对压力不敏感的热型流量计的制作方法

对压力不敏感的热型流量计
[0001]
说明书
[0002]
本发明涉及一种热型流量计，该热型流量计包括用于待确定其流量的介质的流量管，传感器管，该传感器管具有在第一位置处流体地连接到该流量管的入口和在第二下游位置处流体地连接到该流量管的出口，其中传感器管包括热流量传感器，其用于测量传感器管中的温度差以确定流量。
[0003]
从例如ep 1.867.962中已知这种热型流量计。通常，从jp-s56 73317a和wo 2012/057886中还已知热流量传感器。包含流量传感器和带有毛细管的传感器管的热流量计利用了以下事实：从管壁到在管中流动的流体(气体或液体)的热传递是质量流速、流体温度和壁温之差以及流体比热容的函数。在质量流量控制器中，可以使用多种流量传感器配置。
[0004]
本发明特别涉及一种热型流量计，其还包括：
[0005]-设置在流量管处或附近的压力传感器，其中压力传感器流体地连接至例如流量管的入口，或通常在传感器管入口上游的位置，以测量通过流量管的介质的流的压力，以及
[0006]-设置在流量管处的温度传感器，用于测量通过流量管的介质的流的温度。
[0007]
众所周知，标准的热质量流量计(mfm)或质量流量控制器(mfc)对压力和/或温度的变化或波动敏感。这些仪器针对指定的操作条件(压力和温度)进行了校准。当操作条件改变时，必须修改转换因子。这些新的转换因子通常是离线计算的，并加载到mfm或mfc中。
[0008]
当前可用的对压力不敏感的mfm/mfc通过使用介质特性的查找表或多项式拟合来测量压力和温度并确定校正因子。
[0009]
例如，us 2017/0115150 a1公开了一种毛细管加热型热型质量流量计，其包括被配置为检测流体的温度和压力的传感器以及校正装置，其被配置为基于所述温度和所述压力，先前获得的流体的质量流速相对于温度和压力的变化率来校正质量流速，并且基于所述温度和所述压力以及这些变化率来校正质量流速。
[0010]
上述测量方法和系统出现的问题是测量信号中的误差仍然相对普遍，用于校正从热流量传感器获得的信号的上述方法相对麻烦。如上所述，us2017/0115150 a1利用先前获得的变化率数据来校正质量流速。更具体地，如us 2017/0115150 a1的第[0068]段中所公开的，测量与参考流体不同种类的流体的质量流速。为了使用热质量流量计计算出与参考流体具有不同的热物理特性(例如，热容等)的流体的质量流速，根据流体的热物理特性校正实际测量的质量流速。其中，质量流速通过转换因子(cf)进行校正，该转换因子(cf)是事先为不同类型的流体获取的固有校正系数。
[0011]
因此，本发明的目的是提供一种如上所述的热型流量计以及一种测量/校正方法，其中，测量信号的不准确性被进一步最小化，并且校正从热流量传感器获得的信号变得不那么麻烦。
[0012]
根据本发明的流量计，其特征在于，
[0013]-确定实际介质特性的处理单元，其用于基于由压力传感器测得的压力、由温度传感器测得的温度和固有介质数据来确定实际介质特性，其中，固有介质数据由介质类型或介质混合物(medium mix)、和仪器设置确定，
[0014]-确定流量的处理单元，其用于通过利用实际介质特性和校准数据连续计算通过热流量传感器的实际流量来确定流量。在优选的实施方式中，力由压力传感器连续测量，且温度由温度传感器连续测量。
[0015]
因此，可以实时和/或连续地测量压力、温度和流量信号，然后将其传输到处理单元，该处理单元利用已知的算法来计算例如实际密度、粘度、热容和热导率，并由此计算出实际(即校正/补偿)的气体流量。
[0016]
通过热流量传感器测得的温度差(δt)和实际介质特性可用于(实时和/或连续地)计算实际质量流量，并增强了对于压力和温度的独立性。
[0017]
由于流量计不再依赖于查找表中包含的或通过使用多项式拟合计算的校正因子，因此上述流量计提供了更为准确的流量确定结果，且此外，流量计的用户不再需要将转换因子重新加载到流量计中，使流量计更易于使用。上述流量计有效地防止了压力变化的发生(例如在诸如机械钟表或气瓶的已知系统中出现的)以及随之而来的测量误差，从而导致上述热型流量计实际上对压力不敏感。另外，当气体或流体朝着蒸气压力管线移动时，上述热型流量计允许限制系统。此外，上述热型流量计允许通过使用实际压力来计算阀容量。
