CN1321244A - 降噪压差测量探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有改进信噪比的压力差测量探头。该探头包括一大致平展的、纵向延伸的冲击表面(46),该冲击表面能够在冲击流体中形成高压拱面。
Description
发明背景
加工工业采用了过程变量传感器来监测与化工加工厂、纸浆加工厂、石油加工厂、制药厂，食品加工厂及其它加工厂中的物质，如固体，悬浮液，液体，蒸汽及气体相关的过程变量。过程变量包括压力、温度、流量、水平、浑浊度、密度、浓度、化学组成及其它参数。工作流体流量变送器提供了与探测的工作流体流动相关的输出。流量变送器的输出可通过过程控制回路与一控制室联系，或者该输出可以与另一处理装置相连，这样，可以对所述过程进行监测和控制。
通过调节管道的内部几何形状并采用有关流动流体中测得的压力差的算法来测定封闭管道中测量流体流速已经是公知的了。通常，通过例如采用文氏管来改变管道的横截面，或通过插入如节流孔板或平均皮托管等流量调节装置的管道中来改变管道的几何形状。
平均皮托管通常包括一略微阻止管道内流体流动的异形非流线体。一些平均皮托管中的一个局限性在于探测的压力差数据中的信噪比较低。在压差测量装置，如流量变送器的文献中，“噪音”指的是从一个数据点至另一个数据点读取的平均压力读数所得的瞬间偏离。压力差传感器的皮托管中产生的噪音起源于朝向皮托管侧部上游侧的冲击压力传感器和通常在皮托管下游侧的低压力压力端口。
随着压力差传感器和数据采集系统越来越复杂和灵敏，因此，它们也对压力感应元件产生的噪音也变得越来越敏感，并且越来越易受其影响。因此，压力差感应元件，如流量变送器的噪音特性在其选择和操作中变得更为重要。因此，有必要提供一种改进信噪比的压力差感应元件。
发明概述
本发明提供了一种具有改进信噪比的压力差测量探头。该探头包括一大致平展的、纵向延伸的冲击表面，该表面的结构能在接近一个或多个冲击孔的冲击流体中产生较高压力的拱面(dome)。高压拱面在冲击表面形成了一个增大的停滞区，以迅速提供更准确的压力测量。一非冲击表面设有用于在停滞点测量非冲击压力的非冲击孔，以便能够测量冲击表面和非冲击表面之间的压力差。
附图概述
图1和2为说明本发明实施例中工作环境的过程测量系统的示意图。
图3a和3b分别为过程测量系统12和压力差测量探头20的系统框图。
图4为本发明一个实施例中“T”形非流线体的局部透视图，为了更好地揭示本发明而作了局部剖视。
图5为沿图4中3-3线所示的横截面图。弯曲的箭头指示了非流线型体周围流体流动的一般方向。
图6为说明平面非流线型体的另一实施例的局部透视图。
图7为说明平面非流线型体的大致V形横截面的另一实施例的局部透视图。
图8为另一实施例的局部透视图，其描述了平面非流线型体的大致U形横截面。
图9为绕图4中压力差测量探头流动的流体的示意图。
图10-12为说明本发明降噪实施例中压力随时间变化的曲线图。
详细说明
虽然参照压力差测量探头的特定实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域有经验的技术人员应认识到在不偏离本发明思想和范围的基础上，可以对本发明的形式和细节作出改动，对此将在所附的权利要求中进行限定。
图1为过程控制系统10的示意图，其描述了本发明实施例中工作环境的一个例子。压力测量系统12通过程控制回路16与控制室14(由一电压源和电阻模制造而成)相连。回路16能够采用任何正确的协议在测量系统12和控制室14之间传递流体信息。例如，过程控制回路16根据加工工业标准协议，如Highway Addressable RemoteTransducer(HART),FOUNDATIONTMFieldbus或其它任何适合的协议进行工作。
图2描述了一种工作流体容器，如管道或封闭管道18的剖视部分，在其内部安装有一个平均皮托管型的压力差测量探头20。根据后面在说明书中将更详细描述的本发明的一个实施例构成探头20的非流线型体22。非流线型体22径向横跨管道18的内部。图2中方向箭头24表明了管道18中流体流动的方向。一流体歧管26和流量变送器13如图所示，被安装在皮托管20的外端。变送器13包括一压力传感器28，该压力传感器经通道30(在图2中以剖视图所示)与探头20流通地相连接。
