CN102077061B - 速度增强的流量测量 - Google Patents

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Abstract

一种过程流体流量测量设备(50)，包括流体流量构件(54)，所述流体流量构件(54)具有：入口(56)，具有第一直径；以及狭道(62)，具有比第一直径小的第二直径。第一过程流体压力接头(70)被部署为邻近所述入口(56)，第二过程流体压力接头(72)被部署为邻近所述狭道(62)。差压传感器(78)可操作地耦合至第一和第二过程流体压力接头(70、72)。差压测量电路(78)耦合至所述差压传感器(78)，以提供与第一和第二接头(70、72)处的过程流体压力之间的压力差相关的差压信号。过程流体速度测量设备(74、114)位于所述狭道(62)中，以对过程流体流经其中的速度进行测量并提供流体速度指示。差压传感器信号(90)和流体速度指示(92)用于提供计算的对流体流量的指示。该计算的指示可以关于诸如两相或三相流体之类的多相流体。

Description

速度增强的流量测量
背景技术
通常对经过管道或导线管的流体的流量进行测量，以控制该流量和/或监视经过导线管的流体的量。存在各种用于对经过导线管的流体的流量进行测量的方法。这些方法包括对流体流量障碍物上的差压、磁流量计(直读式频率计)的利用率和涡流流量计的利用率的测量。这些各种设备和技术一般采用不同的技术方法，以感测流体流量的方面。在一些情况下，对流量速度进行测量，有时也对质量流量进行计算。
使用差压测量技术对流体的流量进行测量一般包括：利用障碍物设备(例如孔板)来部分阻碍流体流量。该部分阻碍产生上行流流量与下行流流量之间的差压。对障碍物的上行流和下行流位置之间的差压的测量可以提供对流量的指示。一般地，需要附加信息以供差压测量提供质量流量信息。具体地，必须已知或测量与流体的成分、压力和温度有关的信息。这至少部分地由于以下事实：差压不仅基于流量，而且基于流体密度，流体密度自身可以是压力和温度的函数。此外，流量的特性(层流、过渡流或紊流)可能影响差压读数。
涡流流量计采用基于已知为von Karman效应的涡流脱落现象的工作原理。当流体经过非流线形体时，其分离并产生沿该非流线形体的每一侧和在该非流线形体的每一侧之后交替脱落的小漩涡或涡流。这些涡流使传感器检测到波动压力区域。涡流产生的频率本质上与流体速度成比例。
磁流量计(直读式频率计)包括：一段管道或导线管，对经过它的流体的速度进行测量。流量计在流体中创建在流体中感应出电动势(emf)或电压的磁场。在流体中感应出的emf的幅度与该流体流经管道的速度成比例。通过对感应出的emf进行测量，磁流量计对流体流经管道的速度进行测量。流量计通过在围绕导电流体所流经的管道的线圈中通上电流来创建磁场。场的幅度由安培定律给出，并与经过管道的流体的流量垂直。通常在流送管道的相对侧埋入的两个电极对流体中的电势进行测量。
在许多过程安装中，过程流体流经导线管，例如过程管道。过程流体可以是液体、气体或其组合。在过程流体是其成分不随时间改变的单一同相(液体、蒸汽或气体)的应用中，对流量参数(如质量流量)的计算是相对直接的。然而，在过程流体不是同质的(例如具有不能混合的液体)或其成分随时间改变的应用中，对流量参数的计算更困难。一般使液体与气体混合的过程流体(如多相的)的示例包括：湿蒸汽；石油和天然气的混合物；以及水、石油和天然气的混合物。
发明内容
过程流体流量测量设备包括流体流量构件，所述流体流量构件具有：入口，具有第一直径；以及狭道，具有比第一直径小的第二直径。第一过程流体压力接头被部署为邻近所述入口，第二过程流体压力接头被部署为邻近所述狭道。差压传感器可操作地耦合至第一和第二过程流体压力接头。差压测量电路耦合至所述差压传感器，以提供与第一和第二接头处的过程流体压力之间的压力差相关的差压信号。过程流体速度测量设备位于所述狭道中，以对过程流体流经其中的速度进行测量并提供流体速度指示。差压传感器信号和流体速度指示用于提供计算的对流体流量参数和/或流体密度的指示。
附图说明
图1是示意了涡流流量计的正常可用范围以及在计算或已知雷诺数的情况下的扩展范围的图。
图2A是根据本发明实施例的低损耗或非圆锥形的文丘里管中安装的涡流脱落条的横截面示意图。
图2B是根据本发明另一实施例的喷嘴中安装的涡流脱落条的横截面示意图。
图3是根据本发明优选实施例的改进的流体流量测量系统的示意图。
图4是根据本发明实施例的被提供给流量计算机的差压信号和涡流信号的示意图。
