具有改進的皮托管結構的基於壓差的流量測量裝置製造方法

2023-12-11 01:14:37

具有改進的皮托管結構的基於壓差的流量測量裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種壓差流量測量系統，包括連接到測量電路的壓力傳感器。細長探測器被配置以插入到管道中，所述管道載送過程流體流。壓力傳感器感測在流體流過探測器時在流體流中產生的壓差。渦旋脫落穩定器定位成接近細長探測器並且定位在過程流體流中。渦旋脫落穩定器被配置以穩定靠近細長探測器的流體流中的渦旋脫落。
【專利說明】具有改進的皮托管結構的基於壓差的流量測量裝置

【技術領域】
[0001] 本發明涉及測量工業過程中的過程流體的流量。更具體地，本發明涉及採用使用 壓差的均速皮托管或均速管流量計（averagingpitottube)測量流量。

【背景技術】
[0002] 過程工業採用過程變量變送器以監測與物質相關的過程變量，所述物質例如是化 工、紙漿、石油、製藥、食品和其它處理設備中的固體、泥漿、液體、蒸汽和氣體。過程變量包 括壓力、溫度、流量、液位、渾濁度、密度、濃度、化學組成及其它性能。過程流量變送器提供 與感測到的過程流體流量相關的輸出。流量變送器輸出可以在過程控制迴路上被發送到控 制室，或者該輸出可以被發送至另一個過程設備，以便可以監測和控制該過程的操作。
[0003] 通過改變管道的內部幾何形狀並且應用算法到在流動流體中的被測量的壓差來 測量在密閉的管道中的流體流量是已知的。傳統地，如通過採用文丘裡流量計改變管道的 橫截面，或通過將流動改變裝置，如節流板、均速皮托管等插入該管道中，改變該管道的幾 何形狀。
[0004] 均速皮托管均速皮托管大致包括稍微阻礙管道內的流體流的主體。該皮托管的上 遊和下遊間的壓差被測量並且與流量相關。但是，不同壓差變化可能在流量確定中引起誤 差。


【發明內容】

[0005] -種壓差流量測量系統，包括連接到測量電路的壓力傳感器。細長探測器被配置 以插入載送過程流體流的管道中。壓力傳感器感測在流體流經探測器時在流體流中產生的 壓差。渦旋脫落穩定器定位成接近細長探測器並且定位在過程流體流中。渦旋脫落穩定器 被配置以穩定靠近細長探測器的流體流中的渦旋脫落。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1示出本發明的流量測量系統和過程管道的剖視圖。
[0007] 圖2是根據本發明的一個示例性實施例的流量測量系統和流量變送器的簡化框 圖。
[0008] 圖3A是均速皮托管和在過程流體流過該管時產生的渦旋脫落的透視圖。
[0009] 圖3B、3D和3F是壓力幅值與時間關係的曲線圖。
[0010] 圖3C和3E是針對各種渦旋脫落情況的壓力幅值與頻率關係的曲線圖。
[0011] 圖4A是圖1中所示的均速皮托管的前視圖並且圖示示例性的邊界層導流柵。
[0012] 圖4B是在圖1中所示的均速皮托管的後視圖並且圖示示例性的邊界層導流柵。
[0013] 圖4C是在圖1中所示的均速皮托管的透視圖並且圖示示例性的邊界層導流柵。
[0014] 圖5A和圖5B是包括被布置為位於均速皮托管的下遊的板的渦旋脫落穩定器的均 速皮托管的頂部剖視圖。
[0015] 圖5C是具有下遊板的均速皮托管的另一個配置的頂部剖面圖。
[0016] 圖6是渦旋脫落穩定器的另一個示例性實施例的透視圖。

