CN102483339A - 流体流量调节器 - Google Patents

Abstract

一种调节在管道内流动的介质的装置和方法，使放置在短直流部分距离内的传感器能够利用热流装设测量介质流量，提供了准确性。位于介质流量测量转换器下游的流量调节器具有沿流动方向叉开以便优化来自转换器的介质流量的读数的壁。

Description

流体流量调节器

技术领域

本发明总体涉及调节管道内流动介质的装置，尤其涉及这样的装置，所述装置调节流动介质以使得用于测量流动介质的热流传感器能够具有更准确的读数。

背景技术

当使用热流量计时，管道内流过的介质的质量流速测量值的准确性会受到流动介质内的随机的、不可预测湍流的不利影响，还会受到管道截面上流速不均匀这个事实的不利影响。流量计一般采用高性能传感元件，所述高性能传感元件可被独特地设计成满足精确信号处理、传感元件的校准以及传输电子器件的应用要求。流动介质中的随机湍流或不均匀流量导致转换器读数不一致。

散热流量计已为人所熟知，并且常用于测量管道内介质的流量。热技术利用流速与冷却效应之间的关系来直接测量质量流速。管道中流动的介质对传感元件的温度有影响，这种效果用于产生一电信号，所述电信号能够被处理以指示管道内介质的流速或质量流速。

流量调节装置可用于克服存在非理想上游流动条件的应用中出现的随机湍流特性。这些湍流特性可由例如管道内的阀、弯管、弯头，以及介质的流速，和不同类型介质的粘度特性引起。散热质量流量计采用的元件由于传感元件附近的非理想流动条件的原因导致可能存在精度问题。传感元件上游存在的所述非理想流动条件会导致从传感元件获得的读数不精确。

在流量计领域已教导了许多流量调节装置。已知流量调节器的实例是使用杆、穿孔板，管束或调整片结构来调节介质以提高传感器读数精确性的那些流量调节器。

美国专利5,780,737公开了一种湍流诱导现有技术装置。该传感器采用靠近转换器上游安装的杆来用于流量调节。该杆在距流量传感元件上游很短的距离内产生可预测旋涡流(湍流)以抵消流过管道的介质内存在的随机湍流或不可预测湍流。流量调节杆产生的旋涡流与杆上游的流动介质内的未调节湍流相比是稳定的、可预测的。因此，流动介质内的任何现有的随机湍流基本上均被旋涡产生杆产生的湍流克服。

美国专利4,929,088示出了一种完全不同类型的流量调节器，所述流量调节器包括多个径向、或纵向、或径向和纵向两者间隔的调整片，用于产生混合效应并调节管道内介质的流量。

为了利用热流传感器测量管道内的介质流动，一般需要管道的最小直流部分以便提高精确性。为了在工业流量计量系统中实现最佳性能，上游和下游直流部分的要求一般是在管道上游大约20个直径长度处以及在管道下游大约10个直径长度处提出。这些直流部分的长度一般是必需的，以便产生一致的流量剖面以及允许介质中的湍流消散，所述湍流可能由于承载所述介质的管道内的诸如弯管、弯头、阀等元件导致。实现这些长度的直流部分不总是容易的，有时不可能满足用在任何特定装置中。如果不能形成一致的流量剖面，那么直流部分长度不够长的计量系统可能遭遇仪器精度降低的情况。

发明内容

本文公开的实施例克服了现有技术中在测量管道内流动介质方面存在的一些不足。本文公开的流量调节器解决了与工业流量计量中的上游大约20个直径长度的直流部分长度要求相关的问题。公开了用于流量调节的实施例，所述流量调节在基本上比所要求的更短的直流部分长度处实现，不使用流量调节器。本文公开的实施例提供了调节在管道内流动的介质的方法和系统，降低了不尽理想的介质流量剖面在用于测量流动介质的转换器上的影响，从而提高了转换器的精确性。

