CN108020275B - 在严苛环境中使用的涡流流量计 - Google Patents

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Abstract

用于测量流体的流率的涡流测量计，有流管和非流线形本体，该非流线形本体位于流管中，用于当流体流过该流管时使得流体中的涡旋发散。涡流流量计有传感器，以便检测涡旋。非流线形本体有朝前表面和覆盖该朝前表面的耐磨覆层。非流线形本体还合适地有从朝前表面向下游延伸的凸起。非流线形本体适当地有耐磨覆层，该耐磨覆层覆盖凸起的至少一部分。在一个实施例中，整个非流线形本体完全由耐磨覆层覆盖。流管段的内表面也能够有耐磨特性。

Description

在严苛环境中使用的涡流流量计
技术领域
本发明总体上涉及涡流流量计，更特别是涉及测量流体的流率的涡流流量计，该流体可能有导致在流量计内部产生严苛环境的特性。
背景技术
流量计可以测量在管中或其它通道中的流体的流率。流体例如可以是气体或液体，并且可以是可压缩的或不可压缩的。一种类型的流量计是涡流流量计，该涡流流量计基于涡流发散原理来测量参数，例如包括流率。涡流发散是指这样的自然过程：经过非流线形本体(有时称为脱落体)的流体会导致沿非流线形本体的表面形成缓慢运动流体的边界层。在非流线形本体后面产生低压区域，并使得边界层卷起，这在非流线形本体的相对侧连续地产生涡旋。该涡旋引起压力变化，该压力变化可以由压力传感器来检测。涡流发散的压力变化的频率与流率相关。因此，通过测量压力变化的频率，可以确定流率。
涡流流量计提供涡流频率数据，该涡流频率数据能够与流量标定系数结合使用，确定通过流量计的流体的速度和容积流率。利用输入的流体密度值，还能够计算质量流率。这些测量值和其它值能够通过通信线路而传输至控制室或其它接收器，例如标准的双线4-20毫安(“mA”)传输线。
在一些应用中(例如在石油和天然气、采矿、化工和废品工业中)，由涡流流量计监测的流体流有时可能包括沙子、矿物质或其它磨蚀颗粒。经过一段时间，磨蚀流体流能够侵蚀非流线形本体、包含非流线形本体的导管内表面、和/或涡流流量计的其它结构部。用于将涡流发散频率转换为容积流率的标定系数是基于涡流流量计的非流线形本体和其它部件的初始物理结构的。磨蚀流体对这些结构的侵蚀将引起流量计中的误差。因此，磨蚀流体会降低涡流流量计的寿命。
本发明人已经开发了在后面详细介绍的系统和方法，该系统和方法提高了将涡流流量计应用于包含磨蚀颗粒的流体的能力。
发明内容
本发明的一个方面是一种用于测量流体的流率的涡流测量计。该涡流测量计有流管和非流线形本体，该非流线形本体位于流管中，用于在流体流过该流管时使得流体中的涡旋发散。传感器定位得用于对涡旋进行检测。非流线形本体有朝前表面和覆盖所述朝前表面的耐磨覆层。
本发明的另一方面是一种用于测量流体的流率的涡流测量计。该涡流测量计有流管和非流线形本体，该非流线形本体位于流管中，用于在流体流过该流管时使得流体中的涡旋发散。传感器定位得用于对涡旋进行检测。非流线型本体有朝前表面和从所述朝前表面向下游延伸的凸起。所述朝前表面的宽度比所述凸起的宽度更宽。非流线形本体有耐磨覆层，该耐磨覆层覆盖所述凸起的至少一部分。
本发明的另一方面是一种用于测量流体的流率的涡流测量计。该涡流测量计有流管和金属非流线形本体，该金属非流线形本体位于流管中，用于在流体流过该流管时使得流体中的涡旋发散。传感器定位得用于对涡旋进行检测。金属非流线形本体有由相对更软的材料制造的芯以及覆盖该芯的至少一部分的耐磨金属覆层。该耐磨金属覆层的硬度超过芯的硬度。
其它的目的和特征中的一部分是显然可知的，一部分在后面指出。
附图说明
图1是涡流测量计的一个实施例的透视图，其中，该涡流测量计的流管的一部分被除去，以便表示内部特征；
图2是流管沿包含它的中心轴线的水平平面的剖视图，表示了该流管的下部部分；以及
图3是具有耐磨覆层的非流线形本体的一个实施例的放大示意俯视图。
在全部附图中，相应的参考标记表示相应的部件。
具体实施方式
