用于测量质量流量、密度、温度或流速的测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量质量流量、密度、温度或流速的测量系统，所述测量系统带有：主管路，布置在主管路内的第一科里奥利测量装置，与第一科里奥利测量装置串联地布置在主管路内的第二科里奥利测量装置，通过其可绕过第二科里奥利测量装置的旁通管路，布置在旁通管路内的阀，和与第一科里奥利测量装置和第二科里奥利测量装置连接的计算单元，并且本发明还涉及以这种测量系统来测量质量流量、密度、温度或流速的方法。

背景技术

此类测量系统和所属的测量方法被用在大量设备中，其中要求关于设备内所存在的流量、密度或速度的信息。以所使用的测量装置可以测量对应的管路内的液体和气体的流量。流量测量的一个示例是使用此类装置来测量汽车内燃料的消耗，所述燃料可以以气态或液态存在。

在已知的消耗测量系统内通常使用科里奥利测量装置，其在单相流中具有很高的精度，并且也适合于测量气态介质的流速和流量。这些科里奥利测量装置是必须建立压力以给出正确测量结果的测量装置。此外，这些测量装置始终仅在一个和一定的流量范围内才能获得足够准确的测量结果。由此原因，已知一种测量装置，其中将多个不同大小的科里奥利测量装置相互组合。

对此，一个示例是在EP 2 660 570 A2中描述的用于向燃气轮机供给气态燃料的系统。为测量消耗，在此建议并联连接两个流量计，并且串联连接第三个流量计。所有三个流量计在此都可以通过旁通管路被旁通，所述旁通管路中布置有切换阀。为此，两个较小的流量测量装置在较大的流量测量装置之前并联连接，其中小装置的最大流量的加和等于大装置的最大流量。在此，除非卸下其中一个流量计进行校准，否则所有三个流量计总是被流过。将两个小流量计的加和的结果与大流量计的测量结果进行比较。结果，如果偏差太大，则对测量值进行加权或仅使用其中一个测量值。

然而，在使用串联或并联连接的不同大小的此流量计时，会出现问题，即在大的流量测量区域内，对于不同的所需压力不能连续提供足够的精度。此外，在已知的实施方案中，在切换切换阀时出现压力冲击，所述压力冲击影响整个系统，并且因此不仅导致测量误差，而且还可能损坏所连接的待测量的装置。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于测量质量流量、密度、温度或流速的测量系统和测量方法，以所述测量系统和测量方法在客户对于输出压力存在不同的要求时在宽的测量区域内可以很精确地确定所存在的流量，其中应避免系统的震荡过程，以避免压力冲击和与之关联的消耗峰值以及对于所连接的测量对象的损坏，并且因此可以在气态和液态介质的情况中进行准确而连续的动态的测量。

此技术问题通过带有权利要求1的特征的用于测量质量流量、密度、温度或流速的测量系统以及通过带有权利要求12的特征的对应的用于测量的方法解决。

通过将第一科里奥利测量装置设计为比第二科里奥利测量装置用于更高的最大流量，并且通过使阀是取决于压力而打开的阀，能够在对应的测量区域内相应地使用以更高的测量精度进行测量的测量装置的各测量值。取决于压力而打开的阀应理解为是指这样的阀，即在达到阈值压力时，所述阀开始释放开口横截面，其中此开口横截面随着压力的增加而增大。以此方式，与切换阀相比，可以避免导致所测流量的不连续性的压力冲击。如果突然释放旁通管路的整个流量横截面，则产生此压力冲击，由此将出现突然的卸压并因此出现具有较低的最大流量的科里奥利测量装置上的突然的压力降低。这会对整个系统产生影响，使得不能读出正确的测量值。

