流量计和流量计系统的制作方法

专利名称：流量计和流量计系统的制作方法
技术领域：
本实用新型的实施例涉及一种测量流体的流率的流量计。
背景技术：
流体(例如，液体或者气体)的流率通过使用流量计是可测量的。本领域中已知 有几种传统的流量计。第一种传统的流量计包括用于生活用水测量的活塞流量计。活塞流 量计通过在已知体积的腔室内规则地转动的活塞来工作。对于每次转动，特定量的水经过 活塞室。另一种传统的机械流量计包括涡轮流量计。在工作中，涡轮通常在流体中被设置 成恒速。通常需要密封剂以保持与流体的运动直接接触的组件的整体性。这样，值得关注 的是如何最大地降低与涡轮流量计的使用相关的维持成本。另一种传统的机械流量计包括 热质量流量计。热质量流量计使用被加热的元件和温度传感器的组合来测量流体的流率。 虽然提供了流动读数(flow readout)，但是热质量流量计至少相对于流体的热容量、热传 感器和其他相关的结构元件需要经常被校准。 当将被测量的流体是具有例如粘度或者密度的至少一个状态属性持续较低或者 随时间而变化的流体时，传统的流量计的使用受到限制。例如，涡轮流量计依赖不变或者 已知的流体粘度和密度用于校准。这样，涡轮流量计被认为缺乏测量状态属性不断改变的 流体流率的值。其它的传统流量计(例如活塞式流量计)基本上依赖可动密封件(moving seal)的使用，而可动密封件被认为是拥有低的可靠性并导致不需要的操作中断。此外，温 差技术依赖于已知的流体组合，并且当测量的流体在操作期间改变时经常变得不适宜。

实用新型内容根据本实用新型的至少一方面，提供了一种测量具有多个状态属性的流体的流率 的流量计。在至少一个实施例中，所述流量计包括遮盖导管，该遮盖导管具有入口 、出口和 圆筒形室，所述圆筒形室介于所述入口和所述出口之间。所述流量计还包括叶轮组件，该叶 轮组件位于所述圆筒形室中，用于在圆筒形室中转动，其中，所述叶轮组件可操作地结合到 控制器，以便于叶轮组件以可变的速度转动，从而所述入口和所述出口之间的流体的压力 差在第一值和第二值之间改变。所述流量计还包括压力传感器，该压力传感器流体地结合 到所述遮盖导管，并且被构造成测量压力差。当所述压力差值是在第一压力值和第二压力 值之间的预选择的压力值时，独立于流体的至少一个状态属性确定流体的流率。在至少一 个特定实施例中，预选择的压力差值基本上为零。 根据一个或多个实施例的本实用新型使得流体的流率独立于流体的特定属性，例 如，密度或粘度，因此，相对简单地确定流体流量。与传统的流量测量系统和方法不同，在本 实用新型中，考虑了流体的粘度和/或密度的改变，以利于确定流率。

图1A示意性地描述了根据本实用新型的至少一个实施例的流量计；[0007] 图IB显示了图1A的流量计中的接近距离(a卯roach distance)的详细视图； 图2是在图1A的流量计中的叶轮组件的横截面视图； 图3示意性地描述了叶轮速度和压力差随时间变化的曲线图； 图4示出了应用于图1A的流量计的两侧压力差传感器(two sideddifferential
pressure sensor)。
具体实施方式根据需要，在此公开了本实用新型的具体实施例。但是，应该理解，公开的实施例 仅是本实用新型的可以实现为各种和其它形式的示例。附图不是必须按照比例，一些特征 可以被夸大或者縮小，以显示特定组件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能性细节不 应该被解释为限定性的，而仅仅是基于权利要求的代表性基础和/或用于教导本领域技术 人员的代表性基础，以按照各种形式采用本实用新型。 而且，除了明白地显示之外，在说明书和权利要求中所有数量应该被理解为由在 描述本实用新型的较宽的范围时的词语"大约"修饰的。在阐述的用数字限制的实施通常 是优选地。此外，除非明确地阐述是相反地，否则处于与本实用新型相关联的指定的目的， 作为适合或者优选的材料的分类或者组的描述意味着组或者分类的任意两个或者更多的 组合可以是合适的或者优选的。 根据本实用新型的至少一方面，提供了一种流量计。该流量计能够独立于流体的 状态属性测量流体的流率。在至少一个实施例中，流量计能够与基于燃料电池的车辆相关 联使用，用于测量氢的流率。但是，应该理解，本实用新型的实施例的原理可用于针对其它 应用测量流体流率(例如，水表、油泵、发动机管或者任何其它通常适于测量流体的流率的 设备)。 