专利名称：用于确定流量计的精度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及流量计，尤其涉及用于现场确认流量计的精度的方法和设备。
背景技术：
有很多类型的流量计用来测量各种经过无数尺寸和形状的管道的流动流体。根据具体情况，流量计输出精度可从有用、到重要、到非常重要。这种计量器的精度最终取决于传感器或其它信号产生元件的正常运行，传感器或其它信号产生元件与流动流体具有活动(active)的关系。
为了确认流量计是正常运行，且提供精确信息，必须周期性地测试传感器的正常运行。当精度非常重要时，传感器运行的确认通常将比流量计提供有用、但不太重要的流量信息的情形更频繁。
流量计校准的常规确认和信息的跟踪能力对日常检验和调整需要是关键的。过去，已经证明这是困难的、耗时的、和成本高的。例如，在水产业中，使用机械掘进机执行任务，并移除流量计，导致局部社区的供水中断。
这里有两种已知方法确认流量计的校准。一种方法是在处理或安装时将流量计移除，并将其送到有资格的实验室进行确认。另一种方法是临时安装或连接一个具有已知参考流量测量标准的支管装置，与正在测试的计量器串联。这是现场确认。
以上两种方法都称为正在测试的计量器的“湿法”或完全的传感器到输出的检验。
在某些安装方式中，可能仅需要检查传感器到输出信号路径的选择部分。例如，可以通过将精确十进电阻箱代替热流元件，并调整十进电阻箱以检查热散逸流量计的发射器电子设备(transmitterelectronics)，以确认传感器或发射器的流量元件部分的微分电阻输入与当前或其它输出的关系。由于它仅合成(synthesize)流量元件输入，这种方法是较不完整的，且通常不是较理想的。
类似地，可以引入人造差压，例如文丘里流量计、皮托管阵列、或基于孔口的测量器流量元件(orifice based meter flowelement)，以确定输出正确地对应于合成输入信号压差。
这种局部方法称为“干法”校准。尽管干法校准检验通常不如湿式校准检验精确和完全，但是在很多情况下，干法检验是容许的，因为它们比湿法检验更方便且更便宜。它们的最大缺点是，它们不检验流量元件输入信号的有效性，且依赖于上述合成输入。
以上所述的湿法校准过程是昂贵的、不方便的、耗时的，且需要熟练的操作者以产生良好的结果。一般而言，如先前所知的，干法校准是较不精确的，且不能用于每个流量计。它们的最大缺点是，不能检查系统中的最敏感元件、流中的主要元件，主要元件是传感器或流量元件。
发明内容
在本发明的各个实施例中，本发明提供了一种无需从过程中去除部分或整个流量计，无需将参考标准或其它外部装置连接到流量计的某部分，就可确认流量计的精度或校准的设备和方法。认为，比起在大多数情况下的任何“干法”测试，管理机构更愿意接受本发明所提出的方法。
在采用加热的传感器技术的热散逸流量计中，在一个采用加热的传感器和不加热的参考传感器的实施例中，切换传感器功能，获取读数，并将读数与存储器中的校准数据进行比较。作为可选实施例，这项技术也应用于在单个传感器分时执行加热的传感器和参考传感器功能的情形。稳态温差或可选地瞬时温度效应都可以用于这些目的。
其它实施例使得能通过利用不同的激励或激励级检查传感器功能，并将结果与存储器中的数据进行比较，而不是切换传感器的功能。这最适用于两个传感器在电学上不同且桥接在一起并且不能容易地互换的情形。通常，这些加热的传感器装置采用可以被类似采用的第三温度传感器，例如，通过使它结合具有不同功率电平的桥接传感器获得理想目的的所述第三温度传感器。
流量计中使用了多种不同类型的基于温度的传感器。这些传感器包括电阻式温度检测器(RTD)、热电偶、热电堆、半导体结、热敏电阻、晶体管、以及二极管。与基于热的流速测量方法不同的流速测量方法包括声波(包括超声波)、涡流、磁性、差压、科里奥利(coriolis)、容积式(positive displacement)、和转动叶片(涡轮)流速测量方法。披露的所有实施例及其等价物，根据本发明的原理工作，提供对流量计的正确、方便、和快速的精度检验和确认。
在结合附图进行阅读时，根据以下的详细描述，本发明的目的、优点、和特点将变得更加显然，其中在附图中图1是本发明的流量计的一个实施例的框图；图2是本发明的可选实施例的框图；图3是根据本发明的安装在管道中的示范性传感器的放大侧视图；图4示出图1和图2的系统的阻力变化对流体质量流速的实例的曲线图；图5示出在典型操作环境中的图3的传感器的正视图；图6是在本发明的示范性实施例中，图5所示的安装的俯视图；图7示出基于声波的传感器系统的正视图；图8A是类似于图3的侧视图，示出带有与传感器元件相关的清洗喷嘴的可选实施例；图8B是图8A的实施例的顶视图；图9A和9B是基于涡流传感器的流量计的示意图，其中在一端示出涡流导入杆；以及图10示出用来描述利用本发明的原理的系统方法的桅杆上的多对传感器元件。
具体实施例方式
本发明提供了在现场对流量计的精度进行正确而快速的确认。在其各个实施例中，本发明能够在不同激励级的应用、或一个或多个传感器的分时操作、或其组合之间进行切换，以提供理想测试。本发明既不需要拆卸，也不需要将附加装置临时连接到流量计，以完成用于确认的测试。
现在参看附图，尤其参看图1、3、5、和6，现在将描述本发明的具体实施例。
