CN108779998A - 用于最大化流量计下调的方法及相关设备 - Google Patents

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Abstract

提供一种流量计(5)，其具有连接于计量电子设备(20)的传感器组件(10)。传感器组件(10)包括至少一个驱动器(104)、至少一个敏感元件(105)以及导管阵列(300)。导管阵列(300)包括其中的多个小导管(302)，该多个小导管(302)构造成接收过程流体，并且还构造成可选择地调整流量计(5)的β比。

Description

用于最大化流量计下调的方法及相关设备
技术领域
本发明涉及流量计，并且更具体地涉及构造成最大化下调的流量计及相关方法。
背景技术
振动传感器(如例如，振动密度计和科里奥利流量计)为众所周知的，并且用于测量与流过流量计中的导管的材料相关的质量流和其它信息。示例性科里奥利流量计在美国专利4,109,524、美国专利4,491,025和Re31,450中公开。这些流量计具有笔直或弯曲构造的一个或更多个导管。例如，科里奥利质量流量计中的每个导管构造具有一组自然振动模式，其可具有简单弯曲、扭转或耦合的类型。每个导管可驱动成在优选模式下振荡。
材料从流量计的入口侧上的连接的管线流动到流量计中，引导穿过(多个)导管，并且通过流量计的出口侧离开流量计。振动系统的自然振动模式部分地由导管和在导管内流动的材料的组合质量限定。
当不存在穿过流量计的流时，施加于(多个)导管的驱动力引起沿(多个)导管的所有点以相同的相位或以小"零偏移"(其为零流动下测得的时间延迟)振荡。在材料开始流过流量计时，科里奥利力引起沿(多个)导管的每个点具有不同的相位。例如，流量计的入口端部处的相位滞后于中央驱动器位置处的相位，而出口处的相位先于中央驱动器位置处的相位。(多个)导管上的敏感元件产生代表(多个)导管的运动的正弦信号。来自敏感元件的信号输出处理成确定敏感元件之间的时间延迟。两个或更多个敏感元件之间的时间延迟与流过(多个)导管的材料的质量流率成比例。
连接于驱动器的计量电子设备生成驱动信号来操作驱动器，并且还由从敏感元件接收的信号确定过程材料的质量流率和/或其它性质。驱动器可包括许多公知的布置中的一种；然而，磁体和相对的驱动线圈在流量计行业中取得巨大的成功。交变电流经过至驱动线圈，用于使(多个)导管在期望的导管振幅和频率下振动。本领域中还已知的是将敏感元件提供为非常类似于驱动器布置的磁体和线圈布置。然而，在驱动器接收引起运动的电流时，敏感元件可使用由驱动器提供的运动来引起电压。由敏感元件测得的时间延迟的大小非常小；经常以纳秒计。因此，必要的是使换能器输出为非常准确的。
在现有技术的流量计中，由于科里奥利力随速度的平方变化，故在科里奥利力变得较小时，更难以获得准确的测量结果，这导致误差。另一个结果是流量计具有相对小的下调率。
因此，在本领域中存在对用以最大化流量计的下调的方法及相关设备的需要。本实施例通过提供用以最大化流量计的下调的方法和相关设备来克服这些和其它问题。具体而言，提供流量计和相关方法，它们基于由流量计经历的过程流体流优化流动路径。在流减小时，流管布置改变以最佳地增大科里奥利力，因此实现较高的下调并且取得本领域中的进步。
发明内容
根据实施例提供一种具有连接于计量电子设备的传感器组件的流量计。传感器组件包括至少一个驱动器和至少一个敏感元件，并且还包括导管阵列，该导管阵列包括其中的多个小导管，该多个小导管构造成将过程流体接收在其中，并且进一步构造成可选择地调整流量计的β比。
根据实施例提供一种形成流量计的方法。提供包括导管和至少一个驱动器和附接于导管的至少一个敏感元件的传感器组件。导管包括导管阵列，该导管阵列还包括其中的多个小导管，该多个小导管构造成将过程流体接收在其中，并且构造成可选择地调整流量计的β比。
方面
根据方面，一种流量计具有连接于计量电子设备的传感器组件，其中传感器组件包括至少一个驱动器和至少一个敏感元件，包括导管阵列，该导管阵列包括其中的多个小导管，该多个小导管构造成将过程流体接收在其中，并且进一步构造成可选择地调整流量计的β比。
优选地，导管阵列包括3到30个之间的小导管。
优选地，导管阵列包括30到300个之间的小导管。
优选地，导管阵列包括30到3000个之间的小导管。
优选地，导管阵列构造成调整可用于过程流体流的小导管的总面积。
优选地，多个小导管中的每个能够选择成提供穿过其的流。
优选地，阀构造成提供与多个小导管的子集的流体连通，以便将过程流体接收在其中。
