CN100480638C - 具有可拆卸和可替换的移位构件的流体流量计和混合器 - Google Patents

Abstract

一种流体流量计(10)，包括可拆卸地安装在导管(20)中的移位构件(40)和管道，该管道延伸穿过导管的壁并具有延伸穿过移位构件到达其下游面的部分，用于感应移位构件下游的导管轴线处的流量状况。移位构件可拆卸和可替换地安装，从而一个构件可由另一个构件替换而适用于一个很大的流量范围。

Description

具有可拆卸和可替换的移位构件的流体流量计和混合器

技术领域

本发明涉及流体流量设备，尤其涉及流体流量计、流体混合器和流体分配装置。

背量技术

美国专利Nos.4,638,672、4,812,049、5,363,699和5,814,738揭示了流体流量计以及流体分配和混合装置，这些装置的特点是其独特的静态流体流移位构件，该构件对称地安装在一导管中，且可在移位构件和导管所谓内表面之间所形成的区域内有效地使流体线性地流过导管，并使导管中在移位构件的上游和下游处流体流的流速分布图都变得平缓。该设备可确保对导管中流体流状况进行可靠测量，并且还可为不同的流体和/或含有颗粒物质的流体提供均匀的混合和分配。

此类独特的流体流量计和混合器由位于加利福尼亚Hemet市的McCrometer公司制造和销售，注册商标为“V-CONE”，该公司也是以上专利的所有人和本发明的受让人。

V-CONE装置的流体流移位构件由通常为圆锥形的两个截锥体组成，这两个截锥体在它们的较大一端处连接在一起，并同轴线地安装在导管的特定区段中。这两个截锥体被安装成基本垂直于该区段的轴线以及流体流的方向，且它们的周边从导管区段的内表面向内对称地隔开。依靠移位构件相对于导管内径的尺寸，移位构件可有效地使通过该区段的、流速在一定范围内的流体线性化。

在某些实施例中，移位构件是通过将两个截锥体在其较大一端处互相连接在一起而制成的，通常是通过焊接制成。面对上游的截锥体是在其上游和较小一端处通过传统方法、例如通过焊接而连接到一管子或管道，该管道延伸通过移位构件而到达其下游面并通过该管子获取压力读数，或通过该管子来引入第二流体以与流经导管的第一流体相混合。该管子或管道向外弯曲并在移位构件的上游处延伸穿过该导管区段的壁。该管子或管道连接、例如焊接到导管区段的壁，并且可方便地用作将移位构件同轴线地安装在该区段内的装置。

在上述实施例中，对每一种不同尺寸的流量计来说，需要一独立的流量计及其相关的流量感应装置，而为了线性化和测量流速在各个范围内的流体流，需要这些不同尺寸的流量计。

专利5,814,738揭示了V-CONE装置的一个实施例，其中流体流移位构件可拆卸和可替换地安装在导管区段的下游端，从而可将一给定的移位构件拆除并用一个或多个不同的移位构件来替换，从而适应不同的流体以及通过导管区段的流体流的不同范围。这样，导管的单个区段、例如单个仪表本体可用于不同的移位构件，从而可适用于流经仪表本体的不同的液体和气体以及较大范围内的流量。

该装置的后一个实施例还提供了穿过导管区段或仪表本体的壁的流量测量旋塞，从而在移位构件中就不需要测量旋塞或其它孔或通道。然而，由于已经发现对于某些流体、尤其是高速气体来说，在移位构件的下游用在导管壁中的旋塞来测量压力没有用先前的V-CONE装置实施例所得到的下游测量那么精确。

发明内容

本发明的目的是改进以上所列专利所揭示的装置以及V-CONE仪表以及流量混合和分配装置的商用实施例。

本发明的一个具体目的是提供用于可拆卸和可替换地将移位构件安装在一导管区段中以可拆卸地与一管子或管道相连或脱开连接的装置，该管子或管道延伸穿过导管的壁并与穿过移位构件的一轴向通道连通，从而可使移位构件同时获得可替换以及在下游的轴线处进行测量的优势。