图1的框图示出根据本发明的系统的实施例。为了进行解释，将假定传感器A(11)和传感器B(12)是热装置(thermal device)，例如电阻式温度检测器(RTD)。众所周知，RTD通常成对安装，其中一个是加热的且是活动传感器，另一个是相对或基本不加热的参考传感器。经过管道中的传感器的流体流引起活动传感器的热散逸。温差(differential temperature)的变化反映为微分电阻(differentialresistance)的变化。这种稳态ΔT或ΔR表示管道中的流体或介质的瞬时质量流速。可选地，某些流量计将将ΔT保持为常量，并测量使ΔT作为流速指数(indicator)保持不变所需要的可变功率。
随着恒定功率的施加，活动传感器和参考传感器之间的ΔT或ΔR根据该信息确定质量流速。当然，流体类型及其特征是已知的，并且参与计算。可选地，另一种方式是通过流量计确定流体流，温度(电阻)差可以保持恒定，且功率的稳态变化确定质量流速。而且，通过替代恒定功率、恒定电流、或恒定电压，ΔT或ΔR可以作为流速函数被改变。也存在副作用，主要是可能需要考虑压力和温度，以便正确反映工作情况。其它工作情况可包括流动介质中的紊流、高强度声音、和机械震动。
电源13给流量计供电。信号调节器14产生流量计中的其它元件可能需要的功率电平和信号格式。交叉连接电路15提供对传感器11和12的切换。传感器输出的信号通过交叉连接电路反馈到信号调节器、以及交叉相关检测器16。信号处理器21根据传感器的输出确定质量流速。
电源可以将信号调节器所确定的任何适合的功率电平和格式提供给流量计。典型地，它将提供可变20-42伏直流(VDC)给传感器供电并加热，并将规定的5VDC提供给数字逻辑电路。5VDC是现行(current)标准，但是给流量计组件的功率可以根据需要而不同。电源自身可由115伏或230伏交流(VAC)或24VDC的输入源供电。
在一个实施例中，信号调节器14将20-42VDC转换成0.5mA的恒定电流，以给参考传感器通电，20mA以加热传感器11和12中活动的一个。信号调节器还提供5VDC用于其它流量计功能。信号调节器检测经过RTD传感器11和12的电压，以确定电压差(ΔV)。ΔV由在恒定电流下电阻变化(ΔR)产生，与ΔT成比例，提供计算所涉及的介质质量流速的基础。20mA的加热电流仅为实例，也可使用产生理想结果的任何激励。
在可选实施例中，信号调节器14根据作为恒定电源的传感器进行操作，其中经过的电流和传感器两端的电压可改变。信号调节器包括乘法电路，用于监控每个传感器的功率(V×I)，并保持功率恒定。流过活动传感器的电流或活动传感器两端的电压的变化与电阻变化(因此，温度变化)相关，因此用于计算介质的质量流速。
还有一个通常使用的方案是使两个RTD的温差保持恒定。根据此方案，功率作为流速函数而变化，也就是说，当流速增加时，必须将附加功率施加给加热的传感器，以使温度保持不变。
在上述情形下，信号调节器使ΔT保持恒定。由于RTD的电阻和温度关系是固定的，所以ΔR也是恒定的。为了使ΔT或ΔR保持恒定，可以监控ΔV和ΔI、或Δ功率，当功率函数需要保持恒定温差时，以提供用于计算在任何特定处理温度下的质量流速的基础。这些装置通常使用具有固定电流或电压的第三元件，以传感处理温度。在任何激励下的ΔT也将随着处理温度而变化，这是补偿这种效果所必要的。此函数也由如下所述的信号处理器执行。
还有一个可替换方案，与上述恒定电流方案相反，可以保持电压恒定。当ΔV保持恒定时，电流随着温度变化而变化。在此实施例中ΔI提供了确定质量流速的基础。
上述用于确定流体流的质量流速的方法对加热的传感器技术领域中的技术人员来说是公知的。在应用中，如上面描述的，存在其它用于满足与流速不同的系统服务变量的装置，该系统服务变量包括压力和温度。
不管传感器11和12是以恒定电流、恒定功率、恒定温差操作，还是以恒定电压操作，都可能转换传感器的作用，以将热激励供给曾经是参考传感器的传感器，将较低的不热激励供给曾经是活动传感器的传感器。
当这些工作方案采用第三传感器时，仍可能改变这三个传感器的作用。
信号处理器21可以是微处理器。硬连线状态机、数字信号处理器、或等价物。信号处理器的功能是，无论传感器输出是ΔT、ΔI、ΔV的测量，还是可以使用的其它测量，都根据传感器输出计算介质的质量流速。用于操作流量计的指令可由输入装置或键盘22应用于信号处理器。来自流量计的本地输出可显示在显示屏23上。将附加输出提供给串行或并行接口24，该串行或并行接口24可驱动外部操作，例如对流量计的控制或对监控过程的修改。输出驱动器25可用来驱动外部指示器，例如显示屏、或光学或声频报警器等。
在正常操作中，当流体流经过它们时，图1的流量计给传感器通电(energize)。如果传感器11是活动传感器，则将在优选方法中应用恒定电流，以将它加热到预定温度，且应用小得多的恒定电流，以给传感器12通电或使传感器12工作，但是无需将其温度提高到任何可感知的程度。可选地，在传感器之间获得预定温差ΔT(或电阻差ΔR)，而不是用于传感器11的可变温度。在典型操作中，当有流体流经传感器时，热量将从活动传感器11散逸，温差将减小。任何时刻的ΔT都被信号处理器21理解为流过传感器的流体或介质的特定质量流速，且流量计提供适当的输出。当ΔT减小时，流量计显示质量流速增加，因为与相对不热的参考传感器相比，介质更易于使热从加热的活动传感器散逸。
传感器11和12的校准特征产生且储存在存储器A 26和存储器B 27中。图4示出了典型校准曲线。假定传感器非常相似但不相同，则曲线42表示传感器11的校准数据，曲线43表示传感器12的校准数据。存储器26和27可以是独立元件、单个装置，或它们可包含在信号处理器21中。
