专利名称：设定流率系数的方法及利用该方法的流率计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设定用测量流体流率的流率计的流率系数的方法。
背景技术：
首先将参考图21说明一种普通的流率计。在一个其中有流体流过的输流管1中的某个点处设置一个用于测量流体流速的流速测量装置2，例如一个热型流速传感器。把由流速测量装置2所测得的流速(Vm)乘以输流管1的横截面(S)和一个流率系数(K)即可算出流率(Qm)。流速测量装置2仅通过测量位于其邻近部分的流体流速来获得流体的流速(Vm)。因此，需要用下述方法来计算输流管1整个面积上的平均流速。在输流管1上连接一个能够设定参考流率的参考流率设定部分，该部分用来让流体以一个适当的参考流率流过输流管1并获得平均流率(Qa)。然后获取由平均流率值计算得到的平均流速(Va)与由流速测量装置测得的流速(Vm)之间的关系(K＝Va/Vm，即“流率系数”)。这一关系需对各种参考流率测定，从而获得许多个数据组，其中每个数据组都包含了流体的流速(Vm)和流率系数(K)。
接着，通过把由流速测量装置2测得的流体流速(Vm)乘上流率系数(K)和输流管1的横截面面积(S)，来获得测量的流率(Qm)。换言之，测量的流率(Qm)由公式Qm＝K·S·Vm计算得到。在图21中，箭头3代表流体流动的方向，图22示出由上述方法得到的流速(Vm)与流率系数(K)之间的关系。在图22中，水平轴代表由流速测量装置测得的流速(Vm)，垂直轴代表流率系数(K)。例如，如果流率测量装置2测得的流体流速(Vm)约为2m/s，则可从图22读出流率系数(K)约为0.89。因此，如果输流管1的横截面面积约为0.3×10-3m2，则测量的流率(Qm)为Qm＝2×0.89×0.3×10-3m3/s＝0.534×10-3m3/s＝1.9m3/h普通流率计存在以下问题。也就是说，这种流率计利用了许多个数据组(见图22)，其中每组数据都包含了由流速测量装置测得的流速(Vm)和流率系数(K)，并且根据目视观察把整个流速范围适当地分成一些区域，以便对于每个区域设定一条能最佳地接近于该区域内的各组数据(流率系数)的最佳接近线，由此得到一条最佳地接近于所有区域中的数据组(流率系数)的曲折线条。
通过重复地执行复杂的计算来设定一条这种最佳接近直线是耗时和费力的。而且，由于这种设定操作是基于目视观察的，所以重现性较差，每次设定所得到的最佳接近直线可能都不一样。虽然可以用高幂次的曲线来最佳地逼近流率系数，但由于微计算机的计算时间和有效数字位数等等都受限制，所以当用微计算机或类似工具进行计算时最好采用低幂次的逼近，例如线性逼近或二次逼近。
当流体种类改变为不同于测量参考流率和设定流率系数时所用的种类时，就必须通过对新流体重新测量平均流率(Qa)和流速(Vm)来重新设定新的流率系数(K)。
当流体温度变化时，流体的特性也可能改变，从而将改变流率系数从而降低流率测量的精度。
本发明的公开内容本发明即为解决上述问题而提出，它提供了一种设定流率系数的方法，该方法包括以下步骤利用由一个流速测量部分所测得的全部流速数据点中的几个相继数据点(Xi，Yi)和存储在一个参考数据存储部分中的参考数据，获取一条最佳接近线；通过增加或减少数目n使得n个数据点相对于最佳接近线的误差全都位在一个预定误差Er之内；用一个流率系数计算部分为设定一个区域而进行计算操作；以及把获得的流率系数存储在一个流率系数存储部分中。
按照具有这种结构的本发明流率系数设定方法，有可能利用一台个人计算或类似工具以良好的重现性容易且自动地设定流率系数，同时把流率值的误差限定在一个预定误差范围内。
本发明设定流率系数的另一种方法包括以下步骤利用由一个流速测量部分所测得的全部流速数据点中的多个数据点(Xi，Yi)和存储在一个参考数据存储部分中的参考数据，获取一个最佳接近曲线；把最佳接近曲线分割成m个区域；用一个流率系数计算部分为分别以各条最佳接近直线去逼近各个区域而进行计算操作；以及把获得的流率系数存储在一个流率系数存储部分中。
采用这种结构时，即使能得到的数据点数目有限，也仍有可能以较有效的方式和较短的时间来选出一条最佳曲线，使得在较宽的范围内以较小的误差设定流率系数。
本发明的一种流率计算包括一个流速测量部分，用于测量流体的流速；一个流率系数存储部分，用于存储由上述流率系数设定方法所设定的流率系数；以及一个流率计算部分，用于根据测得的流速并利用存储在流率系数存储部分中的流率系数来计算流体的流率。
采用这种结构有可能提供一种在一个宽流率范围内具有较小误差的流率计。
下面将说明本发明的各个实施例。
根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法包括以下步骤利用由一个流速测量部分所测得部分所测得的所有流速数据点中的n个相继数据点(Xi，Yi)和存储在一个参考数据存储部分中的参考数据，获取一条最佳接近线；通过增大或减小数n来使得n个数据点相对于最佳接近线的误差全部位在一个预定误差Er之内；用一个流率系数计算部分为设定一个区域而进行计算操作；以及把获得的流率系数存储在一个流率系数存储部分中。
按照具有这种结构的本发明流率系数设定方法，有可能利用一台个人计算机或类似工具以良好的重现性容易且自动地设定流率系数，同时把流率值的误差限定在一个预定误差范围内。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，如果n个数据点(Xi，Yi)分布在最佳接近线的中间部分的两侧，则用一个线性函数来代表该最佳接近线。
采用这种结构时，有可能用一个简单的线性函数来设定流率系数，从而能通过简单的计算来获得具有较小误差的流率值。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，如果n个数据点(Xi，Yi)分布在最佳接近线的中间部分的同一侧，则用一个二次函数来代表最佳接近线。
采用这种结构时，有可能用一条曲线在比采用线性函数时更宽的范围上以较小的误差来近似。
