，这些装置中的各个装置可独立地配有单独的管。如图所示，探测器300和350都具有校准功能和压力传感器，但也存在省略校准气体源81或压力传感器315的其他可能性。根据另一可选实施例，探测器300和350的某些方面可以合并。例如，探测器可配有校准气体源81，该气体源具有一个终止于热流量传感器15 (图10)附近和终止于气体特性传感器20 (图11)附近的单独管。该实施例允许热流量传感器与气体特性传感器同时校准。如图所示，流量传感器及气体特性传感器相当地靠近外壳79中的流量计控制器和电子装置。然而，同样可能的是，流量计的任何或所有元件可位于相对于导管和传感器或其他与流动介质具有作用关系的其他信号发生元件的远距离位置。由各种传感器部件生成的信号可通过导线连接或这些部件可无线地耦合。常规的信号和电源线未示出，但将通过探测器，从外壳79引至传感器元件。在其中具有探测器的管的实施例中，导线可容纳于管内。除了上述实施例以外，还可以是具有校准功能的多个不同类型的流量计。例如，图12示出了包括流量传感器15的探测器360的侧视图。应该注意，探测器360不具有气体特性传感器。在图13中，探测器370配置有单一元件的流量传感器372，其有效地提供了类似于可由流量传感器15获得的测量值。例如，传感器372可以分时方式操作，其中，其在预定的短时期内用作加热传感器。接着，该传感器允许被冷却(通常为20-40秒)以用作基本上不加热的参考传感器。接着可实现参考测量，如必要或者有要求的话，可持续地或周期性地重复加热一冷却周期。当流量传感器372处于加热一冷却周期的加热部分中时，可进行校准测量。如有要求的话，还可当流量传感器372处于加热一冷却周期的冷却部分中时，进行校准测量。在图13的实施例中，管66的露出端相对于流量传感器372大致弯成直角。该设置相比较于例如图12的实施例，使校准气体77更集中地冲击流量传感器。当将探测器370插入导管65中时，管66的开口端可最佳地被导向在导管中流动的气体介质的下游。该设置有助于防止微粒以及其他类型的异物进入管中。在图14中，探测器380配有三个限定了流量传感器381的探测器。在该实施例中，加热元件382在主动传感器383和参考传感器384之外。从操作过程中，加热元件382通过对流或传导装置热耦合至主动传感器。参考传感器不由加热元件加热。流量传感器381有效地提供了类似于由流量传感器15获得的流速测量值。图15是在开口 401内包括主动传感器30和参考传感器25的探测器400的侧视图。主动传感器和参考传感器测量流过开口的介质的流速。在此实施例中，管66具有两个均发出校准气体77的孔。第一孔将校准气体引导至参考传感器30上，第二孔将校准气体引导至主动传感器25上。如上所述，可选地，不用向参考传感器施加校准气体就可实现校准处理。在这样的实施例中，对于管66而言，不必包括向参考传感器30提供校准气体的第一孑U图12-15中所示的流量传感器部件的特定设置并不是关键的或必须的，还可使用公知的流量传感器技术。美国专利第5，600，528号和第5，780，737号中提供了这些技术的实例，这两个专利都是转让给Fluid Components International of SanMarcos, California。如有要求，图12-15中的任何一个探测器实施例还可包括气体特性传感器20并利用气体特性传感器20起作用。通常，本文所披露的流量计可应用具有各种不同外形和配置的校准管。在很多情况下，应用特定类型的校准管并不是关键的，只要该管可将校准气体77的可重复的质量流量输送至合适的一个或多个流量传感器即可。图16-21示出了各种校准管结构，其可用于与本文所披露的任何一种流量传感器和气体特性传感器连接。类似于图13，图16所示管66的露出端相对于主动传感器25大致弯成直角。该设置使校准气体77更集中地被引导至主动传感器上。该设置通常用于校准气体的温度与主动传感器之间仅有较小的温差值的情况。在图17中，管66的露出端是T形的，并将校准气体77同时引导至主动传感器25及参考传感器30上。有多个实施例示出了管66伸入相关的探测器内，但这并不是一个必要条件，校准管也可安装于外面，从而将其连接至探测器的外面或连接至任何其他合适的结构。图18中示出了该实施例的一个例子。如该图中所示，该管的终端部分相对于主动传感器25大致弯成直角。如有要求，可选地，可将该管定位于使校准气体77同时冲击主动传感器25及参考传感器30的位置。图19-21示出了用于校准管66的端部的各种可选设计。该可选的管结构可用于实现本文所披露的任何一个校准实施例。
