专利名称：用于控制质量流率的力平衡式叶轮流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于特征化流体的质量流率的质量流量计，尤其
涉及一种用于控制燃料在燃气涡轮发动机(gas turbine engine)中的质 量流率的力平衡式叶轮流量计。
背景技术：
下一代燃气涡轮发动机将可能包含分布式流结构(distributed flow architecture)，其中，通过一个主动燃料输送控制系统选择性调节流至 个别喷射器喷嘴的燃料。分布式控制结构要求单独控制各喷嘴的质量 流率。这需要更小的具有更快响应时间的质量流量传感器，其能够在 相对较小的流率下工作。估计流率比现有的主液流计(main flow stream meter)的流率小大约一个数量级。
美国专利号6,776,055揭示了现有技术用于准确测量燃气涡轮发动 机中的燃料流率的主液流计。此装置采用角动量流量计(angular momentum flow meter)的形式，其包含装设在可旋转鼓轮内的自旋叶 轮。为了运作，该叶轮需要一定量的质量燃料流来克服轴承的磨擦效 应和流体粘性。因此，该装置不适合涉及小燃料流率(例如，分布式 控制应用的预期流率)的应用。
因此，有必要提供一种质量流量计，其设计和构造使其能够为小 流率应用提供准确的质量流率测量。

发明内容
本申请的目的是提供一种新的有用的质量流量计，以特征化流体 的质量流率，该质量流量计的设计使其能够为小流率应用，例如主动 燃料输送控制系统的分布式控制结构，提供准确的质量流率测量。该 质量流量计包含具有内钻孔的柱形传感器壳体以及经支撑而可在该传 感器壳体的内钻孔内作轴向旋转的叶轮本体。该叶轮本体包含用于在
流体相对该叶轮本体流动时把流体动量矩(fluid moment of momentum, 本文也称作流体惯性)转换成刚体旋转或转矩(solid body rotation or torque)的构件。
本发明的质量流量计进一步包含传感构件，其采用接近传感器 (proximity sensor)的形式，用于测量该叶轮本体相对该传感器壳体的 旋转角度；以及电磁构件，用于产生传感器壳体周围磁场，以防止该 叶轮本体旋转。此外，该质量流量计还包含用于在流体相对该叶轮本 体流动时确定来自该传感构件的电气数值的构件，以及响应该电气数 值而控制供给该电磁构件的电力以产生足以防止该叶轮本体旋转的磁 场的构件。
较佳地，该用于把流体惯性转换成刚体旋转或转矩的构件包含延 伸穿过该叶轮本体的流体流路。该流体流路包含旋流室(spin chamber), 其与具有多个有形涡轮出口通道(shaped turbine outlet channel)的涡轮 盘(turbine plate)相通。该等涡轮出口通道的设计及构造使其能够产 生f荒量诱发转失巨(flow-inducedtorque)。
该质量流量计进一步包含与穿过该叶轮本体的流体流路的入口端 相通的长形旋流器(flowswirler)。该旋流器的构造使其能够赋予穿经 该旋流器的流体围绕流动轴线的螺旋流态(helical flow pattern)，以增 加该流体围绕流动轴线的角速度，从而提高施加至该叶轮本体的流量 诱发转矩，并有利于输送至该叶轮本体的流体具有相对低的流率的情 形。较佳地，该旋流器包含薄壁管，其具有椭圆形横截面并围绕其纵 轴螺旋式扭曲。或者，该旋流器可包含管体，其中具有螺旋插件，以 赋予穿经它的流体螺旋流，或一对盘绕管体。
该质量流量计的叶轮本体经支撑而可围绕长形轴杆作轴向旋转。 该轴杆由轴向对置的低磨擦轴承支撑。该等轴承的形式可为宝石轴承 (jewel bearing)、球轴承或类似物。无论哪种情形，该等轴向对置的 轴承都由与该传感器壳体的内钻孔耦合的回弹支撑构件夹持。较佳地， 该等回弹支撑物螺纹夹持(threadably retain)该等轴承并可调整该等轴 承以改变轴杆的轴向负载。
根据本发明的一个较佳实施例，该传感构件或接近传感器包含电 容式角位置传感器(capacitive angular position sensor)。在一实例中，
