CN101842667B - 用于基于压力的流量控制装置的非堵塞限流装置 - Google Patents

Abstract

一种流量测量装置，该装置包括至少两个可堆叠模块体，其包括至少一组相邻模块体，每个模块体包含一个用于调节通过其中的流体流的开孔。所述模块体被布置为使得相邻模块体之间的开孔彼此错开。相邻的堆叠的模块体限定一个腔，该腔用于俘获夹带在流体流中的微粒而同时并不阻塞通过开孔的流体流。

Description

用于基于压力的流量控制装置的非堵塞限流装置

相关申请的交叉引用

本申请与转让给本申请受让人的申请号为/，、代理人卷号为No.22026-0017、于2007年9月28日和本申请同时申请的题为“FILTER MONITOR-FLOW METER COMBINATION SENSOR(过滤器监控器-流量表组合传感器)”的申请相关，该相关的申请以参引的方式整体纳入本文。

背景技术

本发明总体上涉及用于流量测量装置中的可堆叠模块体。流经该流量测量装置的流体流通过形成在模块体中的孔调制。

在一个流量测量装置中，利用限流(flow restriction)产生一个压差，借助于压差测量方法和压力-流量校正曲线，可以直接或间接地利用该压差来测量流率。针对典型的大的流率，孔板流量计、楔形流量计以及其他种类的差分流体测量装置已经在化学和石油化工生产工业中使用多年。

对于各种不同的工业领域，如半导体制造或者天然气的密闭输送领域，流量测量的准确性是非常重要的。在其他工业领域，如石油化工生产分析仪流程领域或其他常用的流量监测应用领域，流量测量的总的精确度并不如相对于时间的可重复性来得重要。从另一方面说，工业，如石油化工工业，通常更关心流体流量是否发生在一个特定范围内。只要流体的流率没有因测量的重复性的误差而逐日显著地变化，则使用者可以推断流体流量是稳定的，或者过程/系统是稳定的。否则，使用者可以推断测量的流量扰动/改变是由过程中的紊乱引起的，从而要求加以注意。

此外，石油化工和相关的“脏”工业应用中，流体流中会夹带微粒，因此会遭遇微粒堵塞流量测量装置——特别是那些以小流体流量通路运行的装置——这些没完没了的问题。也就是说，堵塞已经成为基于开孔的、运行在低流率下的、采用小限流的流率测量装置结构的缺陷之一。因此，理想的是，具有一个如下的限流结构：该限流结构除了具有在更长的时间内不发生堵塞这一能力外，还能够满足为校准的简易化和系统的可重复性这些总体目标所采用的简化的流量方程。

石油化工工艺或分析仪器被预期为具有超过十年的产品生命周期，而在诸如半导体工业等工业中的其他流量测量装置在要求替换前只预期持续1-3年。因此，希望流量测量装置必须耐用，并且在某种程度上是“不出故障”的。

现在需要的是一个可靠的流量测量装置，其对堵塞具有更强的抵抗性。

发明内容

在一个差分流量测量结构中，通常，限流可以被归类为密度相关或粘度相关。对于任一种相关关系，体积流率可以被一般地表示为如下面方程1和方程2所示的下列关系：

对于层流或渗流(粘度相关)(达西定律)

其中

(K_层流变成一个几何相关常数)

对于穿过一个开孔的流(密度相关)

其中

(K_开孔变成一个几何相关常数)

对于液体流，扩张因子Y＝1

其中

d＝多孔限流或层元件的水力直径或流体通道直径

d₁＝上游通道直径

d₂＝开孔通道直径

A＝水力面积或流动通道面积

ΔP＝在限流上的压差(P_上游-P_下游)

Y＝无量纲扩张因子(对于经过开孔的气体的膨胀，与气体可压缩性和具体热比值相关)

C_d＝泄流系数(也就是，一个和开孔几何结构相关的流量“效率”因子)