除非特别强调，否则在此使用的术语"流体"指的是具有或者不具有固态颗粒的液 体、具有或者不具有固态颗粒的气体或者其任意组合。 除非特别强调，否则在此使用的术语流体的"状态属性"示意性地包括流体温度、 流体压力、在流体中含有的各种颗粒的浓度、流体粘度和流体密度。应该注意，流体粘度和 流体密度各自表示包括流体温度、流体压力和/或在流体中含有的各种颗粒的浓度的状态 属性的函数。 粘度通常定义为流体由于剪应力或者扩张应力(extensional stress)而变形的 阻力的测量。氢的粘度在8.4x10—6[Pa.s]值附近，类似的，空气的粘度在17.4x10—6[Pa.s] 值附近。 除非特别强调，否则在此使用的术语流体的"基本上为零"指的是根据本实用新型 的至少一个实施例的流量计的入口和出口之间的流体的压力差。在理论上理想的测量条 件下，压力差基本上为零的意味着就是零。然而，由于通常和测量装置相关联的改变或者公 差，"基本上为零"还意图指相对于零的合理变化。"基本上为零"还可对应于通过采用任何
基于统计的方法或者算法被认为为零的值。 现在参照附图，其中，相同的标号始终用于指示相同的结构，在附图1A中，示意性 流量计通常用100表示。流量计IOO包括遮盖导管102和压力感测组件110。遮盖导管102 还由导管部分104和圆筒形室106构成。在至少一个实施例中，在圆筒形室106中，存在具有绕着中心毂114可转动并从中心毂114向外延伸的多个叶轮叶片112的叶轮组件108。 导管部分104具有流体入口 130和流体出口 132，圆筒形室106与导管部分104流体连通， 并设置在流体入口 130和流体出口 132之间。在至少一个实施例中，控制器(和/或动力 源)可操作地结合到叶片112上，以控制叶片112的转动。叶片112被构造成以相应于控 制器的可变速度绕着毂114转动。这种特征将参照图2进行更加详细地描述。 在至少一个实施例中，叶轮叶片112被布置为与沿着通过流体入口 130从导管部 分104和圆筒形室106进入的流体流(例如，沿着所示的空心箭头(block arrow)方向) 一致。这样，所述流的至少一部分通过叶片112的转动而流动通过流量计100。 根据涉及的特定的应用，叶轮叶片112的实际数量可以基于特定实施的期望标准 而改变。叶轮叶片112的实际最小数量是3。在一个实施例中，叶轮叶片112的数量在一定 范围内，所述范围的最小值在3、5、7或者9中独立地选择，最大值在50、40、30或者20的范 围中独立地选择。 叶轮叶片112可以是任何适合的形状和材料。在至少一个实施例中，并如图1A所 示，在叶轮组件108中，叶轮叶片112的形状和构造相同，并且沿着图1A的A-A方向均匀地 隔开。可选地，叶轮叶片112可由弹性材料制成，以吸收由输入的流带来的能量。弹性材料 可包括软橡胶、软塑料、热塑性聚合物和热固性树脂中的任意一种或多种。 图2是示意性地描述图1A的叶轮组件108的横截面视图。如图2所示，叶轮叶片 112附着到与剖分式电磁体(split electromagnet) 204—起使用的永久磁体202上。控制 器203通过连接线206将振荡电流施加到剖分式电磁体204上，以实现叶轮叶片112绕着 中心毂114和轴承表面208的转动。 在至少一个实施例中，如图IB所示，叶轮叶片112的外周120被构造为使得外周 120与圆筒形室106的内表面118不接触，从而在外周120和内表面118之间限定了接近距 离122，如图1B所示。该接近距离122可使在叶轮叶片112和圆筒形室106之间在别的情 况下存在的接触摩擦最小化。如果采用特定的反摩擦(anti-friction)方法，则可以去除 接近距离。 一个示例性的方法是在叶轮叶片112和圆筒形室106的接触表面之间施加足够 量的润滑剂。在采用了接近距离122的情况下，这种接近距离122可以在导管部分104的 导管直径"D"的0. 1%到10%之间。在一个特定的实施例中，接近距离122在导管直径"D" 的0.5%到5%之间。流体流动通过接近距离的任何部分被确认为旁通流。在至少一个实 施例中，如以下更加详细地描述，当通过接近距离的旁通流被最小化或者停止时，获得流体 的流入流率的测量。 返回参照图1A，压力测量部件110包括压力传感器134和采样管136。