图3a和3b分别为压力差测量系统12和压力差测量探头20的系统框图。系统12包括流量变送器13和压力差测量探头20。系统12可与一过程控制回路，例如回路16相连接，并适于传递与管道18流体流动压差相关的过程变量输出。系统12的变送器13包括一回路通信装置(loop communicator)32、压力传感器28、测量电路34及控制器36。
回路通信装置32可以与过程控制回路，如回路16相连，并适于与过程控制回路进行联系。这种联系可根据任何适合的加工工业标准协议，如上文所讨论的协议进行。
压力传感器28包括经通道30分别与第一增压腔42和第二增压腔44相连的第一端口38和第二端口40。传感器28可以是具有响应所施加压力变化的电特性的任何装置。例如，传感器28可以是作用在电容响应端口38和40间的压力差变化的电容压力传感器。如果需要，传感器28可以包括一对压敏元件，以便每一增压腔均与其自己的压敏元件相配合。
测量电路34与传感器28相连接，且其结构能提供与端口38和40间压力差相关的传感器的输出。测量电路34可以是能提供与压力差相关的合适信号的任何电路。例如，测量电路可以是模拟-数字转换器，电容-数字转换器或任何其它合适的电路。
控制器36与测量电路34和回路通信装置32相连。控制器36用于对回路通信装置32提供过程变量输出，该输出与由测量电路34提供的传感器输出相关。控制器36可以是一种可编程序的门矩阵(GateArray)装置，微处理器或任何其它合适的装置。
尽管参照单个模块对回路通信装置32，测量电路34和控制器36进行了介绍，但是应考虑可将它们结合在例如Application SpecificIntegrated Circuit(ASIC)上。
压力差测量探头20通过通道30与变送器13相连。这样，传感器28的端口38与第一增压腔42相连，而传感器28的端口40与第二增压腔44相连。“增压腔”是一个通道，一个孔道，一根管子或类似装置，其允许将具有特定特性或压力的流体导入其内并通过它来传导或输送流体。
第一增压腔42包括一纵向延伸的冲击表面46，其具有至少一个用于把压力从冲击表面46传送至传感器28的端口38的冲击孔48。在一些实施例中，表面46的宽度范围为大约12.7毫米(0.50英寸)至大约50.8毫米(2.00英寸)。如图2,4和5所示，基本上所有的冲击表面46均与由箭头24所示的流体流动的上游方向垂直。如图2和4-8所示，至少一个冲击孔48可具有适宜的宽度。例如，孔48的宽度范围为大约0.762毫米(0.030英寸)至大约6.35毫米(0.250英寸)。因此，大于大约8∶1的增压腔宽度与孔宽度之比能够提供有益的效果。另外，孔42可以采用纵向延伸狭缝的形式。这种狭缝能够提高压力信号中噪音的降低，从而提高了测量系统的信噪比。当使用一个狭缝时，重要的是，狭缝的宽度应小于与其相连的增压腔的内部宽度。另外，可使用多个可彼此横向或纵向分离的狭缝，此外，狭缝也同样适用于下游的孔。
第二增压腔44包括一个与冲击表面46分离的非冲击表面50。非冲击表面50包括至少一个非冲击孔52，其用于把压力从非冲击表面传送到传感器28的端口40。如图2和4-8所示，在本发明的实施例中可使用多种结构。通常，对于每一实施例，第一和第二增压腔42，44中至少一个增压腔的形状应在至少一个非冲击孔52处形成一流体停滞点。如果不需要第二增压腔，可在管道18的壁中设置一压力计接口，从而使非冲击孔52设置在管道18内，以将非冲击压力传递至端口40。例如，孔52可被设置在最接近管道18的内壁处。另外，可使流量变送器13和探头20在工厂制造时预先匹配以对特定不同的流体测量应用提供增强的精确性，寿命和诊断性。
图4和5分别为皮托管20的非流性型体22的局部横截面视图。如图所示，非流性型体的截面类似字母“T”，其包括一棒状部分54，该棒状部分在字母“T”顶部具有一个钝头，大致平面式冲击表面46。非流性型体的截面也描述了从棒状部分54中心大致垂直伸出的字母“T”的杆部56。在非流性型体的透视图或侧视图中，可看到所谓“T”的杆为一纵向凸出的肋56，其从平面棒状部分背侧沿下游方向伸出。
为了提高低压测量中的信噪比，如图4所示，非流性型体22的长度和宽度(L/W)的比应大于0.5且小于1.5。比值1可提供理想的结果。
第一和第二增压腔42和44沿非流性型体的长度被设置在非流性型体内部，且第一和第二增压腔伸入部分皮托管20内，所述皮托管20伸出流体输送管道18并延伸至流量变送器13。