L＝其上发生压降的长度

η＝流体绝对粘度

ρ＝流体密度(气体或液体)

Q＝体积流率(每单位时间的体积)

本公开内容的一个限流结构的一个实施方案，允许用户布置一个堆叠的或一系列并置的盘，或者一些相串联的模块体，其中，具有不同结构的且具有不同的通道尺寸或测量单元的流体通道错开。每一个模块体有一个预定的限流大小。当多个模块体以交替方式堆叠在一起时，组合的或累加的限流大小增加。用于管道的、简化的Darcy-Weisbach流量方程3显示了在这一限流大小和流率之间的一般关系。

$\stackrel{\·}{\·\·\mathrm{\ΔP}=\frac{K_v\mathrm{\ρ}}{2}}{\left(\frac{\stackrel{\·}{Q}}{A}\right)}^2$

$\stackrel{\·}{Q}=A\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{K_v\mathrm{\ρ}}}$ 或 $\stackrel{\·}{Q}=C\sqrt{\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}---\left[3\right]$

其中 $C=A\sqrt{\frac{2}{K_v}}$

其中V＝流体速度

K_v＝K-因子，压降系数，或流量阻力系数

C＝流量系数

注意到方程2和3本质上相同，因此可以用作具有类似结果的开孔类型限流。两个方程间仅有的不同是方程2包含用于气流的扩张因子。

每一个被堆叠的限流元件会有如上所示的自己的“K-因子”(K_v)。K-因子一般称为压降系数，表示流量阻抗系数。K-因子的倒数一般称为流量系数。当在法定标准单位中表示时，流量系数表示成C_v。当这些限流元件相互串联时，则可用下面的关系进行总结：

或

如果所有的限流器有相同的尺寸，则方程4被简化形成下面的表达式：

其中n＝串联的限流部件的数量。

如果希望调节总体限流常数，方程5可被重新整理以求出C_个体：

在方程6的一个示例应用中，一个流体应用要求一个0.02的总限流因子以重复测量在一个压力传感器给定区域内的流量。出于流量测量目的，通常期望将来自传感器的压差信号的量最大化。用户可以选择使用单个小流量通道，如0.05测量单位，以产生限流因子0.02。然而，如果微粒累积大于0.05测量单位时，这个小通道会容易堵塞。如果连续设置一些较大的限流器，则可以改善该情况。例如，4个限流器可被使用，其中在串联放置的4个模块体中的每一个模块体中均形成一个流量通道。通过应用方程6可得：

n＝4(模块体的个数)

C_总体＝.02

C_个体＝(4)^1/2＊.02

C_个体＝.04

限流因子C和横截面面积直接成比例，因此和通道直径的平方成比例。所以，所得的和连续放置模块体中的每一个模块体的限流相关的横截面面积可以是一个限流所要求的面积的两倍。换句话说，串联布置的限流器的直径较大，其较不易于被堵塞。

本公开内容涉及到一个流量测量装置，该装置包括至少两个可堆叠模块并包括至少一组相邻模块体。每个模块体具有一个用于调制通过其中的流体流的开孔，所述至少两个模块体被布置为使得相邻模块体之间的开孔彼此错开。相邻的堆叠的模块体限定一个腔，该腔具有用于俘获夹带在流体流中的微粒同时并不阻塞通过开孔的流体流的部件。

本公开内容涉及到一个流量测量装置，该装置包括n个可堆叠模块体，其中，n是大于1的整数。每一个模块体具有一个开孔，该开孔用于调制通过其中的流体流以限定一个个体流量系数C_个体。集中安排n个模块体以限定一个总体流量系数C_总体，其中，

本公开内容进一步涉及到一个流量测量装置，该装置包括至少两个可堆叠模块体。每个模块体具有一个开孔，该开孔具有基本相同的流量系数，该开孔用于调制通过其中的流体流。所述至少两个模块体被布置为使得相邻模块体之间的开孔彼此错开。相邻的堆叠的模块体限定一个腔，该腔用于俘获夹带在流体流中的微粒同时并不阻塞通过开孔的流体流。