采样管136 包括第一采样入口 142和第二采样入口 144。压力感测部件110通过第一采样入口 142和 第二采样入口 144与导管部分104流体连通。 参照图4，压力传感器134被显示为2侧构造。压力传感器134具有一对开口，用 于接收来自第一采样入口 142和第二采样入口 144的采样流体。继续参照图4的构造，压 力敏感隔膜402从两端遭受采样流体，从而隔膜张力(extension)能够测量压力差。在另 一实施例中，可使用两个或者更多的一侧压力传感器，使得第一个一侧压力传感器测量入 口压力，第二个一侧压力传感器测量出口压力。在采用一侧压力传感器时，这种压力传感器 可在使用前进行校准。[0026] 压力传感器134可方便地校准，不需要流体一定流到遮盖导管102中。例如，当导 管部分104和圆筒形室106都缺乏任何流体和/或保持静止时，可进行校准。这样，由于另 外与需要一定量的流体流的传统流量计校准相关的磨损和破损而产生的成本现在基本上 被降低。此外，在流量计100的特定使用期间，校准过程可能不需要重复。此外，压力感测 部件110在使用特定周期之后可容易替换。因此，根据上面阐述的理由，与流量计100的构 造、操作和维修相关的费用可大大地下降。 遮盖导管102可由各种耐用的材料(例如，钢、铜、铁、热塑性聚合物、热固性聚合 物或者玻璃纤维填充的聚合体)构成，以维持被传递的流体内的固有压力。根据使用的压 力传感器134的类型，采样导管136可由与遮盖导管102的材料不同的材料制成。 在至少一个实施例中，流入流体在导管部分104中从流体入口 130朝着流体出口 132流动。当叶轮组件108没被启动且叶片112不转动时，流入流体作为通过接近距离122 的旁通流流动和/或沿着A-A方向推动叶轮叶片112流过圆筒形室106。在这种情况下， 可出现压力损失，并且压力损失在入口 130中的流体和在出口 132中的流体之间。因为由 于叶轮叶片112施加的反作用力而使流体能量被吸收，所以会出现这种压力损失。此外，与 导管部分104的横截面区域(未显示)相比，由接近距离122限定的旁通流的横截面区域 (未显示)相对较小，这样，导致了在流体出口 132处的流体压力的进一步下降。 停止阀146可被可选地安装在采样导管136上，接近采样入口 142。当该阀146处 于打开位置时，从采样入口 142和采样入口 144两处获得的压力信号被传输到压力传感器 134。通过压力传感器134测量所述入口和所述出口之间的流体的压力差。这样，在上面描 述的情况下，该压力差是负值。 同样地，当叶轮速度"R"是比图3中指示的Rb大的值时，压力差"Pi-P。"变为正值。 当叶轮速度"R"增加时，该"Pi-P。"值保持增力B，并当叶轮速度"R"达到最大值时，该"Pi-P。" 值达到最大正值。 在至少一个实施例中，如图3所示，相应于随着时间改变的叶轮速度"R"，压力差 "Pi-P。"在第一压力值和第二压力值之间改变。通过使用变频控制变速电机或者与轴速度 编码器结合的开环DC电机，叶轮速度"R"可被确定其值。在一个特定示例中，第一压力值 是正值。在另一特定示例中，第二压力值是负值。 在一个实施例中，叶轮叶片112以随着时间循环变化的速度R转动。但是，速度R 可以以任意适合的模式(例如，非循环模式、随意模式或者不规则模式)变化，这是确定可 操作的。当叶轮速度R处于其最大值时，压力差达到最大正值，同样地，当叶轮速度处于其 最小值或者基本上为零时，压力差达到最大负值。压力差改变的幅度是接近距离122的横 截面面积Ab的函数。具体地讲，Ab越小，压力差改变的幅度"c"越显著。 在至少一个特定的实施例中，当压力差是处于第一压力值和第二压力值之间的预 选择压力值时，流体的流率被确定。在至少一个特定的实施例中，预选择压力值基本上为 零。返回参照图3，在压力差变成基本上为零的时间点"a"，在对应的点"b"处的叶轮速度 R被用于计算在特定时间点"a"处的总体流Gi。流测量随着时间重复，并且不论何时对应 的压力差变得基本上为零，简单地通过测量叶轮速度R，就可进行独立于流体特性的流率测 当叶轮组件108被启动且叶轮叶片112被迫沿着A-A方向(与流体流一致)转动时，流体入口 130和流体出口 132之间的压力差相应地减小。在流体出口 132处更多的流 体流被恢复，压力损失减小。当叶轮叶片112达到特定的旋转速度时，在一定时间过后，由 叶轮叶片112的转动而转移的总体体积等于流入流Gi，压力差变得基本上为零。 如等式(1)所示
