CN1251652A - 带信号处理的涡旋流量计 - Google Patents

Abstract

涡旋传感器(11)检测所产生的涡旋并提供涡旋信号。滤波电路(68)与涡旋传感器(11)相连来接收涡旋信号并提供一个代表流体流量的输出量。温度传感器(82)检测流体的温度并提供一个温度值,同时压力传感器(86)检测流体的压力并提供一个压力值。处理器(70,70A)有效地与滤波电路(68)、温度传感器(82)和压力传感器(86)相连来分别用来接收输出量、温度值以及压力值。处理器(70,70A)计算一个作为输出量、温度值,以及压力值的函数的校正系数用来计算代表流体流速的输出值。

Description

带信号处理的涡旋流量计

本发明涉及一种能够对流体流量作出响应的涡流挡板流量计或旋涡计那样的流量计。

流量计检测到管道中的液体和气体的流动并提供一个表示这种流动的信号。在一定的条件下，管道中常见的诸如尾迹杆、非线性形体、或涡旋发生器中的任意一个障碍物的存在会在液流中产生周期性的涡旋。这些涡旋的频率与流量计中的流速成正比。尾迹涡旋以尾迹频率在非线性形体两端提供一个交变压差。该压差通过压电晶体或其它压差装置转换成一个电信号。该压差或电信号的大小与ρV²成正比，其中，ρ是流体的密度而V是流体的速度。当导管的直径与非线性形体的尺寸比例保持恒定时，信号的大小与ρD²F²成正比，其中D是计量管的内径而F是尾迹频率。涡旋流量计产生具有与流速成正比的频率的脉冲。在一种旋涡计中，借助于涡旋叶片使待测流速的流体呈现出涡旋分量，该结构使得涡旋运动转变成一种旋进运动以产生射流脉冲，该射流脉冲被检测后用来产生一个频率与流速成正比的信号。参见美国专利US3,616,693和US3,719,080，它们公开了旋涡计的几个例子，在此一并引用作为参考。正如在此所使用的那样，“涡旋流量计”将既包括涡流挡板流量计和旋涡计。

该涡旋流量计是一种通常安装在涉及到功率消耗问题的程控工业设备领域中的测量变送器。该涡旋流量计能够提供一个代表流速的电流输出量，其中，电流环路上的电流值在4到20毫安(mA)之间。最好的是涡旋流量计能够完全由电流环路提供功率，从而不需要使用额外的电源。因此，为了使这种变送器能符合程控工业通讯标准，这种涡旋流量计测量变送器应该能够在小于4mA的电流条件下操作。

将一个微处理器安装到涡旋流量计是是一种众所周知的解决方法。该微处理器接收到来自于涡旋传感器的输出信号的数字化表示法并根据该数字表示法参数计算出理想的输出量。例如，涡旋流量计能够计算出流过导管或管道的质量流速。最好是以几乎每秒十次的速率提供计算所得的质量流速。对于质量流速的每一个新的计算结果，微处理器必须进行多次数学运算步骤，其中每一个数学运算步骤都需要一定数量的时钟周期，因此可以限制提供计算所得质量流速的速率。尽管较好的是使用大功率的微处理器，它能够执行进一步的计算以提高精度，但该微处理器所需要功率比从上面提到的4-20mA的工业标准中所得到的功率要高。

尽管如此，仍然存在对具有更高精度的涡旋流量计的需求。然而，在更新速度方面不应作出牺牲，也不应使功率消耗超过从电流环路中所得到的功率。

本发明的各个不同的技术方案在下面进行描述。

一种用来计算一个代表流动流体的流速的输出值的方法，包括以下步骤：设置一个在流体中产生涡旋的旋涡发生器；给出流体流量与第一组流体参数之间的第一个关系式；给出流体流量与第二组流体参数之间的第二个关系式；监测第一和第二组流体参数；根据第一组监测到的参数值和第一个关系式计算出第一流量值；根据第一个流量值调节第二个关系式；并根据第二组监测到的参数值和调节后的第二个关系式计算出输出量。

一种用于计算一个代表流动流体的质量流速的输出值的方法，包括以下步骤：设置一个在流体中产生涡旋的旋涡发生器，一个能至少测量涡旋一个特征的涡旋传感器，一个测量流体温度的温度传感器，以及一个用来测量流体压力的压力传感器；根据从温度传感器和压力传感器所获得数值计算出第一流量值；根据从涡旋传感器所获得的数值计算出第二流量值；计算出作为第一流量值和第二流量值的函数的校正系数；以及计算出作为校正系数和从涡旋传感器处所获得的数值的函数的输出质量流速。

一种涡旋流量计提供一个代表流体流速的输出量。该涡旋流量计包括一个可以安放在流体中的涡旋发生器以及一个涡旋传感器，该涡旋传感器提供一个作为所产生的涡旋的函数的涡旋信号。一个滤波电路与涡旋传感器相连以接收涡旋信号并提供一个代表流体流量的滤波输出量。一个温度传感器检测流体温度并提供一个温度值。一个处理器有效地与滤波电路和温度传感器相连以分别接收滤波输出量和温度值。该处理器计算作为滤波输出量和温度值的函数的校正系数，且计算作为校正系数的函数的输出量。

一种涡旋流量计提供一个代表流体流速的输出量。该涡旋流量计包括一个可以安放在流体中的涡旋发生器以及一个涡旋传感器，该涡旋传感器提供一个作为所产生的涡旋的函数和涡旋信号。一个滤波电路与涡旋传感器相连以接收涡旋信号并提供一个表示流体流量的滤波输出量。一个温度传感器检测流体温度并提供一个温度值。一个压力传感器检测流体的压力并提供一个压力值。一个处理器有效地与滤波电路、温度传感器以及压力传感器相连以分别接收滤波输出量、温度值以及压力值。该处理器计算作为温度值和压力值的函数的定比例常数用来适用于滤波输出量。

