CN104048704A - 带法兰的渐缩管涡旋流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带法兰的涡旋流量计，该带法兰的涡旋流量计连接到带法兰的管道系统，所述带法兰的管道系统具有大于涡旋流量计边界的测量段的直径的直径。涡旋流量计具有直径从入口朝向测量段减小的入口法兰。位于测量段中的非流线形体产生旋涡，所述旋涡以与通过流量计的流体的流量成比例的频率交替。从在非流线形体处涡旋开始脱落到在非流线形体的下游流动通道第一次扩大的长度大于由非流线形体产生的旋涡的旋涡波长。

Description

带法兰的渐缩管涡旋流量计

技术领域

本发明涉及带法兰的渐缩管涡流流量计。具体地，本发明涉及将涡旋流量计连接到带法兰的管道系统，所述带法兰的管道系统的直径大于涡旋流量计的测量段的孔的直径。

背景技术

涡流流量计用在工业过程测量和控制领域以用于测量流体的流量。涡流流量计通常插入载运要被测量的流体的流动管中。工业应用包括石油、化工、纸浆和纸张、采矿和材料、油汽。涡旋流量计的工作原理是基于被称为冯卡门效应的涡旋脱落现象。当流体通过非流线形体时，流体分离并产生旋涡，所述旋涡沿着非流线形体的每一侧并在所述每一侧的后面交替脱落。这些旋涡引起波动压力区域，所述波动压力区域通过安装在非流线形体中或所述非流线形体下游的传感器被检测。虽然旋涡产生的频率基本上与流体速度成比例，但是该比例随管道雷诺数而变化。管道雷诺数是流体密度、流体速度、失水量以及管道内径的函数。

在管道系统中，期望保持雷诺数较低以减小管道系统中的功率损失。减小功率损失的这种期望导致使用大管道尺寸和管道系统中低量程的流体流速。

在涡流流量计中，可测量的流动范围受到限制。当流速在可测量流动的下限以下时，涡旋流量计不能可靠地提供流动的正确指示。

为此，已经研制了渐缩管涡流流量计，在该渐缩管涡流流量计中，流量计通过法兰连接到带法兰的管道系统。流量计的孔的测量段的直径小于与流量计连接的管段的内径。在上游或入口端处，流动通道从管道系统直径减小或收缩到流量计的孔直径。在下游或出口端处，通道的直径必须增加以与流量计下游的管道系统的直径相匹配。这通常通过在涡旋流量计的上游端处的锥形渐缩管段和下游端处的锥形扩大段来实现。

发明内容

涡旋流量计组件包括流量计主体，所述流量计主体具有在上游端与下游端之间延伸的流动通道。流量计流动通道优选地具有测量段，所述测量段具有大于6英寸的直径。渐缩管段位于流量计主体的上游与测量段之间。在渐缩管段中，直径从管道系统的大直径减小到测量段的直径。非流线形体位于测量段中以产生旋涡，所述旋涡以与通过流动通道的流体的流量相关的频率交替。测量段的从在非流线形体处涡旋开始脱落的位置到流动通道在非流线形体下游的第一直径扩大位置的长度大于由非流线形体产生的旋涡的波长。

附图说明

图1是现有技术渐缩管涡旋流量计的剖视图；

图2是显示来自图1所示的结构的8英寸渐缩管涡旋流量计的模拟4-20mA流动数据的曲线图；

图3是来自图1所示的结构的8英寸标准渐缩管涡旋流量计的示波器数据的曲线图；

图4是本发明的渐缩管涡旋流量计的剖视图；

图5是比较由图1所示和图4所示结构的8英寸渐缩管涡流流量计产生的流动信号的标准偏差的曲线图；

图6是显示来自图4的结构的8英寸渐缩管涡旋流量计的模拟4-20mA流动数据的曲线图；以及

图7是对于图1和图4的渐缩管涡流流量计的不同管道尺寸来说距离L_M与波长λ的比值的曲线图。

具体实施方式

图1显示安装在管道段12与14之间的现有技术渐缩管涡旋流量计10。流量计10包括流管16和变送器18。流管16由上游法兰渐缩管20、测量段22和下游法兰扩大部24形成。非流线形体26和传感器28位于流管16的测量段22内。管道段12和14具有大于测量段22的孔直径D_M的内径D_P。

