技术领域

本发明涉及密度测量装置，特别涉及实时测量可压缩流动气体 的密度的方法和设备。

现有技术

测量可压缩流动气体的密度的原因多种多样。一个例子是在销 售点把压缩天然气(CNG)注入顾客的汽车燃料箱时测量压缩天然 气。如通过参照包括在此的专利号为No.5,238,030的美国专利所述， 可用一包括一声速喷嘴的质量流量计十分精确地测量天然气的质量 流率 。当一声速喷嘴、即气流受抑制的一喷嘴的进口处的气体的 温度和压力给定时，该喷嘴中的气流的质量流率 保持不变，与该 喷嘴下游压力的变动无关。因此，如已知所使用的具体声速喷嘴的 某些信息、包括喷嘴排气系数Cd和喷嘴喉部的横截面面积At，测量 出声速喷嘴紧上游气体的滞点压力Po和温度To，如还已知比热比k 和通用气体常数R，从下式即可确定喷嘴中气流的质量流率 ： $\stackrel{·}{m}=C_d\frac{{\mathrm{kA}}_r{P}_o}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_o}}$

但是，天然气的分子成分可变，从而比热比k可变。因此如假 设实际上变动的比热比不变，用上式算出的质量流率就不精确。

通过参照包括在此的美国专利申请No.08/248,689所述改进的压 缩天然气(CNG)声速喷嘴加油器提供一种在天然气流过喷嘴时确 定天然气比热比的方法和设备。在该发明中，比热比k为喷嘴中气 压Pi与喷嘴紧上游气压Po之比的函数。测定天然气在声速喷嘴紧上 游滞点压力Po处的密度ρo，即可从密度ρo、压力比(Pi／Po)和比 热比k算出质量流率

为了计算上述压缩天然气加油器中的质量流率或其他用途，有 多种良好的密度计可用来测量天然气的密度ρo。但是，用来在天然 气加油器中精确测量质量流率、以便顾客据此付费的可精确实时测 量天然气密度的现有密度计非常昂贵，并且很难安装在可测量声速 喷嘴紧上游滞点压力Po处以测量天然气密度ρo。所需空间、噪声和 压力波动以及敏感的密度计部件使得在这些情况下精确测量密度ρo 既困难又昂贵。

本发明概述

因此，本发明的一个目的是提供一种实时测量天然气密度的精 确、但成本较低的密度计。

本发明的另一个目的是提供一种可在噪声、扰动、振动环境中 测量气流密度的密度计。

本发明的一个更确切目的是提供一种可在天然气流过一加油器 时精确、实时测量该加油器中一声速喷嘴流率计紧上游滞点压力处 的天然气密度的密度计。

本发明的其他目的、优点和新颖特征一部分可从下述说明看出， 一部分可被本领域普通技术人员在下述说明中看出或在本发明的实 施过程中得到理解。这些目的和优点可通过所述设备与在本发明的 精神和范围内具体指出的特征相结合而实现。

为实现上述和其他目的，按照在此实施和宽泛说明的本发明目 的，精确、实时测量气流密度的本发明设备一般包括一与一气源连 接的试样高压室、伸入所述试样高压室中的一悬臂式细长叶片、该 叶片旁使该叶片振动的驱动装置和一与该叶片连接的振动检测器。

为实现上述和其他目的，按照在此实施和宽泛说明的本发明目 的，精确、实时测量气流密度的本发明方法一般包括：把一供气室 中的气流的一部分经一进口管道分流到一试样高压室中、通过检测 一伸入该试样高压室中的悬臂式叶片的共振频率而测量该试样高压 室中的气体的密度、使气体在供气室下游流出该试样高压室。该方 法包括使气体流经一小直径进口管道而减弱噪声、扰动和压力的急 剧变动。

