一种气体流量测量装置及其应用
阅读说明：本技术 一种气体流量测量装置及其应用 (Gas flow measuring device and application thereof ) 是由 周学俊 李华平 于 2021-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种气体流量测量装置,包括：壳体,壳体形成有气流通道和与气流通道气密分隔的信号处理单元容纳腔；至少部分设置于气流通道中的气体流量测量单元,气体流量测量单元将气流通道中的气体体积流量转化为第一气体体积流量信号；与气流通道气体连通的气压测量单元,气压测量单元将气流通道中的气压转化为气压信号；容纳于信号处理单元容纳腔中的信号处理单元,信号处理单元包括计算单元,即MCU；计算单元将第一气体体积流量信号和气压信号根据预设的计算关系处理成第二气体体积流量信号；和电源与输出模块,电源与输出模块为气压测量单元和气体流量测量单元供电并将第二气体体积流量信号输出。(The invention discloses a gas flow measuring device, comprising: a housing formed with an air flow passage and a signal processing unit accommodating chamber hermetically separated from the air flow passage; a gas flow measurement unit disposed at least partially in the gas flow channel, the gas flow measurement unit converting a gas volumetric flow in the gas flow channel into a first gas volumetric flow signal; the air pressure measuring unit is in air communication with the air flow channel and converts the air pressure in the air flow channel into an air pressure signal; the signal processing unit is accommodated in the accommodating cavity of the signal processing unit and comprises a computing unit, namely an MCU; the calculation unit processes the first gas volume flow signal and the gas pressure signal into a second gas volume flow signal according to a preset calculation relation; and the power supply and output module supplies power to the air pressure measuring unit and the gas flow measuring unit and outputs a second gas volume flow signal.)
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，涉及一种带压力补偿的气体流量测量装置及流量测量方法，具体涉及加油站油气回收在线监测系统的气体流量测量装置及其应用。
背景技术