为了检查本实施例的流量计的工作精度，将交叉连接电路或开关15设置在传感器11、12和信号调节器14之间。开关15可以是以电子或机械、或机电结合地提供互换或切换功能的任何适合的装置。根据输入装置22的信号，信号处理器21通过线路28发送信号给交叉连接电路15，以转换传感器11和12的功能。因此，传感器12成为活动或加热的传感器，传感器11成为参考传感器。接着，流量计如前所述工作，并提供正被监控的介质的质量流速作为输出。当被传感的流速处于稳态条件下时，如果输出质量流速指示是基本相同的，而与哪个是活动传感器无关，则确认流量计的精度。如果不是无关紧要的差别，则补救措施是不可少的。构成显著差异的因素最终由流量计操作者确定。显著差异的一个测量标准是仪器的标准。例如，该标准可以是3％差异或10％差异。当超过所建立的标准时形成信号，但是操作者可以选择允许继续处理，并等待进一步的测试读数，以观察如果检测的差异增大，则发信号通知应采取正确措施，或情况缓和(situation abates)。
当来自输入装置22的信号指示信号处理器21互换传感器功能时，信号首先到达交叉相关检测器16，在传感器处于初始操作条件下时记录质量流速输出。这称为存储器26和27中的校准数据。例如，根据曲线42，当传感器11被加热且ΔR约为350时，质量流速约为每秒30标准英尺(SFPS)。
接着切换传感器的功能，曲线43表示作为活动传感器的传感器12的校准数据。在相同的流量条件下，ΔR在此情况下约为335，得到同为约30SFPS的质量流速。
在典型的操作条件下，无论是利用恒定电流、功率、电压、或温度，在读数之间都存在20-40秒(典型地，约为30秒)的延迟，以允许热传感器11冷却和传感器12加热到工作温度。优选方法是当发生传感器热平衡后，在流速稳定和恒定时进行确认过程。如果想要，可以在多种不同稳定流速和处理温度执行精度确认。
当流速输出存在显著差异时，或如果怀疑在切换传感器功能后在读数之间在几秒内可能存在不同的不连贯的介质流改变，可以进行返回切换或重复切换，以确信传感器在容限以外，且应该从服务中去除。
当信号被编程到信号处理器21中时，信号定时执行精度确认操作，例如每24小时一次，或例如，可以按照键盘22上操作者启动的输入。可选地，按照操作者启动或定时功能，可从远程位置通过串行或并行接口24施加执行流量计的精度检查的信号。
在典型安装中，例如(图3、5、和6)烟囱，传感器11和12安装在桅杆31中，桅杆31安装在烟囱32中。桅杆31典型地插入烟囱侧中的开口中，并延伸过烟囱。如图所示，可将悬臂延伸到烟囱的相对侧，或锚定到烟囱的相对侧。烟囱的直径可以小到两英尺，大到30英尺。传感器可安装到托架33(图3)上，该托架33形成有凹陷的平台34，传感器11和12从该平台以热电偶套管的形式延伸。热电偶套管直径的典型尺寸为0.08英寸，长度为0.63英寸。在此特定典型设置中，桅杆31直径约为两英寸。电线35和36通过托架33中的钻孔37，从各个热电偶套管中的传感元件11a、12a、沿着桅杆31中的中心钻孔41延伸到位于桅杆31端部、壳体42中的电子元件。该壳体典型地从烟囱32向外延伸。当介质流正常地并优选地穿过热电偶套管(进入或穿出图3中的纸面)时，如果传感器与介质流方向成任何角度，则该传感器可以工作。因此，相对于热电偶套管，存在360°流向关系的灵活性。也就是说，流向可进入或穿出图3中的纸，或在介质影响热电偶套管的地方之间的任何方向，包括从纸的顶部向底部，反之亦然(热电偶套管的轴向)。已经发现，即使在热电偶套管直接指向介质流的方向的下游时，也可获得有用的介质流读数。只需要通过整个360°的位置，在选择的角度校准传感器元件。在优选位置中，传感器轴应该穿过流向，或可选地，使流在热电偶套管的轴向上，其中支撑结构(桅杆31)充当防雨罩。在某些情况下希望指向传感器轴的下游，以使桅杆能充当防护罩，以减少侵蚀作用。
如所示出的，在单个桅杆上存在两套或多套传感器，有两个或更多个桅杆在烟囱中邻近安装。示出的两个桅杆成90°，但是彼此可成任何想要的角度，且可利用一个、两个、或多个这样的桅杆。它们可在沿烟囱高度的不同位置处。在任何流体流量管或管道中都可以采用类似安装，且直径或内部尺寸可以小于两英尺或大于30英尺。当从横截面观看时，管道可以是正方形、长方形、或任何其它形状。
尽管示出了热电偶套管，但传感器不必安装在热电偶套管中。在某些情况下，希望将温度(或其它类型的)传感器安装在平面上，具有或不具有暴露于流动介质的翅状凸起。
图2的流量计除了利用单个传感器外，与图1的流量计所起的作用相似。传感器51以分时形式操作，在这里，它是用于预定短时间内且基本上不加热的传感器，或是用于预定的短时间的参考传感器。在此实施例中，代替切换传感器功能，信号调节器14和信号处理器21将不同的激励或不同级的激励施加给传感器51。在两个不同条件或激励级下，此传感器的特征数据储存在存储器26和27中，且可具有与图4的曲线42和43相同的形式。
在正常操作中，首先给传感器51通电，但是基本上不加热，且其电阻由信号处理器21记录。接着，它由第一激励或电流加热(例如15mA)，所测量的ΔR使流量计能提供质量流速输出。交叉相关检测器16储存与存储器A26中的校准数据有关的输出。去除激励，且在足以使得传感器的温度回到室温(例如，20-40秒)的时间后，获取另一参考读数。接着，将第二、不同级的激励(例如，20mA)施加给传感器51，且根据存储器B27中的曲线，再次确定质量流速。如果质量流速的读数与交叉相关检测器确定的读数基本相同，则确定传感器51运行正常。所获得的这样的读数越多，则确认流速标准的置信度就越大。事实上，为了在任何和所有流速进行确认，可对从低流速(甚至为零)开始的整个流速曲线进行检查。优选的是，流速和介质温度在任何确认流速处都是恒定的。
