CN103298397A - 管路内流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量流量的装置。在其中具有聚合物的管被激活，接下来在下游检测由聚合物释放的剂。在下游对剂的检测提供将执行的流量的计算。

Description

管路内流量计

相关申请

本公开是要求2011年1月17日提交的临时申请序列号61/433408的优先权的非临时申请，其公开的内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于测量流量的装置和方法。更具体地说，本公开涉及用于测量流量的装置和方法，其中被测量的流的干扰降低。

背景技术

传统的管路内流量计本质上是机械的，需要读取在安装的管路内流量计的位置处的指示器。一个这种传统的流量计被销售为Omega工程公司的FL500系列管路内流量计。

传统的流量计的一般操作提供流动的流体以便在流动的流体管或管道中安装的机械装置壳体的一端进入。流动的流体迫使活塞克服弹簧在流量计设备内移动。相对流动的流体产生的压力，弹簧被压缩。活塞还容纳流动流体，允许它在活塞周边周围通过，并继续通过管路内流量计的出口。

活塞的一部分通过壳体的透明部分可见。在印在透明部分上的刻度下观察活塞的位置。相对于刻度的活塞的位置给出流体的流速。因此，传统的机械式流量计依赖由弹簧加载的活塞进行的间接压力测量。

发明内容

本公开提供一种流量计，包括：具有腔的流容器；设置为与腔连通的介质，该介质保持着剂；发射位置，该发射位置靠近所述介质，并且包括至少一个能量接收器，该至少一个能量接收器被配置为接收能量并且使所述剂从所述介质释放；以及检测位置，该检测位置在所述发射位置的下游并与其分开，所述检测位置包括至少一个检测器，该至少一个检测器提供所述剂的存在的检测。

根据本公开的一个实施例，一种检测流容器中的流速的方法包括：提供介质，该介质具有粘合到其上的剂，所述介质和剂设置为与所述流容器的腔连通；使物质流动通过所述流容器；对所述流容器提供能量，使所述剂从所述介质脱离，使得所述剂与在所述流容器内流动的物质相互混合；以及在所述介质下游的已知点检测所述剂的存在。

根据本公开的另一个实施例，提供一种流量计，包括：传感器；具有腔的流容器；设置成与所述腔连通的注入了剂的聚合物；发射位置，该发射位置靠近所述介质，并且包括至少一个能量接收器，该至少一个能量接收器被配置为在传感器的引导下接收能量并且使所述剂从所述聚合物释放；以及检测位置，该检测位置在所述发射位置的下游并与其分开第一距离，所述第一距离被提供给所述传感器，所述检测位置包括在所述腔中投射光的光源以及至少一个检测器，该至少一个检测器通过监测由所述至少一个检测器检测的投射光的量而检测所述剂的存在。

附图说明

通过参考本公开的实施例的下面的描述，结合附图，本公开的上述和其它特征将变得更加明显并且本公开本身将得到更好的理解，附图中：

图1是本公开的集成流量计的局部剖开的透视图；

图1a是图1的集成流量计的剖视图；

图2是集成流量计的另一实施例的侧平面图；

图3是集成流量计的另一实施例的侧平面图；

图4是检测器的一个实施例的透视图；

图5是图4的发射器安装在套管中的透视图；

图6是检测器的另一实施例的一部分的透视图；

图7是检测器的透视图，其包括图6中所示的部分；

图8是一个图表，显示了使用图1的流量计检测到的示例性的光强度形态。

在几个视图中，相应的参考标号表示相应的部件。本文中阐述的示例说明了本发明的示范性实施例，这样的示例不被解释为以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

图1提供了一个管10的形式的说明性的流路。虽然示出流路并且本文中描述为管10，但本公开的流路还可以包括其它配置。管10包括发射器位置12和与发射器位置隔开的检测器位置14。管10进一步联接到传感器100。