在加油站油气回收在线监测系统用的小口径涡街气体流量测量装置或者罗茨气体流量测量装置(或罗茨传感器)，涡街气体流量测量装置的工作原理为：当气体流过设置于管线通道的扰流柱时，下油会产生卡门涡旋，在下游设置一个感应压力的探头，气体流过，卡门涡旋原理产生的气体涡旋的频率和气体的流速成正相关，通过测量气体压力变化的涡旋频率即可得到气体的流速，在流通面积一定的情况下，就可以得到气体的体积；罗茨气体流量测量装置的工作原理为：当气体流过设置在气体流通通道的腔体时，会带动设置在腔体内的一堆腰轮转动。在腰轮轴的齿盘上设置一对磁性材料，再在磁性材料转动的圆周一定距离内设置磁性开关(干簧管或者其它磁性接近开关比如霍尔传感器)。气体流过时，带动腰轮转动，摇动和齿盘是共轴的，转动速度相同，从而带动齿盘转动。通过磁性接近开关将腰轮转动的速度转换为PWM信号，腰轮转过1圈，通过的气体的体积大致是固定的，通过测量PWM信号的频率和个数，就是可以得到气体的流速和流量。
现有技术存在一个很大的问题就是：在测量气体体积时，仅仅测量了气体通过探头处的流速，而没有压力数据，因此限定了气体流量测量装置只能用于常压或者压力处于-10KPa～+10KPa范围内的测量，对于气体流量测量装置安装的管线，压力比较大的情况下，现有技术的气体流量测量装置就测量不准确。
在加油站油气回收在线监测领域，根据相关要求，要求测量的是体积流量，根据气体状态方程：PV＝nRT；气体流量测量装置安装的位置的压力不同，气体的体积也不同，如果没有压力补偿，气体流量测量装置只能测到常压的气体体积，对于压力变化的到-10KPa～10KPa范围外的体积，现有技术的涡街气体流量测量装置测量不准确。
现有的技术的气体流量测量装置另外一个问题是：气体流量测量装置很难进行分段标定的操作，气体流量测量装置本身不带MCU，其电路板仅有信号放大，滤波，整合为PWM信号的功能，因此气体流量测量装置要进行分段标定的话，只能在气体流量测量装置量的后端信号处理上进行，这就限定了气体流量测量装置和信号处理计量的设备要一一对应，否则每个气体流量测量装置的流量特性不同，使用同一个流量特性的曲线去计量，得到的体积流量就不准确了。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种气体流量测量装置，可适用于不同压力、不同油气类别气回收系统管线。
本发明所述的气体流量测量装置包括涡街型气体流量测量装置、罗茨型气体流量测量装置，还可以是其他的体积流量气体流量测量装置，例如热式气体流量测量装置；
所述涡街型气体流量测量装置应用于小口径(小于DN15)、小流量(流量低于80L/Min)的场合的在线监测；所述罗茨型气体流量测量装置应用于小口径(小于DN20)，小流量(流量低于150L/Min)的场合；两者均适用于体积流量的测量，特别适合于加油站油气回收在线监测用的气体体积流量测量。
本发明提供了一种气体流量测量装置，所述气体流量测量装置包括：
壳体，所述壳体形成有气流通道和与所述气流通道气密分隔的信号处理单元容纳腔；
至少部分设置于所述气流通道中的气体流量测量单元，所述气体流量测量单元将所述气流通道中的气体体积流量转化为第一气体体积流量信号；
与所述气流通道气体连通的气压测量单元，所述气压测量单元将所述气流通道中的气压转化为气压信号；
所述气体流量测量单元和气压测量单元沿所述气体通道的长度方向置于壳体内。
容纳于所述信号处理单元容纳腔中的信号处理单元，所述信号处理单元包括计算单元，即MCU，所述计算单元将所述第一气体体积流量信号和气压信号根据预设的计算关系处理成第二气体体积流量信号；和
电源与输出模块，所述电源与输出模块为所述信号处理单元、所述气压测量单元和所述气体流量测量单元供电并将所述第二气体体积流量信号输出。
所述电源与输出模块与所述信号处理单元电连接；所述信号处理单元与气体流量测量单元和气压测量单元电连接。
所述气体流量测量单元包括涡街型气体流量测量单元或罗茨型气体流量测量单元。
所述涡街型气体流量测量单元包括设置于涡街气体流量测量装置气体通道中的扰流柱和涡旋振动探头，所述涡旋振动探头中埋设多个晶振，用于感受涡旋振动，以产生所述第一气体体积流量信号；
所述涡街型气体流量测量单元的涡旋振动探头设置于涡街气体流量测量装置气体通道中扰流柱的上游或者下游；
所述罗茨型气体流量测量单元的腰型腔体内设置有一对腰轮，气体流过时通过腰轮转动带动齿盘转动，所述齿盘上装有磁铁，触发磁性开关，产生周期性感应信号，以产生第一气体体积流量信号。
在所述气流通道中，所述气压测量单元设置于所述涡街型气体流量测量单元的上游或下游；
