专利名称：用于可变节流孔流量计的软件校正方法及设备的制作方法
本申请于2005年6月24日以美国国家公司Rivatek Incorporated以及美国公民John Allan Kielb、Grant Bradley Edwards和Dennis JohnSmith的名义作为PCT国际专利申请提交，并且要求以下申请的优先权美国发明专利申请第10/877,377号，提交于2004年6月25日，和美国发明专利申请(申请号未知)，提交于2005年6月22日，这些申请通过引用结合于此。
发明
背景技术：
领域本发明总体上涉及流体流量计量和控制装置，更具体地，涉及用于这种流量装置的与软件相关的校正方法。
背景技术：
在过程控制行业，当需要小量流体用于制造过程时，通常使用小直径管以低流量来输送过程流体。管的横截面几乎总是圆形的。用来测量管内流量的仪表必须与在管内流动的流体交界，同时使对流体流的干扰最小。为了使对流体流的干扰最小，所述仪表典型地包括圆形横截面以便与管的横截面相匹配。对于测量节流孔上的压力变化的流量计，流量由以下方程1定义Q=C·Ao·(11-(AoAP)2)12·(2·(Phi-Plo)ρ)12]]>方程1其中Q＝体积流量C＝节流孔排放系数(discharge coefficient)
Ao＝节流孔的横截面积Ap＝管道的横截面积Phi＝上游压力Plo＝下游压力ρ＝流体密度差压测量(Phi-Plo)可以这样完成使用两个单独的压力测量并将它们组合以得到压力差或压力降，或使用如图14中所表示的单个装置。
当节流孔和差压测量被用来计算通过大管道的流量时，它们通常是栓接或附着于管道的分立装置。也有可用来测量小管中的流量的装置，其将节流孔和压力传感器集成在同一壳体内。在几乎所有情况下，测量装置节流孔具有固定的尺寸，用于测量固定的流量范围内的流量。节流孔的流量特性或“流量系数”由制造者测量或根据设计来确定。对于分立系统，终端用户可以基于方程1中的参数计算流量，包括制造者所提供的排放系数。在集成的系统中，排放系数可以简单地作为制造者所执行的总的装置校准的一部分来考虑并且保持恒值。
当流量接近计量器所设计的流量范围的上端时，即，在对于给定的流量变化、压力变化相对大的情况下，差压节流孔流量计量是最精确的。流量减小时，装置的精度减小，因为对于给定的流量变化，压力变化相对小。这种现象也可以描述为图15的曲线图中所示的差压-流量比的减小。因为必须精确地知道压差以计算流量，差压测量的任何误差导致流量计算的误差。由于曲线的斜率在低流量时较陡(见图15)，任何压力测量误差导致较大的流量计算误差。
为了利用节流孔和差压测量在较大的流量范围内进行较为精确的流量测量，使用尺寸可变的节流孔会是有利的。通过针对每一种流量提供相对高的压差，尺寸可变节流孔可用来提高节流孔开口范围内的流量测量精度。然而，尽管计算流体动力学(CFD)软件可用来优化尺寸可变节流孔的设计，当节流孔的尺寸改变时，排放系数仍有小的变化。这种变化是由于所述装置设计用来测量的流量的范围和对节流孔的排放系数有贡献的物理因素所导致的。
一些尺寸可变节流孔装置设计成覆盖开始于层流区、结束于湍流区的流量范围，这使得排放系数可能会在不同的流量范围内变化。而且，众所周知的是，节流孔的排放系数由与流体和节流孔形状相关的物理效应的组合构成。当节流孔设置为非常小的开口时，流动通道的壁的表面积相对于流动通道的横截面积是大的。这是因为得到了“狭缝”型开口。在狭缝型开口中，在流动通道的节流孔区，液体对壁的粘性力变得比开口较大时大得多。壁表面积对流动通道横截面积的较大比率具有降低节流孔排放系数的效果。
尽管可变节流孔流量计具有将流量计的量程扩展10倍或更多倍的优点，但它会具有精度减小的固有缺点，这归因于排放系数在不同开口时以及对于任何给定开口尺寸时的不同流量的轻微改变。
除了上述与排放系数有关的缺点外，由于几个其它的原因，已知的可变节流孔装置是低效的。第一，已知的可变节流孔装置典型地使用圆形或弯曲部件，其相对于流体流移动以改变节流孔的尺寸。由于这些部件的弯曲特性，节流孔的形状随着节流孔尺寸的改变而改变，当在某个节流孔尺寸范围内计算流体流量时，这产生显著的误差。第二，节流孔形状的改变导致对于流量范围的至少一部分非理想的节流孔形状。这导致流量改变时对于任何给定开口的不一致的流量特性，从而再次导致流体流量计算的误差。
克服已知的流量控制和计量装置的这些和其它缺点的流量装置将是本领域内的重要进步。
发明内容
本发明总体上涉及用于诸如差压流量计量和控制装置的流量装置的与软件相关的校正方法。
根据以下结合附图对本发明说明性实施例的详细描述，本发明的这些目的和进一步的目的将更加清楚。
参考附图可以对所述说明性实施例作最好的描述，其中图1是根据发明原理的流量装置的顶部透视图；图2是图1所示的流量装置的顶部平面视图；