根据本发明的一个优选实施例，延伸通过并固定于导管壁的一管子或管道包括基本位于导管壁的轴线上并沿下游方向延伸的部分。一具有基本轴向通孔或通道的移位构件与管子或管道配合，从而管子或管道与移位构件的下游面的轴流体连通，从而可在该点通过在导管区段的外部的管子或管道进行测量。

在一个优选实施例中，管子或管道的端部以及移位构件的上游端设置有用于将移位构件可拆卸地固定到管道端部的可协作装置。可协作固定装置可采取已知形式中的任何一种或多种，比如匹配的螺纹、卡口或J形狭槽类型的快速连接器等，只要是它们是绝对可靠的就可以了，不可以有脱离的移位构件被被带入下游的泵、压缩机或装置的其它昂贵单元。

为此，本发明的优选实施例结合有备用的固定系统。

这样，本发明提供了一种流体流量计和混合装置，它具有可拆卸和可替换的移位单元，并且在导管中的最佳位置获取压力测量数据。

通过以下的详细描述、并且结合附图，本领域的技术人员可能了解本发明的这些和其它目的和优点。

附图说明

图1是本发明的第一个实施例的纵截面图；

图2是包括图1所示实施例的流体流量计的放大截面图；

图3是为图1所示实施例而安装的移位构件的立体图；

图4和5是为图1所示实施例而安装的移位构件的元件的截面图；

图6是本发明的第二个实施例的纵截面图；

图7是图6中在“B”处被包围部分的截面图，并且示出了为图6所示实施例而安装的移位构件；以及

图8、9和10是用于同一个导管或内径相同的多个导管、并且相对于导管各自具有不同β比率(beta ratio)的三个可互换移位构件的截面图。

具体实施方式

以下是发明人认为是当前实施本发明的最佳模式的本发明优选实施例的详细描述。通过以下说明，本领域的技术人员来说可以了解其中的修改和变化。

参见图1，总的由标号10表示的本发明的流体流量计适于安装在一管线或其它流体流导管中，图中该导管为由其端部处具有螺栓连接法兰14的管段12组成。流量计10包括一仪表本体或导管区段20以及同轴线地安装在本体中的流体流移位装置40。仪表本体20实质上包括一段管子或管道，该管道适于通过螺栓连接或其它方式固定在两段管子之间，例如在所示的管段12的法兰14之间。被示例性示出的仪表本体是所谓的圆片设计，且只是被限制在法兰14之间，并通过沿周向隔开的螺栓16(仅示出一个)而居中于或轴向对准管段12，该螺栓在法兰之间延伸并将法兰连接在一起。然而，导管区段20也可是任何合适的管道结构，比如带法兰的区段或端部焊接区段等等。

区段20具有内孔或通孔22，该通孔在使用时包括流经管线12的流体流的路径的一部分并组成该路径的连续部分。如箭头所示，在图上看，流体流的方向是从左向右。管线12和导管区段20通常为圆柱形，而孔22具有与管段12相同的内截面和尺寸，虽然并不总是这样。

纵向隔开的流量测量旋塞24和26在多个位置径向延伸通过本体20，其目的在以下说明。

参见图1和2，移位装置40包括流量调节部分或移位构件42和支承件或固定件44。

流量调节或移位构件42包括：通常为圆柱形的本体，该本体在边缘46处具有主横向直径或尺寸，并具有两个相互背对、通常为圆锥形的倾斜壁48和50，这两个壁在仪表本体中分别面向上游和下游，并且向着本体的轴线对称地向内倾斜。除非以下有说明，流量调节构件42基本上与McCrometer公司所提供的、以及在美国专利Nos.4,638,672、4,812,049、5,363,699和5,814,738中所揭示的“V-CONE”装置所采用的流量移位构件具有相同的物理特征，并且以相同的方式运行，以上专利文献全文结合于此作为参照。

如在先前的专利中所述的，构件42的尺寸比导管20的孔22小，并且垂直于流体流动方向而同轴线地安装在孔中，倾斜壁48和50从导管壁的内部或内表面向内对称地隔开。两个倾斜壁较大的、相邻的端部尺寸和形状相同，且在它们的连接处形成一尖锐的周边边缘46，该边缘所处平面垂直于流体流动方向。上游壁48比下游壁50长，并且较佳地在其上游端向内收缩成较小直径。该壁相对于周边边缘46所限定的平面形成为大约39°到大约75°的角度，较佳的角度为大约67.5°。下游壁50相对于周边边缘46所限定的平面所成的角度在大约15°到大约30°的范围内，较佳的角度为大约26°。构件42相对于导管20的内径的β比率可在大约0.4到大约0.94的范围内。