附图的简要说明

构成本说明书一部分的附图示出本发明优选实施例，并与说明 一起用来解释本发明原理。

附图中：

图1为本发明密度计壳体和装在该壳体上的两个声速喷嘴加油 质量流量计的立体图；

图2为图1密度计壳体的主视图；

图3为图1密度计壳体的侧视图；

图4为图1密度计壳体的后视图；

图5为沿图3中5-5线剖取的密度计壳体的剖面图，示出装在 该壳体中的密度计和装在该壳体上的声速喷嘴质量流量计；

图6为沿图4中6-6线剖取的密度计壳体的剖面图，示出该密 度计和装在该壳体中的驱动器；

图7为连接叶片与图6驱动组件的反馈线路的工作流程图；以 及

图8为图7工作流程图的例示图。

本发明最佳实施方式

图1示出本发明一密度计设备10与一压缩天然气(CNG)供气 管26连接，从而该供气管中的气体如箭头11所示流入该密度计设 备10中。如在可把天然气加入两不同燃料箱(未示出)的天然气加 油装置中所使用的那样，两个独立的天然气加油管90、92分别与第 一声速喷嘴计量组件70和第二声速喷嘴计量组件80连接。使用声 速喷嘴流量计的这种天然气加油器的详情可见专利号为No.5,238,030 的美国专利和美国专利申请No.08/248,689，天然气加油器的具体结 构和实施例对本发明来说无关紧要。因此本说明书不示出、也不说 明这种天然气加油装置的阀、控制器、汽车燃料箱和其他部件。但 是，由于本发明密度计设备10特别可与美国专利申请No.08/248,689 所述声速喷嘴计量组件70、80一起用来测量气体密度、从而更精确 测量质量流率 ，因此为了便于理解本发明的结构和优点，一般性 地示出和说明声速喷嘴计量组件70、80。

如图1—4所示，密度计设备10包括一壳体12，其形状可以是 长方体，包括前面14、后面16、左面18、右面20、顶面22和底座 24。然后从图1—4、特别是从图5和6可见，压缩天然气(CNG) 之类气体从供气管26流入一大集流腔30。第一阶段高压室32和第 二阶段高压室34与该集流腔30连接，因此气体从集流腔30如箭头 33、35所示分别流入阶段高压室32、34中。当阀(未示出)打开、 从加油管90、92或其中之一加油时，气体分别从阶段高压室32、34 经第一声速喷嘴计量组件70和/或第二声速喷嘴计量组件80流到加 油管，即出口90、92，然后如箭头37、39所示流到一合适的容器 (未示出)中。如专利号为No.5,238,030的美国专利和专利申请号 为08/248,689的美国专利申请所详述，当阶段高压室32或34中喷 嘴72或82上游的滞点压力Po与喷嘴72或82下游的压力Pl的压力 比足够高时，喷嘴72或82中的气流受抑制。在这种抑制或临界状 态下，对于给定的上游压力Po和气体温度To来说，质量流率 保持 不变，与下游压力Pl的变动无关。每一喷嘴72、82在一收敛部73、 83与一发散部74、84之间有一喉部75、85。

如美国专利申请No.08/248,689所述，可通过如下方法更精确地 测量分子成分变动的天然气气流的质量流率 ：首先使用在气流受 抑制状态下的声速喷嘴72或82的喉部75或85旁测得的压力Pi以 及上游滞点压力Po、喷嘴72或82在测量压力Pi处的横截面面积Ai 和喉部75或85的横截面面积At，从下式确定气体的比热比k $\sqrt{1-{\left(\frac{P_i}{P_o}\right)}^{\frac{k-1}{k}}}=[\frac{A_t}{A_i}{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{\frac{1}{k-1}}{\sqrt{\frac{k-1}{k+1}}\left(\frac{P_i}{P_o}\right)}^{-\frac{1}{k}}-------\left(1\right)$ 然后使用该比热比k和气体在压力Po下的密度ρo以及压力Po、 Pi和横截面面积Ai从下式确定质量流率 $\stackrel{·}{m}=A_i\left[{\rho }_o{\left(\frac{P_i}{\mathrm{Po}}\right)}^{\frac{1}{k}}\right]\sqrt{\left(\frac{2k}{k-1}\right)\left(\frac{P_o}{{\rho }_o}\right)[1-{\left(\frac{P_i}{P_o}\right)}^{\frac{k-1}{k}}}-------\left(2\right)$

用来确定质量流率 的喷嘴72、8l上游压力Po下的密度ρo可 用在图5-6中可看得最清楚的密度计组件100按照本发明确定。该 密度计组件100主要包括一伸入一试样高压室40中的叶片110、一 使叶片110振动的驱动组件120和检测叶片110的振动的振动检测 器117。如下文所述，试样高压室40中的气体的密度ρo会影响叶 片110的共振频率fr。因此，试样高压室40中的气体的密度ρo为 可用振动检测器检测的叶片110的共振频率fr的函数。如试样高压 室40中的气体的密度ρo改变，叶片110的共振频率也随之改变， 该改变可用振动检测器117和下文详述的一适当电路检测。

