CN101416034B - 具有偏移构件的流体流量计 - Google Patents

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Abstract

诸如流体流量计、流体混和装置或流体分配装置之类的流体流动设备，包括安装在导管(20)内并具有倾斜外部壁(48)的流体偏移构件(40)，该外壁(48)在构件上形成外围，用来使流体偏转以流过限定在构件外围和导管内表面之间的面积逐渐减小的区域。该偏移构件是中空平截头体(42)，它终止在其外围边缘(46)的平面内，并适应在导管轴线处或邻近于该导管轴线处且在偏移构件的外围边缘的平面处或邻近于该平面处的流动测量。

Description

具有偏移构件的流体流量计
技术领域
本发明涉及流体流动装置，尤其是涉及流体流量计、流体混和器和流体分配装置。
背景技术
美国专利第4,638,672号、第4,812,049号、第5,363,699号和第5,814,738号以及共同待审批的国际专利申请第PCT/US2004/025900号揭示了流体流量计及流体分配和混和装置，它们的特征在于一独特的静态流体流动偏移构件(displacement member)，该构件对称地安装在一导管内，其有效地使偏移构件和导管内表面之间限定的区域内的通过导管的流体流动线性化，并弄平偏移构件上游和下游的导管内流体流动的速度曲线。该装置确保可靠地测量导管内流体流动状态，还提供不同流体和/或含有颗粒物质的流体的均匀混和。
该独特的流体流量计和混和器由加利福尼亚州的赫梅特的McCrometer有限公司制造并以注册商标“V-CONE”出售，该公司是上述专利和专利申请及本发明的拥有者。
V-CONE装置中的流体流动偏移构件由两个平截头体组成，通常为锥体，它们连接在大端处并同轴地安装在导管的个性化部分内。平截头体基本上正交于该个性化部分的轴线和流体流动方向进行安装，它们的外围对称地向内与导管部分的内表面间隔开。根据偏移构件相对于导管内直径的尺寸，该偏移构件可有效地使流体流动在通过该部分的流量范围之上线性化。
在某些实施例中，通过在平截头体的大端处将两个平截头体连接在一起，通常是采用焊接方法进行连接，制成该偏移构件。面向上游方向的平截头体通常在其上游和较小端处连接(例如，用焊接方法)到一管道或管子上，该管子穿过偏移构件延伸到其下游面，并穿过管子读取压力读数，或穿过管子引入次流体以与流过导管的主流体混和。管道或管子向外弯曲并延伸穿过导管部分位于偏移构件上游的壁。管道或管子连接(例如，焊接)到导管部分的该壁，并便利地用作为将偏移构件同轴地安装在该部分内的装置。
在上述实施例中，对于在对应流量范围上线性化和测量流体流动所需的每种不同尺寸的流量计，要求有独立的流量计和其相关的流动传感装置。
专利5,814,738揭示了V-CONE装置的一实施例，其中，流体流动偏移构件可移去地和可更换地安装在导管部分的下游端，以便可移去一给定的偏移构件并可用一个或多个不同偏移构件更换该给定的偏移构件，以适应不同的流体和不同范围的通过导管部分的流体流动。这样，导管的单个部分(即，单个的流量计本体)可用于各种偏移构件以适应各种液体和气体以及通过流量计本体的大范围的流动。
装置的后一实施例还提供穿过导管部分或流量计本体壁的流动测量孔(tap)，这样，偏移构件中不需要测量孔或其它孔或通道。然而，对于某些流体尤其是高速气体，已经发现在偏移构件的下游侧用导管壁内的测量孔测量的压力测量值不如用较早的V-CONE装置的实施例获得的下游测量值精确。
国际申请第PCT/US2004/025900号揭示了一种组合优点并克服V-CONE装置较早型式的缺点的流量计/混和器。尤其是，该申请揭示了在其上游端处将流体流动偏移构件可移去地和可更换地安装的导管内并在其下游端的轴线上获取压力测量值的方法和装置。因此，获得可更换性和测量准确的诸多优点。
发明内容