管10说明性地由透明塑料管构成。实施例还可以设想管10由光纤管构成。另外，实施例设想管10由透明塑料管（或任何其它合适的管）和光纤管的组合构成。管10的光纤部分设有所希望的衍射梯度。衍射梯度是被传播的光的量（相对于遗失）的一种表达。例如，管可以被设置成每英寸损失其能量的10%。因此，离源5英寸处的光的量是原本在源处所提供的量的59%。

发射器位置12包括设​​置在管10的腔16内的聚合物20。聚合物20包括光可检测的剂22，该光可检测的剂22通过对光不稳定的粘合剂连接到聚合物基体。一种这样的聚合物20在美国专利申请公开号2009/0118696（2007年10月31日提交的APPARATUS AND METHODS FOR THE CONTROLLABLE MODIFICATION OF COMPOUND CONCENTRATION IN A TUBE）中讨论了，在此明确通过引入而结合在本文中。发射器位置12还包括能量通路30。在本示例中，聚合物20被设置在管10内，提供至少一个腔，使流体流过聚合物20。可以设想另外的实施例，其中聚合物内的腔与腔16大小相等，并且聚合物20设置在直径增加的部分中。另一些实施例可以设想，其中聚合物20不在腔16内，而是位于管10之外，但仍然能够允许剂22传递进入腔16中。

在一个实施例中，聚合物20是水凝胶，可检测的剂22光不稳定地连接到水凝胶的分子。利用适当波长的辐射暴露光不稳定粘合剂来使光不稳定粘合剂断开，剂22和水凝胶之间的光不稳定连接说明性地断开。在一个实施例中，辐射源是调谐到足以断开光不稳定连接的波长段的激光器。然而，本发明还包含了辐射源包括工作在很宽的波长范围内的激光器以及非相干光的实施例。

检测器位置14包括检测器32。如图1所示，检测器32包括能量供应通路34和能量返回通路36。通路34，36被定位成使得由通路34供应的能量至少部分地由通路36接收和发送。

通路30，34，36联接到传感器100。通路30，34，36是说明性的光纤股。说明性地，通路30，34，36是端发光的光纤股。

传感器/控制器100包括能够将电信号转换成通路30，34，36中所用的光信号的模块。传感器100显示为通路30，34，36直接连接的集成构件。然而，应当认识到，实施例设想，模块与传感器100分离，使得在传感器100和模块之间具有电子导线用于在它们之间的通信。传感器100包括知道管10、发射器位置12、和检测器位置14的设置的各种物理特性的电子存储装置。

在使用中，管10包含流动的流体，例如液体或气体，也可以是固体颗粒物质流，如气溶胶或固体微粒。流体沿方向1000在管10内流动并且通过聚合物20。根据编程的设置或手动接合，传感器100发射一个信号，该信号导致能量沿通路30传导。

所发射的能量沿通路30行进，然后在管10中在发射器12处发射，使得聚合物20对其暴露。如在美国专利申请公开号2009/0118696中更详细所述，聚合物20暴露于所提供的能量导致剂22的释放。在示出的实施例中，发射的能量是光脉冲，诸如由规定的频率的激光器所产生的。

剂22由此从将它们保持在位的粘合剂释放。该释放形成剂22的团。该剂22的团的大小是由在发射器位置12所提供的光的强度和管10的衍射梯度决定的。最初，聚合物20充满剂22。因此，所提供的光的强度被选择成使得第一英寸（或其它所需要的长度）内的剂22将接收具有足够的能量来断开光不稳定粘合剂的光。因此，第一英寸内的剂22将被释放，而超过第一英寸的剂22不会受到足够的能量来断开粘合剂。系统随后需要的激励将要求增加光强度，使得给定衍射梯度，光将到达其中具有剂22的聚合物的另一段，使其释放。在所提供的图1所示的示例中，发射器位置12设置在聚合物20的该段的每一端。因此，在一半的剂22被释放时，第二发射器位置可以被替换使用，从而减少实现释放所需要的能量的量。还应当理解，这种离散的释放剂22的分段还允许增加剂22到达检测器位置14所必须行进的距离方面的特异性。

