电子涡轮气体流量计.pdf

本发明涉及一种电子涡轮气体流量计(1)，其首要的基本测量原理是：被检测的气流自身所具有的动能转换成一个涡轮(5)的旋转运动，利用其转速来确定气流的气体体积。为了获得较高的测量精度，在本发明中，取代流过涡轮叶片(6)的气流，对流过一个特殊的旋转体(15)的气流进行运算分析，并且在需要时补充性地对各气体压力通过雷诺线性化加以考虑，这里，此外还通过传感器对于滚珠轴承(8)的磨损和作用在涡轮(5)上的各流体压力进行监测。

1、  一种涡轮气体流量计，具有一个涡轮(5)，其涡轮叶片(6)安置在被检测的气体的气流通道(2)内，其中，涡轮(5)安置在由滚珠轴承支承的一根轴(7)或轮轴上，在其固定不动的气流整流器(10)中安置着具有一个电子计量器(3)的一个传感器外壳(11)，其中，计量器(3)与至少一个、最好是两个径向上的位置固定不变的径向传感器(14)进行数据连接，径向传感器(14)各自被配置给至少一个与涡轮(5)一起转动的旋转体(15)，其方式使得旋转体(15)从轴向传感器(14)旁边经过时分别产生一个正比于涡轮(5)的旋转速度的一个脉冲序列。

2、  如权利要求1所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：为旋转体(15)配置径向传感器(14)，使径向传感器(14)最好等间距地分散安置在一个想象中的圆周轨道的圆周上。

3、  如权利要求2所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：径向传感器(14)构造为接近开关或者行程计。

4、  如上述权利要求1至3之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：旋转体(15)具有一个与涡轮一起旋转的孔圈(17)，后者具有至少一个为特定用途从径向传感器(14)旁边经过的钻孔(18)。

5、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：为旋转体(15)配置的另外一些传感器(13)沿着轴向取向，安置方式使得旋转体(15)的从旁边经过产生一个正比于涡轮(5)的旋转速度的脉冲序列。

6、  如权利要求5所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：旋转体(15)具有一个与涡轮(5)一起转动的、最好为圆形的盘片(16)，它具有至少一个为特定用途从轴向传感器(13)旁边经过的钻孔(18)。

7、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：为旋转体(15)配置的径向和/或轴向传感器(13，14)分别制造为模拟信号传感器并产生一个模拟脉冲信号，其幅值和/或噪音被输送给计量器中继续进行运算处理，优先来确认滚珠轴承(8)中可能发生的失衡或者损坏，和/或作用在涡轮(5)上的各流体压力。

8、  如权利要求7所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：对于模拟脉冲信号的处理运算，与预先给定的阀值进行比较，当超出该阀值时通过一个警告信号予以显示。

9、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：传感器外壳(11)构造成气密性的。

10、  如权利要求9所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：传感器外壳(11)具有气密性的玻璃绝缘子(22)来连接电源，还具有其他的传感器和/或数据处理仪器。

11、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：在传感器外壳(11)内调节成大气压力或者具有确定负压的真空。

12、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：为承接涡轮(5)的压力室设置一个压力传感器来检测各气体压力。

13、  如权利要求12所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：进行气压检测的压力传感器对压差进行检测，其中，传感器外壳(11)内恒定设置的压力作为检测的基准压力。

14、  如权利要求12所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：为承接涡轮(5)的压力室设置一个压力传感器来检测各气体压力，其中，该压力传感器装备有一个检测压力室，它保持恒定的压力，在压差检测时，该压力被压力检测器用作基准压力。

15、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：电子计量器(3)装备有一个存储元件(4)，其中在该存储元件(4)内存放着为各计量器分别配置的修正表或者多项式系数，并且借助于这些数据，依据所检测的各个气压值，对于各个计量结果自动地进行雷诺修正。

16、  如权利要求15所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：借助于另外的一些存放于存储元件(4)中的校准数据、最好是检测误差曲线，以特征曲线校准和/或在需要时对计量结果进行其他修正。

