专利名称：降噪压差测量探头的制作方法
背景技术：
加工工业采用了过程变量传感器来监测与化工加工厂、纸浆加工厂、石油加工厂、制药厂，食品加工厂及其它加工厂中的物质，如固体，悬浮液，液体，蒸汽及气体相关的过程变量。过程变量包括压力、温度、流量、水平、浑浊度、密度、浓度、化学组成及其它参数。工作流体流量变送器提供了与探测的工作流体流动相关的输出。流量变送器的输出可通过过程控制回路与一控制室联系，或者该输出可以与另一处理装置相连，这样，可以对所述过程进行监测和控制。
通过调节管道的内部几何形状并采用有关流动流体中测得的压力差的算法来测定封闭管道中测量流体流速已经是公知的了。通常，通过例如采用文氏管来改变管道的横截面，或通过插入如节流孔板或平均皮托管等流量调节装置的管道中来改变管道的几何形状。
平均皮托管通常包括一略微阻止管道内流体流动的异形非流线体。一些平均皮托管中的一个局限性在于探测的压力差数据中的信噪比较低。在压差测量装置，如流量变送器的文献中，“噪音”指的是从一个数据点至另一个数据点读取的平均压力读数所得的瞬间偏离。压力差传感器的皮托管中产生的噪音起源于朝向皮托管侧部上游侧的冲击压力传感器和通常在皮托管下游侧的非冲击压力端口。
随着压力差传感器和数据采集系统越来越复杂和灵敏，因此，它们也对压力感应元件产生的噪音也变得越来越敏感，并且越来越易受其影响。因此，压力差感应元件，如流量变送器的噪音特性在其选择和操作中变得更为重要。因此，有必要提供一种改进信噪比的压力差感应元件。
发明概述本发明提供了一种具有改进信噪比的压力差测量探头。该探头包括一带有至少一个细长冲击孔的冲击表面，所述冲击孔具有一个纵向部分。选择冲击孔的宽度以小于限定冲击面的第一增压腔的内部宽度。一非冲击表面设有至少一个用于测量第二压力的非冲击孔，以便能够测量冲击表面和非冲击表面之间的压力差。
附图简介
图1和2为说明本发明实施例中工作环境的过程测量系统的示意图。
图3a和3b分别为过程测量系统12和压力差测量探头20的系统框图。
图4为说明本发明实施例中冲击孔的T形非流线型体的局部透视图。
图5为沿图4中3-3线所示的横截面图。弯曲的箭头指示了非流线型体周围流体流动的一般方向。
图6为说明平面非流线型体的另一实施例的局部透视图。
图7为说明平面非流线型体的大致V形横截面的另一实施例的局部透视图。
图8为另一实施例的局部透视图，其描述了平面非流线型体的大致U形横截面。
图9a-9f为非流线型体形状的顶部平面图，这些形状能与本发明实施例中改进的冲击孔一起使用。
图10和11为说明本发明降噪实施例中压力随时间变化的曲线图。
详细说明虽然参照压力差测量探头的特定实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域有经验的技术人员应认识到在不偏离本发明思想和范围的基础上，可以对本发明的形式和细节作出改动，对此将在所附的权利要求中进行限定。
图1为过程控制系统10的示意图，其描述了本发明实施例中工作环境的一个例子。压力测量系统12通过程控制回路16与控制室14(由一电压源和电阻模制而成)相连。回路16能够采用任何正确的协议在测量系统12和控制室14之间传递流体信息。例如，过程控制回路16根据加工工业标准协议，如Highway Addressable Remote Transducer(HART),FOUNDATIONTMFieldbus或其它任何适合的协议进行工作。
图2描述了一种工作流体容器，如管道或封闭管道18的剖视部分，在其内部安装有一个平均皮托管型的压力差测量探头20。非流线型体22沿径向横跨管道18的内部。图2中方向箭头24表明了管道18中流体流动的方向。一流体歧管26和流量变送器13如图所示，被安装在皮托管20的外端。变送器13包括一压力传感器28，该压力传感器经通道30(在图2中以剖视图所示)与探头20流通地相连。