作为可选确认方法，可能采用如图1中的两个传感器，且在确认流量计精度时不切换它们的功能。假定传感器11是活动传感器，其可由第一级激励(例如15mA)加热。在15mA激励下传感器11的校准特征可以储存在存储器A26中。给传感器12通电，但不被激励用于更高的温度。接着，利用其它方式确定流速是恒定的，且用第二级激励(例如20mA)加热传感器11。传感器11在10mA激励下的响应特征可以储存在存储器B27中。交叉相关检测器16与前述作用相同，并确定在两个不同激励级下传感器11的输出是否在容限内，从而流量计提供精确的“湿法”质量流速输出。这种方法要求被加热的传感器用比转换传感器功能更少的时间来获取更高的温度。更短的时间间隔有助于在确认处理过程中流速和其它因素保持恒定。为了用单个测试得到最好和最精确的结果，当处理条件已知、或恒定或近似恒定时，所有这样的确认都应发生在短的时间间隔内。
以上典型描述一般假定流量传感器基于热差，主要实例为RTD。其它基于热的传感器可用于代替最初描述的RTD。这些可选传感器包括热电偶、热电堆、半导体结、热敏电阻、晶体管、二极管等。多种其它类型的传感器可以以相似的方式用在流量计中。另外，在上述实施例中，存在两个在功能上互换的传感器元件，传感器元件最好基本相同。然而，这不是必须条件。与图1的实施例一致，可将具有不同特征的两个传感器的操作特征储存在存储器中，并校准，以提供相等的流速读数，无论哪个传感器被激励和哪个传感器是参考传感器。并且，如果在第二级下激励一个传感器或其它传感器，则可实现本文中所述的本发明的原理。
可以采用多普勒声波系统，在图7中示意性地描述了一个实例。发射器55(如压电晶体)安装在壁58中，并将斜对横跨管道56的连续声波信号发送给类似的接收器57。从所发射的信号到接收的信号在频率上的改变确定流速。这些频率改变可用于精度检验测试。如果介质流61流向发射器，也就是，逆着所发射信号62的线性分量，则接收器处的信号频率降低，取决于多普勒效应(Dopplereffect)。更大的速度导致更低的频率，逆着信号传输方向的更低的流速导致更高的频率。多普勒效应可用于指示流速的增加或减小，尤其对以下精度检验目的有效。
为了测试目的，发射器和接收器的作用被转换，或以与图1描述的方式相同的方式互换。唯一差别是，现在介质流用声波信号的线性分量，从而接收器检测比发送频率更高的频率。由于这种转换设置，随着介质流速增加，频率增加，随着介质流速减小，多普勒效应频率减小。
如前所述，传感器和介质特征是已知的，且储存在流量计存储器中。通过检查传感器正在提供关于流速的基本相同的信息给发射器或接收器，检查合适的相关性，并确定流量计的精度。
基于发射器/接收器转换精度测试的变化用于两种不同频率，切换或不切换发射器/接收器功能。这类似于在基于热的流量计中采用不同信号电平。发射器/接收器对的特征(例如100kHz和200kHz)储存在存储器中。也可采用任何适合的频率。激励发射器以发射100kHz的信号，并确定质量流速。接着，激励发射器，以反射200kHz的信号，并再次确定质量流速。如果这样确定的速率基本相等，则流量计工作正常，并正提供流速的精确指示。再次，将用于不同频率的发射器特征储存在存储器中。
另一个声波系统将采用相移的原理。与多普勒系统一样，当使用相移系统时，对活动元件、发射器、传感器元件的激励由信号调节器和信号处理器控制。被参考元件、或接收器、传感器元件检测到的相移表示介质速率。速率的提高或降低造成接收的信号的相移量改变。
与多普勒系统一样，当传感器待测试时，切换发射器和接收器功能，相移变化也转换。
另一个可选的传感系统是使用可变飞行时间使声脉冲通过流动媒介传播的超声波测量仪。这将通过转换音频信号进行校准，以使源(source)成为信号接收器。飞行时间(或脉冲重复频率)的不同提供流速指示。如上所述实现相同种类的相关性。可选地，另外的源或接收器可以位于其对应物附近。接着，开关可将它们连接到信号处理器。
如果希望当不存在介质流时，在某一时间(例如就在处理开始之前和流量计安装之后)检查热流量计的精度，则可使用指向传感器元件的校准清洁喷嘴或喷射口。图8示出了具有清洁喷嘴的热电偶套管的典型实施例。图8A与图3相似，其中，桅杆31具有中心孔41和热电偶套管11和12。封闭的管64形成有狭缝65，该狭缝以预定速率发射气体，以冲击热电偶套管的侧面。从图8B的顶视图可看出，气体喷嘴是如何指向热电偶套管的。介质流用箭头65表示。仅示出两个清洁喷嘴管，但是如果飞尘堵塞特别普遍，也可以有更多个清洁喷嘴管。这些喷嘴有时与流量计一起安装，其目的是清洁烟灰、飞尘、或其它来自传感元件的传热表面的污染物。它们可用于以正常的方式周期性地清洁传感器，且可根据需要用于精度测试目的。这些清洁喷嘴可以发射空气或任何适合的气体，甚至适合的环境中的液体。
校准清洁喷嘴，以将已知激励提供给传感器。接着，将传感器的输出与存储器中的校准数据进行比较，以确定运行精度。这种方法引入来自清洁喷嘴的附加流速，该流速是已知值。清洁喷嘴可以有多于一个的流速。利用储存在存储器中的传感器的特征，通过在来自清洁喷嘴的两个或多个不同的流速来激励活动传感器，可以实现测试。可以作出如前所述的输出比较。
尽管以上描述的清洁喷嘴在没有介质在管道流动时用于精度检验，但它也可在增加激励时，在正常介质流期间使用。因为这是校准的附加激励，所以流量计电子元件可将其考虑在内，且不用切换传感器功能就检验其精度。
也可将涡流系统用作质量流传感器，且本发明的原理可应用于这种类型的传感器系统。基于涡流的传感器可利用横过介质流设置的支柱上或中的应变计。应变计的运动频率与流速成比例。也常常采用如温度传感器的其它涡流传感器。