该电容式角位置传感器包含设在该叶轮本体外表面上的两个沿直径对 置的导电区，以及对应的两对沿直径对置的电极，其与该传感器壳体 的内表面相联系。各电极对经配置而与一对应的导电区电气相互作用， 以依据运作时在任何特定时间存在于两者之间的重叠或重合表面积量 而产生相关电容值。
在另一实例中，该电容式角位置传感器包含设在该叶轮本体外表 面上的螺旋导电区以及与该传感器壳体内表面联系的螺旋电极。该静 止电极螺旋体与该浮动螺旋导电区相互作用以依据运作时在任何特定 时间存在于两者之间的重叠或重合表面积量而产生相关电容值。
较佳地，用于产生磁场以防止该叶轮本体旋转的电磁构件包含多 个配置在该叶轮本体周围的永久磁铁，以及围绕该传感器壳体和叶轮 本体并与所述永久磁铁对齐的定子线圈。较佳地，用于确定来自该传
感构件的电气数值的构件包含电容拾取电子装置(capacitance pick-off electronic)，而且，用于控制供给该电磁构件的定子线圈的电力的构 件包含比例-积分-微分控制器(proportional-integral-derivative controller)以控制电流供给，该比例-积分-微分控制器连接至一功率放 大器。
根据本发明，为防止流动诱发该叶轮本体旋转或使该叶轮本体保 持在磁平衡位置(magnetically balanced position)而由该比例-积分-微
分控制器供给该电磁构件的定子线圈的电流与所测量的施加至该叶轮 本体的流量诱发转矩成正比。因此，本发明质量流量计的电容式角位 置传感器的输出与该叶轮本体偏离零位所导致的偏移成正比，从而激 发输送至定子线圈的电流的改变，而可修正至该叶轮本体的原始零位。 本领域的技术人员在结合附图阅读本发明的具体实施例描述后更 容易理解本发明的上述及其他特征及优点以及组装和应用本发明的方 式。


为方便本领域技术人员了解如何制作及使用本发明而不必进行过 多实验，下文将参照附图详述本发明的较佳实施例。
图1为本发明质量流量计的透视图，所示质量流量计具有旋流器，
用于赋予进入该装置的流体螺旋流。
图2为图1所示的质量流量计的透视图，其中为方便说明而卸下
与该装置联系的轴向对置的安装法兰(mounting flange)。
图3为图1所示的质量流量计从入口端观察的分解透视图，其中
为方便说明而将叶轮总成与传感器壳体分离，并显示该传感器壳体的
部分横截面，以说明与其联系的成对静止电极。
图4为图1所示的质量流量计的叶轮总成从出口端观察的透视图，
其中为方便说明而将轴向对置的支架与隔离套筒(spacer sleeve)分离。 图5为图1所示的质量流量计的叶轮总成从出口端观察的分解透
视图，其中为便于说明而自隔离套筒卸下叶轮本体并自叶轮本体卸下
涡轮盘。
图6为质量流量计的叶轮本体沿图5所示的直线6-6的横截面视 图，以说明用于接受多个永久磁铁的钻孔。
图7为质量流量计的叶轮本体沿图5所示的直线7-7的横截面视 图，以说明穿过该叶轮本体的流路特征以及用于把流体动量矩转换成 刚体旋转的有形涡轮出口通道的特征。
图8为本发明质量流量计沿图1所示的直线8-8的横截面视图并结 合显示与其联系的反馈控制回路的示意图，该反馈控制回路包含与该 等静止电极联系的电容拾取电子装置，以及控制器，用以控制输送至 围绕该传感器壳体的电磁铁(electromagnet)的电流，该电流与施加至 该叶轮本体的流量诱发转矩成正比。
图9为本发明质量流量计沿图1所示的直线9-9的横截面视图并结 合显示与其联系的反馈控制回路的示意图。
图10为本发明质量流量计沿图1所示的直线10-10的侧视图，其 中剖开隔离套筒的墙体以说明在其中安装成可旋转、处于磁平衡位置 的叶轮本体，其中位于该叶轮本体上沿直径对置的导电区与联系传感 器壳体内表面的对应静止电极对部分重叠以产生相关电容值。
图11为本发明质量流量计沿图1所示的直线10-10的侧视图，图 中该叶轮本体已转到图IO所示位置的前面，以使与传感器壳体内表面 联系的成对静止电极覆盖该叶轮本体中较大部分的导电区，从而使电 容值相对图10中的电极对与导电区相互作用所产生的电容值有所增
加。
图12为本发明质量流量计沿图1所示的直线12-12的侧视图，其
中以横截面图示该传感器壳体的墙体和叶轮支架，以显示叶轮本体的 外表面，并图示该成对静止电极的电气连接。