所述气压测量单元设置于罗茨气体流量测量装置腰轮腔体的上游或下游。
优选地，所述气压测量单元设置于所述涡街型气体流量测量单元或所述罗茨气体流量测量装置腰轮腔体的上游；
所述气压测量单元包括压力探头,所述气体流量测量装置的壳体中形成有压力探头容纳腔，所述压力探头容纳腔通过开口与所述气流通道连通。
进一步地，气体流量测量装置还包括信号放大模块，用于将获得的第一气体体积流量信号和气压信号进行信号放大。
所述气体流量测量装置还包括温度探头，所述温度探头设置于涡街气体流量测量装置扰流柱下游，或埋设于涡街气体流量测量装置涡旋振动探头内部；
所述温度传感器设置于罗茨气体流量测量装置腰轮腔体下游。
所述壳体上形成有引线基座结构，所述引线基座结构位于气流通道上游段或者下游段。
所述气流通道的上游或者下游开口处分别设置有管道接口，用于分别连接直管；所述直管的长度范围为10-50cm。
本发明中涡旋振动探头的测量信号除了通过设置于气体流量测量装置内部的信号处理模块处理进行压力补偿外，也可以通过外部设备(计量涡街气体流量测量装置或罗茨气体流量测量装置的流量的外部处理设备)来进行压力补偿。
本发明还提出了一种流量测量方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一：采用带压力补偿的气体流量测量装置；
步骤二：通过设置在信号处理模块中的MCU进行分段标定；按照系数标定，涡旋的频率f和气体流速v的关系为：
f＝k*v；
其中，f＝卡门涡旋振动频率；v＝气体流速；k为标准系数，固定常量；气体流量测量装置输出标准的PWM信号；
步骤三：通过计算PWM的信号个数得到标准状态下的体积流量V，公式如下：
V＝N/K；
其中，K＝气体流量测量装置的当量系数；N＝气体流量测量装置输出的PWN信号的脉冲个数；所述第一气体体积流量信号和第二气体体积流量信号为矩形或者梯形脉冲。
本发明中将所述第一气体体积流量信号和气压信号根据预设的计算关系处理形成第二气体体积流量信号，所述预设的计算关系为：
NV2＝V2*K2；
NV2为气体流量测量装置输出的第二气体体积流量信号的PWN脉冲数量；K2为气体流量测量装置的第二当量系数；V2为气体在预定气体压强下的气体体积，其中，
V2＝P1*V1/P2；
P1为由气压测量单元测得的气体压强；P2为预定气体压强，所述预定气体压强P2为标准大气压；V1为由气体流量测量单元测得的体积流量，其中，
V1＝NV1/K1；
NV1为气体流量测量装置输出的第一气体体积流量信号的PWN脉冲数量，K1为气体流量测量装置的第一当量系数。
所述气体流量测量单元测得的体积流量V1还可以通过管道面积，气体流速相乘获得：V1＝v*S；其中，S为管道面积，v为气体流速。
本发明气体体积的计算过程中，根据气体状态方程P1*V1/T1＝P2*V2/T2，计算所述气体在预定气体压强下的气体体积时，加入了温度补偿；其中，T1为气体流量测量单元安装处的温度；T2为气体在预定气体压强下的温度。
本发明还提供了上述气体流量测量装置用作油气回收在线监测系统的气体流量传感器。
本发明还提供了一种加油机，包括：
加油枪；和
引导加油的汽车油箱中的油气回收进入加油站油罐的油气回收管路；和
安装于油气回收管路中的上述气体流量测量装置，所述油气通过所述气体流量测量装置的气流通道，使所述气体流量测量单元产生第一气体体积流量信号，并且使所述气压测量单元产生气压信号。
本发明还提供了一种油气回收在线监测系统，包括：
上述的气体流量测量装置；
气液比采集控制器，所述气液比采集控制器包括气体流量处理模块，所述气体流量处理模块将从所述气体流量测量装置输出的所述第二气体体积流量信号处理成预定气体压强下的油气体积流量值；
加油量处理模块，加油量处理模块将与加油量相应的加油脉冲信号处理成加油量值；
计算模块，所述计算模块将所述油气体积流量值和所述加油量值计算形成气液比数据；和/或，
数据传输单元；和
站级监控系统，所述数据传输单元将所述油气体积流量值、所述加油量值和所述气液比数据传输到站级监控系统。
根据本发明的气体流量测量装置解决了以下问题：