通过使用此类测量系统的用于测量质量流量、密度、温度或流速的方法实现正确的测量，其中在第一测量区域内使用具有较低的最大流量的科里奥利测量装置的测量值作为质量流量、密度、温度或流速的输出值，在第一测量区域中旁通管路内的取决于压力而打开的阀关闭，在第二测量区域内测量具有较高的最大流量的科里奥利测量装置的测量值和具有较低的最大流量的科里奥利测量装置的测量值，在第二测量区域内旁通管路内的取决于压力而打开的阀继续关闭并且流量和压力大于第一测量区域内的流量和压力，并且取决于第二科里奥利测量装置的差压将所述测量值进行加权，并且在计算单元中由第一和第二科里奥利测量装置的加权的测量值计算出质量流量、密度、温度或流速的输出值，并且在第三测量区域内将具有较高的最大流量的科里奥利测量装置的测量值用作质量流量、密度、温度或流速的输出值，在第三测量区域中取决于压力而打开的阀打开并且旁通管路内的压力大于第二测量区域内的压力。在科里奥利测量装置的情况下，为获得在测样的消耗方面的正确的测量值，要求在测量装置上存在足够的流速，并且避免突然的压力波动。大的科里奥利测量装置始终被流过，但是在低流速时提供具有较低的精度的测量值。小的科里奥利测量装置的测量值仅在取决于压力而打开阀关闭时被使用。然后，第二科里奥利测量装置可以为小流量提供高准确的测量值。由于避免了压力冲击并且防止了在较小的科里奥利测量装置上出现的压力波动而可能形成的与测样上的实际值相比的被测量的值的虚假，因此具有较高的最大流量的第一科里奥利测量装置的测量值现在在第三测量区域内总是对应于测样的实际待测量的值。由于在切换取决于压力而打开的阀之后，具有较低的最大流量的科里奥利测量装置以几乎恒定的流量被流过，使第二科里奥利测量装置上的压差保持不变并且避免了压力波动，因此防止了可能导致流量波动的压力波动，所述流量波动又可能被具有较高的最大流量的科里奥利测量装置测量到并且因此可能使测样的期望的值虚假。在插值范围内，两个科里奥利测量装置都提供良好的测量值，然后可以对这些测量值进行加权插值，使得可以在整个历程上生成恒定的输出信号。

在根据本发明的方法的另一实施方案中，在处在第二和第三测量区域之间的第四测量区域内使用具有较高的最大流量的科里奥利测量装置的测量值，并且在旁通管路内的取决于压力而打开的阀仍被关闭。通过引入此第四测量区域产生了与如下的区域的安全距离，即在所述区域内仍考虑较小的科里奥利测量装置的测量值，使得在打开压力略有偏移时，不会形成由于在较小的科里奥利测量装置上流过的介质所导致的测量误差。

在根据本发明的测量系统中，取决于压力而打开的阀优选地是止回阀。其优点是，所述止回阀可以在限定的压力下取决于旁通通道内的压力逐渐释放或关闭流动横截面而无需外部控制，以此可靠地避免了可能对测量系统产生影响的压力冲击。不需要外部电源。此外，止回阀是紧凑的，并且基本上无需维护。

在另一实施方案中，止回阀具有球形的或圆锥形的封闭体。此封闭体的优点是其不倾向于在较低的额定宽度的情况下形成涡流，所述涡流可能导致形成压力和流量方面的脉动，这可能对科里奥利测量装置的测量值产生负面影响。

在本发明的替代设计中，取决于压力而打开的阀是机械可调节的差压调节器。根据所选择的设置，在施加限定的压差时，所述差压调节器也逐渐打开开放的流动横截面，使得在此也避免了压力冲击，并且可以实现精确的测量结果。此类压力调节器具有非常小的迟滞，并且与止回阀相比其切换点是可调节的。

在本发明的另一有利的设计中，在旁通管路或主管路内布置有压力传感器，所述压力传感器直接地或通过计算单元与取决于压力传感器的测量值可调节的压力调节器连接。根据对输出压力的客户要求，可以在达到通过压力传感器确定的限定压力时对应地打开阀。

阀优选是压力调节器，所述压力调节器通过电气动转换器取决于由压力传感器测量的压力被调节。此电气动转换器是阀，其中，取决于施加到线圈上的电流在阀的输出部上产生一定的压力。换言之，此电气动转换器是带有I/P转换器的压力调节器。所述压力调节器可用于打开气动促动的阀，使得取决于施加到电气动转换器上的电流来打开流量横截面。所施加的电流在此可以通过与压力传感器的连接直接取决于测量的压力来实现。因为可以在电气动转换器上存储对于不同的测量的压力的不同的电压，所以在运行中可以以简单的方式改变切换点，使得可以对于输入压力和输出压力进行优化。在输入压力高时可以对应地提高切换点，使得即使在流量较高时也仍可以使用较小的科里奥利测量装置进行测量。相反，在输入压力低时，可以将切换点移动到较低压力，通过这种方式，尽管较小的科里奥利测量装置的精度不能在很大的测量区域内使用，但是可以仍然保持由客户规定的输出压力。

