降噪壓差測量探頭的製作方法

2023-10-04 22:54:14 3

專利名稱：降噪壓差測量探頭的製作方法
背景技術：
加工工業採用了過程變量傳感器來監測與化工加工廠、紙漿加工廠、石油加工廠、製藥廠，食品加工廠及其它加工廠中的物質，如固體，懸浮液，液體，蒸汽及氣體相關的過程變量。過程變量包括壓力、溫度、流量、水平、渾濁度、密度、濃度、化學組成及其它參數。工作流體流量變送器提供了與探測的工作流體流動相關的輸出。流量變送器的輸出可通過過程控制迴路與一控制室聯繫，或者該輸出可以與另一處理裝置相連，這樣，可以對所述過程進行監測和控制。
通過調節管道的內部幾何形狀並採用有關流動流體中測得的壓力差的算法來測定封閉管道中測量流體流速已經是公知的了。通常，通過例如採用文氏管來改變管道的橫截面，或通過插入如節流孔板或平均皮托管等流量調節裝置的管道中來改變管道的幾何形狀。
平均皮托管通常包括一略微阻止管道內流體流動的異形非流線體。一些平均皮托管中的一個局限性在於探測的壓力差數據中的信噪比較低。在壓差測量裝置，如流量變送器的文獻中，「噪音」指的是從一個數據點至另一個數據點讀取的平均壓力讀數所得的瞬間偏離。壓力差傳感器的皮托管中產生的噪音起源於朝向皮托管側部上遊側的衝擊壓力傳感器和通常在皮托管下遊側的非衝擊壓力埠。
隨著壓力差傳感器和數據採集系統越來越複雜和靈敏，因此，它們也對壓力感應元件產生的噪音也變得越來越敏感，並且越來越易受其影響。因此，壓力差感應元件，如流量變送器的噪音特性在其選擇和操作中變得更為重要。因此，有必要提供一種改進信噪比的壓力差感應元件。
發明概述本發明提供了一種具有改進信噪比的壓力差測量探頭。該探頭包括一帶有至少一個細長衝擊孔的衝擊表面，所述衝擊孔具有一個縱向部分。選擇衝擊孔的寬度以小於限定衝擊面的第一增壓腔的內部寬度。一非衝擊表面設有至少一個用於測量第二壓力的非衝擊孔，以便能夠測量衝擊表面和非衝擊表面之間的壓力差。
附圖簡介

圖1和2為說明本發明實施例中工作環境的過程測量系統的示意圖。
圖3a和3b分別為過程測量系統12和壓力差測量探頭20的系統框圖。
圖4為說明本發明實施例中衝擊孔的T形非流線型體的局部透視圖。
圖5為沿圖4中3-3線所示的橫截面圖。彎曲的箭頭指示了非流線型體周圍流體流動的一般方向。
圖6為說明平面非流線型體的另一實施例的局部透視圖。
圖7為說明平面非流線型體的大致V形橫截面的另一實施例的局部透視圖。
圖8為另一實施例的局部透視圖，其描述了平面非流線型體的大致U形橫截面。
圖9a-9f為非流線型體形狀的頂部平面圖，這些形狀能與本發明實施例中改進的衝擊孔一起使用。
圖10和11為說明本發明降噪實施例中壓力隨時間變化的曲線圖。
詳細說明雖然參照壓力差測量探頭的特定實施例對本發明進行了詳細說明，但是本領域有經驗的技術人員應認識到在不偏離本發明思想和範圍的基礎上，可以對本發明的形式和細節作出改動，對此將在所附的權利要求中進行限定。
圖1為過程控制系統10的示意圖，其描述了本發明實施例中工作環境的一個例子。壓力測量系統12通過程控制迴路16與控制室14(由一電壓源和電阻模製而成)相連。迴路16能夠採用任何正確的協議在測量系統12和控制室14之間傳遞流體信息。例如，過程控制迴路16根據加工工業標準協議，如Highway Addressable Remote Transducer(HART),FOUNDATIONTMFieldbus或其它任何適合的協議進行工作。
圖2描述了一種工作流體容器，如管道或封閉管道18的剖視部分，在其內部安裝有一個平均皮托管型的壓力差測量探頭20。非流線型體22沿徑向橫跨管道18的內部。圖2中方向箭頭24表明了管道18中流體流動的方向。一流體歧管26和流量變送器13如圖所示，被安裝在皮托管20的外端。變送器13包括一壓力傳感器28，該壓力傳感器經通道30(在圖2中以剖視圖所示)與探頭20流通地相連。