1)每个气体流量测量装置可以根据原始特征进行分段标定，再统一根据一定的规则输出PWM信号给信号处理设备，从而解决了气体流量测量装置分段标定的问题，降低了气体流量测量装置的制造精度要求非常高的要求，降低了气体流量测量装置制造一致性要求非常高的难题；
2)在压力信号通过设置于气体流量测量装置内部的信号处理模块直接计算，设备都是低压信号，省去了压力探头的作为防爆设备使用需要额外的信号线及安全栅问题；
3)在气体流量测量装置上设置滤波信号功能以及信号处理模块解决了另外一个问题是：可以彻底过滤环境低频振动噪声信号，在气体流量测量装置工作频率范围(例如，500Hz～3200Hz)之外的信号都可以彻底屏蔽；
4)根据本发明的气体流量测量装置，信号处理单元和压力探头均设置在同一气体流量测量装置的壳体中，气体流量测量装置输出信号仍为气体体积流量信号，即PWN信号，具有良好的兼容性和可扩展性。
5)根据本发明的气体流量测量装置，信号处理单元以预定气体压强为计算因子作为将所述第一气体体积流量信号和所述气压信号根据预设的计算关系处理形成第二气体体积流量信号，使得根据本发明的气体流量测量装置只需要在气流通道中安装压力探头即可实现气体流量的精确测量。节约了制造成本。
本发明的有益效果包括：本发明在现有技术所有的气体流量测量装置的基础上，在气体流量测量装置中设置了探头和信号处理单元，例如MCU，可以在压力较大的情况实现对气体流量的准确监测，MCU及存储器可以将每个流量测量装置的流量特性记录下来，并标定装置的标定，将每个流量测量装置的特性都标定为标准状态下的准确的特性，气体流量测量装置和信号处理计量的设备不需要一一对应，提高气体流量测量的准确率，大大提高了设备的一致性，降低了设备的制造精度要求。
附图说明
图1为本发明所述的一种涡街气体流量测量装置的主剖视图。
图2为本发明所述的一种涡街气体流量测量装置的流体通道上设置的扰流柱的放大示意图。
图3为本发明所述的一种涡街气体流量测量装置沿流体流通通道垂直方向剖面的示意图。
图4为本发明所述的一种涡街气体流量测量装置中流体通过扰流柱形成卡门涡旋示意图。
图5为典型的涡街气体流量测量装置原始的气体流速和频率对应关系图。
图6为本发明通过分段标定的涡街气体流量测量装置气体流速和频率对应关系图。
图7为本发明所述的一种涡街气体流量测量装置流量体积获得原理图。体积V＝N/K，K＝气体流量测量装置的当量系数；N＝气体流量测量装置输出的PWN信号的脉冲个数。
图8为本发明实施例中气压测量单元设置于涡旋振动探头下游的情况的示意图。
图9为本发明所述的一种涡街气体流量测量装置工作原理图。
图10为本发明所述的一种涡街气体流量测量装置的涡旋振动探头内埋设温度探头的示意图。
图11为本发明所述的一种罗茨气体流量测量装置主剖视图。
图12为本发明所述的一种罗茨气体流量测量装置沿气体流通通过腰轮垂直方向的剖面的示意图。
图13为本发明所述的一种罗茨气体流量测量装置沿垂直于气体流通通道剖面的示意图。
图14为本发明所述的一种罗茨气体流量测量装置腰轮及磁性开关位置的示意图。
图15为本发明所述的一种罗茨气体流量测量装置工作原理图。
图16为本发明所述的一种罗茨气体流量测量装置中气体是否流过气体流量测量装置时的输出信号变化示意图。
附图说明
：1、2-外壳；3-涡旋振动探头；4-气压测量单元；5-扰流柱；6-电源与输出模块；7-信号处理单元；8-探头固定块；9-气流通道；10-第一齿盘；11-第二齿盘；12-磁性开关；13-磁铁；14-取压孔；15-腰轮A第一轴承；16-腰轮A第二轴承；17-腰轮B第一轴承；18-腰轮B第二轴承；19-腰轮A中心轴；20-腰轮B中心轴；21-涡街探头内置温度晶振；22-基座；23-腰型腔体；24-腰轮A和腰轮B；25-电源与输出模块/信号处理单元；26-压力探头；27-压力探头容纳腔。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例1涡街气体流量测量装置(压力探头在涡街振动探头上游)
如图1所示，在气体通过的管道上设置一个扰流柱(如图2的序号5所示)，在扰流柱5的下游设置一个涡旋振动探头3，在扰流柱5的上游气流通道9上开一个小孔，用于测量管线的介质压力，在小孔上方设置一个气压测量单元4，所述气压测量单元4设置于所述涡街型气体流量测量单元的上游，在气体流量测量装置外壳1，2形成的密闭腔体内设置一个电源与输出模块6的电路板和一个信号处理模块7的电路板。