[0018]
因此，与us 2017/0115150 a1中公开的流量计相反，根据本发明的流量计不必使用先前确定的校正因子来计算质量流速(mass flow rate)。根据本发明的流量计连续测量固有介质数据，且因此不必使用先前存储的数据。此外，根据本发明的流量计优选地实时测量固有介质数据。
[0019]
有利的实施方式形成从属权利要求的主题。这些实施方式中的一些将在下文中更详细地说明。
[0020]
在流量计的实施方式中，实际介质特性包括实际密度、粘度、热容、热导率和/或蒸气压，由此计算出实际介质特性。介质当然可以包括流体、气体或液体。
[0021]
在流量计的实施方式中，压力传感器和温度传感器设置在第一位置下游的且第二位置上游的流量管处。
[0022]
固有介质数据可以包括分子质量、临界性质、偶极动量和/或沸点。
[0023]
本发明的另一方面涉及一种通过使用热型流量计来确定介质的流量的方法，该方法包括以下步骤：
[0024]-使介质流过热型流量计的流量管
[0025]-使介质流过传感器管，传感器管具有在第一位置处流体地连接到流量管的入口和在第二下游位置处流体地连接到流量管的出口，
[0026]-使用传感器管包括的热流量传感器测量(优选地连续地)传感器管中的温度差，以确定流量，
[0027]-通过使用设置在流量管处或其附近的压力传感器测量(优选地连续地)通过流量管的介质的流的压力，
[0028]-通过使用设置在流量管处的温度传感器测量(优选地连续地)通过流量管的介质的流的温度，其特征在于，
[0029]-基于由压力传感器测得的压力、由温度传感器测得的温度和固有介质数据确定实际介质特性，其中固有介质数据由介质类型、仪器设置和/或介质混合物确定，
[0030]-通过利用实际介质特性和校准数据连续计算通过热流量传感器的实际流量来确
定流量。
[0031]
如前所述，根据本发明的流量计连续和/或实时地测量固有介质数据，且因此不必使用先前存储的数据。
[0032]
在该方法的一个实施方式中，实际介质特性包括实际密度、粘度、热容、热导率和/或蒸气压。
[0033]
优选地，如前所述，固有介质数据包括分子质量、临界性质、偶极动量和/或沸点。
[0034]
现在将参考附图中所示的一些优选实施方式更详细地解释本发明。
[0035]
图1示意性地示出了根据本发明的热型流量计的示例性实施方式；以及
[0036]
图2示出了根据本发明的方法的示例性实施方式。
[0037]
图1示出了热型流量计1，其包括用于待确定其流量4的介质3的流量管2。图示出了传感器管5，其具有在第一位置7处流体连接到流量管2的入口6和在第二下游位置9处流体连接到流量管2的出口8。传感器管5包括热流量传感器10，用于测量传感器管5中的温度差以确定流量4。在流量管2处或其附近设置压力传感器11，以测量通过流量管2的介质3的流量4的压力。压力传感器11可设置在流量管2附近，其中压力传感器11经由压力感测通道(未示出)流体地连接至流量管2。优选地，压力传感器11被布置用于测量传感器管入口6的上游的位置处，例如在流量管2的入口处，的压力。另外，在流量管2处设置有温度传感器12，以测量通过流量管2的介质3的流量4的温度。当然，压力传感器11还可以布置成测量其他流量管2位置处，例如在传感器管出口8下游的位置处的压力。也可以考虑将多个压力传感器11，例如一个、两个、三个或甚至更多个用于压力测量。处理单元13被指示用于基于由压力传感器11测得的压力、由温度传感器12测得的温度和固有介质数据15(如图2所示)来确定实际介质3的特性14。还示出了用于确定流量4的处理单元16，其利用实际介质3特性和校准数据17(如图2所示)连续计算通过热流量传感器10的实际流量。当然，处理单元13、16可以由单个处理单元或cpu来实现。优选地，传感器管5和/或处理单元13、16布置在热型流量计1包括的(优选单个)印刷电路板(pcb)上。压力传感器11和温度传感器12优选地布置在或附接到流量管2上(优选地不在pcb上)。
[0038]
