具有改进的皮托管结构的基于压差的流量测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种压差流量测量系统，包括连接到测量电路的压力传感器。细长探测器被配置以插入到管道中，所述管道载送过程流体流。压力传感器感测在流体流过探测器时在流体流中产生的压差。涡旋脱落稳定器定位成接近细长探测器并且定位在过程流体流中。涡旋脱落稳定器被配置以稳定靠近细长探测器的流体流中的涡旋脱落。
【专利说明】具有改进的皮托管结构的基于压差的流量测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量工业过程中的过程流体的流量。更具体地，本发明涉及采用使用 压差的均速皮托管或均速管流量计（averagingpitottube)测量流量。
【背景技术】
[0002] 过程工业采用过程变量变送器以监测与物质相关的过程变量，所述物质例如是化 工、纸浆、石油、制药、食品和其它处理设备中的固体、泥浆、液体、蒸汽和气体。过程变量包 括压力、温度、流量、液位、浑浊度、密度、浓度、化学组成及其它性能。过程流量变送器提供 与感测到的过程流体流量相关的输出。流量变送器输出可以在过程控制回路上被发送到控 制室，或者该输出可以被发送至另一个过程设备，以便可以监测和控制该过程的操作。
[0003] 通过改变管道的内部几何形状并且应用算法到在流动流体中的被测量的压差来 测量在密闭的管道中的流体流量是已知的。传统地，如通过采用文丘里流量计改变管道的 横截面，或通过将流动改变装置，如节流板、均速皮托管等插入该管道中，改变该管道的几 何形状。
[0004] 均速皮托管均速皮托管大致包括稍微阻碍管道内的流体流的主体。该皮托管的上 游和下游间的压差被测量并且与流量相关。但是，不同压差变化可能在流量确定中引起误 差。
【发明内容】
[0005] -种压差流量测量系统，包括连接到测量电路的压力传感器。细长探测器被配置 以插入载送过程流体流的管道中。压力传感器感测在流体流经探测器时在流体流中产生的 压差。涡旋脱落稳定器定位成接近细长探测器并且定位在过程流体流中。涡旋脱落稳定器 被配置以稳定靠近细长探测器的流体流中的涡旋脱落。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1示出本发明的流量测量系统和过程管道的剖视图。
[0007] 图2是根据本发明的一个示例性实施例的流量测量系统和流量变送器的简化框 图。
[0008] 图3A是均速皮托管和在过程流体流过该管时产生的涡旋脱落的透视图。
[0009] 图3B、3D和3F是压力幅值与时间关系的曲线图。
[0010] 图3C和3E是针对各种涡旋脱落情况的压力幅值与频率关系的曲线图。
[0011] 图4A是图1中所示的均速皮托管的前视图并且图示示例性的边界层导流栅。
[0012] 图4B是在图1中所示的均速皮托管的后视图并且图示示例性的边界层导流栅。
[0013] 图4C是在图1中所示的均速皮托管的透视图并且图示示例性的边界层导流栅。
[0014] 图5A和图5B是包括被布置为位于均速皮托管的下游的板的涡旋脱落稳定器的均 速皮托管的顶部剖视图。
[0015] 图5C是具有下游板的均速皮托管的另一个配置的顶部剖面图。
[0016] 图6是涡旋脱落稳定器的另一个示例性实施例的透视图。
【具体实施方式】
[0017] 如在【背景技术】部分所讨论的，基于均速皮托管的流量传感器通常通过在流动的流 体中产生压差进行操作。压差传感器可以用于感测该压差，并且所感测的压力可以与过程 流体的流量相关。已知的是，如果从皮托管获得的上游和下游压力是横跨流管的直径取得 的平均压力，则可以得到更精确的流量测量。虽然这的确提供更精确的流量动测量，但由于 在流体移动通过探测器时在压差中产生的不稳定振荡，在流量测量中仍然可能出现误差。 特别地，低频振荡可能被不正确地检测为流量变化。本发明稳定涡旋脱落低频振荡，并且因 而提供更精确的流量测量。这将在下面被更详细地描述。
[0018] 图1是图示本发明的实施例的环境的一个例子的过程控制系统10的示意图。流量 测量系统12通过过程控制回路16被连接至控制室14 (被建模为电压源和电阻）。回路16 可以利用适当的协议在流量变送器12和控制室14之间通信流量信息。例如，过程控制回 路16根据过程工业标准协议操作，如可寻址远程传感器高速通道（HART? ) ,FOUNDATION? 现场总线或任何其它合适的协议。此外，过程控制回路16可以包括其中信息被以无线方式 传送的无线过程控制会路，例如，使用按照IEC62591标准的无线HART?:通信协议。可以使 用其它通信技术，包括以太网或光纤连接。