图2描述了位于流体输送管道18内部的非流性型体22，以便最接近棒54的钝头、平面式冲击表面46朝向流体的前部且垂直于流体流24的方向。这种取向能够提供延伸穿过表面46的相当大高压拱面，从而形成更有效的冲击停滞区。凸出的肋56大致平行于流体流在管道18中的方向。
在本发明的一个实施例中，可以用一个或多个狭窄的缝隙式开孔代替在传统平均皮托管中非流性型体上游表面的多个标准的高压探测孔，每一缝隙式开孔均横向位于棒状部分54的中央且大致纵向延伸通过非流性型体22的整个长度。狭缝在管道18内的高压(冲击)流体和增压腔42之间提供联络，从而把流体的冲击压力导入增压腔42内并传递至流量变送器13内的压力传感器28的端口38。假如狭缝可作为更宽更大的增压腔的入口，与多个分离的圆形孔不同，狭缝结构可进一步降低与高流体压力相关的噪音。为降低噪音，狭缝本身不必作为增压腔。例如，若位于棒状部分表面的狭缝为0.762毫米(0.030英寸)宽，并且增压腔42为3.2毫米(0.125英寸)宽，可以得到令人满意的信噪比。这些尺寸和比例仅仅作为示例，且不应局限于此。
通过一个或多个下游孔52，或位于非流性型体22的棒54之后的一个纵向延伸的狭缝，能够将非冲击流体导入皮托管20中的第二增压腔44内。如图5所示，非流性型体22的棒状部分54在绕棒54侧向末端的边缘58和60流动的流体中产生放射涡流，从而在邻近棒54后侧50且环绕凸起的肋56侧面的区域中形成流体的停滞。“T”形实施例中肋56的主要功能在于沿下游方向延长由平面棒54的侧棱58和60形成的流体涡流的再附着点。涡流的延时能够增大停滞区的尺寸，因此减小了压力差测量的低压分量中的残余噪音。
在棒54的上游侧棱58上的锐角将会在棒的周围产生放射涡流，但是，与由非流性型体的流体轮廓中更圆滑侧棱形成的涡流相比，强烈或突变的涡流对于形成静止状态的流体停滞是不理想的。虽然特定圆度规格必须取决于非流性型体的尺寸，而非流性型体的尺寸本身取决于流体输送管道18的尺寸，但是一般认为对于由直径为25.4cm(10英寸)的导管加工而成的非流性型体，具有半径为大约0.4-0.8毫米(1/64-1/32英寸)的前缘拐角是较适合的。
非流性型体的钝头冲击面与侧棱一起产生了增强的流体流动特性及放射涡流，其在流动的流体中会形成降噪静止状态。虽然本发明的一个实施例利用了按一般说法被认为是“平展”的冲击表面，但显然，也可使用略微不同于一般“平展”表面的冲击表面。例如，与适度波纹状、粗糙或扇形表面一样，略微凸起的表面也能够满足需要。凹形表面将会维持流体流动的特性且其侧棱能够提供必要的流动分离。因此，对于本发明的说明书及其所附的权利要求而言，“平展”意味着这样的表面，其与正常平面的凸形、朝向上游的偏离不大于非流性型体宽度0.134倍(0.134×W)或其与正常平面的凹形偏离度是极大的。
本发明的其它实施例如图6-8所示。在每个实施例中，其共同特点在于具有一个或多个狭窄的高压流体导入狭缝开孔的钝头平展冲击面。这些可选择的实施例与上述实施例间的主要差别在于取决于棒延伸部分的下游部分的形状和位置，其能够在涡流的再附着中提供延时。下游延伸部分的不同结构会导致流体停滞区形状和尺寸的变化。对非流性型体的形状或设计的选择通常可取决于与测量环境相关的几个因素，其中包括例如成本、流体特性、输送流体的管道尺寸的流体流速范围。
图6描述了一种非流性型体22a的基本形式，其没有再附着延伸部分或凸起的肋。非流性型体70设有一平展冲击端面72，其具有至少一个狭窄的狭缝48a，所述狭缝经非流性型体将高压流体导入第一增压腔42a，且将高压流体导入皮托管的外部，并继续传导入流量变送器13。非流性型体内部的有限空间44a与非冲击孔52a相连，并经非流性型体将低压流体导入皮托管的外部，并导入流量变送器13。由放射涡流产生的停滞区小于由图2和4-5所示的“T”形实施例的停滞区，但是，其在低压测量中增强了残余噪音降低的效果。冲击狭缝48a在非流性型体表面上的设置能获得与“T”形实施例中高压测量相似的信噪比增量。