17、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：在被检测气体的气流通道(2)中装备有另外的一些压力传感器，来检测另外一些参数，尤其是可能出现的堵塞压力，这些压力传感器与安置于传感器外壳(11)中的计量器(3)之间数据相联。

18、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：在计量器(3)的存储元件(4)中，存放有另外的有关涡轮气体流量计(1)的数据，尤其是制造商数据、检测值、测量值曲线和/或校准数据。

19、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：安置于传感器外壳(11)中的计量器(3)与有关应急电源、尤其是一个安置于传感器外壳(11)以外的电池进行供电连接。

20、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：计量器(3)装备有至少一个处理单元(9)，其中，借助于由各相连接的传感器(13，14)所提供的各检测数据，并考虑到存放在存储元件(4)中的修正数据和校准数据，对于各个计量结果自动进行修正，使得在存储于电子计量器(3)中的计量状态量已经消除了误差。

21、  如上述权利要求之一所述的电子涡轮气体流量计，其特征为：计量器(3)装备有至少另一个处理单元，并/或者过盈地构成了进行后续处理的电子仪器。

电子涡轮气体流量计
技术领域
本发明涉及一种电子涡轮气体流量计。
背景技术
这种具有可更换的量程插入件(Meseinsatz)的涡轮气体流量计已经在EP 0 078 334 A1中给出。
涡轮气体流量计的测量原理是：被检测的气流自身所具有的动能，借助于一个安置于被检测气体的流动路径中的涡轮转化成涡轮的旋转运动，其中，在理想情况下涡轮的转速正比于被检测的气体流量或被检测的气体体积。
通常情况下，借助于相应的传感技术来检测涡轮的转速。为此，为涡轮配置径向上的传感器，其方式是：当涡轮的叶片从旁边经过时产生脉冲，该脉冲被传递给一个相连接的电子式的状态量转换器。涡轮轴的输出轴驱使一个机械式计量器。在该计量器的前面或后面，一般都串接着已经提到的状态量转换器，由它通过相应的校准数据对计量结果进行计量修正。这种计量修正是必需的，因为计量结果的质量首先受到一系列机械量和流体力学技术参量的影响，如涡轮的摩擦损失，它随着涡轮的支承轴承磨损的增加而增加。
一般情况下，如果容量低、气体密度小，则测量误差较大，因为在该范围内气体对涡轮的驱动功与那些机械影响参量相比比较小。计量结果此外还取决于计量器的几何尺寸大小，尤其是作用在叶轮的各气流压力、气体的粘滞系数和密度、以及气体的气压等。
校准时，考虑这些参量影响的主要途径是：获得一条检测误差曲线，利用它在上面所述的状态量转换器中对各个计量结果进行修正、或者能够进行这种修正。主要是使涡轮气体流量计在只有一个工作压力下运行，因此也在该工作压力下进行校准，并且随后能够将上面所解释的测量误差修正在传统的特征曲线修正中视为足够准确。
另一个计量结果的主要影响参数、亦即可能的误差来源，是气体的流动摩擦，它依据其气流方式的不同——层流或者湍流——而产生不同影响。在涡轮气体流量计的一般工作状况下，所出现的气流主要是湍流，尤其是在高压应用场合下。在理想情况下，这里的气流速度与涡轮的转速之间具有正比关系。工作压力变化的影响可以通过精确的内插或者外推予以考虑。
不过，为此必需始终对被检测气体的工作压力进行测量。在一种所谓的雷诺—线性化方式中，它是通过多项式系数或者相应的修正表来完成的，其中考虑到工作压力和上述雷诺数的影响，这样就能考虑到由此产生的计量结果的偏差。这种复杂的方法迄今为止很少应用。
