質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)及方法技術(shù)方案

一種質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)（２０），只在單一的壓力信號(hào)的基礎(chǔ)上計(jì)算質(zhì)量流速。一個(gè)流量控制器（２２、２４）與節(jié)流閥（３０）平行放置，這樣能夠在節(jié)流閥（３０）的截面上保持恒定的壓差。如果不進(jìn)行控制，則在節(jié)流閥（３０）的兩側(cè)測(cè)量流過節(jié)流閥（３０）的液體壓力和溫度。將壓力與壓力和質(zhì)量流速關(guān)系曲線進(jìn)行比較，該曲線是由特定節(jié)流閥和被測(cè)液體計(jì)算出來的。在節(jié)流閥截面上保持的恒定壓差可以在壓力和流速之間產(chǎn)生線性關(guān)系。如果不對(duì)溫度進(jìn)行控制，壓力和質(zhì)量流速的關(guān)系曲線將保持線性，但是曲線的斜率將在液體溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）

Mass flow meter system and method

A mass flow meter system (20) that calculates mass velocity only on the basis of a single pressure signal. A flow controller (22, 24) is placed in parallel with the throttle valve (30) so that a constant pressure difference can be maintained on the cross section of the throttle valve (30). If no control is performed, the liquid pressure and temperature through the throttling valve (30) are measured on both sides of the throttle valve (30). The curves of pressure versus pressure and mass flow rate are calculated by the specific throttling valve and the measured fluid. A constant pressure difference maintained across the throttle section can produce a linear relationship between pressure and flow velocity. If the temperature is not controlled, the relationship between the pressure and the mass flow rate will remain linear, but the slope of the curve will be adjusted on the basis of the liquid temperature. \ue5cf