圖3a和3b分別為壓力差測量系統12和壓力差測量探頭20的系統框圖。系統12包括流量變送器13和壓力差測量探頭20。在一些實施例中，流量變送器13和探頭20可以預製匹配，以便在特定的流量差測量應用中提高精確度、壽命和識別能力。系統12可與一過程控制迴路，例如迴路16相連，並適於傳遞與管道18流體流動壓差相關的過程變量輸出。系統12的變送器13包括一迴路通信裝置(loopcommunicator)32、壓力傳感器28、測量電路34及控制器36。
迴路通信裝置32可以與過程控制迴路，如迴路16相連，並適於與過程控制迴路進行聯繫。這種聯繫可根據任何適合的加工工業標準協議，如上文所討論的協議進行。
壓力傳感器28包括經通道30分別與第一增壓腔42和第二增壓腔44相連的第一埠38和第二埠40。傳感器28可以是具有響應所施加壓力變化的電特性的任何裝置。例如，傳感器28可以是作用在電容響應埠38和40間的壓力差變化的電容壓力傳感器。如果需要，傳感器28可以包括一對壓敏元件，以便每一增壓腔均與其自己的壓敏元件相配合。
測量電路34與傳感器28相連接，且其結構能提供至少與埠38和40間壓力差相關的傳感器的輸出。測量電路34可以是能提供與壓力差相關的合適信號的任何電路。例如，測量電路可以是模擬-數字轉換器，電容-數字轉換器或任何其它合適的電路。
控制器36與測量電路34和迴路通信裝置32相連。控制器36用於對迴路通信裝置32提供過程變量輸出，該輸出與由測量電路34提供的傳感器輸出相關。控制器36可以是一種可編程序的門矩陣(GateArray)裝置，微處理器或任何其它合適的裝置。
儘管參照單個模塊對迴路通信裝置32，測量電路34和控制器36進行了介紹，但是應考慮可將它們結合在例如Application SpecificIntegrated Circuit(ASIC)上。
壓力差測量探頭20通過通道30與變送器13相連。這樣，傳感器28的埠38與第一增壓腔42相連，而傳感器28的埠40與第二增壓腔44相連。「增壓腔」是一個通道，一個孔道，一根管子或類似裝置，其允許將具有特定特性或壓力的流體導入其內並通過它來傳導或輸送流體。
第一增壓腔42包括一衝擊表面46，其具有至少一個用於把壓力從衝擊表面46傳送至傳感器28的埠38的細長衝擊孔48。孔48包括一個縱向部分，在一些實施例中，其應足夠大以便孔48與非流線型體22的縱軸對準。如圖2和4-8所示，至少一個衝擊孔48的形式可採用具有縱向部分的狹縫。所述狹縫進一步降低了壓力信號中的噪音，從而提高了測量系統的信噪比。重要的是，狹縫的寬度要小於與其相連的增壓腔的內部寬度。約為0.76毫米(0.030英寸)至6.35毫米(0.250英寸)的狹縫寬度能提供適合的結果。另外，可採用多道橫向或縱向彼此分離的狹縫。
第二增壓腔44包括一個與衝擊表面46分離的非衝擊表面50。非衝擊表面50包括至少一個非衝擊孔52，其用於把壓力從非衝擊表面傳送到傳感器28的埠40。可加長至少一個非衝擊孔52且使其結構具有縱向部分，或者孔52可採用傳統形狀。若不需要第二增壓腔，可例如在管道18的壁上採用一壓力接頭，以便將非衝擊孔52設置在管道18內，以將非衝擊壓力傳送到埠40。例如，孔52可設置在管道18的內壁附近。
圖4和5分別為皮托管20的非流線型體22的局部橫截面視圖。
如圖所示，非流線型體22的截面類似字母「T」，其包括一棒狀部分54，該棒狀部分在字母「T」頂部具有一個鈍頭，大致平展的衝擊表面46。非流線型體的截面也描述了從棒狀部分54中心大致垂直伸出的字母「T」的杆部56。在該非流線型體的透視圖或側視圖中，可看到所謂「T」的杆為一縱向伸出的肋56，其從平面棒狀部分背側沿下遊方向伸出。雖然使用與縱向衝擊狹縫相連的「T」形非流線型體能確保良好的結果，但是採用具有其它非流線型體的這種衝擊狹縫也能獲得同樣的優點。因此，狹縫結構也能產生降低噪音的優點且使壓力集中在具有如鑽石形，圓形，錐形等傳統形狀的非流線型體上。