本发明的目的是进一步改进上述专利和专利申请中揭示的装置，以及V-CONE流量计和混和及分配装置的各种商用实施例。
特别地，本发明的目的是提供用于所述装置的流体流动偏移构件，其不需要现有技术偏移构件所需要的下游平截头体以及复杂的制造和试验程序。
根据本发明，每个偏移构件包括单个中空平截头体，该平截头体具有与现有技术装置的上游平截头体相同的外部构形，并具有其中适应压力测量的通道，沿着中空平截头体的面向下游的内表面的轴线进行所述压力测量。
中空平截头体具有外部壁和内部壁，外部壁从平截头体的轴线向下游方向向外倾斜，而内部壁同样地从平截头体的轴线向下游方向向外倾斜。平截头体在其下游端终止于外围边缘，该外围边缘从流体流动导管壁对称地向内间隔开，并限定基本上正交于流体流动方向的平面。在其上游端，偏移构件包括轴向本体部分，该轴向本体部分用于将偏移构件轴向和对称地安装、较佳的是可可拆卸地安装在导管内。偏移构件和其安装组件中具有多个通道，它们沿着平截头体的轴线通向进行压力测量的某一点。
本发明的中空平截头体偏移构件提供与以前的V-CONE装置同样高的特性和流量测量准确性，它提供偏移构件的可更换性以及在偏移构件下游面的轴线上作流量测量的优点。此外，重要的是，本发明的中空平截头体偏移构件便于以更可靠和可重复的方式制造流量计和混和器，以一致地满足规定的标准而无需作个别的测试和标定。
本技术领域内的技术人员从以下的详细描述中，并结合附图考虑，将会明白本发明上述的和其它的目的和优点。
附图说明
图1是包括本发明优选实施例的流体流量计的纵向截面图；
图2是用于图1流体流量计的偏移构件的第一实施例的侧视图；
图3是用于图1流体流量计的偏移构件的第二实施例的侧视图；以及
图4是用于图1流体流量计的偏移构件的第三实施例的侧视图。
具体实施方式
以下是对本发明优选实施例的详细描述，本发明人目前认为这些优选实施例是实施本发明的最佳模式。随着详细描述的进展，本技术领域内的技术人员将会明白各种修改和变化。
参照图1，根据本发明制造的流体流量计总的标示于10处，适于安装在管道或其它流体流动导管内，该管道或导管显示为由管道部分12组成，该管道部分在其端部具有螺栓连接的凸缘14。流量计10由一流量计本体或导管部分20以及一同轴地安装在本体内的流体流动偏移装置40构成。流量计本体20主要地包括管道或导管的一部分，其适于用螺栓或其它方式固定在管道的两个部分之间，例如，所示管道部分12的凸缘14之间。以举例方式示出的流量计本体是所谓的圆片设计，简单地限制在凸缘14之间，并借助于延伸在凸缘之间和连接凸缘的周向间隔开的螺栓16(仅示出一个)，对中或轴向地对准于管道部分12。然而，导管部分20可以是任何合适的管道构形，例如，凸缘连接的导管部分或焊接端的导管部分等。
导管部分20具有一内部孔或通孔22，在使用中该孔包括通过管道12的流体流动的一部分并构成通过管道12的流体流动路径的连续部分。如箭头所示，流体流动方向是如图中所见那样从左到右。管道12和导管部分20通常为圆柱形，而孔22通常(尽管不总是)具有与管道部分12相同的内横截面和尺寸。
纵向间隔开的流动测量孔24和26在各部位处为了下文描述的目的而径向地延伸穿过本体20。
偏移装置40由流动调节部分或称偏移构件42和支承件或称安装件44组成。
流动调节或称偏移构件42由通常为圆柱形的本体组成，该本体在边缘46处具有一主要的横向直径或尺寸，还具有一通常为锥形的倾斜壁48，倾斜壁沿上游方向面向流量计本体并朝向本体轴线向内对称地成锥度。除了下文中所述，流动调节构件42具有类似于McCrometer有限公司出品的”V-CONE”装置中使用的流动偏移构件以及在美国专利第4,638,672号、第4,812,049号、第5,363,699号和第5,814,738号中所描述的那些流动偏移构件的特征，并以与它们很相像的方式工作，这些专利所揭示的内容通过引用而结合于此，就像它们全部在这里阐述一样。
