用于确定在消费时间间隔内流过流量计的流体的质量的方法和设备

摘要

以在给定温度范围内波动的温度流过流量计的流体的质量通过如下步骤来确定：以流体体积流和激励磁体系统行进过的运动路径之间的精确相互关系通过该流体驱动激励磁体系统；每当激励磁体系统已经行进通过与流体的单位体积对应的运动路径时，借助于韦根导线和围绕所述韦根导线的线圈产生测量电压脉冲；在每个测量时间，使用包含在每个测量电压脉冲中的电能对第一存储器进行充电并使用所述能量作为测量流体瞬时温度的操作能量；生成作为最小可分辨的测量温度单位的整数倍的温度值和包含所述温度值的整数测量值，并将所述温度值添加到之前确定的测量值，所述和包含在非易失性存储器中，从而在所述非易失性存储器中形成连续的和；以及将所述连续的和转发到处理器，该处理器可以供应有外部能量并根据所述连续的和计算所述流体的温度修正的输送体积。

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的分类部分中阐述的确定流过流量计的流 体特别是气体的质量的方法以及适合于执行该方法的设备。

背景技术

流量计是已知的。流量计用来检测从供应商通过该流量计流动到消费者 的气体或液体或更一般地说流体的量，并形成计数状态，在一定时间间隔将 该计数状态读出，以确定在读出操作之前的时间间隔内已经流过该流量计的 流体的质量，因为该质量与被输送至消费者并存储在流体中的能量唯一相关 （假定该流体的化学和/或物理组成不发生变化）。

在如下描述中，为了简单起见，主要对气体气量表或气体流量计进行参 考，但是应明确地注意到，根据本发明的方法也可以以相同方式用于液体流 量计。

当前常见的许多气体流量计都采取波纹管式流量计的形式，也就是说， 通过隔膜彼此分离开的测量腔室周期性地填满和清空。关节连杆机构将隔膜 运动传输到曲轴，该曲轴驱动控制气体流动的两个滑动件。因而，该气体流 动被交替地传送通过波纹管。连杆机构的旋转运动通过磁性联接器传输到机 械计数机构，该机械计数机构一般无法被重置，以防止恶意操纵。测量腔室 预定一单位体积V_E，并且每当一单位体积V_E已经被输送至消费者时，计数 机构的计数状态增加一。

计数状态在可选择的时间间隔，例如每年读出，并且以例如升或立方米 的形式以该单位体积V_E的整数倍来对供应至所讨论的消费者的流体的量进 行计费。在这方面，假定流过流量计的流体的压力总是恒定的，也就是说， 该流体压力是一个固定的预定值。

因而，如果流体也处于恒定温度，例如等于通常采用的参考温度T₀＝ 293K（+20℃），则所描述的测量和计费方法导致完全正确的结果，因为此时 单位体积V_E对应于流体单位质量M₀，该流体单位质量M₀在其值方面是精 确已知并且总是相同的。为了确定在两个计数状态读取操作之间流过流量计 的流体质量M_消耗，将已经发生的计数状态的变化乘以单位体积V_E就足够了， 以便获得体积值，该体积值代表输送至消费者的流体量或存储在其中的能量 的精确测量。

然而，在一般情况下，流体的温度和压力都不是足够精确地恒定。因而， 温度可能在限定的范围内，例如在253K和333K之间（在－20℃和－60℃ 之间）变化，而当没有进行任何具体测量时，该压力与大气压力相关，大气 压力不仅随着天气条件而改变，而且依赖于使用流量计的位置的海平面高 度。

为了便于描述，在下文中，首先假定计数测量确保在流量计使用位置处 的流体压力等于已知的恒定参考压力p₀。则留下的问题是在向消费者输送单 位体积V_E（这分别触发计数步骤）时，随着在相应的测量时间时盛行的温 度T_M而极大地变化的流体质量M_M被输送，使得计数值和单位体积V_E的简 单相乘无法得到有用的结果。

换言之，如果在测量时间时流体的温度T_M低于T₀，则相比于参考温度 T₀时，流体具有更大密度，并且每单位体积V_E有更大质量的流体被输送至 消费者；相反，如果在测量时间时流体的温度T_M高于T₀，则流体具有更低 密度，并且消费者每单位体积V_E接收到了更小质量的流体。