根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法包括以下步骤利用由一个流速测量部分所测得的所有流速数据点中的多个数据点(Xi，Yi)和存储在一个参考数据存储部分中的参考数据来获取一条最佳接近曲线；把最佳接近曲线分割成m个区域；由一个流率系数计算部分为分别用各条最佳接近直线去接近各个区域而执行计算操作；以及把获得的流率系数存储在一个流率系数存储部分中。
采用这种结构时，即使可得到的数据点数目有限，也可能以较有效的方式和较短的时间选择一条最佳曲线，使得能在较宽的范围上以较小的误差设定流率系数。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，最佳接近曲线被沿y轴方向均匀地分割成m个区域。
采用这种结构时，有可能在较短的时间内把数据范围沿y轴方向分割成m个区域，从而有效地设定流率系数。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，最佳接近曲线被沿X轴方向均匀地分割成m个区域，从而有效地设定流率系数。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，最佳接近曲线被X轴方向分割成m个区域，其中每个区域的宽度反比于该区域的最佳接近直线的斜率。
采用这种结构时，有可能在较短的时间内把数据范围分割成m个区域，同时能在设定流率系数时有效地使各个区域的误差互相接近。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，最佳接近曲线由Y＝a×log(X)＋b代表。
采用这种结构时，有可能在把设定范围分割成m个区域时仅用少达两个数据点来线性地逼近每个区域。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，最佳接近曲线由Y＝(a－b)/[1＋exp(-c×X)]＋b代表。
用采这种结构时，有可能在把一个宽的设定范围分割成n个区域时用少量的数据点来线性地逼近每个区域。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，流速测量部分包含一个热型流速传感器。
采用这种结构时，有可能特别对于低流率区域以较小的误差和良好的重现性来设定流率系数。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，流速测量部分包含一个超声流速计。
采用这种结构时，有可能在一个宽流率范围上以较小的误差和良好的重现性来设定流率系数。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数测定方法中，最佳接近线由线性函数或二次函数这样的低幂次函数代表。
采用这种结构时，有可能以简单的计算获取具有较小误差的流率值。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，一个同时含于两个相邻区域中的数据点被指定为属于这两个相邻区域中的下述那一个区域，在该区域中基于最佳接近线计算得到的误差Er比较小。
采用这种结构时，有可能减小区域边界值的误差。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，两个相邻区域的最佳接近线的交点被用作这两个区域之间的边界点。
采用这种结构时，有可能光滑地互相连接各个区域边界点。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，在所需的整个数据范围能被分解成预定数目的区域之前，误差Er是逐渐增大的。
采用这种结构时，即使区域数目是预定的，也有可能在以最小的误差设定流率系数的同时把数据范围分解成预定数目的区域。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，当流体的种类从第一流体改变为第二流体时，将通过把流率系数的X轴值乘上一个与流体种类有关的常数来把流率系数转换成新的流率系数。
采用这种结构时，即使流体的种类相对于用于设定流率系数的流体种类发生了改变，新流体的新流率系数也能容易地由转换原先的流率系数得到，由此抑制了这种流体种类改变可能造成的误差。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，该常数是一个新的流速(Vm×Vg/Vm)，它通过把第一流体的流速(Vm)乘上一个流速比(Vg/Vm)得到，其中Vg是任一流率系数值(Kc)下第二流体的流速。
采用这种结构时，即使流体种类发生了变化，也仍有可能仅利用一个与流体种类有关的数据点来更新流率系数，从而免除了重新测量流率系数的必要性。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，当流体的温度从一个第一温度改变成一个第二温度时，将通过把一个流率系数的X轴值乘上一与温度有关的函数值来把原来的流率系数转换成新的流率系数。
采用这种结构时，即使当流体的温度相对于设定流率系数时的温度发生了变化，也能容易地把原有的流率系数转换成新温度下的新流率系数，从而抑制了流体温度变化可能造成的误差。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，用来获取新流率系数的函数值由下式计算得到Vi·(Ts/Ti)-i其中Ts代表第一温度，Ti代表第二温度，Vi代表在Ti温度下测得的流体流速，i代表一个指数。
采用这种结构时，即使当流体的温度发生改变时，也有可能获得新温度下的流率系数，从而抑制了这种流体温度变化可能造成的误差。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，流体的绝对温度(Tm)是由一个热型流速计中的一个热敏电阻确定的。
采用这种结构时，不再需要单独设置一个温度传感器，从而实现了一种有效的设定方法。