图5A是根据本发明实施例的低损耗或非圆锥形的文丘里管中安装的磁流量计的横截面示意图。
图5B是根据本发明另一实施例的喷嘴中安装的磁流量计的横截面示意图。
图6是根据本发明优选实施例的改进的流体流量测量系统的示意图。
图7是根据本发明实施例的被提供给流量计算机的差压信号和磁流量计信号的示意图。
图8是根据本发明实施例的利用差压发生器对速度流量计进行校准的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例总体包括：理解和解决在测量导线管中的流体的流量时遇到的具体问题。例如，随着流体密度的变化，必须对涡流流量计测量进行补偿，以提供精确的质量流速测量。如果例如经由涡流脱落测量来对流体速度进行测量，则流体密度可以通过求解针对密度的以下伯努利方程而计算：
ρ = k 2 × ΔP v 2
此外，如果在准线性范围之外期望精确的流量测量，则需要对涡流流量计的雷诺数/斯德鲁哈尔数关系的变化进行补偿。此外，可能难以在涡流流量计的“准线性”关系区域之外精确地测量流量。然而，如果可以测量和/或计算密度和速度，则可以基于假定的、计算出或测量出的粘度值来计算雷诺数。然后，可以知道雷诺数/斯德鲁哈尔曲线的精确位置，并且，这将扩展涡流流量计的可用范围并在可用性的正常范围内改进精度。
图1是示意了涡流流量计的正常可用范围以及在计算或已知雷诺数的情况下的扩展范围的图。典型地，虚线之间的准线性范围是+/-0.5％至+/-2％。
测量流体流量的另一个困难是存在多个相位。具体地，在导线管中可以存在两相甚至三相的流体。示例包括优质蒸汽；油和水；油和气体；液体(浆体)中的粒子；或者油、水和气体。如果导线管中的流体的速度和密度都可以被测量，则可以对多相流体的质量流量进行计算。例如，参见美国专利No.4,312,234。
根据本发明的一个实施例，将涡流感测装置置于文丘里管(在图3中示出)内，或置于部署在导线管中的流体流之内的低损耗(非圆锥形)文丘里管或喷嘴(分别在图2A或2B中示出)内。如这里所使用的，“文丘里管”是包括受限的狭道部分在内的装置中的机械物，在受限的狭道部分中，流体速度增大，而狭道上的压力减小。文丘里管可以是具有21度圆锥形入口、圆柱形狭道和7至15度圆锥形出口的经典配置。然而，文丘里管可以仅是圆柱形体或狭道上的两个异径法兰。放电系数的差异可以通过校准而表征。备选地，在一些实施例中，可以省略或截短文丘里管的出口锥体，从而本质上创建在其狭道中安装有涡流传感器的喷嘴。
图3是根据本发明实施例的改进的流体流量测量系统的示意图。如图3所示，系统50包括：文丘里管(以横截面示出)，被部署为沿参考标记52所示的方向传导流体。文丘里管54包括：入口56，优选地是圆柱形的，并且该入口56的直径与文丘里管54耦合至的流量导线管(如管道)(图3中未示出)的直径实质上相同。文丘里管54还包括：颈缩部分58，具有逐渐减小的直径，该逐渐减小的直径开始于与入口56的直径实质上匹配的外径，结束于与狭道62的直径实质上相等的最终直径60。颈缩部分58的入口角θ可以是从10至90度的范围内的任何合适的角度。狭道62的直径显著小于入口56的直径。直径的改变增大了流体流经其中的速度，而减小了压力。文丘里管56还包括：出口锥体64，在出口66处将直径返回至流量导线管的直径。出口角
Figure GDA0000392813020000041
也可以是从0至90度的范围内的任何合适的角度。
系统50包括文丘里管54内的不同位置处的多个压力接头。具体地，上行流(高)压力接头70优选地是邻近的入口56。尽管在图3中将压力接头70示作部署在进口56处，但是压力接头70也可以位于圆柱形颈缩部分58内的合适位置。此外，压力接头70还可以位于上行流导线管的相邻部分中。在狭道62内，优选地，在涡流脱落条74的下游，提供了狭道(低)压力接头72。然而，压力接头72可以位于脱落条74的上游。还可以提供可选的下行流出口压力接头76，以潜在地测量摩擦压降(由于限制而引起的总压力损失)，如美国专利No.4,312,234中所述。如图3所示，至少上游压力接头70和狭道压力接头72可操作地耦合至差压传感器78。根据已知的技术，差压传感器78被配置为提供与接头70和72的压力之间的差值相关的电指示。差压传感器78还可以伴随有与传感器78耦合的差压感测电子装置，以对传感器78的电特性(如电容)进行测量并在例如过程通信回路上传送与差压相关的指示。因此，差压传感器78还可以包括总差压变送器。此外，在采用下行流接头76的实施例中，该接头可以耦合至附加的压力传感器，以对其绝对压力或其相对于接头70和72之一的差压进行测量。