一个涡旋流量计包括一个具有涡旋发生器的流管和一个位于其中的稳定流态装置。一个涡旋传感器检测由涡旋发生器产生的涡旋同时一个位于稳定流态装置上的温度传感器检测由流管输送的流体的温度。一个电路与涡旋传感器和温度传感器相连来提供一个代表流体流量的输出量。

一个测量流体质量流量的流量计包括：一个具有体积输出量的体积流量传感器，该体积输出量作为流体的体积流速的函数而随之变化；以及一个位于流体中的稳定流态装置。一个温度传感器位于该稳定流态装置上并提供一个温度输出量。一个电路接收该体积输出量和温度输出量并提供一个作为其函数的代表流体质量流速的流量计输出量。

一种操作一种测量流体流速的流量计的方法，包括以下步骤：设置一个在流体中产生涡旋的非线性形体；监测一个与涡旋相关的频率和振幅；至少根据该频率计算出流速；并且如果该振幅超过阈值振幅就会产生一个警告信号。

一种操作一种测量流体流速的流量计的方法，包括以下步骤：在流体中产生涡旋；监测一个与涡旋相关的频率和振幅；至少根据该频率计算出流速；提供一个作为至少是所监测到的振幅的函数的第一密度值；至少监测一个流体温度值；提供一个至少是所监测到的温度的函数的第二密度值；并将第一密度值与第二密度值相比较。

一种操作一种测量气体流速的流量计的方法，包括以下步骤：在流体中产生涡旋；监测一个与涡旋相关的频率；至少根据监测到的频率计算出流速；至少监测气体的一个温度和压力值；计算出作为最少的监测到的温度和压力的函数的一个表示气体冷凝的数值；并提供一个作为该数值函数的报警信号。

一种在一个限定范围内操作流量计的方法，包括以下步骤：提供一个流管来输送流体；在流管中设置一个具有体积输出量的体积流量传感器；在流管中设置一个测量从温度和压力组成的这组参数中选出的第一参数的第一传感器，该第一传感器具有一个第一检测输出量；至少根据体积输出量计算出一个流体流速；并且如果第一检测输出量位于第一选择范围之外就发出一个警报信号。

一种操作一种测量流体流速的流量计的方法，包括以下步骤：设置一个流管来输送流体；在流体中产生涡旋；监测与涡旋相关的频率；根据所监测到的频率计算出流速；并且监测流体中的初始气穴。

一种流量计，它用来提供一个表示流体质量流速的作为所测量到的温度或所测量到的流体压力的函数的流量计输出量，该流量计包括一个流管和一个位于流管内的具有一个体积输出量的体积流量传感器，该体积输出量作为流体的体积流速的函数而随之变化。一个温度或压力传感器位于流管内的第一位置上来测量处于第一位置上的流体的一个参数。一个流量计电路接收到来自于该传感器的参数值并提供一个作为其函数的流量计输出量。还可以进一步构造流量计电路以使之对该参数值施加一个校正，由此产生一个代表位于第二位置上的流体的该参数的调节值，该调节后的温度值被流量计电路用来计算出流量计输出量。

一种流量计，它用来提供一个表示流体质量流量的作为所测量到的温度或所测量到的流体压力的函数的流量计输出量，该流量计包括一个流管和一个位于流管内的具有一个体积输出量的体积流量传感器，该体积输出量作为流体的体积流速的函数而随之变化。一个温度传感器位于流管内的第一温度位置上来测量处于第一温度位置上的流体的一个温度。一个压力传感器位于流管内的第一压力位置上来测量处于第一压力位置上的流体的一个压力。一个流量计电路接收到来自于温度传感器的温度值和来自于压力传感器的压力值并提供一个作为它们的函数的流量计输出量。还可以进一步构造流量计电路以使之对温度数值施加一个校正量，由此产生一个代表位于第二温度位置上的流体温度的调节后的温度值；并对压力值施加一个校正，由此产生一个代表位于第二压力位置上的流体压力的调节后的压力值，该调节后的温度值和调节后的压力值被流量计电路用来计算流量计输出量。

一种操作测量流体流速的流量计的方法，包括以下步骤：设置一个流管来输送流体；采用非线性形体在流体中产生涡旋；监测与涡旋相关的频率；监测一个参数；根据该参数计算校正系数；并根据至少监测到的频率和该校正系数计算流速。

附图简要说明

图1是与本发明相应的涡旋流量计的方框图。

图1A是与本发明相应的涡旋流量计第二个实施例的方框图。

图2是图释本发明涡旋流量计的操作的流程图。

图3A和3B是两种流体在不同的温度条件下作为压力的函数的压缩系数的曲线图。

图4是涡旋流量计去掉部分部件后的侧视图。

图5是沿图4的5-5线所作的涡旋流量计的断面图。

图6是图4的一部分的放大断面图。

图7是沿图6中的7-7线所作的断面图。

图8是涡旋流量计的第二个实施例去掉部分部件后的侧视图。

图9是沿图8中的9-9线所作的涡旋流量计的断面图。

图1图释了本发明的涡旋流量计10的一个实施例。通常，涡旋流量计10包括一个涡旋传感器组件11，该组件含有适当的机械和电子元件来检测流过导管16的流体14中的涡旋15。涡旋传感器11与电子电路12有效地相连。该电子电路12既在电流环路17上产生一个4-20mA电流，也产生一个频率与流体流量成正比的矩形波输出量F_out。

