基于壓差的流量測量系統(tǒng)和均速皮托管的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于壓差的流量測量系統(tǒng)，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(wěn)定器定位成接近細長探測器并且定位在過程流體流中。渦旋脫落穩(wěn)定器被配置以穩(wěn)定靠近細長探測器的流體流中的渦旋脫落。本實用新型還公開了一種均速皮托管。
【專利說明】基于壓差的流量測量系統(tǒng)和均速皮托管
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及測量工業(yè)過程中的過程流體的流量。更具體地，本實用新型涉及采用使用壓差的均速皮托管或均速管流量計(averaging pitot tube)測量流量。
【背景技術】
[0002]過程工業(yè)采用過程變量變送器以監(jiān)測與物質相關的過程變量，所述物質例如是化工、紙漿、石油、制藥、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回路上被發(fā)送到控制室，或者該輸出可以被發(fā)送至另一個過程設備，以便可以監(jiān)測和控制該過程的操作。
[0003]通過改變管道的內部幾何形狀并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(tǒng)地，如通過采用文丘里流量計改變管道的橫截面，或通過將流動改變裝置，如節(jié)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。該皮托管的上游和下游間的壓差被測量并且與流量相關。但是，不同壓差變化可能在流量確定中引起誤差。
實用新型內容
[0005]根據本實用新型的一個方面，提供了一種基于壓差的流量測量系統(tǒng)，其特征在于，該流量測量系統(tǒng)包括:
[0006]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；
[0007]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；
[0008]在細長探測器中的上游集流腔室，該上游集流腔室具有至少一個上游開口，所述至少一個上游開口連接到壓差傳感器，由此將上游壓力施加到壓差傳感器；
[0009]在所述管道中的下游集流腔室，該下游集流腔室具有至少一個下游開口，所述至少一個下游開口連接到壓差傳感器，由此將下游壓力施加到壓差傳感器；和
[0010]渦旋脫落穩(wěn)定器，定位成靠近細長探測器并且定位在過程流體流中，該渦旋脫落穩(wěn)定器被配置以穩(wěn)定靠近細長探測器的渦旋脫落。
[0011]在上述流量測量系統(tǒng)中，所述渦旋脫落穩(wěn)定器可以包括至少一個邊界層導流柵。
[0012]在上述流量測量系統(tǒng)中，所述邊界層導流柵可以包括與過程流體的流動方向大致平行地布置的平面。
[0013]上述流量測量系統(tǒng)可以包括沿細長探測器的長度定位的多個邊界層導流柵。
[0014]在上述流量測量系統(tǒng)中，上游集流腔室可以包括多個上游開口并且其中所述多個邊界層導流柵定位在上游開口之間。[0015]在上述流量測量系統(tǒng)中，邊界層導流柵可以包括平板，所述平板從細長探測器的上游面延伸到細長探測器的下游面，并且被布置為垂直于細長探測器的縱向軸線。
[0016]在上述流量測量系統(tǒng)中，渦旋脫落穩(wěn)定器可以包括下游元件。
[0017]在上述流量測量系統(tǒng)中，所述下游元件可以包括鄰近下游集流腔室被連接的板。
[0018]在上述流量測量系統(tǒng)中，所述下游元件可以在垂直于過程流體流的方向上延伸。
[0019]在上述流量測量系統(tǒng)中，所述下游元件可以在與細長探測器大致平行的方向上延伸。
[0020]在上述流量測量系統(tǒng)中，下游集流腔室可以被支承在下游元件中。
[0021]在上述流量測量系統(tǒng)中，在細長探測器和下游元件之間的開口允許在細長探測器和下游元件之間的流體連通。
[0022]在上述流量測量系統(tǒng)中，細長探測器可以包括均速皮托管。
[0023]在上述流量測量系統(tǒng)中，細長探測器的橫截面可以具有“T”形形狀，并且渦旋脫落穩(wěn)定器可以包括延伸通過該“T”形形狀的基部的開口。
[0024]根據本實用新型的另一個方面，提供了一種均速皮托管，被構造以插入到管道中，用于測量該管道中的過程流體的流量，該均速皮托管包括:
[0025]具有至少一個上游開口的上游集流腔室，該上游集流腔室被配置以連接到壓力傳感器，因而將上游壓力施加到所述壓力傳感器；
[0026]具有至少一個下游開口的下游集流腔室，該下游集流腔室被配置以連接到所述壓力傳感器，因而將下游壓力施加到所述壓力傳感器；和
[0027]定位在過程流體流中的渦旋脫落穩(wěn)定器，該渦旋脫落穩(wěn)定器被配置以穩(wěn)定渦旋脫落。
[0028]在上述均速皮托管中，渦旋脫落穩(wěn)定器可以至少包括邊界層導流柵。
[0029]在上述均速皮托管中，渦旋脫落穩(wěn)定器可以包括下游元件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1示出本實用新型的流量測量系統(tǒng)和過程管道的剖視圖。
[0031]圖2是根據本實用新型的一個示例性實施例的流量測量系統(tǒng)和流量變送器的簡化框圖。
[0032]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。
[0033]圖3B、3D和3F是壓力幅值與時間關系的曲線圖。
[0034]圖3C和3E是針對各種渦旋脫落情況的壓力幅值與頻率關系的曲線圖。
[0035]圖4A是圖1中所示的均速皮托管的前視圖并且圖示示例性的邊界層導流柵。
[0036]圖4B是在圖1中所示的均速皮托管的后視圖并且圖示示例性的邊界層導流柵。
[0037]圖4C是在圖1中所示的均速皮托管的透視圖并且圖示示例性的邊界層導流柵。