系统50包括部署在狭道部分62内的涡流脱落条74。优选地，涡流脱落条74在狭道部分62的直径上完全延伸。然而，可以实施脱落条不在直径上完全延伸的实施例。优选地，包括了温度探头80，其部署在脱落条74处，以对邻近脱落条74的流体的温度进行测量。温度探头80可以包括：温度传感器，根据包括但不限于电阻温度设备(RTD)、热电偶、热敏电阻或任何其他合适设备的任何合适温度感测技术而部署在温度探头80中。涡流脱落条74产生涡流，这些涡流的产生在脱落条74上造成振动。优选地，脱落条74包括被配置为感测这些振动的传感器。合适的传感器包括经由线路86可操作地耦合至涡流电子装置84的压电传感器82。尽管将涡流传感器82示作脱落条74的一部分，但是也可以实施传感器自身部署在其他位置但仍能够感测涡流的本发明实施例。这种配置的示例包括紧接地部署在脱落条74下游的涡流传感器。尽管参照图3所示的实施例指示利用独特的涡流传感器82来测量涡流脱落频率，但是部署在涡流脱落条下游的适当敏感的压力传感器可能能够检测压力波动，从而以这种方式感测涡流。相应地，在该实施例中，实际的涡流传感器可以简单地是部署在涡流脱落条下游的压力传感器。然而，还可以使用差压传感器78来测量涡流脱落频率，作为叠加在差压信号上的高频波。
涡流电子装置84被配置为根据所产生的涡流来对由压力波动引起的振动的频率进行测量。如上所述，已知，这种涡流的频率与流量相关。相应地，涡流电子装置84能够对流体经过狭道部分62的速度进行直接测量。涡流电子装置84还可以包括涡流流量计电子装置，使得可以在过程通信回路上传送所测量的频率。因此，可以在涡流流量计内实现涡流电子装置84。然而，可以实施本发明的以下实施例：涡流电子装置84和差压传感器电子装置78部署在单个设备内，该单个设备能够以提供更具描述性和/或精确的流体流量信息的方式对测量进行组合。此外，温度探头80可以耦合至涡流电子装置84和差压传感器电子装置78中的一个或两个。相应地，可以在单个设备或短管段(spoolpiece)中提供差压测量和涡流脱落测量。此外，可以对这些流量测量进行组合，以简化计算和/或甚至实现对两相流体流量、三相流体流量、质量流量的计算；在对质量流量的计算中，通过涡流传感器来测量速度，通过文丘里差压测量来测量密度；和/或仅提供更高精度，其中，基于雷诺数，针对斯德鲁哈尔数曲率，对涡流测量进行校正。此外，计算的对流体流量的指示可以包括但不限于：密度变化的流体的总流量；多相流的总流量；多相流的分量的流量；以及多相流中一个分量的流量与另一分量的流量之比。
尽管本发明的优选实施例包括在单个短管段内具有多个感测体制的单一设备，但是本发明实施例也可以包括可操作地耦合至短管段的两个不同现场设备(如差压变送器和流体速度测量现场设备)，其中，每个现场设备在过程通信回路上将其测量传送至合适的设备以进行上述更高级流体参数的计算。如图4所示，如参考标记94所示，可以在过程通信回路上将差压传感器信号90和涡流传感器信号92传送至流量计算机96。流量计算机96可以是能够将差压和涡流传感器信号进行组合以提供对流体流量的有用指示的任何合适设备，包括现场设备。尽管参考标记94示意了过程通信回路，但是也可以使用任何合适的过程通信回路。过程通信回路的示例包括高速通道可寻址远程换能器
Figure GDA0000392813020000071
协议和FOUNDATIONTM现场总线协议。此外，还可以采用无线通信协议。此外，每个这样的现场设备(差压变送器、涡流流量计和/或流量计算机)可以被构造为防爆炸的和/或固有地安全的。如这里所使用的，“固有地安全”意味着现场设备遵循一个或多个固有地安全的规范，例如在由Factory Mutual Research October，1998发布的APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS ANDAS SOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I，II and III，DIVISION NUMBER1HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS NUMBER3610中阐述的规范。