法兰渐缩管20通过诸如螺栓和螺母(未示出)的紧固件连接到管段22。法兰渐缩管20包括锥形孔段30，所述锥形孔段30的直径从管直径D_P减小到测量孔直径D_M。恒定直径段32具有与测量段22相匹配的直径D_M。

法兰扩大部24位于测量段22与管段14之间。法兰扩大部包括位于测量段22的下游的恒定直径段34扩大段36，所述扩大段36呈锥形以从恒定直径段34的直径D_M增加到管14的直径D_P。法兰扩大部24通过诸如螺栓和螺母(未示出)的连接器安装到管14。

在图1中，过程流体从管12流动通过法兰渐缩管20并进入到测量段22。当过程流体通过法兰渐缩管20时，流动通道的直径从D_P缩小到D_M，并且流体的速度缓慢增加。

当过程流体遇到非流线形体26时，卡门效应涡旋脱落发生。过程流体分离并产生旋涡，所述旋涡沿着非流线形体26的每一侧并在所述每一个侧后面交替脱落。这些旋涡产生由传感器28检测的脉动压力区域。变送器18接收来自传感器28的传感器信号并基于漩涡产生的频率产生流量测量值。变送器18的输出是以模拟或数字形式被发送的流动值。例如，流动值可以由在从4mA到20mA范围内的双线回路上的模拟电流表示。可选地，流动值可以在使用HART数字协议的双线回路上、在使用数字协议的诸如基础现场总线的通信总线上、或通过使用诸如Wirelesshart(IEC62591)的无线协议的无线发送以数字形式被发送。

在图1中，传感器28被显示为安装在非流线形体26中。在其它实施例中，传感器28可以被定位成与非流线形体26分离位于非流线形体26的前面的下游的一个或多个位置处。

过程流体继续从测量段22流动到法兰扩大部24中。直径D_M在法兰扩大部24内不会改变直到过程流体到达扩大段36为止。此时，扩大段36的内径增加直到法兰扩大部24遇到管14为止。扩大段36为直径提供从D_M到D_P的平稳过渡。

如图1所示，长度L_M是从非流线形体26的前面(流体第一次遇到非流线形体26)到扩大段36(直径第一次开始从测量段直径D_M扩大到管径D_P)的距离。

涡流流量计被设计成安装在带法兰的管道系统中，所述管道系统包括不同压力范围和公称管径的标准化台肩的尺寸范围。这些台肩通常包括1/2英寸(15mm)、1英寸(25mm)、2英寸(50mm)、3英寸(80mm)、4英寸(100mm)、6英寸(150mm)、8英寸(200mm)、10英寸(250mm)以及12英寸(300mm)。类似于流量计10的渐缩管涡旋流量计通常具有测量孔直径D_M，所述测量孔直径D_M与安装渐缩管涡旋流量计的过程管道系统的管道直径D_P相差一个管尺寸台肩。

已经发现与标准“直通”对应物流量计相比(不包括渐缩管和扩大部)一些渐缩管涡流流量计可能会显示低精度和不稳定的信号。往往由较大直径的渐缩管涡流流量计显示降低的精度和不稳定信号，其中渐缩管流量计的总长度，以及具体地从非流线形体的前面到第一扩大部的长度L_M，相对于测量孔直径D_M较短。

测试结果显示非流线形体26下游的扩大部可能会不利地影响涡旋脱落信号的再现性。图2显示表示测量流动值对比时间的模拟4-20mA信号，来自具有图1所示的结构的8英寸渐缩管涡旋流量计(即，D_P＝8英寸，D_M＝6英寸)的。显示范围从1ft/s到21ft/s的流量的信号。图2显示了4-20mA信号中的突发下降(sporadic dips)。

图3显示用于产生图2的曲线图的相同的8英寸渐缩管涡旋流量计的示波器数据。图3显示了来自传感器的模拟信号和根据所述模拟信号产生的数字脉冲。示波器数据显示涡旋脱落信号的不稳定性可能会导致失误脉冲，从而在测量的流动值中产生脉动。