【具體實施方式】
[0017] 如在【背景技術】部分所討論的，基於均速皮托管的流量傳感器通常通過在流動的流 體中產生壓差進行操作。壓差傳感器可以用於感測該壓差，並且所感測的壓力可以與過程 流體的流量相關。已知的是，如果從皮托管獲得的上遊和下遊壓力是橫跨流管的直逕取得 的平均壓力，則可以得到更精確的流量測量。雖然這的確提供更精確的流量動測量，但由於 在流體移動通過探測器時在壓差中產生的不穩定振蕩，在流量測量中仍然可能出現誤差。 特別地，低頻振蕩可能被不正確地檢測為流量變化。本發明穩定渦旋脫落低頻振蕩，並且因 而提供更精確的流量測量。這將在下面被更詳細地描述。
[0018] 圖1是圖示本發明的實施例的環境的一個例子的過程控制系統10的示意圖。流量 測量系統12通過過程控制迴路16被連接至控制室14 (被建模為電壓源和電阻）。迴路16 可以利用適當的協議在流量變送器12和控制室14之間通信流量信息。例如，過程控制回 路16根據過程工業標準協議操作，如可尋址遠程傳感器高速通道（HART? ) ,FOUNDATION? 現場總線或任何其它合適的協議。此外，過程控制迴路16可以包括其中信息被以無線方式 傳送的無線過程控制會路，例如，使用按照IEC62591標準的無線HART?:通信協議。可以使 用其它通信技術，包括乙太網或光纖連接。
[0019] 圖1還示出諸如管道或封閉管道18之類的過程流體容器，在該過程流體容器中安 裝壓差測量探測器20。探測器20是均速皮托管，其徑向地橫跨管道18的內側。圖1中的 方向箭頭24表示在管道18中的流體流動的方向。流體歧管26和流量變送器殼體13被示 出為安裝在皮托管20的外端上。變送器殼體13可以包括壓差傳感器28,壓差傳感器28通 過多個通道30流體地連接到探測器20。另外地，圖1示出可選的輔助傳感器連接件27,輔 助傳感器連接件27用於將由探測器20攜帶的一個或多個過程變量傳感器連接到流量變送 器13內的電路。例如，這可以被用來連接到溫度傳感器。如下面更詳細地說明的那樣，渦 旋脫落穩定器（在圖1中未示出）被定位成靠近探測器20以穩定靠近探測器20的渦旋脫 落振蕩。
[0020] 圖2是流量變送器12的系統框圖。流量測量變送器12包括流量變送器殼體13 和壓差測量探測器20。流量測量變送器12能夠連接至諸如迴路16之類的過程控制迴路， 並且適合於發送與管道18內的過程流體流的流量相關的過程變量輸出。變送器12包括回 路通信器2、壓差傳感器28、測量電路34和控制器36。
[0021] 迴路通信器32連接至諸如迴路16的過程控制迴路，並且適於在過程控制迴路上 進行通信。這種通信可以依照諸如上面所討論的協議的任何合適的過程工業標準協議。