在根据本发明一个实施例的一种流率系数设定方法中，流体的绝对温度(Tm)是由一个超声流速计中的超声波传播时间确定的。
采用这种结构时，不再需要单独设置一个温度传感器，而可以利用流体的特性实现精确的流体动力学温度测量。
根据本发明一个实施例的一种流率计包括一个流速测量部分，用于测量流体的流速；一个流率系数存储部分，用于存储由上述流率系数设定方法所设定的流率系数；以及一个流率计算部分，用于利用存储在流率系数存储部分中的流率系数和测量的流速来计算流体的流率。
采用这种结构时，有可能提供一种在一个宽流率范围上具有较小误差的流率计。
在根据本发明一个实施例的一种流率计中，流速测量部分包含一个热型流速传感器。
采用这种结构时，有可能提供一种特别在低流率区域中具有较小误差和良好重现性的流率计。
在根据本发明一个实施例的一种流率计中，流速测量部分包含一个超声流速计。
采用这种结构时，有可能提供一种在一个宽流率范围上具有较小误差和良好重现性的流率计。
附图的简单说明
图1是说明要发明实施例1的流率计的原理图；图2示出根据本发明实施例1的一个包含热型流速传感器的流速测量部分；图3示出根据本发明实施例1的一个包含超声发射接收器的流速测量部分；图4是说明本发明实施例1的一个表明流率系数的特性的图；图5是说明本发明实施例1的一个表明流率系数的特性的图；
图6是说明本发明实施例1的一个表明流率系数的特性的图；图7是说明本发明实施例1的一个表明流率系数的特性的图；图8是说明本发明实施例2的一个表明流率系数的特性的图；图9是说明本发明实施例3的一个表明流率系数的特性的图；图10是说明本发明实施例4的一个表明流率系数的特性的图；图11是说明本发明实施例5的一个表明流率系数的特性的图；图12是说明本发明实施例6的一个表明流率系数的特性的图；图13是说明本发明实施例7的一个表明流率系数的特性的图；图14是说明本发明实施例8的一个表明流率系数的特性的图；图15是说明本发明实施例8的一个表明流率系数的特性的图；图16是说明本发明实施例8的一个表明流率系数的特性的图；图17是说明本发明实施例9的一个表明流率系数的特性的图；图18是说明本发明实施例10的一个表明流率系数的特性的图；图19是说明本发明实施例11的一个表明流率系数的特性的图；图20是说明本发明实施例16的一个流率计的结构的图；图21是说明一个普通例子的流速测量部分的图；以及图22是说明一个普通例子的表明流率系数的特性的图。
实行本发明的最佳模式(实施例1)图1是说明根据本发明实施例1的一种流率计的流率系数设定方法的原理图。参见图1，该流率计包括一个包含一个热型流速传感器或超声发射接收器的流速测量部分4；一个用于存储一种流体的参考流率的参考数据存储部分5；一个用于存储由流速测量部分4所测得的流速数据的流速数据存储部分6；一个用于计算流率系数的流率系数计算部分7；以及一个用于存储计算得到的流率系数的流率系数存储部分8。
流经流速测量部分4的流体的参考流率数据被存储在参考流率数据存储部分5中。流经流速测量部分4的流体的测得的流速被存储在流速数据存储部分6中。流率系数计算部分7利用存储在参考流率数据存储部分5中的参考流率数据和存储在流速数据存储部分6中的流体流速数据计算出流率系数。计算结果被存储在流率系数存储部分8中。
图2示出一个以一个热型流速传感器作为流速测量装置的流速测量部分。图3示出另一个以超声发射接收器作为流速测量装置的流速测量部分。
参见图2，热型流速传感器10作为一个流速测量装置设置在一个输流管9中的一个点处，热型流速传感器10包含一个热敏电阻和一个加热元件。由一个外部单元向加热元件暂时提供电功率。然后，热敏电阻在加热元件的加热与流体对热敏电阻的冷却之间的热平衡状态可由热敏电阻的电阻值测得，这个热平衡状态再被转换成流体的流速。在此情形中，由流速测量装置所测得的流体流速(Vm)代表了流体在流速测量装置邻近的那一部分的流速。如果事先恰当地标定了热每电阻，便有可能由电阻值的变化测出流体的温度。
参见图3，超声发射接收器12和13分别被设置在输流管11中的相对上游方和下游方。上游方和下游方的超声发射接收器12和13各自向对方发射一个超声波，由此来测量超声波在两个方向上的传播时间。由这两个传播时间的差值可以测出流体的流速。在图3中，虚线14代表超声波的传播方向，点划线15和箭头16都代表流体的流动方向。代号17(θ)代表超声波传播方向与流动方向之间的夹角。在此情形中，作为流速测量装置的超声波发射接收器所测量的流速(Vm)是流体沿着超声波传播方向14的平均流速。
上述操作可以用公式表示为
Tud＝L/(Vs＋Vm×cosθ)；和Tdu＝L/(Vs－Vm×cosθ)其中，Tud代表由上游方超声发射接收器12发射的超声波传播到下游方超声发射接收器13所需的时间；Tdu代表由下游方超声发射接收器13发射的超声波传播到上游方超声发射接收器12所需的时间；L代表超声发射接收器12与13之间的距离；Vs代表声速；Vm代表流体流速。
于是，Vs＋Vm×cosθ＝L/Tud，和Vs－Vm×cosθ＝L/Tdu，这两个表达式的和及差分别是2×Vs＝(L/Tud)＋(L/Tdu)；以及2×Vm×cosθ＝(L/Tud)－(L/Tdu)；从而，Vs＝(L/2)×{(1/Tud)＋(1/Tdu)}；和Vs＝{L/(2×cosθ)}×{(1/Tud)－(1/Tdu)}；由上可以看出，声速可以根据两个超声发射接收器之间的距离L及两个传播时间Tud和Tdu的倒数和计算得到。流速Vm可以根据两个超声发射接收器之间的距离L及两个传播时间Tud和Tdu的倒数差计算得到。
图4对一些数据组(Vm，K)示出了流体流速(Vm)与用前述方法测得的流率系数(K)之间的关系。这些数据组被存储在参考数据存储部分5和流速数据存储部分6中。
图4的水平轴示出由流速测量装置测得的流体流速(Vm)，垂直轴示出流率系数(K)。如前所述，流率系数(K)可以由K＝Va/Vm算得。这里，平均流速(Va)可以由Va＝Qa/S算得(其中Qa代表参考流率，S代表输流管的横截面面积)。这样，参考流率(Qa)可以表示为Qa＝S×Va＝S×K×Vm。