本发明的实施例提供一种可与现有流量测量系统一起使用的流量调节器。

另一实施例提供了一种流量计量方法，所述方法调节管道内的介质流动以提供与管道内的标称介质速度一致的撞击转换器的流动速度。

附图说明

结合附图阅读时，根据下列详细说明对本发明的目的、优点和特征进行更充分的理解，其中：

图1是安装至流体管道部分的传统流量计的端面图；

图2是根据本发明的流量调节器的实施例的透视图；

图3是图2流量调节器中使用的护罩(shroud)的实施例的放大图；

图4示出了本发明的流量调节器的端盖、热电偶套管以及楔形元件；

图5是图2流量调节器的端面图；

图6是图2流量调节器的侧视图；

图7示出了与图1类似的具有根据本发明的流量调节器的实施例的流量计量系统的介质速度图；

图8示出了与图1类似的不具有本发明流量调节器的流量计量系统的介质速度图；

图9是不具有本发明流量调节器的用于管道中的介质流动的管道直径中的中线与直流部分速度相比较的平面线图；以及

图10是类似于图5的端面图，示出了根据本发明的替换实施例。

具体实施方式

根据流量调节的各种实施例，在管道内流动的介质可以是气态或液态物质，因此术语“流体”可用于包括这两者。因此，本文所述的实施例不应被视为限制性的，且本发明的范围应按照所附权利要求限定的进行考量。这些实施例通常描述在管道内流动的气体介质，但应理解液体实施例同样是可能的。另外，这些实施例中所示的计量系统通常是利用转换器元件测量管道内的介质的流量的热流计，应理解其他测量元件同样可以与本文所述的流量调节器一起使用。可采用任何类型的热流计量系统，例如包括温差计量系统、功率差计量系统、以及差动电流计量系统等。同样可以对本文教导的用于调节管道内液体介质的流量的实施例进行更改。

图1示出了传统质量流量计。管道11具有T型连接器12，流量计组件13安装至T型连接器。流量计具有头部14，所述头部一般容纳仪器的电子器件并且具有数字读出部15。探针16从头部14伸入管道11。传感器17位于管道的大约中心位置，所述传感器17包括转换器或传感元件21和22，它们在介质流中受保护器18保护。实际传感元件位于所示圆柱形元件内部，即热电偶套管内部。所示热流计以已知方式工作。

图2-6示出了以具有纵向轴线(由中线30示出)的圆柱状装置形成的流量调节器和传感器25的实施例。传感器26和27是与图1中的组件13类似的热流量计量系统的传感元件，所述热流量计量系统测量管道(比如图1中的管道11)内流动的介质的流量。这种计量系统的实例是模型ST98，由加利福尼亚州圣马科斯的流体元件国际公司(Fluid ComponentsInternational LLC)出售。图2中所示的计量系统包括流量调节器，其优选包括楔形元件31和护罩32，所述流量调节器对流量传感转换器26和27附近的介质的流量进行调节以便提供流动介质的改进的质量流速读数。转换器一般是容纳热传感元件的热电偶套管。护罩32安装在位于探针16远端的盖子33上。护罩包围楔形元件31以及传感器26和27。以允许介质继续流过管道的方式将包括传感器26和27、楔形元件31、和护罩32的计量系统的远端插入管道(图中未示出)中。流量计的传感器元件位于圆柱形探针16的远端处，它们以传统方式突出穿过管道的壁并通常大致定位在管道的中心处，如图1所示。

图3是护罩32的放大图。护罩32和圆柱形探针16的盖子33可以以任何适当的方式(比如焊接，或利用合适的粘合剂，或其他方式)紧固在一起。可将护罩的任一端35或36紧固至盖子上，因为在此示出护罩是对称的。然而，没有要求护罩必须对称。盖子33可形成有凹槽以容纳护罩的合适形状的环形边缘，盖子和护罩中的任一个或两个可以以任何期望的形式成型以便将它们紧固在一起。输入开口37由周向边缘41限定，而周向边缘42限定输出开口38。从该图可以看出，开口37，38沿直径方向相对，且能使流动介质从中通过，即便楔形元件31和传感器26，27突伸到其中。介质沿箭头A的方向在护罩中流过开口37、38，如图2和3中所看到的。楔形元件31安装在护罩32内，使得该元件沿流动介质的方向位于传感器26、27的下游。下面参照图5描述护罩形状的替代。