该释放使剂22的团被释放，使其受到在管10中流动的流体所施加的力。这些力沿着方向1000运送剂22。最终，该流导致剂22到达检测器位置14。

如前所述，检测器位置14具有通路34，36。通路34将传感器光200传送到外管表面。该光200然后继续通过管体，通过管壁的透明部分。光200然后进入管腔，并且提供光束206，该光束206穿过存在流动的流体的管腔的直径，并且到达腔的相对侧。出射光207与其进入管的相对侧类似的方式离开管，并通过通路36被带走。进入检测器位置14的光200以及离开检测器位置14的光207可以容易地从通常可用的光能量源行进较长距离，或到达合适的通常可用的光检测器进行处理。

激光器光200具有基本传输属性，其限定预期穿过管10的光的量和能够由通路36接收的流体的量。剂22的到来使得通路36所接收的光的量减少。

剂22的一个特性是它可以吸收和/或偏转通过管10的壁供应的光200。当剂22的团通过光束206时，光200的一部分将被吸收/偏转，之后其余的光作为光207离开。光207可行进相当大的距离，所以它的强度可以使用标准的光检测器确定。

图8表示光207的强度113随着时间的变化。时间t1（114）代表光团被提供给发射器位置12从而释放剂22的一部分的时间。时间t2（115）表示剂22的团通过检测器位置14处的光束的时间。在时间115处，由于剂22的光吸收/偏转，光207的强度113的测量值降低。

传感器100知道能量什么时候沿着通路30射出，知道在流体中没有剂22的情况下预期穿过管10的光的量，并检测当剂22存在于流体中时穿过管10的光的量。传感器100使用光吸收/偏转差异在剂22通过检测器位置14时检测剂22。传感器100还知道发射器位置12和检测器位置14之间的距离。

因此，吸收/偏转差异允许传感器100确定剂22的释放t1和到达t2之间的时间。通过还知道发射器位置12和检测器位置14之间的距离，以及通过知道影响剂22的流量的其它因素，可以确定管10内的流体的流速。

在位置12处释放后，剂22可以被认为溶解在紧紧围绕聚合物20的流体的一部分中。聚合物20还与对流流动的流体材料接触。据预计，溶液中的自由的剂22可能需要一段时间完全并入对流的流体流。如果重要的话，该有限的时间滞后t0可以从对于各种流速的校准测量进行量化。

在位置12，14之间沿管或管道的直线距离可以获得/提供为d1。流动的流体的速度（长度/时间）可以直接使用公式d1/（t2-（t0+t1））来计算。

这种类型的流量计对流体流动几乎没有阻力，从而不影响新的管路内流量计的任一侧上的压力梯度。随着流体流过传统的流量计，流动流体的可能的干扰能够导致增加的湍流，从而在流体内产生增加的剪切能量，这可能使得对剪切应力敏感的流体特性退化。

本公开的管路内流量计在其操作中还是线性的，并同样好地在相对快和相对慢的流速下运行。机械的管路内流量计潜在地受非线性弹性动作响应的限制，从而可能对非常慢和非常快的流速不敏感。此外，机械性质可能磨损并随时间而改变，而新的管路内流量计在其操作中保持不变，只要存在剂22即可。与出口侧相比，机械流量计可能导致增加头压力，或入口侧的压力。这些压力差是累加的，使得当将入口压力与最终出口压力比较时，串联放置的多个机械流量计产生更大的压力差。在大的工厂中，这可能是过程控制中的一个主要因素。

还应当理解的是，没有电气构件与新的管路内流量计直接相关联。对于传统管路内流量计的远程感测来说，需要机电机构，增加复杂性、失败的可能性和远程感测的成本。通过亲自地或可能通过摄像机远程观察窗口，能够进行机械流量计的本地感测。

不机械地干扰流动流体的优点可以用于容易堵塞或受剪切应力的流体，或是非常快或非常慢（静脉注射）流速的流体。图3示出了一种这样的实施方式。图3示出了带有输出管42的静脉注射袋40。输出管42设置有发射器位置12和检测器位置14。如上所述，管42内的流速因此可以被评估。

