专利名称：在不参照粘度的情况下利用涡轮流量计测量通过它的流体流量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及涡轮流量计领域，尤其涉及用于利用容积式涡轮流量计测量通过该流量计的质量流量的方法和装置。
背景技术：
人们常常期望利用质量流量计，因为质量流量计提供通过用于一定应用的管道的每时间段数的重量。用于本发明中的术语“管道”指流体流过的任何管子，通道，导管等。
这种流量计的一个主要市场是需要具有用于其飞机的精确质量流量的飞机制造工业。这允许飞机承载包括适当安全余量的对于给定航班的最小重量的燃料。如果飞机承载大于该最小重量，则需要燃烧过多的燃料，以将过多重量运输到其目的地。因此，需要提供用于飞机制造业和其它应用的精确质量流量元件。
一种方法是利用两个不同的流量计测量质量流量。在一种布置中，对密度不敏感的容积式流量计与用于确定流体密度的密度敏感的计量器结合使用。一旦密度已知，利用从容积式流量计读取得容积流量结合密度通过相对简单的计算就得出质量流量。然而，这种结合仅仅限于在较窄范围的条件的有限次的应用，因为一种或其它种流量计还对诸如温度、粘度、和/或雷诺数的许多次要变量敏感。
涡轮流量计常常用作容积式流量计，但是这种流量计对被测量流体的粘度、温度、和雷诺数非常敏感。图1示出了标准涡轮流量计的标准相关曲线。所示曲线图示了流量计频率除以流体运动粘度是流量计频率除以容积流量的函数。如果涡轮流量计在变化的温度操作由此粘度变化，在不知道粘度的情况下不能确定流量。
应当注意，当涡轮流量计在给定的温度对于具体的流体操作时，只要涡轮流量计在这些相同的条件标定就不必知道粘度。本领域的技术人员认识到这种条件在实际中相当罕见。
在大多数情况下，温度变化，该变化又引起粘度变化，如图4中所示。这种变化不要求流量计系统能够在给定的温度确定给定流体的粘度。这常常是通过利用绘制对于具体流体的粘度与温度的关系的参考表完成。然而，任何给定批次的流体的实际粘度会与另一批次的相同的流体的粘度不同，足以否定图4中还示出的参考表的价值。
其它容积式流量计可以类似的方式使用，但是都具有与涡轮流量计相同的缺点。此外，许多其它类型的流量计不具有足够的精度，以与更好的质量测量装置竞争。
对于密度测量，具有许多被使用的流量计，包括诸如孔板的压差流量计和靶型流量计，但是它们都对温度、粘度和雷诺数敏感。此外，这种流量计由于流量敏感性是流量计产生的作用力信号的压差的平方根的函数而受到限制。
由于利用容积式流量计和密度计组合的问题的结果，多数当前的测量系统对于这种测量采用了直接质量流量测量计。这种流量计的一个例子是往往相当昂贵的科里奥利流量计。然而，当期望直接质量流量测量时，用户具有很少的选择。
另一个直接流量计采用一前一后的两个涡轮件，其中一个涡轮件采用直涡轮叶片，而第二个流量计利用了更传统的曲线设计。两个元件利用扭簧耦合。当质量流量增加时，扭矩作用在两个叶片之间引起移相。只要两个元件的转速是常数移相就是质量流量的函数。几种设计用于保持恒定的转速，包括同步电动机和离心加载叶片组。当通常用于燃料测量时，这些流量计不是非常精确并且相对昂贵。因此，需要更精确和廉价的测量质量流量的方法。
本发明满足这一需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的质量流量测量系统，该系统精确并且廉价。
本发明的进一步的目的和优点随着下面描述的进行将变得明显并且使本发明具有特点的新颖特征将在该申请中的形成说明书一部分的权利要求中具体指出。
下面将参照附图更容易地描述本发明，其中图1是描述用于涡轮流量计的典型通用粘度曲线的图形；图2示出了用于双转子涡轮流量计的典型斯德鲁哈尔数(StrouhalNumber)与Roshko数的相关曲线；图3示出了作为用于未修整的转子的Roshko数的函数的双转子涡轮流量计频率比值的曲线。