下面将说明根据本发明的用于流率系数计算部分7的流率系数(K)的设定方法。首先，选择任意数目(例如5个)的相继数据组(Vm，K)(图4中的17、18、19、20和21)。然后，例如利用最小二乘法计算出一条能给出流率转换系数(K)的最佳接近直线22。
最佳接近直线22是一条能根据流速测量装置所测得的流速值(Vm)给出流率系数的直线。最佳接近直线22可以由下式表示Kc＝A×Vm＋B其中A和B分别代表该直线的斜率和截距。
计算所选5个数据组中每个数据组相对于最佳接近直线22的误差，然后判断这些误差是否在预定误差范围Er(例如0.5％)之内。具体地说，把测得的流速Vm代入最佳接近直线22的表达式(Kc＝A×Vm＋B)中，并计算出近似的流率系数(Kc)。将计算出近似的流率系数(Kc)与测量的流率系数(K)相比较，便得到它们之间的误差。
如果所有的数据组(本例中为5个数据组)都在误差Er(0.5％)之内，则如图5所示，添加一个新的数据组23，从而把数据组的数目增加到6。用与上述同样的方法，利用这6个数据组由最小二乘法获得另一条能给出流率系数(K)的最佳接近直线24。判断这6个数据组相对于最佳接近直线24的误差是否全都在误差Er之内。在本例中，6个数据组中有一组(例如数据组20)的误差大于Er。于是，在本例中，位于预定误差范围Er之内的最多可能的相继数据组数目为5。这样，设定第一区域将包括5个数据组17、18、19、20和21。
接着，从第一区域的最后一个数据组21开始，选择任意数目的数据组(21、23、25、26、…)。然后如上所述，用最小二乘法计算出一条最佳接近直线，并判断这些数据组是否在误差Er之内。这样，用上述方法设定一个满足误差Er的第二区域。例如，如果有6个数据组21、23、25、26、27和28而不是更多个数据组在误差Er之内，则将确定第二区域将包含这6个数据组，由此得到了另一条最佳接近直线29。这一情况示于图6。在该情形中，数据组21是两个区域之间的边界点。其后按此方法设定其他各个区域。当完成了这种设定操作时，每个区域中由最佳接近直线给出的流率系数都将在预定误差Er之内。
图7示出所获得的包括了多个区域的多条最佳接近直线。包括了多个区域30—39的这些能给出流率系数的最佳接近直线被存储在流率系数存储部分中。第一区域30包含5个数据组，它们的最佳接近直线由代号22表示。第二区域31包含6个数据组，它们的最佳接近直线由代号32表示。第三区域33包含7个数据组，它们的最佳接近直线由代号34表示。第四区域35包含4个数据组，它们的最佳接近直线由代号36表示。第五区域37包含4个数据组，它们的最佳接近直线由代号38表示。第六区域39包含6个数据组，它们的最佳接近直线由代号40表示。
当把上述方法应用于一部分区域时，可以设定一个上限值或一个下限值，使得设定操作可以从一个数据组沿着向着上限值或下限值的单个方向进行。在这种情形下，有可能更有效地执行设定操作，从而可节省时间。
(实施例2)图8示出存储在流率系数存储部分中的一个区域的流速(Vm)与流率系数(K)之间的关系。在图8中，代号40表示一条最佳接近直线，代号41表示比最佳接近直线40高0.5％的另一条最佳接近直线，代号42表示比最佳接近直线低0.5％的另一条最佳接近直线，代号43表示该区域的上限，代号44表示该区域的下限。在此情形中，测得的流速(Vm)与流率系数(K)之间的关系是分布在一个相对于由一个线性函数所代表的最佳接近直线40的±0.5％的范围之内的。这样，一条由线性函数所代表的最佳接近线便足以近似所得到的那些数据点。
(实施例3)图9示出存储在流率系数存储部分中的另一个区域的流速(Vm)与流率系数(K)之间的关系。在图9中，代号45表示一条最佳接近线，代号46表示比最佳接近线45高0.5％的另一条最佳接近线，代号47表示比最佳接近线45低0.5％的另一条最佳接近线，代号48表示该区域的上限，代号49表示该区域的下限。在此情形中，测得的流速(Vm)与流率系数(K)之间的关系是按一个钟形的曲线分布的。具体地说，位于由一个线性函数所代表的区域(位于48与49之间)的中央部分的那些数据点向着最佳接近线45的上方移动。另一方面，靠近上限48的那些数据点和靠近下限49的那些数据点则向着最佳接近线45的下方移动。在该情形下，如果用一条钟形二次曲线50来代表一条最佳接近线，则各个数据点将被该最佳接近二次曲线更好地逼近。
所以，当位于一个区域的中央部分的那些数据点移向最佳接近线的一侧时，用一个二次函数来代表最佳接近线将比用线性函数来代表要更为有效，这将使得可以减小误差和/或把更大的范围设定为一个区域，从而使设定操作更为有效。
(实施例4)下面将说明流率系数设定的另一种方法。
图10示出对应于一些数据组(Vm，K)的测得的流速(Vm)与流率系数(K)的关系。这些数据组被存储在参考数据存储部分5和流速数据存储部分6中。
首先，由流率系数计算部分7利用图10中的所有数据组(Vm，K)和最小二乘法或类似方法计算出一个能给出流率系数K的最佳接近函数。最佳接近函数例如可以是一个5次曲线Y＝a5X5＋a4X4＋a3X3＋a2X2＋a1X1＋a0X0。在图10中该最佳接近曲经由实线51表示。预定的流速范围被分成预定数目n个区域。通过把沿着所得实线51上的值作为流率系数的真值，对每个区域进行线性逼近。这样，即使对于一个位于两个测量数据点之间的不具有测量值的点，也可以利用5次曲线51由流速(Vm)计算出流率系数(K)。所以有可能更精确地获得一条接近直线。
由上述方法计算得到的最佳接近线被存储在流率系数存储部分8中。
从上述5次表达式可以看出，只需要6个数据点就可以得到一条5次曲线(或6个未知量“a5、a4、a3、a2、a1和a0”)。相应地，获得一条4次曲线需要5个数据点，获得一条3次曲线需要4个数据点。这样，按照上述方法，可以用少量的数据点来复覆一个宽的范围。此外，如果预先知道趋势，就可以通过根据最佳接近线的幂次确定流速(Vm)与流率系数(K)之间的关系来更有效地设定流率系数。