在图19中，该管具有向外突起端450。该设置引导校准气体至相对较广的区域。相反地，图20所示管66具有比管的主体更狭小的端部455。该设计使得校准气体气流更集中。图21示出了在管的端部形成有多个穿孔或孔460的校准管。这些孔可仅形成于管的露出部的一部分上，从而仅使主动传感器暴露给校准气体。可选地，这些孔可形成于管的整个外围上，以允许校准气体同时冲击到主动和参考传感器上。应该注意，通过从包含流动气体介质的导管中收回探测器和有关的传感器，可对流量计进行现场校准。根据一个实施例，图22示出了可操作地连接至外壳470的探测器360。将探测器定位于导管65的内部之内使得流量传感器15可测量在导管内流动的气体介质的流速。图22示出了流量计的正常操作状态。一定程度上，可能必须或者期望校准探测器。参照图23，可通过将探测器360从导管65的内部中取出来启动校准过程。在流量传感器15容纳于限定于外壳470内的腔中之后，可通过将校准气体77引导至流量传感器上来校准流量传感器。可利用任何一种上述校准技术来进行流量传感器的校准。通常，流入导管内的气体介质的一部分会移动至外壳470的腔内，并接触流量传感器。然而，这样的接触相对较小，不会显著影响校准过程的精确度。为了将流动气体介质的影响最小化，外壳470可选地可配有装置例如阀或滑板(未示出)，其有效地将流量传感器与在导管内流动的气体介质隔离。如图22所示，在完成校准处理之后，可将探测器重新放入导管65的内部。图22和图23中所示的校准技术可用于校准本文所描述的任何流量计。图22和图23中所示的校准过程可由用户手动地执行，或者该校准过程可以自动地启动和执行。上面已经描述了其中流量计适合于测量流动气体介质的各种实施例，其中该气体具有校准检验特性。然而，本公开的技术同样地可应用于其他类型的流量传感器。这样的传感器的实例其中包括热线风速仪、多普勒传感器、以及涡街流量计。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种校准系统,包括: 导管，其包括相对于流量传感器设置的第一端部； 气体源，用于将校准气体以可重复的质量流量引入所述导管中，所述导管将至少一部分的所述校准气体引导至所述流量传感器上；以及 计算装置，用于基于从所述流量传感器获得的测量值来确定所述校准气体的估算流速。
2.根据权利要求1所述的校准系统，所述系统还包括: 外壳，其可连接至可包含有流动气体介质的结构；以及 其中所述外壳大小设计为可滑动地容纳其上连接有所述流量传感器的探测器，所述导管允许所述流量传感器在流速测量过程中伸入所述流动气体介质内，允许所述流量传感器在校准过程中被收回至所述外壳中。
3.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述流量传感器包括一体化的以分时方式工作的主动/参考传感器元件，所述一体化的主动/参考传感器元件在预定时期内是加热的主动传感器，所述一体化的主动/参考传感器元件在被允许冷却之后，用作基本上不加热的参考传感器。
4.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述流量传感器包括与单独的加热器元件一起工作的主动传感器元件，以及参考传感器元件。
5.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述流量传感器包括主动传感器元件和参考传感器兀件。
6.根据权利要求5所述的校准系统，其中所述导管的所述第一端部位于可使得仅将所述校准气体引导至所述主动传感器元件上的位置。
7.根据权利要求5所述的校准系统，其中所述导管的所述第一端部位于可使得将所述校准气体同时引导至所述主动传感器元件和所述参考传感器元件上的位置。
8.根据权利要求5所述的校准系统，其中所述导管包括第二端部，其中所述导管的所述第一端部位于将所述校准气体引导至所述主动传感器元件上的位置，以及 其中所述导管的所述第二端部位于将所述校准气体引导至所述参考传感器元件上的位置。
9.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述流量传感器包括热散逸传感器。
10.根据权利要求1所述的校准系统，其中所述流量传感器包括热线风速仪。
全文摘要
一种流量计现场校准检验系统，包括管或其他导管、气体源、以及计算装置。管具有相对流量传感器设置的端部，并与气体源相通。管和气体源将校准气体以可重复的质量流量注入所述管中。在校准操作过程中，导管将至少一部分的校准气体引导至流量传感器上。所述计算装置用于基于从流量传感器获得的测量值来计算校准气体的估算流速。
文档编号G01F25/00GK103196522SQ20131005090
公开日2013年7月10日 申请日期2005年8月4日 优先权日2005年1月18日
发明者埃里克·J·威布尔 申请人:流体元件国际公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