尽管到现在为止描述的本发明实施例一般专注于与部署在文丘里管或喷嘴的狭道内的涡流脱落条耦合的涡流传感器，但是也可以使用附加的速度感测体制。相应地，根据本发明的另一实施例，磁流量计感测技术部署在文丘里管或喷嘴的狭道内。这种布置还可以便于与多相过程流体流量相关的计算，或提供具有变化的密度的过程流体的质量流量指示。
在图5A和5B中以参考标记100示意性地示出了磁流量计。图5A示意了部署在文丘里管102的直径受限的狭道部分内的磁流量计，而图5B示出了部署在喷嘴104的直径受限的狭道部分内的磁流量计100。对于涡流测量实施例，图6示意了具有形成文丘里管的圆锥形渐缩管的磁流量计。分别以低损耗(非圆锥形)的文丘里管和喷嘴示出了图5A和5B。
图6是根据本发明实施例的改进的流体流量测量系统的示意图。图6与图3有些相似，类似的组件是类似地编号的。如图6所示，磁流量计线圈110和112部署在流量导线管的相对侧的磁流量计体114内并衬有非导电衬套115。线圈110和112可操作地耦合至磁流量计电子装置116，磁流量计电子装置116能够驱动线圈进行以下操作：在过程流体中产生磁场，并使用被部署为与流体相接触的电极(如电极117)来感测在流经体114的过程流体中感应出的emf。此外，磁流量计电子装置116还可以包括：合适的通信电路，用于在过程通信回路上通信流量参数。在这些实施例中，流量计电子装置可以被视为包括磁流量计所需的所有电子装置。如以上参照图3所述，磁流量计电子装置116和差压传感器电子装置78都可以在单个设备(优选地，单个现场设备)内实现。
备选地，如图7所示，可以在过程通信回路94上将差压传感器信号90和磁流量计信号92传送至流量计算机96或其他合适设备。如上所述，过程通信回路94可以是有线过程通信回路或无线过程通信回路。此外，流量计算机96可以是远离或邻近磁流量计电子装置116和差压传感器电子装置78(在图6中示出)的任何合适设备。
即使在过程流体密度显著变化时，通过使用磁流量计信号和差压传感器信号，组合后的设备也能够提供对关于两相流体流量、三相流体流量的一部分以及质量流量的流体流量的有用指示。此外，可以提供与总质量流量、多相流量分量的质量或容量、密度或其他合适参数相关的指示。
图3和6所示的实施例示意了本发明的文丘里管实施例。典型地，经典的文丘里管包括21度圆锥形入口和7至15度圆锥形出口。对于图6所示的实施例，文丘里管可以仅由栓至晶片型磁流量计的两个圆锥形异径法兰构成。
此外，许多速度流量计(例如涡流流量计的电磁流量计)的精度受到在非圆柱形导线管附近进行安装的不利影响，如优选实施例中所述。因此，有益地，将速度流量计和差压发生器作为一个单元来一起校准，从而表征出相邻非圆柱形导线管的效果，并改进所述流量计的精度。
主元件(差压发生器)的放电系数还可能受到在狭道中存在速度流量计的影响，因此，可以在与速度流量计相同的校准中确定主元件的放电系数。
图8是根据本发明实施例的利用差压发生器对速度流量计进行校准的方法的流程图。方法150包括框152，在框152，将差压发生器组装至速度流量计。在框154，将该组装部件安装在校准实验室的管线中。在框156，将经过管线的流速调整为第一流速。在框158，对来自差压生成器的差压进行测量和记录。此外，在框158，还对速度流量计的输出信号进行测量和记录。在判决点160，该方法确定是否已对最后一个流速进行校准。如果是，则该方法结束。如果否，则前进至框162，在框162，对流速进行调整，此后，返回至框158。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以在形式和细节上进行改变。例如，基于被认为具有足以安装磁流量计的“狭道”长度的不同类型的差压主元件，存在多种可能的几何结构。如图6所示，文丘里管可以适配有三个接头，而不是适配有正常的两个接头，以便附加地对在美国专利No.4,312,234中描述的“摩擦压力损失”进行测量。

Claims (21)

1.一种过程流体流量测量设备，包括：
流体流量构件，所述流体流量构件具有：入口，具有第一直径；以及狭道，具有比第一直径小的第二直径；
第一过程流体压力接头，被部署为邻近所述入口；
第二过程流体压力接头，被部署为邻近所述狭道；
差压传感器，可操作地耦合至第一和第二过程流体压力接头；
差压测量电路，耦合至所述差压传感器，以提供与第一和第二接头处的过程流体压力之间的压力差相关的差压信号；
涡流流量计，具有位于所述狭道中的脱落条，以对过程流体流经所述狭道的速度进行测量并提供流体速度指示；以及
位于所述脱落条中的传感器，用于感测涡流，