[0019] 图1还示出诸如管道或封闭管道18之类的过程流体容器，在该过程流体容器中安 装压差测量探测器20。探测器20是均速皮托管，其径向地横跨管道18的内侧。图1中的 方向箭头24表示在管道18中的流体流动的方向。流体歧管26和流量变送器壳体13被示 出为安装在皮托管20的外端上。变送器壳体13可以包括压差传感器28,压差传感器28通 过多个通道30流体地连接到探测器20。另外地，图1示出可选的辅助传感器连接件27,辅 助传感器连接件27用于将由探测器20携带的一个或多个过程变量传感器连接到流量变送 器13内的电路。例如，这可以被用来连接到温度传感器。如下面更详细地说明的那样，涡 旋脱落稳定器（在图1中未示出）被定位成靠近探测器20以稳定靠近探测器20的涡旋脱 落振荡。
[0020] 图2是流量变送器12的系统框图。流量测量变送器12包括流量变送器壳体13 和压差测量探测器20。流量测量变送器12能够连接至诸如回路16之类的过程控制回路， 并且适合于发送与管道18内的过程流体流的流量相关的过程变量输出。变送器12包括回 路通信器2、压差传感器28、测量电路34和控制器36。
[0021] 回路通信器32连接至诸如回路16的过程控制回路，并且适于在过程控制回路上 进行通信。这种通信可以依照诸如上面所讨论的协议的任何合适的过程工业标准协议。
[0022] 第一和第二端口 38,40通过通道30连通到探测器20的相应的第一和第二集流腔 室（plenum)42,44。传感器28可以是具有响应于所施加的压力的变化而变化的电特性的任 何装置。例如，传感器28可以是电容式压力传感器，在电容式压力传感器中，电容响应于在 端口 38和40之间施加的压差而变化。也可以使用其他的测量技术。
[0023] 测量电路34被连接到传感器28并且被配置以提供与端口 38和40之间的压差有 关的传感器输出。测量电路34可以是能够提供与压差有关的适当信号的任何电子电路。例 如，测量电路34可以是模数转换器、电容-数字转换器或任何其它适当的电路。
[0024] 控制器36被连接到测量电路34和回路通信器32。控制器36适于提供过程变量 输出到环路通信器32,该过程变量输出与由测量电路34提供的传感器输出相关。控制器 36可以是微处理器或者任何其他适当的装置。通常地，控制器36将压差转换成与过程流体 的流量相关的输出。控制器36可以执行补偿，例如，使用曲线拟合技术或类似技术来调整 压差和流量之间的非线性关系。其他因素可以被用于补偿流量测量，包括补偿由于温度、被 感测的过程流体、绝对压力等引起的变化。
[0025] 虽然已经相对于各个模块描述了环路通信器32、测量电路34和控制器36,可以设 想，它们例如可以结合在专用集成电路（ASIC)中。同样地，在基于微处理器系统中的各种 软件组件可以实现测量电路34、控制器36和通信器环路32的各方面。
[0026] 压差测量探测器20通过通道30被连接到变送器壳体13。因此，传感器28的端口 38被连接到第一集流腔室42,而传感器28的端口 40被连接到第二集流腔室44。"集流腔 室（plenum) "是具有特定特征或压力的流体被引导或允许进入的通路、通道、管道等，并且 流体压力通过"集流腔室"被传导或者输送。
[0027] 在图示的实施例中，第一（上游）集流腔室42包括至少一个冲击孔（impact aperture) 48并被设置以将来自探测器冲击（或上游）面46的压力传送到传感器28的端 口 38。孔48可以是任何适当的结构。孔48包括纵向构件，在一些实施例中，该纵向构件可 以足够长，使得孔48 (如槽）将与探测器20的纵向轴线基本上对齐。第二（下游）集流腔 室44包括在下游与冲击面46间隔开的非冲击（或下游）面50。非冲击面50包括至少一 个非冲击孔52,非冲击孔52设置成通过集流腔室44将来自非冲击面的压力传送到传感器 28的端口 40。所测量的压力的位置是用于描述目的，并且本发明并不限于此配置。
[0028] 正如在【背景技术】部分中所讨论的，压差的变化可以在流量测量中导致误差。已经 注意到，诸如均速皮托管（APT)流量计之类的基于皮托管的流动计可以在其输出中具有明 显的变化量。APT在其上游侧和下游侧之间生成压差。这可以用在如下等式中以测量质量 或体积流量：
【权利要求】
1. 一种基于压差的流量测量系统，包括： 压差传感器，该压差传感器具有与过程流体的流量相关的压力传感器输出； 连接到压差传感器的细长探测器，该细长探测器被配置以插入载送过程流体流的管道 中； 在细长探测器中的上游集流腔室，该上游集流腔室具有至少一个上游开口，所述至少 一个上游开口连接到压差传感器，由此将上游压力施加到压差传感器； 在所述管道中的下游集流腔室，该下游集流腔室具有至少一个下游开口，所述至少一 个下游开口连接到压差传感器，由此将下游压力施加到压差传感器；和 涡旋脱落稳定器，定位成靠近细长探测器并且定位在过程流体流中，该涡旋脱落稳定 器被配置以稳定靠近细长探测器的涡旋脱落。