[0022] 第一和第二埠 38,40通過通道30連通到探測器20的相應的第一和第二集流腔 室（plenum)42,44。傳感器28可以是具有響應於所施加的壓力的變化而變化的電特性的任 何裝置。例如，傳感器28可以是電容式壓力傳感器，在電容式壓力傳感器中，電容響應於在 埠 38和40之間施加的壓差而變化。也可以使用其他的測量技術。
[0023] 測量電路34被連接到傳感器28並且被配置以提供與埠 38和40之間的壓差有 關的傳感器輸出。測量電路34可以是能夠提供與壓差有關的適當信號的任何電子電路。例 如，測量電路34可以是模數轉換器、電容-數字轉換器或任何其它適當的電路。
[0024] 控制器36被連接到測量電路34和迴路通信器32。控制器36適於提供過程變量 輸出到環路通信器32,該過程變量輸出與由測量電路34提供的傳感器輸出相關。控制器 36可以是微處理器或者任何其他適當的裝置。通常地，控制器36將壓差轉換成與過程流體 的流量相關的輸出。控制器36可以執行補償，例如，使用曲線擬合技術或類似技術來調整 壓差和流量之間的非線性關係。其他因素可以被用於補償流量測量，包括補償由於溫度、被 感測的過程流體、絕對壓力等引起的變化。
[0025] 雖然已經相對於各個模塊描述了環路通信器32、測量電路34和控制器36,可以設 想，它們例如可以結合在專用集成電路（ASIC)中。同樣地，在基於微處理器系統中的各種 軟體組件可以實現測量電路34、控制器36和通信器環路32的各方面。
[0026] 壓差測量探測器20通過通道30被連接到變送器殼體13。因此，傳感器28的埠 38被連接到第一集流腔室42,而傳感器28的埠 40被連接到第二集流腔室44。"集流腔 室（plenum) "是具有特定特徵或壓力的流體被引導或允許進入的通路、通道、管道等，並且 流體壓力通過"集流腔室"被傳導或者輸送。
[0027] 在圖示的實施例中，第一（上遊）集流腔室42包括至少一個衝擊孔（impact aperture) 48並被設置以將來自探測器衝擊（或上遊）面46的壓力傳送到傳感器28的端 口 38。孔48可以是任何適當的結構。孔48包括縱向構件，在一些實施例中，該縱向構件可 以足夠長，使得孔48 (如槽）將與探測器20的縱向軸線基本上對齊。第二（下遊）集流腔 室44包括在下遊與衝擊面46間隔開的非衝擊（或下遊）面50。非衝擊面50包括至少一 個非衝擊孔52,非衝擊孔52設置成通過集流腔室44將來自非衝擊面的壓力傳送到傳感器 28的埠 40。所測量的壓力的位置是用於描述目的，並且本發明並不限於此配置。
[0028] 正如在【背景技術】部分中所討論的，壓差的變化可以在流量測量中導致誤差。已經 注意到，諸如均速皮托管（APT)流量計之類的基於皮托管的流動計可以在其輸出中具有明 顯的變化量。APT在其上遊側和下遊側之間生成壓差。這可以用在如下等式中以測量質量 或體積流量：