图3a和3b分别为压力差测量系统12和压力差测量探头20的系统框图。系统12包括流量变送器13和压力差测量探头20。在一些实施例中，流量变送器13和探头20可以预制匹配，以便在特定的流量差测量应用中提高精确度、寿命和识别能力。系统12可与一过程控制回路，例如回路16相连，并适于传递与管道18流体流动压差相关的过程变量输出。系统12的变送器13包括一回路通信装置(loopcommunicator)32、压力传感器28、测量电路34及控制器36。
回路通信装置32可以与过程控制回路，如回路16相连，并适于与过程控制回路进行联系。这种联系可根据任何适合的加工工业标准协议，如上文所讨论的协议进行。
压力传感器28包括经通道30分别与第一增压腔42和第二增压腔44相连的第一端口38和第二端口40。传感器28可以是具有响应所施加压力变化的电特性的任何装置。例如，传感器28可以是作用在电容响应端口38和40间的压力差变化的电容压力传感器。如果需要，传感器28可以包括一对压敏元件，以便每一增压腔均与其自己的压敏元件相配合。
测量电路34与传感器28相连接，且其结构能提供至少与端口38和40间压力差相关的传感器的输出。测量电路34可以是能提供与压力差相关的合适信号的任何电路。例如，测量电路可以是模拟-数字转换器，电容-数字转换器或任何其它合适的电路。
控制器36与测量电路34和回路通信装置32相连。控制器36用于对回路通信装置32提供过程变量输出，该输出与由测量电路34提供的传感器输出相关。控制器36可以是一种可编程序的门矩阵(GateArray)装置，微处理器或任何其它合适的装置。
尽管参照单个模块对回路通信装置32，测量电路34和控制器36进行了介绍，但是应考虑可将它们结合在例如Application SpecificIntegrated Circuit(ASIC)上。
压力差测量探头20通过通道30与变送器13相连。这样，传感器28的端口38与第一增压腔42相连，而传感器28的端口40与第二增压腔44相连。“增压腔”是一个通道，一个孔道，一根管子或类似装置，其允许将具有特定特性或压力的流体导入其内并通过它来传导或输送流体。
第一增压腔42包括一冲击表面46，其具有至少一个用于把压力从冲击表面46传送至传感器28的端口38的细长冲击孔48。孔48包括一个纵向部分，在一些实施例中，其应足够大以便孔48与非流线型体22的纵轴对准。如图2和4-8所示，至少一个冲击孔48的形式可采用具有纵向部分的狭缝。所述狭缝进一步降低了压力信号中的噪音，从而提高了测量系统的信噪比。重要的是，狭缝的宽度要小于与其相连的增压腔的内部宽度。约为0.76毫米(0.030英寸)至6.35毫米(0.250英寸)的狭缝宽度能提供适合的结果。另外，可采用多道横向或纵向彼此分离的狭缝。
第二增压腔44包括一个与冲击表面46分离的非冲击表面50。非冲击表面50包括至少一个非冲击孔52，其用于把压力从非冲击表面传送到传感器28的端口40。可加长至少一个非冲击孔52且使其结构具有纵向部分，或者孔52可采用传统形状。若不需要第二增压腔，可例如在管道18的壁上采用一压力接头，以便将非冲击孔52设置在管道18内，以将非冲击压力传送到端口40。例如，孔52可设置在管道18的内壁附近。
图4和5分别为皮托管20的非流线型体22的局部横截面视图。
如图所示，非流线型体22的截面类似字母“T”，其包括一棒状部分54，该棒状部分在字母“T”顶部具有一个钝头，大致平展的冲击表面46。非流线型体的截面也描述了从棒状部分54中心大致垂直伸出的字母“T”的杆部56。在该非流线型体的透视图或侧视图中，可看到所谓“T”的杆为一纵向伸出的肋56，其从平面棒状部分背侧沿下游方向伸出。虽然使用与纵向冲击狭缝相连的“T”形非流线型体能确保良好的结果，但是采用具有其它非流线型体的这种冲击狭缝也能获得同样的优点。因此，狭缝结构也能产生降低噪音的优点且使压力集中在具有如钻石形，圆形，锥形等传统形状的非流线型体上。