2.根据权利要求1所述的流量测量系统，其中所述涡旋脱落稳定器包括至少一个边界 层导流栅。
3. 根据权利要求2所述的流量测量系统，其中所述边界层导流栅包括与过程流体的流 动方向大致平行地布置的平面。
4. 根据权利要求2所述的流量测量系统，包括沿细长探测器的长度定位的多个边界层 导流栅。
5. 根据权利要求4所述的流量测量系统，其中上游集流腔室包括多个上游开口并且其 中所述多个边界层导流栅定位在上游开口之间。
6. 根据权利要求2所述的流量测量系统，其中边界层导流栅包括平板，所述平板从细 长探测器的上游面延伸到细长探测器的下游面，并且被布置为垂直于细长探测器的纵向轴 线。
7. 根据权利要求1所述的流量测量系统，其中涡旋脱落稳定器包括下游元件。
8. 根据权利要求7所述的流量测量系统，其中所述下游元件包括邻近下游集流腔室被 连接的板。
9. 根据权利要求7所述的流量测量系统，其中所述下游元件在垂直于过程流体流的方 向上延伸。
10. 根据权利要求9所述的流量测量系统，其中所述下游元件在与细长探测器大致平 行的方向上延伸。
11. 根据权利要求7所述的流量测量系统，其中下游集流腔室被支承在下游元件中。
12. 根据权利要求7所述的流量测量系统，其中在细长探测器和下游元件之间的开口 允许在细长探测器和下游元件之间的流体连通。
13. 根据权利要求1所述的流量测量系统，其中细长探测器包括均速皮托管。
14. 根据权利要求1所述的流量测量系统，其中细长探测器的横截面具有"T"形形状， 并且涡旋脱落稳定器包括延伸通过该"T"形形状的基部的开口。
15. -种基于压差测量过程流体的流量的方法，包括下述步骤： 将细长探测器插入载送过程流体流的管道中，所述探测器具有上游面和下游面； 将压力传感器连接到相对于细长探测器的上游压力和相对于细长探测器的下游压 力； 基于上游压力和下游压力测量过程流体的流量；以及 稳定在过程流体移动通过细长探测器时在过程流体中形成的涡旋脱落振荡。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中稳定涡旋脱落振荡的步骤包括靠近细长探测器 放置至少一个边界层导流栅。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中边界层导流栅包括大致平行于过程流体的流动 方向布置的平面。
18. 根据权利要求16所述的方法，包括沿细长探测器的长度设置多个边界层导流栅的 步骤。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中细长探测器包括具有多个上游开口的上游集流 腔室，并且其中所述多个边界层导流栅定位在上游开口之间。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中边界层导流栅包括平板，所述平板从细长探测 器的上游面延伸到细长探测器的下游面，并且被布置为垂直于细长探测器的纵向轴线。
21. 根据权利要求15所述的方法，其中稳定涡旋脱落振荡的步骤包括靠近细长探测器 放置下游元件。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中所述下游元件包括邻近下游集流腔室被连接的 板。
23. 根据权利要求21所述的方法，其中所述下游元件在垂直于过程流体流方向上延 伸。
24. 根据权利要求21所述的方法，其中所述下游元件在大致平行于细长探测器的方向 上延伸。
25. 根据权利要求21所述的方法，其中所述下游元件包括将下游压力耦合到压力传感 器的集流腔室。
26. 根据权利要求21所述的方法，其中在细长探测器和下游元件之间的开口允许在细 长探测器和下游元件之间的流体连通。
27. 根据权利要求15所述的方法，其中细长探测器包括均速皮托管。
28. -种均速皮托管，被构造以插入到管道中，用于测量该管道中的过程流体的流量， 该均速皮托管包括： 具有至少一个上游开口的上游集流腔室，该上游集流腔室被配置以连接到压力传感 器，因而将上游压力施加到所述压力传感器； 具有至少一个下游开口的下游集流腔室，该下游集流腔室被配置以连接到所述压力传 感器，因而将下游压力施加到所述压力传感器；和 定位在过程流体流中的涡旋脱落稳定器，该涡旋脱落稳定器被配置以稳定涡旋脱落。
29. 根据权利要求28所述的均速皮托管，其中涡旋脱落稳定器至少包括边界层导流 栅。
30. 根据权利要求28所述的均速皮托管，其中涡旋脱落稳定器包括下游元件。
【文档编号】G01F1/46GK104515553SQ201410042184
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】大卫·尤金·维克隆德 申请人:罗斯蒙特公司