图2中所示的传感器和流量调节器25可以与先前提到的行业标准ST98流量计相组合，连同流量调节器元件31和32的附加部件。ST98仪器是插入式散热质量流速计，用于测量元件(在此为传感器26，27)之间的温度差。在热流仪器的传统方式中，元件之一是基准传感器，另一个是有源(active)或加热传感器。使流体流动将有源传感器的热量散发出来，与利用该系统的传统电子器件施加到有源探针上的电流或功率有关的温差将这些数据点转换成管道中流体的质量流速的测量值。

换句话说，护罩32和楔形元件31是可以配置行业标准计量系统(比如ST98散热质量流量计)的部件。虽然只作为例子说明了该计量系统，但本发明的流量调节器可以与多种热式流量测量系统一起使用。

如图2、4和5中所示的楔形元件31，沿纵向轴线30方向看，该楔形元件形状大致呈V形，其中壁31a、31b设置成沿流动介质的方向A从顶点45处叉开。示出了V形元件31的顶点距传感器26、27基本等距且至少部分地在传感器之间延伸(参见图5)。图2中所示实施例的特定配置和定位是对一个实施例的说明，不应被视为限制本发明。例如，可更改楔形元件31的尺寸和/或形状，这种情况将会在下面说明。

在不同实施例中，叉开壁31a、31b可以按照各种形状设置或定位。叉开壁可形成为各种高度的，无论是相对于上游开口37的尺寸和高度、或相对于护罩32、或相对于热电偶套管26、27的突出长度。在此所述的高度指的是沿纵向方向距探针16的盖子33的距离，图6中清楚示出了一个实施例。也可以将其称为“长度”。叉开壁31a、31b可形成为沿纵向轴线30的方向具有与开口37几乎一样高的高度。在所示的具体实施例中，楔形元件31在长度方向上从盖子33延伸得比传感器26、27延伸的距离要远大约15％。因此，在一般设置中楔形元件31的长度大约为0.75英寸，而传感器大约为0.66英寸。然而，这个长度可以比传感器更短或更长，仍然可以有效运行，并且传感器和楔形元件可以更长或更短，这取决于管道的尺寸，或待测介质的类型。

迫使沿箭头A的方向流动的介质撞击壁31a、31b并在楔形元件31周围移动，如图7所示。

沿与传感器26、27高度相关的纵向轴线30的方向测量壁31a，31b的长度的一个基本原理是，热电偶套管内的传感或加热区域在纵向轴线30方向上通常在靠近探针的线性中心的位置处。在使用热转换器的实施例中在沿纵向轴线30的方向形成对壁31a、31b的高度的限制方面可允许大量变化(variance)。这些变化可用于利用不同介质的实施例以及可用在不同情况中以便增强流量调节器25在传感器26、27附近产生一致流速方面的有效性。

如图5和7所示，楔形元件31安装在传感器26、27的下游，使得流动介质在撞击楔形元件31的壁31a、31b之前将穿过开口37且遇到传感器。与不具有楔形元件31的探针的类似配置相比，叉开壁沿直径方向存在于传感器正下游提高了在传感器附近和周围观察到的介质的速度。这种现象参照图7在下文中进行进一步阐述。

图8示出了针对诸如图1中所示的现有技术流量计量系统所观察到的速度图，该流量计量系统具有热传感器21，22但不具有流量调节器25。在该实例中，位于管道中心处的标称流量是大约每秒25英尺。在速度图左边的图表中示出了速度图的图例说明，下面将参照图例说明来描述流速。LR是流速大约为每秒34.5英尺的区域；O是流速大约为每秒30.7英尺的区域；Y是流速大约为每秒25-30英尺的区域，即大致为标称流速；LG是流速大约为每秒23英尺的区域，接近标称流速；G是流速大约为每秒19英尺的区域；LB是流速大约为每秒10英尺的区域；B是流量大约为每秒4至8英尺的区域。如图8中显而易见的，流速在距传感器21、22一距离处要高得多，在与传感器元件接触处几乎不存在25fps的流量(或可忽略不计的流量)。实际上，与传感器21、22接触的流量根本不与25fps的标称流量一致，并且与传感器接触的介质的平均速度远低于标称流量。在传感器21、22的正上游，速度显示为大约19fps，在传感器的下游，介质的速度一路降至8至10fps。传感器之间的低流量实际上高于标称流量，但是流动区域不与传感器接触。传感器21、22附近的流速不能真正代表管道中介质的标称流量，而管道中介质的标称流量是流量计旨在测量的流量。因此，传感器21、22检测到的质量流速不可能公正地表示管道内的实况。