发明内容
本发明的目标是：创造一种涡轮气体流量计，它具有较高的测量精度，并且没有相应的复杂的后续校准、误差修正，能够在尽可能宽广的应用领域中使用。本发明的目标是通过主权利要求所述的特征实现的。辅权利要求2至16中给出了本发明的优选构造。
涡轮气体流量计具有一个电子计量器，既然是电子式的涡轮气体流量计，首先它没有一般的机械问题和修正，而在机械式辊轮计量器中这些是必不可少的。
本发明的气体流量计的另一个主要优点是：计量器在一个传感器外壳之中受到保护，它沿着气流流动的相同方向安置，并因此显著地减小了对占据空间的需求。集成的传感器外壳可以根据需要随后装备或者更换。其中，在本发明的范围内，传感器外壳可以在气流方向上安置在计量器的涡轮的前面或者后面。
在本发明的范围内，传感器外壳及安置于其中的计量器与至少一个径向传感元件进行数据连接，与前面所述的传感器不同之处在于：该传感元件不是对涡轮的叶片、而是对一个与涡轮相连接而与之一起转动地特殊旋转体的从旁边经过进行运算。借助于自身为此构造的旋转体所产生的脉冲，与一般通过涡轮叶片的从旁边经过所产生的脉冲相比，其检测和数据处理更清晰、精确度也更高。
通过径向上的其他传感器可以提高计量精度，它们在一个想象中的圆周轨道上、最好等间距地安置。通过使用至少两个传感器，可以在对于脉冲序列的相应运算中辨识出旋转方向的变化，并通过由此得到的过盈(Redundanz)对于其他的各个传感器的可能误差进行修正。
在一种优选构造中，旋转体为一个与涡轮一起旋转的孔圈，其中，在一个感应式检测器的框架内，如同这里的情况，或者将实心材料(Vollmaterial)、或者是孔圈上的钻孔的从旁边经过作为信号进行检测并加以处理。应用这种孔圈，与检测叶片的移动相比，能够更精确地检测涡轮的旋转。
这样的传感器可以是简单的接近开关(Naeherungsschalter)，因为旋转体允许产生高精度的信号。根据对检测精度的要求，以及还要再进行说明的辅助处理的其他要求，本发明的计量器也可以装备较昂贵的行程计(Wegaufnehmer)。
在本发明的计量器的另一种扩展中，为与涡轮相连接的旋转体还配备了至少一个轴向传感器。
在这种构造中，旋转体额外地具有一个与涡轮共同旋转的带有钻孔的盘片，因此，该盘片的从旁边经过，在一个感应式检测器中无接触地产生一个密度与涡轮的旋转速度成正比的系列脉冲。
该轴向传感器的计量结果可以用于过盈检测或者误差修正。在为叶轮配置有多个轴向传感器的情况下，还可以辨别旋转方向。
在一种优选构造、尤其是提高检测精度的构造中，计量器不只装备一个这种的径向或者轴向传感器，而是具有四个等间距地安置于滚珠轴承的圆周上的传感器。通过应用多个传感器，可以辨别出涡轮可能发生的旋转方向反转，能够鉴别一个传感器的失灵，或者对一些传感器的漂移通过由此产生的过盈进行修正。
在另一种扩展中，径向和/或轴向传感器制造为模拟信号传感器，它们依据旋转体的从旁边经过而产生一个模拟脉冲信号。
通过对于径向传感器的脉冲信号的幅值或噪音的运算处理，能够依据滚珠轴承的运行造成的磨损情况辨别出其可能发生的失衡或者损坏。运算处理也是在涡轮气体流量计的传感器外壳内的电子计量器中完成的。
与模拟信号的处理运算相关联，要与一个预先给定范围进行比较。如果高出或者低于可预先给定的阀值，就产生一个警告信号，给出必须要尽快更换或者修理涡轮的滚珠轴承的信息。径向传感器的模拟信号的处理使人们能够由此早期辨别检测误差、并用来及时防止可能发生的计量器失灵。对于滚珠轴承磨损情况的监测成为提高计量器检测精度及预防其失效的另一项措施。