该涡旋流量计10包括一个其中安装有非线性形体24的涡旋仪表壳22。当流体14流经非线性形体24时，就会产生具有代表流速的频率的喷射涡旋15。涡旋传感组件11的变换器，最好位于非线性形体24处，检测一个与喷射涡旋15相关的压差。举例来说，该涡旋传感器26可以含有一个压电传感器。该传感器26的特征接近于一个电势源E_S和一个串联电容器C_S。压电传感器26的输出信号的大小与压差成正比，而压差又与ρV²成正比，其中ρ是流体的密度，V是流体14的速度，并且该输出信号的大小也与ρD²F²成正比，其中D是仪表壳22的内径，而F是涡旋15的尾迹频率。

变换器的输出被连到放大器28，放大器包括电容器C_F和电阻器R_F。放大器28在线路30中提供一个模拟输出信号。线路30中的信号被输送到输入电路60，这个电路包括抗混淆滤波器62和模一数(累计-增量)转换器64。抗混淆滤波器62对来自线路30的信号进行滤波，以消除不希望的高频噪声，并进行抗混淆滤波。

模-数转换器64以近似307.2千赫(kHz)的频率对来自滤波器62的信号进行取样，并且输出307.2kHz的一位(比特)的数据流，这个数据流指示涡旋15的幅度和频率。在数据流中不存在字的界线。一和零的相对数目往往称为位(比特)密度，它表示线路30的信号。模-数转换器64最好用CMOS ASIC(专用集成电路)实现，以减少功耗、成本和体积，CMOS电路特别适合于数字化1至10kHz范围的模拟信号，这个范围是涡旋流量计通常的频率。数字数据流越过接地的或者具有漏电流到地的传感器所要求的电子隔离阻挡层66进行输送，这种传感器通常使用于涡旋流速计，以降低成本和简化连接。单一位的数据流允许一种便宜紧凑的变压器或者电容器被用于隔离阻挡层66。其他的隔离介质例如光学的、压电的/声学的和磁致伸缩的器件，是可用的。单一位的数据流通过隔离阻挡层66提供给数字跟踪滤波器68。数字跟踪滤波器68使出现在模-数转换器64的频率量化噪声最小，并且也将在线路30中的涡旋传感器的幅度和频率信号转换为指示质量流的流量计的输出。数字跟踪滤波器68接收一个含噪声的输入信号，这个信号与具有响应流量变化的基本频率的流量相关。数字滤波器68以高通(HP)滤波器特性预设的低通滤波器(LP)对输入信号进行滤波，以产生表示流量的滤波信号。HP滤波器的频率特性是从一组预先选定的具有不同转角频率的HP滤波器中进行选择的。在优选实施例中，使用多个HP滤波器。微处理器70选择数字滤波器68的合适转角频率，或对数字滤波器68进行适当的控制，以选择转角频率。数字滤波器68在线路30上提供一个与信号的幅度相关的信号，这个信号粗略地正比例于流体的密度ρ_V。信号ρ_V本身也用来计算质量流率M。与另一个也是从数字滤波器68来的可利用的信号ρ_V相比较，ρ_V信号被优先选用，因为数字滤波器68从ρ_V信号中消除更多的噪声。与本申请转让给同一受让人的在此引用作为参考的美国专利US5,429,001详细地描述了如何使用数字滤波器68来提供ρ_V信号。而且在此也参考引用的与本申请在同一天申请的题目为“跟踪滤波器转移函数的快速确定”的待审的专利申请揭示了一种可选择的数字跟踪滤波器。然而，在从这两个数字跟踪滤波器中的任何一个中所获得ρ_V信号中存在一个与实际流体密度相比有大约5％的误差。该误差是由于非线性形体24的流体效应造成的。

在本发明的其中一个方案中，涡旋流量计10提高了代表流速的输出值的精度，特别是质量流速M，通过监测在管道16中流动的流体14的附加参数和使用该附加参数来计算出代表流速的理想输出值。在所图释的实施例中，测量在管道16中流动的流体14的的温度和压力并将所测量到的值作为输入值80供给微处理器70。温度的测量采用象RTD(耐温装置)或热温差电偶一样的检测流体14的温度的适当的温度传感器82，最好位于非线性形体24的下游。在所图释的实施例中，温度传感器82位于一个如用于加固的机翼一样的稳定流态装置84内并且流体沿管道16的压力降最小化。一个适当的压力传感器86检测管道16中流体的线性压力。温度传感器82和压力传感器86向标记为64的适当模-数转换器提供输出信号(如果必要可以进行滤波)。模-数转换器64将相应的数字信号经隔离阻挡层66传送到译码器88，该译码器又接着将信号80提供给微处理器70。在图释的实施例中，温度传感器82和压力传感器86都位于非线性形体24的下游以避免干扰涡旋15的产生。在一个优选实施例中，温度传感器84位于距非线性形体24大约六倍于仪表壳22内径的地方，而压力传感器86位于距非线性形体24大约四倍于仪表壳22内径的地方。在这些位置，从温度传感器82和压力传感器86所获得的输出值具有可以忽略的误差并能够用来计算流体密度ρ_V。

图2图释了一个描述涡旋流量计10的全部操作过程的流程图。该流程图从步骤100开始。从步骤100起，程序流程可以被当作沿着标号为101和103的平行路径进行。在实践过程中，涡旋流量计10在路径101内执行一个运算步骤并在通过路径103完成一个循环之前通过路径101完成连续的循环。具体而言，微处理器70将在路径103内在“后台”执行操作步骤，其中这些步骤或其中一部分步骤在时间允许的情况下可以在完成路径101的操作步骤完成期间或在完成时被完成。正如下面所描述的，结果路径101的操作步骤提供了代表流量的理想输出值，由此而获得管道16中的流体的质量流速M。然而，在涡旋流量计10的正常操作期间，计算出的质量流速M的精度借助于通过路径103的操作步骤对流体14的温度和压力的校正得到提高。