当流体进入导管20的进口或上游端时，该流体由构件42的上游壁48移位或偏向而进入一横截面积逐渐减小的环形区域，在周边边缘46形成的平面处达到最小面积。然后流体流经由下游壁50所限定的一面积逐渐增大的环形区域。结果，流体流在构件42的上游和下游都得到稳定和调节。特别地，构件42可有效地使构件42和导管20的壁之间的流体流线性化，从而在一定的流速范围内使流体流的流速分布图在导管中的移位构件的上游和下游处都变得平缓。因此，上游和下游的流量分布图都相对平缓、对称、在导管中轴向居中，并且具有较大且实质上恒定的平均流动直径(flow diameter)，而与流速无关。同样，一种或多种流体以及在其中的任何固体物质都得到均匀，从而管道20中实质上均匀的混合物基本充满其整个横截面积。

此外，当流体在构件下游的导管中恢复到其自由流动的状态时，下游壁50可有效地优化流体的恢复速度。尖锐的周边边缘46与下游壁50相结合，产生从周边边缘沿下游方向散发的短漩涡。这些漩涡幅度小频率高，从而有助于优化流体流的恢复速度。幅度小频率高的漩涡有效地消除了外来的下游扰动或所谓的“噪音”，从而有助于高精确度和可靠的测量。

为了将移位构件42可替换地安装到导管区段或仪表主体20中，以使测量在或基本上在导管的轴线处、并且在或基本上在移位构件的下游面处进行，本发明的优选实施例包括位于移位构件上游的固定组件44，移位构件的上游端可拆卸地固定在该固定组件上。

如图2-5所示，组件44包括由一管状主干或套管54和一管状导销56构成的一管道或管子，该套管54从下游流量测量旋塞26径向延伸进导管中，该导销56固定于套管54的内端并沿导管的轴线沿下游方向延伸。导销56的长度基本上等于移位构件42的长度，并且在其下游端由纵向切口劈成四个四分部58。这些四分部下游端具有内螺纹60，而导销的上游端带有外螺纹62。移位构件具有轴向通道64，用于顺从地容纳导销56，移位构件在其上游端具有内螺纹66以用于与导销上的外螺纹62螺纹接合。这样，可以仅仅通过将移位构件旋到和旋下导销56而将不同的移位构件可安装/可拆卸地并可互换地固定于固定组件44。为了安全起见，螺纹62-66较佳地为自锁定类型。

此外，在本发明的优选实施例中，固定组件包括一第二或备用固定系统，即，导销56的劈开的下游端58和相连的管状紧定螺钉68。紧定螺钉具有锥形上游端以及毗邻其下游端的外螺纹70。紧定螺钉适于被旋进导销的下游端处的内螺纹60，这样，四个导销四分部58被向外偏置到与穿过移位构件的通道的壁锁定配合的位置。这样，移位构件固定地附连于导销，从而在使用中不会变松，并且不会对位于流体流量计下游的装置造成威胁。为了增加预防性能，螺纹对62-66和60-70较佳地为反向的(opposite hand)。

为了便于螺钉的旋紧和松脱旋转，移位构件42在其下游壁处具有一对孔72，用于容纳一工具(未示出)，该工具具有一对定位销以用于匹配接合在该孔中，紧定螺钉68在其下游面具有一六边形插孔74以用于接纳可配合在该插孔中的一六边形扳手(未示出)。

上游流量测量旋塞24有助于确定移位构件42的边缘46上游处的一种或多种流体流量状况，而通过管状构件54、56和68而连通的下游流量测量旋塞26有助于确定移位构件42的下游面处的导管轴向的一种或多种流体流量状况。

移位构件42可容易地附连到定位销56或从定位销56上拆下，并且可与其它尺寸不同和/或构造不同的移位构件互换，从而适用于测量通过仪表本体20的不同流体和不同流速的流体流量，并且便于使用在具有不同β比率的移位构件仪表本体中，例如在图8、9和10所示的三个不同移位构件。