图13类似图12，为本发明质量流量计沿图1所示的直线12-12的 侧视图，其中以横截面图示该叶轮本体以显示延伸穿过该叶轮本体的 内部流体流路的特征，以及支持该叶轮本体旋转的主轴(spindle shaft)
与宝石轴承。
图14为本发明另一质量流量计的透视图，其具有旋流器以赋予进 入该装置的流体螺旋流。
图15为图14所示的质量流量计的透视图，其中为方便说明而卸 下与该质量流量计联系的轴向对置的安装法兰。
图16为图14所示的质量流量计从入口端观察的分解透视图，其 中将该叶轮总成与该传感器壳体分离以说明设于叶轮本体外表面上的 螺旋导电区以及与传感器壳体内表面联系并连接至电容输出引脚或端 子的螺旋静止电极。
图17为图14所示的质量流量计的侧视图，其中以横截面图示该 传感器壳体以显示叶轮本体，该叶轮本体处于磁平衡零位位置(home position)，传感器壳体内表面上的静止电极螺旋体与该叶轮本体上的 螺旋导电区部分重叠以产生特定电容值。
图18为图17所示的质量流量计的侧视图，其中以横截面图示该 传感器壳体以显示已转到图17所示的零位位置前面的叶轮本体，其中， 该传感器壳体内表面上的静止电极螺旋体与该叶轮本体上的螺旋导电 区的重叠比图17少，因而相对图17所示的相互作用产生不同的电容 值。
具体实施例方式
下面参照图示详细描述本发明的优选实施方式，其中类似的结构 特征或元件采用类似的附图标记。图1显示根据本发明较佳实施例构 造的力平衡式质量流量计10。本发明的质量流量计IO本质上为一机电 4专感器(electro-mechanical transducer)，用于i十算质量i^率或^M本密
度(例如，燃料质量流率或燃料密度)。该装置被设计为能够准确响 应相对小的流率，尤其能够与燃气涡轮发动机的主动燃烧控制系统的 分布式控制结构结合使用，例如，美国专利申请序列号11/601,301揭 露的主动燃烧控制系统，其揭示内容在此通过引用而整体并入本文。
请参考图1及图2，本发明的质量流量计10包含以对置安装法兰 14a、 14b为界的柱形传感器壳体12。安装法兰14a、 14b各设有多个 沿圆周排列的螺栓孔15a、 15b，以容纳安装螺栓(mountingbolt)或类
似物(未图示)。通过该等安装螺栓可将质量流量计io安装在流体供
给线中，例如，与燃气涡轮发动机的燃料喷射器相通的燃料供给管道。 本领域的技术人员很容易想到可采用安装法兰14a、 14b以外的构件安 装传感器壳体12，这取决于装设传感器壳体12的系统。
为便于以流体密封方式组装安装法兰14a、 14b与传感器壳体12， 法兰14a包含伸入传感器壳体12的中央体部分lla。此外，在法兰14a 的内面形成环状凹槽lib (见图10)，以容纳传感器壳体12的入口端 部分。环状通道llc围绕凹槽llb，以容纳O形环密封件lld或类似 物(见图IO)。同样，如图2所示，安装法兰14b中形成阶形中央钻 孔13a，以容纳传感器壳体12的出口端部分。环状通道13c围绕钻孔 13a，以容纳O形环密封件13d或类似物(见图IO)。
请参考图3，传感器壳体12具有内钻孔12a，用于容纳叶轮总成 16。该叶轮总成16的设计和构造使其能够接收来自入口管道(inlet conduit) 17的燃料，下文会更详细地描述该叶轮总成16的形式及功能。 如图2及图10所示，入口管道17延伸穿过安装法兰14a的中央入口 钻孔lle。如图10所示，在安装法兰14a的中央入口钻孔lie内形成 环状沟槽llf，以容纳扣环(retaining ring) 17a或类似的密封垫结构 (packing structure)，例如唇形密封或V形密封垫，其与入口管道17 的出口端协同作用以固定入口管道17相对叶轮总成16的位置，而在 其间提供不漏流体的密封。入口管道17经构造和配置可赋予流入叶轮 总成16的流体螺旋流态。这可增加流体流动的角速度，相应促进流体 惯性向叶轮总成16的刚体旋转的转换。这对于运作期间输送至叶轮总 成的流体具有相对小流率的情形有利。
请参考图3至图5，叶轮总成16包含柱形叶轮本体18，其支撑于