图3是沿横截面指示3-3所取的图2所示的流量装置的一个示例配置的横截面视图；图4是沿横截面指示4-4所取的图3所示的示例流量装置的横截面视图；图5是图3所示装置的节流孔和可移动元件部分的放大视图；图6是沿横截面指示6-6所取的图2所示的示例流量装置的横截面视图；图7是沿横截面指示7-7所取的图2所示的示例流量装置横截面视图，该示例装置具有到节流孔的长方形入口；图8是沿横截面指示8-8所取的图2所示的示例流量装置的横截面视图；图9是根据本发明原理的示例流量装置的示意性过程图；图10是针对根据本发明原理的示例可变节流孔流量装置、基于节流孔尺寸和压差的排放系数的示例阵列；图11是流体流量控制装置的图示；图12是表示根据本发明的原理确定通过流量装置的流体流量的示例方法的流程图；图13是表示根据本发明的原理确定通过流量装置的流体流量的另一个示例方法的流程图；图14是配置成测量节流孔上的压差的压差测量装置的图示；图15是表示具有固定节流孔尺寸的示例流量装置的流量对压差的曲线图；图16是表示仿真流量装置的排放系数对节流孔尺寸的曲线图；图17是表示具有固定节流孔尺寸的仿真流量装置的排放系数对流量的曲线图；
图18是表示节流孔的已知流量系数值对雷诺数的曲线图；图19是表示将根据本发明原理来近似的典型数据点集的三维曲线图；图20是针对根据本发明原理的示例可变节流孔流量装置、基于节流孔尺寸的流量系数和雷诺数除以流量系数的值的示例阵列；图21是示出三角剖分产生的误差的曲线图；图22A和22B是示出对图19中所示的数据点集的多项式曲线拟合的二维和三维曲线图；图23是示出原始数据和多项式之间的残值或差的曲线图；图24A和24B示出分散数据和半网格化数据之间的差别；图25A和25B是示出图22A和22B以及所得到的三角剖分的样本数据集的顶视图的曲线图；图26是示出图22A和22B的三角剖分残余表面的三维曲线图；图27示出两个平行网格线之间的三角剖分区的构造；以及图28是表示根据本发明原理确定通过流量装置的流体流量的另一个示例方法的流程图。
具体实施例方式
本发明总体上涉及流体流量计量和控制装置，更具体地，涉及尺寸可变节流孔流量装置和用于这种流量装置的与软件相关的校正方法。尺寸可变节流孔特别适合用于将要在此参考几个附图加以描述的差压流量计，尽管这种应用仅仅是可应用本发明原理的多种应用的示例。
与软件相关的校正方法可以利用所存储的排放或流量系数的矩阵或阵列，这些系数与流量装置的特定压差和节流孔尺寸特性相互关联。其它与软件相关的校正方法可以利用方程或算法、针对每一个所确定的流量装置的压差和节流孔尺寸来计算确切的排放或流量系数。排放和流量系数的阵列以及用来计算排放和流量系数的方程/算法可存储于存储器中，并由诸如处理器的控制器用来确定流体流量。
I.示例流量装置根据发明原理构造的用于控制和计量流体流量的示例流量装置10在图1-9中示出。该装置包括壳体12、可移动元件14、第一和第二压力传感器16、18以及入口和出口导管连接器22、20。导管30穿过壳体形成并包括第一、第二、和第三段50、52、54。壳体也包括在导管30的横向方向上与导管30相交的第一和第二传感器孔36、38，以及也在导管30的横向方向上与导管30相交的元件孔40。在这个示例中，元件孔40和传感器孔36、38相互平行延伸，但在其它实施例中，可以排成相互垂直。壳体12可以分成分开件或两半13、15(见图1)，以便于在壳体内精确地形成复杂特征，或可以整体地形成单一件。
可移动元件14包括底座42和接触部件44，且位于元件孔40中，以便延伸到导管30的第二段52中。接触部件44包括前沿46、锥形后沿48和配置成与第二段52的平面表面(例如，以下描述且在图5中示出的固定壁90)配合的平面接触表面49(见图5)，。可移动元件14可沿着直线轴经由打开(收回)位置和闭合位置之间的位置范围可移动地调节，其中可移动元件14的移动限制在所述直线轴上。打开位置允许通过导管30的最大流体流量。当可移动元件14因为和流体接触向闭合位置移动时，通过导管30的流体流量减小。元件孔40中的可移动元件14的调节可以利用例如以下来执行线性致动器、步进电机、液力或气力致动器、螺线管、伺服电机或手动装置如带有指旋按钮的螺纹轴。可移动元件14的位置可以利用例如以下来确定霍尔效应传感器、磁致伸缩装置、线性可变差动变送器(LVDT)、光学编码器和其它位置确定技术。
将可移动元件14的移动限制为元件孔40内的直线运动可以简化可移动元件14的定位。其它方法可基于与所述可移动元件相关的渐进移动(incremental movement)来“推断”可移动元件14的位置。在一个示例方法中，可移动元件14可以从诸如完全打开或完全闭合的位置移动某个步数。可以对控制装置10的软件进行编程以便将所行进的步数转换成所行进的距离。独立的位置测量装置在这样的配置中是不必要的，这可以减少用于装置10的硬件的数量和复杂度。这种方法可能的缺点是如果元件锁定在单一位置而处理器在该元件实际上静止时认为其正在移动某个步数，则可能导致不准确的位置测量。与步进电机或线性致动器一起使用的编码器或根据相关的渐进移动“推断”线性位置的其它装置可具有相似的问题，即可能不准确。
第二段52包括入口部60、出口部62和置于入口和出口部60、62之间的节流孔部64。入口部60在一端与传感器室32保持流体连通，并在邻近节流孔部64的第二端包括多个锥形表面。同样地，出口部62在一端与传感器室34保持流体连通，并在邻近节流孔部64的相对端包括多个锥形表面。