固有介质数据15可以从数据库中检索出来，例如规范化流体数据库，该数据库可以作为申请人的软件包的一部分获得。该数据库包含800种流体，主要包含烃，并辅以最著名的无机流体，例如空气、氩气和氦气。本质上，在其中使用三步过程：提供流体的身份或类型(即气体、液体或浆体(plasma))作为输入，并与有关压力(通过压力传感器11获得)和温度(通过温度传感器12获得)的传感器数据结合。然后，将这些信息作为输入提供给规范化数据库(例如，申请人的数据库)，然后计算出更准确的数值，包括热导率、热容、密度和粘度。然后将先前计算出的热导率、热容、密度和粘度的数值以及热流量传感器10的未滤波信号转换为质量流速。
[0039]
流量计1的具体类型的构造例如包括使用具有两个或更多个电阻元件(未示出)的不锈钢传感器管5，所述两个或更多个电阻元件与传感器管5导热接触。电阻元件通常由具有高电阻温度系数的材料制成。每个元件都可以用作加热器、温度检测器或同时用作两者。至少一个电阻元件(加热器)被通电以向传感器管5供热。当两个具有恒定功率的加热器通电时，可以通过电阻元件之间的温度差得出通过传感器管5的流体的质量流速。然后由热流量传感器10感测该温度差以确定流量。
[0040]
在另一种方法中，位于第一位置处的第一电阻元件用作加热器和温度检测器，并且位于第一位置上游的第二位置处的第二电阻元件用作温度检测器。
[0041]
实际介质3特性可以包括实际密度、粘度、热容、热导率和/或蒸气压。固有介质数据15由介质/流体的类型、仪器设置和/或介质/流体混合物18确定。
[0042]
在有利的配置中，压力传感器11和温度传感器12被设置在第一位置7的下游且第二位置9的上游的流量管2处。
[0043]
所示的固有介质数据15包括分子质量、临界性质、偶极动量、沸点等。
[0044]
图2示意性地示出了用于通过使用如上所述的热型流量计1来确定介质3的流量4的方法20。介质3流过热型流量计1的流量管2。介质3还流过传感器管5，传感器管5具有在第一位置7处流体连接到流量管2的入口6和在第二下游位置9处流体连接到流量管2的出口8。为了确定流量4，使用传感器管5包括的热流量传感器10测量传感器管5中的温度差。通过使用设置在流量管2处或其附近的压力传感器11来测量通过流量管2的介质3的流4的压力。另外，通过使用设置在流量管2处的温度传感器12来测量通过流量管2的介质3的流4的温度。基于压力传感器11所测量的压力、温度传感器12所测量的温度和固有介质数据15来确定实际介质特性14。通过利用实际介质3特性14和校准数据17连续计算通过热流量传感器10的实际流量来确定流量4。
[0045]
如前所述，实际介质3特性14可以包括实际密度、粘度、热容、热导率和/或蒸气压。固有介质数据15由介质/流体的类型、仪器设置和/或介质/流体混合物18确定。固有介质数据15可以包括分子质量、临界特性、偶极动量和/或沸点。
[0046]
在实践中，本申请人已经意识到使用上述热流量计和与其相关联的方法，使用软件可以提高测量精度。但是，精度涉及与实际温度和压力结合使用的方法以及要计算的流体类型。中的大多数方法针对特定种类的流体以及某些范围的压力和/或温度进行了优化。因此，很难为计算结果的准确性给出一个通用值。
[0047]
一些物理特性的准确性的分类：
[0048]
·
热容典型<2％，通常优于0.5％，
[0049]
·
密度典型<1％，通常优于0.1％，
[0050]
·
热导率典型<5％，通常优于2％，
[0051]
·
粘度典型<5％，通常优于2％，以及
[0052]
·
蒸气压典型<2％，在某些区域误差较大。
[0053]
本领域技术人员将理解，在上文中已经参考一些优选实施方式描述了本发明。然而，本发明不限于这些实施方式。在本发明的范围内可以想到许多修改。保护范围由所附权利要求书确定。
[0054]
附图标记列表
[0055]
1.热型流量计
[0056]
2.流量管
[0057]
3.介质
[0058]
4.流量
[0059]
5.传感器管
[0060]
6.传感器管入口
[0061]
7.第一位置
[0062]
8.传感器管出口
[0063]
9.第二位置
[0064]
10.热流量传感器
[0065]
11.设置在流量管处的压力传感器
[0066]
12.设置在流量管处的温度传感器
[0067]
13.用于确定实际介质特性的处理单元
[0068]
14.实际介质特性
[0069]
15.固有介质数据
[0070]
16.用于确定流量的处理单元
[0071]
17.校准数据
[0072]
18.有关流体类型、仪器设置和/或流体混合物的数据
[0073]
19.确定的流量
[0074]
20.确定流量的方法