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利申請(qǐng)要求2001年4月13日提出的60/283,596號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)作為參考并入本文。傳統(tǒng)的基于壓力的質(zhì)量流量計(jì)使用一個(gè)節(jié)流閥、一個(gè)溫度傳感器和壓力傳感器來檢測(cè)節(jié)流閥上游的絕對(duì)壓力值以及節(jié)流閥截面上的壓差。質(zhì)量流量由一個(gè)表來確定，該表表示預(yù)定質(zhì)量流速下壓力和溫度讀數(shù)的關(guān)系。這種系統(tǒng)需要至少兩個(gè)壓力傳感器和一個(gè)溫度傳感器，以確定在不同的溫度和上下游壓力下的液體密度、液體速度和液體粘度。需要更加簡(jiǎn)單并且不需要太復(fù)雜的計(jì)算來確定真實(shí)質(zhì)量流量的質(zhì)量流量計(jì)。相關(guān)技術(shù)介紹授予Nishino等人的5,791,369號(hào)美國(guó)專利公開了一種流量計(jì)控制器，據(jù)稱只需一個(gè)函數(shù)式壓力傳感器。然而，5,791,369號(hào)專利公開的控制器只能用于聲速流狀況下，而且該系統(tǒng)需要入口壓力為出口壓力的兩倍，以便控制器很好地工作。因此，5,791,369號(hào)專利公開的控制器只能在非常低的流速下工作，只能控制氣體，并且必須進(jìn)行有效的上游壓力調(diào)整。另外，5,791,369號(hào)專利披露，使用第二壓力傳感器來確定什么時(shí)候下游壓力大于入口壓力的一半，當(dāng)這個(gè)條件滿足時(shí)，控制器關(guān)閉。授予Balazy等人的6,152,162號(hào)美國(guó)專利公開了一種液體流量控制器，需要兩次壓力測(cè)量，在節(jié)流閥的上下游分別進(jìn)行一次。6,152,162號(hào)專利不測(cè)量質(zhì)量流量。6,152,162號(hào)專利還使用了一個(gè)過濾元件作為節(jié)流閥。氣流中的微粒可能會(huì)堵塞過濾器，從而改變壓力下降和節(jié)流閥流動(dòng)特性的關(guān)系，可能會(huì)偏離初始測(cè)量設(shè)置。授予Waldbusser的6,138,708號(hào)美國(guó)專利公開了一種壓力補(bǔ)償質(zhì)量流量控制器。6,138,708號(hào)專利中描述的系統(tǒng)將一個(gè)熱質(zhì)量流量控制器和一個(gè)連接在具有圓頂?shù)膲毫φ{(diào)節(jié)器上的熱絲式儀表結(jié)合在一起。另外一個(gè)使用一個(gè)獨(dú)立的氣體源的導(dǎo)向式壓力調(diào)節(jié)器，將壓力調(diào)節(jié)器的圓頂加載到熱質(zhì)量流量控制器的上游。導(dǎo)向式調(diào)節(jié)器和質(zhì)量流量控制器都由微處理器控制，以便入口壓力的控制與由獨(dú)立于流量控制器的入口壓力獲得的流速保持一致。圖6是表示校準(zhǔn)附圖說明圖1所示的質(zhì)量流量計(jì)的示例方法的流程圖；圖7是通過流量計(jì)的質(zhì)量流量與幾種不同液體溫度的液體壓力的對(duì)比圖，這幾種溫度說明對(duì)不同液體溫度進(jìn)行的補(bǔ)償；圖8是通過流量計(jì)的質(zhì)量流量與液體壓力的示例對(duì)比曲線，該液體壓力用于說明應(yīng)用在非線性質(zhì)量流量輸出中的本專利技術(shù)操作的基本原理；圖9是使用本專利技術(shù)質(zhì)量流量系統(tǒng)的示例性流量控制系統(tǒng)的框圖；圖10是流量控制系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)的框圖。優(yōu)選實(shí)施例以下討論分成幾個(gè)部分進(jìn)行。在第一部分中，將根據(jù)一個(gè)質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)對(duì)本專利技術(shù)的基本操作和原理進(jìn)行描述。第二和第三部分將描述作為例子的機(jī)械和電器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用來實(shí)現(xiàn)本專利技術(shù)。第四部分將描述一種校準(zhǔn)按照本專利技術(shù)原理制造的質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)的方法。第五部分描述第一到第四部分中所描述的、用作質(zhì)量流量控制的一部分的質(zhì)量流量計(jì)。第六部分描述質(zhì)量流量控制系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)。最后一部分描述另外的考慮，這些考慮是在設(shè)計(jì)和制造特殊的本專利技術(shù)實(shí)施方案時(shí)，需要進(jìn)行的典型考慮。1、質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)首先參照附圖中的圖1，所描繪的是作為例子的質(zhì)量流量計(jì)系統(tǒng)20，它按照本專利技術(shù)的原理制成，并體現(xiàn)了本專利技術(shù)的原理。流量計(jì)系統(tǒng)20包括一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)22和一個(gè)電氣系統(tǒng)24。機(jī)械系統(tǒng)22包括一個(gè)節(jié)流閥30，該節(jié)流閥確定了節(jié)流元件32和壓力平衡系統(tǒng)34。電氣系統(tǒng)24包括一個(gè)壓力傳感器40、一個(gè)溫度傳感器42和一個(gè)流量計(jì)電路44。機(jī)械系統(tǒng)22確定了一個(gè)液體入口50和一個(gè)液體出口52。入口50和出口52分別連接在受壓液體的供應(yīng)源54和液體的終點(diǎn)56上。通過以上討論，應(yīng)該清楚供應(yīng)源54和終點(diǎn)56可以根據(jù)流量計(jì)20的使用環(huán)境具有顯著不同。例如，在醫(yī)用環(huán)境中，供應(yīng)源54可能是壓力氣體瓶，而終點(diǎn)56可能是將氣體與空氣進(jìn)行混合并且通過傳統(tǒng)裝置將混合氣體輸出給病人的混合器。在制造環(huán)境中，供應(yīng)源54可能是由原材料產(chǎn)生氣體供應(yīng)源的轉(zhuǎn)換器，而終點(diǎn)56可能是將氣體用作工業(yè)處理一部分的反應(yīng)室。