虽然如此，为了能够对所输送的流体量实现正确的确定，并且为了能够 以体积单位表示该流体量，至少在每个测量值检测操作中必须测量流体的绝 对温度T_M并且必须在形成测量值时将该绝对温度考虑进去，因为通过一般 的气体等式，基于在温度T_M时包含在单位体积V_E中的流体质量M_M，计算 输送体积V₀,如果在留过流量计时其已经具有参考温度T₀，则该将假定该质 量M_M。

对于测量温度T_M，根据一般气体等式如下等式适用：

（1）p_MV_E＝n_MRT_M，

而对于参考温度T₀，如下等式适用：

（2）p₀V₀＝n₀RT₀，

其中n_MR代表在测量温度T_M时包含在单位体积V_E中的流体质量，而 n₀R代表在参考温度T₀时包含在单位体积V_E中的流体质量。

为了获得上述与流体质量n_MR对应的输送体积V₀，将等式（1）除以等 式（2），根据测量原理，令n_MR等于n₀R，并且因为假定压力p是恒定的， 因此认为p_M＝p₀，从而给出：

（3）V₀/V_E＝T₀/T_M

等式（3）可以根据感兴趣的输送体积V₀来分解：

（4）V₀＝V_ET₀/T_M

因此，通过处理器或计算电路，将非常容易地实现在每个测量时间从所 测量的温度T_M将与刚好流过的流体质量M_M对应的输送体积V₀计算为V_E的倍数或一部分，因为T₀是已经建立起来的常数。

现在，对于流量计的测量和存储程序来说不仅期望而且出于安全原因经 常必须独立于外部电源或电池来实现，因为前者不能在每个测量地点在任何 时间都以安全操纵方式可用，并且后者的使用涉及到高水平检查复杂性和成 本，并且带来功能安全问题。

发明内容

因此，根据本发明，测量和存储程序所需的能量通过自主定位传感器从 流体的动能获得，如例如在DE102007039050A1中描述的，该自主定位传 感器可以采取线性传感器或转数计算器的形式。

为了该目的，提供了一种激励磁体系统，在波纹管式流量计的情况下， 该激励磁体系统例如与滑动器一起往复运动或者安装在转子上，借助于待检 测的流体流通过曲轴装置等使该转子旋转。至关重要的是，在已经流过流量 计或其测量腔室或多个测量腔室的流体体积与激励磁体系统已经经过的运 动部分之间具有精确相互关系。

以下描述是指优选情形，其中所述激励磁体系统安装在转子上，因而是 转数计数器的一部分。然而，根据本发明的方法并不限于此，而是如果所输 送的流体单位体积V_E的数量通过线性传感器装置来测量的话，则可以以完 全类似的方式使用所述方法。流体单位体积V_E对于不同的装置来说是不同 的，必须在校准操作中进行确定。由此产生特定装置的校准常数包含在相应 地采用的V_E中。

每当旋转传感器变体的转子经过可预定的弧角时，进行测量值检 测，该弧角例如可以是360°的值。相对应的时间量在这里称为测量时间。 然而，也可以采用任何其他值，特别是180°或60°，用于该弧角。无论 如何，由测量腔室或多个腔室的尺寸限定的流体单位体积V_E必须流过流量 计，使得转子转过弧角

由于韦根导线或脉冲导线（在导线上缠绕有线圈）在激励磁体系统的磁 场内被布置成使得，至少每当流量计的转子已经经过弧角时，也就是 说，在每个测量时间，在线圈中都生成测量电压脉冲，能量存储单元的至少 第一能量存储装置能够被充电，该至少第一能量存储装置将能量供应至用来 测量流体温度的温度测量单元、在其中形成或存储测量值的非易失性存储装 置以及相应的电子控制和处理装置的至少一部分，至少直到相应的上一次测 量值倍可靠地存储为止。

然而，将注意到的是，在各个电压脉冲中以这种方式从流体的动能分出 的电能在那时并不足以在每次测量时间都能够操作处理器，通过该处理器能 够执行在每个测量值检测操作中所需的等式（4）中所示的除法（除以T_M）。