图4绘出了典型流体粘度与温度的关系曲线；图5利用频率比值绘出了斯德鲁哈尔数，其中每一个都作为用于未修整的双转子流量计的Roshko数的函数；图6绘出了作为已经被调节到非线性关系的流量计的Roshko数的函数的双转子涡轮流量计频率比值；图7绘出了用于被调节的非线性流量计的利用频率比值的斯德鲁哈尔数，其中每一个斯德鲁哈尔数曲线都作为已经被修整到非线性的双转子流量计的Roshko数的函数；图8示出了具有通常的上下限的流体密度与温度的关系曲线；图9示出了修整转子的技术；以及图10示出了质量流量计的组件。
具体实施例方式
本发明采用了美国专利No.5,689,071中描述的双转子涡轮流量计10，该美国专利No.5,689,071的名称为“宽范围、高精度流量计”，并且于1997年11月18日授予Ruffner和Olivier(本申请人)。该专利在这里通过参考并入并且在图10中示出。美国专利No.5,689,071描述了在单个外壳中两个反向旋转液力耦合的转子18、20的操作。尽管在许多方面象传统的涡轮流量计一样操作，但是该获得专利的流量计在其它方面具有优良的特性。具体地说，操作范围大大扩大。此外，通过监测两个转子18、20的输出频率，能够进行自我诊断。
如美国专利No.5,689,071所述，Roshko数和Strouhal数用于如下计算容积流量。每一个转子的Roshko数为Ro1＝f1/V*(1+2a(Top-Tref))Ro2＝f2/V*(1+2a(Top-Tref))其中f1＝转子1(18)的输出频率f2＝转子2(20)的输出频率v＝流体在Top的运动粘度a＝构成流量计主体的材料的线性膨胀系数，例如，300系列不锈钢Top＝从流量计的温度计16获得的操作温度Tref＝流量计的参考温度(可以是传统温度)。
组合Roshko数Roc定义为Roc＝(f1+f2)/V*(1+3a(Top-Tref))并且每一个转子的Srouhal数为St1＝f1/q*(1+3a(Top-Tref))St2＝f2/q*(1+3a(Top-Tref))其中q＝容积流量并且其它参数与前面相同。
组合Strouhal数Stc定义为Stc＝(f1+f2)/q*(1+3a(Top-Tref))或者作为选择，可以用频率平均值代替频率之和，频率平均值为上述给定值的一半。
Strouhal数和Roshko数之间的关系在流量计的标定期间通过导出图2中所示的曲线图而确定。如图2中所示，在1厘沱粘度15获取的转子1的数据形成连续曲线，其中转子1的数据在8.3厘沱粘度16获�。�1厘沱粘度19获取的转子2的数据形成连续曲线，其中转子2的数据在8.3厘沱粘度20获取。在1厘沱粘度17获取的平均组合的转子1和转子2的数据形成连续曲线，其中组合的转子1和转子2的数据在8.3厘沱粘度18获取。当利用该流量计时，Roshko数通过测量转子的频率、如下面详细所述确定运动粘度、测量操作温度、然后求解上面的等式而确定。
然后从图2中的标定曲线计算Strouhal数。对容积流量求解Strouhal数方程得q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))其中Stc＝组合Strouhal数(或平均值)对于双转子系统的典型Strouhal数与Roshko数的关系曲线与组合Strouhal数(Stc)曲线一起在图2中示出。请注意，这些曲线是非线性的，其中随着转子1的Roshko数(Ro1)降低转子1趋于具有下降的Strouhal数(St1)，而随着转子2的Roshko数(Ro2)在其大部分范围内增加转子2趋于具有增加的Strouhal数(St2)。在较低数值，两曲线均下降。上面的回顾表明很少或没有Roshko数范围，其中任意一个转子为非常线性的。然而，至少在较高的Roshko数组合(平均)Strouhal数(Stc)更线性。
应当注意，在不知道两个转子的频率(f1和f2)和流体的操作运动粘度(v)的情况下不可能直接确定Roshko数。当然，可以测量转子的频率(f1和f2)并且流体的运动粘度(v)作为操作温度(Top)的函数通常预先确定。从而，如果已知操作温度(Top)，则也知道运动粘度(v)。
如果流体是水，则粘度与温度的关系曲线可靠地从教科书或其它来源获得。纯水的粘度值即使与出版的温度/粘度图表不同，也不会差别很大。