替代地，阀可以具有电动马达或电磁体作为执行器，并且可以取决于压力传感器的测量值进行调整。优点与使用电气动转换器的优点基本相同，但是产生更多的热，必须避免将所述热进入到介质内。此类阀的调节虽然复杂，但是其非常精确。

对应地，该方法的优点在于，取决于进入到测量系统内的输入压力或从测量系统离开的输出压力来调节阀的切换点，如上所述这实现了保持输出压力的可能性并且实现了对于较小的科里奥利测量装置的测量区域的扩大。如已描述，这通过如下方式实现，即在输入压力升高时或在要求的输出压力升高时，将使阀打开的压力升高或降低。如果应保持一定的输出压力，则可能要求降低切换点，即在较低的压力下已打开阀，以减小系统内的压力降低。原则上，这可以在测量之间或在测量期间进行，其中如果在测量期间进行调节则压力水平可能移动，由此使测量的精度降低。

阀优选地是针阀，其中仅形成轻微的涡流并且因此不必担心在打开时的突然的压差。

此外有利的是，在旁通管路内，在取决于压力而打开的阀的下游布置有另一个阀。所述另一个阀可以用于对取决于压力而打开的阀执行密封性检查。

当然也优选的是，将三个或三个以上的具有不同最大流量的科里奥利测量装置前后串联连接，其中除带有最高的最大流量的科里奥利测量装置之外，所有的科里奥利测量装置都可通过旁通管路被绕过，在所述旁通管路内相应地布置有取决于压力而打开的阀。随着流量的升高相继地使用所述科里奥利测量装置的测量值，其中取决于压力而打开的阀相应地在另外的压差下被打开。在压力升高时，计算单元使用具有次高的最大流量的科里奥利测量装置的测量值。

取决于压力而打开的阀优选地被设计为使得其在具有较高的最大流量的科里奥利测量装置的测量区域内(其中，科里奥利测量装置具有其最大精度)并在具有较低的最大流量的科里奥利测量装置的最大流量范围内切换。在此区域内，小的传感器的节流效应变得太大，使得超过了允许的压差或最大流量，或系统内不再能够维持足够的输出压力，因此必须释放附加的横截面，使得可以测量实际上在测样上存在的值。通过此设计可以防止对应地发生的压力冲击，并且可以使用较小的科里奥利测量装置的尽可能大的测量区域，以此也提高了最大的测量精度。

对应地，实现了一种测量系统和测量方法，通过所述测量系统和测量方法，即使在低测量区域内的气体的情况下，也可以很精确地测量在宽的流量区域内出现的流量。在输出压力方面，此类测量系统可以以简单的方式与客户期望相匹配，并且比已知的测量装置实现明显更高的精度。

附图说明

在附图中图示了三个根据本发明的测量系统的实施例，并且也根据附图在下文中描述了根据本发明的方法。

图1示出根据本发明的测量系统的第一实施例的示意性图示。

图2示出曲线图，在所述曲线图中示例地描绘出对于根据本发明的方法的压力与流量的关系。

图3示出根据本发明的测量系统的第二替代实施例的示意性图示。

图4示出根据本发明的测量系统的第三替代实施例的示意性图示。

具体实施方式

在图1中图示的根据本发明的测量系统包括第一主管路10，例如气态燃料的气态或液态介质流过第一主管路，所述介质的质量流量应被确定。

在此主管路10内布置了第一科里奥利测量装置12，所述第一科里奥利测量装置12具有的最大流量，所述最大流量高于预期进入到测量系统内的最大流量。此科里奥利测量装置12由于零点漂移在低流量下不提供精确的测量值，所述零点漂移的形成是因为在科里奥利测量装置中对于精确的测量需要一定的最小流量。