在本发明不同的实施例中，冲击表面中的传统冲击孔由一个或更多的具有纵向部分的细长冲击孔代替。细长冲击孔，或狭缝在管道18内的高压(冲击)流体和增压腔42之间提供联络，从而把流体的冲击压力导入增压腔42内并传递至流量变送器13内的压力传感器28的端口38。如果狭缝可作为更宽更大的增压腔的入口，与多个分离的圆形孔不同，狭缝结构可降低与高流体压力相关的噪音。为降低噪音，狭缝本身不必作为增压腔。例如，若位于棒状部分表面的狭缝为0.8毫米(0.031英寸)宽，并且高压流体传导增压腔为3.2毫米(0.125英寸)宽，可以得到令人满意的信噪比。这些尺寸和比例仅仅作为示例，且不应局限于此。
虽然本发明的一个实施例采用了多个纵向排列和纵向定向(相对于非流线型体的直径跨度)的冲击狭缝，这些冲击狭缝的横向中心位于非流线型体的冲击面上，但还可以考虑利用其它的结构。例如，基本上贯穿非流线型体的整个长度的一道狭缝可以有效降低高压噪音。多个纵向定向、非直线状狭缝开口也能降低噪音。多个纵向定向的平行狭缝开口也能降低噪音。而且，狭缝可位于冲击面上，以便提供特定型流体流动轮廓，如层流和涡流的平均指示。更进一步说，狭缝的长度可以根据狭缝在冲击面上的位置变化，以便从一特定孔采样的冲击压力可以根据位置加权。但是，如果要保持狭缝的积分函数，则狭缝开口的纵向定向十分重要，该纵向定向是在流体传输导管的径向或近似径向。在一些实施例中，单个的狭缝基本上可以跨越整个管道的内径。
本发明的其它实施例如图6-9f所示。在每个实施例中，具有一纵向部分的一个或多个狭缝是共同特点。这些可选择的实施例与上述实施例间的主要差别在于非流线型体的形状。不同的结构会导致流体滞流区形状和尺寸的变化。对非流线型体的形状或设计的选择通常取决于与测量环境相关的几个因素，其中包括例如成本、流体特性、输送流体的管道尺寸的流体流动的速率范围。
图6描述了一种非流线型体22a的基本形式，其没有再附着延伸部分或凸起的肋。非流线型体70设有平展的冲击表面72，该表面具有至少一个狭窄的冲击狭缝48a，所述狭缝48a经非流线型体将高压流体导入第一增压腔42a和皮托管的外部，并继续传导入流量变送器。所述非流线型体内部的有限空间44a与非冲击孔52a相连，并经非流线型体将低压流体导入皮托管的外部，并导入流量变送器。冲击狭缝48a在非流线型体面上的设置能获得与“T”形实施例中高压测量相似的信噪比增量。
图7说明了一种V形非流线型体22b，其具有一个平面棒状部分54b，所述棒状部分朝向上游且具有一与以前所讨论的实施例一样的纵向延伸的狭缝48b和第一增压腔42b。本发明中非流线型体22c的另一实施例如图8所示。该图中所示的非流线型体与图7中所示的非流线型体的主要区别在于支臂74c和76c垂直于棒状部分54c的背侧，从而形成一种具有“U”形横向截面的结构。
图9a-9f为不同非流线型体结构的顶部平面图，其中本发明实施例的冲击狭缝是有效的。
图10-11为压力随时间变化的曲线图，其说明了本发明中降低噪音的实施例。图10为与现有技术相关的压力差测量探头中采样压力的曲线图。图11说明了压力采样的曲线图，其由装有图2和4-8所示的冲击狭缝的探头测得。如图10和11所示，在压力差测量系统中可以显著降低噪音。例如，如图10所示，冲击噪音(其是由2×冲击压力的标准偏差除以平均冲击压力来表示的)大约为6.50％，而如图11所示的测试结果表明冲击噪音约为4.76％。这种噪音的降低有助于将总的压力差噪音从11.79％(现有技术)减少到约10.64％(本发明的实施例)。这种噪音的降低为压力差的准确指示提供了更快速的计算，从而可提供更有效的过程控制。