然而，对于其它流体的粘度与温度的关系应当对每一批次使用的流体根据经验进行确定，例如包括喷气发动机燃料和汽油的碳氢化合物。该粘度/温度关系可能依诸如每一批次的产地、制造商和成分从一批到另一批变化极大。给定流体的粘度从一批到另一批在恒定的温度变化差不多±10％是相当普遍的，如图4中图示，该图绘制了上下限为24的教科书中的数据25。由于Strouhal数与Roshlo数的关系曲线是非线性的，这种±10％的变化对于给定的输出频率(f)能够引起Strouhal数的显著变化。如果用于计算的粘度误差该数量，则计算的容积流量也将不精确。因此，这种变化常常使教科书或出版的图表数25是不可行的粘度来源。然而，对于每一批次的流体获取温度/粘度曲线常常是不实际或至少非常费力。
然而，如果频率比(f2/f1)被认为是图3中所示的组合Roshlo数(平均数)的函数，则示出了在任意给定的Roc值，存在不同的频率比。然后，利用图2，能够得出对应于组合Roshko数(Roc)的唯一的Stc数。因此，对于给定的容积流量，组合频率(f1+f2)随着粘度的变化保持恒定，但是频率比(f2/f1)将变化。相反，对于任意给定的组合频率(f1+f2)值，对于任意运动粘度值将存在唯一的频率比(f2/f1)。
总之，如图5中最清楚地所示，利用两个关系(f1+f2)和(f2/f1)消除了需要知道流体的运动粘度。对图5中所示的曲线26的彻底的考察表明，对于任意组合频率(f2+f1)，存在对于任何给定运动粘度值的唯一的组合Strouhal数(Stc)值。它还表明对于任意给定的频率比(f2/f1)值，还存在唯一的组合Roshko数(Roc)。因此，通过简单地知道两个频率(f2和f1)，这些数可以获得，而不必参照运动粘度，由此消除了对于每一批次的流体预先确定或测量运动粘度与温度的关系的需要。
本领域技术人员意识到包括双转子涡轮流量计的涡轮流量计常常设计为尽可能具有线性响应。然而，在本发明中，必须避免完全的线性响应。显而易见，只有图2中所示的Strouhal数与Roshlo数的关系的单独的各曲线是非线性的f2/f1关系和导出的曲线才起作用。
如图5中最清楚所示，频率比的曲线26在较高的Roshko数为平的。难于利用曲线26的该部分分离出操作Roshko数。利用在频率和以及在当前操作温度(Top)27的标称粘度值的技术能够用于分离正确的Roshko数将下降的频带。
首先，计算频率和(f1+f2)并且利用来自类似图4的教科书数据25的在操作温度27的标称运动粘度值确定相应的对于该总和的Roshlo数。结果曲线27在图5中给出，误差带28示出了该计算引起的潜在误差。
如果各个Strouhal数与Roshlo数关系和求得的Roshlo数与频率比的关系的曲线是非线性的，则上述计算更精确。在涡轮流量计设计中必须注意确保在需要的范围保持非线性特征。在双转子涡轮流量计的情况下，这种特征通过设计两个转子中的至少一个，使频率比值作为Roshko数的函数连续变化而现实。
然而，在许多流量计设计中，期望使频率比与Roshko数的关系曲线尽可能是线性的。如果是这种情况，尽管用户必须意识到获得的数值具有更大的不确定性。
具有许多提供具有非线性响应的转子的技术，即改变弦长、改变转子的轴向长度或通过改变叶片形状。一种简单的方式如图9中所示，该方式为修整转子叶片的角部。如果用户期望在较高的Roshko数提高Strouhal数，则修整角部C有效地缩短了叶片的压力侧的弦长，由此产生期望的效果。
图6和7中示出了修整第一转子的结果。可以观察到，整个曲线在整个范围具有可使用的斜率，因为1厘沱粘度点30形成具有8.3厘沱粘度点31的连续曲线并且不再需要通过确定流体粘度计算结果。从而，该流量计现在完全对年度不敏感，因为Roshko数能够在不参照粘度的情况下确定，如图7中所示，其中频率比与Roshko数的关系曲线32直接导出以曲线33表示的Strouhal数，同样不必参照粘度。请注意，流量计的标定和校验能够通过实际校验操作粘度并且将结果与标称值比较而完成，以避免较大误差从瞬间无效读数进入系统。
实施该方法需要相当可观的数学计算，这对于本领域的技术人员而言也是显而易见的。尽管手算当然可能，但是利用计算机或微处理器使得该方案相当实用并且相对廉价。