[0038]圖5A和圖5B是包括被布置為位于均速皮托管的下游的板的渦旋脫落穩(wěn)定器的均速皮托管的頂部剖視圖。
[0039]圖5C是具有下游板的均速皮托管的另一個配置的頂部剖面圖。
[0040]圖6是渦旋脫落穩(wěn)定器的另一個示例性實施例的透視圖?！揪唧w實施方式】
[0041]如在【背景技術】部分所討論的，基于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。壓差傳感器可以用于感測該壓差，并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游和下游壓力是橫跨流管的直徑取得的平均壓力，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，但由于在流體移動通過探測器時在壓差中產生的不穩(wěn)定振蕩，在流量測量中仍然可能出現(xiàn)誤差。特別地，低頻振蕩可能被不正確地檢測為流量變化。本實用新型穩(wěn)定渦旋脫落低頻振蕩，并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。
[0042]圖1是圖示本實用新型的實施例的環(huán)境的一個例子的過程控制系統(tǒng)10的示意圖。流量測量系統(tǒng)12通過過程控制回路16被連接至控制室14 (被建模為電壓源和電阻)?；芈?6可以利用適當?shù)膮f(xié)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(yè)標準協(xié)議操作，如可尋址遠程傳感器高速通道(ΠΛΚΤ? ) ,FOUNDATION?現(xiàn)場總線或任何其它合適的協(xié)議。此外，過程控制回路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ΠΛΙΠ'?通信協(xié)議?？梢允褂闷渌ㄐ偶夹g，包括以太網或光纖連接。
[0043]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用于將由探測器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(wěn)定器(在圖1中未示出)被定位成靠近探測器20以穩(wěn)定靠近探測器20的渦旋脫落振蕩。
[0044]圖2是流量變送器12的系統(tǒng)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能夠連接至諸如回路16之類的過程控制回路，并且適合于發(fā)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。
[0045]回路通信器32連接至諸如回路16的過程控制回路，并且適于在過程控制回路上進行通信。這種通信可以依照諸如上面所討論的協(xié)議的任何合適的過程工業(yè)標準協(xié)議。
[0046]第一和第二端口 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可以是具有響應于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，電容響應于在端口 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。
[0047]測量電路34被連接到傳感器28并且被配置以提供與端口 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(shù)轉換器、電容-數(shù)字轉換器或任何其它適當?shù)碾娐贰?br> [0048]控制器36被連接到測量電路34和回路通信器32?？刂破?6適于提供過程變量輸出到環(huán)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?？刂破?6可以是微處理器或者任何其他適當?shù)难b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?？刂破?6可以執(zhí)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系。其他因素可以被用于補償流量測量，包括補償由于溫度、被感測的過程流體、絕對壓力等引起的變化。
[0049]雖然已經相對于各個模塊描述了環(huán)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，在基于微處理器系統(tǒng)中的各種軟件組件可以實現(xiàn)測量電路34、控制器36和通信器環(huán)路32的各方面。
[0050]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的端口38被連接到第一集流腔室42，而傳感器28的端口 40被連接到第二集流腔室44?！凹髑皇?plenum) ”是具有特定特征或壓力的流體被引導或允許進入的通路、通道、管道等，并且流體壓力通過“集流腔室”被傳導或者輸送。
[0051]在圖示的實施例中，第一(上游)集流腔室42包括至少一個沖擊孔(impactaperture) 48并被設置以將來自探測器沖擊(或上游)面46的壓力傳送到傳感器28的端口 38?？?8可以是任何適當?shù)慕Y構?？?8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(下游)集流腔室44包括在下游與沖擊面46間隔開的非沖擊(或下游)面50。非沖擊面50包括至少一個非沖擊孔52，非沖擊孔52設置成通過集流腔室44將來自非沖擊面的壓力傳送到傳感器28的端口 40。所測量的壓力的位置是用于描述目的，并且本實用新型并不限于此配置。
[0052]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)流量計之類的基于皮托管的流動計可以在其輸出中具有明顯的變化量。APT在其上游側和下游側之間生成壓差。這可以用在如下等式中以測量質量或體積流量:
[0053]Qmass = NxKxD2 XY1 x^DPxp等式(I)
[0054](>\ oiumctric = N > K < 1.) x >' > λ//.)/)//.，等式(2)
[0055]在等式(I)和(2)中，質量流量是每單位時間的質量單位(千克/小時、磅/秒等等)，體積流量是每單位時間的實際體積單位(實際立方英尺/小時、實際立方米/分鐘等等)。項N是常數(shù)轉換因數(shù)，它的值由在方程(I)和(2)中的各種其他項的單位確定。在方程(I)和(2)中的變量是管道直徑D、氣體膨脹因數(shù)Υ1、流體密度P和壓差(DP)，管道直徑D是溫度的函數(shù)，氣體膨脹因數(shù)Yl考慮在其改變通過設備的速度時流體的密度的變化并且是壓差和靜壓力的比的函數(shù)，流體密度P是靜壓力和溫度的函數(shù)，并且壓差(DP)是在APT的前面和后面之間測得的。其余項是流量系數(shù)K。這是經驗項，其量化通過流量計的真正流量與通過流量計的理論流量的比例。流量系數(shù)可以簡單為常數(shù)，或者其可以是雷諾數(shù)的函數(shù)。
[0056]注意，K是經驗項。確定K值的需要憑經驗地來自如下事實:圍繞APT的流場呈現(xiàn)來自探測器20的前緣的流動的分離，在下游側產生高度湍動的回流區(qū)或紊流區(qū)(recirculation zone)。在回流區(qū)中的壓力場具有明顯的不穩(wěn)定變化,這導致壓差(DP)的變化。有助于DP (或者，代替地，K)的變化的另一個因素是，典型的APT的寬度比管道的直徑小很多。這種結構的最終結果是，典型的APT應用涉及橫跨管道的細長的支柱。與APT有一定的相似之處的另一個流量技術是渦街流動計。在這種類型的流量計中，渦旋脫落體跨越管道(類似于APT)，并且在下游上包括具有類似的高度湍動的回流區(qū)或紊流區(qū)的流動分離(flow separation)。這些技術之間的差別在于阻塞因數(shù)。這在下述等式(3)中被限定:
【權利要求】
1.一種基于壓差的流量測量系統(tǒng)，其特征在于，該流量測量系統(tǒng)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游集流腔室，該上游集流腔室具有至少一個上游開口，所述至少一個上游開口連接到壓差傳感器，由此將上游壓力施加到壓差傳感器； 在所述管道中的下游集流腔室，該下游集流腔室具有至少一個下游開口，所述至少一個下游開口連接到壓差傳感器，由此將下游壓力施加到壓差傳感器；和 渦旋脫落穩(wěn)定器，定位成靠近細長探測器并且定位在過程流體流中，該渦旋脫落穩(wěn)定器被配置以穩(wěn)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(tǒng)，其特征在于，所述渦旋脫落穩(wěn)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(tǒng)，其特征在于，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(tǒng)，其特征在于，該流量測量系統(tǒng)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(tǒng)，其特征在于，上游集流腔室包括多個上游開口并且其中所述多個邊界層導流柵定位在上游開口之間。
6.根據權利要求2所述的流量測量系統(tǒng)，其特征在于，邊界層導流柵包括平板，所述平板從細長探測器的上游面延伸到細長探測器的下游面，并且被布置為垂直于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(tǒng)，其特征在于，渦旋脫落穩(wěn)定器包括下游元件。
8.根據權利要求7所述的流量測量系統(tǒng)，其特征在于，所述下游元件包括鄰近下游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(tǒng)，其特征在于，所述下游元件在垂直于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(tǒng)，其特征在于，所述下游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(tǒng)，其特征在于，下游集流腔室被支承在下游元件中。
12.根據權利要求7所述的流量測量系統(tǒng)，其特征在于，在細長探測器和下游元件之間的開口允許在細長探測器和下游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(tǒng)，其特征在于，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(tǒng)，其特征在于，細長探測器的橫截面具有“T”形形狀，并且渦旋脫落穩(wěn)定器包括延伸通過該“T”形形狀的基部的開口。
15.一種均速皮托管，被構造以插入到管道中，用于測量該管道中的過程流體的流量，其特征在于，該均速皮托管包括: 具有至少一個上游開口的上游集流腔室，該上游集流腔室被配置以連接到壓力傳感器，因而將上游壓力施加到所述壓力傳感器；具有至少一個下游開口的下游集流腔室，該下游集流腔室被配置以連接到所述壓力傳感器，因而將下游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(wěn)定器，該渦旋脫落穩(wěn)定器被配置以穩(wěn)定渦旋脫落。
16.根據權利要求15所述的均速皮托管，其特征在于，渦旋脫落穩(wěn)定器至少包括邊界層導流柵。
17.根據權利要求15所述的均速皮托管，其特征在于，渦旋脫落穩(wěn)定器包括下游元件。
【文檔編號】G01F1/46GK203745012SQ201420055093
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權日:2013年9月27日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·尤金·維克隆德 申請人:羅斯蒙特公司