本公开内容进一步涉及到一个流量测量装置，该装置包括一个通过弹性装置放置在一个孔中的固定位置的模块组件。该模块组件包括：至少两个可堆叠模块体，其包括至少一组相邻模块体。每个模块体具有一个用于调节通过其中的流体流的开孔，所述至少两个模块体被布置为使得相邻模块体之间的开孔彼此错开。相邻的堆叠的模块体限定一个腔，该腔具有用于俘获夹带在流体流中的微粒同时并不阻塞通过开孔的流体流的部件。流体参数测量装置被放置为和模块组件流体流通。响应于瞬态过压状态，促使模块组件临时离开所述固定位置，以缓解瞬态过压状态，保护测量装置免受损害。

本公开内容还可包括如下方案，其中堆叠的模块体可被堆叠并接着被附到一个由弹簧元件支撑的滑动件之内。可以调整该弹簧元件，以提供一系列不同的力值。这个滑动件可以为两个目的服务：不仅能够为差分流量传感器提供净限流大小，还可以滑离阀密封元件以允许流体旁路掉限流组件的主要部分。在突发上游过压时，这个可选组件也可允许压力旁路掉限流，以保护传感器不受损害，延长使用寿命周期。

在接下来的优选实施方案中，并结合通过例子说明发明原理的附图，本发明的其他特征和优点会显现出来。

附图说明

图1和图2示出模块体的一个实施方案的两个相反方向的俯视立体图，该模块体用于和本公开内容的流量控制装置一同使用。

图3示出本公开内容的流量控制装置的一个实施方案的横截面图。

图4示出安装在本公开内容的一种流量控制装置中的模块体的放大的部分横截面图。

图5示出沿着图4中的线5-5所取的模块体的一个实施方案的端视图，其中示出了本公开内容的腔的一部分。

图6示出本公开内容的采用了数量渐增的模块流量控制体以及它们相应的流型(flow regime)的流量-压差的一般图解表示。

图7示出本公开内容的流量测量装置的一个实施方案的横截面图，该流量测量装置具有过压释放部件。

图8示出本公开内容的流量控制装置的一个替代实施方案的立体图。

图9示出本公开内容的如图8所示的对接的一对流量控制装置的立体图。

图10示出沿着本公开内容的图9的线10-10所取的横截面图。

尽可能地，在整个附图中，相同的参考数字用于表示相同或类似的部分。

具体实施方案

现参阅附图，在两个相反方向的俯视立体图图1和图2中，所示的模块体12用于流量控制或流量测量装置10(见图3)中。模块体12有相对的端部20，22，并包括一个和端部20相邻的底座14。在一个实施方案中，底座14为盘状，并有一个环形边缘。作为替换，其他形状规则的多边形，即等边和等内角的多边形也在考虑范围内。开孔16被形成为穿过底座14，在一个实施方案中，开孔16为环状，尽管也可以使用其他闭合的几何形状。在一个实施方案中，开孔16相对于底座14不居中。在另一个实施方案中，如图2所示，底座14包括一个插件64，插件64安装在形成于底座14中的孔66中。接着在插件64中形成开孔16。插件64提供了各模块体12之间彼此相同这一可能性，在一个实施方案中，插件64可以是通过注模形成的塑料材料。除此之外，插件64可以由不同于模块体12其他部分的材料构造。在一个实施方案中，插件64可以由更具鲁棒性的即抗磨损的材料来构造，该材料允许了——在开孔16的尺寸发生明显变化从而需要修理和替换之前——延长的操作使用寿命。例如，在这样的结构或环境中，只有插件64，而不是整个模块体都可能需要修理和替换。在一个实施方案中，插件64可以在超声波清洁机中清洁，然后重新插入到模块体12中。