所述气体流量测量单元将所述气流通道中的气体体积流量转化为第一气体体积流量信号；气压测量单元4将所述气流通道9中的气压转化为气压信号；所述电源与输出模块6为所述信号处理单元7、所述气压测量单元4和所述气体流量测量单元供电并将所述第二气体体积流量信号输出。具体地说，所述气压测量单元4和所述气体流量测量单元供电并将所述第二气体体积流量信号从气体流量测量装置输出。
如图2所示，在流体通过的管线上设置一个扰流柱5，流体通过时在下游产生卡门涡旋。其涡旋的频率f和气体流速v的关系为：
f∝v
典型的涡街气体流量测量装置原始的气体流速和频率对应关系如图5所示。
气体通道中流体通过的体积的公式为：
V＝v*S
其中，S为管道面积，v为气体流速；
根据气体状态方程PV＝nRT，可以进行不同温度和压力的气体之间的体积转换；
根据气体状态方程：
P1*V1/T1＝P2*V2/T2
其中：P1：气体流量测量装置安装处的气体压强；
V1：气体流量测量装置安装处的体积流量；
T1：气体流量测量装置安装处的温度；
P2：预定气体压强(标准大气压的绝对压强)；
V2：气体预定气体压强下的体积(标准大气压下的气体体积)；
T2：气体预定气体压强下的温度；
根据实际应用，T1＝T2(气体快速流过，气体流速速度快，标准大气下的温度和气体流量测量装置的气体经过气体流量测量装置的温度几乎相同)；因此只需要考虑P1*V1＝P2*V2；
本发明所提供的带有压力补偿的气体流量测量装置只需按照公式：V2＝P1*V1/P2，即可得到带压力补偿后的标准大气下的体积。
通过设置在信号处理模块中的MCU进行分段标定，按照系数标定，将f∝v的气体对应关系变更为f＝k*v；其中：f＝卡门涡旋振动频率；v＝气体流速；k为标准系数，固定常量；气体流量测量装置，如图1所示，输出标准的PWM信号。通过分段标定的涡街气体流量测量装置气体流速和频率对应关系图如图6所示。
气体流量测量装置仅需要通过简单的数PWM的信号个数通过公式：
V＝N/K；
即可得到标准状态下的体积流量。
其中：K＝气体流量测量装置的当量系数(流过气体流量测量装置的单位体积气体对应的脉冲数量，例如多少个脉冲代表1L体积气体)；
N＝气体流量测量装置输出的PWN信号的脉冲个数。
具体地，通过预设的计算关系获得第二气体体积流量的公式为：
NV2＝V2*K2；
NV2为气体流量测量装置输出的第二气体体积流量信号的PWN脉冲数量；K2为气体流量测量装置的第二当量系数；V2为气体在预定气体压强下的气体体积，其中，
V2＝P1*V1/P2；
P1为由气压测量单元测得的气体压强；P2为预定气体压强，所述预定气体压强P2为标准大气压；V1为由气体流量测量单元测得的体积流量，其中，
V1＝NV1/K1；
NV1为气体流量测量装置输出的第一气体体积流量信号的PWN脉冲数量，K1为气体流量测量装置的第一当量系数。
此外，根据气体状态方程：PV＝nRT，气体温度发生变化时，体积也会相应的变化。从气体流量测量装置计量的准确性考虑，有温度补偿，气体流量测量装置可以测量更准确。温度传感器实时方案有2种：
(A)在涡街气体流量测量装置扰流柱下游设置一个温度探头，测量流体的温度。
(B)直接在涡街振动探头里面埋设多个感受温度变化产生位移的晶振。一般来说涡街振动探头用于测量振动信号，里面一般埋设3个晶振，感应振动信号。如果要测量温度，直接在涡街振动探头里面再增设一个因为温度变化产生位移从而测量温度的晶振。即将涡街振动探头的外壳当作温度探头的本体的外壳，增设一个晶振测量温度，如图10所示。
方案(B)的优点是：
(1)避免单独增加一个温度探头，导致气体流量测量装置总体体积变大。
(2)温度探头埋设于涡街振动探头中，防止影响涡街扰流柱形成的流场，不会因为增加温度探头而改变涡街的流程影响涡街测量。
增加一个温度补偿，仅利用涡街探头的外壳和内部增设一个晶振，涡街气体流量测量装置增加一根线即可。
实施例2涡街气体流量测量装置(压力探头在涡街振动探头上游)