通过对传感器的模拟信号的计算，能够发现传感器的表面与旋转体以及与之相连接的涡轮之间的距离的可能变化。其中，如果旋转体在轴向和径向上只具有一个或者少数几个钻孔，将具有特殊优势，因为由此延长了信号的脉冲时间，该信号用于计算确定旋转体和轴向传感器的间距。与通过时间较短的脉冲进行计算相比，由此能够更精确地检测出上面定义的间距。
这种间距的变化因轴承损坏、和由气流作用于涡轮上的气流压力而产生。该气流压力、特别是在涡轮启动和停止时产生的大幅度负载变化，能够损伤涡轮、并因此明显损伤计量器。计量器制造商因此原则上都给定所允许的载荷范围及允许的载荷变化范围。
在一种优选构造中，轴向传感器的脉冲信号与预先给定的阀值之间的相互关系因此受到检测，并且当发生超出时产生一个错误和/或警告报警。利用轴向传感器的检测结果，此外还能确定维护间隔、识别出变化趋势或者发出早期预警。
上面说明的运算处理，允许我们提前或者立刻辨别出可能发生的流量计误差或者其失灵，并且多数情况下还能确定其原因，以一个关于可能发生超负荷的文件形式给出。
安置在流量计的气流整流器内部的传感器外壳制造成气密性的，因此，在传感器外壳中存在的压力，与各种气体压力或者被检测气体的运行压力之间是分开的。
在气密性构造的传感器外壳内部，普遍性地设置成大气压或者轻微的低压(真空)、并保持恒定。
本发明的涡轮气体流量计此外还装备有一个压力检测器，它是为涡轮的压力室配置的，用来测量被检测气体的气体压力或者运行压力。该气体流量计与电子计量器数据连接。
这里业已证明：当安置于压力室中的压力检测器根据压差检测的可靠方法工作时具有优势。为此，压力检测器自身装备有一个检测压力室，由它为压差检测提供基准值。
在一种优选构造中，可以借助于一个为计量器配置的存储元件——它也同样被安置于传感器外壳内，将各计量器的修正表或者多项式系数存储起来。通过对于运行压力或者被检测气体的气体压力的持续监测，以及将各个运行压力传送给电子计量器，可以在计量器中借助于存放在存储元件内的校正表或者多项式系数，对计量结果进行自动修正，其中考虑到了各气体密度或各气体压力的影响。至此只对于一种运行压力校准过的涡轮气体流量计，可以根据这种自动误差修正，在预定范围内应用，借助于被存放在上述存储元件内的修正表或者多项式系数的帮助，来完成相应的修正。
传感器外壳的内部压力与各种气体无关，与存放在存储元件中的雷诺数的结合，以及对各气体压力的检测，使得本发明的涡轮气体流量计的使用不只是一个预定的运行压力的范围，而是整个的压力范围。
除了前面说明过的对各种气体密度的自动考虑之外，还可以进行其他的已知特性曲线修正，方法是：在存储元件中额外地存放各种误差曲线，并且用来对计量结果进行自动修正。
在本发明的又一种扩展中，在被检测气体的流动路径上、或者在安置着涡轮的压力室内，安置另外的压力传感器，以便获得另外的相关测量参数，来修正计量结果。
在计量器的存储元件中，存放另外的计量相关数据，如制造商数据、检测数据曲线或者校准数据。尤其是还可以利用存储元件来显示预先给定的时间段内的检测数据。
此外还可以借助于应急电源来为电子计量器中产生的计量结果提供安全保护。
本发明的电子计量器与传统的计量器的根本区别在于：借助于存放在存储元件中的数据，如各检测的运行数据，对于计量结果进行自动修正。所显示、存储或者检测的各计量结果，在所需要的测量精度范围内都已经完成了误差修正。
附图说明
以下借助于图例中示意性给出的一个实施例对本发明进行详细说明。图中所示为：
图1是一个电子涡轮气体流量计的局部横截面视图，
图2是图1所示的涡轮气体流量计中的径向传感器功能的详细视图，为俯视图，
图3是图1所示的涡轮气体流量计的另一个实施例中，径向传感器功能的另一个详细视图，为俯视图，