根据方面，一种形成流量计的方法包括提供传感器组件的步骤，该传感器组件包括导管和至少一个驱动器和附接于导管的至少一个敏感元件，其中导管包括导管阵列，该导管阵列包括其中的多个小导管，该多个小导管构造成将过程流体接收在其中，并且构造成可选择地调整流量计的β比。
优选地，导管阵列包括3到30个之间的小导管。
优选地，导管阵列包括30到300个之间的小导管。
优选地，导管阵列包括30到3000个之间的小导管。
优选地，该方法包括调整可用于过程流体流的小导管的总面积的步骤。
优选地，多个小导管中的每个能够选择成提供穿过其的流。
优选地，该方法包括提供阀的步骤，该阀构造成提供与多个小导管的子集的流体连通，以便将过程流体接收在其中。
附图说明
图1示出了根据实施例的流量计传感器组件；
图2示出了根据实施例的计量电子设备；
图3示出了现有技术的导管和根据实施例的导管阵列的截面比较；
图4示出了根据实施例的导管阵列的截面视图；
图5为将现有技术的流导管与根据实施例的导管阵列相比较的曲线图；
图6示出了根据实施例的传感器组件的部分；
图7示出了图6的传感器组件的断面视图；
图8示出了图3的断面视图的详图；
图9示出了根据实施例的传感器组件的部分；以及
图10示出了图9的传感器组件的导管的截面视图。
具体实施方式
图1-10和以下描述描绘特定实例，以教导本领域技术人员如何制作和使用本发明的最佳模式。为了教导发明的原理的目的，简化或省略某些常规方面。本领域技术人员将认识到落入本发明的范围内的这些实例的变型。本领域技术人员将认识到以下描述的特征可以以各种方式组合来形成本发明的多个变型。因此，本发明不限于以下描述的特定实例，而是仅由权利要求和它们的等同方案限制。
图1示出了包括一个或更多个计量电子设备20的、呈科里奥利流量计形式的流量计5传感器组件10的实例。一个或更多个计量电子设备20连接于传感器组件10，以测量流动材料的特征，如例如，密度、压力、质量流率、体积流率、总质量流量、温度以及其它信息。
传感器组件10包括一对法兰101和101'、歧管102和102'，以及导管103A和103B。歧管102,102'附连于导管103A,103B的相对端。歧管102,102'典型地为多件式组件。本实例的法兰101和101'附连于歧管102和102'。本实例的歧管102和102'附连于间隔件106的相对端。间隔件106在本实例中保持歧管102和102'之间的间距，以防止导管103A和103B中的非期望振动。导管103A和103B从歧管102和102'以平行方式向外延伸。当传感器组件10插入到运送过程材料的管线系统中时，材料经由入口管120穿过法兰101进入传感器组件10，穿过入口歧管102，其中总量的材料引导成进入导管103A和103B，流过导管103A和103B且回到出口歧管102'中，其中该材料通过法兰101'离开传感器组件10。
传感器组件10包括驱动器104。驱动器104在驱动器104可在驱动模式中使导管103A,103B振动的位置附连于导管103A和103B。更具体而言，驱动器104包括附连于导管103A的第一驱动器构件(未示出)和附连于导管103B的第二驱动器构件(未示出)。驱动器104可包括许多公知布置中的一种，如，安装于导管103A的磁体，以及安装于导管103B的相对的线圈。
在本实例中，驱动模式可为第一异相弯曲模式，并且导管103A和103B将选择和适当安装于入口歧管102和出口歧管102'，以便提供平衡的系统，其具有大致相同的质量分布、惯性矩，以及分别绕着弯曲轴线W-W和W'-W'的弹性模量。在本实例中，其中驱动模式为第一异相弯曲模式，导管103A和103B由驱动器104沿相反方向绕着它们的相应的弯曲轴线W-W和W'-W'驱动。呈交变电流形式的驱动信号可由一个或更多个计量电子设备20提供，如例如经由引线110，并且穿过线圈来引起两个导管103A,103B振荡。
所示传感器组件10包括附连于导管103A,103B的一对敏感元件105,105'。更具体而言，第一敏感构件(未示出)位于导管103A上，并且第二敏感构件(未示出)位于导管103B上。在描绘的实施例中，敏感元件105,105'可为电磁探测器，例如，敏感元件磁体和敏感元件线圈，它们产生代表导管103A,103B的速度和位置的敏感元件信号。例如，敏感元件105,105'可将敏感元件信号经由途径111,111'供应至一个或更多个计量电子设备。本领域技术人员将认识到，导管103A,103B的运动与流动材料的某些特征，例如，流过导管103A,103B的材料的质量流率和密度成比例。
