带有传感器的流量计基本元件 |
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| 申请号 | CN201310287658.0 | 申请日 | 2013-07-10 | 公开(公告)号 | CN104048707B | 公开(公告)日 | 2017-11-24 |
| 申请人 | 罗斯蒙特公司; | 发明人 | 格雷戈里·罗伯特·斯特罗姆; 罗伯特·卡尔·海德克; 大卫·尤金·维克隆德; | ||||
| 摘要 | 将过程变量变送器配置为流量计，用于测量通过 导管 的过程 流体 的流量。所述变送器包括延伸进入所述导管的皮托管，所述皮托管由于所述过程流体的流动在所述过程流体中产生压差。将上游过程变量 传感器 安装在所述皮托管上并且耦合至所述过程流体的流动，以便感测所述过程流体的上游过程变量。将下游过程变量传感器安装在皮托管上所述上游过程变量传感器的下游并且耦合至所述过程流体的流动，以便感测所述过程流体的下游过程变量。测量 电路 系统基于所述上游过程变量和所述下游过程变量确定所述过程流体的流量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种流量计，用于测量通过导管的过程流体的流量，包括： |
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| 说明书全文 | 带有传感器的流量计基本元件技术领域背景技术[0002] 从压差测量获得的流速(flow rate)测量在现有技术中是常见的并且可以在许多类型的流体流量计中找到。例如，皮托管(Pitot tube)感测流动流体的上游(或者“滞止”stagnation)压力和下游(包括“静态”或者“吸入”)压力，以便产生与冲击所述皮托管的流体的流速相关的压差值。均速(averaging)皮托管包括导致皮托管本体中流体压力通过部(fluid plenum)的压力孔(pressure port)。然后，脉冲线(impulse line)将所述流体压力传递至流量计算设备，诸如工业过程变量变送器。 [0003] 所述过程变量变送器包括至少一个接收所述压差的传感器。例如，可以使用压差传感器，所述压差传感器从皮托管型非流线型体(bluff body)接收上游和下游压力并且响应地提供与所述两个压力之间的压差相关的电输出。变送器内的电路系统配置用于基于已感测的压差响应地计算流量。 [0004] 在许多应用中证明并且重视由均速皮托管和压差传感器组成的现有流量计的功能性。然而，利用多压力的测量可能实现增加的功能。此外，附加的测量会使能诸如腔室阻塞(clogging)、管道堵塞、安装问题、传感器故障等的诊断。 发明内容[0005] 将过程变量变送器配置为流量计，用于测量通过导管的过程流体的流量。所述变送器包括延伸进入所述导管的皮托管，所述皮托管由于所述过程流体的流动在所述过程流体中产生压差。将上游过程变量传感器安装在所述皮托管上并且耦合至所述过程流体的流，以便感测所述过程流体的上游过程变量。将下游过程变量传感器安装在皮托管上所述上游过程变量传感器的下游并且耦合至所述过程流体的流，以便感测所述过程流体的下游过程变量。测量电路系统基于所述上游过程变量和所述下游过程变量确定所述过程流体的流量和/或执行诊断。在另一种配置中，将过程变量传感器横向地放置在所述皮托管的任一侧上并且用于确定流量和/或执行诊断。附图说明 [0006] 图1示出了本发明的流量测量系统和过程管线(process piping)的剖视图。 [0008] 图3是包括过程变量传感器的根据本发明的流量计中探针的横断面图。 [0009] 图4是根据一个示例实施例的承载过程变量传感器的皮托管的局部视图。 [0010] 图5是在另一种示例配置中承载过程变量传感器的皮托管的局部视图。 [0011] 图6是具有过程变量传感器的皮托管的局部视图，所述过程变量传感器被承载在空腔中并且利用隔离膜片与过程流体隔离。 [0012] 图7是根据一个示例实施例的承载过程变量传感器的皮托管的局部视图。 