在主管路10内，在此第一科里奥利测量装置12的下游布置有第二科里奥利测量装置14，所述第二科里奥利测量装置14的最大流量低于第一科里奥利测量装置12的最大流量，但是所述第二科里奥利测量装置14在较低的流量的情况下由于其测量区域比第一科里奥利测量装置12提供了更精确的测量值。

然而，由于此第二下游科里奥利测量装置14可能位于其最大流量以上的待测量的上部区域内，并且因此由于所形成的遮挡效应而可能导致极高的压力损失而使测样上的待测量的流量虚假或由于不再充足的最小输出压力而无法实现测量，所以在第一科里奥利测量装置12和第二科里奥利测量装置14之间从主管路10分支出旁通管路16。在本实施例中，此旁通管路16再次在第二科里奥利测量装置的下游开口到主管路10内。

在旁通管路16内布置有取决于压力而切换的阀18，所述阀18在根据图1的实施例中被设计为止回阀18.1。

选择地，附加的阀20也可以在止回阀18.1下游布置在旁通管路16内，然而所述附加的阀20仅用于检验止回阀18.1的密封性。

在本实施例中，止回阀18.1包括球体22，所述球体22通过弹簧24加载而抵靠阀座26。取决于弹簧24的弹簧强度和施加在球体22上的压力斜率，止回阀18.1打开或关闭旁通管路16的流动横截面。如果施加在球体22上的压差上超弹簧力，则对应地释放流动横截面，并且介质可以由旁通管路16的分支28从主管路10通过旁通通道16流出，并且通过旁通管路16的开口30流回到主管路10内。

止回阀18.1的尺寸在此被确定为，即使在流量跳跃的情况下也不产生封闭体的振动。如果在止回阀18.1上形成过高的流速，则在阀的后方形成涡流，以此可能导致压力脉动，所述压力脉动应尽可能被排除。由此原因，止回阀18.1被确定为具有余量尺寸，并且其额定宽度增大。

两个科里奥利测量装置12、14与计算单元32连接，所述科里奥利测量装置12、14的测量值被传输到所述计算单元32上，并且在所述计算单元32内处理这些测量值，以生成可用的测量结果。

下文根据图2解释在使用此测量系统进行测量时，在计算单元32中如何产生所述测量结果。

如果介质通过入口34到达主管路内，则介质首先流过第一科里奥利测量装置12，并且建立压力。流体也流过第二科里奥利测量装置14，在其中也建立了压力。较小的第二科里奥利测量装置14在相对小的流量时已达到其测量区域，在所述测量区域内所述第二科里奥利测量装置14提供精确的测量值。这在图2中在左侧的曲线图36中图示。在此时刻，在具有较高的最大流量的科里奥利测量装置12内，尚未发生用于精确的测量值的充足的流量。对应地，在此第一测量区域38内，由计算单元32输出第二科里奥利测量装置14的测量值作为输出值。

随着测量系统中流量的升高，第一科里奥利测量装置12的精度提高，并且第二科里奥利测量装置14上的压降升高。对应地，选择第二测量区域40，其中第一科里奥利测量装置12的测量值和第二科里奥利测量装置14的测量值都被计算单元32考虑并且被处理，所述处理将所述测量值加权和插值来实现，并且甚至通过取决于第二科里奥利测量装置14的压差将所述测量值加权和插值来实现。这可以被视作带有已知内径的管段，使得通过借助于第一科里奥利测量装置12测量质量流量和密度总是可以计算出第二科里奥利测量装置14的瞬时的差压，并且然后可以进行对应的加权。

止回阀18.1在第一测量区域38和第二测量区域40内关闭旁通管路16。

在所连接的、其中流量很高的区域内，通过第一科里奥利测量装置12输出精确的测量值，这些测量值也在图2中在右侧曲线图42中图示，其也被计算单元32用作输出值。

此区域被分为两个部分，即第三测量区域44和第四测量区域46，在所述第三测量区域44内，取决于压力而打开的阀18由于施加的压力打开，而所述第四测量区域46位于第二测量区域40和第三测量区域44之间，其中第一科里奥利测量装置12的测量值被用作输出值，但是取决于压力而的打开阀18仍然关闭。