权利要求
1．一种适于安装在流体输送管道内的压力差测量探头，该探头包括一与第一压力传感器端口相连的第一增压腔，第一增压腔具有内部宽度并包括一带有至少一个冲击孔的冲击表面，该冲击孔用于将压力从上游表面传送至第一压力传感器端口；一与冲击表面分离的非冲击表面，该非冲击表面具有至少一个非冲击孔，用于将压力从非冲击表面传送至第二压力传感器端口；其特征在于，冲击孔是细长形的，其具有一个纵向部分，其宽度小于第一增压腔的内部宽度。
2．根据权利要求1所述的探头，其特征在于还包括一可与第二压力传感器端口相连的第二增压腔，其中，非冲击表面位于第二增压腔上。
3．根据权利要求2中所述的探头，其特征在于，至少一个冲击孔包括至少一对纵向狭缝。
4．根据权利要求3中所述的探头，其特征在于纵向狭缝是横向分离的。
5．根据权利要求3中所述的探头，其特征在于纵向狭缝是纵向分离的。
6．根据权利要求1中所述的探头，其特征在于至少一个非冲击孔包括至少一个纵向延伸的狭缝。
7．根据权利要求3中所述的探头，其特征在于至少一个冲击孔设置成能测量层流的平均流量。
8．根据权利要求3中所述的探头，其特征在于至少一个冲击孔设置成用于测量涡流的平均流量。
9．根据权利要求3中所述的探头，其特征在于每个冲击孔的长度根据冲击表面上的孔的位置确定。
10．根据权利要求1中所述的探头，其特征在于至少一个冲击孔适合于基本跨越管道的整个内径。
11．一种适于安装在流体输送管道内的压力差测量探头，该探头包括经纵向狭缝从输送流体的管道内部将冲击压力传送到压力传感器装置的装置；从输送流体的管道内部将非冲击压力传送到压力传感器装置的装置。
12．一种在输送流体的管道中测量压力差的方法，包括提供一具有冲击表面的第一增压腔；经冲击表面内的一个纵向延伸的冲击孔，将冲击压力经第一增压腔传送给第一压力传感器端口；将非冲击压力从一非冲击孔传送给第二压力传感器端口，非冲击孔与冲击孔隔开；计算冲击压力和非冲击压力之间的压力差。
13．根据权利要求12所述的方法，其特征在于总压力差噪音小于计算的压力差的11％。
14．根据权利要求12所述的方法，其特征在于冲击压力噪音小于6％。
15．一种压力差测量系统，其与过程控制回路相连，且用于输送与流体管道中流体流动的压力差相关的过程变量输出值，该系统包括一个过程压力传感器包括一个回路通信装置，其可与过程控制回路相连且适于与过程控制回路连通；一个具有第一和第二压力入口的压力传感器；与压力传感器相连的测量电路，其用于提供与第一和第二压力入口之间的压力差相关的传感器输出；一与测量电路和回路通信装置相连的控制器，所述控制器用于对回路通信装置提供过程变量输出，所述过程变量输出与传感器输出相关；一适于安装在流体输送管道内的压力差测量探头，该探头包括一与第一传感器端口相连的第一增压腔，第一增压腔具有内部宽度并包括一带有至少一个纵向冲击孔的冲击表面，该冲击孔将压力从冲击表面传送到第一压力传感器端口；其中，冲击孔的宽度小于第一增压腔的内部宽度；一个与冲击表面隔开的非冲击表面，该非冲击表面具有至少一个用于将压力从非冲击表面传送到第二压力传感器端口的非冲击孔。
全文摘要
本发明提供了一种改进信噪比的压力差测量探头。该探头包括一个具有至少一个纵向延伸的冲击孔(48)的冲击表面(46)。选择孔的宽度使其小于第一增压腔(42)的内部宽度。非冲击表面(50)设有用以测定第二压力的非冲击孔(52)以能测量冲击表面(46)和非冲击表面(50)之间的压力差。
文档编号G01F1/46GK1321239SQ00801943
公开日2001年11月7日 申请日期2000年7月18日 优先权日1999年8月5日
发明者拉塞尔·N·埃文斯, 特里·X·比彻 申请人:迪特里奇标准公司