在本發明不同的實施例中，衝擊表面中的傳統衝擊孔由一個或更多的具有縱向部分的細長衝擊孔代替。細長衝擊孔，或狹縫在管道18內的高壓(衝擊)流體和增壓腔42之間提供聯絡，從而把流體的衝擊壓力導入增壓腔42內並傳遞至流量變送器13內的壓力傳感器28的埠38。如果狹縫可作為更寬更大的增壓腔的入口，與多個分離的圓形孔不同，狹縫結構可降低與高流體壓力相關的噪音。為降低噪音，狹縫本身不必作為增壓腔。例如，若位於棒狀部分表面的狹縫為0.8毫米(0.031英寸)寬，並且高壓流體傳導增壓腔為3.2毫米(0.125英寸)寬，可以得到令人滿意的信噪比。這些尺寸和比例僅僅作為示例，且不應局限於此。
雖然本發明的一個實施例採用了多個縱向排列和縱向定向(相對於非流線型體的直徑跨度)的衝擊狹縫，這些衝擊狹縫的橫向中心位於非流線型體的衝擊面上，但還可以考慮利用其它的結構。例如，基本上貫穿非流線型體的整個長度的一道狹縫可以有效降低高壓噪音。多個縱向定向、非直線狀狹縫開口也能降低噪音。多個縱向定向的平行狹縫開口也能降低噪音。而且，狹縫可位於衝擊面上，以便提供特定型流體流動輪廓，如層流和渦流的平均指示。更進一步說，狹縫的長度可以根據狹縫在衝擊面上的位置變化，以便從一特定孔採樣的衝擊壓力可以根據位置加權。但是，如果要保持狹縫的積分函數，則狹縫開口的縱向定向十分重要，該縱向定向是在流體傳輸導管的徑向或近似徑向。在一些實施例中，單個的狹縫基本上可以跨越整個管道的內徑。
本發明的其它實施例如圖6-9f所示。在每個實施例中，具有一縱向部分的一個或多個狹縫是共同特點。這些可選擇的實施例與上述實施例間的主要差別在於非流線型體的形狀。不同的結構會導致流體滯流區形狀和尺寸的變化。對非流線型體的形狀或設計的選擇通常取決於與測量環境相關的幾個因素，其中包括例如成本、流體特性、輸送流體的管道尺寸的流體流動的速率範圍。
圖6描述了一種非流線型體22a的基本形式，其沒有再附著延伸部分或凸起的肋。非流線型體70設有平展的衝擊表面72，該表面具有至少一個狹窄的衝擊狹縫48a，所述狹縫48a經非流線型體將高壓流體導入第一增壓腔42a和皮托管的外部，並繼續傳導入流量變送器。所述非流線型體內部的有限空間44a與非衝擊孔52a相連，並經非流線型體將低壓流體導入皮托管的外部，並導入流量變送器。衝擊狹縫48a在非流線型體面上的設置能獲得與「T」形實施例中高壓測量相似的信噪比增量。
圖7說明了一種V形非流線型體22b，其具有一個平面棒狀部分54b，所述棒狀部分朝向上遊且具有一與以前所討論的實施例一樣的縱向延伸的狹縫48b和第一增壓腔42b。本發明中非流線型體22c的另一實施例如圖8所示。該圖中所示的非流線型體與圖7中所示的非流線型體的主要區別在於支臂74c和76c垂直於棒狀部分54c的背側，從而形成一種具有「U」形橫向截面的結構。
圖9a-9f為不同非流線型體結構的頂部平面圖，其中本發明實施例的衝擊狹縫是有效的。
圖10-11為壓力隨時間變化的曲線圖，其說明了本發明中降低噪音的實施例。圖10為與現有技術相關的壓力差測量探頭中採樣壓力的曲線圖。圖11說明了壓力採樣的曲線圖，其由裝有圖2和4-8所示的衝擊狹縫的探頭測得。如圖10和11所示，在壓力差測量系統中可以顯著降低噪音。例如，如圖10所示，衝擊噪音(其是由2×衝擊壓力的標準偏差除以平均衝擊壓力來表示的)大約為6.50％，而如圖11所示的測試結果表明衝擊噪音約為4.76％。這種噪音的降低有助於將總的壓力差噪音從11.79％(現有技術)減少到約10.64％(本發明的實施例)。這種噪音的降低為壓力差的準確指示提供了更快速的計算，從而可提供更有效的過程控制。