涡流传感器可被配置为将不同的概要给流动的介质，如图9中所示。在图9A中的第一位置示出支柱71，其中安装有应变计72。这种的应变计是已知的。由壁73限定在管道74中的介质流用箭头75表示。给定管道直径、介质类型、和在其中流动的介质的典型的流速范围，示出在端部的支柱71，且从壁73中的适当开口横过管道延伸由安装者确定的一段距离。
当将进行精度确认测试时，如可以将支柱71转动180°，如图9B所示。不同的形状将造成由应变计或其它类型的涡流传感器检测的不同运动应力或频率。将每个角度(attitude)中的支柱的特征数据储存在存储器中，测试过程如前所述，其中，如果在可选的读数中出现任何差异，则使流量计输出与确定相关。在本实施例中，激励变量是涡流支柱的转动。尽管示出单个涡流支柱，也可以在相同的管道或流道中的使用两个支柱。一个可以如图9A中所示定位到流道，另一个如图9B中所示定位。可比较每个读数。可选地，为了流量计确认目的，将每个支柱都转动180°，以呈现与流向相对的方向。当然，为了比较目的，可在开始采用常规步骤将相关的功能特征储存在存储器中。
上述清洁喷嘴实施例也可以采用涡流计量器，其中可以应用附加或已知的激励。
介质流传感元件也可以是基于涡轮的，其中转动元件提供了流速信息，计量器电子元件将该信息转变为有用的数据。也可以通过利用上述空气或气体喷嘴确认涡轮型传感元件。该喷嘴提供了逆着涡轮元件的预定气体流，从而使涡轮传感器的输出能与存储器中的特征数据相关。
孔口、皮托管、和文氏管传感器可类似地由上述流速激励方法激励。
基于热的流量计确认的系统方法用图10例示。这里，桅杆81具有多个A和B传感器对82、83、84。可以利用邻近的传感元件来提供单独或平均的不加热的信号，以被在测试中的传感元件使用。例如，为了测试活动传感元件83，将激励的或加热的元件83A与不受激励的或不被加热的元件82B连接或进行比较，以提供ΔR1。接着，将热元件83A与不加热的元件82A进行比较，以提供ΔR2。如前，所有有用的特征数据都储存在存储器中。接着，在ΔR1和ΔR2之间进行比较，以确认活动传感元件83A的正确操作。作为可选的确认装置 接着，比较ΔR3和ΔR4，以确认这些元件的正确运行。当然，也可采用其它组合来测试桅杆81上的任何元件，例如，将被激励元件83与被激励元件82和84进行比较。可能，可以采用如83的多个元件(例如，16个元件)，且可以将元件83与各种输出的任何组合进行比较。再者，也可如前所述应用可变但已知的激励级。
应当指出，施加给基于热的传感器的电流、功率、或电压产生热量。但是已经描述了传感器的其它类型，术语“激励”用于参考任何活动传感器。因此，声波或超声波传感器可由某种类型的信号激励，以发射和接收预定的音频信号。可选的清洁喷嘴是用于测试传感器精度的另一种类型的激励。注意到，传感器的某些激励源在内部产生，也就是说，利用通过电阻元件或独立热连接的源的电流加热RTD。与清洁喷嘴系统相同，从外部施加其它激励源。在声波系统中，根据来自信号调节器和信号处理器的激励信号的特征，发射器和接收器产生或接收具有不同频率的信号。在一些可选系统中施加的功率电平或散逸的热量没有差别。
非常明显，本发明的各种实施例的流量计精度确认系统是便于使用的，非常精确的，且是有效的“湿法”测试。不需要为了测试目的将附加元件临时连接到流量计中，也不需要对任何元件进行拆卸。所需要的只是简单地预校准传感器，以便将其校准特征储存在流量计电子元件中的存储器中，提供切换、转换、或可选信号，比较两个测试模式中的传感器输出。这些功可以加速和简化了现场测试流量计的可证明精度。
关于对流量计进行精度检验测试使用术语“周期性”。这仅指不时执行测试，且可以在规律的时间基础上执行，或可以在由操作者确定、由储存的程序或由输入或键盘的操作控制的不规律的时间基础上执行。
已经示出的传感器较靠近壳体42(图5和图6)中的流量计控制装置和电子元件。同样可能的是，流量计的任何或全部元件都可以远离管道和传感器或与流动介质具有活动关系的其它信号产生元件设置。信号可通过导线连接，或可无线连接。可以使用任何种类的电源激励活动传感器，且电源可以在本地的或远离的。
本发明也用作流量计的诊断工具。流量计的时间变化率、或其瞬时响应可以用于确定流场中的热电偶套管或其它类型的传感元件的外部污垢。对于热散逸传感器，常见的是对热灵敏传热表面用飞扬的颗粒(常常是某种形式的飞灰)覆盖。当加热传感元件时，或在温度由于流动介质的热散逸而减低时，这种情况何时出现可由其瞬时响应或变化率检测到。当存在污垢物质的堵塞(build up)时，与传感器未被覆盖时相比，ΔT或ΔR更慢地减小，更快地增大。
在目前的一些热散逸仪器中，三个传感器元件(一个用于精确测量温度)可与各种激励装置一起使用，且可以具有基本不同的电学品质，例如电阻等。在激励的各种时间变化率和信号的时间变化率上，这三个元件可以任何方式、或以任何组合被激励，以确定质量流速或质量流速的时间变化率。两个或更多个这样的传感器元件可以以使它们作为单个传感器的方式连接，且不能确定每个单独的传感器的特征。
可以看到，这些操作测试不需要去除流量计，也不需要将任何附加或替换元件，临时连接到流量计来执行测试。流量计自身的电子元件具有一些额外的元件，但是它们在计量器的操作范围内工作，且在进行测试时不用物理地替换。通过采用上述任何方案或其任何组合，甚至可获得更大的有效性保证。
权利要求