首先看路径101，在步骤105处，涡旋流量计10从涡旋传感器11处获得频率和振幅数据，将提供给上面描述的数据跟踪滤波器68。该数据跟踪滤波器68接着在步骤107处提供一个代表管道16中流体14流量的密度ρ_V。在步骤107处执行的计算包括给出一个储存的比例常数β来计算出在涡旋传感器11和电子仪器12的敏感度的差别，这个差别对于一给出线的长短在不同的元件之间会产生变化，例如，在额定标准附近±30％。比较好的是，校正β以使ρ_V基本上与来自于下面所要讨论的步骤110(即C约等于1)的ρ_G和ρ_L一致。密度值ρ_V接着按照一已知的方程式被微处理器70来使用以便在步骤109处计算出质量流速M(与US5,429,001所表述的相似)。然而，在本发明的涡旋流量计10的实施例中，密度值ρ_V采用根据路径103的操作步骤计算所得的校正系数C得到校正。由于校正系数C能够依赖于密度ρ_V的至少一个值，且由于对于根据路径101的第一次循环可以不计算校正系数C，所以校正系数C在最初可以被设置为1。

现在参看路径103，微处理器70在步骤102处读到如来自于线路80的温度和压力的流体参数并获得一个在步骤107计算出的且与所测量到的温度和压力周期一致的ρ_V。与此同时，程序流程将根据流体是气体还是液体或者流体的的特性已知的多还是没有来决定是否绕过子路径103A、103B或103C。

如果流体是气体，程序流程就沿着路径103A进行。在步骤104处，微处理器70计算管道16内流动的流体14的可压缩系数Z。有很多用来计算压缩系数的标准，这些标准是由像美国煤气协会这样的组织颁布的。图3A和3B表示的是对于具有不同组成成分的气体在不同的温度条件下在作为压力的函数的可压缩系数方面的变化。微处理器70最好使用与特殊流体相关的储存系数来计算可压缩系数。由于对于每一组设想的流体需要一套系数，且因为可压缩系数的大小变化极大，所以最好采用多项式的形式： $\frac{1}{Z}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_{\mathrm{ij}}\frac{P^i}{T^j}--\left(1\right)$

其中A_ij是一个存储在存储器(EEPROM)81中的曲线拟合派生常数，T是处理过的绝对温度，而P是绝对压力，且其中i和j根据所需要的精度最好取0至9之间的整数来计算压缩系数。一个63项多项式(i＝0到8，j＝0-6)足以满足大部分应用。这种形式的多项式和项的数量减少了超过直接计算方法的计算次数，由此减少了在校正系数C的更新与涡旋流量计10的操作功率需求之间的时间间隔。而且，这样一种技术不需要一个较大的存储器来存储大量的备用常数，而且也节省了功率。

在可压缩系数Z在步骤104处计算出来后，该数值在步骤106处被用来根据典型的气体方程来计算密度值ρ_G。

如果流体14是液体，在步骤102之后，程序流程继续沿着路径103B向下走。路径103B包括一个108步骤，在此计算液体的密度ρ_L。微处理器70最好采用存储的多项式计算ρ_L： ${\mathrm{\ρ}}_L=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{B}_{\mathrm{kl}}\frac{P^k}{T^l}--\left(2\right)$

其中B_K1是存储在存储器81中的曲线拟合派生常数，T是处理过的绝对温度，而P是绝对压力，且其中k和1可以根据所需要的精度取适合的整数值。如果需要，由于液体基本上是不可压缩的，项P^k是可以去掉的。

校正系数C是在步骤110处作为ρ_G或ρ_L以及ρ_V的函数计算出来的。这个校正系数C可以是这些数值的简单的比例，或者是移动平均数，或者是加权时间平均值。

子路径103C体现了校正系数D的计算，其中几乎没有，即使有也很少，管道16内流动的流体的流体特性是已知的。总体上，该校正系数C可以表述如下：

                      C＝C_ref+ΔC            (3)

其中C_ref是校正系数的一个平均值，而其中ΔC是一个作为所能获得的参数的函数计算出的较小的值，这些参数诸如：自压力传感器86的压力、由温度传感器82测量到的温度、步骤107处计算出的ρ_V、或任何其它的流体的已知参数，例如动力粘度。例如，微处理器70能够计算作为压力和温度的函数的校正系数，该校正系数用于在刚性或弹性方面涡旋传感器组件11的输出量的变化的。在另一个实施例中，微处理器70能够采用ρ_V、流动流体的速度V(根据尾迹频率获得)、仪表的直径以及动力粘度μ(它是温度和流体类型的函数)计算出雷诺数。尽管雷诺数的计算需要知道流体的动力粘度，但可以采用一种近似算法。动力粘度可以简单地是一个常数(忽略任何温度作用)或者也可以是一个具有下列形式的温度的函数： $\frac{1}{\mathrm{\μ}}=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\frac{D_n}{T^n}--\left(4\right)$

根据流体性能知晓的程度，其中D_n是曲线拟合派生常数，T是一个处理过的绝对温度，而n根据所需要的精度不同可以采用一个适当的整数值。如果知道雷诺数后，微处理器70就能够校正“K因子”和/或一个位于检测压力差(ΔP＝C_PρV²)上的压力系数。如果需要，微处理器70采用储存多项式计算校正系数C： $C=\underset{r}{\mathrm{\Σ}}\underset{s}{\mathrm{\Σ}}{C}_{\mathrm{rs}}\mathrm{\Δ}{P}^r\mathrm{\Δ}{T}^s--\left(5\right)$