对于跟随的流体来说太急剧的直径扩大将导致边界层分离和瞬变压力梯度。这些压力梯度可能不利地影响涡旋流量计内的上游动态涡旋脱落。

图4显示了作为本发明的一个实施例的渐缩管涡旋流量计10A。渐缩管涡旋流量计10A类似于图1的现有技术流量计10，并且类似的附图标记用于表示类似的部件。图4的流管16A由于使用平直法兰24A而不同于图1所示的流管16。如图4所示，法兰24A仅包括从测量段22一直延伸到管14的恒定直径段34A。内径D_F在从非流线形体26的前方边缘到发生在法兰24A与管14之间的界面处的第一次扩大的整个长度L_M上恒定的。

本发明基于长度L_M可以与由非流线形体26产生的旋涡的波长有关的发现。旋涡的波长λ对于流量计10A的校准范围内的所有速度是恒定的。如果从在非流线形体26前面处涡旋开始脱落到在非流线形体26下游之间第一次扩大的距离L_M等于或超过旋涡波长，则每一个旋涡应该正确形成。如果L_M小于λ，则在旋涡中可能产生不稳定性。

在现有技术渐缩管流量计10的情况下，因为L_M与λ的比值小于1，因此当D_M是6英寸或更大时可能发生不稳定性。换句话说，对于6英寸或更大的D_M来说，现有技术渐缩管涡旋流量计10的L_M小于由非流线形体26产生的旋涡的旋涡波长λ。

为了确定渐缩管涡旋流量计10A所需的L_M的值，必须确定旋涡波长λ。以下公式显示如何可以为具体的涡旋脱落流量计确定λ。

λ＝v/f    公式1

其中λ等于旋涡波长，v等于流动速度，以及f等于旋涡频率。

$K=\frac{\mathrm{pul}}{\mathrm{Vol}}$    公式2

其中K是以每一单位体积(vol)的脉冲(pul)表征涡旋流量计的K系数。

$f=\frac{\mathrm{pul}}{t}$    公式3

其中t等于时间

$v=\frac{\mathrm{Vol}/t}{A}$    公式4

其中A等于横截面面积。

$\mathrm{\λ}=\left[\frac{\frac{\mathrm{Vol}/t}{A}}{\mathrm{pul}/t}\right]$    公式5

$\mathrm{\λ}=\left[\frac{\mathrm{Vol}}{\mathrm{pul}}\right]\·\left[\frac{1}{A}\right]$    公式6

$\mathrm{\λ}=\left[\frac{1}{K\·A}\right]$    公式7

如公式7所示，如果K系数和计量段22的横截面面积已知，则可以确定旋涡波长。每一个涡旋脱落流量计具有通常在工厂通过校准被确定的K系数。为了以下计算，已经使用用于不同尺寸的涡旋脱落流量计的标称K系数值。表1显示了对于不同渐缩管流量计的波长λ(英寸)。分别地，管道直径D_P的范围从1英寸到12英寸，并且相应的流量计内径D_M的范围从0.5英寸到10英寸。

表1

表1所示的波长，对于D_M达到4英寸来说，现有技术渐缩管涡旋流量计10具有大于旋涡波长的L_M值。然而，对于具有6英寸或更大测量内径D_M的图1的现有技术渐缩管流量计来说，旋涡波长λ超过长度L_M。

图5显示了比较由图1所示的现有技术设计的流量计10的8英寸渐缩管涡旋流量计与具有图4中的流量计10A的结构的8英寸渐缩管涡旋流量计产生的4-20mA信号的标准偏差的曲线图。对于流量从21ft/s下降至1ft/s每一个来说，显示了由每一个流量计产生的信号的标准偏差。图5显示了由流量计10A产生的信号的标准偏差一致小于由现有技术流量计10产生的信号的标准偏差。由流量计10A产生的涡旋脱落信号中的噪点是流量计10的50％。

图6显示了对于图4的渐缩管涡旋流量计10A来说4-20mA输出与时间。图6与图2的比较显示了存在于图2中所示的信号中的下降没有显示在图6所示的信号中。

图7是显示在范围从1英寸到12英寸标称管尺寸的不同管道尺寸D_P的情况下对于流量计10和流量计10A来说距离L_M与旋涡波长λ的比值的曲线图。如图7所示，现有技术流量计10具有大于1的比值，仅达到6英寸管道直径D_P(和4英寸D_M)。使用具有8英寸或更大管道直径D_P(和6英寸或更大D_M)的渐缩管流量计所有都具有小于1的L_M与λ的比值，因此存在可能导致失误脉冲的涡旋脱落的不稳定性。