下面参考附图，首先参考图1，用于测量流体流率的涡流测量计的一个实施例总体表示为101。涡流测量计101包括流管103，流体能够流过该流管103。流管103合适地设置成用于安装在流体流动管线(未示出)中。例如，处理连接件105(例如凸缘)在流管103的相对端上，用于使得流管的进口107和出口109与管线中的管端部连接。在工业中，还通常使用所谓的薄片连接(或“夹心连接”)来将流量计安装在流体管线中，且需要时，流管能够适用于薄片连接(或任意其它类型的连接)。在不脱离本发明范围的情况下，还能够使用其它类型的连接。
非流线形本体121(在工业中，有时称为涡流发散器或发散器杆)定位在流管103中。该非流线形本体121是一种构件，其局部地阻碍流体流过流管103，目的是在流体流过流管时在流体中产生涡旋。在相对较宽的流动条件范围中，涡旋的频率与流体的速度成正比。因为流管103的截面流动面积恒定，所以涡旋的频率也与容积流率成正比。这种现象是本领域技术人员公知的，不需要详细说明。而且，当已经知道或测量了流体的密度时，能够从容积流率导出质量流率。
广义地说，非流线形本体能够有任意结构，只要能够在流过非流线形本体的流体流中产生涡旋即可。在所示实施例中，非流线形本体121是基本刚性结构，它的端部固定在流管103上，以使得响应于压力波动而产生的非流线形本体的运动最小化，该压力波动与由该非流线形本体形成的涡旋相关。不过，当需要时，能够将非流线形本体设计成响应于与涡旋相关的压力波动而弯曲或以其它方式运动。参考图2和3，在所示实施例中的非流线形本体121有基本平的朝前表面123。平的朝前表面123定向得大致垂直于流过流管103的总体流动方向。非流线形本体121还有凸起125，该凸起125定向得从朝前表面123向下游延伸。凸起125大致垂直于非流线形本体121的朝前表面123而适当地延伸。朝前表面123的宽度W1比凸起125的宽度W2更宽。凸起125还大致平行于流管的中心轴线129。例如，凸起125能够与流管的中心轴线129对齐，如图2中所示。凸起125使得非流线形本体121有T形截面。凸起125用作分流器，它延长了在非流线形本体的相对侧上的流体的分离。凸起125的一个合适效果是它能够增加涡流发散的规则性，特别是提高了在涡流发散频率和流体流率之间的相关性的线性。图2和3中所示的非流线形本体121的截面形状只是用于非流线形本体的合适形状的一个实例。适用于非流线形本体的截面形状的其它非限定实例包括矩形、梯形、圆形、菱形和三角形。分流凸起能够包括这些形状中的任一种。其它实例能够在例如美国专利No.4464939中找到，该文献的内容被本文参引。
涡流测量计101包括传感器131，该传感器131定位成用于检测由非流线形本体121产生的涡旋。如图所示，传感器131在非流线形本体121的顶部处合适地定位在流管的井133中。在该实施例中，传感器131与流过流管103的流体直接接触。这使得传感器131能够直接检测涡旋。不过，可以设想传感器能够定位成间接地检测涡旋，例如通过检测非流线形本体或其它结构的运动，该非流线形本体或其它结构设计成响应于与在流体中形成的涡旋相关的压力波动而弯曲或以其它方式运动。在所示实施例中，传感器131是压差传感器。应当理解，在本发明的范围内，传感器131能够位于其它位置，例如在非流线形本体上或非流线形本体的下游。还可以理解，能够检测由非流线形本体形成的涡旋的任意类型传感器都可以使用。
涡流测量计101包括发射器141，该发射器141从传感器131接收表示涡流形成频率的信号。发射器141包括处理器或电路(未示出)，该处理器或电路用于基于来自传感器131的信号而输出表示流过流管103的流体流率的测量信号。例如，发射器141能够设置成与使用4-20mA、HART、基础现场总线技术(Foundation Fieldbus)或任意其它通信协议的分布式控制系统进行通信。
由管道承载的流体可以是液体、气体或者液体和气体的混合物。流体还可以包含固体颗粒，例如沙子、污物、灰尘、金属屑等，它们有侵蚀暴露于磨蚀流体中的材料的能力。非流线形本体121包括耐磨覆层145，以便保护非流线形本体而防止侵蚀或磨损。非流线形本体121有金属芯，该金属芯由比耐磨覆层的材料更软的材料来制造。例如，合适的是，覆层145的硬度在大约50至大约80HRC的范围内(根据用于金属材料的洛氏硬度的ASTM E18-16标准测试方法来测量)，而非流线形本体的芯具有小于大约50HRC的硬度，合适的是，覆层的表面光洁度在大约63至125Ra的范围内，非流线形本体121的芯147适当地由不锈钢、