其中C_rs是存储在存储器81中的曲线拟合派生常数，ΔT是实际温度与参考温度之间的差值，而ΔP是实际压力与参考压力之间的差值，而其中r和s可以根据所需要的精度的不同采用适当的整数值。如果需要，对于ρ_V、μ、马赫数或其它已知的特征或所测得的流体参数也可以引入到这个方程中。

一旦校正系数C已经计算出来，接着它就会在步骤109中被用于路径101的下一个循环直到在下一个循环期间在后台中又计算出一个新的校正系数为止。微处理器70向用来将数值转换成一个代表流量的4-20mA的电流的数-模转换器83提供一个最终的输出值。数字通讯电路85也能够接受最终的输出值用来在电流环路17上传递采用已知的方式。如果需要，一个发生器87也能够接收质量流量的最终输出值并通过一个隔离器89从脉冲电路95提供一个频率输出量F_out。否则，发生器87能够接收到一个来自于数字跟踪滤波器68的代表体积流量的信号79。当F_out代表体积流量时，微处理器70向发生器87提供适当的比例常数。一个显示器73为涡旋流量计10提供了一个用户界面。

采用这种方式，单一的微处理器70能够被用于所有处理过程由此使得涡旋流量计10消耗的功率最小化，使之完全由电流环路17来供应功率。尽管路径103中的步骤需要额外的处理器时间，但这些计算可以由微处理器70来执行，同时仍然为质量流速M提供理想的更新速率。如果微处理器70不得不单独地根据密度值ρ_L或ρ_G来计算质量流量信号M的话，这将是不可能的。在那些条件下，或者是微处理器70的更新速度将不得不降低以保持在可以获得的来自于电流环路17的功率限制范围内，或者不得不提供一个附加电源。在本优选实施例中，由于路径103中的步骤是在小于质量流速M的更新速率的速率下执行的，所以更新速率可以在不超过可以获得的功率预算的条件下得到维持。

图1A是一个具有两个微处理器70A和70B的典型的实施例。微处理器70A按照上面所述的图2中的流程图来计算质量流速M，微处理器70B通过数据总线71与微处理器70A通讯。微处理器70B控制发生器87和显示器73，并越过电流环路17经数-模转换器83和数字通讯电路85与远程储存单元(未示出)通讯。图1A图释了一个微处理器70A和70B被用来执行操作任务的实施例。具有两个以上的微处理器的实施例，或者其中操作任务已经被有差别地委派的实施例，都在本发明的保护范围之内。

本发明的另一个方案包括采用测量到的压力和/或温度为液体和气体的体积以及质量流量计算附加校正或提供一个报警信号。例如，可以提供由于仪表壳22的热膨胀造成的对于“K因子”(旋涡尾迹频率与体积流速的比率)的温度补偿。举一个例子，如果仪表壳22是用不锈钢制成的，由于热膨胀造成的对于“K因子”的温度补偿约为0.3％/100°F。流量计10将标称K因子和基于热膨胀系数和所测量到的温度的校正系数都储存起来。微处理器70接着将使用K因子和校正系数来计算输出流量值。

另一个校正包括由于流体14的粘度不同造成的压力和温度变化的计算来决定对K因子的雷诺数校正。这种校正对以较低流速在较小管道中流动的较高粘度的液体特别有用。因此，标称雷诺数和校正系数(基于温度、压力、以及流体类型)都将会被流量计10储存和应用。

在另一个实施例中，当初始气穴出现在涡旋传感器11中时会提供一个报警信号。当流体14的压力接近或低于流体的蒸气压力时就会导致初始气穴。下面的方程式表示的是在距仪表22五倍直径的下游处的最小允许管路压力P_L：

              P_L＝AΔP+BP_VAP             (6)

其中ΔP等于流经非线性形体24的从上游到下游的压力降(ΔP＝C_xρ V²，其中C_x是一个比例常数)，A是一个与非线性形体24上的局部最低压力点相关的常数，P_VAP是作为一个方程式或一个表格存储在存储器81中的流体14的蒸气压力，而B是代表一个在蒸气压力附近的临界范围的常数。例如，常数A可以具有一个约等于2.9(在下游五倍直径处)的值，而常数B可以具有一个约等于1.3的值。常数A和B可以随着所测量的压力的实际位置不同而有所变化。较好的是，当来自于涡旋传感器11的放大信号降低到低于理想值时，微处理器70执行这种计算。如果微处理器70计算出流体14接近蒸气压力的管路压力，就会经线路17或在显示器73上产生一个表示气穴的报警信号。否则，会产生一个代表涡旋流量计10内的误差的报警信号。

在另一个实施例中，微处理器70使用所测量到的压力和温度数据来计算在流经涡旋流量计10的气体中是否会发生冷凝。在这样一种情况下，微处理器70能够提供一个代表在气体冷凝区域操作的报警信号。

在一种用于蒸汽的实施例中，微处理器70通过比较根据所测量的压力和温度数据所得的密度值ρ_G和根据振幅测量获得的密度值ρ_V计算出蒸气量。微处理器70越过电流环路17向远程储存单元提供一个代表蒸气量的信号。

在另一个实施例中，微处理器70根据密度ρ_L或ρ_G以及流体流速来计算非线性形体24上的动态压力，或者振幅可以从来自于传感器11的输出量推导出来。如果动态压力超过一个根据最大允许值(超过它会对非线性形体24或传感器11产生疲劳和/或结构性损坏)设定的预定值，微处理器70就会在线路17上提供一个报警信号。