(实施例5)下面将说明把一个给定的流速范围分割成n个区域的一种方法。图11示出把流速(Vm)的范围分割成5个区域的情况。较具体地说，流速(Vm)的范围被分割成如下5个区域0—1.3，1.3—2.6，2.6—3.9，3.9—5.2，和5.2—6.5。对于每个边界处的Vm值，都用5次曲线51计算出流率系数(K)。计算得到的各个边界点互相用直线连接起来。这5条直线(图11中的5条实线52、53、54、55和56)被用作流率系数的最佳接近直线。例如，对于实线52，其两端数据组是由图10所示的5次曲线计算得到的，得到的两个数据组(Vm，K)是(0，0.65)和(1.3，0.87)。然后流率系数(K)可以由下式表示K＝0.16×Vm＋0.65。如上所述，即使一个不具有测量数据的点也可容易地计算出来。这样，可以容易地设定一条接近直线。
(实施例6)下面将说明另一种分割成n个区域的方法。图12示出把流率系数(k)的范围分割3个区域的情况。较具体地说，流率系数(K)的范围被分割成这样3个区域0.65—0.77，0.66—0.88，和0.88—0.98。对于每个边界处的流率系数(K)，计算出一个对应于边界点的数据组。计算得到的各数据点互相用直线连接起来。这些直线(在图12中分别由三条实线57、58和59表示)分别被用作相应区域的流率系数接近直线。
如同实施例5一样，即使一个不具有测量数据的点也可以容易地计算出来。这样，可以容易地设定接近直线。所设定的用于计算流率系数(K)的各接近直线被存储在流率系数存储部分中。
在实施例5的设定方法中，上限值或下限值最好对流速Vm(或者，对于实施例6，最好对流率系数(K))给出，这样可更有效地执行设定操作。用这种方法，可以在更短的时间内更有效地执行设定操作，尤其当把本发明应用于流率计或类似器件时更是这样，因为那里通常预先给定了所要求的流速范围或流率系数范围。
(实施例7)下面将说明又一种分割成n个区域的方法。在该实施例中，每个区域的宽度(沿x轴的宽度)被设定得反比于接近直线的斜率，从而可改善对流率系数(K)的接近程度。采用这种方法时，斜率较大的区域具有较小的x轴方向宽度，斜率较小的区域具有较大的x轴方向宽度。其结果是，取决于斜率的接近直线的接近程度在全部区域中变得更为均匀。图13示出用这种方法把一个数据范围分割5个区域的情况。较具体地说，流率系数(K)的数据范围被分割成这样5个区域0.65—0.73，0.73—0.83，0.83—0.88，0.88—0.93，和0.93—0.98。在该图中，5条接近直线分别由5和实线60、61、62、63和64表示。如上所述，即使对于一个不具有测量数据的点，也可以利用5次曲线容易地计算出一个对应于边界值的数据组。这样，可以容易地设定接近直线。设定的用于计算流率系数(K)的接近直线被存储在流率系数存储部中。
(实施例8)下面将参考图14说明再一种分割成n个区域的方法，在该方法中对流率系数的接近程度被进一步改善，从而能更好地把误差限制在预定误差Er之内。图14示出一条由测量数据组(Vm，K)得到的5次曲线51。较具体地说，图14示出利用5次曲线51作为预定误差Er例如为2％的流率系数真值，从上限值65(用符号“O”表示)开始的设定操作的情况。在5次曲线51上任意选择一个其流速(Vm)小于点65的流速的点，例如点66(也用符号“O”表示)。参见图15所示的放大图，用一条直线(由虚线67表示)把点65与66互相连接起来。假定直线67是一条能给出流率系数(k)的接近直线。由于直线67通过了5次曲线51上的两个点65和66，所以可以利用前述的5次表达式容易地计算出两个点65和66的标值(Vm，K)。从而代表通过两个点65和66的直线的表达式也可以容易算得。
然后，对点65和66之间的一个选定流速Vm计算出流率系数(K)。具体地说，利用5次曲线51计算出流率系数(K)的真值。此外，对于流速Vm还利用直线67计算出流率系数的近似值(Kc)。通过对计算的近似值(Kc)与真值(K)进行比较，计算出它们之间的误差。如果该误差在预定误差Er(2％)之内，则把点66向较小流速(Vm)方向(即向图15的左方)作少许移动，并重复上述操作。如果算得的误差大于预定误差Er(2％)，则把点66向较大流速(Vm)方向(即向图15的右方)作少许移动，并重复上述操作。点66每次移动的量取决于所要求的精度。在本实施例中，每次移动量被设定为0.001。
图16示出上述操作的结果。参见图16，从上限值65(用符号“O”表示)开始设定了5条接近直线(由虚线67、68、69、70和71表示)，其中每条接近直线的误差都在误差Er(2％)之内。这样，预定的流速(Vm)范围被分割成了5个区域。得到的结果表明，5次曲线51上任何一点相对于利用这些接近直线计算得到的数据的误差都在2％之内。设定的用于计算流率系数(K)的接近直线被存储在流率系数存储部分中。
(实施例9)现在将说明再一种分割成n个区域的方法，该方法与实施例8的类似，但更适用于区域的最大数目也即接近直线的最大数目有所限制的情况。例如，假定接近直线(区域)的最大数目为3。实施例8中的设定操作是在预定误差Er为2％的条件下进行的，结果得到了5条接近直线(5个区域)。由于这个数目超过了允许的最大区域数目(3个)，所以将逐步增大预定误差Er，例如增大为2.5％、3.0％等等，并重复实施例8中的设定操作。用这种方法可以得到在全部区域上具有最佳误差分布的3条接近直线(3个区域)。
另一方面，当接近直线的数目可以大到10时，则可以逐步减小预定误差Er，例如减小到1.5％、0.5％等等，由此可以得到在全部区域上具有最佳误差分布的10条接近直线(10个区域)。对于图14至16中所示的数据，当误差Er为0.5％时接近直线的数目为9。用这种方法可以对任何特定数目的接近直线得到最佳的误差分布。设定的用于计算流率系数(K)的接近直线被存储在流率系数存储部分中。
(实施例10)下面将说明一种可以用作流率系数(K)的真值的非5次曲线函数。已经发现，在图2和3所示的流速测量部分布局条件下，下述这种函数形式具有高于5次函数的接近程度。
Y＝a×log(X)＋b其中X代表流速(Vm)，Y代表流率系数(K)。