图7示出了针对流量计量系统观察到的速度图，所述流量计量系统比如图2中所示的具有热传感器26、27的流量计量系统，除图7的流量调节器25包括流量计组件13之外。

在这种情况下，标称流量大约为每秒40英尺。现在参照速度图左边的图表对速度图的图例说明进行描述。R是流速大约为每秒40英尺或更高的区域；LR是流速大约为每秒33英尺的区域；O是流速大约为每秒28英尺的区域；Y是流速大约为每秒24英尺的区域；LG是流速大约为每秒20英尺的区域；G是流速大约为每秒16英尺的区域；LB是流速大约为每秒8-12英尺的区域；B是流速大约为每秒0-4英尺的区域。由图7可以清楚看到，与在图8的计量系统中关于流量观察到的情况相比较，传感器26、27附近的流速与流量计量系统13上游的标称流速要一致得多。与传感器26、27接触的流速的范围从高于40fps降至大约26fps。由于两个探针明显部分地被大约40fps或更高的介质流包围，因此流量计的读数比图8的流量计的读数要准确得多。传感器26、27附近的这些流速与管道中的标称流量非常一致。

为了获得图7中所示传感器周围的较佳流量，在此给出了一些示例性尺寸。楔形元件31两侧之间的顶点45的角度的范围可以是90°-140°，优选大约120°。壁31a、31b与相应传感器26、27之间的距离(图5中的间隙51、52)大约为0.015-0.045英寸，优选大约为0.030英寸。由图5可以看出，示出了顶点45出现在传感器26、27之间的中线处。对于120°的顶点来说，这是优选的，但不完全是强制性的。对于其他顶角来说，顶点相对于传感器之间中线的位置会改变，优选地，将从壁31a、31b到传感器之间的距离大致保持在0.030英寸的范围内。

尽管以上阐述涉及壁31a、31b，顶点45和热电偶套管26、27的对称配置，但本发明实施例并不要求那些关系来以更有用的方式返回作用。楔形壁中之一与相邻热电偶套管之间的关系主要只和有源传感器有关。靠近基准传感器的楔形壁并不那么重要。因此，顶点可以上下移动(相对于图5的定向)，只要保持相对于有源或加热传感器的文丘里效应即可。此外，如果顶角增大到大于120°，则该顶点可能位于从热电偶套管26至热电偶套管27的切线的左边。相反，如果顶角更小，小于120°，则顶点可以突出得超出热电偶套管的右切线。

由图7可以看出，当介质在传感器26、27周围流动并受楔形壁31a、31b限制时产生文丘里效应。这就具有以下效果，使至少部分围绕传感器元件的介质测得以标称流速或接近标称流速流动，或至少使标称流速平均化。通过实际测量，通过间隙51、52之间的流速大于标称流速，从而使平均值接近标称流速。

图9示出了在干扰源(诸如弯管、弯头或阀等)之后约5到18个直径长度下中线流速是如何不可预测地变化的。非常容易理解的是，插入下游小于大约20个直径长度的任何点的热流转换器由于不稳定流量的原因可能提供的读数不精确。当然，在三到五个直径长度处的有源传感器元件中有更多的热耗散，其中流速大约为54fps，而标称流速为50fps，落入大约20个直径长度处的速度。

再次参照图2和7，结合图8中的传统传感器，利用具有包括楔形元件31和护罩32的流量调节器的传统流量计观察到的改进是传感器26、27附近的流动介质在穿过护罩32中的开口37后速度增加的结果。楔形元件的叉开壁31a、31b迫使流动介质在楔形元件周围移动并提高介质通过间隙51和52的速度。迫使流动介质在楔形元件上方移动或在撞击壁31a、31b后移动通过壁31a、31b的远端与护罩32侧部之间的缝隙53、54，从而使传感器附近的流动介质的平均速度保持在大约标称速度。因为流量调节器25使热电偶套管周围的介质流可预测且一致，降低了传感器26、27周围流动介质的速度的不一致性，从而提高来自传感器的读数的精确性。