两个测量旋塞24和26连接有本领域已知的合适的测量仪器27，从而提供需要确定的流动特性的读数。

参见图6和7，所示的本发明第二个实施例包括一管段20a，该管段具有：纵向隔开的流量测量旋塞24a和26a，通过例如焊接而一端固定于下游旋塞26a并且沿下游方向弯曲以终止于一轴向延伸引导件56a的管子或管道44a，以及可附连和可拆卸地安装在引导件56a上的移位构件42a。在这个实施例中，可互换的移位构件42a可通过总的由标号80示出的一快速连接/快速脱开装置而附连到引导件56a上或从引导件56a上拆下。除了装置80以外，在图6和7中所采用的标号与图1-5中所采用的相同，并加上后缀“a”。

装置80包括多个销钉82，这些销钉固定于移位构件并径向延伸进移位构件的中心通道或孔64a；引导件56a中对应数量的卡口或J形狭槽84，以可松脱地容纳这些销钉；以及在孔64a中的弹簧86，而将移位构件偏压离开引导件，从而销钉82在正常状态下保持位于J形狭槽的下端，如图7所示，从而使移位构件固定于引导件。流体流还将销钉保持在J形狭槽端部中。

为了将移位构件从引导件拆卸或除去，只需要沿上游方向推移位构件，从而使销钉脱出J形狭槽的下端，沿允许的方向将移位构件扭曲一较短距离并用弹簧86使销钉经J形狭槽的开口上端而从引导件分离出来。可通过反向进行上述步骤而将同一个或不同的移位构件附连到引导件。

较佳地，引导件包括一对轴向隔开的O形环88或类似的密封件，用来将移位构件密封到引导件。

在流体流量计和混合装置的制造中，移位构件42、42a可拆卸地安装到引导管或管道44、44a是非常有利的，因为可以采用标准程序来生产各种标准直径的导管区段和仪表本体以及不同标准直径、结构和β比率的移位构件，从而满足个别的规格要求的仪表和混合器可快速而经济地由标准、库存、现货供应的元件组装而成，而不必定制。所有的元件以几何相似和一定的常量制造，比如测量旋塞24、26和24a、26a的间隔以及β边缘46、46a离开与移位构件的下游面连通的测量旋塞26、26a的间隔。通过标准化以及保持几何相似和常量，就不再需要象在订购仪表和混合器的情况下那样地测试每一个仪表或混合器。

图8、9和10示例性地示出了三个代表性的移位构件42b、42c和42d，这些移位构件是要用于给定直径的导管中，每一个都在导管中提供不同的β比率，并且使β边缘46b、46c和46d离开各个测量旋塞的间隔相同。

图8中的移位构件具有直径相对较大的β边缘46b，该边缘为一特定的内径提供为0.45的β比率。

图9中的移位构件具有直径中等的边缘46c，该构件在相同内径的导管中，β比率为0.55。边缘46c较小的直径使上游倾斜壁48c比壁48b短。为了保持边缘46c离开各个测量旋塞均匀的间隔，图9中的移位构件42c在其上游端包括圆柱形的延伸部分49c，该部分的长度为使移位构件42c的总长与移位构件42b相同，β边缘46c离开测量旋塞的距离与β边缘46b相同。

图10中所示的移位构件42d具有直径相对较小的β边缘46d，而在相同内径的导管中使β比率为0.65。为了保持移位构件的总长以及β边缘离开测量旋塞的间隔恒定，移位构件42d在其上游端具有圆柱形延伸部分49d，该部分的长度大于图9中的移位构件的延伸部分49c。

通过保持几何相似和一定的常量，并且实施标准的制造程序，单个仪表本体20及其相连的测量仪器27适用于不同目的，且通过适当的选择可完成不同的功能，例如选择图8、9和10所示的移位构件中的一个或另一个，以及其它的移位构件。