在图1中所示的实例中，一个或更多个计量电子设备20从敏感元件105,105'接收敏感元件信号。路径26提供输入和输出器件，其允许一个或更多个计量电子设备20与操作者对接。一个或更多个计量电子设备20测量流动材料的特征，如例如，相差、频率、时间延迟、密度、质量流率、体积流率、总质量流量、温度、计量计验证、压力以及其它信息。更具体而言，一个或更多个计量电子设备20例如从敏感元件105,105'和一个或更多个温度传感器107，如，电阻温度探测器(RTD)接收一个或更多个信号，并且使用该信息来测量流动材料的特征。
图2示出了根据实施例的计量电子设备20。计量电子设备20可包括接口201和处理系统203。处理系统203可包括储存系统204。储存系统204可包括内部存储器，并且/或者可包括外部存储器。计量电子设备20可生成驱动信号211，并且经由途径110将驱动信号供应至驱动器104。此外，计量电子设备20可从传感器组件10接收传感器信号210，如，敏感元件/速度传感器信号、应变信号、光学信号、温度信号，或本领域中已知的任何其它信号。计量电子设备20可操作为密度计，或者可操作为质量流量计，包括操作为科里奥利流量计。应当认识到的是，计量电子设备20还可操作为某一其它类型的振动传感器组件，并且提供的特定实例不应当限制本实施例的范围。计量电子设备20可处理传感器信号210，以便获得流过流导管103的材料的流特征。在一些实施例中，计量电子设备20可接收来自例如一个或更多个RTD传感器或其它温度传感器107的温度信号212。
接口201可分别经由途径110, 111, 111'接收来自驱动器104或敏感元件105,105'的传感器信号。接口201可执行任何必要或期望的信号调节，如，任何方式的格式化、放大、缓冲等。作为备选，信号调节中的一些或所有可在处理系统203中执行。此外，接口201可实现计量电子设备20与外部装置之间的通信。接口201可能够进行任何方式的电子、光学或无线通信。
接口201在一个实施例中可包括数字转换器202，其中传感器信号包括模拟传感器信号。数字转换器202可采样和数字化模拟传感器信号并且产生数字传感器信号。数字转换器202还可执行任何所需的抽样，其中数字传感器信号抽样以便减少所需的信号处理量和减少处理时间。
处理系统203可进行计量电子设备20的操作，并且处理来自传感器组件10的流测量结果。处理系统203可执行一个或更多个处理例行程序，例如而不限于，如，操作例行程序213、密度例行程序214、质量流率例行程序215以及流动路径调制例行程序216，并且由此处理流测量结果，以便产生一个或更多个流测量结果，其最终用于操作流量计5，执行期望的功能，以及任何其它相关计算。
处理系统203可包括通用计算机、微处理系统、逻辑电路，或某一其它通用或定制处理装置。处理系统203可分布在多个处理装置之中。处理系统203可包括任何方式的集成或独立的电子储存介质，如，储存系统204。
处理系统203处理传感器信号210，以便除其它外还生成驱动信号211。驱动信号211供应至驱动器104，以便使相关联的(多个)导管，如例如，图1的导管103振动。
应当理解的是，计量电子设备20可包括本领域众所周知的各种其它构件和功能。这些附加特征出于简洁目的从说明书和附图中省略。因此，本发明不应当限于示出和论述的特定实施例。
根据实施例，计量电子设备20可构造成测量穿过流量计5的流，作为质量流率例行程序215的部分。根据实施例，计量电子设备20还可测量温度信号212，并且基于测得的温度来调整计算的流率。
科里奥利力可由以下示例性方程计算：
(1)
该方程指出在以频率(ω)振动的系统中以速度()移动的质量(m)将产生科里奥利力(F C )。该方程使用恒定质量用于计算。在流量计5中，流过其的质量典型地是稳态过程流体流。为了在给定时间处将该流体流看作单个块状质量，出于计算目的，可使用以下方程：
(2)
其中是过程流体的密度，并且A是流导管的面积，并且是时间差。应注意，在一些实施例中，时间差可为预定量的时间。组合前两个方程，形成以下方程：
(3)
假定流体流垂直于振动，方程可简化成：
(4)
本领域技术人员将清楚，对于流量计5，可由根据上文提到的方程的计量计设计改变的唯一参数是流导管103的截面面积(A)。作为流动路径调制例行程序216的实例，导管103的数量和/或面积，或导管103内或外的结构调制成调整传感器组件10内的流体流，如将在下面更完全地描述的。简言之，在实施例中，计量电子设备20可有助于调节传感器组件10的流动面积的调制。这可通过仅允许一定数量的流导管在特定时间处起效(active)来完成，如将在下面更完全地描述的。这准确地允许小流体流的测量，但是在没有大量压力损失的情况下处理高流率，因此最大化下调。连同调制起效导管的流动路径面积/数量，流动面积确定例行程序218储存起效导管103的确定面积，其可用于计算质量流量、密度流量和其它流量计5值。