图17示出由上述表达式在a＝0.067和b＝0.299时得到的一条实线72。从图17可以看出，实线72是一条在流速(Vm)从0.2到6.0的宽范围内的良好接近曲线。在该情形中，由于只有两个未知量(a和b)，所以只用两个测量数据点就可以计算出上述表达式，进而能计算出一个宽范围上的接近曲线。这样，也有可能通过根据两个数据组(Vm，K)计算出上述表达式并利用计算值作为流率系数的真值来计算出接近直线。这样，操作效率将大为改进。在实施例10中，上述函数形式被应用于所有的区域。或者，也可以通过部分地把上述形式应用于某些区域来更有效地进行设定操作。
(实施例11)下面将说明另一种函数形式。已经发现，对于图2和3所示的流速测量部分布局，如果在输流管中流速测量部分的上游方设置一个整流(rectification)部分，则流率系数(K)在低流速区域和高流速区域将趋向于接近一个恒定值。在该情形中，由下述表达式代表的函数将比实施例10中的函数具有更高的接近程度。
Y＝(a－b)/[1＋exp(-cX)]＋b其中X代表流速(Vm)，Y代表流率系数(K)，a、b、c为未知量。
这里，未知量b代表低流速区域中的恒定值，即流率系数的下限值。未知量a代表高流速区域中的恒定值，即流率系数的上限值。图18示出当在上游方设置了整流部分时测量得到的流率系数值和上述表达式在a＝0.920、b＝0.385、c＝1.50情况下计算得到的流率系数值。在图18中，每个符号“◇”代表一个测量值，而实线73则是一条由上述表达式得到的曲线。可以看出，上述含有3个未知量a、b、c的函数表现出十分宽范围上的良好接近性。上述表达式可以只用少达3个数据组(Vm，K)计算出来。利用得到的值作为流率系数(K)的真值，有可能不必测量许多个数据点而容易地设定关于流率系数(K)的接近直线。
同样，设定的用于计算流率系数(K)的接近直线被存储在流率系数存储部分中。还已经确认，当流率系数(K)在高流速区域呈现出向右上方倾斜的变化(即流率系数(K)随流速正比地增大)时，可以通过把上述函数形式中的a用d×X＋e代替来获得对测量值的良好近似。不过，在此情形中多出了一个未知量d。在实施例11中，上述函九形式被应用于所有的区域。或者，也可以仅把该函数形式部分地应用于某些区域，从而使设定操作能更有效地进行。
(实施例12)下面将讨论如何来处理两个相邻区域之间的边界点。流率系数和区域是利用相继的各个数据组设定的。结果，对应于两个区域之间的数据组将同时属于两个区域。如果由流速测量部分测得的液体流速与某个边界流速值相同，则有必要确定区域。如果由流速测量部分测得的液体流速与某个边界流速值相同，则有必要确定应使用哪一个区域的流率系数来对应测量的流速。根据实施例12，两个相邻区域之间的边界值被设定为属于能给出较小流率系数误差的那个区域。结果，有可能减小边界值的误差。
(实施例13)下面将说明一种设定边界值的方法。把对两个相邻区域设定的两条低次最佳接近的交点用作这两个区域之间的边界值。
这个方法可以减小可能出现在两条相邻最佳接近线之间的间隙，由此可更光滑地把两条最佳接近线连接起来。此外，采用该方法时，有可能唯一地确定两个相邻区域之间的边界，并实现测量流速(Vm)与流率系数(K)之间的一、一对应关系。
(实施例14)另一种设定流率系数的方法适用于在设定了流率系数(K)之后待测流率的流体种类发生了变化的情况。例如，假定这样一种情况起始要测量空气的流率，因此获取了一些测量值(在图18中这些值都用符号“◇”表示)并设定了流率系数(K)(图18中用实线73代表)，但后来要测量的流体改变成了氮气、甲烷、丙烷等等。参见图18，空气在0—7m/s流速范围内的流率系数(K)例如约从0.65变到0.98。流率系数值在0.65与0.98之间的中间值约为K＝0.80。于是用流速测量装置测量新流体在K＝0.80的流速，并用下述公式计算流速比RvRv＝Vm(新气体，0.80)/Vm(空气，0.80)其中Vm(新气体，0.80)代表新流体在K＝0.80时的流速，Vm(空气，0.80)代表测得的K＝0.80时的空气流速。
然后，可以通过把测得的空气流速(可从图18得到)乘上流速比Rv来得到新的流速。图19以双点划线74示出得到的结果。在该例子中，流速比Rv约从2到3。如上所得到的双点划线74代表了新流体(气体)的经转换的流率系数(K)。图19中的实线73代表空气的流率系数(K)。
用这种方法，即使待测流体发生了改变，也仍能容易地重新计算出流率系数(K)。这样，有可能不再必须对新流体(气体)进行新的流率系数测量而容易地获得新流体(气体)的流率系数。换言之，有可能通过根据流体种类来改变(本例中为重新标定)流速(Vm)以获得另一种流体的流率系数。如前所述，待测流体的任何变化都可以简单地通过给流率系数(K)图的水平轴值(Vm)乘上一个取决于流体种类的常数(即流速比Rv)来适应。
(实施例15)下面将讨论一种适用于下述情况的流体流率系数设定方法，在该情况中，当对某种流体于某一温度下设定了流率系数(K)之后，待测流率的流体的温度发生了变化。当流体的温度发生了变化时，流体的特性可能随之改变，从而造成测量流率值的误差。实施例15的方法即使在流体曙度发生了变化时也可以以较小的误差给出流率值。
例如，假定图18所示的流率系数(K)原先是在温度Ts(例如20℃或293.15K，参考温度)下设定的。但在测量流体的流率之前流体的温度改变成(例如由于环境温度的变化)了一个新的温度Ti。如果在该新温度下使用原定的流率系数(K)，将造成误差。通过实验已经确认，有可能用下述方法把误差限制在实际上不会成为问题的水平上(例如小于等于约1.5％)。首先在新温度Ti下测量流速Vi。然后按下式把流速Vi转换成一个新流速Vi2Vi2＝Vi×(Ts/Ti)-i其中Ts代表设定流率系数(K)时的流体温度，Ti代表测量流体流率时的流体温度，Vi代表新温度Ti下测得的流体流速，i代表一个下面将要说明的指数。这里，温度Ts和Ti都是绝对温度[K]。
然后，由图18获得新温度Ti下的一个流率系数Ki，作为对应于转换流速Vi2的流率系数值。最后，根据所得到的流率系数Ki计算出流体的流率。