所述装置的节流孔段的入口部和出口部包括多个固定侧壁，其在这个实施例中限定非圆形横截面。其它实施例可以包括具有圆形横截面的节流孔段的入口部和出口部，该配置在一些实例中会是优选的。示例的第一部和第二部60、62包括基本上正方形形状的固定壁(见图7中的入口部60的示例横截面)。如在此文件中通篇所用的，长方形的定义为有四个壁的形状，而正方形的定义为具有相同长度的四个壁的长方形。长方形的壁基本上是平的或线性的，两壁相交成大约90°的角。在一些应用中，因为制造的限制，长方形的角会略微地成圆形、圆角、倒角等特征而锥化。进一步，一个或多个所述壁的部分可以略微倾斜或斜切，以产生密封点或满足其它设计目标和/或克服制造限制。在包括线性壁和弯曲壁的组合(未示出)的实施例中，这些壁的相交处也可以包括诸如圆形、圆角、倒角等的特征。最后，一个或多个所述壁的部分可以通过垫片或密封的暴露面形成。
锥形70、72、74、76形成于入口部60的侧壁，以便减小入口部60与节流孔部64邻接点处的横截面积。锥形70、72、74、76在单个轴位置对准，以便使部分60的横截面积一步减小(见图3-5)。出口部62也包括正方形形状的横截面，在相对的侧壁上具有锥形表面78、80(见图4)，以便减小在节流孔部64和出口部62之间的过渡点处的出口部62的横截面积。
节流孔部64包括三个固定壁90、92、94，固定壁90包括锥形后沿96和前沿98(见图5)。结果，节流孔部64的横截面积以锥形组96、48和78、80分两步锥形扩展到部分62的较大横截面积。如图8的横截面视图所示，与图7所示的入口部60的横截面积相比，节流孔部64具有相对小的横截面积。
相应的移动元件44和节流孔部64的前沿46、98和后沿96、48提供了进出节流孔部64的一致流量特性。节流孔部64的横截面的尺寸由可移动元件14相对于节流孔部64的固定壁90、92、94的位置来确定。节流孔部64没有传感器开口和死容积空间，从而避免了对流体流的扰乱和过程材料或沉淀物的可能的积累。
诸如上述那些(例如步进电机、伺服电机等等)的线性致动器(未示出)，可被用来影响可移动元件14的移动。通过沿单个直线轴移动，可移动元件14线性地改变节流孔部64的横截面的尺寸，同时保持了大体上统一的形状，从而提供了可移动元件位置范围内相对一致的流量特性集合。节流孔部64的横截面形状允许根据可移动元件14的位置范围内的位置重复调节流体流量。在一个示例中，统一的形状是长方形，当可移动元件14在打开和闭合位置之间移动时，节流孔部64的横截面的高的尺寸减小。保持长方形的形状，或至少具有至少一个平面或线性侧壁的形状，使流量特性(背景技术部分的流量方程中的变量“C”)的变化最小，这样减小了针对每个节流孔尺寸确定流量时的误差。
使用时，流体首先通过导管30的第一段50进入流量装置10(该示例将用于对本发明各方面的描述的其余部分)。通过段50的流量具有与第一段50的圆形横截面匹配的流量特性。该流量然后进入打开的传感器室32，在这里、在流体流进入第二段52的非圆形入口部60之前提供了过渡容积。然后流体流由于正好在节流孔部64之前的入口部60形成的几个锥形而减小了横截面积。如上所述，由于节流孔部64非常小的横截面积以及由前沿46、98产生的壁状结构，在节流孔部64的入口处产生了较高的压力。节流孔部64的横截面积依赖于可移动元件14在方向A上的位置。沿方向A的每一个位置对应于在确定通过流量装置10的体积流量时使用的节流孔部64的不同横截面积。
流体流出节流孔部64，进入部分62时，流体流的横截面积由于可移动元件14和节流孔部64的锥形78和80以及后沿48和96而增加。出口部62的横截面积优选地具有与入口部60(在流量装置10中的示例流量装置中是正方形横截面，见图2和6-9)相同的尺寸和形状。流出出口部62的流量进入传感器室34，在这里、在流体流进入第三段54并呈现针对第三段54的圆形横截面的流量模式之前提供了另一个过渡容积。
第一和第二压力传感器16、18位于节流孔部64的相对侧，以便能够确定导管30的第二段52的入口和出口侧的压力差。第一和第二压力传感器16、18可以安装得接近过程液体，以使流体的死容积量最小并减小第一和第二压力传感器16、18与导管30中的流体之间的结晶和粒子形成。在本发明的其它方面，单个差压传感器可以用来与第一和第二传感器室32、34两者联系，以便确定压差。而且，在第一和第二传感器室32、34之一具有固定压力的应用中，只需要单个传感器。例如，如果第二传感器室34在节流孔的下游并流注到处于大气压的开放容器中，就不需要下游压力测量，并且来自第一传感器16的压力测量可以单独与大气压一起用来确定压差。同样地，如果第一传感器室32在节流孔部64的上游并接收来自压力严格控制在固定值的加压容器的液体，就不需要上游压力，并且来自第二传感器18的压力测量可以单独与所述固定上游压力值一起用来确定压差。