在现有技术的流量计中，科里奥利力随过程流体速度的平方变化。在科里奥利力变得较小时，更难以准确地确定流率，这最终指示特定流量计的最大下调率。
转到图3，根据实施例，为了在质量流减小时增大灵敏度，流导管103的截面面积变为多个小导管来替代单个大管，如由导管阵列300示出的。导管阵列300提供多个小导管302。起效小导管302(允许过程流体穿过其的导管)的数量是可调整的。在质量流减小时，阻挡单独的小导管302，以便减小导管阵列300的总截面面积，并且因此增大流体速度。图3示出了具有四个小导管302的导管阵列300。这仅为实例，并且小导管302的数量可小到三个，并且大到几百或甚至几千个，如图4中所示。导管阵列可为如图4中的圆柱形，或如图3中的矩形。此外，设想正方形、三角形、多边形、椭圆形、弯曲或本领域中已知的任何其它形状的阵列。类似地，小导管302可为圆形、正方形、多边形和本领域中已知的任何其它形状。
在具有几百或几千个小导管302的实施例中，流量计5具有可极大地变化的截面面积范围，因此允许极高的下调。
继续参照图3，该图3示出实例，其中导管阵列300的小导管302的面积之和具有与所示标准流导管103相同的流动面积。由于仅存在四个小导管302，故每个小导管302具有标准流导管103的流动面积的25%。在质量流通过具有标准流导管103的现有技术的流量计减小时，将存在可不再可靠地确定质量流率的点。相比之下，提供的流量计5的实施例中的每个单独小导管302针对适当的预确定流率闭合，以减小导管阵列300的截面面积。这增大科里奥利力，并且允许较高的下调能力。
再次，注意，科里奥利力随过程流体流速的平方变化，使用任意单位的实例突出本实施例对现有技术的改进。这在图5的曲线图中示出。在8个单位的高质量流率下，标准流导管103中的科里奥利力将直接平方成等于64个单位。相同的64个单位将是使所有四个小导管302向流过其的流体开启的结果，因为标准流导管103的面积与组合的所有四个小导管302的面积相同。然而，如果质量流率减小到2个单位，则标准流导管103的科里奥利力将仅为4个单位。由于能够通过允许四个小导管302中的仅一个向流体流开启来调整导管阵列300，故流速保持相对高，因为流动面积仅为标准流导管103的25%。标准导管103的导管阵列300中的流的百分比在曲线图400的顶部处指出。因此，在该实例中，具有小导管302中的仅一个开启的导管阵列300的科里奥利力将为16个单位，其为将在现有技术的流量计中出现的400%。
考虑实施例的另一方式涉及β比。β比是计量计的有效直径对管线直径的比。现有技术的流量计典型地具有大约0.8的β比。发现这是准确性、灵敏度、压降和流率之间的良好折衷。β比(β)可确定如下：
(5)
其中：
β=β比；
D=入口管的直径；以及
d=导管的直径。
根据实施例，流量计5本质上是可变β比流量计，其允许保持理想的计量计直径，进一步允许β比变得较低，并且在流率和压降减小时提供更灵敏且准确的测量结果。对于给定的最大流率，导管的预确定最小截面面积需要用于最佳流量计性能，其通过开启附加的小导管302来提供。
在实施例中，在开启和闭合小导管302时，调整流动校准因子(FCF)。因此，计量电子设备20基于利用的小导管302的数量来应用适当的FCF。
图6-8示出了根据实施例的传感器组件10的部分。图6示出了阀组件600。阀组件600示为闸阀，但设想允许控制穿过小导管302的流体的任何类型的阀。图7示出了图6的截面，并且图8示出了流导管103A,103B的截面的详图。在该实施例中，每个流导管103A,103B包括导管阵列300，其具有与图4中所示的相似的截面。在阀组件600开启时，接近过程流体的小导管302的数量增加，这可适应如以上描述的较大流率。
图9和10示出了根据实施例的传感器组件10的部分。阀组件600示为闸阀，但设想允许控制穿过导管103a, 103b, 103a', 103b', 103a'', 103b'', 103a'''和103b'''的流体的任何类型的阀。图10示出了图9的导管103a, 103b, 103a', 103b', 103a'',103b'', 103a'''和103b'''的截面。在该实施例中，呈现多个流导管103a, 103b, 103a',103b', 103a'', 103b'', 103a'''和103b'''。根据实施例，为了在质量流减小时增大灵敏度，流导管103的截面面积可通过选择多个小导管的组合替代一个或两个大导管来改变。图9和10中所示的多个导管103示出了不同截面尺寸的8个导管。允许流体穿过其的起效导管103的数量是可调整的，并且由阀组件600来控制。在质量流减小时，可阻挡单独的导管103，以便减小起效导管103的总截面面积，因此增大流体速度。图9和10示出了具有八个导管103a, 103b, 103a', 103b', 103a'', 103b'', 103a'''和103b'''的导管阵列300。这仅是实例，并且导管的数量可小到三个，并且大到几百或甚至几千个，如图4中所示。此外，导管可具有相同的截面面积，或者可为不同的，如所示。