如现有专利中所描述的，构件42的尺寸小于导管20中的孔22，并同轴地安装在孔内与流体流动方向正交，且倾斜壁48向内对称地与导管壁的内部或内表面间隔开。倾斜壁48的较大端终止在一锋利的外围边缘46上，该边缘的平面正交于流体流动方向。壁48相对于由外围边缘46限定的平面形成一角度，该角度量级为约39°至75°，较佳的角度量级约为67.5°。构件42相对于导管20内径的β比(Beta ratio)可在约0.4直至0.94的范围内。
当流体进入导管20的入口或上游端时，流体被构件42的壁48偏移或偏转到横截面面积逐渐减小的环形区域内，偏转在外围边缘46平面处为最小的面积。然后，流体向下游流动，逐渐恢复和返回管道12中的自由流流动。由于构件42产生的偏移，导管20内的流体流动得到稳定，并在构件42的上游和下游都得到调节。尤其是，构件42有效地在构件42和导管20壁之间的区域内使流体流动线性化，并在流量一范围上弄平偏移构件的上游和下游的导管内流体流动的速度曲线。因此，上游和下游的流动曲线相当平坦、对称、轴向地对中在导管内，且不管流量如何，具有大而基本上恒定的平均流动直径。还有，使流体和流体中的任何固体材料均匀，从而导管20在其基本上整个全横截面区域内充满基本上均匀的混合物。
锋利的外围边缘46造成短漩涡，短漩涡沿下游方向从外围边缘发散。这些漩涡幅值小频率高，由此，有利于优化流体流动的返回速度。小幅值和高频率的漩涡有效地消除了外来的下游扰动或所谓的“噪音”，由此，有利于准确和可靠的测量。
在流量计10的优选实施例中，偏移构件42可移去地和可更换地安装在导管部分或称流量计本体20内，以适应用另一个和不同偏移构件来更换某个偏移构件，例如，另一偏移构件具有不同的构形或β数。为此目的，流量计的优选实施例包括位于偏移构件上游端的安装组件44，偏移构件的上游端可拆卸地固定在该安装组件上。
组件44包括一管道或导管，其由一管状套杆或套筒54和一管状导向管56组成，套筒54从下游流动测量孔26径向地延伸到导管20，而导向管56固定到套筒54的内端并向下游方向沿导管轴线延伸。导向管56和与其相连的每个偏移构件具有诸如匹配的螺纹那样的协配装置，以便可拆卸地但牢固地将偏移构件同轴地安装在导向管上。因此，只要将偏移构件旋到导向管上和从其旋下，就可将不同的偏移构件可附连地/拆卸地且可互换地固定到安装组件44上。
与V-CONE流量计和混和器的先前获得专利且商用的实施例中采用的偏移构件相比，本发明的偏移构件42包括单个的中空平截头体。该平截头体具有一外部壁或称外壁48和一内部壁或称内壁62，外部壁48面向上游方向并从平截头体轴线向外向下游方向倾斜，而内部壁62面向下游方向且也从构件轴线向外向下游方向倾斜。中空平截头体的壁终止在偏移构件最大直径的平面处，即，外围边缘46的平面处。
中空平截头体42适于可拆卸地和可更换地安装在导向管56上，并包括位于一其底部中的轴向孔64，该轴向孔与导向管56和和套杆或套筒54内的管状导管连通，并因此与测量孔26连通。一中空套杆66永久地或可更换地安装在孔64内，该中空套杆轴向向后地延伸，即，向下游方向沿着中空平截头体的轴线延伸。中空套杆还与安装构件54和56中的导管和测量孔26连通，并允许在测量孔26处测量位于或邻近于套杆下游端处且位于或邻近于偏移构件的轴线处的流体流动状态。
参照图2、3和4，中空套杆可以各种不同长度提供，例如，短套杆66(图2)，其在邻近于边缘46的平面且在该平面上游的部位处终止在中空平截头体内；或长套杆66(图3)，其在邻近于边缘46的平面且在该平面下游的部位处终止在锥体外面；或中长度套杆66(图4)，其终止在边缘46的平面处。所有所示的三种套杆便于精确地测量位于或邻近于偏移构件轴线处、位于或邻近于中空平截头体偏移构件的面向下游的表面处(尤其是位于或邻近于边缘46的平面处)的流动状态。