其它示例实施例可以使用单个的差压传感器，其从节流孔部的入口和出口侧获取压力读数，并确定节流孔部上的差压。这种和其它类型的传感器没必要必须安装在传感器孔中，所使用的传感器孔也不要求比导管横截面积大的横截面积。例如，传感器可以配置成利用小探头获取压力读数，相对于导管尺寸，该探头需要非常小的进入导管的开口，而且传感器可安装在与装置壳体相邻或壳体内的不同位置。
另外的实施例可以不包括任何与所述装置直接关联的传感器，但可以配置成使用由外部源所提供的压力信号。这种来自外部源的压力读数可以包括例如，来自位于所述装置上游或下游的压力传感器的压力读数，或表示所述装置的上游或下游系统的已知静压条件的压力信号。这样，尽管该装置不需要压力传感器，该装置优选地配置成使用压力信号，目的是计量或控制流经该装置的流体。
表示节流孔上的压差的压力信号可以与节流孔的横截面积、正好在节流孔前或后的入口部和出口部的横截面积、以及流体的密度一起用来确定体积流量(在以上的背景技术部分所讨论的)。
本发明的一个优点是，通过改变节流孔尺寸可以在每一种流量优化压力信号(ΔP)。例如，针对给定的流量，通过改变节流孔尺寸可以将压力信号设置在最小值。进一步地，针对所希望的流量或入口压力，通过改变节流孔尺寸可以优化压力信号。
进一步地，尽管所示出的第二段52的入口、出口和节流孔部60、62、64的横截面是长方形的形状，可以理解，所述横截面可以是不同形状的横截面，如长方形、等腰三角形等等，但不限于此。进一步地，第二段52的不同部分可以具有不相似的横截面形状和尺寸，并沿第二段52的每一部分的长度可以具有变化的形状或尺寸。此外，尽管节流孔部64具有长方形横截面，由可移动元件14的接触部件44的前沿和后沿46、48所限定的节流孔部64的前部和后部，以及固定壁90、92、94的前沿和后沿98、96可以是与图中所示的那些不同的尺寸、形状和取向。
其它示例流量装置和流量装置10的进一步的方面在提交于2003年12月3日、名称为“APPARATUS FOR CONTROLLING ANDMETERING FLUID FLOW”的美国专利申请序列号第10/728,594中示出和描述，该专利申请通过引用结合于此。
图1-8中所示的优选实施例流量装置10的特征在图9中作为流量装置组件100的部分示意性地示出。组件100包括微控制器102，其控制大部分其它组件特征并与之通信。组件100包括与流量装置尺寸可变节流孔113有关的致动器驱动电路104、线性致动器106、位置传感器基准108、位置传感器110，和模数转换器(ADC)112，以及控制到特征106、108、110、112的功率的开关114、调节器116、调节器150、和线性调节器118。微处理器102可以是诸如以下的任何适合的处理器或控制器例如，由San Jose，CA的RENESAS生产的HD64F3062 16位微处理器。
组件100也包括压力传感器基准120、高压传感器122、低压传感器124以及差动放大器126、128和ADC 129，共同用来确定流量装置中的压差。组件100也包括温度传感器121和温度放大器127，它们用来确定流量装置中的流体的温度。诸如RAM 130、NVROM 132和程序存储器134的不同存储装置可以由微处理器102用来存储数据，如图10的示例阵列(和/或下面的多项式方程)、指令、编码、算法等等。
微处理器102可以接收具有例如4-20mA量值的电流信号形式的输入，利用ADC 136和电压隔离137将其转换成数字信号，并可以通过UART 138和数字接口140与直接的数字信号联系。微处理器102也可以产生输出信号，该输出信号通过电压基准142、数模转换器(ADC)144，电压隔离145和输出电路146转换成模拟信号，所述输出电路产生具有例如4-20mA量值的信号。组件100可以使用包括负调节器148和开关调节器150的电源，用于为组件100的各种特征提供功率。
II.软件校正方法A.示例#1由于排放系数在不同节流孔开口时以及对于任何给定开口时的不同流量的略微变化，可变节流孔流量计具有丧失一定精度的固有缺点。此处所公开的示例流量计量和控制装置提供了一种利用排放系数的软件校正来克服这两个缺点的手段。不是将用于装置的单一排放系数用于所有的流量计算，而是可在每一个流量计算中使用取决于节流孔开口和所测量的差压的排放系数。针对待使用的差压和节流孔开口范围的排放系数值的阵列(见图10中的示例阵列)可以存储于流量计的存储器中，适当的值可以由流量计访问并用于每一个单独的流量计算。
如上所述，霍尔效应传感器可以用来测量改变流量装置的节流孔开口的、包含于流量装置的可移动元件中的磁体的线性位置。因为图1-9所示的流量装置10中的节流孔开口具有至少一个平面壁，节流孔横截面积与这个滑动元件的位置成线性比例。通过监视霍尔效应传感器的输出，流量计组件中的微处理器102可以确定节流孔开口面积，其为图10所示的示例阵列的一个索引。微处理器102配置成每次执行流量计算时对压力传感器122、124进行读取。通过对压力传感器122、124进行读取并计算差压，微处理器102确定图10所示的阵列的第二索引的压力值。针对阵列中所列的差压和位置点之间的值，简单的插值可用来确定阵列中的值之间的准确排放系数值。