关于指数i，已经确认它最好应在约1.5至3.0之间，尤其最好在2.5左右，这个值表现出与实验数据有最佳的一致性。
举例而言，假定下述情况；在流体温度Ts＝20℃(293K)下设定了流率系数(K)，其后在流体温度Ti＝0℃(273K)下测得同一流体的流速Vi＝2m/s。在20℃下，可以从图12读出2m/s流速对应的流率系数(K)约为0.89。但由于温度己改变成0℃，所以应代之以按如下步骤来获得流率系数(K)。首先，利用上述公式把测得的流速Vi转换成Vi2Vi2＝2·(293/273)-2.5＝2.38m/s然后可以从图18读出0℃温度下的流体流率系数(Ki)约为0.91(对应于Vm＝2.38m/s)。
这样，即使流体温度发生了变化，也可以通过转换图18中的实线73，也即把第一温度(20℃)下的流率系数转换成新温度下的另一个流率系数，来获得新温度下的流率系数值，从而免去了在新温度下重新测量流率系数的必要性，进而使设定操作十分高效。换言之，由于是利用了一个最佳函数来设定对流率系数的接近直线的，所以有可能即使当流体温度发生变化时，利用简单的坐标变换，即给x轴值(流速)乘上一个与温度有关的函数值(例如本例中的温度比)，来计算出新温度下的新流率系数。
为了测量流体温度，可以在输流管中独立设置一个温度传感器。但根据本发明，这也不一定是必要的。例如，当流体流速是用一个热型流速传感器测量时，由于热型流速传感器包含了一个热敏电阻，所以可以通过测量该电阻的电阻值容易地获得流体的温度。
当用一对超声发射接收器(它们分别设置在输流管中的相对上游方和下游方)测量流体流速时，由于下述原因，也没有必要单独设置一个温度传感器。
位于上游方和下游方的超声发射接收器之间的距离L是已知的常量。因此，根据两个超声发射接收器之间的平均传播时间(即从上游方到下游方与从下游方到上游方的传播时间的倒数和)，即可从下式获得声音在测量流体中的传播速度VsVs＝(L/2)×{(1/Tud)＋(1/Tdu)}可以看出，上述声速表达式中不含有流体的流速项。这意味着待测流体中的声速可以独立于流体的流速获得。
由于流体中的声音传播速度与流体温度有强烈依赖关系，所以有可能根据声速来获得流体温度。众所周知，空气中的声速V(空气)m/s可表示为如下的线性函数V(空气)＝331.5＋0.6×t，或V(空气)＝331.5＋0.6×(Tabs-273.15)其中t代表摄氏温度(℃)，Tabs代表绝对温度(K)。
由于如上所述，流体温度t可以容易地由声速V(空气)得到，所以在本发明中没有必要单独设置一个温度传感器来测量流体温度。
在上述实施例15中，为了适应流体的温度变化而使用了流体的温度比(绝对温度比)来转换流率系数。然而，由于如上所述，流体的温度与流体中的声速是相互强烈相关的，所以也可以用流体的声速比来代替温度比。不过在此情形中指数i可能与前述稍有不同。
(实施例16)现在将参考图20说明一种利用由本发明流率系数设定方法所得到的流率系数(K)的流率计。参见图20，该流率计包括一个流速测量部分4，用于测量流体的流速；一个流率系数存储部分8，用于存储上述根据本发明设定的流率系数；一个流率计算部分75，用于根据由流速测量部分4测得的流体流速为(Vm)和存储在流率系数存储部分8中的流率系数(K)来计算流体的流率；以及一个输出部分76，用于输出计算得到的流率值(Qcal)。当流速测量部分4测得流体流速为Vm时，将从流率系数存储部分8获得对应于流速Vm的流率系数(K)。然后，流率计算部分75通过执行计算Qcal＝S×Vm×K来获得流体的流率(Qcal)。计算结果被输出给输出部分76，该部分包含一个液晶显示器或类似器件。
如上所述，本发明的流率计包含了用于存储根据前面详述的流率系数设定方法所设定的流率系数的流率系数存储部分8。所以，本发明的流率计能输出具有较小误差的流率值。即使流体种类相对于设定流率系数时所用的流体发生了变化，也可以如前所述容易地转换流率系数，从而本发明的流率计仍能输出具有较小误差的流率值。此外，当流体的湿度发生变化时，也能如前述那样地转换流率系数，从而本发明的流率计仍能输出具有较小误差的流率值。
(实施例17)实施例17中的流率计与上述实施例16中说明的类似，只是实施例17中的流速测量部分4采用了一个热型流速传感器。换言之，流速测量部分4具有图2所示的结构。采用这种结构时，有可能提供一种特别在低流率区域具有较小误差的流率计。此外，流体的温度可以直接由热型流速传感器中的热敏电阻测量。这样，这种流率计可以有较简单的结构，不必要单独设置一个温度传感器来测量流体的温度。
(实施例18)实施例18中的流率计与上述实施例16中的类似，只是实施例18中的流速测量部分4采用了一对分别设置在流体管中流速测量部分的上游和下游方的超声发射接收器。换言之，流速测量部分4具有图3所示的结构。采用这种结构时，有可能提供一种特别在一个宽流率范围上具有较小误差的流率计。此外，流体的温度可以直接根据声速测量。这样，这种流率计可以有较简单的结构，不必要单独设置一个温度传感器来测量流体的温度。
工业应用性从上述说明可以明显看出，本发明的流率系数设定方法首先利用任选数目的相继数据组获得低次最佳接近线，然后通过选择(或调节)数据组的数目获得让最大可能数目的数据组全部位在一个预定误差Er之内，从而有效地设定最佳接近线。
或者，也可以利用一个宽范围上的一些数据组获得一条代表最佳接近曲线的高次函数，然后根据该最佳接近曲线获得代表对流率系数的最佳接近线的低次函数。在此情形下，有可能利用有限数目的数据组在一个宽范围上快速而有效地计算出流率系数。
本发明的另一种流率系数设定方法通过给x轴值乘上一个与流体种类有关的常数来把对一种类型流体的流率系数转换成对另一种流体的新流率系数。这样，即使流体种类相对于设定流率系数时所用的流体发生了变化，也能容易地把流率系数转换成对新流体的新流率系数，由此实现了即使当发生了流体种类变化时也仍具有较小误差的流率系数。
本发明的又一种流率系数设定方法通过给x轴值乘上一个与温度有关的函数值来把对一个温度下的流率系数转换成对另一个温度下的新流率系数。这样，即使当流体的温度相对于设定流率系数时的温度发生了变化，也能容易地把流率系数转换成新温度下的新流率系数，由此实现了即使当流体温度发生变化时仍具有较小误差的流率系数。