对于本领域技术人员而言很明显，上述方案最小化了由于次级变量，即温度、粘度和雷诺数而引起的容积测量的变化。该变化的降低使得考虑结合密度传感器使用双转子流量计确定通过诸如燃料供应线路的管道的质量流量是可行的。请注意，双转子涡轮流量计通常对压力变化不敏感。从而，利用双转子涡轮流量计测量压差以确定密度是较好的选择，因为它避免了两个流量计之间的交叉敏感性。
具有许多利用压差的流量计，包括(但不限于)由皮托管或利用壁静压法测量穿过孔口、穿过钝体、穿过转子的压差。靶型流量计可以类似地使用。
然而，利用靶型流量计、或通过利用孔口、或穿过钝体和穿过转子测量流量都对雷诺数和流体密度敏感。由于假定在上述双转子流量计中运动粘度未知(尽管它可以用数学方法确定)，因此利用这类方法基本上消除了运动粘度的用途，即消除作为变量的粘度。
从而，计算密度的一种优选方法是利用皮托管和壁静压。图10示出了双转子流量计10，其中安装有皮托管12和壁静压管14。如本领域熟知，皮托管用于计算流体的速度V＝[(Pt-Ps)/ρ]1/2其中V＝在Pt测量点的流体速度Pt＝总压力Ps＝壁静压力ρ＝操作流体密度或逆求出ρ＝(Pt-Ps)/V2密度将随温度变化，但是压差将成比例地变化。从而，独立于其它变量确定操作密度。此时，双转子涡轮流量计已经确定了容积流量并且皮托管/壁静压已经分离出密度，两者都独立于次要变量。进而，管道中的平均速度计算为Vavg＝q/A其中A＝管道的横截面面积由皮托管测量的速度是局部或点的速度，而从流量算出的速度是平均速度。比例常数加到等式以处理该差值，由此密度等式整理如下ρ＝K*(Pt-Ps)/V2比例常数K实际上可能随Vavg或q稍稍变化并且在标定时容易确定。密度等式重新整理为ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)并且质量流量为M＝q*ρ总之，本发明的方法仅仅结合皮托管和壁静压的压差测量转子频率f1和f2，因此利用本发明的方法很理想地适合于确定通过管道的质量流量。
利用双转子涡轮流量计的主要优点之一是这种流量计的较宽的操作范围或调节。然而，皮托管/壁静压口的主要缺点之一是其较小的操作范围。如上所述，皮托管中测出的速度是压力差和密度的平方根的函数。因此，对于压力差16∶11的变化，仅仅实现4∶1的流量变化。因为压力传感器通常设定极限为全部数值范围的百分比，因此16∶1比值通常是许用的全部范围。请注意，具有许多方法扩大该极限，诸如堆积式压差装置，或在扩大的范围简单地接受降低的精度。然而，另一个解决方案还可能特别适用于诸如喷气发动机燃料的碳氢化合物。
从上面可以注意到，对于多数碳氢化合物流体的密度与温度的关系从一批次到另一批次显著变化。在多数应用中，采用流量计的流体的批次定期变化。然而，一旦系统的操作限于特定的流体批次，密度变化就是温度的简单函数(并且在高压应用中还在较低的程度是压力的简单函数)。
作为例子，考虑在喷气式飞机中的燃料供应线路中的应用。发动机启动并且空转，通常流量非常低。然后，发动机在相对较短的时间段加速到接近起飞的最大值。一旦升空，发动机节流返回到巡航流量，相对而言，该巡航流量保持较长时间段。该巡航流量完全在最大流量的4∶1范围内。在降落和着陆期间，在短时间流量再次降低到较低值，然后返回到关闭前的空转。在空转和着陆时间的过程中使用的燃料总量与起飞和巡航期间相比非常少。请注意该情节还适于许多其它应用。
修整第一转子的结果如图6和7中所示。可以观察出，整个曲线在整个范围具有可用的斜率，因为1厘沱粘度点30与8.3厘沱粘度点30形成连续的曲线并且不再需要通过确定流体的粘度计算结果。从而，流量计现在总体对粘度不敏感，因为能够确定Roshko数，而不参照粘度，如图7中所示，其中频率比与Roshko数的关系曲线32直接导出以曲线33表示的Strouhal数，同样不参照粘度。请注意，流量计的标定和校验能够通过实际校验操作粘度并且将结果与标称值比较而完成，以避免较大误差从瞬间无效读数进入系统。
因此，在皮托管的最优范围外侧的流量，密度测量可以从前面获得的数据外推。用于特定批次流体的密度数值被保持并且积累，受到数据存储限制，直到新批次到达。一旦新批次到达，数据被清除并且新数据加入，以允许皮托管的操作范围外侧的精确外推。直到积累足够的进行精确外推的数据，可以使用教科书的平均值作为温度/密度测量值。