用于图10所示的排放系数值的二维阵列可以通过设计确定并存储于每一个流量计的程序存储器134中。阵列中的排放系数值也可以通过针对所生产的每个单独的流量计进行测试来确定，这将为每个流量计提供唯一且较为精确的阵列。阵列值可存储于非易失性存储器(NVROM)132或其它的与流量计组件100相关的存储器中。其它实施例可以包括具有范围扩展到图10所示的范围之外的索引，并依赖于所需要的精度水平，可以包括更大或更小的分辨率。而且，由于排放系数相对于节流孔开口和流量的变化不是线性的(见图16和17的模拟结果)，阵列的每个轴上的值不需要是线性的。这样，阵列可以保持尽可能小，以便在维持所希望的精度的同时减少对存储器的需要。进一步地，尽管节流孔的位置与流量装置10中的节流孔的横截面积成线性比例，其它实施例可以不包括面积和可移动元件的线性位置之间的线性关系。在这样的实施例中，阵列索引可以是可移动元件的位置或节流孔的横截面积。
图18以已知值的曲线进一步说明排放系数和流量之间的关系，该曲线见于技术书JOHN A.ROBERSON和LAYTON T.CROWE的ENGINEERING FLUID MECHANICS，在612(1993)。图18将流量系数(K)作为Y-轴，雷诺数(Re)作为X-轴，其中流量系数和雷诺数分别与排放系数(C)和流量(Q)相关，如以下方程2和3K=C[1-(AoAp)2]1/2]]>方程2Red=4Qπdρ]]>方程3图18也在顶轴上绘出了如以下方程4的雷诺数与流量系数之间的关系RedK=(2gΔh)1/2dv=dv(2ΔPρ)1/2]]>方程4其中Red＝节流孔部分中的雷诺数D＝管道直径d＝节流孔直径(长方形节流孔与使用水力半径的d相关)υ＝流体运动粘度ρ＝流体密度对于节流孔直径和运动粘度的固定值，雷诺数只随流量的变化而变化。方程2-4所提供的系数关系使图18基本上表示排放系数相对于流量的变化。
图18中的各个曲线示出了对于给定的节流孔-管道尺寸比、流量(以雷诺数表示)从低流量增加到高流量时导致的排放系数的显著变化。图18中的曲线的差异表示节流孔尺寸相对于管道尺寸变化时排放系数的变化。
图12中的流程图示出针对给定流量装置执行流量计算和更新输入/输出(I/O)时所包含的步骤。流量计算中的一些步骤包括确定排放或流量系数。这些步骤可以以存储于本地存储器(例如，程序存储器)的编程实施，或可以下载或发送到微控制器102。过程可以这样开始对位置传感器进行读取以确定流量计可移动元件的位置，从而确定可变节流孔的面积。对压力传感器读取可以在对位置传感器进行读取之前、之后或同时执行。压力和位置读数用作在所存储的排放系数阵列中查询排放系数的索引。必要时对排放系数进行插值以便确定确切的排放系数值。然后将排放系数输入流量方程，并根据流量方程计算流量。然后可以利用流体流量和传感器读数来更新模拟和数字输出变量。如果节流孔位置没有变化，或节流孔装置的使用没有任何中断，该循环以新的压力读取来重复。如果使用中断或位置传感器发生变化，该循环从开始处重复。
图10中的排放系数值的二维阵列也可以由微处理器102利用将节流孔开口尺寸和差压作为变量输入的多项式来确定。示例多项式如以下方程5所列C＝A·(Phi-Plo)2+B·(Phi-Plo)+D·(Ao)2+E·(Ao)+F 方程5其中A，B，D，E和F＝常数C＝节流孔排放系数Ao＝节流孔横截面积Phi＝上游压力Plo＝下游压力常数A，B，D，E和F典型地在制造过程中、在表征差压和排放系数与节流孔开口时确定。常数而不是阵列值可以存储于流量计组件100的存储器中。多项式系数可以通过设计确定并且对于所制造的每个流量计都相同且存储于程序存储器134中，或者，系数可以通过校准确定，并且对于所制造的每个流量计是唯一的，且然后存储于非易失性存储器132中。
图13中的流程图示出利用多项式确定最优排放系数和执行流量计算的步骤。过程可以这样开始对位置传感器进行读取以确定流量计可移动元件的位置，从而确定可变节流孔的面积。对压力传感器进行读取可以在对位置传感器进行读取之前、之后或同时执行。将压力和位置读数输入多项式并计算确切的排放系数。然后将排放系数输入流量方程，并根据流量方程计算流量。然后可以利用流体流量和传感器读数来更新模拟和数字输出变量。如果节流孔位置没有变化，或节流孔装置的使用没有任何中断，该循环以新的压力传感器读取来重复。如果使用中断或位置传感器读数发生变化，该循环从开始处重复。
本发明的原理也包括一种装置，其可以用作可变节流孔流量计或用作流量控制器。用于可变节流孔流量计和流量控制器的电硬件可以相同。流量计量和流量控制装置之间的一个差别包括流量控制器所要求的另外的软件功能。图11是示出流量装置200的基本特征的框图。装置200包括控制器210、控制阀212和流量计214。控制器210可以包括将所希望的流量设置点(set point)与由流量计214所测量的测量流量相比较的软件。然后控制器210向控制阀212发送信号，以改变节流孔开口，从而根据需要来增加或减小流量以满足流量设置点。流量控制器执行流量计量的方法与上述可变节流孔流量计10的执行方法相同或相似。因此通过阵列(例如见图10)或多项式(见方程5)对节流孔排放系数的二维校正可以用于以下两者可变节流孔流量计10和流量控制器200中的流量计功能。