相反地，本发明的流量计10A对于10英寸的管道直径始终具有大于或等于1的L_M与λ的比值。可能通过流量计10A通过L_M的小增加来实现在10英寸和12英寸(以及更高)管尺寸的增强的稳定性。对于10英寸管道直径这可以通过将法兰24A的长度增加大约0.25英寸来实现，而对于12英寸管道直径这可以通过将法兰24A的长度增加大约2英寸来实现。

虽然图4所示的段34A已经被显示为恒定直径段，但是在没有存在对于跟随的流体来说直径扩大太急剧的情况下段34A的直径可以具有微细锥度。换句话说，段34A的直径对于大于λ的L_M来说基本上恒定。在流量计10A的入口端处，渐缩管段30被显示为在管12与恒定直径段32之间具有平直锥度。提供从管径D_P到测量直径D_M的平稳过渡的其它轮廓可以用在法兰渐缩管30中。

虽然已经参照示例性实施例(一个或多个)描述了本发明，但是本领域的技术人员要理解的是在不背离本发明的保护范围的情况下可以对本发明的元件进行各种改变并且可以用等效形式代替本发明的元件。另外，在不背离本发明的实质保护范围的情况下，可以进行多种修改以使具体情况或材料适应本发明的教导。因此，目的是本发明不限于所公开的具体实施例(一个或多个)，而是本发明将包括落入所附权利要求的保护范围内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种涡旋流量计，包括：

流管主体，所述流管主体具有在上游端与下游端之间延伸的流动通道，所述流动通道具有直径为D_M的测量段和在上游端与测量段之间的渐缩管段，在所述渐缩管段中，直径从上游端处的大直径D_P减小到测量段的直径D_M；和

非流线形体，所述非流线形体位于测量段中以产生旋涡，所述旋涡以与通过流动通道的流体的流量相关的频率交替；

其中从在非流线形体处涡旋开始脱落的位置到在非流线形体下游流动通道的直径第一次扩大处的长度L_M大于由非流线形体产生的旋涡的旋涡波长λ。

2.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中，D_M为6英寸或更大。

3.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中，D_M为6英寸，D_P为8英寸。

4.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中，长度L_M大于大约6.6英寸。

5.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中，D_M为8英寸，D_P为10英寸。

6.根据权利要求5所述的涡旋流量计，其中，长度L_M大于大约8.7英寸。

7.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中，D_M为10英寸，D_P为12英寸。

8.根据权利要求7所述的涡旋流量计，其中，L_M大于大约11英寸。

9.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中，长度L_M和旋涡波长λ大于直径D_M。

10.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中，流管在上游端和下游端处具有管接法兰。

11.根据权利要求10所述的涡旋流量计，其中，直径D_M从非流线形体到流管主体的下游端基本上恒定。

12.一种涡旋流量计，包括：

流管主体，所述流管主体具有上游端和下游端、以及流动通道，所述流动通道的直径从上游端处的管直径D_P减小到6英寸或更大的测量孔直径D_M；和

非流线形体，所述非流线形体位于流动通道段中以产生旋涡，所述旋涡以与通过流动通道的流体的流量相关的频率交替，

其中对于在非流线形体的上游端处开始的长度L_M来说，流动通道具有基本上恒定的直径D_M，其中所述长度L_M大于由非流线形体产生的旋涡的旋涡波长λ。

13.根据权利要求12所述的涡旋流量计，其中，D_M为6英寸，D_P为8英寸。

14.根据权利要求12所述的涡旋流量计，其中，长度L_M大于大约6.6英寸。

15.根据权利要求12所述的涡旋流量计，其中，D_M为8英寸，D_P为10英寸。

16.根据权利要求15所述的涡旋流量计，其中，长度L_M大于大约8.7英寸。

17.根据权利要求12所述的涡旋流量计，其中，D_M为10英寸，D_P为12英寸。

18.根据权利要求17所述的涡旋流量计，其中，L_M大于大约11英寸。

19.根据权利要求12所述的涡旋流量计，其中，长度L_M和旋涡波长λ大于直径D_M。

20.根据权利要求12所述的涡旋流量计，其中，流管在上游端和下游端处具有管接法兰。

21.根据权利要求20所述的涡旋流量计，其中，直径D_M从非流线形体到流管主体的下游端基本上恒定。