作为图2实施例的替代方案，偏移构件的面向下游的内壁62可以形成为一浅的截头体，其向上游方向从边缘46的平面向内倾斜到对应于短套杆下游端的一部位，在此情形中，短套杆66可被省略。然而，图2实施例仍不失为较佳的。
上游流动测量孔24便于确定偏移构件42的边缘46上游的一个或多个流体流动状态，而下游流动测量孔26通过管状构件54、56和中空套杆66而连通，其便于确定位于或邻近于中空平截头体偏移构件42的下游边缘平面处的导管轴向上的一个或多个流体流动状态。
两个测量孔24和26与本技术领域内公知的合适流动测量仪27连接，以便提供所要确定的流动特征的读出结果。
偏移构件42可拆卸地安装到导向管或管子44，对于流体流量计和混和装置的制造来说特别地有利，有利之处在于：可利用标准化的制造程序来生产导管部分和各种标准直径的流量计本体以及各种标准直径、构形和β比的偏移构件，这样，满足各个技术规格书的流量计和混和器可以用标准、库存、现货的部件而不是定制的部件快速地和经济地进行组装。
尤其是，本发明中空的平截头体偏移构件便于将偏移构件制造成用传统的加工程序和/或粉末注射模制方法所得精确的尺寸，且具有完全的和准确的一致性和重复性。一组给定尺寸的每个偏移构件与同一组尺寸的每个其它偏移构件都相同。因此，由于标准化和保持流量计本体和偏移构件两者的几何形和尺寸的同一性，现在可以将流体流量计制造成精确的性能规格，无需对每个流量计进行测试和标定。
因此，本发明的目的和优点已经以方便、实用、经济和容易的方式达到。
尽管已经图示和描述了本发明目前优选的实施例，但应该认识到，在不脱离由附后权利要求书定义的本发明范围的前提下，可以作出各种变化、改造和修改。

Claims (18)

1.一种流体流量计，该流体流量计具有：沿给定方向传送流体通过的导管(20)；管子(54)，所述管子延伸穿过所述导管的壁，并具有大致轴向的一部分(56)，该部分沿下游方向面向所述导管；以及在所述导管中的流体流动偏移构件(40)，所述偏移构件(40)相对于流体流动方向具有上游端和下游端，所述偏移构件在其上游端基本上同轴地安装在所述管子(54)的所述部分(56)上，并在其所述两端之间具有倾斜壁装置，该倾斜壁装置在所述构件上形成外围，用于使流体偏转以流过限定在所述偏移构件的外围和所述导管的内部表面之间的区域，其特征在于，
所述偏移构件(40)包括具有外部壁(48)、内部壁(62)以及中空套杆(66)的中空平截头体(42)，所述外部壁(48)沿下游方向从邻近于所述导管的轴线处向外倾斜到向内与所述导管的内部表面间隔开的下游外围边缘(46)，而所述内部壁(62)向下游方向从邻近于所述导管的轴线向外倾斜到所述外围边缘(46)，所述中空套杆(66)与所述管子连通，位于或邻近于所述导管的轴线处且位于或邻近于所述外围边缘的平面处。
2.如权利要求1所述的流体流量计，其特征在于，所述管子(54)包括位于导管外部的测量孔(26)，所述中空套杆适于通过所述测量孔测量位于或邻近于所述导管轴线处且位于或邻近于所述外围边缘的平面处的所述导管内的流体流动。
3.如权利要求1所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)基本上沿所述中空平截头体的所述内部壁(62)的轴线延伸，并具有与所述管子连通的上游端和在所述外围边缘的平面处或邻近于该平面处敞开的下游端。
4.如权利要求3所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)在所述内部壁(62)的上游端处安装在所述中空平截头体(42)上。
5.如权利要求3所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)的下游端在邻近于所述外围边缘(46)的平面处且在所述外围边缘的平面的上游终止。