B.示例#2-对过程液体的粘度和密度变化的补偿基于节流孔上所测量的差压(ΔP)的典型的流量计算包含过程液体密度项，但不包含粘度项(见方程1)。结果，计算只对于单一粘度是精确的，其中装置在这一粘度校准。
对于固定的节流孔尺寸/几何参数和差压的有限范围，方程1中的排放系数C是实验确定的常数。对于具有可变节流孔尺寸的装置，排放系数C不再是常数，而现在必须是节流孔尺寸的函数。在最简单的情况，排放系数只是节流孔尺寸Ho的函数C＝f(Ho) 方程6在这种情况下，函数f的实现必须通过以下来从经验上确定在若干节流孔尺寸时测量Q，然后针对在方程1中根据所测量的Q值计算的C值来拟合内插式或近似式。其方法可以包括针对数据点之间的数据或分段线性插值来拟合多项式或样条曲线。在任何方法中，目标是针对通过校准从实验上测量的二维(2D)数据点集来拟合f所定义的曲线。
要在压力的宽范围内提高精度，上述过程可以扩展为包括在节流孔尺寸(Ho)的范围和压力(ΔP)的范围内表征C。排放系数于是为节流孔尺寸和差压两者的函数，而f现在是对三维而不是两维的点集进行拟合的内插式或近似式C＝f(Ho，ΔP) 方程7在前面的示例中，假定粘度为常数。如果过程液体的粘度与根据方程6和7用来表征C的粘度不同，就会产生所计算的流量的误差。已经根据本发明的原理开发了以下表征方法，以便为不同粘度的液体提供较为一般的解决方法。
对考虑粘度时的问题的一个解决方法是，在f的定义域中加入另一维度，并使其也成为粘度υ的函数C＝f(Ho，ΔP，υ)方程8这样做在理论上非常有效，但在实际中引起至少以下困难的问题·Q必须测量且C必须确定的点的数量增加了一个数量级。针对10个压力和10个节流孔尺寸的集合来表征C，需要100次测试运行。增加10个粘度的集合需要共计1000次的测试运行。
·改变并检验压力和节流孔尺寸是需要几秒钟的简单操作。改变粘度需要将液体从测试系统中倾空并再注入不同的液体。注入后必须检验粘度。这是一个费时费力的过程，会使校准所产生的每个单元所需要的时间从几小时增加到几天。
为避免在粘度的范围内表征每个装置的需要，使用了不同的流量方程[Roberson and Crowe，1993，p612]Q=Kπd24(2ΔPρ)12]]>方程9其中Q＝体积流量K＝流量系数d＝节流孔水力直径ΔP＝节流孔上的差压ρ＝流体密度在这个方程中，节流孔水力直径(d)根据节流孔的高度和宽度(Ho和Wo)计算。长方形节流孔的水力半径是面积和周长的函数，称为节流孔几何参数[Roberson and Crowe，1993，方程10.3、10.35]r2=AP]]>方程10直径是半径的两倍，直径然后根据节流孔高度和宽度来计算d=2HoWoHo+Wo]]>方程11利用方程8计算流量的一个缺点是，排放系数C需要针对三个独立的变量来表征节流孔尺寸、差压和粘度。针对粘度来表征是一个困难的过程，因此需要一种方法将粘度如此并入方程，从而消除表征粘度的需要。尽管以上方程9看起来不考虑粘度，利用如以上方程4中所示的流量系数K的特性[Roberson and Crowe，1993，p612]可容易地使其考虑粘度1.已知流量系数K节流孔尺寸和节流孔内的雷诺数Re的函数。
2.K可被看作Re/K值的函数。
3.Re/K值可以基于节流孔尺寸、差压、密度和粘度计算(见方程4)。因为Re/K的计算包括了粘度的影响，K需要只作为节流孔尺寸和Re/K的函数来表征K=f(Ho,ReK)]]>方程12函数K＝f(Ho，Re/K)的表征通过在节流孔尺寸Ho和差压ΔP的值的范围内对体积流量Q的经验测量实现。针对校准过程中所确定的(Q，Ho，ΔP)的每组测量值(例如，校准数据点)来计算Re/K和K的值。利用方程4计算Re/K，通过以下计算K将方程11代入方程9并根据所测量的Q，ΔP，Ho的值来求解KK=Qπ(HoWoHo+Wo)2(2ΔPρ)12]]>方程13这给出K、Ho和Re/K值的集合，针对该集合可以根据方程12来拟合函数f的近似式。待近似的典型数据点的集合在图19中示出。
另一个重要的步骤是确定函数f(Ho，Re/K)的实现。函数的一般形式需要在单元与单元之间是相同的，以便使得相同版本的固件能够安装在所有单元中。然而，表面的确切形状会由于机械制造公差而略微改变。这可以通过下载固件用来计算表面的确切形状的常数集合(例如，图20中所示的表示在装置校准过程中获取的一些测量数据的值的表)来实现。为避免流量计算产生显著误差，在一个优选实施例中为近似所述表面所选择的方法需要再生成误差小于0.1％的K值。
几种实现方法可以使用，但每一种都有一些显著的缺点·双变量多项式-为了在所希望的误差界限内获得拟合，需要高次多项式。这些多项式在所测量的数据集的界限之外通常表现不良，并且在数据集内的数据点之间常常表现不良。高次多项式的计算也是密集的，计算它们所需要的时间不允许实现其它理想的特征。