具体实施方式[0013] 正如在背景技术部分所讨论的，皮托管型流量传感器通常通过产生压差工作。压差传感器可以用于感测这个压差，然后使所述压差与经过皮托管的过程流体的流速相关联。通常，将所述压力通过皮托管中的压力通过部传递至所述压差传感器。已知的是，如果从皮托管获得的上游和下游压力是取自流量管直径上的平均压力，那么可以获得更精确的流量测量。尽管这样确实提供了更精确的流量测量，但是却丢失了与流量管内具体位置处的压力有关的信息。这种附加信息在给流量测量设备提供附加功能中是有用的。例如，可以检测流量剖面异常，阻塞、与所述过程流体一致性有关的信息、流量管内部件的退化(degrading)或腐蚀、压差传感器的故障或退化等。本发明提供了一种流量计，所述流量计利用皮托管或者其他延伸进入导管的非流线型体来测量通过导管的过程流体的流量。将至少一个传感器放置在所述皮托管/非流线型体的上游和/或下游一侧，以便给所述流量计提供信息。这种信息可以用于确定流速和/或给所述流量计提供附加的功能。下面讨论本发明示例实施例的操作。提供冗余的流量测量提高了测量置信度、改进了可靠性并且便于预防性维护。此外，在所述皮托管上承载的压力传感器可以用于替代现有技术配置的压差传感器。 [0014] 图1是阐释了本发明实施例环境的一个示例的过程控制系统10的示意图。将流量测量系统12通过过程控制回路16耦合至控制室14(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与控制室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，诸如高速可寻址远程传感器 FOUNDATIONTM现场总线或者任何其他适当的协议。此外，所述过程控制回路16可以包括无线过程控制回路，其中例如利用根据IEC62591标准的 通信协议无线地通信信息。可以采用包括以太网或者光纤连接的其他技术以及其他通信技术。 [0015] 在一种配置中，压差用于基于在插入到过程流体流中的皮托管型探针的“上游”侧上感测到的压力与所述探针的“下游”一侧感测的压力之间的差异来确定过程流体的流量。在另一种示例配置中，在所述探针的任一侧横向地并且通常与所述流动方向垂直地感测压力。这些横向的压力作为涡流(vortex shedding)的函数变化。如下所述，这种变化的频率和/或幅度可以用于确定所述过程流体的流速。 [0016] 图1还示出了过程流体容器(诸如管道或者闭合导管18)的切掉部分，将压差测量探针20安装在所述过程流体容器中。探针20提供了沿直径横跨管道18内部的皮托管型非流线型体22。图1中的方向箭头24表示管道18中流体流动的方向。示出了流体歧管(fluid manifold)26和流体变送器外壳13安装在皮托管20的外端。变送器外壳13可以包括可选的压力传感器28，所述可选的压力传感器通过通道与探针20流体耦合。此外，图1阐释了二级传感器连接27，所述二级传感器连接用于将由所述非流线型体22承载的过程变量传感器连接至流量变送器13内的电路系统。下面更详细地解释所述过程变量传感器的操作。 [0017] 图2是流量变送器12的系统方框图。流量测量变送器12包括流量变送器外壳13和压差测量探针20。流量测量变送器12可耦合至过程控制回路(诸如回路16)并且适用于通信与管道18内的过程流体的流动有关的过程变量输出。变送器12包括回路通信器32、可选的压差传感器28、测量电路系统34和控制器36。 [0018] 回路通信器32可耦合至过程控制回路(诸如回路16)并且适用于在所述过程控制回路上通信。这种通信可以根据任何合适的过程工业标准协议，诸如上面所讨论的协议。 [0019] 如果使用可选的压力传感器28，那么通过通道30分别将第一和第二端口38、40耦合至可选的第一和第二压力通过部42、44。传感器28可以是具有响应于所施加压力的变化而变化的电性能的任何装置。例如，传感器28可以是电容式压力传感器，其中电容响应于施加在端口38与40之间施加的压差而变化。 [0020] 将测量电路系统34耦合至传感器28并且配置用于提供与端口38和40之间的压差有关的传感器输出。测量电路系统34可以是能够提供与压差有关的合适信号的任何电子电路系统。例如，测量电路系统可以是模数转换器、电容数字转换器或者任何其他适当的电路系统。 [0021] 将控制器36耦合至测量电路系统34和回路通信器32。控制器36适用于给回路通信器32提供过程变量输出，其输出与由测量电路系统34提供的传感器输出有关。控制器36可以是微处理器或者任何其他适当的设备。典型地，控制器36会将所述压差转换成与所述过程流体的流速有关的输出。所述控制器可以执行补偿，例如利用曲线拟合技术等来调节压差与流速之间关系的非线性。可以利用附加的因素来补偿所述流速测量，包括补偿由于温度、待感测过程流体、绝对压力等造成的变化。 [0022] 尽管已经相对于单独的模块描述了回路通信器32、测量电路系统34和控制器36，但是可以设想的是它们可以在诸如专用集成电路(ASIC)上组合。类似地，在基于微处理器的系统中的各种软件部件可以执行测量电路系统34、控制器36和回路通信器32的各个方面。 [0023] 压差测量探针20通过通道30耦合至变送器外壳13。因此，传感器28的端口38耦合至第一压力通过部42，而传感器28的端口40耦合至第二压力通过部44。“压力通过部”是通道、沟道、管道等，使具有特定特性或者压力的流体被导引或者准入至其中并且所述流体压力通过它们传导或者传递。 [0024] 在所阐释的实施例中，第一(上游)压力通过部42包括至少一个冲击孔(impact aperture)48并且设置为从探针冲击(或者上游)表面46向传感器28的端口38通信压力。孔48可以是任何适当的配置。孔48包括纵向分量，在一些实施例中，所述纵向分量可以足够长，使得孔48实质上与非流线型体22的纵轴对齐。第二(下游)压力通过部44包括使下游与冲击表面46隔开的非冲击(或者下游)表面50。非冲击表面50包括至少一个非冲击孔52，所述非冲击孔设置为从所述非冲击表面经由压力通过部44通信至传感器28的端口40。如果没有使用第二压力通过部，那么可以提供压力抽头(pressure tap)。待测压力的位置是出于描述的目的并且本发明不限于这种配置。 [0025] 在一个方面，本发明提供了至少一个流量计探针20上承载的过程变量传感器60。所述过程变量传感器60可以被所述变送器12利用以提供附加的功能。例如，可以获得附加的压力测量、温度测量等。如果提供了多个传感器，那么可以获得在探针20各个位置上的附加信息。在图2中，示出了过程变量传感器60L和60T，并且被阐释为耦合至测量电路系统34。 将传感器60L定位在管20的前缘上并且将传感器60T定位在管20的后缘上。所述过程变量传感器60所采用的特定技术可以根据合任何适当的技术。此外，可以使用任何数量的过程变量传感器60。例如，这些附加的过程变量传感器可以在执行诊断中用于为测量流量提供冗余技术。例如，所述诊断包括识别已阻塞的压力通过部开口或者已堵塞的流量管，识别过程变量部件上沉积物的形成，监测通过所述过程流体的噪声等。下面讨论了许多示例配置。此外，本发明不限于需要压力通过部和/或独立的压力传感器的实施例。在一些实施例中，只将传感器定位在所述探针本身上。例如，可以使用两个绝对压力传感器，因而可以计算所述差异以便确定压差。 [0026] 如上所述，根据所述非流线型体基本元件的高侧和低侧之间的压差信号确定来自探针20的流速。 [0027] 除了形成压差之外，在流动流中的非流线型体还以与所述流体速度成正比的频率实现涡流。用于涡流的频率的公式如下： [0028] 公式1 [0029] 其中： [0030] S＝斯特劳哈尔数(Strouhal number) [0031] V＝流体速度 [0032] dp＝探针宽度 [0033] f＝涡流频率 [0034] 皮托管型流量计的探针20用作放置在过程流体流中的物体，从而使涡流，所述涡流与所述过程流体的流速成正比。