在另一个实施例中，微处理器70将ρ_V和ρ_L或ρ_G的值进行比较并且如果这些值之间的差值超过预先选定的临界值的话就提供一个报警信号，以表明传感器11或电子设备12失效或老化了。而且，微处理器70能够监测从温度传感器82和压力传感器86处获得的信号来确定这些信号是否在可用的范围之外。如果这些信号之中的任何一个在可用的范围之外，微处理器70就会因为所获得的数值可能有误差而停止计算校正系数。在这种情况下，微处理器70提供一个代表质量流量只能通过路径101来计算的报警信号，在该路径中校正系数已经被设置为一个像1或最后的可使用的数值那样的缺省值。同样，微处理器70能够监测来自于数字滤波器68的ρ_V信号并且如果ρ_V信号显得有误差的话就会只根据ρ_L或ρ_G的值来计算质量流量。如果只能使用ρ_L或ρ_G的值，微处理器70能够提供一个差值报警信号。

由于微处理器的多重任务，所以每一个前述的计算都将需要由微处理器70分配给的附加处理器时间并且只可能以一个关于计算校正值和/或警报信号的较慢的更新速率来完成。通常，这些校正值比较小并且将不会需要更新得比10-20次/秒还快。如果需要，可以在ASIC中设置一个整数多重函数以有助于这些计算，如果校正值计算的更新速率超过20-30次/秒的话，情况更是如此。而且，采用ASIC中的整数多重函数，为了线性化、零偏移和温度偏移补偿，压力和温度值能够得到校正。

在另一个实施例中，来自于温度传感器82和压力传感器86的数据在涡旋传感器11需要更换的情况下能够被用来校准一个新的涡旋传感器11。具体而言，如果涡旋传感器11被更新，微处理器70就会将ρ_V的值与ρ_L或ρ_G中的任何一个值进行比较并校正存储器81中的比例常数β，使ρ_L或ρ_G中等于ρ_V从而C保持不变基本上等于1。微处理器70就校准新涡旋传感器11并继续按照图2操作。

在图4-7中图释的一个变化实施例中，温度传感器82和压力传感器86安装在位于连接法兰22A和22B之间的仪表壳22上。温度传感器82安装在位于非线性形体24下游处的稳定流态装置84上。该稳定流态装置84也在图6-7中图释出来并包括一个用来容纳安装在其中的温度传感器82的内部凹槽102，这种温度传感器例如是一种N型热电偶。稳定流态装置84安装在仪表壳22上并通过凹槽103延伸。再回头参见图4，信号线104将温度传感器82与位于变送器壳体106内的电子设备12连接起来。

在这个实施例中，支撑管108支撑着位于仪表壳22上的变送器壳体106。压力传感器86位于支撑管108和变送器壳体106之间的联结模块111内。流体压力通过至少具有一个在法兰22A和22B之间开向流体14的孔口112的通路110A供应给压力传感器86。在所图释的实施例中，孔口112位于稳定流态装置84内。通道110A包括一个内孔113和一个导管115。比较好的是，导管115包括一个作为冷凝阀的环形部分115A。一个阀117设置在通道110A内以使之能够在野外更换压力传感器。

在图8和9所图释的另一个实施例中，温度传感器82和压力传感器86安装在位于连接法兰22A和22B之间的仪表壳22上。温度传感器82安装在位于非线性形体24下游处的稳定流态装置184上。该稳定流态装置184也在图5中图释出来并包括一个用来容纳安装在其中的温度传感器82的内部凹槽186，这种温度传感器例如是一种N型热电偶。也可以反过来参见图8，信号线188将温度传感器82与位于变送器壳体190内的电子设备12连接起来。

在这个实施例中，支撑管192支撑着位于仪表壳22上的变送器壳体190。压力传感器86位于变送器壳体190内。流体压力通过具有一个穿过仪表壳22的孔口196和在法兰22A和22B之间与流体14相通的通路194供应给压力传感器86。在所图释的实施例中，压力孔口196位于靠近非线性形体24的地方，在本实施例中位于其上游。

孔口112的位置和图4-7中的温度传感器82的位置，孔口196和图8和9中温度传感器82的位置，以及其它用来获得流体温度和压力的仪表壳22内的传统位置可以包括由于动态压力水头(与ρV²成正比)和温度恢复因子造成的校正： $\mathrm{\ΔT}=\frac{r{V}^2}{2C_s}--\left(7\right)$

其中C_S是在恒定压力下的比热，而r是一个恢复因子。微处理器70将测得的仪表壳22内的压力和温度、测得的密度ρ_V以及计算出的密度ρ或ρ_G在热动力、能量和动量方程中来校正由于测量位置造成的误差。例如，在非线性形体24前面的压力与位于非线性形体24下游四倍直径处的压力具有如下列方程的关系：

                    P-P_4D＝C_PρV²               (8)

其中P是非线性形体24前面的压力，而P_4D是位于非线性形体24下游四倍直径处的压力，C_P是随雷诺数而发生变化的压力损失系数，ρ是流体的密度而V是流体的速度。安装法兰22A和22B之间的测量位置能够为仪表壳22提供较好的机械布置，减小对位置误差的敏感度，减小温度传感器的传导误差，降低对涡旋尾迹频率的干扰，并减少压力孔口的堵塞。在这种方式下，涡旋流量计10能够完全在工厂条件下组装，降低了流量计10的整体尺寸和成本，并且由于在管道中不需要附加穿透点而使得安装简便。

尽管已经参照优选实施例对本发明进行了说明，但本领域技术熟练的技术人员将会认识到可以在不脱离本发明的构思和范围的情况下在形式和细节方面作出改变。

Claims (50)