这意味着取决于压力而的打开阀18的切换点48与如下的区域间隔开，即在所述区域内使用较小的第二科里奥利测量装置14的测量值，从而可以排除由于取决于压力而打开的阀18的打开压力的移动而导致的测量值的虚假。因此，可靠地排除了由于第二科里奥利测量装置14的错误的测量结果导致的错误的输出值，所述第二科里奥利测量装置14的错误的测量结果由于过早打开而导致，所述过早打开例如由于取决于压力而打开的阀18的所存在的迟滞或取决于老化的移动而导致。

因此，很大程度上排除了由于止回阀18.1的切换对于测量系统的输出值的影响，使得在第二科里奥利测量装置14上的阻力增加期间止回阀18.1随着压力的升高而更宽地打开，并且因此逐渐释放了附加的流动横截面。以此方式可靠地防止了压力跳跃。

在图3中图示了根据本发明的测量系统的替代实施方案。其与图1所示的测量系统的区别在于，使用机械可调节的差压调节器18.2代替止回阀。差压调节器18.2具有与止回阀18.1基本上相同的特性，但是具有附加的优点，即切换点48可被容易并且精确地调节，并且压力调节器具有非常低的迟滞。对应地，压力传感器50可以布置在旁通管路16内或布置在主管路10到旁通管路16的分支28处，所述压力传感器50用于测量对应的管路10、16内的压力并且将压力传感器调节成在期望的切换点打开。在运行中，除具有明显降低的迟滞作用之外，此差压调节器18.2的功能基本上对应于止回阀的功能。

在图4中示出了另一设计。压力调节器18.3用作阀18，其在此通过电气动转换器52被促动，所述电气动转换器52通过压力空气源54被供给以压力空气，以用于促动压力调节器18.3，并且此压力空气完全地或以降低的量的方式直接取决于所施加的电流强度被提供到压力调节器18.3的促动室内。如同压力传感器50，电气动转换器52与计算单元32连接。

此类结构的优点在于，压力调节器18.3的转换点现在可以在运行中移动，并且因此可以最佳地与相应的输入压力或输出压力匹配。

输出压力通常是通过测量系统的使用者可以指定的值。如果现在存在很高的实际输入压力，则可以将压力调节器18.3的切换点移动至较高的压力，以此可以在更宽的压力区域内使用较小的科里奥利测量装置14，因为较小的科里奥利测量装置14可以在其直至达到最大流量或最大流速的测量区域内提供精确的测量值。对应地，其中使用较小的科里奥利测量装置14的测量值的第一测量区域38变宽，而其他测量区域40、44、46向右移动。

相反，如果输入压力很低，则切换点可以向左移动，并且可以减小第一测量区域。为了维持规定的输出压力，这可能是必需的。

对于转换点48和测量区域38、40、44、46的这些移动，可以在计算单元32中针对各种所施加的以及通过压力传感器50测量的压力来调节对应的特征曲线，以通过测量系统相应地获得优化的输出值。

所描述的测量系统以及使用此类测量系统的所描述的测量方法可以在宽的压力和流量范围内提供很精确的测量值，所述测量值是连续可用的。在压力变化时，不要求系统的振动衰减。特别地，此测量系统也适合于测量气体的流量，并且即使在很小的流量下也实现了高的测量精度。

当然也可以构思不同的替代方案。因此，也可以将超过两个不同的具有较低的最大流量的科里奥利测量装置相继串联连接，其中此外在最大的科里奥利测量装置上分别设有旁通部。在此情况中，在最低测量区域内使用带有最小的最大流量的科里奥利测量装置的测量值。在打开旁通管路内的相应的阀之前，相应地使用较大的科里奥利测量装置的测量值来确定输出值，其中相应地中间连接有插值区域。然后，阀的打开点随着在阀上形成的压差而对应地变化，所述压差是由分别并联连接的科里奥利测量装置中的压力损失形成的。作为带有压力传感器和压力调节器的电气动转换器的替代，也可以使用由电动马达驱动或电磁驱动的并且取决于压力传感器的值进行调节的阀，以所述替代的阀可以实现相同的优点。在主权利要求的保护范围内也存在对于本领域技术人员显而易见的其他改变。