因此，根据本发明的第一方面，当根据等式（4）使用输出电压与绝对 温度T_M成正比的温度传感器时实际所需的除法通过数学近似方法转换成整 数的求和，无需处理器的帮助通过逻辑控制装置就可以实现整数的求和，逻 辑控制装置仅具有低能量要求，因此可以从单个电压脉冲的能量供应。

如果在等式（4）中T_M被替换为T₀±ΔT,则给出：

（5）$V_0=V_E\frac{T_0}{T_0\pm \mathrm{\Delta T}}=V_E\frac{1}{1\pm \frac{\mathrm{\Delta T}}{T_0}}$

如果与T₀相比ΔT较小，则如下等式近似适用：

（6）$V_0\approx V_E(1\overline{+}\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_0})$

或者

（7）V₀T₀≈V_E(2T₀-T_M)

如已经提到的，由于在根据本发明操作的流量计的情况下，测量温度 T_M可在例如253K和313K之间变化，与T₀相比ΔT较小的条件不适合于整 个温度范围，从而必须引入修正常数ρ<1：

（8）$V_0\frac{T_0}{V_E}\approx (1+\frac{1}{\rho })T_0-\rho T_M$

对于在一定时间段（在该时间段中，已经进行r测量值检测操作）内已 经流过流量计的相对的即与流体单位体积V_E有关的流体输送体积V_消耗来说， 如下等式适用：

（9）

如果为了获得整数温度测量值而引入代表温度测量的分辨率的常数α， 则可将等式（9）转换为：

（10）

或者，由于T₀、α和ρ是已知常数参数，从而可以将αT₀/ρ称为 第一常数K₁，并且可以将K₁和(1+ρ)T₀α/ρ²称为第二常数：

（11）

或另选地：

（12）

不可否认，在两种情况下，必须通过围绕韦根或脉冲导线缠绕的线圈的 单个脉冲的可用能量在每个测量时间内形成乘积αT_M,然而，该乘积也可以 通过涉及低功率要求、分辨率能力为α的模拟/数字转换器实现，该模拟/数 字转换器在馈送有由线性操作的温度传感器供应的模拟信号时直接输出该 乘积。

α指定该单位（例如为K）被分辨到什么程度。对于0.1k的 分辨率来说，α＝10。

因此，当使用等式（11）时，将在测量时间时分别发生的 整数值αT_M作为正在进行的和存储在非易失性存储装置中并将非易失性 计数器的计数器状态增加1就足够了，以便存储在所考虑的时间间隔中进行 的测量值检测操作的数量r。

然后，在任意可选择的发射时间将正在进行的和以及非易失性计数器的 计数器状态r传送至处理器，该处理器优选通过外部能量供电，并且将其转 换成相应的输送体积V_消耗。这些发射和读取过程相当于在该说明书的开头部 分阐述的已知的机械计数机构，并且它们还可以在固定的预定时间间隔中进 行。然而，由于无需操作员到所讨论的流量计处进行这些发射和读取过程， 就发射时间来说基本更短的间隔也是可行的。它们或者根据固定的时间图案 来预定，并且/或者它们可以通过接收器侧或消费者方面的需求来触发。

由于根据本发明的流量计被防止从外部进行处理操作，原则上可以在每 次发射到处理器之后都将非易失性存储装置中的正在进行的和和非易失性 计数器的计数器状态r设置回零。这给出的优点是，相应的输送体积V_消耗直接表示从前一发射时间以来已经流动到消费者的流体的量。

如正常情况一样，可利用根据本发明的方法推断自供应开始以来输送到 消费者的流体量，因为正在进行的和和计数值r在流量计本身处或所发射数 据的接收器处均不重置。

因此，在相应发射时间之前且处理器计算已经流过流量计的流体质量的 时间间隔是最后发射时间和倒数第二个发射时间之间经过的时间间隔，或者 其是从开始到最后发射时间经过的时间间隔。

当使用等式（12）时，K₂的小数位可以被丢弃而不会有主要误差，从而 分别在测量时间发生的值K₂－αT_M是整数并且可以作为正在进行的和存储 在非易失性存储装置中。可以利用涉及低水平功率需求的计算系统实现差分 形成。这里不需要对计数值r进行检测和存储。在由供应有外部能量的处理 器刚刚读取除以K₁的正在进行的和之后，在所考虑的时间间隔结束时再次 进行输送体积V_消耗的确定计算。