其中，差压传感器信号和流体速度指示用于提供计算的对流体流量的指示。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括：温度探头，可操作地耦合至差压测量电路和涡流流量计中的至少一个，所述温度探头被配置为对过程流体温度进行测量。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述温度探头被部署为对所述狭道中的过程流体温度进行测量。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体流量构件是文丘里管。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述文丘里管在所述入口与所述狭道之间具有颈缩部分，在所述入口与所述狭道之间，直径不断减小。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述文丘里管是由两个圆锥形渐缩管来构造的。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述流体流量构件是喷嘴。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括：在脱落条中部署的温度探头。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括：涡流传感器，被配置为检测在过程流体中引起的涡流。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述涡流传感器是压电涡流传感器。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述涡流流量计是在与所述流体流量构件组装在一起时校准的。
12.一种用于对过程流体流量进行测量的系统，所述系统包括：
过程流体流量构件，所述过程流体流量构件具有：入口，具有第一直径；以及狭道，具有比第一直径小的第二直径；
第一过程流体压力接头，被部署为邻近所述入口；
第二过程流体压力接头，被部署为邻近所述狭道；
差压变送器，可操作地耦合至第一和第二过程流体压力接头，以提供对差压的指示；
具有脱落条的涡流流量计，被部署为对过程流体流经所述狭道的速度进行测量并提供流体速度指示；
流量计算机，被配置为接收对差压的指示和对流量速度的指示，并基于对差压的指示和对流量速度的指示来计算过程流体流量参数；以及
位于所述脱落条中的传感器，用于感测涡流。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述过程流体流量参数与多相过程流体流量的分量相关。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述过程流体流量参数是质量流量。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述过程流体流量参数是流体流量速度。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述差压变送器和所述涡流流量计通过过程通信回路以通信方式耦合在一起。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述过程通信回路是有线过程通信回路。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述过程通信回路是无线过程通信回路。
19.根据权利要求12所述的系统，其中，所述涡流流量计是涡流传感器。
20.根据权利要求12所述的系统，其中，所述涡流流量计是磁流量计。
21.一种过程流体流量测量设备，包括：
流体流量构件，所述流体流量构件具有：入口，具有第一直径；以及狭道，具有比第一直径小的第二直径；
第一过程流体压力接头，被部署为邻近所述入口；
第二过程流体压力接头，被部署为邻近所述狭道；
差压传感器，可操作地耦合至第一和第二过程流体压力接头；
差压测量电路，耦合至所述差压传感器，以提供与第一和第二接头处的过程流体压力之间的压力差相关的差压信号；
磁流量计，位于所述狭道中，以对过程流体流经所述狭道的速度进行测量并提供流体速度指示；以及
其中，差压传感器信号和流体速度指示用于提供计算的对流体密度的指示。
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