— — .广 , , , ^
6
(1)
乂
0 其中，Pi是在采样入口 142处可测量的流体入口压力；P。是在采样入口 144处可 测量的流体出口压力；L是旁通流的通道长度(未显示)或者每个叶片112的径向厚度；P 是流体密度；e是流表面的粗糙度；Cp2是扇摩擦系数(fanning frction factor) ; ii是流 体粘度；u是旁路流速度；Ab是接近距离122的横截面流面积。u通过等式(2)被确定
(2)
6>: 其中，Gi是将被确定的流体的流率；R是叶片112的转速；Vp是由叶轮叶片112的 一个完整转动转移的叶轮体积(wheel volume)。 为了确定独立于状态特定的流率，并在这种情况下，粘度或者密度，等式(1)表示 当旁路流速度u基本上为零时右手侧变得基本上为零，因此，对粘度或者密度不敏感，因 此，没有流体通过接近距离122。 u值现在基本上为零，参照等式(2)， Gi = RVp。为了容 易识别，当压力差Pi-P。变得基本上为零时，转动速度R的值被指定为Rb。因此，通过Rb乘 以Vp计算流入流率Gi，其中，Rb和Vp每个是可测量和可识别的值，如上所述，分别表示叶 轮转动速度和叶轮体积。Vp被定义为由叶片112的一个完整转动转移的流体积；或者，Vp 可以被计算为具有如图1A的阴影区域示出的横截面的所有一周的体积Vb之和，所述阴影 区域被定义为两个相邻的叶轮叶片112和圆筒形室106的内表面之间区域。注意到，因为 当压力差"Pi-P。"变得基本上为零时，流入流率Gi从Rb Vp可计算得到，所以Gi的测量独 立于流体的属性，更具体地讲，独立于流体粘度或者密度，在燃料电池操作期间随着流体被 污染，流体属性可随着时间改变。此外，总流Gi的测量可不需要在接近距离122处的旁通 流。在接近距离122处可不需要结构密封，从而维持成本相应地降低。 在操作中，叶轮组件108的转动速度R的读数和压力传感器134的相应的压力读 数可以被结合成为到计算机化处理器(未显示)的数据输入，并且处理器的数据输出可以 被直接报告为流入流率Gi的值。这样，测量流入流体的流率Gi的全部过程可以自动化。 在本实用新型的至少一方面，流量计(例如图1A的流量计)被用于确定流体的状 态属性S 。在测量状态属性S中，当流体是多相混合物(当流体的一个源与另一源结合时 或者当流体在流动通过中被污染时，通常会发生这种情况)，流量计的应用是十分有用的。 流体的状态属性S示意性地包括流体温度、流体压力和在流体中含有的每种颗粒的浓度。 流体密度P或者流体粘度P通过等式P =4(3^ S 2，...)禾P ii = fb( S p S2，...)与状态属性、相关。其中，、和32每个表示特定的状态属性。上述关系式被 插入到等式(1)中，得到
(3)
P—尺
7[0045]
尸. 一尸
仏(《"2，…x朋-i )2^y
...P「P。
fc(R，Rb， S丄，S
(4)
V^(朋—i )印A(《，&,…)、
、V2r 顺^2,.") 」 (5)
, ) (6)
如上述等式(4)所示，Rb是当压差变得基本上为零时的叶轮叶片112的转动速度， 同样地，Rb是给定的。根据等式(6)，任意一种状态属性S (例如S》从"Pi-P。"和R之间 的改变模式可计算得到，而剩余S (例如S2)是已知的或者保持常数值。 在至少一个实施例中，相对于特定的状态属性在压力差"Pi-P。"和转动速度R之间 的模式的改变可被建造并存储在查找表中。查找表可以包括关于包括状态属性中已知值或 者常数值(例如S p S 2和S 3)的测试流体经流体入口 130流过流量计100的信息。当压 力差"Pi-P。"变得基本上为零时，旋转速度Rb相对于、可测量。根据等式(6)，且Rb是给 定的，Pi-P。和R相应地改变，利用流量计产生相对于S工的"Pi-P。"和R之间改变的第一模 式。然后，、改变到新的已知值S/ ，而所有剩余的状态属性保持不变。这样，当压力差 "Pi-P。"变得基本上为零时，旋转速度Rb'利用流量计100再次可测量，如上所述。由于现 在Rb'是已知的并且根据等式(6)，产生相对于、的"Pi-p。"和R之间改变的第二模式。 