在等式（8）至（12）中，如果大于等于0.5%的精度水平是可接收的， 则“≈”号可以替换为“＝”号。

另一个将待存储在非易失性存储装置中的值产生为正在进行的和的可 能方式涉及使用非线性温度传感器，该非线性温度传感器供应与温度T_M成 反比的输出电压U_M，如例如通过适当地连接至附加电阻的NTC可以实现一 样。

等式（4）于是变成：

（13）V₀=V_ET₀U_TM

或，如果U_Mmin表示在待测量的最低温度时发生的电压值，并且将当前 测量的温度T_M表示为U_Mmin+ΔU_TM：

（14）$\frac{V_0}{V_E{T}_0}=U_{\mathrm{TM}}=U_{\min }+\Delta U_{\mathrm{TM}}$

然后根据如下等式进行确定输送体积V_消耗的操作：

（15）

（所考虑的每个时间间隔都对测量值检测操作进行计数，并且存储和发 射所讨论的计数器状态r）或根据等式：

（16）

（所考虑的每个时间间隔都不对测量值检测操作进行计数，并且不产 生、存储和发射所讨论的计数器状态r）。

如果已经将所检测和存储的值或多个值传送到供应有外部能量的处理 器，则在等式（15）的情况下可以从连续存储的和加上rαU_Mmin再 通过除以K4而确定感兴趣的输送体积V_消耗，其中K4＝α/V_ET₀。当使用等 式（16）时，仅将正在进行的和传送到处理器并由此除以K4。在 这种情况下，α仍是因子，该因子最终没有影响测量值，并且仅仅用来从某 些情况下发生的测量值ΔU_M产生作为为几分之几度的倍数的整数。如果测 量值ΔU_M仅以整摄氏度值获得，则α＝1。如果它们是十分之几度的值，则α ＝10。

如果没有设置用于保持流体压力恒定的装置，则根据本发明进行测量。 如果U_pM是由所使用的压力传感器输送的电压，则类似于等式（13），这给 出：

（17）$\frac{V_0{p}_0}{V_E{T}_0}=U_{\mathrm{TM}}{U}_{\mathrm{pM}}$

如果在这种情况下也引入与测量分辨率程度对应的两个因子α和β（它 们从电压值U_TM和U_pM产生整数值αU_TM和βU_pM），则类似于等式 （16），这给出：

（18）

其中K₅=αβp₀/V_ET₀，因此，利用第一能量存储装置中的每个测量脉冲可 用的能量足以形成乘积αU_TMβU_pM并将其作为正在进行的和存储 在非易失性存储装置中，其可以从该装置传送到供应有外部能量的处理器， 并且该非易失性存储装置将其除以K₅而获得所感兴趣的输送体积V_消耗，并 且该输送体积针对温度和压力变化均进行修正，并且代表输送到消费者的流 体质量的精确测量。

在许多流量计的情况下，机械装置都是这样的，即转子仅能够沿着一个 方向旋转。在其中转子可在两个方向旋转的使用情形下，在激励磁体系统的 磁场中额外布置磁敏元件，例如霍尔元件，其输出信号用来检测旋转方向， 如例如在DE102008051479A1中描述的那样，该磁敏元件也从第一能量存 储装置供应电能。

通过供应有外部能量且同样布置在激励磁体系统的磁场中的霍尔元件 装置，能够最终分辨弧角，如例如在上述DE102007039050A1中所已 知的那样。该精细分辨可用来校准目的和/或用来检测消费者侧的泄漏。

所述激励磁体系统可以包括多个永磁体，使得缠绕在韦根或脉冲导线上 的线圈在测量电压脉冲之间输出另外的电压脉冲，该另外的电压脉冲对能量 存储单元的呈现自发能量源的形式的另外的能量存储装置充电，其中来自多 个这些另外的电压脉冲的能量被累积。该能量足以将存储在非易失性存储装 置中的正在进行的和的值不时地发送到布置在远程的接收器，在该接收器处 布置有供应以外部能量的处理器，该处理执行输送体积V_消耗的计算。能量存 储单元的另外的能量存储装置甚至也可以向位于流量计中且执行那些计算 的处理器供应能量。