已经发现，与缝隙53、54(图5)耦接的护罩的侧部55、56联合用来增加传感器26，27周围的流量。虽然可以改变，但已经发现通过使缝隙53、54大约为0.0120英寸，流量计具有一致且精确的输出。示出侧部55、56之间具有大约为55°的内含弧，且可以在25°-75°的范围内。

图5示出了护罩具有输入开口37和输出开口38。尽管在某些实施例中，侧部55、56与壁31a、31b的远端之间的间距有助于提高低调节器赖以发挥作用的流量计的精度，但是输出开口38的形状和尺寸本身并不重要。一旦介质碰到热电偶套管26、27和壁31a、31b，以及缝隙53、54，这与介质如何离开流量调节器无关。

作为一种可选择实施例，尽管没有护罩，但楔形元件也能结合传感器(图4)提供改进的质量流速读数。该结构是一种简化且有效的流量调节器。与护罩32的结合(图2和5)为流量计提供更大的精确度。从物理的角度讲，护罩32保护极其精密的传感器元件免受随管道中的介质流动的杂质和碎片损坏。此外，护罩对装有楔形元件31的流量计的质量流速读数的精确性有增强作用，因为护罩对流过护罩的介质的流量有影响。还发现，不带楔形元件的护罩也可单独提高流量计的精度。这是另一个可选择实施例。流量调节器无论是采用了只带热电偶套管的楔形元件、还是采用了只带热电偶套管的护罩、还是将楔形元件和护罩与热电偶套管相组合，这样的流量调节器都趋于缓和上游干扰。

在某些情况下，热流计量系统采用以分时基础工作的单个传感器。也就是说，代替具有一个加热或有源传感器以及一个非加热或基准传感器的情况，单个传感器在作为加热传感器与作为基准传感器两种状态之间切换。在这样的实施例中，只用单个对角壁来取代楔形元件并将其设置成紧挨着容纳传感器的热电偶套管。这种接近程度将在下文中更详细地阐述。在图10中示出了这样一个实施例。在该实施例中，将热电偶套管26、27中的传感器组合成单个分时传感器元件。只需要具有靠近热电偶套管的壁31b的单个叶片31。当传感器为有源或加热传感器时，流过间隙58的介质流提高了热电偶套管的至少一部分周围的速度。如前所述，当用作基准传感器时，热电偶套管周围的流量并不特别重要，因为其表示的是介质的环境温度，而不是热耗散的测量值。除了以分时方式工作以外，图10的实施例以与本文提出的其他实施例基本上相同的方式运行。壁31b相对于介质流动方向A的角度大约为45°-70°。

传感器以传统方式安装至盖子33并延伸穿过盖子33。楔形元件31可以任何适当的方式(比如焊接，钎焊或利用适当的粘合剂)安装至盖子33。类似地，护罩32也紧固至盖子33。还可以将盖子和护罩模制或加工在一起，或将盖子、护罩和楔形元件模制或加工在一起。

应考虑到具有在此示出和建议的本发明实施例的结构所涉及的介质可以是任何类型的流体，无论是液态或是气态的。此外，尽管显示楔形元件31具有开放式V形状，但可以是填充的楔形，使它具有三角形状，或可以是凸弧或凹弧。换句话说，楔形元件31的下游形状通常不重要。主要是与热电偶套管26、27和护罩32相互作用的壁31a、31b的形状和位置为本发明的实施例提供了最佳功能。虽然楔形元件31的壁示出为连续的，但即使壁形成为屏风状或具有多个或大量孔或具有狭槽，它们也可必要地可对所考虑的实施例起作用。介质可以在不连续的表面上充分流动，并且效果很好。

Claims (18)

1.一种流体流量调节器装置，所述流体流量调节器装置与热流仪器一起使用，所述热流仪器至少具有一对平行间隔的其中具有传感元件的热流量热电偶套管，所述热流量热电偶套管被构造成将被设置在管道中的介质流中，所述装置包括：