權利要求
1．一種適於安裝在流體輸送管道內的壓力差測量探頭，該探頭包括一與第一壓力傳感器埠相連的第一增壓腔，第一增壓腔具有內部寬度並包括一帶有至少一個衝擊孔的衝擊表面，該衝擊孔用於將壓力從上遊表面傳送至第一壓力傳感器埠；一與衝擊表面分離的非衝擊表面，該非衝擊表面具有至少一個非衝擊孔，用於將壓力從非衝擊表面傳送至第二壓力傳感器埠；其特徵在於，衝擊孔是細長形的，其具有一個縱向部分，其寬度小於第一增壓腔的內部寬度。
2．根據權利要求1所述的探頭，其特徵在於還包括一可與第二壓力傳感器埠相連的第二增壓腔，其中，非衝擊表面位於第二增壓腔上。
3．根據權利要求2中所述的探頭，其特徵在於，至少一個衝擊孔包括至少一對縱向狹縫。
4．根據權利要求3中所述的探頭，其特徵在於縱向狹縫是橫向分離的。
5．根據權利要求3中所述的探頭，其特徵在於縱向狹縫是縱向分離的。
6．根據權利要求1中所述的探頭，其特徵在於至少一個非衝擊孔包括至少一個縱向延伸的狹縫。
7．根據權利要求3中所述的探頭，其特徵在於至少一個衝擊孔設置成能測量層流的平均流量。
8．根據權利要求3中所述的探頭，其特徵在於至少一個衝擊孔設置成用於測量渦流的平均流量。
9．根據權利要求3中所述的探頭，其特徵在於每個衝擊孔的長度根據衝擊表面上的孔的位置確定。
10．根據權利要求1中所述的探頭，其特徵在於至少一個衝擊孔適合於基本跨越管道的整個內徑。
11．一種適於安裝在流體輸送管道內的壓力差測量探頭，該探頭包括經縱向狹縫從輸送流體的管道內部將衝擊壓力傳送到壓力傳感器裝置的裝置；從輸送流體的管道內部將非衝擊壓力傳送到壓力傳感器裝置的裝置。
12．一種在輸送流體的管道中測量壓力差的方法，包括提供一具有衝擊表面的第一增壓腔；經衝擊表面內的一個縱向延伸的衝擊孔，將衝擊壓力經第一增壓腔傳送給第一壓力傳感器埠；將非衝擊壓力從一非衝擊孔傳送給第二壓力傳感器埠，非衝擊孔與衝擊孔隔開；計算衝擊壓力和非衝擊壓力之間的壓力差。
13．根據權利要求12所述的方法，其特徵在於總壓力差噪音小於計算的壓力差的11％。
14．根據權利要求12所述的方法，其特徵在於衝擊壓力噪音小於6％。
15．一種壓力差測量系統，其與過程控制迴路相連，且用於輸送與流體管道中流體流動的壓力差相關的過程變量輸出值，該系統包括一個過程壓力傳感器包括一個迴路通信裝置，其可與過程控制迴路相連且適於與過程控制迴路連通；一個具有第一和第二壓力入口的壓力傳感器；與壓力傳感器相連的測量電路，其用於提供與第一和第二壓力入口之間的壓力差相關的傳感器輸出；一與測量電路和迴路通信裝置相連的控制器，所述控制器用於對迴路通信裝置提供過程變量輸出，所述過程變量輸出與傳感器輸出相關；一適於安裝在流體輸送管道內的壓力差測量探頭，該探頭包括一與第一傳感器埠相連的第一增壓腔，第一增壓腔具有內部寬度並包括一帶有至少一個縱向衝擊孔的衝擊表面，該衝擊孔將壓力從衝擊表面傳送到第一壓力傳感器埠；其中，衝擊孔的寬度小於第一增壓腔的內部寬度；一個與衝擊表面隔開的非衝擊表面，該非衝擊表面具有至少一個用於將壓力從非衝擊表面傳送到第二壓力傳感器埠的非衝擊孔。
全文摘要
本發明提供了一種改進信噪比的壓力差測量探頭。該探頭包括一個具有至少一個縱向延伸的衝擊孔(48)的衝擊表面(46)。選擇孔的寬度使其小於第一增壓腔(42)的內部寬度。非衝擊表面(50)設有用以測定第二壓力的非衝擊孔(52)以能測量衝擊表面(46)和非衝擊表面(50)之間的壓力差。
文檔編號G01F1/46GK1321239SQ00801943
公開日2001年11月7日 申請日期2000年7月18日 優先權日1999年8月5日
發明者拉塞爾·N·埃文斯, 特裡·X·比徹 申請人:迪特裡奇標準公司