柱形隔离套筒20内。隔离套筒20的尺寸及构造使其适合容纳于传感 器壳体12的内钻孔12a内，下文会有更详细的说明。较佳地，叶轮本 体18经支撑而可在隔离套筒20内作轴向旋转。特别是，叶轮本体18 包含轴向钻孔22 (见图7)，以容纳长形主轴24。较佳地，将主轴24 压配(press fit)在轴向钻孔22内并由轴向对置的低磨擦轴承26a、 26b 支撑(见图4及图13)。低磨擦轴承26a、 26b的形式为宝石轴承较佳。 不过，该等轴承也可采用球轴承或类似物的形式。
较佳地，使用回弹支撑构件28a、 28b螺纹夹持轴承26a、 26b (见 图13)。回弹支撑构件28a、 28b (下文有更详细的说明)的尺寸及构 造便于轴向调整带螺纹轴承26a、 26b，因而也便于轴向预负载(axial pre-load)施加至支撑叶轮本体18的主轴24，以确保将叶轮本体18轴 向约束在传感器壳体12内的适当工作位置。或者，可采用弹簧配置来 预负载主轴24并将叶轮本体18保持在工作位置。在隔离套筒20中设 有一纵向槽孔38，以便能够通过例如使用工具等方式接近该等轴承， 从而调整轴杆负载。
请参考图3及图4，支撑构件28a用作叶轮总成16的入口端支撑 构件。支撑构件28b用作叶轮总成16的出口端支撑构件。支撑构件28a 包含用于容纳轴承26a的轮毂区段(hub section) 30a。轮毂区段30a 由内侧腹部(medial web portion) 32a夹持。此外，支撑构件28a包含 沿直径对置的啮合舌片(engagement tab) 34a，与在隔离套筒20入口 侧的对应接收切口 (reception notch) 36a配对。通过此相互作用旋转 对齐结构28a与20并将两者协调地锁在一起。
支撑构件28b包含用于容纳轴承26b的轮毂区段30b。轮毂区段 30b由内侧腹部32b夹持。此外，支撑构件28b包含沿直径对置的啮合 舌片34b，与在隔离套筒20出口侧的对应接收槽孔(reception slot) 36b 配对。通过此相互作用旋转对齐结构28b与20并将两者协调地锁在一 起。因此，回弹支撑构件28a、 28b与隔离套筒20共同形成一个整体 结构以容纳叶轮本体18在传感器壳体12内围绕主轴24的自由旋转。
请继续参考图3，对置锁环(lock ring) 40a、 40b将叶轮总成16 的回弹支撑构件28a、 28b轴向固定于传感器壳体12的内钻孔12a内 (也请参考图10)。锁环40a、 40b都座落在形成于内钻孔12a内表面
的对应环状沟槽42a、 42b里。通过支撑构件28a、 28b的啮合舌片34a、 34b与形成于传感器壳体12的内钻孔12a内表面的一对沿直径对置的 纵向槽孔44a、 44b的相互作用来进一步固定轴承支架28a、 28b与隔 离套筒20，以防止其在传感器壳体12的内钻孔12a内轴向旋转。因此， 在机械及磁力的约束下，回弹支撑构件28a、 28b与内侧隔离套筒20 在传感器壳体12内都维持在静止位置，而叶轮本体18可在隔离套筒 20内围绕主轴24自由旋转，这在下文会有更详细的说明。
如图5所示，叶轮总成16的叶轮本体18包含带有斜槽孔48a、48b 的涡轮出口板(turbine outlet plate) 46，斜槽孔48a、 48b的尺寸及构 造使其能够把流动穿过的流体所赋予的惯性转换成刚体旋转或转矩。 也可在叶轮本体18中或其上装设额外或替代的结构来把流体惯性转换 成转矩，例如，转动叶片或类似物。
涡轮出口板46装设在位于叶轮本体18出口面的凹槽45中。出口 板46的槽孔48a、 48b均与延伸穿过叶轮本体18的流道相通。特别是， 在叶轮本体18的入口端形成入口槽(inlettrough) 50a、 50b (见图7)。 该等入口槽进给轴向延伸的涡轮入口流道(turbine inlet flow channel) 52a、 52b (见图6)，其接着进给柱形旋流室54 (见图7)。旋流室 54 (也图示于图13)直接与涡轮出口板46的斜槽孔48a、 48b相通。
如上所述，叶轮本体18通过安装法兰14a中的中央入口钻孔lie 接收来自入口管道17的燃料，如图10所示。尤其是，入口管道17通 过回弹支撑构件28a的分岔中央开口与叶轮本体18的入口槽50a、 50b 相通(见图3和图4)。如以上所解释的，入口管道17被设计为旋流 器，通过将角速度分量赋予进入叶轮本体18的流体而产生螺旋或类似 旋涡流。在这点上，该旋流器可由薄壁筒体或管体构成，例如由不锈 钢或类似材料制成的管体构成。较佳地，该管体具有椭圆形横截面并 且围绕纵轴螺旋式扭曲以产生期望的流态。