本发明的移位构件固定或支承系统有助于便利而快捷地将装置从第一β比率转换到另一个β比率，或者从第一流速范围转换到另一个不同的流速范围。具体来说，移位构件相对于区段20中的孔22的尺寸和/或结构、例如倾斜角确定β比率、流体类型以及流量范围，在这些数值条件下，移位构件可有效地线性化流经移位构件和导管壁的内表面之间区域的流体。移位构件的尺寸和/或结构的变化可改变系统所响应的流量类型和范围。因此，通过将一第一移位构件拆下并用不同的一个移位构件将其替换，该系统可实施对不同流速以及不同流体和流体混合物的精确响应。通过本发明，这可通过将区段20从管线上拆下、将移位构件从引导件56或56a和导管区段20上拆下、用一个不同的移位构件来替换该移位构件、以及将区段20回复到它在管线12中的位置而简单和迅速地完成。因此，不需要用完全不同的仪表本体来替换已经给定的仪表本体。一个导管区段20及其相连的传感器可满足在较大的流速范围内以及对多种不同流体、液体、气体及其混合体测量流体流量的目的。

因此，已经显示出以便捷、实用、经济和简单的方法来达到本发明的目的。

虽然这里已经显示和说明了本发明的优选实施例，但应该知道，可以做出各种改变、重新设置和修改而不会背离所附权利要求所限定的发明范围。

Claims (8)

1.流体流量设备，包括以下元件的组合：

导管，所述导管包括可拆卸和可替换的区段，所述区段具有带内表面的周边壁，流体沿给定的方向通过其中，所述导管区段具有相对于流体流动方向的上游端和下游端；

在所述导管区段中的流体流移位构件，所述移位构件具有相对于流体流动方向的一上游端和一下游端，所述移位构件的尺寸小于所述区段，且在其两端之间具有倾斜壁装置以在所述构件上形成周边，用来使流体偏转而流经形成在所述移位构件的周边和所述区段的内表面之间的区域；

管道，所述管道延伸穿过所述导管区段的壁，并具有沿所述区段下游方向轴向延伸的部分；

所述移位构件具有穿过所述移位构件的一基本轴向的通道，所述通道与所述管道的所述部分相匹配，从而在所述导管区段的外部和在所述导管区段的轴线处或附近的位置之间建立流体连通，所述位置在所述移位构件的下游端处或附近；以及

协作装置，所述协作装置用于可拆卸和可替换地将所述移位构件固定在所述管道上，由此可将所述移位构件拆下并用不同的移位构件来替换，从而适应通过所述区段的不同的流量范围；

所述协作装置位于所述管道的所述部分和所述移位构件之间，并包括匹配的狭槽和销钉快速连接/脱开装置，所述匹配的狭槽和销钉快速连接/脱开装置互相配合以将所述移位构件紧固地固定于所述管道。

2.如权利要求1所述的流体流量设备，其特征在于，所述管道包括：在所述管道区段外部的第一测量旋塞和延伸穿过所述移位构件上游的所述导管区段壁的第二测量旋塞，所述旋塞适于在所述移位构件的上游和下游区域中测量导管中的流体流量；流量传感装置，所述传感装置与所述导管区段和所述旋塞相连，所述导管区段、所述旋塞和所述传感装置形成仪表本体，所述移位构件可在所述本体内由不同的移位构件替代，由此可以用单个仪表本体来测量不同的流体和不同的流量范围。

3.流体流量设备，包括以下元件的组合：

导管，所述导管具有带内表面的周边壁，流体沿给定的方向通过其中，所述导管具有相对于流体流动方向的上游端和下游端；

在所述导管中的流体流移位构件，所述移位构件具有相对于流体流动方向的一上游端和一下游端，所述移位构件的尺寸小于所述导管，且在其两端之间具有倾斜壁装置以在所述构件上形成周边，用来使流体偏转而流经形成在所述移位构件的周边和所述导管的内表面之间的区域；

管道，所述管道延伸穿过所述导管的壁，并具有沿所述导管下游方向轴向延伸的部分；

所述移位构件具有穿过所述移位构件的一基本轴向的通道，所述通道与所述管道的所述部分相匹配，从而在所述导管的外部和在所述导管的轴线处或附近的位置之间建立流体连通，所述位置在所述移位构件的下游端处或附近；以及