Figure BDA0001455979110000051
双相不锈钢、其它高镍合金、碳钢、沉淀硬化不锈钢等来制造。耐磨覆层145能够通过焊接、金属喷涂、钎焊、其它热附接技术等而固定在非流线形本体的芯147上。耐磨覆层145能够由与非流线形本体121的芯147相同或相似类型材料的更硬或硬化形式来制造，或者非流线形本体的覆层和芯能够由不同的材料来制造。
耐磨覆层145合适地保护非流线型本体121的、由于该非流线形本体与流动流体的相互作用和/或由该非流线形本体形成的涡旋影响而特别容易受到侵蚀的部分。耐磨覆层145还保护非流线形本体121的、对最佳涡旋的形成有较大影响的部分。朝前表面123面对流体流，这能够增加在朝前表面和包含在流体中的潜在磨蚀颗粒之间发生碰撞的可能性。非流线形本体121的朝前拐角151对于最佳涡流的形成也是非常重要的，因为在这些边缘处开始涡流发散，且线性涡流测量需要在涡流卷起之前“固定”边界层的分离点。因此，所示实施例中的耐磨覆层145覆盖非流线形本体121的朝前表面123(例如，在整个朝前表面123上连续地延伸)。而且，耐磨覆层145从朝前拐角151向下游延伸至少一些距离，以便帮助保持在非流线形本体121的前部的尖锐边缘。
耐磨覆层145还覆盖分流凸起125的至少一部分。例如，如图所示，耐磨覆层145覆盖分流凸起125的各侧部155的至少一部分。耐磨覆层145在分流凸起125的尾端合适地覆盖向内渐缩侧部159a的至少一部分。
在所示实施例中，非流线形本体121的整个外表面由耐磨覆层145覆盖。不过，这可能并不是必需的。能够在一个或多个目标区域(例如非流线形本体的朝前表面和/或分流凸起的尾部部分)上使用覆层，而非流线形本体的其它部分并不由覆层覆盖。例如，非流线形本体的某些部分可能经常暴露于局部停滞的流动，且可能希望在这些区域上省略覆层，以便减少与覆层相关的成本。
在流动液体中的磨蚀材料也会导致流管103内表面161的侵蚀，这可能损害测量计的性能。该问题会由于在流体中的、与非流线形本体下游的涡旋相关的旋转运动而加剧。尽管能够在流管的内表面上使用耐磨覆层，但是由于覆层的前边缘将暴露于流体流中并且产生不希望的阻力，因此这将产生问题。还有，流管直径的突然变化也将在流体流中产生湍流，这可能损害测量计的操作。在所示的实施例中，通过硬化处理来处理流管侧壁163的内表面161的一个或多个部分165，以使得在流管的该部分中的金属更耐磨。用于流管侧壁163的合适的硬化处理包括但不局限于：火焰喷涂、等离子体转移电弧覆盖、快速电弧覆盖、氧-乙炔覆盖、喷雾熔融面对、等离子体电弧喷涂、高速涂覆、等离子体-PTA技术、等离子体表面硬化、PTA管道硬化等。合适的是，处理区域165的硬度超过流管103的内表面161的未处理部分167的硬度。
在所示实施例中，有用于硬度处理的单个区域165，且该区域基本上覆盖从非流线形本体向下游延伸的一段流管103的整个内表面161。例如，用于硬度处理的区域165合适地从非流线形本体121的上游的大约1/4管直径延伸至非流线形本体下游的大约1/4管直径，更合适是从非流线形本体121上游的大约1/2管直径延伸至非流线形本体下游的大约1/2管直径。对于一些应用，可能希望内表面161的硬化区域165基本连续地一直在处理连接件105之间延伸。
除了上面所述，流量计101的操作与普通的涡流测量计基本相同。在使用测量计101来测量流体流率时，非流线形本体121通过由耐磨覆层145保护而在一定程度上防止受到磨损颗粒的侵蚀。同样地，已经通过硬化处理而硬化的、流管103的内表面161的任意部分165也受到一定程度的抗侵蚀保护。这延长了流量计101的使用寿命，特别是当与磨蚀流体一起使用时。
