一种流量检测装置及其数值建模方法

摘要

本发明涉及一种流量检测装置及流量检测数值建模方法，用于控制管道中的气体流量。流量检测装置包含量测管道、阀门控制模块、流量检测模块以及处理模块，处理模块可藉由流量检测模块所量测之数据以建构出流量特性拟合曲线之数值模型，并由处理模块回授一控制讯号以调控阀门结构之开启程度，以进一步地精准控制管道内之流量。

说明书

技术领域

本发明涉及适用于气流管道中之气体流量控制，藉由量测数据以建构数 值模型并回授一控制讯号以调控阀门装置之开启程度，以精准地控制气流管 道内之流量的流量检测装置及其数值建模方法。

背景技术

管道系统内的流体会因为管组件(阀门、弯管、歧管、变径管、过滤器… 等等)的影响会有压损情况产生，让管道内的流速及流量之分布并不稳定， 然而目前并无可直接量测流量之仪器设备，仅能利用流速检测装置量测后再 推论得知，然而使用环境的差异使着实验室的模拟结果或推导公式并无法直 接套用于现场上，让管道系统中的流量控制一直处于开回路的控制环境上， 无法有效提升其控制精准度。

再者，管道流体在经由阀门结构时，会因阀门结构的开启角度差异使着 阀门后端流体产生不同程度的紊流现象，以增加量测误差而降低讯号精确 度。

综观前所述，是故，本发明之发明人经多年苦心潜心研究、思索并设计 一种流量检测装置及其数值建模方法，以针对现有技术之缺失加以改善，进 而增进产业上之实施利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种量测实际之气体流动状态、将量 测讯号回传至处理模块中以建构出一数值模型，再依据设定之流量需求以发 送相对应之控制讯号以调整阀门结构之开启程度，并且利用建构的数值模型 根据实际的监测讯号进行回授控制以提供稳定之流量且满足设定的流量需 求的流量检测装置及其数值建模方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种流量检测装置，包括量 测管道，阀门控制模块，流量检测模块和处理模块；

所述量测管道设置于气流管道一侧；

所述阀门控制模块设置于所述量测管道中，所述阀门控制模块包含一个 阀门结构及一个阀门致动单元，所述阀门控制模块用于藉由控制所述阀门致 动单元以调整阀门结构的开启程度；

所述流量检测模块，包含多个检测单元，多个检测单元分别配置于所述 量测管道的两侧，并将采集到的的多个检测讯号传送给处理模块；

所述处理模块，接收多个所述检测讯号并根据多个检测讯号构建流量特 性拟合曲线，并根据该流量特性拟合曲线进行判断，生成控制讯号，并将控 制讯号发送给所述阀门控制模块，以控制所述阀门结构的开启程度，进而调 整所述量测管道的气体流通量。

本发明的有益效果是：1、数值建模：本发明利用实际量测到的量测讯 号以建构出符合各环境之相对应之数值模型，并进一步修正理论推导之模型 参数以提升精准度；

2.即时回授：可利用数值模型建构出之流量特性拟合曲线，以发送控 制讯号至阀门控制模块以控制阀门结构之开启程度，进而调整量测管道之气 体流通量。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述量测管道还包含一转换接头，所述转换接头的用于量测管 道的管径异于所述气流管道之管径。

进一步，所述阀门结构还包含一表面涂层，所述表面涂层用于增加所述 阀门结构的耐蚀性。

进一步，还包括用于降低紊流现象的整流模块。

进一步，所述流量特性拟合曲线具体为利用数据拟合算法对检测讯号进 行运算拟合。

进一步，所述数据拟合算法包含最小平方法、共轭梯度法或回归分析法。

进一步，所述多个检测讯号包含风速、风压、风温或其组合。

进一步，本发明基于上述目的还提供一种流量检测数值建模方法，其包 含以下步骤：

步骤1：将多个检测单元分别设置于一个量测管道的两侧；

步骤2：利用阀门致动单元依序调整阀门结构的开启程度；

步骤3：利用所述多个检测单元分别测量量测管道中的流量，得到多个 检测讯号；

步骤4：将多个检测讯号回传至处理模块，并应用数据拟合算法以建构 流量特性拟合曲线；

步骤5：根据所述流量特性拟合曲线进行判断并发送控制讯号控制所述 阀门结构的开启程度，进而调整所述量测管道之气体流通量。

进一步，数据拟合算法包括最小平方法、共轭梯度法或回归分析法。

进一步，所述多个检测讯号包含风速、风压、风温或其组合。

附图说明

图1为本发明流量检测装置结构图；

图2为本发明流量检测装置实施例1结构图；

图3为本发明流量检测数值建模方法之步骤流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

S流量检测装置，5气流管道，10量测管道，11转换接头，20阀门 控制模块，21阀门结构，211表面涂层，22阀门致动单元，30流量检测 模块，31检测单元，315检测讯号，40处理模块，42数据拟合算法，44流 量特性拟合曲线，405控制讯号，50整流模块，S1～S5步骤流程。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明流量检测装置结构图；图2为本发明流量检测装 置实施例1结构图；图3为本发明流量检测数值建模方法之步骤流程图。

实施例1

由图1和图2中可知悉，流量检测装置S系利用于控制气流管道5中所 输送之气体流量，藉由此流量检测装置S以进一步调整气流管道5中的流量， 以利于后续运用。流量检测装置S包含量测管道10、阀门控制模块20、流 量检测模块30以及处理模块40。量测管道10系装配于气流管道5之一侧， 当气流管道5与量测管道10之管径相异时，可增设一转换接头11以便于组 装。