如上所述，如果气体密度ρo被用来在等式(2)中确定流过第 一声速喷嘴72或第二声速喷嘴82的气体的质量流率 ，则必须在 与第一阶段高压室32或第二阶段高压室34中相同的气体压力下测 量气体密度ρo。在气体或供气管中没有噪声、外部振动、扰动或沉 积物的理想情况下，可把高灵敏度密度计设备直接设置在集流腔30 中或阶段高压室32、34中或其中之一中精确测量声速喷嘴72或82 紧上游滞点压力Po下的密度ρo。但是，很少有如此理想的静止状态， 特别是在压缩天然气加油器中。

图5和6所示的其近端11l紧固在安装环101上、其顶端112 可自由运动的悬臂式叶片100是一种简单的振动结构。它还对它所 处气体环境的密度变化十分敏感，悬臂式叶片的常数决定于叶片材 料的物理特性，例如成分、大小、形状和其他物理特性，由测量叶 片振动确定密度ρo所需的这些常数较容易用实验确定。悬臂式叶片 的结构简单、制造成本低。因此，悬臂式叶片100具有在天然气加 油器中或在其他气体密度测量场合中如上所述确定质量流率 所需 的灵敏度和精度，但其成本只有市场上其他具有足够灵敏度和精度 的密度计的1/6。但是，悬臂式叶片结构不适合使用于经常发生噪声、 外部振动和系统共振、扰动、沉积物等气流环境中。在天然气加油 设备中常见的这种外部条件使得悬臂式叶片处于不稳定状态，从而 无法获得表明气体密度ρo的精确振动，或至少无法进行检测和测 量。因此，按照本发明，用试样高压室40把悬臂式叶片110置于与 阶段高压室32、34中的气体具有相同的上游压力Po和密度ρo、但 与正常气流中的噪声、外部振动和系统共振、扰动和沉积物隔绝的 环境中，从而防止叶片110的振动不稳定而无法检测表明气体密度 ρo变动的共振频率fr的变动。本发明的该试样高压室40是可使用 较简单、低成本、精确的悬臂式叶片110测量天然气加油器气体密 度ρo的一个重要特征。

图5-6所示试样高压室40钻入壳体12中、优选位于第一阶段 高压室32与第二阶段高压室34之间并且优选紧邻集流腔30。一直 径很小的试样进口管道42连接试样高压室40与集流腔30，从而集 流腔30中的部分气体经试样进口管道42如箭头63、64、65所示分 流入试样高压室40中。第一出口导管45使气体如箭头66、67所示 从试样高压室40流入第一阶段高压室32，第二出口导管47使气体 如箭头68、69所示从试样高压室40流入第二阶段高压室34。第一 小直径出口管道44连接第一出口导管45与试样高压室40，第二小 直径出口管道46连接第二出口导管47与试样高压室40。

图5中箭头33、35所示阶段高压室32、34中的气流按照著名 的Bernoulli原理抽吸试样高压室40和出口导管45、47中的气体， 从而不断更新试样高压室40中的气体试样并使其成分和温度与阶段 高压室32、34中的气体大致相同。但是，与集流腔30和阶段高压 室32、34相比较，进口管道63和出口管道44、46所具有的小尺寸， 能够有效地使由集流腔30和阶段高压室32、34中气流的扰动、振 动波或噪声以及压力的急剧变动等的强度和波动在到达试样高压室 40、从而影响叶片110的振动稳定性之前减弱。但是，进口管道42 和出口管道44、46又不小到在试样高压室40与阶段高压室32、34 之间造成很大压力差，从而试样高压室40中的压力与阶段高压室 32、34中声速喷嘴72、82上游压力Po大致相同。因此，由试样高 压室40中的叶片110所作的气体密度ρo测量实际上是在与阶段高 压室32、34中声速喷嘴72、82紧上游压力Po相同的压力下进行的， 从而符合上述按等式(2)精确测量质量流率 的要求。