图4是图1所示的涡轮气体流量计的另一个传感特性的详细视图，为轴向传感器功能的俯视图，
图5是图1所示的涡轮气体流量计中的电子计量器的框图。
具体实施方式
图1所示的涡轮气体流量计1，主要包含一个气流通道2，被检测的气体在引入后通过一个未继续给出的气体导入结构而穿过该气流通道2，然后流向一个这里同样未给出的气流出口。
在气流通道2内，安置着一个具有涡轮叶片6的涡轮5。该涡轮5安置在具有两个滚珠轴承8的一根轴上。在流量计的一个固定不动的气流整流器10中，安置着一个传感器外壳11。该传感器外壳11为一个气密性的空间，其中安置着一个电子计量器3，它具有一个存储元件4和一个处理器单元9。
传感器外壳11上装备有一个传感头12，它具有两个沿着轴向取向的轴向传感器13和两个径向取向的径向传感器14，它们被安置于一个想象中的圆周上、位于同样为气密性的传感头12之中。这里，它们是感应式接近开关，它们被配置给一个旋转体15，后者与涡轮5处于同一根轴7上并与之一起转动。旋转体15为此主要有一个一起转动的盘片16，其外圆周以一个孔圈17为边界，径向传感器13和轴向传感器14从它上面擦过并与之保持一定间距。
图1所示的涡轮气体流量计1中的传感技术，在图2和3所给的细节图示中详细给出。
图2给出了传感头12的一个端面侧的横截面，它具有径向取向的径向传感器14。
传感头12与金属的孔圈17同心地安置，后者与旋转体15一起运转。
这里，在所给的实施例中，孔圈17具有两个钻孔18。钻孔18在感应式径向传感器14旁边经过时，造成一个信号中断20，其出现的频率可以作为与涡轮5的转速成正比的信号。
在图3所给的另一个构造中，也可以为径向传感器14配置一个或者多个一起转动的金属接片19，来替代一起转动的孔圈17。它们的从旁边经过是从位置固定不动的径向传感器14上边擦过。也可以使用塑料制成的旋转体来替代，它用金属条粘贴在一起旋转的孔圈所在区域中。金属条在涡轮的旋转过程中擦过径向传感器14。这时，可以对脉冲21的密度进行运算，来替代信号中断20。
此外，在传感头12中装备有轴向取向的轴向传感器13，为它们配置了一个一起转动的旋转体15的盘片16，上面具有另外的钻孔18，类似于图2所示，它们产生一个与涡轮5的旋转速度成正比的脉冲序列。
图5中以框图给出了安置于传感器外壳11中的计量器3，它具有一个前置的传感头12。
传感头12安置于一个耐压的外壳中，并且通过一个气密性的玻璃绝缘子22与传感器外壳11相连接。
在传感头12中，为每个传感器13或14装备一个具有接近开关23的振动线圈。该振动线圈23通过一个放大器24连接到一个信号匹配器25上，后者已经被安置在其后的计量器外壳11中，特别用来进行模拟运算预处理。这样处理后的信号随后被传送到处理器9中，由于过盈的缘故，它普遍性地为双重的(zwiefach vorhand ist)，与一个积分存储元件4相连接。计量器3通过一个切割位置匹配器(Schnittstellenanpassung)26、通过相应的其他气密性的玻璃绝缘子27，与一个电子仪器进行数据连接，后者额外地安置于涡轮气体流量计1的外面，在这里没有进一步示出。
以下对于上面描述的涡轮气体流量计1的功能说明如下。
受检测的气体通过一个气流导入结构导入一个气流通道2中，那里安置着一个位于轴7上的涡轮5。该涡轮5的涡轮叶片6受流过的气体所具有的动能的驱驶而旋转。通过两个滚珠轴承8支承于轴7上的涡轮5的旋转，使得旋转体15从传感器13和14的旁边经过。传感器13通过相应的导电杆与电子计量器3相连接，后者安置于传感器外壳11中。传感器13和14发出一定密度的脉冲，它们对应于旋转体15上钻孔18从旁边经过的情况。
