具有改進(jìn)的皮托管結(jié)構(gòu)的基于壓差的流量測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓差流量測(cè)量系統(tǒng)，包括連接到測(cè)量電路的壓力傳感器。細(xì)長探測(cè)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(cè)在流體流過探測(cè)器時(shí)在流體流中產(chǎn)生的壓差。渦旋脫落穩(wěn)定器定位成接近細(xì)長探測(cè)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(xì)長探測(cè)器的流體流中的渦旋脫落。
【專利說明】具有改進(jìn)的皮托管結(jié)構(gòu)的基于壓差的流量測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量工業(yè)過程中的過程流體的流量。更具體地，本發(fā)明涉及采用使用 壓差的均速皮托管或均速管流量計(jì)（averagingpitottube)測(cè)量流量。

【背景技術(shù)】
[0002] 過程工業(yè)采用過程變量變送器以監(jiān)測(cè)與物質(zhì)相關(guān)的過程變量，所述物質(zhì)例如是化 工、紙漿、石油、制藥、食品和其它處理設(shè)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(xué)組成及其它性能。過程流量變送器提供 與感測(cè)到的過程流體流量相關(guān)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(gè)過程設(shè)備，以便可以監(jiān)測(cè)和控制該過程的操作。
[0003] 通過改變管道的內(nèi)部幾何形狀并且應(yīng)用算法到在流動(dòng)流體中的被測(cè)量的壓差來 測(cè)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(jì)改變管道的 橫截面，或通過將流動(dòng)改變裝置，如節(jié)流板、均速皮托管等插入該管道中，改變?cè)摴艿赖膸?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(nèi)的流體流的主體。該皮托管的上 游和下游間的壓差被測(cè)量并且與流量相關(guān)。但是，不同壓差變化可能在流量確定中引起誤 差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -種壓差流量測(cè)量系統(tǒng)，包括連接到測(cè)量電路的壓力傳感器。細(xì)長探測(cè)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(cè)在流體流經(jīng)探測(cè)器時(shí)在流體流中產(chǎn)生的 壓差。渦旋脫落穩(wěn)定器定位成接近細(xì)長探測(cè)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(xì)長探測(cè)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(fā)明的流量測(cè)量系統(tǒng)和過程管道的剖視圖。
[0007] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的流量測(cè)量系統(tǒng)和流量變送器的簡(jiǎn)化框 圖。
[0008] 圖3A是均速皮托管和在過程流體流過該管時(shí)產(chǎn)生的渦旋脫落的透視圖。
[0009] 圖3B、3D和3F是壓力幅值與時(shí)間關(guān)系的曲線圖。
[0010] 圖3C和3E是針對(duì)各種渦旋脫落情況的壓力幅值與頻率關(guān)系的曲線圖。
[0011] 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(dǎo)流柵。
[0012] 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(dǎo)流柵。
[0013] 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(dǎo)流柵。
[0014] 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。
[0015] 圖5C是具有下游板的均速皮托管的另一個(gè)配置的頂部剖面圖。
[0016] 圖6是渦旋脫落穩(wěn)定器的另一個(gè)示例性實(shí)施例的透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 如在【背景技術(shù)】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(dòng)的流 體中產(chǎn)生壓差進(jìn)行操作。壓差傳感器可以用于感測(cè)該壓差，并且所感測(cè)的壓力可以與過程 流體的流量相關(guān)。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(cè)量。雖然這的確提供更精確的流量動(dòng)測(cè)量，但由于 在流體移動(dòng)通過探測(cè)器時(shí)在壓差中產(chǎn)生的不穩(wěn)定振蕩，在流量測(cè)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(cè)為流量變化。本發(fā)明穩(wěn)定渦旋脫落低頻振蕩，并且因 而提供更精確的流量測(cè)量。這將在下面被更詳細(xì)地描述。
[0018] 圖1是圖示本發(fā)明的實(shí)施例的環(huán)境的一個(gè)例子的過程控制系統(tǒng)10的示意圖。流量 測(cè)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(dāng)?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(jù)過程工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議操作，如可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道（HART? ) ,FOUNDATION? 現(xiàn)場(chǎng)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(huì)路，例如，使用按照IEC62591標(biāo)準(zhǔn)的無線HART?:通信協(xié)議?？梢允?用其它通信技術(shù)，包括以太網(wǎng)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(cè)量探測(cè)器20。探測(cè)器20是均速皮托管，其徑向地橫跨管道18的內(nèi)側(cè)。圖1中的 方向箭頭24表示在管道18中的流體流動(dòng)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(gè)通道30流體地連接到探測(cè)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(cè)器20攜帶的一個(gè)或多個(gè)過程變量傳感器連接到流量變送 器13內(nèi)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(xì)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(cè)器20以穩(wěn)定靠近探測(cè)器20的渦旋脫 落振蕩。