阀门控制模块20系配置于量测管道10中，阀门控制模块20包含阀门 结构21及阀门致动单元22，阀门控制模块20可藉由控制阀门制动单元22 以调整阀门结构21之开启程度。实施上，阀门结构21可为常见之蝶型阀或 其它阀类，在管径及强度的需求下选择适当的阀门结构21，更可依据使用环 境的差异，于阀门结构21之外表面涂布上一层表面涂层211，此表面涂层 211系用以增加阀门结构21的耐蚀性，以避免气流管道5中的腐蚀性气体直 接破坏阀门结构21，而造成结构破坏或装置失效。

流量检测模块30可包含多个检测单元31，多个检测单元31系分别配置 于量测管道10之两侧并传送相对应之多个检测讯号315。检测单元31可为 插入式流量检测仪、超音波流量检测仪、压差式流量检测仪等，所量测到的 检测讯号315则包含风速、风压、风温或其组合。实施上，当检测讯号315 测量到气流中的温度变化超过设定门槛值时，阀门控制模块20则发送紧急 应变讯号以关闭阀门结构21，并发送警示讯号以提醒操作者进行处理及事故 排除。

当多个检测单元31中之部分检测单元31配置在阀门控制模块20之前 端时系为量测管道10中的流场讯号，此时的相关讯号因尚未受到紊流现象 影响而相对稳定。而其余之部分检测单元31设置于阀门控制模块20之后端 时，则会受到紊流现象及边界流效应等因素干扰，使着所量测到的讯号不稳 定，为解决此问题本发明提出下列几项解决方案。

第一、可将配置于阀门控制模块20之后端的多个检测单元31利用间隔 式、环绕式或其组合的配置排列，藉由不同位置之检测讯号315以进行修正 分析，进而降低检测讯号315的量测误差值。

第二、可于阀门控制模块20之后端增设一整流模块50以降低量测管道 10中管内之流体因阀门结构21偏转阻挡而造成之紊流现象，进而提升检测 讯号315之精确性。

第三、藉由阀门致动单元22缓慢调整阀门结构21之开启程度，以避免 因流通面积急速变化而造成检测讯号315不稳定。

处理模块40系将配置于量测管道10两侧的多个检测讯号315加以接收， 并藉由最小平方法、共轭梯度法或回归分析法等数据拟合算法42以建构出 流量特性拟合曲线44之数值模型，当用户设定一预定流量时，流量检测装 置S则利用流量特性拟合曲线44以发送出相对应之控制讯号405至阀门控 制模块20，以控制阀门结构21之开启程度，进而调整量测管道10之气体流 通量。并可利用检测讯号315加以回授修正阀门结构21之开启程度，以提 供稳定之流量且满足设定之流量需求，以达到回授控制之目的。

进一步说明，用户可先于处理模块40中建构若干个常见或已推导出之 流场模型，再依据实际运用情况选择适当匹配之数值模型，利用所接收之多 个检测讯号315以修正数值模型之流量特性拟合曲线44。

若是内建之数值模型无法实际与运用环境相匹配时，则先控制阀门致动 单元22依据量测解析度依序调整阀门结构21之开启程度，再利用流量检测 模块30以撷取阀门结构21在不同开启程度下的相对应之复数个检测讯号 315，并回传至处理模块40中利用数据拟合算法42以建构出相对应之流量 特性拟合曲线44。

当流量特性拟合曲线44之数值模型建构或修正完成后，使用者则可输 入所需之流量需求至处理模块40中，处理模块40则将流量需求带入流量特 性拟合曲线44模型中进行运算，以运算求得阀门结构21所需之开启程度， 并发送相对应之控制讯号405给阀门控制模块20以调控阀门结构21之开启 程度，并再利用调整后所量测之多个检测讯号315以回授修正阀门结构21 之开启程度。

请参阅第3图，其系为本发明之流量检测数值建模方法之步骤流程图。 在步骤S1，将多个检测单元31配置于量测管道10之两侧，其中多个检测单 元31系可依据实际环境及需求，将其适当地配置于量测管道10的相对位置。 在步骤S2，利用阀门致动单元22依序调整阀门结构21之开启程度。在步骤 S3，利用多个检测单元31量测相对应之多个检测讯号315，其中可藉由控制 阀门致动单元22的作动速率，以进一步增加检测讯号315的量测数据量。

在步骤S4，将多个检测讯号315回传至处理模块40，并应用数据拟合 算法42以建构流量特性拟合曲线44，其中流量特性拟合曲线44可藉由最小 平方法、共轭梯度法或回归分析法等数据拟合算法42以建构出相对应之数 值模型。接着，在步骤S5，根据流量特性拟合曲线44以发送控制讯号405 控制阀门结构21之开启程度，进而调整量测管道10之气体流通量，其中可 利用检测讯号315加以回授修正阀门结构21之开启程度，以提供稳定之流 量且满足设定之流量需求。

以上所述之实施例仅系为说明本发明之技术思想及特点，其目的在使熟 习此项技艺之人士能够了解本发明之内容并据以实施，当不能以之限定本发 明之专利范围，即大凡依本发明所揭示之精神所作之均等变化或修饰，仍应 涵盖在本发明之专利范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。