6.如权利要求3所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)的下游端在邻近于所述外围边缘(46)的平面处且在所述外围边缘的平面的下游终止。
7.如权利要求3所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)的下游端基本上终止在所述外围边缘(46)的平面处。
8.如权利要求1所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)位于邻近于所述外围边缘(46)的平面处且在该平面的上游。
9.一种流体流量计，其特征在于以下的组合：
沿给定方向传送流体通过的导管(20)，所述导管具有带有内部表面(22)的外围壁，
在所述导管中的流体流动偏移构件(40)，所述偏移构件(40)相对于流体流动方向具有上游端和下游端，所述偏移构件(40)的尺寸小于所述导管(20)，并具有在所述构件上形成外围的倾斜壁装置，用于使流体偏转以流过由所述偏移构件的外围和所述导管的内部表面限定的区域，
流动测量孔(24)，所述流动测量孔(24)延伸穿过所述导管(20)的壁并与所述导管内在所述偏移构件(40)上游的区域连通，以及
管子(54)，所述管子(54)延伸穿过所述导管(20)的壁，并包括大致轴向的一部分(56)，该部分沿下游方向面向所述导管，
所述偏移构件(40)具有联接到所述管子的所述部分的大致轴向的通道(64、66)，所述管子和所述通道包括测量孔(26)，所述测量孔在所述导管外部的区域和所述导管内位于或邻近于所述导管的轴线处的区域之间连通，并且位于或邻近于所述偏移构件的下游端，
所述偏移构件(40)包括中空平截头体(42)，该平截头体从其上游端向外倾斜到其下游端，并终止在向内与所述导管(20)的内部表面间隔开并限定基本上正交于所述导管的轴线的平面的外围边缘(46)，所述中空平截头体具有内部壁(62)，该内部壁沿下游方向从大致所述偏移构件的轴线向外倾斜到所述外围边缘的平面，所述通道(64、66)基本上沿所述内部壁的轴线延伸，并终止在所述外围边缘的平面处或邻近于所述外围边缘的平面处。
10.如权利要求9所述的流体流量计，其特征在于，所述通道(64、66)在邻近于所述外围边缘的平面处且在所述外围边缘的平面的上游终止。
11.如权利要求9所述的流体流量计，其特征在于，所述通道(64、66)在邻近于所述外围边缘的平面处且在所述外围边缘的平面的下游终止。
12.如权利要求9所述的流体流量计，其特征在于，所述通道(64、66)基本上终止在所述外围边缘的平面处。
13.如权利要求9所述的流体流量计，其特征在于，所述通道包括中空套杆(66)，所述中空套杆固定到所述中空平截头体(42)并大致沿着所述内部壁(62)的轴线延伸，所述中空套杆具有联接到所述管子(54、56)的上游端和终止在所述外围边缘的平面或邻近于所述外围边缘的平面处的下游端。
14.如权利要求13所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)在邻近于所述外围边缘的平面处且在所述外围边缘的平面的上游终止。
15.如权利要求14所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)在邻近于所述外围边缘的平面处且在所述外围边缘的平面的下游终止。
16.如权利要求13所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)基本上终止在所述外围边缘的平面处。
17.如权利要求13所述的流体流量计，其特征在于，所述中空套杆(66)可移去地和可更换地固定到所述偏移构件(40)。
18.如权利要求9所述的流体流量计，其特征在于，所述偏移构件(40)可移去地和可更换地安装在所述导管内。
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