壁18沿基本垂直于底座14的方向从底座14的边缘延伸，在端部22处终止。在一个实施方案中，模块体12类似于杯状或“中空”的圆柱体，如环形圆柱体。在另一个实施方案中，壁18具有基本均一的厚度并且端部20和22基本相互平行，以使模块体12在用于流量测量装置中时有简单的端对端的布置。

如图3和图4(它们是流量测量装置10的一个实施方案的横截面图)所示，多个模块体12安装在流量测量装置10中，装置10包括一个外壳36，其中外壳36含有相对的两端部38和40。在一个实施方案中，流体参数测量装置如压力计42和44，其中压力计42被放置为与端部38相邻，压力计44被放置为与端部40相邻。模块体12也被安装在外壳36内。就是说，如所示的，模块体12的端部20从端部40导引到外壳36之内，直到端部20和外壳36的挡块46的表面48邻接为止，该挡块46被放置为和外壳36的端部38相邻。一旦安装了第一个模块体12，另一个模块体12的端部20也类似地从端部40导引到外壳36之内，直到随后安装的模块体12的端部20和先安装的模块体12的端部22邻接为止。在一个实施方案中，如图1所示，端部22包含多个部件24，这些部件24形成在端部22表面的至少一部分中。类似的，如图2所示，端部20包括部件区26，该部件区26和端部20的边缘相邻，端部20包含形成在部件区26表面至少一部分的部件28。在一个实施方案中，部件24和部件28被配置成互相啮合。部件24和部件28可以包括凹进，突出或者凹进和突出的组合，以使得当部件24和部件28互相啮合时，最好没有围绕外壳36的轴线68(图3)的相对旋转运动。在另一个替代实施方案中，部件24和部件28被压配合(force-fit)在一起，以使得相邻的模块体12在外壳36外仍然固定在一起。

一旦模块体12被安装在外壳36中，则不仅可以防止这些模块体12的相对旋转运动，还可以防止沿轴线68(图3)的轴向运动。在一个实施方案中，一旦预定数量的模块体12被插入外壳36中，为固定模块体12以避免其沿轴线68运动，则使一间隔物54与所安装的最后一个模块体12的端部22相邻接。安装完间隔物54后，诸如防松螺母之类的紧固件56(如图3)和间隔物54彼此固定接合。换句话说，处于端对端接触的模块体12，由于紧固件56而被压缩性地固定在挡块46和间隔物54之间。如图3所示，就流体流50而言，流体进入外壳36的端部38，并流动穿过模块体12的开孔16流向外壳36的端部40，在到达端部40之前，包括流经形成在间隔物54和紧固件56中的开口58。

在安装位置，相邻模块体12的开孔16被固定在预定的位置，或相对于彼此错开。在一个实施方案中，相邻模块体12以一个预定的角度方向固定或者相对于彼此错开，在另一个实施方案中，错开大约180度，并且在又一个实施方案中，开孔16垂直地对准。在这种对准中，如图4所示，夹带在流体流50中的微粒62与流动的流体相比要么较重、要么较轻，这些微粒62可以被“存留”在形成于相邻模块体12之间的腔52的部分60中。腔52由底座14的表面30和模块体12的壁18的表面32，以及一个相邻模块体12(如图1和2)的底座14的表面34限定。如图4和图5所示，腔52的部分60是由这一部分60的一侧的表面32和与开孔16相切或极其接近的一个边界部件76之间的区域限定。在一个实施方案中，如图5所示，边界部件76是个与弦78重合的平面，弦78的相对的末端和表面32交叉在交叉点70和74处，并限定与开孔16相切的至少一个切点72。可以理解，表面32不限于圆形轮廓或平面边界部件76。腔52的腔部分60将限定一个空间，该空间可以用来收集和开孔16相邻的微粒62而不阻塞开孔16。