·双三次样条表面-样条表面需要网格化数据(其中数据点全部位于长方形网格的交点上)。在生产环境中收集校准数据的实际限制产生分散于独立变量的一个轴上的数据点。使样条表面适合于对分散数据起作用导致表现不良的差的拟合和表面。另外，样条表面的计算也是密集的。
·三角剖分-三角剖分的表面计算简单，良好地作用于分散数据，在数据点之间表现良好，并能使其在数据集之外表现良好。然而，高弯曲表面的误差会变大，而且对于一致地凹或凸的表面，误差全在一个方向上(误差的平均值不趋向于零)。图21是由三角剖分产生的误差的二维(2D)图示。三角剖分方法的另一个缺点是需要大量的数据来以分散数据点表示三角剖分表面。
已发现低次单变量多项式与三角剖分表面的特例的结合满足函数f(Ho，Re/K)的实现目的。这种结合提供了好的拟合，表现良好，并需要最少的计算时间。
三角剖分表面产生的误差与表面的曲率和所测量的数据点之间的距离成比例，所测量的数据点是三角形的顶点。通过使表面平坦或增加所测量的数据点的数量可以减小误差。因为增加所测量的数据点的数量增加了测试时间(从而增加了制造成本)，使用多项式来“平坦化”所述表面。
弯曲表面的平坦化或展开通过以下完成利用最小平方算法针对所测量的数据来拟合多项式表面。然后待三角剖分的表面由残值(数据点和多项式表面之间的差)来限定。因为K的改变更依赖于Ho，而不是Re/K，使用以Ho表示的单变量多项式。现在函数f(Ho，Re/K)包含两项的和K=p(Ho)+T(Ho,ReK)]]>方程14其中p(Ho)＝多项式在Ho的值T(Ho，Re/K)＝三角剖分表面在Ho，Re/K的值图22A(二维)和22B(三维)示出对图19中所示的数据点集的多项式曲线拟合。多项式是三次多项式，具有以下形式的附加倒数项ax3+bx2+cx+d+ex+f]]>方程15三角剖分表面然后由原始数据和多项式之间的差来限定。一些示例残值在图23中示出。
将多项式残值而不是原始数据值用于三角剖分表面提供了至少以下几个优点·待三角剖分的表面不再是凹的，产生正的和负的两种插值误差，它们的平均值接近于零。
·表面的斜率在一个方向上显著减小，使得插值误差的量值减小。
·用于三角形表面的组合值不再是平坦的，而是具有与数据集相同的特性曲线。这进一步减小了插值误差的量值。
预测试表明，组合方法中的插值误差可以小于单独使用三角剖分时的量值的一半。
残余表面的三角剖分可以在运行时间即时(on-the-fly)完成，或可以在装置外部完成，所得到的三角形的列表下载到非易失性存储器。使用前者的方法的优点在于其限制了装置中所需的非易失性存储量。为进一步减小存储需要并简化三角剖分算法，对数据集和三角剖分算法有两个附加约束·数据点可以只分散于Re/K轴Ho值将限于离散值的集合。换言之，数据将是“半网格化”的，其中点位于一个轴的网格线上(网格线可以不规则地间隔开)，但分散在另一个轴上。图24A和24B示出分散的和半网格化的数据之间的差别。这种方法将所需要的存储空间减小了30％，因为只需要存储每个唯一的Ho值的一个拷贝。
·三角剖分方法将限于使用同一网格线或邻近网格线上的三角形的顶点。这产生用于Delaunay三角剖分的执行时间，其是相对于每一网格线上的点数的O(N)，而不是相对于总点数的O(NlogN)，后者是针对更一般的Delaunay三角剖分算法的情况。
图25A和25B示出样本数据集和所得到的三角剖分的“顶视图”。图26示出三角剖分残余表面，其与图22A和22B的多项式表面相加，以得到作为Ho和Re/K的函数的K的最终值。
在上述两个约束适当设置的情况下，即时三角剖分算法比一般情况的Delaunay三角剖分算法更简单。因为将表面三角剖分的目的是在特定的(Ho，Re/K)的值对表面进行计算，这足以能够找到包含那个点的三角形。
寻找包含给定点的三角形包括两部分。第一，寻找数据集(见图25A和25B中的竖直“网格线”)中的Ho值，其包围待计算表面的Ho值。这给出位于两条平行线上的两个数据点集。第二，在所述两条平行线之间的区域的三角剖分中寻找包含点(Ho，Re/K)的三角形。每一个三角形将包括由所述两条平行线之一上的两个相邻点限定的一条线段(在图27中竖直画出)，以及连接所述竖直线段的端点与相对的平行线上的数据点之一的两条线段(以下描述中称为“梯级(rung)”)(在图27中大体上水平画出)。
将所述区域三角剖分的过程包括利用在两条平行线的每一个上的底部两点建立第一梯级(见图27)。所述算法可开始于顶部或底部，只要起始端选择一致。下一个梯级通过以下确定首先确定从最新建立的梯级的每一端到相对平行线上的下一个点的距离(在图27中示出为双箭头线)，然后根据前一步中的两段中的最短者建立下一个梯级。最后，包含点(Ho，Re/K)的三角形由两个最新的梯级限定。在处理点位于三角剖分区域之外的情况时会存在误差。
一旦找到了三角形，ΔK值由通过将(Ho，Re/K)投影到由所述三角形的顶点所限定的平面上所得到的点的Z坐标来确定。ΔK值加到由方程15中所示的多项式所产生的近似K值，这样产生最终的流量系数值K。利用方程9，根据图28的流程图中给出的基本过程步骤，将最终的流量系数值K用于计算体积流量。图28中所表示的过程作为用来操作可变节流孔流量计量装置的计算机程序的步骤特别有用。这样，体积流量可以根据这种示例系统和方法针对某个范围的节流孔几何参数、雷诺数和流体密度及粘度来确定。