1.一种用于测试流量计的精度的方法，所述流量计具有至少两个用于检测流场中的流体流速的传感元件，所述方法包括确定每个传感元件的校准数据；将所述校准数据储存在所述流量计中的存储器中；将第一预定激励施加给第一传感元件，以使其成为活动传感元件；将与所述第一激励不同的第二预定激励施加给第二传感元件，以使所述第二传感元件起参考传感元件的作用；测量所述第一传感元件的输出；测量所述第二传感元件的输出；将所述第一传感元件的输出和第二传感元件的输出进行比较，以确定经过所述流场中的传感元件的第一流体流速；接着使所述第一传感元件的功能和第二传感元件的功能互换；将所述第一预定激励施加给所述第二传感元件；将所述第二预定激励施加给所述第一传感元件；测量所述第二传感元件的输出；测量所述第一传感元件的输出；接着将所述第二传感元件的输出和第一传感元件的输出进行比较，以确定经过所述流场中的传感元件的第二流体流速；以及接着将如此确定的第一流体流速和第二流体流速进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定与存储器中的校准数据相关的第一流体流速和第二流体流速之间的相关性，由此确认所述流量计的精度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述流量计是热散逸流量计，且所述传感元件输出是基于热散逸的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述传感元件选自包括电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻、热电堆、半导体结、热电偶、晶体管、以及二极管的组。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一传感元件和第二传感元件被施加给其的预定激励激励，所述预定激励选自包括电流、电压、功率、和温差的组。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一传感元件和第二传感元件被施加给其的预定音频信号激励。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一传感元件和第二传感元件被施加给其的预定流速激励。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一传感元件和第二传感元件中的一个包括至少两个连接在一起以起到单个传感器作用的传感元件。
9.根据权利要求6所述的方法，其中飞行时间是测量流速所采用的原理。
10.根据权利要求6所述的方法，其中多普勒效应是测量流速所采用的原理。
11.根据权利要求6所述的方法，其中相关信号相位是测量流速所采用的原理。
12.根据权利要求2所述的方法，还包括提供表示所述流量计的精度的输出信号。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述流量计的传感元件的类型选自包括热散逸、声波、涡流、磁性、涡轮、孔口、文丘里管、皮托管、容积式、和科里奥利的组。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述流量计具有多个传感元件，所述第二传感元件包括至少两个传感元件，每个传感元件都被所述第二预定激励激励，所述方法还包括将所述第一传感元件的输出与一个第二传感元件的输出进行比较；将所述第一传感元件的输出与另一个第二传感元件的输出进行比较；以及使这样比较的输出相关，以确认所述流量计的精度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述传感元件在所述流场中间隔成对设置，且每个被测试的单个传感元件与所述流场中的另外两个传感元件进行比较，所述另外两个传感元件不与正在被测试的所述传感元件成对。
16.根据权利要求1 4所述的方法，其中所述传感元件在所述流场中间隔成对设置，且将正在测试的一对传感元件的每个单个传感元件的输出与另外两个单个传感元件的输出平均值进行比较，所述另外两个传感元件中的每个都在不同的传感元件对中。
17.一种用于测试流量计精度的方法，所述流量计具有至少两个用于检测流场中的流体流速的传感元件，所述方法包括确定每个传感元件的校准数据；将所述校准数据储存在所述流量计中的存储器中；将第一预定激励施加给第一传感元件，以使其成为活动传感元件；将与所述第一激励不同的第二预定激励施加给第二传感元件，以使所述第二传感元件起参考传感元件的作用；测量所述第一传感元件的输出；测量所述第二传感元件的输出；将所述第一传感元件的输出和第二传感元件的输出进行比较，以确定经过所述流场中的传感元件的第一流体的流速；接着将与所述第一和第二预定激励不同的第三预定激励施加给所述第一传感元件，以使其成为在不同激励级的活动传感元件；将所述第二预定激励施加给所述第二传感元件；测量在所述第三预定激励下的所述第一传感元件的输出；测量所述第二传感元件的输出；接着比较所述第一传感元件的输出和所述第二传感元件的输出，以确定经过所述流场中的传感元件的第二流体流速；以及接着将如此确定的第一流体流速和第二流体流速进行比较。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括确定与存储器中的校准数据有关的所述第一流体流速和第二流体流速之间的相关性，由此确认所述流量计的精度。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述流量计是热散逸流量计，且所述传感元件是基于热散逸的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述传感元件选自包括电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻、热电堆、半导体结、热电偶、晶体管、和二极管的组。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一和第二传感元件通过施加到其的预定激励被激励，所述预定激励选自包括电流、电压、功率、和温差的组。