1.一种用于计算代表流动流体的流速的输出值的方法，其特征在于：它包括：

(a)设置一个在流体中产生涡旋的旋涡发生器；

(b)给出流体流量与第一组流体参数之间的第一个关系式；

(c)给出流体流量与第二组流体参数之间的第二个关系式；

(d)监测第一和第二组流体参数；

(e)根据第一组监测到的参数值和第一个关系式计算出第一流量值；

(f)根据第一个流量值调节第二个关系式；以及

(g)根据第二组监测到的参数值和调节后的第二个关系式计算出输出量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：输出值代表流体的质量流速。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：第一组流体参数包括流体的温度和压力。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：第二组流体参数是与涡旋相关的频率和振幅。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于还包括在涡旋发生器的下游处设置一个稳定流态装置；以及

其中监测步骤包括在该稳定流态装置处监测流体的温度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(g)之后，以第一个采样速率重复步骤(d)和(g)。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：以比第一个采样速率慢的第二个采样速率重复步骤(e)和(f)。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(e)包括计算作为至少一个先前第一流量值的函数的第一流量值。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的作为至少一个先前第一流量值的函数包括一个移动平均值。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述的作为至少一个先前第一流量值的函数包括一个加权时间平均值。

11.一种用于计算代表流动流体的质量流速的输出值的方法，其特征在于，它包括：

(a)设置一个在流体中产生涡旋的旋涡发生器，一个能至少测量涡旋一个特征的涡旋传感器，一个测量流体温度的温度传感器，以及一个用来测量流体压力的压力传感器；

(b)根据从温度传感器和压力传感器所获得的数值计算出第一流量值；

(c)根据涡旋传感器所获得的数值计算出第二流量值；

(d)计算出作为第一流量值和第二流量值的函数的校正系数；

(e)计算出作为校正系数和从涡旋传感器处所获得的数值的函数的输出质量流速。

12.一种提供代表流体流速的输出值的涡旋流量计，其特征在于，该涡旋流量计包括：

一个可以安放在流体中的涡旋发生器；

一个涡旋传感器，该涡旋传感器提供一个作为所产生的涡旋的函数的涡旋信号；

一个滤波电路，与涡旋传感器相连，以接收涡旋信号并提供一个表示流体流量的滤波输出量；

一个检测流体的温度并提供一个温度值的温度传感器；以及

一个处理器，分别有效地与滤波电路和温度传感器相连，以分别接收滤波输出量和温度值，该处理器计算出作为滤波输出量和温度值的函数的校正系数，且计算出作为校正系数的函数的输出量。

13.如权利要求12所述的涡旋流量计，其特征在于：输出值代表流体的质量流速。

14.如权利要求12所述的涡旋流量计，其特征在于：处理器以所选定的更新速率计算输出流速，并且处理器以小于所选定的更新速率的第二速率计算校准量。

15.如权利要求12所述的涡旋流量计，其特征在于还包括一个用来检测流体压力和提供压力值的压力传感器，处理器与压力传感器有效地相连，以接收压力值并计算作为压力值函数的校正系数。

16.如权利要求15所述的涡旋流量计，其特征在于：校正系数是流体的压缩率的函数，并且处理器还根据通常为下列形式的方程式计算压缩率： $\frac{1}{Z}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_{\mathrm{ij}}\frac{P^i}{T^j}---\left(9\right)$

其中A_ij是一个曲线拟合派生常数，T是流体温度，而P是流体压力，且其中i和j取整数值。

17.一种提供代表流体流速的输出值的涡旋流量计，其特征在于，该涡旋流量计包括：

一个可以安放在流体中的涡旋发生器

一个涡旋传感器，该涡旋传感器提供一个作为所产生的涡旋的函数的涡旋信号；

一个滤波电路，与涡旋传感器相连，以接收涡旋信号并提供一个表示流体流量的滤波输出量；

一个检测流体的温度并提供一个温度值的温度传感器；

一个检测流体的压力并提供一个压力值的压力传感器；以及

一个处理器，有效地与滤波电路、温度传感器以及压力传感器相连，以分别接收滤波输出量、温度值以及压力值，该处理器计算出作为温度值和压力值的函数的定比例常数用来适用于滤波输出量。