[0020] 圖2是流量變送器12的系統(tǒng)框圖。流量測(cè)量變送器12包括流量變送器殼體13 和壓差測(cè)量探測(cè)器20。流量測(cè)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(nèi)的過程流體流的流量相關(guān)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(cè)量電路34和控制器36。
[0021] 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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
[0022] 第一和第二端口 38,40通過通道30連通到探測(cè)器20的相應(yīng)的第一和第二集流腔 室（plenum)42,44。傳感器28可以是具有響應(yīng)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(yīng)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(cè)量技術(shù)。
[0023] 測(cè)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(guān)的傳感器輸出。測(cè)量電路34可以是能夠提供與壓差有關(guān)的適當(dāng)信號(hào)的任何電子電路。例 如，測(cè)量電路34可以是模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器或任何其它適當(dāng)?shù)碾娐贰?br> [0024] 控制器36被連接到測(cè)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(cè)量電路34提供的傳感器輸出相關(guān)。控制器 36可以是微處理器或者任何其他適當(dāng)?shù)难b置。通常地，控制器36將壓差轉(zhuǎn)換成與過程流體 的流量相關(guān)的輸出?？刂破?6可以執(zhí)行補(bǔ)償，例如，使用曲線擬合技術(shù)或類似技術(shù)來調(diào)整 壓差和流量之間的非線性關(guān)系。其他因素可以被用于補(bǔ)償流量測(cè)量，包括補(bǔ)償由于溫度、被 感測(cè)的過程流體、絕對(duì)壓力等引起的變化。
[0025] 雖然已經(jīng)相對(duì)于各個(gè)模塊描述了環(huán)路通信器32、測(cè)量電路34和控制器36,可以設(shè) 想，它們例如可以結(jié)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(shí)現(xiàn)測(cè)量電路34、控制器36和通信器環(huán)路32的各方面。
[0026] 壓差測(cè)量探測(cè)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。"集流腔 室（plenum) "是具有特定特征或壓力的流體被引導(dǎo)或允許進(jìn)入的通路、通道、管道等，并且 流體壓力通過"集流腔室"被傳導(dǎo)或者輸送。
[0027] 在圖示的實(shí)施例中，第一（上游）集流腔室42包括至少一個(gè)沖擊孔（impact aperture) 48并被設(shè)置以將來自探測(cè)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(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)?？?8包括縱向構(gòu)件，在一些實(shí)施例中，該縱向構(gòu)件可 以足夠長，使得孔48 (如槽）將與探測(cè)器20的縱向軸線基本上對(duì)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(gè)非沖擊孔52,非沖擊孔52設(shè)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(cè)量的壓力的位置是用于描述目的，并且本發(fā)明并不限于此配置。
[0028] 正如在【背景技術(shù)】部分中所討論的，壓差的變化可以在流量測(cè)量中導(dǎo)致誤差。已經(jīng) 注意到，諸如均速皮托管（APT)流量計(jì)之類的基于皮托管的流動(dòng)計(jì)可以在其輸出中具有明 顯的變化量。APT在其上游側(cè)和下游側(cè)之間生成壓差。這可以用在如下等式中以測(cè)量質(zhì)量 或體積流量：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓差的流量測(cè)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(guān)的壓力傳感器輸出； 連接到壓差傳感器的細(xì)長探測(cè)器，該細(xì)長探測(cè)器被配置以插入載送過程流體流的管道 中； 在細(xì)長探測(cè)器中的上游集流腔室，該上游集流腔室具有至少一個(gè)上游開口，所述至少 一個(gè)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(gè)下游開口，所述至少一 個(gè)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(xì)長探測(cè)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(xì)長探測(cè)器的渦旋脫落。