不使用机械机构和机电元件测量流速的优点允许测量爆炸性或挥发性流体的流速（飞机/汽车燃料控制和输送）。这允许相对于传统的流速测量更安全地进行燃料运输和搬运。应当认识到，剂22被选择成使得它的存在对流体的目的具有很小影响或没有影响（如燃料输送，剂22被选择成使得它不会对将在发动机中使用的燃料的能力有不利的影响以便不留下不希望的残渣）。

此外，本公开的管路内流量计不提供移动部件，从而减少故障点。流量计的操作还允许非常高和非常低的流速可以被检测到。传统的流量计经常要挑它们能够精确测量的高流速和低流速。

应当理解，流量计的管10的操作依赖于聚合物20的降解/改变以释放剂22。因此，发射器位置12的每次激活使用存在于聚合物20内的一些离散和有限量的剂22。因此，虽然这在管10是可置换的管，诸如管42的情况下带来小问题，但更永久和长期的实施方式可以从能够补充剂22和聚合物20的能力获益。

图2示出一个实施例，其提供了剂22和聚合物20的简单补充。管10'不是作为主要流体通路，其设置作为辅助通路。如果剂22耗尽，发射器位置12可以被裁剪，或以其他方式去除，利用带有聚合物20和剂22的新供应的新发射器位置12替代。可以设想实施例，聚合物20和剂22被提供为可容易地移除和更换的可移除盒的一部分。通过将额外的剂22和光不稳定粘合剂22引入聚合物20，可以对用完的盒或部分“再充入”。

除了剂22的耗尽之外，聚合物20的释放响应也受到聚合物20与能量被施加到管10的确切位置的距离的影响。如前所述，剂22的释放依赖于所提供的与光不稳定粘合剂22接触的能量。最可能与能量接触的粘合剂是最接近通路30与管10的接口的粘合剂。因此，最接近通路30的剂22最有可能被断开。随着更多的剂22被释放，仍然能够被释放的可用的剂22的大部分的位置变得更远离进入发射器盘的通路30。此外，沿通路30和管10的能量的透射率可能会随着距离增加而降低（通过设定的衍射梯度）。因此，可以想象到的是，能量以增加的强度或幅度被供应，以抵消任何预期损失。因此，因距离而造成的聚合物20的任何预期的响应降低可以被增加的能源供应抵消。

图4示出了另一个实施例的检测器位置14''。检测器位置14''提供与环50''相接的能量通路34，36作为检测器。环50''可以位于对接接头壳体内，类似于下面讨论的（见图5的对接接头壳体60）。

图5示出了另一个实施例的发射器位置12'。发射器位置12'提供能量通路30，能量通路30与“侧发光”光纤材料制成的环50接口。通过施加不透明的涂层至不需要光发的表面，环50的发光轮廓可以按需要定制。因此，在所提供的例子中，供应到环50的能量从其沿着侧面54发射。环50被设置在对接接头壳体60中。对接接头壳体60设有基本上等于环50的外直径的内直径。环50的尺寸使得它的外直径基本等于管10''的外直径。管10''是光纤管，其大小被制成为容纳在对接接头壳体60中。如图5所示，管10''容纳在对接接头壳体60内以抵接环50，并在它们之间建立流体密封。管10''具有设置在其中的聚合物20。因此，供应给环50的能量被供应到管10''并且由此传播。能量最终遇到聚合物20导致剂22释放。

图6示出另一个实施例的检测器位置14'的一半。检测器位置14'可连接到聚合物20的位置下游的管10，10'，10''。（此外，在图6中所示的一半也可以被用来作为另一个实施例的发射器位置12。）图7中示出了检测器位置14'的两个半部。可以设想其他的实施例，其中检测器位置14'的半部不分开，而是提供选择性施加到管10，10'，10''。检测器位置14'是可连接的，允许放置在其他标准管上。应当理解的是，检测器位置14'的可变放置要求这样的放置被连通或输入到传感器100。检测器位置14'类似检测器位置14地操作，其提供能量并且捕获能够穿过管10，10'，10''的能量以及其中的流体。