也可采用替代的旋流管几何和结构。例如，在此由入口管道17定 义的旋流器可包含两个彼此缠绕的螺旋形流管以在共同的或连接的出 口处产生期望的流态。或者，可将该旋流器构造成为有螺旋路径延伸 穿过的环状燃料管，如美国专利号7,043,922所揭示的那样，其揭示内 容在此通过弓I用而整体并入本文。请继续参考图3至图6和图10至图12，本发明的质量流量计10 进一步包含接近传感器60 (即传感器)，以在流体流动通过该叶轮本 体并在其上诱发转矩时测量叶轮本体18相对传感器壳体12的旋转角 度。如下文所详述的，本文将接近传感器60描述及图示为电容式角位 置传感器。不过，本领域的技术人员很容易理解在本揭示内容的范畴 内接近传感器60也可基于电感或电磁感应涡电流的原理运作。
在此描述的示例电容式角位置传感器60包含两个设于叶轮本体 18外表面上、沿直径对置、大体呈五角形的导电区62a、 62b。对于本 领域技术人员显而易见的是，可改变角位置传感器中的导电区的特定 形状或几何，只要其构造使电容值能够响应叶轮本体18的旋转而发生 改变即可。该电容式角位置传感器60进一歩包含对应的两对沿直径对 置的拾取电极64a、 64b; 66a、 66b，它们与传感器壳体12的内钻孔 12a内表面联系或嵌入其中，以与导电区进行电气互动。
如图10所示，在处于磁平衡状态时，各对拾取电极64a、 64b; 66a、 66b与对应的导电区62a、 62b部分重叠。较佳地，沿直径对置的两个 导电区62a、 62b都由导电膜或箔形成。这两个区域通过连续环形带68 实现导电结合，该连续环形带68也由导电膜或箔形成。如图5所示， 通过隔离套筒20的长形开口 25a实现了拾取电极64a、 64b与对应导 电区62a之间不受阻碍的电容相通。同样，通过隔离套筒20的长形开 口 25b实现了拾取电极66a、 66b与对应导电区62b之间不受阻碍的电 容相通。
请参考图3与图12及图13，电容式角位置传感器60的拾取电极 64a、 64b; 66a、 66b由一对两件式环状盖体65、 67包围并密封。环状 盖体65包含两个穿孔65a、 65b，以容纳与拾取电极64a、 64b; 66a、 66b联系的电线。特别是，上缆线69a延伸穿过穿孔65a并有效地与拾 取电极64a、 64b联系。同样，下缆线69b延伸穿过穿孔65b并有效地 与拾取电极66a、 66b联系。本领域的技术人员很容易明白可提供替代 性的配线规定。例如，可用独立的电线与各个电极联系。预期盖体65、 67可容纳或以其他方式包含在板电子装置(on-boardelectronics)，其 紧邻拾取电极64a、 64b; 66a、 66b并构造成能够执行电容值至电压值 的数学转换。
本发明的质量流量计io进一步包含电磁铁总成或力平衡式马达
(force-balanced motor)，其被设计成可防止叶轮本体18的流动诱发 旋转或转矩(即，在转矩施加于该叶轮本体时，叶轮本体18相对传感 器壳体12的角位置保持不变)。如图11所示，该电磁铁总成或马达 包含邻近环状盖体65的环状定子线圈70。定子线圈70通过缆线73 接收电力并产生围绕传感器壳体12的磁场。该磁场以图6所示的方式 相对多个配置于叶轮本体18的永久磁铁74a至74d运作。特别是，磁 铁74a至74d各自位于叶轮本体18的钻孔76a-76d内。磁铁74a至74d 沿叶轮本体18的周边设置并且相互间隔90度。
如以下所详述的，当没有流体流经流量计10时，叶轮本体18会 在隔离套筒20内寻找磁平衡中心点。此位置基于流到定子线圈70的 电流，该电流与由导电区62a、 62b和拾取电极对64a、 64b; 66a、 66b 的重叠量导出的电容值相关。