III.结论这里所描述的示例流量装置和软件校正系统是用于提高可变节流孔流量计的流量测量精度的示例性设备和方法。该方法包括在考虑诸如粘度和密度的流体性质的同时，针对不同的节流孔开口和流量来表征节流孔的排放或流量系数。通过针对这些参数来表征节流孔的排放或流量系数，并在流量计算中对它们进行校正，流量计能够在宽流量范围内保持流量测量精度。这样，流量计对于达到或超过常规差压流量计的流量范围的10倍的流量范围会是有用的，并可以在整个该流量范围内精确地表现。
上述说明、示例和数据对本发明的组成的制造和使用作了完整的描述。因为可在本发明的精神和范围内实现本发明的许多实施例，本发明旨在由所附权利要求来限定。
权利要求
1.一种计量通过可变节流孔的流体流量的方法，该方法包括以下步骤确定由所述可变节流孔所限定的横截面积；测量所述可变节流孔上的压差；利用所确定的横截面积和所测量的压差来确定排放系数；以及利用所确定的排放系数来确定通过所述可变节流孔的流体流量。
2.权利要求1的方法，其中，确定所述排放系数包括从排放系数值阵列中选择排放系数。
3.权利要求1的方法，其中，确定所述排放系数包括利用多项式来计算排放系数。
4.权利要求1的方法，进一步包括对阵列值进行插值以便确定确切的排放系数。
5.权利要求1的方法，其中所述可变节流孔包括可移动元件，并且确定所述节流孔的横截面积包括确定所述可移动元件的位置。
6.权利要求5的方法，其中，所述可移动元件包括至少一个线性表面，并且所述可变节流孔还包括具有至少一个线性表面的导管，其中所述可移动元件的线性表面和所述导管的线性表面配置成相互配合。
7.权利要求1的方法，其中所述流体具有密度和粘度，所述方法进一步包括确定由所述可变节流孔所限定的节流孔几何参数；利用所述节流孔几何参数、所述压差、所述密度和所述粘度来确定雷诺数除以流量系数的值(Re/K)；
8.权利要求7的方法，进一步包括利用所述节流孔几何参数和所确定的(Re/K)值来确定流量系数；以及利用所确定的流量系数来确定通过所述可变节流孔的流体流量。
9.权利要求1的方法，进一步包括利用雷诺数的值和可变节流孔开口的几何参数来确定所述可变节流孔的流量系数。
10.一种用于计量流体流量的具有可变节流孔类型的装置，包括由流体流导管和相对于所述流体流导管可移动以便改变节流孔尺寸的元件所限定的尺寸可变的节流孔；配置成确定所述节流孔上的压差并产生压力信号的压力传感器；配置成确定所述元件相对于所述导管的位置并产生位置信号的定位装置；以及处理器，配置成利用压力信号、位置信号以及依赖于所述压力信号和所述位置信号的排放系数或依赖于所述压力信号、所述位置信号和流体粘度及密度的流量系数来确定所述流体流量。
11.权利要求10的装置，进一步包括配置成确定流体温度的温度传感器。
12.权利要求11的装置，其中所述流体温度用于确定所述流体粘度和密度。
13.权利要求10的装置，进一步包括所述处理器可访问的非易失性存储器，其中用于确定流量系数或排放系数的多个常数存储于该非易失性存储器中。
14.一种计量通过可变节流孔的流体流量的方法，所述流体具有密度和粘度，所述方法包括以下步骤确定由所述可变节流孔所限定的节流孔几何参数；测量所述可变节流孔上的压差；利用所述节流孔几何参数、所述压差、所述密度和所述粘度来确定雷诺数除以流量系数的值(Re/K)；利用所述节流孔几何参数和所确定的(Re/K)值确定流量系数；以及利用所确定的流量系数确定通过所述可变节流孔的流体流量。
15.权利要求14的方法，其中，确定所述流量系数包括利用低次单变量多项式和三角剖分表面插值出所述流量系数的值。
16.权利要求14的方法，进一步包括确定所述流体的温度和利用所确定的温度确定所述密度和所述粘度。
17.权利要求14的方法，进一步包括通过针对预先确定的压力条件和节流孔开口几何参数集测量通过可变节流孔开口的流体流量，确定校准数据点集，其中，所确定的节流孔几何参数和所测量的压力条件在所述校准数据点之间。
18.权利要求14的方法，进一步包括针对每个校准数据点确定Re/K值，以及针对所确定的压力条件和节流孔几何参数、利用所确定的Re/K值，使用低次单变量多项式和三角剖分表面来插值出流量系数的值。
全文摘要
一种提高可变节流孔流量计的精度的方法，包括针对不同的节流孔开口和不同的差压来表征流量计节流孔的流量系数。该方法对于如下流量计量和控制装置特别有用，该装置包括具有至少一个平面内壁的流体流导管和具有配置成与所述流体流导管的至少一个平面内壁配合的直线边缘的元件。该元件相对于所述导管可移动，以便限定流量节流孔并改变所述节流孔的横截面积。该装置也包括处理器，配置成基于节流孔的横截面积、差压和流量系数来计算流体流量。
文档编号G01F15/02GK101040167SQ200580025190
公开日2007年9月19日 申请日期2005年6月24日 优先权日2004年6月25日
发明者约翰·艾伦·基尔布, 格兰特·布雷德利·爱德华兹, 丹尼斯·约翰·史密斯 申请人:瑞瓦泰克公司