【權利要求】
1. 一種基於壓差的流量測量系統，包括： 壓差傳感器，該壓差傳感器具有與過程流體的流量相關的壓力傳感器輸出； 連接到壓差傳感器的細長探測器，該細長探測器被配置以插入載送過程流體流的管道 中； 在細長探測器中的上遊集流腔室，該上遊集流腔室具有至少一個上遊開口，所述至少 一個上遊開口連接到壓差傳感器，由此將上遊壓力施加到壓差傳感器； 在所述管道中的下遊集流腔室，該下遊集流腔室具有至少一個下遊開口，所述至少一 個下遊開口連接到壓差傳感器，由此將下遊壓力施加到壓差傳感器；和 渦旋脫落穩定器，定位成靠近細長探測器並且定位在過程流體流中，該渦旋脫落穩定 器被配置以穩定靠近細長探測器的渦旋脫落。
2.根據權利要求1所述的流量測量系統，其中所述渦旋脫落穩定器包括至少一個邊界 層導流柵。
3. 根據權利要求2所述的流量測量系統，其中所述邊界層導流柵包括與過程流體的流 動方向大致平行地布置的平面。
4. 根據權利要求2所述的流量測量系統，包括沿細長探測器的長度定位的多個邊界層 導流柵。
5. 根據權利要求4所述的流量測量系統，其中上遊集流腔室包括多個上遊開口並且其 中所述多個邊界層導流柵定位在上遊開口之間。
6. 根據權利要求2所述的流量測量系統，其中邊界層導流柵包括平板，所述平板從細 長探測器的上遊面延伸到細長探測器的下遊面，並且被布置為垂直於細長探測器的縱向軸 線。
7. 根據權利要求1所述的流量測量系統，其中渦旋脫落穩定器包括下遊元件。
8. 根據權利要求7所述的流量測量系統，其中所述下遊元件包括鄰近下遊集流腔室被 連接的板。
9. 根據權利要求7所述的流量測量系統，其中所述下遊元件在垂直於過程流體流的方 向上延伸。
10. 根據權利要求9所述的流量測量系統，其中所述下遊元件在與細長探測器大致平 行的方向上延伸。
11. 根據權利要求7所述的流量測量系統，其中下遊集流腔室被支承在下遊元件中。
12. 根據權利要求7所述的流量測量系統，其中在細長探測器和下遊元件之間的開口 允許在細長探測器和下遊元件之間的流體連通。
13. 根據權利要求1所述的流量測量系統，其中細長探測器包括均速皮托管。
14. 根據權利要求1所述的流量測量系統，其中細長探測器的橫截面具有"T"形形狀， 並且渦旋脫落穩定器包括延伸通過該"T"形形狀的基部的開口。
15. -種基於壓差測量過程流體的流量的方法，包括下述步驟： 將細長探測器插入載送過程流體流的管道中，所述探測器具有上遊面和下遊面； 將壓力傳感器連接到相對於細長探測器的上遊壓力和相對於細長探測器的下遊壓 力； 基於上遊壓力和下遊壓力測量過程流體的流量；以及 穩定在過程流體移動通過細長探測器時在過程流體中形成的渦旋脫落振蕩。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中穩定渦旋脫落振蕩的步驟包括靠近細長探測器 放置至少一個邊界層導流柵。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中邊界層導流柵包括大致平行於過程流體的流動 方向布置的平面。
18. 根據權利要求16所述的方法，包括沿細長探測器的長度設置多個邊界層導流柵的 步驟。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中細長探測器包括具有多個上遊開口的上遊集流 腔室，並且其中所述多個邊界層導流柵定位在上遊開口之間。
20. 根據權利要求18所述的方法，其中邊界層導流柵包括平板，所述平板從細長探測 器的上遊面延伸到細長探測器的下遊面，並且被布置為垂直於細長探測器的縱向軸線。
21. 根據權利要求15所述的方法，其中穩定渦旋脫落振蕩的步驟包括靠近細長探測器 放置下遊元件。
22. 根據權利要求21所述的方法，其中所述下遊元件包括鄰近下遊集流腔室被連接的 板。
23. 根據權利要求21所述的方法，其中所述下遊元件在垂直於過程流體流方向上延 伸。
24. 根據權利要求21所述的方法，其中所述下遊元件在大致平行於細長探測器的方向 上延伸。
25. 根據權利要求21所述的方法，其中所述下遊元件包括將下遊壓力耦合到壓力傳感 器的集流腔室。
26. 根據權利要求21所述的方法，其中在細長探測器和下遊元件之間的開口允許在細 長探測器和下遊元件之間的流體連通。
27. 根據權利要求15所述的方法，其中細長探測器包括均速皮托管。
28. -種均速皮托管，被構造以插入到管道中，用於測量該管道中的過程流體的流量， 該均速皮托管包括： 具有至少一個上遊開口的上遊集流腔室，該上遊集流腔室被配置以連接到壓力傳感 器，因而將上遊壓力施加到所述壓力傳感器； 具有至少一個下遊開口的下遊集流腔室，該下遊集流腔室被配置以連接到所述壓力傳 感器，因而將下遊壓力施加到所述壓力傳感器；和 定位在過程流體流中的渦旋脫落穩定器，該渦旋脫落穩定器被配置以穩定渦旋脫落。
29. 根據權利要求28所述的均速皮托管，其中渦旋脫落穩定器至少包括邊界層導流 柵。
30. 根據權利要求28所述的均速皮托管，其中渦旋脫落穩定器包括下遊元件。
【文檔編號】G01F1/46GK104515553SQ201410042184
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】大衛·尤金·維克隆德 申請人:羅斯蒙特公司