如以上描述的本发明提供了关于可变调制的流导管的各种系统和方法。尽管以上描述的各种实施例针对流量计，特别是科里奥利流量计，但应当认识到的是，本发明不应当限于科里奥利流量计，而是相反地，本文中描述的方法可与其它类型的流量计，或没有科里奥利流量计的测量能力中的一些的其它振动传感器一起使用。
以上实施例的详细描述不是由发明人设想的在本发明的范围内的所有实施例的详尽描述。实际上，本领域技术人员将认识到，以上描述的实施例的某些元件可不同地组合或消除以产生另外的实施例，并且此类另外的实施例落入本发明的范围和教导内。对本领域技术人员而言还将显而易见的是，以上描述的实施例可整体或部分地组合来产生本发明的范围和教导内的附加实施例。
因此，尽管本文中出于图示目的描述本发明的特定实施例和实例，但各种等同的改型可能在本发明的范围内，如相关领域的技术人员将认识的。本文中提供的教导可应用于其它振动传感器，并且不仅仅应用于以上描述和附图中示出的实施例。因此，本发明的范围应当由以下权利要求确定。

Claims (14)

1.一种具有连接于计量计电子设备(20)的传感器组件(10)的流量计(5)，其中所述传感器组件(10)包括至少一个驱动器(104)和至少一个敏感元件(105)，包括：
导管阵列(300)，所述导管阵列(300)包括其中的多个小导管(302)，所述多个小导管(302)构造成将过程流体接收在其中，并且构造成可选择地调整所述流量计(5)的β比。
2.根据权利要求1所述的流量计(5)，其特征在于，所述导管阵列(300)包括3到30个之间的小导管(302)。
3.根据权利要求1所述的流量计(5)，其特征在于，所述导管阵列(300)包括30到300个之间的小导管(302)。
4.根据权利要求1所述的流量计(5)，其特征在于，所述导管阵列(300)包括30到3000个之间的小导管(302)。
5.根据权利要求1所述的流量计(5)，其特征在于，所述导管阵列(300)构造成调整可用于过程流体流的所述小导管(302)的总面积。
6.根据权利要求1和权利要求5所述的流量计(5)，其特征在于，所述多个小导管(302)中的每个能够选择成提供穿过其的流。
7.根据权利要求1所述的流量计(5)，其特征在于，所述流量计(5)包括阀，所述阀构造成提供与所述多个小导管(302)的子集的流体连通，以便将所述过程流体接收在其中。
8.一种形成流量计的方法，其包括以下步骤：
提供传感器组件，所述传感器组件包括导管和至少一个驱动器和附接于所述导管的至少一个敏感元件，其中所述导管包括：
导管阵列，所述导管阵列包括其中的多个小导管，所述多个小导管构造成将过程流体接收在其中，并且构造成可选择地调整所述流量计的β比。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述导管阵列包括3到30个之间的小导管。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述导管阵列包括30到300个之间的小导管。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述导管阵列包括30到3000个之间的小导管。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括调整可用于过程流体流的所述小导管的总面积的步骤。
13.根据权利要求8和权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个小导管中的每个能够选择成提供穿过其的流。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供阀的步骤，所述阀构造成提供与所述多个小导管的子集的流体连通，以便将所述过程流体接收在其中。
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