一般来说，每一阶段高压室32、34必须足够大，以使压力Po 为滞点压力而非流动压力，尽管气体显然从集流腔30经每一阶段高 压室32、34流到声速喷嘴72、82。为了使阶段高压室32、34中的 气体流动得足够慢而获得滞点压力Po而非流动压力，ASME/ANSI 建议，每一阶段高压室的直径至少为其喉部直径的4倍。试样高压 室40应大到可在其中容纳叶片110；与进口管道42和出口管道44、 46的相对大小大到足以隔绝试样高压室中的气体与上述噪声、振动 和急速振动波动、扰动和沉积物，但与进口管道42和出口管道44、 46的相对大小又不大到试样高压室40中的气体试样的成分变动太 慢而无法代表在声速喷嘴72、82中流动的气体。试样高压室40的 容积为阶段高压室32或34的容积的约25—75％(最好约为50％)。 为此，试样高压室40的容积Vs与进口管道42的横截面面积Ai之比 可约为50比1至200比1(最好约为125比1)，而每一出口管道44、 46的横截面面积与Ai相同。例如但不限于，集流腔30的直径约为 2英寸(5.08cm)、长约8英寸(19.42cm)；每一分级压力通风系统 32、34的直径约为 英寸(3.4925cm)、深约 英寸(6.985cm)； 试样高压室40的直径约为1英寸(2.54cm)、深约21/2英寸(6.35cm)； 每一出口导管的直径约为3/8英寸(0.9525cm)、长约11/2英寸 (3.81cm)；进口管道42的直径约为1/16英寸(0.15875cm)、长约 1/3英寸(0.8467cm)；每一出口管道44、46的直径约为1/16英寸 (0.15875cm)、长约1/8英寸(0.3175cm)。在这种结构和气流环境 中，试样高压室40与阶段高压室32、34之间的压力差极小(几英 寸水)，而这样大小的压力差就能够在试样高压室40中产生足够大 的气流，从而试样高压室40中的气体足以代表阶段高压室32、34 中的流动的气体。但是，几英寸水(磅/平方英寸的几分之一)对于 几千磅/平方英寸的正常气体压力来说可忽略不计。因此，可认为在 试样高压室40中测量出的压力Po与阶段高压室32、34中的压力Po 相同。

叶片110优选用弹性模数与温度无关的材料制成，从而共振频 率是试样高压室40中气体的密度ρo的函数而与温度无关。金属合 金NiSPAN3符合这一要求，当叶片110用NiSPAN3制成时，就可 较简单地通过测量叶片110的共振频率fr而测量气体密度ρo。一般 来说，叶片110的共振频率fr与试样高压室40中叶片110周围的气 体的密度ρo之间的关系为下述两次多项式

ρo＝A＋BP＋CP2    (3)

其中，P为振动周期，A、B和C为决定于叶片110的成分、形 状和大小和该系统的其他物理参数的常数。对任何具体的叶片和密 度计的结构、成分、形状和大小，这类常数A、B和C可用实验确 定。振动周期是频率的倒数。因此，按照下式，随着气体密度ρo增 大，叶片110的共振频率fr减小 ${\rho }_o=A+\frac{B}{f_r}+\frac{C}{f_r^2}-------\left(4\right)$

例如，当上述用金属合金NiSPAN3制成的叶片110宽约0.500 英寸、厚约0.015英寸、悬臂长约1.250英寸时，共振频率fr在真空 中约为2000Hz，但在约为3000psi的气压下约为1500Hz。在典型加 油操作中的压缩天然气中，该共振频率fr约为1750Hz，在气体压力 从1000升至5000psi时只变动约200psi。

从图5和6中可看得最清楚，叶片110优选沿纵向轴向119悬 挂在一杯形底座113上。杯形底座113紧紧插入在安装环101中的 一孔102中而紧固在安装环101中。一与安装环101中的孔102平 行偏离的引导孔105可供一从壳体12顶面22上伸出的引导销104 插入，从而确保叶片110相对于驱动组件120的取向正确，这在下 文详述。叶片安装环101上方有一夹持件106把安装环101和叶片 紧紧夹持在壳体12上。可用任何合适连接装置、例如螺栓(未示出)、 焊接(未示出)或其他装置如所公知的那样把夹持件106连接到壳 体上。

压电晶体、应变计之类振动检测器117或任何其他合适的振动 检测装置优选装在杯形底座113中一朝向叶片110的近端111的凹 座115所形成的底座113的一薄弱部116上。该薄弱部116可使底 座113的该部分发生由叶片运动造成的挠曲或应变，从而便于振动 检测器117检测叶片振动。振动检测器117优选为用环氧树脂粘合 在薄弱部116上的压电晶体。该振动检测器最好还装在叶片110的 中心线即纵向轴向119的一侧，以便于检测由叶片110的运动或振 动造成的应变或挠曲。