在許多情況下，供應(yīng)源54的供給壓力和終點(diǎn)56的背壓可以是未知的和/或變化的。因此，試圖將本專利技術(shù)的流量計(jì)系統(tǒng)20用作更大系統(tǒng)的一部分，在這個(gè)更大的系統(tǒng)中，受壓液體從供應(yīng)源54通過機(jī)械系統(tǒng)22流向終點(diǎn)56。壓力平衡系統(tǒng)34在節(jié)流室32的截面上保持恒定的壓差。如圖1所描述，作為例子的節(jié)流閥30是可變的。特別是，當(dāng)流量計(jì)系統(tǒng)20被校準(zhǔn)后，節(jié)流閥30確定了節(jié)流室32的預(yù)設(shè)幾何形狀和有效截面面積。在示例系統(tǒng)20中，節(jié)流閥30可改變節(jié)流室32的形狀，特別是其有效橫截面面積。在本專利技術(shù)的另一種結(jié)構(gòu)中，節(jié)流閥30不需改變，而是在制造時(shí)就具有預(yù)設(shè)的幾何形狀和有效截面面積。這可能或者不可能包括標(biāo)準(zhǔn)管口、聲音管口、各種形狀的層流元件，或者可變的面積限制。使用預(yù)設(shè)或者可變節(jié)流閥可能影響流量計(jì)系統(tǒng)20的校準(zhǔn)工藝，如下文所述。優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，壓力平衡系統(tǒng)34是一個(gè)流量控制器，它使用機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)來保持節(jié)流室32截面上的恒定壓差，即使源頭壓力和終點(diǎn)壓力都是未知的、可變的。這種機(jī)械流量控制器在諸如全部轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)人的1999年12月2日授權(quán)的6,026,849號(hào)美國(guó)專利和2001年3月13日申請(qǐng)的09/805,708號(hào)待批美國(guó)專利申請(qǐng)中公開。然而，壓力平衡系統(tǒng)34還可以是如09/805,708號(hào)申請(qǐng)所公開的機(jī)電流量控制器。6,026,849號(hào)專利和09/805,708號(hào)申請(qǐng)所公開的內(nèi)容都作為參考并入此處。優(yōu)選結(jié)構(gòu)中壓力和溫度傳感器40和42都是機(jī)電傳感器，將壓力和溫度值轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。工作時(shí)傳感器40和42連接在機(jī)械系統(tǒng)22上，分別產(chǎn)生由流過機(jī)械系統(tǒng)22的壓力和溫度引起的電信號(hào)。流量計(jì)電路44存儲(chǔ)或者使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)確定給定液體的質(zhì)量流速與壓力和溫度的關(guān)系。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括為給定節(jié)流閥30計(jì)算的校準(zhǔn)因子和由流過流量計(jì)系統(tǒng)20的氣體特性確定的氣體常數(shù)。氣體常數(shù)是基于與溫度變化有關(guān)的特定氣體的密度或粘度的。在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和壓力與溫度信號(hào)的基礎(chǔ)上，流量計(jì)電路44產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于通過機(jī)械系統(tǒng)22的液體質(zhì)量流量的流量輸出信號(hào)。流量輸出信號(hào)可以被記錄下來或者顯示出來，或者用作控制從供應(yīng)源54流向終點(diǎn)56的液體流的更大電路的一部分。現(xiàn)在參照?qǐng)D2，此處60表示當(dāng)壓力平衡系統(tǒng)34連接在上述節(jié)流閥30的截面上時(shí)，壓力與通過節(jié)流閥30的質(zhì)量流量的對(duì)比曲線。如圖所示，質(zhì)量流量輸出隨著出口壓力線性增加。曲線60是理想氣體定律效應(yīng)，與體積、質(zhì)量、溫度和非線性壓縮率的總體影響有關(guān)，如下面的公式(1)所描述PV＝mRTZ (1)其中P＝壓力，m＝質(zhì)量，V＝體積，R＝氣體常數(shù)(通用)，T＝溫度，以及Z＝氣體壓縮率。(在以下描述中，這些符號(hào)中的任一個(gè)上方的“□”表示體積流速的質(zhì)量)理想氣體定律公式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到如下的等式(2)PV·=m·RT.......(2)]]>解質(zhì)量流速的流速公式(2)，得到如下的質(zhì)量流速公式(3)m·=V·RT.........(3)]]>將質(zhì)量流速公式各項(xiàng)重新排列，得到如下斜率公式(4) 公式(4)的常數(shù)說明了給定系統(tǒng)和空氣的質(zhì)量流量速率與壓力之間的關(guān)系。如果溫度保持恒定本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種質(zhì)量流量計(jì)，包括：一個(gè)具有一定直徑的入口和一個(gè)具有一定直徑的出口；一個(gè)具有節(jié)流室的節(jié)流閥和一個(gè)放在入口和出口之間的壓力平衡系統(tǒng)；節(jié)流室具有一個(gè)圓柱形節(jié)流壁，其直徑小于入口和出口的直徑；以及在節(jié)流閥上游的一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)溫度傳感器，向具有校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的流量計(jì)電路提供輸入；這樣流量計(jì)電路產(chǎn)生一個(gè)基于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和壓力傳感器和溫度傳感器輸入的流量輸出信號(hào)。

【技術(shù)特征摘要】
...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：彼得托爾德松，帕特里克A洛厄里，羅伯特拉雷吉萬，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：流量矩陣公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：US[美國(guó)]