22.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一和第二传感元件被施加给其的预定音频信号激励。
23.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一和第二传感元件被施加给其的预定流速激励。
24.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一和第二传感元件中的一个包括至少两个连接在一起以起到单个传感器作用的传感元件。
25.根据权利要求22所述的方法，其中飞行时间是测量流速所采用的原理。
26.根据权利要求22所述的方法，其中多普勒效应是测量流速所采用的原理。
27.根据权利要求22所述的方法，其中相关信号相位是测量流速所采用的原理。
28.根据权利要求18所述的方法，还包括提供表示所述流量计的精度的输出信号。
29.根据权利要求17所述的方法，其中所述流量计的传感元件的类型选自包括热散逸、声波、涡流、磁性、涡轮、孔口、文丘里管、皮托管、容积式、和科里奥利的组。
30.一种用于测试用于检测流场中流体流速的流量计的精度的方法，所述流量计具有至少一个传感元件，所述方法包括为处于第一施加的激励级的传感元件准备第一组校准数据；为处于与所述第一施加的激励级不同的第二施加的激励级的传感元件准备第二组校准数据；将所述第一组和第二组校准数据储存在存储器中；在所述流场中安装所述传感元件；接着测量处于参考第三施加的激励级的传感元件的输出；通过将所述第一级激励施加给所述传感元件激励所述传感元件；测量处于所述第一施加的激励级的所述传感元件的输出；将由所述第一级激励激励的传感元件的输出与所述第三激励级下的传感器的输出进行比较，以确定经过所述流场中的传感元件的第一流体流速；接着再次测量处于参考第三施加的激励级的传感元件的输出；通过将所述第二级激励施加给所述传感元件激励所述传感元件；测量由所述第二级激励激励时的所述传感元件的输出；以及接着将由所述第二级激励激励的传感元件的输出与在所述第三激励下的所述传感器的输出进行比较，以确定经过所述流场中的传感元件的第二流体流速；以及接着将如此确定的第一和第二流体流速进行比较。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括确定与存储器中的校准数据相关的第一流体流速和第二流体流速之间的相关性，由此确认所述流量计的精度。
32.根据权利要求30所述的方法，其中所述传感元件被施加给其的预定的第一音频信号和第二音频信号激励。
33.根据权利要求30所述的方法，其中所述传感元件被施加给其的预定的第一流速和第二流速激励。
34.根据权利要求30所述的方法，其中所述传感元件包括至少两个连接在一起以起到单个传感器作用的传感元件。
35.根据权利要求31所述的方法，还包括提供表示所述流量计的精度的输出信号。
36.根据权利要求30所述的方法，其中所述流量计的传感元件的类型选自包括热散逸、声波、涡流、磁性、涡轮、孔口、文丘里管、皮托管、容积式、和科里奥利的组。
37.一种用于确认流量计的精度的装置，其中所述流量计用于检测流场中的流体流速，所述装置包括至少两个传感元件，安装在所述流场中；源，用于有选择地将激励施加给所述传感元件；开关，用于有选择地将所述激励源连接到所述传感元件；存储器，其中储存每个所述传感元件的校准特征；用于测量每个所述传感元件的输出的装置；第一比较器，用于当将在瞬时和稳态激励时以及相对未受激励时，将每个传感元件的暂态和稳态输出与存储器中的各个校准特征进行比较；用于当激励传感器时确定经过流场中的每个传感元件的流体流速的装置；以及第二比较器，用于将这样确定的流体流速与所述受激励的传感元件的瞬时输出进行比较。
38.根据权利要求37所述的装置，还包括相关器，用于根据由每个所述传感元件表示的流速确认所述流量计的精度。
39.根据权利要求37所述的装置，其中所述传感元件选自包括电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻、热电堆、半导体结、热电偶、晶体管、和二极管的组。
40.根据权利要求37所述的装置，其中所述传感元件是声波传感元件，且所述激励源适于在内部将激励施加给所述传感元件。
41.根据权利要求40所述的装置，其中所述传感元件对所述音频信号的飞行时间敏感。
42.根据权利要求40所述的装置，其中所述传感元件对所述流场影响所述音频信号时的多普勒效应敏感。
43.根据权利要求40所述的装置，其中所述传感元件对所述流场影响所述音频信号时的相关信号相位敏感。
44.根据权利要求37所述的装置，还包括提供表示所述流量计的精度的输出信号的装置。
45.根据权利要求39所述的装置，还包括与每个所述传感元件有操作关系的流体喷嘴，所述流体喷嘴被校准，以将作为外部激励的预定流体流施加给所述传感元件，来自所述流体喷嘴的所述流体流由所述激励源和所述开关控制。
46.根据权利要求37所述的装置，其中所述传感元件包括由至少两个连接在一起以起到单个传感器作用的传感元件组成的单个传感元件。