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中所述渦旋脫落穩(wěn)定器包括至少一個(gè)邊界 層導(dǎo)流柵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中所述邊界層導(dǎo)流柵包括與過程流體的流 動(dòng)方向大致平行地布置的平面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，包括沿細(xì)長探測(cè)器的長度定位的多個(gè)邊界層 導(dǎo)流柵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中上游集流腔室包括多個(gè)上游開口并且其 中所述多個(gè)邊界層導(dǎo)流柵定位在上游開口之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中邊界層導(dǎo)流柵包括平板，所述平板從細(xì) 長探測(cè)器的上游面延伸到細(xì)長探測(cè)器的下游面，并且被布置為垂直于細(xì)長探測(cè)器的縱向軸 線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中渦旋脫落穩(wěn)定器包括下游元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中所述下游元件包括鄰近下游集流腔室被 連接的板。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中所述下游元件在垂直于過程流體流的方 向上延伸。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中所述下游元件在與細(xì)長探測(cè)器大致平 行的方向上延伸。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中下游集流腔室被支承在下游元件中。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中在細(xì)長探測(cè)器和下游元件之間的開口 允許在細(xì)長探測(cè)器和下游元件之間的流體連通。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中細(xì)長探測(cè)器包括均速皮托管。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的流量測(cè)量系統(tǒng)，其中細(xì)長探測(cè)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. -種基于壓差測(cè)量過程流體的流量的方法，包括下述步驟： 將細(xì)長探測(cè)器插入載送過程流體流的管道中，所述探測(cè)器具有上游面和下游面； 將壓力傳感器連接到相對(duì)于細(xì)長探測(cè)器的上游壓力和相對(duì)于細(xì)長探測(cè)器的下游壓 力； 基于上游壓力和下游壓力測(cè)量過程流體的流量；以及 穩(wěn)定在過程流體移動(dòng)通過細(xì)長探測(cè)器時(shí)在過程流體中形成的渦旋脫落振蕩。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中穩(wěn)定渦旋脫落振蕩的步驟包括靠近細(xì)長探測(cè)器 放置至少一個(gè)邊界層導(dǎo)流柵。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中邊界層導(dǎo)流柵包括大致平行于過程流體的流動(dòng) 方向布置的平面。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括沿細(xì)長探測(cè)器的長度設(shè)置多個(gè)邊界層導(dǎo)流柵的 步驟。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中細(xì)長探測(cè)器包括具有多個(gè)上游開口的上游集流 腔室，并且其中所述多個(gè)邊界層導(dǎo)流柵定位在上游開口之間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中邊界層導(dǎo)流柵包括平板，所述平板從細(xì)長探測(cè) 器的上游面延伸到細(xì)長探測(cè)器的下游面，并且被布置為垂直于細(xì)長探測(cè)器的縱向軸線。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中穩(wěn)定渦旋脫落振蕩的步驟包括靠近細(xì)長探測(cè)器 放置下游元件。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述下游元件包括鄰近下游集流腔室被連接的 板。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述下游元件在垂直于過程流體流方向上延 伸。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述下游元件在大致平行于細(xì)長探測(cè)器的方向 上延伸。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述下游元件包括將下游壓力耦合到壓力傳感 器的集流腔室。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中在細(xì)長探測(cè)器和下游元件之間的開口允許在細(xì) 長探測(cè)器和下游元件之間的流體連通。
27. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中細(xì)長探測(cè)器包括均速皮托管。
28. -種均速皮托管，被構(gòu)造以插入到管道中，用于測(cè)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(gè)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(gè)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。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的均速皮托管，其中渦旋脫落穩(wěn)定器至少包括邊界層導(dǎo)流 柵。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的均速皮托管，其中渦旋脫落穩(wěn)定器包括下游元件。
【文檔編號(hào)】G01F1/46GK104515553SQ201410042184
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·尤金·維克隆德 申請(qǐng)人:羅斯蒙特公司