质量流量计系统及方法技术方案

一种质量流量计系统（２０），只在单一的压力信号的基础上计算质量流速。一个流量控制器（２２、２４）与节流阀（３０）平行放置，这样能够在节流阀（３０）的截面上保持恒定的压差。如果不进行控制，则在节流阀（３０）的两侧测量流过节流阀（３０）的液体压力和温度。将压力与压力和质量流速关系曲线进行比较，该曲线是由特定节流阀和被测液体计算出来的。在节流阀截面上保持的恒定压差可以在压力和流速之间产生线性关系。如果不对温度进行控制，压力和质量流速的关系曲线将保持线性，但是曲线的斜率将在液体温度的基础上进行调整。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

Mass flow meter system and method

A mass flow meter system (20) that calculates mass velocity only on the basis of a single pressure signal. A flow controller (22, 24) is placed in parallel with the throttle valve (30) so that a constant pressure difference can be maintained on the cross section of the throttle valve (30). If no control is performed, the liquid pressure and temperature through the throttling valve (30) are measured on both sides of the throttle valve (30). The curves of pressure versus pressure and mass flow rate are calculated by the specific throttling valve and the measured fluid. A constant pressure difference maintained across the throttle section can produce a linear relationship between pressure and flow velocity. If the temperature is not controlled, the relationship between the pressure and the mass flow rate will remain linear, but the slope of the curve will be adjusted on the basis of the liquid temperature. \ue5cf