协作装置，所述协作装置用于可拆卸和可替换地将所述移位构件固定在所述管道上，

所述协作装置包括：轴向管状延伸部分，所述延伸部分包括所述管道的所述部分并从所述移位构件的上游端到其下游端附近而延伸穿过所述移位构件的轴向通道，所述延伸部分具有被劈开的下游端和在所述端内的螺纹；以及锥形螺纹插栓，所述螺纹插栓被旋在所述螺纹中并可在其中旋进以使所述延伸部分被劈开的端部扩张，而与所述移位构件的内部锁定配合，所述协作装置进一步地包括在所述上游端的、在所述管道和所述移位构件之间的匹配的狭槽和销钉快速连接/脱开装置。

4.在导管中使用的流体流量设备，所述导管具有带内表面的周边壁，用于将流体沿给定的方向输送通过该导管，所述设备包括：

在该导管中的流体流移位构件，所述移位构件具有相对于流体流动方向的上游端和下游端，所述构件的尺寸小于该导管并具有倾斜壁装置，所述倾斜壁装置在所述构件上形成周边，用来使流体偏转而流经形成在所述移位构件的周边和该导管的内表面之间的区域；

流量测量旋塞，所述旋塞延伸穿过该导管的壁并与所述移位构件的上游的导管区域连通；

管道，所述管道延伸穿过该导管的壁并包括基本在该导管轴向沿下游方向延伸的部分；

所述移位构件具有基本轴向通过其中的通道，且可附连地和可拆卸地连接于所述管道的所述部分，所述管道和所述通道包括测量旋塞，所述测量旋塞连通于导管外部的区域和导管中位于导管轴线处或附近的区域之间，所述导管轴线处或附近的区域在移位构件的下游端处或附近；以及

协作装置，所述协作装置可附连和可拆卸地将所述移位构件与所述导管的所述部分连接；

所述协作装置位于所述管道的所述部分和所述移位构件之间，并包括在所述上游端的狭槽和销钉快速连接/脱开装置。

5.如权利要求4所述的流体流量设备，其特征在于，所述协作装置包括：轴向管状延伸部分，所述延伸部分包括所述管道的所述部分并从所述移位构件的上游端到其下游端附近而延伸穿过所述移位构件的所述轴向通道，所述延伸部分具有被劈开的下游端和在所述端内的螺纹；以及锥形螺纹插栓，所述螺纹插栓被旋在所述螺纹中并可在其中旋进以使所述延伸部分被劈开的端部扩张，而与所述移位构件的内部锁定配合。

6.如权利要求5所述的流体流量设备，其特征在于，所述锥形插栓和所述延伸部分之间的螺纹是反向的。

7.安装在导管中的流体流量设备，所述导管具有带内表面的周边壁，用于将流体沿给定的方向输送通过该导管，所述导管还具有相对于流体流动方向的上游端和下游端，所述设备包括：

在该导管中的流体流移位构件，所述移位构件具有相对于流体流动方向的上游端和下游端，所述移位构件的尺寸小于该导管，且在其两端之间具有倾斜壁装置，所述装置在所述构件上形成周边，用来使流体偏转而流经形成在所述移位构件的周边和该导管的内表面之间的区域；

一管道，所述管道延伸穿过该导管的壁，并具有在下游方向基本上沿该导管轴向延伸的部分；

所述移位构件具有穿过其中的基本轴向的通道，所述通道与所述管道的所述部分配合，从而在该导管的外部和该导管的轴线处或附近的位置之间建立流体连通，所述导管区段的轴线处或附近在所述移位构件的下游端处或附近；以及

协作装置，所述协作装置用于可拆卸和可替换地将所述移位构件安装在该导管中，由此可将所述移位构件拆下并用不同的移位构件来替换，从而适应通过该导管的一个不同的流量范围；

所述协作装置包括分别位于所述管道的所述部分上和所述移位构件上的一对协作的互锁连接器元件，所述互锁连接器元件为狭槽和销钉快速连接/脱开装置。

8.如权利要求7所述的流体流量设备，其特征在于，所述协作装置包括：轴向管状延伸部分，所述延伸部分包括所述管道的所述部分并从所述移位构件的上游端到其下游端附近而延伸穿过所述移位构件的所述轴向通道，所述延伸部分具有被劈开的下游端和在所述端内的螺纹；以及锥形螺纹插栓，所述螺纹插栓被旋在所述螺纹中并可在其中旋进以使所述延伸部分被劈开的端部扩张，而与所述移位构件锁定配合。

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