为了防止叶轮本体18轴向偏离零位位置以及在寻找磁平衡中心点 时可能在下一个90度象限找到新的零位位置，以及避免在另一个象限 找新的零位位置，流量计10设有旋转限制器插销(rotation limiter pin) 85。限制器插销85径向伸入传感器壳体12的钻孔12a，并穿过套筒 20的弓形沟槽75，以与形成于叶轮本体18前缘的弓形槽孔72配准 (register)，如图3至图6及图10所示。配准槽孔72有约20度至30 度的弧长并最好延伸于两个相邻的永久磁铁之间。槽孔72的弓形宽度 可防止叶轮本体18在磁铁的影响下寻找错误的零位位置(这会妨碍该 叶轮本体实现旋转稳定性)。
如图8和图9所示，本发明的质量流量计10还包含与电容式角位 置传感器60及定子线圈70协同作用的反馈控制系统80。控制系统80 包含电容拾取电子装置82，以确定来自拾取电极对64a、 64b; 66a、 66b的电气数值(例如，电容)。
更特别的是，当叶轮本体18处于如图10所示的磁平衡状态时， 成对拾取电极64a、 64b的表面积约有百分之四十与导电区62a重合。 与此状态相联系具有特定的电容值。尽管未图示于图10，此时，拾取 电极66a、66b与导电区62b具有同样的重叠面积以产生所述电容值(见 图12)。
反之，例如，如图11所示，当流量诱发转矩施加于叶轮本体18
而使其围绕主轴24旋转时，成对拾取电极64a、 64b的表面积约有百 分之八十与导电区62a重合。本领域的技术人员很容易理解，与图10 所示的位置相比，与此相互作用联系的电容值会增加。另外，尽管未 图示于图ll，此时，拾取电极66a、 66b与导电区62b具有相同的重叠 面积，以产生增加的电容值。
请参考图8及图9，质量流量计10的控制系统80还包含连接至相 关放大器(未图示)的比例-积分-微分控制器(PID控制器)84以及电 源86。该PID控制器84响应拾取电子装置82检测到的电容值变化而 控制供给定子线圈70的电量(例如，电流或电压)。例如，PID控制 器84响应拾取电子装置82检测到的由转矩诱发叶轮本体18从图10 的磁平衡位置旋转至图11的位置所导致的电容值增量而增加供给至定 子线圈70的电流量。
运作时，基于由此接收的电流量，定子线圈70产生与永久磁铁74a 至74d相对的磁场。尽管流体诱发转矩作用于叶轮本体18，该磁场仍 足以防止叶轮本体18在传感器壳体12内旋转。更特别的是，PID控制 器84从电容拾取电子装置82取得测量值并将其与参考设定值比较， 以确定与电容差成正比的"误差"。然后，用此差额(或"误差"讯 号)来调整定子线圈70的电输入(例如，直流电)以产生磁场，从而 使测量值达到期望的设定点。直流电的数值会变动以使测得的电容器 数值(叶轮旋转角度)回到期望的设定点，例如，图10的磁平衡位置。
因此，感应磁力会与磁铁74a至74d相互作用，以平衡流量诱发 转矩，从而防止叶轮本体18旋转。根据本发明，供给至定子线圈70 的直流电与测得的流量诱发转矩(质量流率与容积流率的乘积)成正 比。因此，电容式角位置传感器60的输出是一个与供给至定子线圈70 的直流电成正比的讯号。
本领域的技术人员很容易明白，与比较简单的控制器不同，PID 控制器可基于误差讯号的历史及变化率来调整处理输出，从而实现更 加准确稳定的控制。还应了解的是，如果本发明的质量流量计与容积 流量计(volumetric flow meter)结合使用，则由其导出的输出可用来 计算燃料质量流率或燃料密度。
请参考图14至图18，其显示根据本发明较佳实施例构造的另一质 量流量计110。质量流量计110在原理上与质量流量计IO类似。不过，
该装置的电容式角位置传感器与流量计10的不同，下文会作详细解释。 请参考图14及图15，质量流量计110包含以安装法兰114a、 114b为 界的传感器壳体112，其接收来自输入流管道(inlet flow conduit) 117 的燃料。传感器壳体112与安装法兰114a、 114b以在说明质量流量计 10时提及的流体密封方式组装。
请参考图16，质量流量计110进一歩包含叶轮总成116，它的叶 轮本体118经支撑而可围绕主轴124作轴向旋转，该叶轮本体118装 设在两个回弹支撑构件128a、 128b之间。支撑构件128a、 128b的尺 寸及构造使其能够螺纹夹持支撑主轴124旋转的低磨擦轴承126a、 126b (见图17)。支撑构件128a、 128b由锁环140a、 140b轴向夹持在传 感器壳体112内，并通过啮合舌片134a与槽孔136a以及舌片134b与 槽孔136b的相互作用来抑制支撑构件128a、 128b在传感器壳体112 内旋转(见图17)。