耦合至所述探针的所述传感器60可以用于测量压差，还可以用于在涡流分离期间感测感应的压力，从而确定所述脱落频率。图3是探针20的顶部横断面图，将所述探针配置成“T”结构，诸如由明尼苏达州的Chanhassen的罗斯蒙德公司的匀速皮托管所提供的结构。 [0035] 可以将从所述已测量的涡流频率所获得的流速与从所述基本元件的高侧和低侧之间的差异信号所确定的流速进行比较。所得到的流量测量的差异可以用于为传感器服务触发警报。如果发现任何一种流量测量模式是不可靠的，那么可以利用另一个。多个传感器也可以用于优化性能、扩大冗余并且提高衰落(tumdown)。 [0036] 位于图3所指示位置的传感器60可以用于测量波动压力(fluctuating pressure)并且也将感测所述阻力(drag force)的波动分量。这种阻力波动以两倍的涡流频率发生。类似地，通过将脱落者后部上两个传感器的其中之一从另一个中减去可以获得升力(1ift force)的波动分量。这将是所述涡流频率。典型地，所述升力波动分量在幅度上大于所述阻力波动分量。 [0037] 通过对从所述涡流公式计算出的速度与从所述基本元件公式计算出的速度进行比较可以确定所述流动介质的密度。 [0038] 公式2 [0039] 其中： [0040] Qa＝气体的体积流速 [0041] Fna＝单位转换因子 [0042] K＝基本元件流量系数 [0043] D＝管道内径 [0044] Y＝基本元件气体膨胀系数(对于不可压缩流体(诸如液体)，Y＝1)[0045] Faa＝热膨胀因子 [0046] ρf＝流动密度 [0047] hw＝压差 [0048] 流体的体积流速等于所述流体速度乘以管内面积。因此，通过利用经由如下涡流公式计算出的流体速度(V)可以确认或者校正在所述均速皮托管公式中假定的密度值： [0049] Qa＝V·A 公式3 [0050] 或者 [0051] 公式4 [0052] 其中，A是管道面积。 [0053] 将公式4代入所述基本元件公式2的右边可以给出： [0054] 公式5 [0055] 可以以直径的形式： [0056] 公式6 [0057] 调用公式1但是将其改写为公式7： [0058] 公式7 [0059] 将公式6的右边设置成等于公式7的右边给出公式8： [0060] 公式8 [0061] 简化并且改写成公式9和10： [0062] 公式9 [0063] 公式10 [0064] 这个关系可以用于公式2中的流体密度，给出下面用于体积流速的表达式： [0065] 公式11 [0066] 其中，圆括号中的项是测量值，而方括号中的项是常数或者可以在制造过程期间确定的数值。存在多种利用传感器60计算各项的手段，所述传感器测量顺流方向中的压差，用于如公式2中常规DP流量计算，并且在所述皮托管的任一侧来感测所述涡流频率，用在公式7中来获得速度，从而可以容易地计算体积流速。这些替代的方法可以用于验证流量计的性能。 [0067] 利用本发明所述传感器，除了能够计算体积流速，还能够计算质量流速。根据与所述涡流有关的测量，可以直接获得所述质量流速。重新排列上述公式1使所述涡流频率与所述流体速度相关可以给出： [0068] 公式12 [0069] 此外，利用本发明，能够利用所述涡流的幅度来确定所述质量流速。所述质量流速定义为： [0070] Qm＝ρf·V·A 公式13 [0071] 此外，所述涡流信号的幅度根据下面的关系与所述动态压力成正比： [0072] Ampv-C·ρf·V2 公式14 [0073] 其中： [0074] Ampv＝所述涡流信号的幅度 [0075] ρf＝所述流体的流动密度 [0076] C＝比例常数(假定是流体无关的但是可能需要校准) [0077] V＝流体速度 [0078] 可以重新排列公式14，得出： [0079] 公式15 [0080] 接着，可以将公式12用于流体速度V的表达式代入公式15，得出： [0081] 公式16 [0082] 可以将ρf·V的值代入公式13，得出质量流速： [0083] 公式17 [0084] 其中，圆括号中的项是测量值，而方括号中的项是常数或者可以在制造过程期间确定的数值。