图8示出了在系统操作期间密度数据的典型积累。如果需要，可以使用移动平均值、标准偏差计算或限制非常大量的数据点的其它形式，以抑制数据压倒处理器。每次使用新批次的流体，数据缓冲器复位并且新数据积累。对于初次启动，或在复位之后，使用用于特性流体的教科书或标称数据，直到积累足够的数据，以更精确地确定对于该新批次的密度与温度的关系曲线。
采用该密度确定方法，当前的操作温度实际上用于从定义的曲线确定密度。测量的密度点仅仅用于继续定义温度与密度的关系曲线。
尽管仅仅示出和描述了一定的实施例，对于本领域技术人员而言很明显，在不偏离本发明的精神或权利要求的范围的情况下可以对上述实施例进行各种变化或修改。
权利要求
1.一种在不知道流体粘度的情况下测量通过管道的容积流量的方法，所述方法包括如下步骤提供双转子涡轮容积流量计，所述流量计连接到流体通过的管道，所述双转子涡轮具有温度计、第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子中的至少一个具有对于流体流量的非线性响应，通过求出用于所述双转子涡轮容积流量计的Roshko/Strouhal数曲线标定所述双转子涡轮容积流量计，确定第一转子频率和第二转子频率，将第二转子频率除以第一转子频率，求出频率比值，利用频率比值计算组合Roshko数，利用组合Roshko数和组合Roshko/Strouhal数曲线确定组合Strouhal数，利用组合Strouhal数计算容积流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中容积流量利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))计算，其中q为容积流量，Stc为组合Strouhal数，f1为第一转子的频率，f2为第二转子的频率，a＝线性膨胀系数，Top＝流量计的操作温度，以及Tref＝流量计的参考温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中组合Roshko数利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))计算。
4.一种计算通过管道的质量流量的方法，所述方法包括如下步骤提供双转子涡轮容积流量计，所述流量计连接到流体通过的管道，所述双转子涡轮具有温度计、第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子中的至少一个具有对于流体流量的非线性响应，通过求出用于所述双转子涡轮容积流量计的Roshko/Strouhal数曲线标定所述双转子涡轮容积流量计，确定第一转子频率和第二转子频率，将第二转子频率除以第一转子频率，求出频率比值，利用频率比值计算组合Roshko数，利用组合Roshko数和Roshko/Strouhal数曲线确定组合Strouhal数，利用组合Strouhal数计算容积流量，提供密度计，所述密度计连接到所述管道上，所述密度计确定流体的密度，将密度乘以容积流量，计算出通过管道移动的质量流量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中容积流量利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))计算，其中q为容积流量，Stc为组合Strouhal数，f1为第一转子的频率，f2为第二转子的频率，a＝线性膨胀系数，Top＝温度计读出的操作温度，以及Tref＝流量计的参考温度。
6.根据权利要求4所述的方法，其中组合Roshko数利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))计算。
7.根据权利要求4所述的方法，其中质量流量利用等式M＝q*ρ计算，其中M＝质量流量，q＝容积流量，ρ＝密度。