请参考图16，如前所述，质量流量计110的电容式角位置传感器 160不同于流量计10的位置传感器60。在这点上，位置传感器160包 含设在传感器壳体112的内钻孔112a内表面上的静止螺旋形电极164。 静止螺旋电极164电气连接至接线柱164a、 164b (他们由围绕传感器 壳体112的环状盖体165密封)。接线柱164a、164b通过导电线材167a、 167b有效连接至反馈控制系统的拾取电子装置，如图8及图9所示。 该电容式角位置传感器160进一步包含配置于叶轮本体118外表面上 的螺旋形导电区162，其设计及构造使其能够与静止螺旋电极164相互 作用。
使用时，当叶轮本体118经受流量诱发转矩时，它会在图17的稳 态磁平衡零位位置与图18的轴向旋转位置(axially rotated position)之 间移动。当叶轮本体118处于图17的磁平衡位置时，螺旋形静止电极 164与螺旋导电区162呈部分重叠，显而易见，有特定电容值与此相互 作用相联系。在处于图18的轴向旋转位置时，相对于图17的磁平衡 零位位置，螺旋形静止电极164与螺旋导电区162的重叠较少，显而 易见，有不同的电容值与此相互作用相联系。
根据本发明，上述电容值的变化导致经由PID控制器输送至定子 线圈170的电流改变。输送至定子线圈170的电力变化会导致与嵌入
叶轮本体118圆周的4个永久磁铁相联系的磁场发生相应变化。图中 绘出4个磁铁之中的两个174a、 174b。此磁场用来使叶轮本体118返 回或保持在图17的磁平衡零位位置。
如以上在说明质量流量计10时所提及的，PID控制器自与角位置 传感器160联系的电容拾取电子装置取得测量值并将其与参考设定值 比较，以确定与电容差成正比的"误差"。然后，用此差额(或"误 差"讯号)来调整定子线圈170的电输入(例如，直流电)以产生磁 场，以使测量值达到期望的设定点。直流电的数值会变动以使测得的 电容器数值(叶轮旋转角度)回到期望的设定点，例如，图17的磁平 衡位置。
因此，感应磁力会与磁铁174a至174d相互作用，以平衡流量诱 发转矩，从而阻止叶轮本体118旋转。根据本发明，供给至定子线圈 170的直流电与测得的流量诱发转矩(质量流率与容积流率的乘积)成 正比。因此，电容式角位置传感器160的输出是一个与供给至定子线 圈170的直流电成正比的讯号。
尽管已参照较佳实施例来描述了本发明的装置，本领域的技术人 员很容易理解，仍可在不脱离本发明权利要求所界定的精神与范畴的 情况下做多种变更和/或修改。
权利要求
1.一种力平衡式质量流量计，包含a)柱形传感器壳体，具有内钻孔；b)叶轮本体，经支撑而可在该传感器壳体的内钻孔内作轴向旋转，该叶轮本体包含用于在流体相对该叶轮本体流动时将流体惯性转换成流量诱发转矩的构件；c)传感构件，用于测量该叶轮本体相对该传感器壳体的旋转角度；d)电磁构件，用于产生围绕该叶轮本体的磁场；e)用于在流体相对该叶轮本体流动时确定来自该传感构件的电气数值的构件；以及f)用于响应自该传感构件确定的电气数值而控制供给该电磁构件的电力，从而产生足以防止该叶轮本体旋转的磁场的构件。
2、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该用于把流体 惯性转换成流量诱发转矩的构件包含延伸穿过该叶轮本体的流体流 路。
3、 如权利要求2所述的力平衡式质量流量计，其中该流体流路包 含数个有形涡轮出口通道。
4、 如权利要求2所述的力平衡式质量流量计进一步包含与该流体 流路的入口端相通的旋流器。
5、 如权利要求4所述的力平衡式质量流量计，其中该旋流器包含 具有椭圆形横截面并围绕纵轴螺旋式扭曲的管体。
6、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该叶轮本体围 绕长形轴杆作轴向旋转。
7、 如权利要求6所述的力平衡式质量流量计，其中该轴杆由轴向对置的轴承支撑。
8、 如权利要求7所述的力平衡式质量流量计，其中该等轴向对置 轴承由轴向对置的与该传感器壳体耦合的回弹支撑物夹持。