一种利用这种流率系数设定方法的流率计能在一个大流率范围上测量到具有较小误差的流体流率。
权利要求
1.一种设定流率系数的方法，该方法包括以下步骤利用存储在一个用于存储由一个流速测量部分所测得的流速数据的流速数据存储部分中的所有流速数据点中的n个相继数据点(Xi，Yi)和存储在一个参考数据存储部分中的参考数据，获得一条最佳接近线；通过增大或减小数目n使得所有n个数据点相对于最佳接近线全都位在一个预定误差Er之内；利用一个流率系数计算部分为设定一个区域而执行计算操作；以及把得到的流率系数存储在一个流率系数存储部分中。
2.根据权利要求1的设定流率系数的方法，其中当n个数据点(Xi，Yi)分布在最佳接近线中间部分的两侧时用一个线性函数来代表最佳接近线。
3.根据权利要求1的设定流率系数的方法，其中当n个数据点(Xi，Yi)分布在最佳接近线中间部分的同一侧时用一个二次函数来代表最佳接近线。
4.一种设定流率系数的方法，该方法包括以下步骤利用存储在一个用于存储由一个流速测量部分所测得的流速数据的流速数据存储部分中的所有流速数据点中的多个数据点(Xi，Yi)和存储在一个参考数据存储部分中的参考数据，获得一条最佳接近曲线；把最佳接近曲线分割成m个区域；为用各条最佳接近直线去分别逼近各个区域，用一个流率系数计算部分进行计算操作；以及把得到的流率系数存储到一个流率系数存储部分中。
5.根据权利要求4的设定流率系数的方法，其中的最佳接近曲线被沿着y轴方向均匀地分割成m个区域。
6.根据权利要求4的设定流率系数的方法，其中的最佳接近曲线被沿着x轴方向分割成m个区域。
7.根据权利要求4的设定流率系数的方法，其中的最佳接近曲线被沿着x轴方向分割成m个区域，使得每个区域的宽度反比于该区域的最佳接近直线的斜率。
8.根据权利要求4的设定流率系数的方法，其中的最佳接近曲线由Y＝a×log(X)＋b代表。
9.根据权利要求4的设定流率系数的方法，其中的最佳接近曲线由Y＝(a－b)/[1＋exp(-C×X)]＋b代表。
10.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，其中的流速测量部分包括一个热型流速传感器。
11.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，其中的流速测量部分包括一个超声流速计。
12.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，其中的最佳接近线由一个为线性函数或二次函数的低次函数代表。
13.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，其中一个为两个相邻区域所包含的数据点被设定为属于两个相邻区域中根据最佳接近线计算出的误差Er较小的那个区域。
14.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，其中两个相邻区域的两条最佳接近线的交点被用作这两个区域之间的边界点。
15.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，其中在整个所需数据范围能被分割成预定数目的区域之前误差Er是逐渐增大的。
16.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，基中当流体的种类从第一流体改变为第二流体时，将通过把流率系数的x轴值乘上一个与流体种类有关的常数来把流率系数转换成新的流率系数。
17.根据权利要求16的设定流率系数的方法，其中的常数是一个新的流速(Vm×Vg/Vm)，它通过把第一流体的流速(Vm)乘上一个流速比(Vg/Vm)获得，其中Vg是第二流体在任一流率系数值(Kc)下的流速。
18.根据权利要求1或4的设定流率系数的方法，其中当流体的温度从第一温度改变为第二温度时，将通过把流率系数的x轴值乘上一个与温度有关的函数值来把流率系数转换成新的流率系数。
19.根据权利要求18的设定流率系数的方法，其中用来获取新流率系数的函数值是由下式计算得到的Vi×(Ts/Ti)-i其中Ts代表第一温度，Ti代表第二温度，Vi代表在Ti下测得的流体流速，i代表一个指数。
20.根据权利要求18的设定流率系数的方法，其中流体的绝对温度(Tm)是由一个热型流速传感器中的一个热敏电阻确定的。
21.根据权利要求19的设定流率系数的方法，其中流体的绝对温度(Tm)是由超声波在一个超声流速计中的传播时间确定的。
22.一种流率计，它包括一个流速测量部分，用于测量流体的流速；一个流率系数存储部分，用于存储用根据权利要求1或4的设定流率系数的方法所设定的流率系数；以及一个流率计算部分，用于根据测得的流速和存储在流率系数存储部分中的流率系数来计算流体的流率。
23.根据权利要求22的流率计，其中的流速测量部分包括一个热型流速传感器。
24.根据权利要求22的流率计，其中的流速测量部分民括一个超声流速计。
全文摘要
本发明涉及一种设定用于测量流体流率的流率计的流率系数的方法,以及一种含有由该流率系数设定方法所设定的流率系数的流率计。本发明的一个目的是提供一种方法和一种具有较小误差的流率计,该方法能有效地提供一条由一个低次函数所代表的最佳接近线,使得包含了一些数据组的流率系数在一个预定误差之内。为了达到上述目的,本发明包括以下步骤:利用n个相继的数据点(Xi,Yi)获得一条最佳接近线;增大或减小数目n使得n个数据点相对于最佳接近线全都在一个预定误差Er之内;以及设定一个区域。这样,有可能利用一台个人计算机或类似工具容易、自动、高效、且上有良好重现性地设定流率系数。
文档编号G01F1/66GK1330764SQ9981468
公开日2002年1月9日 申请日期1999年10月25日 优先权日1998年10月26日
发明者黄地谦三 申请人:松下电器产业株式会社