8.根据权利要求4所述的方法，其中质量计利用压差确定密度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中质量计是皮托管和壁静压测量的组合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中质量计利用等式ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)确定密度，其中ρ＝流体密度，Pt＝总压力，Ps＝壁静压，K＝比例常数，以及Vavg＝q/A，其中q＝容积流量，A＝管道的截面面积。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括下面的步骤导出用于流体的温度与密度的关系曲线，从温度计读取流体温度读数，由温度读数以及温度与密度的关系曲线外推密度。
12.一种用于计算通过管道的质量流量的装置，所述装置包括双转子涡轮容积流量计，所述流量计连接到流体通过的管道，所述双转子涡轮具有温度计、第一转子和第二转子，所述第一转子和所述第二转子中的至少一个具有对于流体流量的非线性响应，所述双转子涡轮容积流量计适合于利用用于它们的Roshko/Strouhal数曲线标定，第一转子具有第一频率并且第二转子具有第二频率，通过将第一转子频率除以第二转子频率计算频率比值的装置，利用频率比值计算组合Roshko数的装置，利用组合Roshko数和Roshko/Strouhal数曲线计算组合Strouhal数的装置，利用组合Strouhal数计算容积流量的装置，密度计，所述密度计连接到所述管道上，所述密度计确定流体的密度，通过将密度乘以容积流量计算出通过管道移动的质量流量的装置。
13.根据权利要求12所述的装置，其中用于计算容积流量的装置利用等式q＝(f1+f2)/Stc*(1+3a(Top-Tref))，其中q为容积流量，Stc为组合Strouhal数，f1为第一转子的频率，f2为第二转子的频率，a＝线性膨胀系数，Top＝温度计读出的操作温度，以及Tref＝流量计的参考温度。
14.根据权利要求12所述的装置，其中组合Roshko数利用等式Roc＝(f1+f2)/v*(1+3a(Top-Tref))被计算出。
15.根据权利要求12所述的装置，其中用于计算质量流量的装置利用等式M＝q*ρ，其中M＝质量流量，q＝容积流量，ρ＝密度。
16.根据权利要求12所述的装置，其中质量计利用压差确定密度。
17.根据权利要求16所述的装置，其中质量计是皮托管和壁静压测量的组合。
18.根据权利要求17所述的装置，其中密度计利用等式ρ＝(Pt-Ps)/(V2avg/K)确定密度，其中ρ＝流体密度，Pt＝总压力，Ps＝壁静压，K＝比例常数，以及Vavg＝q/A，其中q＝容积流量，A＝管道的截面面积。
19.根据权利要求18所述的装置，还包括下面的步骤导出用于流体的温度与密度的关系曲线，从温度计读取流体温度读数，由温度读数以及温度与密度的关系曲线外推密度。
全文摘要
本发明提供了一种在不知道流体的粘度的情况下测量通过管道的容积流量的方法和装置。双转子涡轮容积流量计(10)可操作地连接到流体通过的管道。双转子涡轮(10)具有温度计(16)、第一转子(18)和第二转子(20)，所述第一转子(18)和所述第二转子(20)中的至少一个具有对于流体流量的非线性响应。双转子涡轮容积流量计(10)通过求出用于它们的Roshko/Strouhal数曲线(32)标定。在测量期间，确定第一转子频率和第二转子频率。将第二转子频率除以第一转子频率，求出频率比值，利用频率比值计算组合Roshko数。利用组合Roshko数并且结合Roshko/Strouhal数曲线(32)求出组合Strouhal数。利用组合Strouhal数计算容积流量。
文档编号G01F1/90GK1639545SQ03805529
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月7日 优先权日2002年2月7日
发明者保罗·D·奥利维亚 申请人:保罗·D·奥利维亚
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