设置于距所述热电偶套管下游预定距离处的楔形元件，所述楔形元件至少具有沿流动方向叉开的一对壁。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括部分包围所述楔形元件和所述热电偶套管的护罩元件，所述护罩元件中具有使介质在碰到所述楔形元件和所述热电偶套管时能够流过其中的通道。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述护罩元件形成有限定一上游开口的相对的、间隔的壁，并且其中所述楔形元件的所述叉开壁具有远端，所述远端与所述热电偶套管下游的所述护罩的所述间隔壁间隔预定的距离。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述热电偶套管和所述楔形元件基本上在同等范围内延伸到所述护罩的内部。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一对壁从一顶点线处叉开，所述顶点线由所述叉开壁限定，所述一对叉开壁在顶点处相遇，沿所述流动方向在下游形成90°-140°范围内的角。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述顶点线垂直于所述流动方向并基本上位于所述热电偶套管之间。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热电偶套管中的至少一个包括加热传感器，另一个包括基准传感器，所述加热传感器热电偶套管与所述叉开壁中的相应一个间隔预定的距离。

8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括部分包围所述楔形元件和所述热电偶套管的护罩元件，所述护罩具有位于其中的一上游开口，所述上游开口形成为允许介质流入所述护罩且撞击所述热电偶套管和所述楔形元件。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述护罩元件形成有限定所述上游开口的相对的、间隔的壁，并且其中所述楔形元件的所述叉开壁具有远端，所述远端与所述热电偶套管下游的所述护罩的所述间隔壁间隔预定的距离。

10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述热电偶套管和所述楔形元件基本上在同等范围内延伸到所述护罩的内部。

11.一种调节沿流动方向在管道内流动的介质的方法，所述管道至少具有一对平行间隔的其中具有传感元件的热流量热电偶套管，所述热流量热电偶套管被设置在管道中的介质流中，所述方法包括：

当所述介质流过所述热电偶套管时借助于一楔形元件使所述介质分叉，所述楔形元件具有沿所述流动方向定位于所述热电偶套管下游的一对叉开壁。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括借助于一护罩引导流动介质围绕所述楔形元件和所述热电偶套管且经过所述楔形元件和所述热电偶套管，所述护罩部分围绕所述楔形元件和所述热电偶套管，所述护罩沿所述流动方向在所述热电偶套管上游形成有一开口。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述护罩形成有限定上游的所述开口的相对的、间隔的壁，所述方法进一步包括将楔形元件的这对叉开壁定位成使得这对叉开壁端部邻近于所述护罩的间隔壁且与所述护罩的间隔壁间隔预定的距离。

14.根据权利要求11所述的方法，其中通过一对叉开壁实现使所述介质分叉，这对叉开壁形成一顶点，这对壁从所述顶点处叉开，其中所述顶点沿所述流动方向形成在这对叉开壁的上游端处并且所述顶点具有沿流动方向面向下游的90°-140°范围内的角。

15.一种流体流量调节器装置，所述流体流量调节器装置与热流仪器一起使用，所述热流仪器具有其中具有传感元件的至少一个热流量热电偶套管，所述热流量热电偶套管被设置在管道中的介质流中，所述装置包括：

设置于距所述热电偶套管下游一预定距离处的壁元件，所述壁元件相对于流动方向成对角线地定向；以及

部分包围所述壁元件和所述热电偶套管的护罩元件，所述护罩元件具有位于其中的上游开口，所述上游开口形成得允许介质流入所述护罩且撞击所述热电偶套管和所述壁元件。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述壁元件设置在相对于流动方向成45°-70°范围内的角处。

17.一种流体流量调节器装置，所述流体流量调节器装置与热流仪器一起使用，所述热流仪器具有至少一对平行间隔的其中具有传感元件的热流量热电偶套管，所述热流量热电偶套管将被设置在管道中的介质流中，所述装置包括：

部分包围所述热电偶套管的护罩元件，所述护罩元件中具有一上游开口，所述上游开口被构造成允许介质流入所述护罩且撞击所述热电偶套管。

18.根据权利要求17所述的装置，进一步包括至少一个壁件，所述壁件邻近于至少一个所述热电偶套管并相对于所述介质流动方向以与至少一个所述热电偶套管成45°-70°角间隔开。

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