本发明提出的涡街气体流量测量装置中，压力探头也可以设置于涡旋振动探头的下游，如图8所示，其他与实施例1相同。
如图8所示，在气体通过的管道上设置一个扰流柱(如图2的序号5所示)，在扰流柱5的下游设置一个涡旋振动探头3，在所述涡旋振动探头3下游的气流通道9上开一个小孔，用于测量管线的介质压力，在小孔上方设置一个气压测量单元4，所述气压测量单元4设置于所述涡街型气体流量测量单元的下游，在气体流量测量装置外壳1，2形成的密闭腔体内设置一个电源与输出模块6的电路板和一个信号处理模块7的电路板。
所述气体流量测量单元将所述气流通道中的气体体积流量转化为第一气体体积流量信号；气压测量单元4将所述气流通道9中的气压转化为气压信号；所述电源与输出模块6为所述信号处理单元7、所述气压测量单元4和所述气体流量测量单元供电并将所述第二气体体积流量信号输出。
根据气体状态方程PV＝nRT，可以进行不同温度和压力的气体之间的体积转换；
具体地，通过预设的计算关系获得第二气体体积流量的公式为：
NV2＝V2*K2；
NV2为气体流量测量装置输出的第二气体体积流量信号的PWN脉冲数量；K2为气体流量测量装置的第二当量系数；V2为气体在预定气体压强下的气体体积，其中，
V2＝P1*V1/P2；
P1为由气压测量单元测得的气体压强；P2为预定气体压强，所述预定气体压强P2为标准大气压；V1为由气体流量测量单元测得的体积流量，其中，
V1＝NV1/K1；
NV1为气体流量测量装置输出的第一气体体积流量信号的PWN脉冲数量，K1为气体流量测量装置的第一当量系数。
如果计算所述气体在预定气体压强下的气体体积时，加入温度补偿，则：
V2＝P1*V1*T2/(P2*T1)；
T1为气体流量测量单元安装处的温度；T2为气体在预定气体压强下的温度。
实施例3罗茨气体流量测量装置
如图11所示，基座22形成的腰型腔体23内设置一对腰轮(腰轮A、腰轮B)，当气体流过时，腰轮会转动起来。腰轮每转动一周，流过的气体的体积大致是固定(定压力的情况下)。如图14所示，在和腰轮共轴的齿盘10上设置2个磁铁13。气体流过时，通过腰轮转动带动齿盘转动，齿盘上的磁铁就会触发磁性开关周期性的处于开或者关的状态，以产生第一气体体积流量信号。如图16所示，得到PWM信号。
根据气体状态方程：PV＝nRT，现有技术没有压力补偿，如果在常压下测试，是没有问题的，但是如果气体流量测量装置安装的管线压力不是常压，就会带来测量不准确。
为了解决现有技术的问题，本发明在罗茨气体流量测量装置的气体流通管道上设置一个压力探头，压力探头将管线压力的数据传输给MCU，MCU将测量到的原始的PWM信号以及MCU信号计算出来，通过公式P1*V1＝P2*V2，再经过线性标定(方法和涡街气体流量测量装置一样)输出标准的PWM信号。罗茨气体流量测量装置测得的气流通道9中通过的气体体积数据为第一气体体积流量信号，气压测量单元4将所述气流通道9中的气压转化为气压信号；
根据气体状态方程PV＝nRT，可以进行不同温度和压力的气体之间的体积转换；
具体地，通过预设的计算关系获得第二气体体积流量的公式为：
NV2＝V2*K2；
NV2为气体流量测量装置输出的第二气体体积流量信号的PWN脉冲数量；K2为气体流量测量装置的第二当量系数；V2为气体在预定气体压强下的气体体积，其中，
V2＝P1*V1/P2；
P1为由气压测量单元测得的气体压强；P2为预定气体压强，所述预定气体压强P2为标准大气压；V1为由气体流量测量单元测得的体积流量，其中，
V1＝NV1/K1；
NV1为气体流量测量装置输出的第一气体体积流量信号的PWN脉冲数量，K1为气体流量测量装置的第一当量系数。
如果计算所述气体在预定气体压强下的气体体积时，加入温度补偿，则：
V2＝P1*V1*T2/(P2*T1)；
T1为气体流量测量单元安装处的温度；T2为气体在预定气体压强下的温度。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离本发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
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