优选地，所述激励磁体系统包括具有屏蔽旁轭体的两个永磁体，如在 DE102007039050A1中描述的那样。该屏蔽意味着，可以有效地防止试图 操纵流量计，这种操作通过在外部施加磁场来实现，以便例如阻止或破坏激 励磁体系统的运动。

优选地，使用FRAM存储装置或MRAM存储装置作为所述非易失性存 储装置。

根据本发明的方法的这些及其他有利构造在所附权利要求中阐述。

附图说明

下面通过参照附图以实施例的方式通过实施方式描述本发明，其中单幅 附图示出了用来执行根据本发明的方法的基于自主旋转传感器的流量计的 大多数主要部件的示意性电路框图。

具体实施方式

为了能够从流动流体的动能获得执行必要的测量和存储程序所需的电 能，提供了一种激励磁体系统1，该激励磁体系统1在附图中由永磁体表示， 在所示的实施方式中，该激励磁体系统1安装在转子上，在附图中仅示出了 该转子的旋转轴线3。如箭头R所示，借助于待检测的流体流动通过适当的 机械装置（图中未示出）使转子旋转，使得流过流量计或其测量腔室或多个 腔室的流体体积与该转子覆盖的旋转角度之间具有精确的相互关系。在激励 磁体系统1的磁场内布置有韦根装置，该韦根装置包括韦根导线或脉冲导线 5和围绕韦根导线或脉冲5缠绕的线圈7，在该韦根装置中，当激励磁体系 统1经过一定角度位置时感应出电压脉冲。如果激励磁体系统1仅由单个永 磁体构成，则在转子的每个整转中获得两个这种电压脉冲，但是通过使用多 对磁极也可以在每个整转中产生例如六个或十个这种脉冲。

对于这里描述的实施例，假定在相应整转中产生的其中一个电压脉冲用 作测量电压脉冲，也就是说，只要转子已经经过360°的弧角（对应于 已经流过流量计的流体的单位体积V_E），则执行下文描述的测量和存储程序。 在本发明的范围内，将发生这种测量电压脉冲的时刻称为测量时间。

图中所示的电路单元可以被分成两个相互部分重叠的组8和9，其中的 第一组由虚线所示的矩形包围，第二组由点划线所示的矩形包围。

在第一组8中的电路单元和部件中，分别与温度传感器11和压力传感 器12相关联的模拟/数字转换器14和15、可能为了检测转子的旋转方向而 设置的单个霍尔元件16、计数及存储逻辑装置17、非易失性存储装置19和 能量管理电路20每当发生测量电压脉冲时操作，该测量电压脉冲对第一能 量存储装置22充电，在图中，该第一能量存储装置22由电容器形成，并且 设置成这样，即：使得所需的工作电能对于上述单元足够长地可用，使得这 些单元确定用于流体温度T_M和流体压力p_M的当前盛行的测量值，并且将这 些测量值数字化，从而能够将在计数和存储逻辑装置17中由这些测量值形 成为正在进行的和的整数计数值βU_pM和αU_TM存储在非易失性存储装置19 中，在该非易失性存储装置19中还可能存储计数器状态r，该计数器状态r 由计数和存储逻辑装置17确定并指定在所考虑的输送时间间隔中发生的测 量电压脉冲的序号是什么。

现在通过用于能够将压力看作恒定地等于p₀的数值示例来阐明正在进 行的和的产生。如果假定，通过在模拟/数字转换器14部分上的适当分辨率， 温度测量值U_TM以十分之几度下降，在经过转子整转之后例如为293.5开， 从而触发测量电压脉冲，则该值被乘以α＝10，由此给出整数计数值2935， 为了形成正在进行的和，该整数计数值被添加到在非易失性存储装置19中 包含的数值（例如576365），从而现在在非易失性存储装置19中包含的新的 正在进行的和为579300。然后，当下一个测量电压脉冲发生时，如果该温度 已经增加了十分之二度而达到293.7开，则将2937获得为最新的整数计数值， 并且将582237获得为最新的正在进行的和。