一装在试样高压室40中的叶片110旁的驱动组件120使叶片发 生振动。从图6中可看得最清楚，驱动组件120包括一穿过壳体12 中的一孔125而从反面16伸入该试样高压室40中的细长螺纹套筒 121。一装在该套筒121中的一线圈管123端部上的电磁线圈122因 此靠近叶片110的宽面128。经导线124加到线圈112上的振荡电 流所感应的振荡磁场与叶片110作用而使叶片110振动。一电信号 检测器和优选为一锁相环路的反馈环路检测叶片110的共振频率fr 后使线圈中的电流以共振频率fr振荡。由于该共振频率fr为试样高 压室40中叶片110周围的气体的密度ρo的函数，因此可用该共振 频率确定气体密度ρo。

如上所述。叶片110的共振频率fr与试样高压室中的气体密度 ρo有关。因此为了确定试样高压室中的气体密度ρo，必须先确定 叶片110的共振频率fr。当叶片110振动时，与叶片110连接的振 动检测器117检测该振动。振动检测器117在导线118上生成一代 表叶片振动频率的电信号。

通过在叶片110上作用一磁场而确定叶片110的共振频率fr。 该磁场由驱动组件120产生。当由驱动组件120所生成、作用到叶 片110上的磁场的频率等于叶片110的振动的共振频率fr时，叶片110 的振动的振幅最大，因此振动检测器117在导线118上生成的电信 号也最大。叶片110的共振频率fr随试样高压室40中的气体的密度 的变动而发生的变动很容易测量，因此，只要检测到叶片110的共 振频率fr的变动即可立即精确地检测到试样高压室40中的气体的密 度的变动。

叶片110与驱动组件120在一反馈电路中连接在一起，从而对 振动检测器117在导线118上生成的电信号的频率与导线124上激 励驱动组件120的电信号的频率进行比较。导线124上的电信号的 频率受该反馈电路的调节，直到它等于导线118上的电信号的频率。 然后测量导线118上一般为1550—1950Hz的电信号频率，之后用上 述等式确定试样高压室40中的气体的密度。

下面结合图7详述连接叶片110与驱动组件120的反馈电路的 工作情况。试样高压室40中的气体所造成的叶片110的振动使得振 动检测器117在导线118上生成一正弦波电压信号。振动检测器117 在导线118上生成的该电压信号输入到低通滤波器/放大器200中。 低通滤波器/放大器200在导线201上的输出正弦波电压信号输入到 频率跟踪滤波器199中，该频率跟踪滤波器又在导线224上把一正 弦波电压信号输入到低通滤波器/放大器202中，这在下文详述。

低通滤波器/放大器202在导线203上的输出正弦波电压信号输 入到转换器204中，该转换器把导线203上的正弦波信号转换成在 导线205上的一方波电压信号。导线205上的方波电压信号输入到 磁场推动电路206中而打开该磁场推动电路206中的一开关，从而 在导线124上形成激励驱动组件120的电压信号，从而磁场作用到 叶片110上。

导线205上的方波电压信号还输入到除法电路208中，从而把 导线205上的电压信号的频率除以20。由于导线205上的电信号的 频率一般为1750±200Hz(即1550—1950Hz)，因此导线210上的 电压信号的频率在87.5Hz周围变动。该频率减小用来把相位比较器 214和压控振荡器214锁定在由叶片110生成的电压信号的频率上。

除法电路208在导线210上的输出电压信号输入到相位比较器 212中。相位比较器212、压控振荡器214和除法电路216一起形成 一锁相环路而在导线217上形成一基准信号。压控振荡器214在导 线217上的输出电压信号的频率在约175,000Hz周围变动。除法电 路216把导线217上的电压信号的频率除以2000后输入到相位比较 器212中。因此，导线210和222上的电压信号的频率都约为87.5Hz。

压控振荡器214在导线217上的输出电压信号还是输入到频率 跟踪滤波器199中的基准信号。频率跟踪滤波器199使用并比较导 线201、217上的电压信号而如上所述在导线224上生成低通滤波器 /放大器202的输入信号。图8为图7工作流程图的一例示性简图。

尽管在该优选实施例中该驱动器为一电磁铁，但本发明可使用 任何可把能量赋予叶片而造成其振动的激发器。此外，尽管优选使 用锁相环共振频率检测器和驱动电路，但也可使用其他类型的检测 和驱动电路，例如通过参照包括在此的专利号为No.4,679,947的美 国专利所述检测叶片共振频率的频率扫描和峰值振幅检测电路。

上述说明只是例示出本发明原理。由于本领域普通技术人员很 容易作出种种修正和改动，因此本发明不限于上述结构和方法。因 此可在由后附权利要求限定的本发明范围内作出所有合适的修正。