重复该过程，使得可以响应于产生的一个状态属性S工的值的改变记录改变模式，以更新查 找表。 基于查找表的测试流体现在用采样流体进行替换。除了状态属性、的对应值是 未知的且需要对采样流体测量之外，采样流体与测试流体类似。在这种情况下，当采样流体 经流体入口 130流过流量计100时，与采样流体相关的P广P。、 R和Rb通过流量计100的操 作被测量，采样流体的状态属性S的对应的值参照查找表被确定。应该理解，流体的其它 状态属性可以通过在此描述的方法被确定，只要对应的查找表(与状态属性相关)被类似 地创建。还应该理解，在查找表中所有的数据入口可被转换为计算机化算法，从而用户通过 输入到算法的数据确定采样流体的特定的状态属性。 虽然已经显示并描述了本实用新型的特定实施例，但是这些实施例的目的在于示 出并描述本实用新型的所有可能的形式。而在说明书中使用的词语是描述性的词语，而非 限制性的词语，应该理解，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。
权利要求一种用于确定具有多个状态属性的流体的流率的流量计，其特征是，所述流量计包括遮盖导管，具有入口、出口和圆筒形室，所述圆筒形室介于所述入口和所述出口之间；叶轮组件，位于所述圆筒形室中，用于转动，其中，所述叶轮组件可操作地结合到控制器，以便于叶轮组件以可变的速度转动，从而所述入口和所述出口之间的流体的压力差响应于所述叶轮组件可变的速度在第一压力值和第二压力值之间改变；压力传感器，流体地结合到所述遮盖导管，并且被构造成测量在预选择的压力值处的流体的压力差，以独立于流体的至少一个状态属性确定流体的流率，所述预选择的压力值在第一压力值和第二压力值之间。
2. 如权利要求1所述的流量计，其特征是，所述第一压力值是正值。
3. 如权利要求1所述的流量计，其特征是，所述第二压力值是负值。
4. 如权利要求1所述的流量计，其特征是，所述预选择的压力值为零。
5. 如权利要求1所述的流量计，其特征是，所述可变的速度随着时间循环变动。
6. 如权利要求1所述的流量计，其特征是，所述叶轮组件包括中心毂和从中心毂向外延伸的多个叶片，其中，响应于所述控制器的控制，所述多个叶片绕着中心毂可转动。
7. 如权利要求6所述的流量计，其特征是，所述多个叶片与流体流一致地转动，从而流体流的至少一部分通过叶片转动。
8. 如权利要求6所述的流量计，其特征是，在每个叶片的外周和圆筒形室的内表面之间保持接近距离。
9. 如权利要求8所述的流量计，其特征是，所述接近距离为遮盖导管的入口直径的0. 5%到5%。
10. 如权利要求6所述的流量计，其特征是，所述叶片是弹性的。
11. 一种用于测量燃料电池车辆中的具有多个状态属性的流体的流率的流量计系统，其特征是，所述流量计系统包括遮盖导管，具有入口、出口和圆筒形室，所述圆筒形室介于所述入口和所述出口之间；叶轮组件，位于所述圆筒形室中，用于在所述圆筒形室中转动；动力源，可操作地结合，以使叶轮组件以可变的速度转动，从而所述入口和所述出口之间的流体的压力差响应于所述叶轮组件可变的速度在第一压力值和第二压力值之间改变；压力传感器，流体地结合到所述遮盖导管，并且被构造成测量在预选择的压力值处的流体的压力差，以独立于流体的至少一个状态属性确定流体的流率，所述预选择的压力值在第一压力值和第二压力值之间。
12. 如权利要求11所述的流量计系统，其特征是，所述预选择的压力值为零。
13. 如权利要求11所述的流量计系统，其特征是，所述叶轮组件包括中心毂和从中心毂向外延伸的多个叶片，其中，响应于所述控制器的控制，所述多个叶片绕着中心毂可转动。
14. 如权利要求13所述的流量计系统，其特征是，所述多个叶片与流体流一致地转动，从而流体流的至少一部分通过叶片转动。
专利摘要本实用新型涉及一种独立于流体状态属性测量流体流率的流量计。在至少一个实施例中，流量计包括入口、出口和圆筒形室。流量计还包括位于圆筒形室中用于以可变的速度转动的叶轮组件。在至少一个实施例中，当在入口中的流体和在出口中的流体之间的压差变得基本上为零时，确定流体的流率。
文档编号G01F1/34GK201527284SQ20092015547
公开日2010年7月14日 申请日期2009年5月19日 优先权日2008年5月21日
发明者罗纳德·大卫·布罗斯特 申请人:福特汽车公司