9、 如权利要求8所述的力平衡式质量流量计，其中该等回弹支撑 物进一步耦合至隔离套筒，该叶轮本体在该隔离套筒内围绕该轴杆自 由旋转。
10、 如权利要求8所述的力平衡式质量流量计，其中可调整该等 轴向对置的轴承以预负载所述轴杆。
11、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该传感构件 包含接近传感器。
12、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该传感构件 包含电容式角位置传感器。
13、 如权利要求12所述的力平衡式质量流量计，其中该电容式角 位置传感器包含设在该叶轮本体外表面上的两个沿直径对置的导电 区，以及对应的两对沿直径对置并与该传感器壳体内表面联系的电极。
14、 如权利要求13所述的力平衡式质量流量计，其中设在该叶轮 本体外表面上的这两个沿直径对置的导电区包含数个由导电膜组成的 区域。
15、 如权利要求12所述的力平衡式质量流量计，其中该电容式角 位置传感器包含设在该叶轮本体外表面上的螺旋导电区，以及与该传 感器壳体内表面联系的螺旋电极。
16、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该电磁构件 包含多个沿圆周配置于该叶轮本体的永久磁铁，以及围绕所述传感器 壳体并与该等永久磁铁对齐的的定子线圈。
17、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该用于确定 来自该传感构件的电气数值的构件包含电容拾取电子装置。
18、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该用于控制 供给所述电磁构件的电力的构件包含比例-积分-微分控制器。
19、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中该比例-积分-微分控制器连接至功率放大器。
20、 如权利要求1所述的力平衡式质量流量计，其中供给该电磁构件的电流与施加于该叶轮本体的流量诱发转矩成正比。
21、 一种力平衡式质量流量计，包含a) 柱形传感器壳体，具有内钻孔；b) 叶轮本体，经支撑而可在该传感器壳体的内钻孔内作轴向旋转， 该叶轮本体具有一延伸穿过它的流体流路，该流体流路的构造使其能 够对该叶轮本体产生流量诱发转矩；c) 电容式角位置传感器，用于测量该叶轮本体相对该传感器壳体 的旋转角度；d) 多个沿圆周配置于该叶轮本体的永久磁铁；e) 定子，围绕该传感器壳体并与该等永久磁铁对齐，以产生磁场 防止该叶轮本体旋转；f) 电容拾取电子装置，用于在流体流动穿过该叶轮本体时确定来 自该电容式角位置传感器的电容值；以及g) 比例-积分-微分控制器，用于响应来自该传感构件的电容值以 控制供给该定子的电流，产生足以防止叶轮旋转的磁场，其中供给该 定子的电流与施加于该叶轮本体的流量诱发转矩成正比。
22、 如权利要求21所述的力平衡式质量流量计，其中该流体流路 包含数个有形涡轮出口通道。
全文摘要
一种用于控制质量流率的力平衡式叶轮流量计，包含柱形传感器壳体，具有内钻孔；叶轮本体，经支撑而可在该传感器壳体的内钻孔内作轴向旋转，该叶轮本体包含用于在流体相对该叶轮本体流动时将流体惯性转换成流量诱发转矩的构件；传感构件，用于测量该叶轮本体相对该传感器壳体的旋转角度；电磁构件，用于产生围绕该叶轮本体的磁场；用于在流体相对该叶轮本体流动时确定来自该传感构件的电气数值的构件；以及用于响应自该传感构件确定的电气数值而控制供给该电磁构件的电力，从而产生足以防止该叶轮本体旋转的磁场的构件。提供一种质量流量计，以特征化流体的质量流率，该质量流量计的设计使其能够为小流率应用提供准确的质量流率测量。
文档编号G01F1/76GK101373147SQ200810210839
公开日2009年2月25日 申请日期2008年8月20日 优先权日2007年8月23日
发明者A·斯皮瓦克, A·格里琴勒, C·桑登, C-C·林, F·戈尔登贝格, J·麦克蒂格, O·H·S·埃里克森 申请人:罗斯蒙特航宇公司