这样，产生了一个与气流成正比的信号，它能够借助于电子计量器3进行计量，并可以通过相应的转换换算出相应的被检测的气体量。
此外，在气流通道2中安置着一个压力检测器，它根据压差检测原理工作。作为压差检测的基准压力，使用该压力检测器的内部压力。传感器外壳11相对于其他的气流通道2为气密性封闭的。在该传感器外壳11中为真空态或者大气压。
安置于气流通道2中的压力检测器因此给出被检测气体的各气压。该气压可以与各流量计的存储元件4中所存放的修正表和多项式系数联系起来，来消除气体压力对检测结果的影响，即确定出通过气流通道2的气体的真实体积。在电子计量器中，自动地借助于为计量器各自配置的、存放于存储元件4中的修正数据，考虑到由压力检测器提供的气压数据，进行所谓的雷诺修正，并因此自动地修正计量结果。
这样，能够对上述的涡轮气体流量计1只在一个或者两个运行压力点上进行校准。
根据所述的雷诺数校准，流量计可以接下来使用于一个预定的压力范围内，它是根据为检测气体压力而使用的各压力传感器所确定，不必再进行校准或者进行随后校正。流量计的应用领域因此显著地扩大了。
由于电子计量器安置于一个气密性传感器外壳11中的构造，还能够通过完全更换包括相应的压力传感器在内的传感器外壳11，来实现涡轮气体流量计1对于各种不同压力范围的适用性。
电子计量器此外还与一系列的其他传感器、尤其是压力传感器相连接，通过它们检测到另外一些用于误差修正的检测数据，例如与涡轮的惯性行为相关的。
传感头12中的传感器为模拟信号传感器，因此，通过对于模拟信号的脉冲序列进行再运算、尤其是对关于径向传感器14的幅值的处理能够得到有关滚珠轴承8运行状态的结论。这样，从带着失衡旋转的孔圈17从旁边经过而由模拟信号传感器13、14所提供的脉冲信号的幅值变化，可以确定滚珠轴承8中可能发生的失衡或者损坏。
根据为脉冲的允许幅值所预先设定的阀值或预先给定的带宽能够确认：从那个失衡开始涡轮5的滚珠轴承8必须要进行更换或者修理。这样，能够及时地预防涡轮气体流量计1发生失灵，并因此整体上提高装置的失效安全系数。
从轴向传感器13看，对于模拟信号的运算给出一个与作用在涡轮5上的各流体压力值成正比的检测量，它大致记录于存储元件4中。这样能够辨认出流量计1是否在允许的范围内受驱使。
这样，特别是能够辨别出流量计在启动和停止时可能发生的误操作。需要时也能够及时地对流量计进行更换。
以上对于一个涡轮气体流量计1进行了说明，它的检测精度得到提高，原因是它不同于传统的涡轮气体流量计1，它的脉冲序列不是通过涡轮5的涡轮叶片6从旁边经过产生的。此外，这些脉冲被传送给一个电子计量器3，因此避免了可能发生的机械传递损失。
在气流通道2中进行压力检测，另外由相应的压力传感器自身产生一个基准压力，并且还给计量器3提供了一个存储元件4，它具有涉及各流量计的雷诺数，因此，能够实现计量结果自动适应于被检测气体自身所具有的各种气压。
此外，本发明的涡轮气体流量计1具有的优势为：通过监测处于相当强烈的摩擦环境中的滚珠轴承8、以及作用于涡轮5和流量计1上的整体流体压力，使得人们能够保护性地早期发现可能发生的流量计缺陷。
符号说明
1  涡轮气体流量计
2  气流通道
3  计量器
4  存储元件
5  涡轮
6  涡轮叶片
7  轴
8  滚珠轴承
9  处理器
10 气流整流器
11 传感器外壳
12 传感头
13 轴向传感器
14 径向传感器
15 旋转体
16 盘片
17 孔圈
18 钻孔
19 属接片
20 信号间断
21 脉冲
22 气密性的玻璃绝缘子
23 具有接近开关的振动线圈
24 放大器
25 信号匹配器
26 切割位置匹配器(Schnittstellenanpasung)
27 其他的气密性玻璃绝缘子