与传统的流量计（传统的流量计的计数机构在每次经过例如360°的测量 弧角时都连续以1计数）不同，根据本发明，在非易失性存储装置19 中的正在进行的和在每个场合都增加一整数计数值，该整数计数值根据在测 量时间时盛行的流体温度而改变，从而该正在进行的和包含计算输送到消费 者的流体质量所需的所有信息项。如果在相应的测量时间时检测到的流体压 力值UpM会发生变化，则相对应的考虑在改变压力测量值方面也适用。

如果假定由测量电压脉冲输送的能量刚好足够执行在每次测量时间时 发生的所述的测量和存储任务，则设置成这样，即：在测量电压脉冲之间产 生并且不触发这种类型的任何测量和存储程序的电压脉冲的能量在第二能 量存储装置23中累积，该第二能量存储装置23例如也由电容器形成，并且 在可选择的时刻将能量供应至发射器25，该发射器25能够利用射频、红外 光、超声波或任何其他传输能量操作，以便例如能够将存储在非易失性存储 装置19中的正在进行的和的最新值以及可选的计数器状态r无线地发送到 布置在远程的接收器，然后可以在该接收器处利用外部能量源通过处理器、 μ控制器、计算机等进行确定在相应的测量时间间隔内输送至消费者的流体 质量所需的计算的实现。

然而，如果测量电压脉冲包含比相应发生的测量和存储任务所需的能量 多的能量，则该多出的能量可以被累积在另外的能量存储装置23中并以以 上描述的方式来使用。

属于第一组8的所有电路部分完全自发地操作，不需要电池或任何其他 外部能量源。优选地，它们一起组合在IC中，该IC也可以采取混合电路的 形式。特别地，第一能量存储装置22可以集成在该IC中。通常，温度传感 器是分开的部件。

相比而言，仅具有来自第一能量存储装置22的电能的供应并不足以用 于属于第二组9的部件或电路，即包括多个霍尔元件的霍尔探针装置30、多 路复用器31和放大器32。因此，如下文更详细地描述的那样，它们需要附 加的能量源。

图中所示的处理器33还可以是直接布置在流量计处的电路装置的部件； 于是，其也可以归于组9，或者其从另外的能量存储装置23供以电能，从而 从存储在非易失性存储装置19中的正在进行的和的相应的最新值开始，其 计算所输送的流体质量的相应值并该相应值传送至发射器25，该发射器25 然后将它们例如无线发送到布置在远程的接收器。如果接收器能够从多个发 射器（网络布置）接收数据，则每个发射器与计算输送体积V_消耗所需的数据 一起发送识别该发射器的分配地址。

根据另一个另选方案，处理器33可以与布置在远程布置的接收器处的 上述处理器（在任何情况下都为该处理设置外部电能源）相同。于是，随后 被发射的所需数据也包括具有所包含的校准数据的常数K₁至K₃。

与韦根导线或脉冲导线5以及围绕导线5缠绕的线圈7一样，霍尔探针 装置布置在激励磁体系统1的磁场区域中，并用于引起由激励磁体系统1的 磁极对预定的弧角的精细分辨，如从上述现有在技术中所知的那样（多匝）。 多路复用器31用来对霍尔探针装置30的各个霍尔元件的输出信号进行单通 道处理，所述输出信号在随后的放大器32中进行放大，然后供应至处理器 33，该处理器33由此以自身方式确定更精确地描述相应的转子位置的精细 角度值。

为了获得该精细分辨，一方面便于在将系统首次交付运行之前在工厂实 现的校准根据本发明的流量计，在这种情况下，容易利用外部电压V_DD。

另外，精细分辨能够用于探查泄漏，由于泄漏，仅非常少量的流体量在 流量计的消费者侧流出。为了该目的，维修操作人员给流量计的电路装置供 应外部能量一定时间段（该时间例如可以是大约几分钟大小），并通过精细 分辨装置观察转子的角位置是否略微改变，这种改变指示是否存在泄漏。所 述“外部能量”可以以大多数方式获得，例如通过使用电池或利用环境光操 作的太阳能电池。

除了上述霍尔元件或霍尔探针之外，还可以使用其他磁敏部件、GMR 传感器（GMR巨磁阻）。

出于空间和成本原因，通常优选利用单个韦根模块（包括韦根或脉冲导 线以及缠绕在其上的线圈）实现根据本发明的设备。然而，也可以想到以两 个或更多个韦根模块代替以附加的磁敏元件补充的韦根模块的解决方案。