图8-10示出了模块体112的一个实施方案，其中，互锁部件124形成在这些模块体中以确保这些模块体交替定位。在一个实施方案中，部件124是对接的凸起/凹槽，以确保组装后，相邻模块体112的开孔116交替放置。模块体112还包含一个居中地放置的开孔118，以使得在多个模块体组装后，相应的开孔118轴向对齐，并且被配置成容纳一个紧固件122(见图7)。在一个实施方案中，一旦紧固件被充分驱动以在相邻的模块体112间提供一个预定的压缩力，该压缩力就能充分阻止模块体间的流体泄露。

如图3和图4所示，由于开孔16的错开，流体流50出现在非直线路径中。结果，流体就压力方面损失了能量，同时提供了和流率成比例的压差信号。根据标准伯努利方程，即方程7，在限流上的压力损失和速度相关。如方程7所示，由于能量守恒——其等于一常数——因此压力反比于流体流的速度的平方。通过增加非线性流路径的复杂度，流体速度被降低，落入由雷诺数限定的层流型——方程8。

如图6中图解所示，提供了流率和压差的总体关系。N相应于放置在流体通路中的模块体的数量。随着模块体数量的增加，如图所示，流型表现为从纯开孔相关(N＝x)转变到伪层流型或接近层流的过渡流型(N＝x+3)。应理解，对于一般的流量监测应用——其中流量测量的精确性并不如相对于时间的可重复性来得重要，使用足够数量的模块体以产生伪层流可以提供对一个稳定流体流或稳定过程/系统的满意的指示。相反地，被测流体的扰动表示过程中存在紊乱，需要引起注意。

开孔16可根据流体参数设定尺寸。在一个实施方案中，流体参数是流量测量装置10中的第一个模块体12的上游以及最后一个模块体16的下游的预定压降，如图3所示，并且，由各个压力计42和44测量。在另一个实施方案中，流体参数是流体流率。在又一个实施方案中，流体参数是流体的比重。在进一步的实施方案中，流体参数是流体粘度，这是因为在层流或伪层流中，流体流率和粘度相关，而不是像方程1所列出的层流型一样与密度相关。应理解，尽管如之前在方程5中讨论的，开孔16可以是相同的尺寸，但是开孔16也可以是不同尺寸的(见方程4)。在一个例子中，对于一个给定的上下游压力计之间的或其他压力传感装置之间的总压差，形成于模块体中的用于供流体从中流过的开孔的尺寸可以被最大化，同时产生一个可测量的压差。通过提供一个充分非直线性的流体流动路径，流量/压力关系变得依赖于流体粘度，而不是，依赖于流体密度——其对应于层流型或伪层流型或过渡流型。

正如前面在发明内容中讨论的，模块体的开孔的数量和尺寸可以在流量控制装置中被设置，以根据给定流量参数获得总的预定的总流量系数。可以基于之前讨论的方程来设置模块体的开孔尺寸和数量的组合的不同实施方案，以满足流量参数，其中随着模块体数量的增加，开孔的尺寸同时也增加。

开孔体和多个模块体的组合也可以被组装成一个集成的组合的限流和压力释放组件或集成的组件100。如图7中所见，集成的组件100包含模块体(如模块体112)的非堵塞的流动和压力属性，但此外还提供了一个安全的压力释放阀部件以允许将超过流体参数测量装置120(如压差流量传感器组件)的压力旁路掉，以保护装置免受过压。

作为对流体参数测量装置120上游的流体流动路径80中的突发压力瞬态情况的响应，模块组件90在孔125内移动以缓解压力瞬态情况。如图7进一步所示，模块组件90包括多个被紧固件122固定在一起并具有相对的端部盖126、127的模块体112。位于中央的弹性装置130，如螺旋弹簧，被配置用来与弹性装置130一端处的盖126以及与形成在弹性装置130另一端处的孔125的一个端部内的埋头孔132接合。一个较大的弹性装置128，如一个螺旋弹簧，被放置在孔125的与埋头孔132相邻的一个端部和盖127之间。在一个替换实施方式中，一个弹性装置(128或130)可以和模块组件90一起使用，用于将模块组件90保持在一个固定的位置。然而，如所示，响应于一个引起流体流动路径80上的过压状况的突发压力瞬态情况，该过压克服由弹性装置128、130施加的力。也就是说，流体流动路径80上的过压促使盖127沿方向134移动或移动至一个非固定位置，此时允许流体围绕模块组件90流动，以充分减小压力的瞬态情况以防止对流体参数测量装置120的损坏。