【技术实现步骤摘要】
本专利申请要求2001年4月13日提出的60/283,596号美国临时专利申请的优先权，该申请作为参考并入本文。传统的基于压力的质量流量计使用一个节流阀、一个温度传感器和压力传感器来检测节流阀上游的绝对压力值以及节流阀截面上的压差。质量流量由一个表来确定，该表表示预定质量流速下压力和温度读数的关系。这种系统需要至少两个压力传感器和一个温度传感器，以确定在不同的温度和上下游压力下的液体密度、液体速度和液体粘度。需要更加简单并且不需要太复杂的计算来确定真实质量流量的质量流量计。相关技术介绍授予Nishino等人的5,791,369号美国专利公开了一种流量计控制器，据称只需一个函数式压力传感器。然而，5,791,369号专利公开的控制器只能用于声速流状况下，而且该系统需要入口压力为出口压力的两倍，以便控制器很好地工作。因此，5,791,369号专利公开的控制器只能在非常低的流速下工作，只能控制气体，并且必须进行有效的上游压力调整。另外，5,791,369号专利披露，使用第二压力传感器来确定什么时候下游压力大于入口压力的一半，当这个条件满足时，控制器关闭。授予Balazy等人的6,152,162号美国专利公开了一种液体流量控制器，需要两次压力测量，在节流阀的上下游分别进行一次。6,152,162号专利不测量质量流量。6,152,162号专利还使用了一个过滤元件作为节流阀。气流中的微粒可能会堵塞过滤器，从而改变压力下降和节流阀流动特性的关系，可能会偏离初始测量设置。授予Waldbusser的6,138,708号美国专利公开了一种压力补偿质量流量控制器。6,138,708号专利中描述的系统将一个热质量流量控制器和一个连接在具有圆顶的压力调节器上的热丝式仪表结合在一起。另外一个使用一个独立的气体源的导向式压力调节器，将压力调节器的圆顶加载到热质量流量控制器的上游。导向式调节器和质量流量控制器都由微处理器控制，以便入口压力的控制与由独立于流量控制器的入口压力获得的流速保持一致。图6是表示校准附图说明图1所示的质量流量计的示例方法的流程图；图7是通过流量计的质量流量与几种不同液体温度的液体压力的对比图，这几种温度说明对不同液体温度进行的补偿；图8是通过流量计的质量流量与液体压力的示例对比曲线，该液体压力用于说明应用在非线性质量流量输出中的本专利技术操作的基本原理；图9是使用本专利技术质量流量系统的示例性流量控制系统的框图；图10是流量控制系统的另一种结构的框图。优选实施例以下讨论分成几个部分进行。在第一部分中，将根据一个质量流量计系统对本专利技术的基本操作和原理进行描述。第二和第三部分将描述作为例子的机械和电器系统，该系统可用来实现本专利技术。第四部分将描述一种校准按照本专利技术原理制造的质量流量计系统的方法。第五部分描述第一到第四部分中所描述的、用作质量流量控制的一部分的质量流量计。第六部分描述质量流量控制系统的另一种结构。最后一部分描述另外的考虑，这些考虑是在设计和制造特殊的本专利技术实施方案时，需要进行的典型考虑。1、质量流量计系统首先参照附图中的图1，所描绘的是作为例子的质量流量计系统20，它按照本专利技术的原理制成，并体现了本专利技术的原理。流量计系统20包括一个机械系统22和一个电气系统24。机械系统22包括一个节流阀30，该节流阀确定了节流元件32和压力平衡系统34。电气系统24包括一个压力传感器40、一个温度传感器42和一个流量计电路44。机械系统22确定了一个液体入口50和一个液体出口52。入口50和出口52分别连接在受压液体的供应源54和液体的终点56上。通过以上讨论，应该清楚供应源54和终点56可以根据流量计20的使用环境具有显著不同。例如，在医用环境中，供应源54可能是压力气体瓶，而终点56可能是将气体与空气进行混合并且通过传统装置将混合气体输出给病人的混合器。在制造环境中，供应源54可能是由原材料产生气体供应源的转换器，而终点56可能是将气体用作工业处理一部分的反应室。在许多情况下，供应源54的供给压力和终点56的背压可以是未知的和/或变化的。因此，试图将本专利技术的流量计系统20用作更大系统的一部分，在这个更大的系统中，受压液体从供应源54通过机械系统22流向终点56。压力平衡系统34在节流室32的截面上保持恒定的压差。如图1所描述，作为例子的节流阀30是可变的。特别是，当流量计系统20被校准后，节流阀30确定了节流室32的预设几何形状和有效截面面积。在示例系统20中，节流阀30可改变节流室32的形状，特别是其有效横截面面积。在本专利技术的另一种结构中，节流阀30不需改变，而是在制造时就具有预设的几何形状和有效截面面积。这可能或者不可能包括标准管口、声音管口、各种形状的层流元件，或者可变的面积限制。使用预设或者可变节流阀可能影响流量计系统20的校准工艺，如下文所述。优选结构中，压力平衡系统34是一个流量控制器，它使用机械调节系统来保持节流室32截面上的恒定压差，即使源头压力和终点压力都是未知的、可变的。这种机械流量控制器在诸如全部转让给本申请人的1999年12月2日授权的6,026,849号美国专利和2001年3月13日申请的09/805,708号待批美国专利申请中公开。然而，压力平衡系统34还可以是如09/805,708号申请所公开的机电流量控制器。6,026,849号专利和09/805,708号申请所公开的内容都作为参考并入此处。优选结构中压力和温度传感器40和42都是机电传感器，将压力和温度值转化成电信号。工作时传感器40和42连接在机械系统22上，分别产生由流过机械系统22的压力和温度引起的电信号。流量计电路44存储或者使用校准数据，这些数据确定给定液体的质量流速与压力和温度的关系。校准数据包括为给定节流阀30计算的校准因子和由流过流量计系统20的气体特性确定的气体常数。气体常数是基于与温度变化有关的特定气体的密度或粘度的。在校准数据和压力与温度信号的基础上，流量计电路44产生对应于通过机械系统22的液体质量流量的流量输出信号。流量输出信号可以被记录下来或者显示出来，或者用作控制从供应源54流向终点56的液体流的更大电路的一部分。现在参照图2，此处60表示当压力平衡系统34连接在上述节流阀30的截面上时，压力与通过节流阀30的质量流量的对比曲线。如图所示，质量流量输出随着出口压力线性增加。曲线60是理想气体定律效应，与体积、质量、温度和非线性压缩率的总体影响有关，如下面的公式(1)所描述PV＝mRTZ (1)其中P＝压力，m＝质量，V＝体积，R＝气体常数(通用)，T＝温度，以及Z＝气体压缩率。(在以下描述中，这些符号中的任一个上方的“□”表示体积流速的质量)理想气体定律公式两边对时间求导，得到如下的等式(2)PV·=m·RT.......(2)]]>解质量流速的流速公式(2)，得到如下的质量流速公式(3)m·=V·RT.........(3)]]>将质量流速公式各项重新排列，得到如下斜率公式(4) 公式(4)的常数说明了给定系统和空气的质量流量速率与压力之间的关系。如果温度保持恒定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质量流量计，包括：一个具有一定直径的入口和一个具有一定直径的出口；一个具有节流室的节流阀和一个放在入口和出口之间的压力平衡系统；节流室具有一个圆柱形节流壁，其直径小于入口和出口的直径；以及在节流阀上游的一个压力传感器和一个温度传感器，向具有校准数据的流量计电路提供输入；这样流量计电路产生一个基于校准数据和压力传感器和温度传感器输入的流量输出信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：彼得托尔德松，帕特里克A洛厄里，罗伯特拉雷吉万，
申请(专利权)人：流量矩阵公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]