此外，应当注意的是，当它们实际上是雷诺数(Reynolds number)的函数时，可以将其中一些项假定成常数(即S和C)。利用本领域已知的手段可以做出校正。 [0085] 因此，不同于典型的现有技术涡流传感器，尽管它们具有足够的频率带宽来检测所述脱落频率，但是不允许所述涡流幅度的定量测量，本发明所述传感器60产生足够精确的幅度和频率信息以确定质量流量。 [0086] 除了确定诸如质量流速的过程变量，本发明所述附加的过程变量传感器可以用于执行诊断。例如，脉冲管30是把压力信号从管道传递至压力传感器的小内径管道。在流量测量中，脉冲管把来自基本元件上游一侧的冲击压力和来自基本元件下游一侧的静压力传递至压差(DP)传感器28。所述基本元件上所感应的DP值的平方根与管道中的流速成正比。 [0087] 设计不当的脉冲管会在流量测量系统中造成问题，包括阻塞、泄漏、液体困在气体流量测量中、气体困在液体流量测量中等。所述附加的过程变量传感器60可以用于测量所述皮托管的上游一侧和下游一侧之间的压差。这些测量与已感测的压差之间的关系可以用于识别脉冲管的潜在问题。这可以用于允许操作者在所述管最终失效之前维护或者更换它们。类似地，所述附加的过程变量传感器可以用于识别所述管中的退化，从而用于补偿压差测量。类似地，这些管已检测到的阻塞、堵塞或者其他退化可以用于补偿所述已感测的压差。这样在更换、密封或者以其他方式修复所述脉冲管之前允许流量计继续工作，即使具有已退化的精度。所述补偿可以基于例如控制器36的存储器中已存储的补偿因子。 [0088] 在另一个示例实施例中，当被配置为压力传感器时，所述附加的过程变量传感器60可以用于完全消除所述脉冲管本身。在压差流量应用中消除脉冲管还消除了通常与脉冲管相关联的问题。在这种配置中，可以将来自所述皮托管下游一侧的压力测量从所述上游一侧的压力测量中减去，以便获得所述压差。所述相减可以通过模拟电子电路系统发生，或者例如可以在控制器36或者测量电路系统34中数字地执行。如上所述，所述传感器60还可以用于测量所述涡流频率。 [0089] 具有定位在所述外部上游和下游表面上的多个过程变量传感器60的皮托管可以直接测量管道中的速度流量剖面。这个信息可以被测量电路系统34用于校正由所述流量剖面中变化所造成的误差并且执行诊断。在所述过程流体打旋或者具有二维轮廓失真的应用中，两个或者更多的皮托管型探针(每一个探针均具有分布式过程变量传感器)可以用于更好地检测所述流量剖面中的变化，从而校正流速测量中的误差或者识别所述过程中的潜在问题，诸如管道中的阻碍。所述流量剖面校正的精度与沿所述探针定位的传感器数量有关。较大数量的传感器将提供与所述流量剖面中变化有关的更多信息，从而可以获得更精确的流速测量。 [0090] 当将皮托管安装在主动流(热分接)中，难以确定所述管的尖端是否接触所述管道对面的管壁。这会是一个严重的问题，因为悬臂式的基本元件实质上比由所述对面管壁接触所支持的基本元件更弱。在延长的时间段暴露于流动流的部分插入设备容易失效。此外，存在插入机构的较大的机械优势，如果过紧会损坏所述元件。悬臂式皮托管将产生可以由所述传感器60检测的谐振频率。在另一个实施例中，当固定(seat)所述探针时，放置在所述探针尖端的传感器60可以感测对面管壁。这种测量允许识别已支撑的尖端和未支撑的尖端。一旦固定所述尖端，在所述变送器上的显示器就可以用于给操作者提供指示。 [0091] 图4是皮托管20的局部视图，包括其所携带的过程变量传感器60。在图4中，将过程变量传感器60设置为压力传感器。在这种配置中，传感器60可以由易碎的、实质上不可压缩的材料构成，所述材料具有适用于长期暴露于过程流体的特性。例如，传感器60可以由两个蓝宝石片构成，所述两个蓝宝石片例如使用熔融键合连接在一起。在所述两个蓝宝石片之间形成空腔104并且例如所述空腔承载有电容板(未示出)。随着将来自所述过程流体的压力施加至所述传感器60，所述空腔104稍微变形。可以基于所述两个电容板之间电容的变化感测这个变形。