47.根据权利要求37所述的装置，其中所述至少两个传感元件包括多个传感元件；所述比较器用于将正在被测试的受激励的所述传感元件的输出与至少两个相对未受激励的传感元件的输出进行比较。
48.根据权利要求47所述的装置，其中所述传感元件在所述流场中间隔成对设置，且将所述受激励的传感元件的输出与所述流场中的另外两个传感元件的输出进行比较，所述另外两个传感元件不与所述受激励的传感元件成对。
49.根据权利要求47所述的装置，其中所述传感元件在所述流场中间隔成对设置，且将一对所述传感元件的每个单个传感元件的输出与另外两个单个传感元件的输出平均值进行比较，另外两个单个传感元件中的每个都在与所述传感元件不同的对中。
50.根据权利要求37所述的装置，其中所述传感元件的至少一个被到其的预定的第一流体流和第二流体流从外部激励。
51.一种用于确认流量计的精度的装置，其中所述流量计用于检测流场中的流体流速，所述装置包括至少一个传感元件，安装在所述流场中；激励源，用于有选择地将激励提供给处于预定的不同激励级的所述传感元件；开关，用于有选择地将处于离散激励级的所述激励源连接到所述传感元件；存储器，其中储存每个激励级的所述传感元件的校准特征；用于在瞬时或在稳态期间在任何时候测量所述传感元件的输出的装置；第一比较器，用于当其已经或正在被施加的不同等级的激励激励时，将所述传感元件的输出与存储器中的各个校准特征进行比较；用于确定经过每个施加的激励级的所述传感器的流体流速的装置；以及第二比较器，用于比较这样确定的流体流速。
52.根据权利要求51所述的装置，还包括相关器，用于根据通过给所述传感元件施加不同激励级确定的流体流速，确认所述流量计的精度。
53.根据权利要求51所述的装置，其中所述传感元件选自包括电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻、热电堆、半导体结、热电偶、晶体管、和二极管的组。
54.根据权利要求51所述的装置，其中所述传感元件是基于热的装置，所述激励源适于在内部将激励施加给所述传感元件。
55.根据权利要求52所述的装置，还包括与所述传感元件有操作关系的流体喷嘴，所述流体喷嘴被校准，以将作为外部激励的预定流体流提供给所述传感元件，来自所述流体喷嘴的所述流体流由所述激励源和所述开关控制。
56.根据权利要求51所述的装置，其中所述传感元件包括声波发射器和声波接收器。
57.根据权利要求51所述的装置，还包括用于提供表示所述流量计的精度的输出信号的装置。
58.根据权利要求51所述的装置，其中所述传感元件被到其的预定的第一和第二流体流从外部激励。
59.根据权利要求51所述的装置，其中所述至少一个传感元件包括至少两个传感元件，连接在一起起到单个传感器的作用。
60.一种用于确认流量计的精度的装置，其中所述流量计用于检测流场中的流体流速，所述装置包括至少两个传感元件，安装在所述流场中；源，用于有选择地将预定的不同等级的激励供给所述传感元件；存储器，其中储存每个所述传感元件的校准特征；用于测量处于预定的不同激励级的每个所述传感元件的输出的装置；第一比较器，用于将瞬时和稳态激励时以及当相对未受激励时的每个传感元件的输出与存储器中的各个校准特征进行比较；用于确定当一个传感器受激励时经过所述流场中的每个传感元件的流体流速的装置；以及第二比较器，用于比较这样确定的流体流速。
61.根据权利要求60所述的装置，还包括相关器，用于根据由每个所述传感元件表示的流速确认所述流量计的精度。
62.根据权利要求60所述的装置，其中所述传感元件选自包括电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻、热电堆、半导体结、热电偶、晶体管、和二极管的组。
63.根据权利要求60所述的装置，其中所述传感元件是声波传感元件，且所述激励源适于在内部将激励提供给所述传感元件。
64.根据权利要求63所述的装置，其中所述传感元件对所述音频信号的飞行时间敏感。
65.根据权利要求63所述的装置，其中所述传感元件对所述流场影响所述音频信号时的多普勒效应敏感。
66.根据权利要求63所述的装置，其中所述传感元件对所述流场影响所述音频信号时的相关信号相位敏感。
67.根据权利要求60所述的装置，还包括用于提供表示所述流量计的精度的输出信号的装置。
68.根据权利要求62所述的装置，还包括与每个所述传感元件有操作关系的流体喷嘴，所述流体喷嘴被校准，以将作为外部激励的预定流体流提供给所述传感元件，来自所述流体喷嘴的所述流体流由所述激励源和所述开关控制。
69.根据权利要求60所述的装置，其中所述至少两个传感元件包括多个传感元件；所述比较器用于将正在被测试的受激励的所述传感元件的输出与至少两个相对未受激励的传感元件的输出进行比较。
70.根据权利要求60所述的装置，其中所述传感元件的至少一个被到其的预定的第一流体流和第二流体流从外部激励。
全文摘要
用于测试流体流管道中的传感器(11，12)以确认其一部分为传感器的流量计的精度的方法和装置。其中，使用两个相似的传感器，将活动传感器和参考传感器的功能互换，以确认它们的运行精度。可选地，使用不同激励级以提供用于传感器输出的交叉相关的基础。可以使用单个、或多个分时传感器代替两个传感器。采用暂态或稳态响应。可以使用多种传感器类型。
文档编号G01F25/00GK1668900SQ03817053
公开日2005年9月14日 申请日期2003年6月24日 优先权日2002年6月25日
发明者杰弗里·P·迪恩, 马尔科姆·M·麦奎因 申请人:流体元件国际公司