当通过参考一个优选的实施方案来描述本发明时，本领域技术人员可以理解，可作出各种各样的变化并且其中要素可被等价物替换，而无需背离本发明的范围。除此之外，可对本发明的教导作出许多修改以适应特殊情况或材料，而不偏离本发明教导的本质部分。因此，本发明不意为被限制在作为预期实现本发明的最好模式而公开的特定实施方案，但本发明将包含落入所附权利要求范围之内的所有实施方案。

Claims (21)

1.一种流量测量装置，该装置包括：

至少两个可堆叠模块体，其包括至少一组相邻模块体，每个模块体具有一个用于调制通过其中的流体流的开孔，所述至少两个模块体被布置为使得相邻模块体之间的开孔彼此错开；以及

其中，相邻的堆叠的模块体限定一个腔，该腔具有用于俘获夹带在流体流中的微粒同时并不阻塞通过开孔的流体流的部件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，相邻模块体彼此错开180度。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述开孔是垂直对准的。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开孔尺寸基本相同。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述开孔基本是环形的。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，开孔的尺寸是根据流体的参数设定的。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，流体参数是所述至少两个模块体中的第一个模块体的上游和所述至少两个模块体中的最后一个模块体的下游的预定压降。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，流体参数是流体流率。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，流体参数是流体的比重。

10.根据权利要求6所述的装置，其中，流体参数至少是压降、流体流率和流体的比重三者中的一个。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，开孔具有基本相同的流量系数。

12.一种流量测量装置，该装置包括：

至少两个可堆叠模块体，其包括至少一组相邻模块体，每个模块体具有一个开孔，该开孔具有基本相同的流量系数，该开孔用于调制通过其中的流体流，所述至少两个模块体被布置为使得相邻模块体之间的开孔彼此错开；以及

其中，相邻的堆叠的模块体限定一个腔，该腔用于俘获夹带在流体流中的微粒同时并不阻塞通过开孔的流体流。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，相邻模块体彼此错开180度。

14.根据权利要求12所述的装置，其中，开孔是垂直对准的。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，开孔尺寸基本相同。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，开孔基本是环形的。

17.根据权利要求12所述的装置，其中，开孔的尺寸是根据流体的参数设定的。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，流体参数是所述至少两个模块体中的第一个模块体的上游和所述至少两个模块体中的最后一个模块体的下游的预定的压降。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，流体参数至少是压降、流体流率和流体的比重三者中的一个。

20.根据权利要求12所述的装置，其中，每一个模块体包括一个第二开孔，其被配置成容纳一个紧固件以用于将所述至少两个模块体牵拉在一起。

21.一种流量测量装置，该装置包括：

一个通过弹性装置放置在一个孔中的固定位置的模块组件，该模块组件包括：

至少两个可堆叠模块体，其包括至少一组相邻模块体，每个模块体具有一个用于调节通过其中的流体流的开孔，所述至少两个模块体被布置为使得相邻模块体之间的开孔彼此错开；以及

其中，相邻的堆叠的模块体限定一个腔，该腔具有用于俘获夹带在流体流中的微粒同时并不阻塞通过开孔的流体流的部件；以及

流体参数测量装置被放置为和模块组件流体流通；以及

其中，响应于瞬态过压状态，促使模块组件临时离开所述固定位置，以缓解瞬态过压状态，保护测量装置免受损害。

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