在图4中示出了电连接，所述电连接从所述电容板延伸至图2所示的测量电路系统34。在这种配置中，传感器60例如可以根据2000年7月18日授权的、题为“用于压力变送器的伸长压力床暗器(ELONGATED PRESSURE SENSORFORAPRESSURE TRANSMITTER)”的美国专利No.6，089，097中所示出和讨论的压力传感器操作，，已经由Roger L.Frick等人转让给罗斯蒙德(Rosemount)公司。 [0092] 在图4所阐释的配置中，所述传感器60直接暴露于过程流体。为了给放置所述传感器60提供足够的空间，所述传感器60可以沿所述皮托管20的长度方向垂直地偏移(垂直于纸面)。传感器60可以通过管20中的孔进行安装并且利用箍盖(braise)105等进行固定(secure)。将定位在所述皮托管20下游的两个传感器60T放置在所述皮托管的任一侧，因而可以检测涡流。将所述上游传感器60L定位在所述皮托管20的中间，用于更精确的感测。 [0093] 图5示出了与图4类似的配置，其中保护片106放置于所述上游传感器60L周围。保护片106可以是圆筒(barrel)、穿孔圆筒或者其他配置，并且用于保护所述上游传感器60L免受过程流体的流动，而不抑制压力检测。图6示出了另一个示例实施例，其中传感器60L承载在由管状结构114所形成的充满油的空腔110中。在图6中，利用隔离膜片112将由管状结构114形成所述空腔110与所述过程流体隔离。所述空腔110充满实质上不可压缩的流体，从而施加至所述隔离膜片112的压力通过所述隔离流体传递至所述传感器60L。可以利用箍盖(Braising)技术等将所述传感器60L固定在管114内。可以分别地装配所述膜片112、管114和传感器60L，然后根据需要安装在皮托管20中。例如，所述装配可以是焊接至所述皮托管20。附加的组件可以由所述皮托管20承载，未在图6中示出。这种配置允许所述传感器60与所述过程流体隔离，因而保护所述传感器不受损坏。在另一种配置中，传感器60承载在压力通过部42或44中。这种配置还给传感器60提供了保护免受所述过程流体所携带的任何颗粒的影响。尽管在此讨论了具体类型的压力传感器配置，但是可以实现任何适当的压力感测技术。 [0094] 在图7所示的另一个示例配置中，将压差传感器60定位在压力通过部42和44之间，因而可以消除所述脉冲管30。在一些配置中，直接测量压差的过程变量传感器提供比利用两个绝对压力传感器通过减去两个传感器之间测量的差异来确定压差更精确的压差测定。在这种配置中，压差传感器60可以直接暴露于压力通过部42和44中的过程流体。在另一个示例配置中，将隔离膜片43放置在压力通过部42和44的壁中，因而所述压差传感器60与所述过程流体隔离。隔离流体可以用于在压力通过部42、44中将压力从所述隔膜传递至所述压差传感器。 [0095] 尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员会认识到，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出变化。本发明包括沿插入过程流体流中探针的长度方向的一个或者多个传感器的放置。所述探针可以配置为皮托管，其中将来自过程流体流动的压力传递至外部压力传感器。在这种配置中，在所述探针上的所述过程变量传感器可以处于诊断目的改进精度以及传感器测量，并且出于校准目的确定流量剖面等。然而，本发明不限于这种配置。本发明还包括配置，其中没有使用外部传感器而是所有传感器都承载在所述探针本身上。在这种配置中，用在典型皮托管中的内部压力通过部可能是不必要的。如在此所用，术语“皮托管”通常指插入所述流体流的探针。所述“皮托管”不需要内部通路来从过程流体流的内部传导压力至外部压力传感器。在一些配置中，所述过程变量传感器60包括压力传感器，所述压力传感器包括温度传感器。 |
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