还可以设想实施例，其中，由传感器100分析射出光207的信号中的形态。这样的信号分析可以提供流特性，如混浊度、粘度、和湍流。此外，可以设想实施例，其中一个以上的传感器被安装在下游，以便能够确定波前特性和增加的精度。

虽然本发明已被描述为具有优选的设计，本发明可以在本公开的精神和范围之内进一步修改。因此，本申请意在覆盖本发明的利用其一般原理的任何变化，使用或改变。此外，该申请意在覆盖上述的偏离本公开的本发明所属领域的公知或习惯做法和落入所附权利要求范围内的限制。

Claims (20)

1.一种流量计，包括：

具有腔的流容器；

设置为与腔连通的介质，该介质保持着剂；

发射位置，该发射位置靠近所述介质，并且包括至少一个能量接收器，该至少一个能量接收器被配置为接收能量并且使所述剂从所述介质释放；以及

检测位置，该检测位置在所述发射位置的下游并与其分开，所述检测位置包括至少一个检测器，该至少一个检测器提供所述剂的存在的检测。

2.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述介质是聚合物。

3.如权利要求2所述的流量计，其特征在于，所述聚合物通过光不稳定的粘合剂而粘合到所述剂。

4.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述剂执行吸收光和散射光中的至少一个。

5.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述能量是光能。

6.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述发射位置包括光纤管。

7.如权利要求1所述的流量计，还包括传感器，所述传感器接收何时在所述发射位置接收能量的指示，并且所述传感器接收何时在所述检测位置存在剂的指示。

8.如权利要求7所述的流量计，其特征在于，所述传感器包括软件来分析何时在所述检测位置存在剂的指示，以便执行模式识别并且确定所测量的流的混浊度、粘度、和湍流中的至少一个。

9.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述检测器包括光源和光检测器，所述检测器检测来自所述光源的光的透射率。

10.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述能量不是电。

11.如权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流容器不含有移动部件，除了所述剂一旦从所述介质释放可以移动。

12.一种检测流容器中的流速的方法，包括：

提供介质，该介质具有粘合到其上的剂，所述介质和剂设置为与所述流容器的腔连通；

使物质流动通过所述流容器；

对所述流容器提供能量，使所述剂从所述介质脱离，使得所述剂与在所述流容器内流动的物质相互混合；以及

在所述介质下游的已知点检测所述剂的存在。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述剂光不稳定地粘合到聚合物，该聚合物联接到所述流容器。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，提供介质包括提供聚合物。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述聚合物通过光不稳定的粘合剂而粘合到所述剂。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述能量是光能。

17.如权利要求12所述的方法，还包括提供传感器，接收何时在所述发射位置收到能量的指示，以及接收何时在所述已知点存在所述剂的指示。

18.一种流量计，包括：

传感器；

具有腔的流容器；

设置成与所述腔连通的注入了剂的聚合物；

发射位置，该发射位置靠近所述介质，并且包括至少一个能量接收器，该至少一个能量接收器被配置为在传感器的引导下接收能量并且使所述剂从所述聚合物释放；以及

检测位置，该检测位置在所述发射位置的下游并与其分开第一距离，所述第一距离被提供给所述传感器，所述检测位置包括在所述腔中投射光的光源以及至少一个检测器，该至少一个检测器通过监测由所述至少一个检测器检测的投射光的量而检测所述剂的存在。

19.如权利要求18所述的流量计，其特征在于，所述发射位置包括光纤管，该光纤管带有限定的衍射梯度，该限定的衍射梯度与所提供的能量强度一起来确定释放到腔中的剂的量。

20.如权利要求18所述的流量计，其特征在于，所述注入了剂的聚合物中的聚合物和剂通过光不稳定的粘合剂而粘合在一起。

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