当引入本发明优选实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”的意思是有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“有”将是包容性的，意思是可以有除了列出的元素之外的其它元素。
如前所述，可以看见，实现了本发明的多个目的，并获得了其它的有利结果。
因为在不脱离本发明范围的情况下能够在上述结构中可以进行多种变化，因此包含在上述说明书中和在附图中表示的所有内容都应该解释为说明性，而不是限制性。

Claims (16)

1.一种用于测量流体的流率的涡流测量计，该涡流测量计包括：
流管；
非流线形本体，所述非流线形本体位于所述流管中，用于在流体流过所述流管时使得流体中的涡旋发散，所述非流线形本体具有朝前表面和从所述朝前表面向下游延伸的凸起，所述朝前表面的宽度比所述凸起的宽度更宽；以及
传感器，所述传感器定位得用于检测所述涡旋；
其中，所述非流线形本体有耐磨覆层，所述耐磨覆层覆盖所述朝前表面，并覆盖所述凸起的至少一部分；
其中，所述非流线形本体的朝前表面由相对较软的材料来制造，而所述耐磨覆层由相对较硬的材料来制造。
2.根据权利要求1所述的涡流测量计，其特征在于：所述朝前表面是基本平的，并大致垂直于流过所述流管的总体流动方向。
3.如权利要求2所述的涡流测量计，其特征在于：所述耐磨覆层在整个所述朝前表面上连续延伸。
4.根据权利要求1所述的涡流测量计，其特征在于：所述凸起包括分流器。
5.根据权利要求1所述的涡流测量计，其特征在于：所述凸起有位于所述朝前表面的后面的侧部，所述耐磨覆层覆盖所述凸起的各侧部的至少一部分。
6.根据权利要求1所述的涡流测量计，其特征在于：所述凸起具有尾端，所述尾端有向内渐缩的侧部，且所述耐磨覆层覆盖所述向内渐缩的侧部的至少一部分。
7.根据权利要求1所述的涡流测量计，其特征在于：所述非流线形本体具有T形截面形状。
8.根据权利要求1所述的涡流测量计，其特征在于：所述流管有内表面，所述内表面的至少一部分的硬度超过用于制造所述流管的基材的硬度，以便保护所述流管的内表面而防止与涡旋相关的磨损。
9.根据权利要求1所述的涡流测量计，其特征在于：所述非流线形本体的朝前表面和所述耐磨损覆层各自包括金属。
10.一种用于测量流体的流率的涡流测量计，该涡流测量计包括：
流管；
非流线形本体，所述非流线形本体位于流管中，用于在流体流过所述流管时使得流体中的涡旋发散；
传感器，所述传感器定位得用于检测所述涡旋；
其中，所述非流线型本体有朝前表面和从所述朝前表面向下游延伸的凸起，所述朝前表面的宽度比所述凸起的宽度更宽，且所述非流线形本体还有耐磨覆层，所述耐磨覆层覆盖所述凸起的至少一部分；其中，所述非流线形本体的朝前表面由相对较软的材料来制造，而所述耐磨覆层由相对较硬的材料来制造。
11.根据权利要求10所述的涡流测量计，其特征在于：所述凸起包括分流器。
12.根据权利要求10所述的涡流测量计，其特征在于：所述凸起有位于所述朝前表面的后面的侧部，且所述耐磨覆层覆盖所述凸起的各侧部的至少一部分。
13.根据权利要求10所述的涡流测量计，其特征在于：所述凸起有尾端，所述尾端有向内渐缩的侧部，且所述耐磨覆层覆盖所述向内渐缩的侧部的至少一部分。
14.根据权利要求10所述的涡流测量计，其特征在于：所述非流线形本体有T形截面形状。
15.一种用于测量流体的流率的涡流测量计，该涡流测量计包括：
流管；
金属非流线形本体，所述金属非流线形本体位于流管中，用于在流体流过所述流管时使得流体中的涡旋发散；
传感器，所述传感器定位得用于检测所述涡旋；
其中，所述金属非流线形本体有由相对更软的材料制造的芯以及耐磨金属覆层，所述芯具有朝前表面和从所述朝前表面向下游延伸的凸起，所述朝前表面的宽度比所述凸起的宽度更宽，所述耐磨金属覆层覆盖所述朝前表面，并覆盖所述芯的所述凸起的至少一部分，所述耐磨金属覆层的硬度超过所述芯的硬度。
16.根据权利要求15所述的涡流测量计，其特征在于：所述流管有内表面，且所述内表面的至少一部分的硬度超过用于制造所述流管的基材的硬度，以便保护所述流管的内表面而防止与涡旋相关的磨损。
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