18.一种涡旋流量计，其特征在于，它包括：

一个具有涡旋发生器的流管和一个位于其中的稳定流态装置；

一个涡旋传感器，检测由涡旋发生器产生的涡旋；

一个位于稳定流态装置上的温度传感器，检测由流管输送的流体的温度；以及

一个与涡旋传感器和温度传感器相连来提供一个表示流体流量的输出量的电路。

19.如权利要求18所述的涡旋流量计，其特征在于还包括：一个压力传感器，与电路相连并位于流管中来测量由流管输送的流体的压力。

20.如权利要求19所述的涡旋流量计，其特征在于：压力传感器与位于流管中的压力孔口相连，且电路计算作为压力孔口位置的函数的校正系数。

21.如权利要求19所述的涡旋流量计，其特征在于：压力传感器与位于稳定流态装置中的压力孔口相连。

22.如权利要求18所述的涡旋流量计，其特征在于：稳定流态装置位于涡旋发生器的下游。

23.一种测量流体流速的流量计，其特征在于，它包括：

一个具有体积输出量的体积流量传感器，该体积输出量作为流体的体积流速的函数而随之变化；

一个位于流体中的稳定流态装置；

一个温度传感器，位于该稳定流态装置上并提供一个温度输出量；以及

一个电路，接收该体积输出量和温度输出量并提供一个作为其函数的代表流体质量流速的流量计输出量。

24.如权利要求23所述的流量计，其特征在于：稳定流态装置包括一个机翼形翼片。

25.如权利要求23所述的流量计，其特征在于：电路在计算流量计输出量之前先向温度输出量施加一个校正系数。

26.如权利要求23所述的流量计，其特征在于：体积流量传感器包括一个涡旋发生器。

27.如权利要求23所述的流量计，其特征在于还包括一个压力传感器，与流体有效地相连来提供一个压力输出量，其中电路也接收压力输出量。

28.如权利要求27所述的流量计，其特征在于：稳定流态装置有一个压力孔口且压力传感器与压力孔口相连。

29.一种操作测量流体流速的流量计的方法，其特征在于，它包括：

设置一个在流体中产生涡旋的非线性形体；

监测一个与涡旋相关的频率和振幅；

至少根据该频率计算出流速；以及

在振幅超过阈值振幅时就产生一个警告信号。

30.一种操作测量流体流速的流量计的方法，其特征在于，它包括：

在流体中产生涡旋；

监测一个与涡旋相关的频率和振幅；

至少根据该频率计算出流速；

提供一个作为至少是监测到的振幅的函数的第一密度值；

监测至少一个流体温度置；

提供一个作为至少是监测到的温度的函数的第二密度值；以及

将第一密度值与第二密度值相比较。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于还包括：

监测流体的压力；并且

其中第二密度值也是所监测到的压力的函数。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于：流体包括蒸气且所述的比较步骤包括提供一个代表蒸气量的信号。

33.一种操作测量气体流速的流量计的方法，其特征在于，它包括：

在流体中产生涡旋；

监测一个与涡旋相关的频率；

至少根据监测到的频率计算出流速；

监测气体的至少一个温度和压力值；

计算出作为至少监测到的温度和压力函数的一个表示气体冷凝的数值；以及

提供一个作为该数值函数的报警信号。

34.一种在一个限定的范围内操作流量计的方法，其特征在于，它包括：

提供一个流管来输送流体；

在流管中设置一个具有体积输出量的体积流量传感器；

在流管中设置一个测量从温度和压力组成的这组参数中选出的第一参数的第一传感器，该第一传感器具有一个第一检测输出量；

根据体积输出量计算出一个流体的流速；以及

如果第一检测输出量超出第一选择范围之外就发出一个警告。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于还包括以下步骤：

在流管中设置一个第二传感器来测量从由流体温度和压力组成的数据组种选出的一个第二参数，该第二传感器具有一个第二检测输出量；以及

如果第二检测输出量位于第二选择范围之外时，也执行提供报警信号的步骤。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于：第一参数是流体的温度，而第二参数是流体的压力。

37.一种操作测量流体流速的流量计的方法，其特征在于，它包括：

设置一个流管来输送流体；

在流体中产生涡旋；

监测与涡旋相关的频率；

根据所监测到的频率计算出流速；以及

监测流体中的初始气穴。

38.如权利要求37所述的方法，其特征在于：监测初始气穴的步骤包括监测流管中流体的压力。

39.如权利要求38所述的方法，其特征在于：监测初始气穴的步骤包括将流体压力与蒸气压力进行比较。

40.一种提供代表作为所测得的流体温度或流体压力的函数的质量流速的流量计输出量的流量计，其特征在于，该流量计包括：

一个流管；

一个位于流管内的具有一个体积输出量的体积流量传感器，该体积输出量作为流体的体积流速的函数而随之变化；

一个温度或压力传感器，位于流管内的第一位置上来测量处于第一位置上的流体的一个参数；

一个流量计电路，接收来自于该传感器的参数值并提供一个作为其函数的流量计输出量；以及

其中还可以进一步构造流量计电路以使之对该参数值施加一个校正，由此产生一个代表位于第二位置上的流体的该参数的调节值，该调节后的参数值被流量计电路用来计算出流量计输出量。

41.如权利要求40所述的流量计，其特征在于：校正量是流体的温度恢复因子的函数。

42.如权利要求41所述的流量计，其特征在于：温度恢复因子由下列方程式给出： $\mathrm{\ΔT}=\frac{r{V}^2}{2C_s}--\left(10\right)$

其中C_S是在恒定压力下的比热，而r是一个恢复因子。

43.如权利要求40所述的流量计，其特征在于：校正量是流体动态压力水头的函数。

44.一种提供代表作为所测得的流体温度和流体压力的函数的质量流速的流量计输出量的流量计，其特征在于，该流量计包括：

一个流管；

一个位于流管内的具有一个体积输出量的体积流量传感器，该体积输出量作为流体的体积流速的函数而随之变化；

一个温度传感器，位于流管内的第一温度位置上来测量处于第一温度位置上的流体的一个温度；

一个压力传感器，位于流管内的第一压力位置上来测量处于第一压力位置上的流体的一个压力；

一个流量计电路，接收到来自于温度传感器的温度值和来自于压力传感器的压力值并提供一个作为它们的函数的流量计输出量；以及

其中，还可以进一步构造流量计电路以使之对温度数值施加一个校正，由此产生一个代表位于第二温度位置上的流体温度的调节后的温度值；并对压力值施加一个校正，由此产生一个代表位于第二压力位置上的流体压力的调节后的压力值，该调节后的温度值和调节后的压力值被流量计电路用来计算流量计输出量。

45.一种操作测量流体流速的流量计的方法，其特征在于，它包括：

设置一个流管来输送流体；

采用非线性形体在流体中产生涡旋；

监测与涡旋相关的频率；

监测一个参数；

根据该参数计算校正系数；以及

根据至少监测到的频率和该校正系数计算流速。

46.如权利要求45所述的方法，其特征在于：所述的参数包括流体的参数。

47.如权利要求46所述的方法，其特征在于：所述的参数包括压力。

48.如权利要求46所述的方法，其特征在于：所述的参数包括温度。

49.如权利要求48所述的方法，其特征在于：校正系数与流管的热膨胀有关。

50.如权利要求48所述的方法，其特征在于：校正系数与非线性形体的弹性有关。

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