图7说明了一种V形非流性型体22b，其具有一个平面棒状部分54b，所述棒状部分朝向上游且设有一与以前所讨论的实施例一样的纵向延伸的冲击狭缝48b和第一增压腔42b。用于延迟流体涡流再附着的下游延伸部分采用的形式为一对凸起肋或支臂74和76，它们悬挂于棒54b背侧的侧端且向外岔开进入流动的流体流中。同在棒边缘78和80与支臂74和76的外侧边缘82和84之间一样，支臂的侧棱86(非流性型体的流体轮廓的侧棱)形成了最大量的流体边界层的分离，从而在支臂之间产生了一个流体静止状态区。棒54b的宽度L1应小于或等于整个非流性型体的总宽度L2。多个纵向分离的非冲击孔52b被设置在支臂74,76的内侧且在支臂体中与第二增压腔44b连通，以将低压流体输送至压力传感器。
本发明中非流性型体22c的另一实施例如图8所示。这种非流性型体与图7中非流性型体的主要区别在于支臂74c和76c垂直于棒状部分54c的背侧，因此所形成的结构具有类似字母“U”形的横截面。与在图2和4-5所示实施例中所看到的动作相同，涡流从棒54c的上游边缘78c和80c发散。在非流性型体22的支臂74c和76c之间形成了停滞区。多个纵向分离的非冲击孔52c在支臂74c和76c内部，被设置在棒54c的背侧且在支臂体中与内部空间或增压腔44c连通，以将低压流体输送至流量变送器13中的压力传感器28的端口40。
图9为环绕图4中压力差测量探头形状流动的流体的示意图。如图9所示，大致平展冲击表面在最接近冲击表面的流体中形成了一个高压拱面。
图10-12为压力随时间变化的曲线图，其说明了本发明中降低噪音的实施例。图10为与现有技术相关的压力差测量探头的采样压力的曲线图。图11说明了压力采样的曲线图，其由装有图2和4-8所示的冲击狭缝的探头测得。图12说明了压力采样的曲线图，其由装有大致平展冲击表面及图2和4-8所示的冲击狭缝的探头测得。如图10-12所示，在压力差测量系统中可以显著降低噪音。这种噪音的降低为压力差的准确指示提供了更快速的计算，从而可提供更有效的过程控制。
Claims (19)
1．一种适于安装在流体输送管道内的压力差测量探头，该探头包括：
一与第一压力传感器端口相连的第一增压腔，第一增压腔包括一个冲击表面，在该表面中设有至少一个冲击孔，以将压力从冲击表面传送至第一压力传感器的端口；
一与冲击表面分离的非冲击表面，该非冲击表面中设有至少一个非冲击孔，用于将压力从非冲击表面传送至第二压力传感器的端口；
其特征在于，冲击表面纵向延伸且基本上是平展的，以便所述管道内的流体能冲击大致平展的冲击表面。
2．根据权利要求1所述的探头，其特征在于还包括：一第二增压腔，其中，非冲击表面位于第二增压腔上。
3．根据权利要求2所述的探头，其特征在于：第一和第二增压腔由一向下游延伸的纵向肋分离。
4．根据权利要求3所述的探头，其特征在于：所述肋垂直于冲击表面设置。
5．根据权利要求2所述的探头，其特征在于：第二增压腔包括一与第一增压腔结合的纵向延伸的肋部。
6．根据权利要求5所述的探头，其特征在于：至少一个非冲击孔设置在肋部。
7．根据权利要求2所述的探头，其特征在于：非冲击表面基本上是平展的。
8．根据权利要求7所述的探头，其特征在于：非冲击表面大致平行于冲击表面。
9．根据权利要求2所述的探头，其特征在于：第二增压腔成形为包括一对纵向延伸的肋部，所述肋部相对于冲击表面岔开。
10．根据权利要求9所述的探头，其特征在于：非冲击表面被设置在一个侧向延伸的肋部的一部分上，该肋部朝向另一个侧向延伸的肋部。
11．根据权利要求2所述的探头，其特征在于：第二增压腔成形为包括一对分离的纵向延伸的肋部，其中，每一个肋部均与冲击表面垂直。
12．根据权利要求1所述的探头，其特征在于：第一增压腔具有一定的增压腔宽度，冲击表面形成了横穿整个增压腔宽度的较高压力的集中区域。
13．根据权利要求12所述的探头，其特征在于：增压腔宽度范围为大约1.27厘米-大约5.08厘米。
14．根据权利要求1所述的探头，其特征在于：至少一个冲击孔具有的孔宽度为大约0.0762厘米至大约0.635厘米。
15．根据权利要求1所述的探头，其特征在于：第一增压腔具有一定的增压腔宽度，至少一个冲击孔具有一定的孔宽度，其中，增压腔宽度与孔宽度之比大于8∶1。
16．一种适于安装在流体输送管道内的压力差测量探头，该探头包括：
用于通过至少一个冲击孔探测冲击流体压力的装置；
用于通过至少一个非冲击孔探测非冲击流体压力的装置。
17．一种在输送流体的管道中测量压力差的方法，包括：
通过一纵向延伸的、大致平展的冲击表面产生上游压力；
从设置在冲击表面上的一个冲击孔将上游压力输送至第一压力传感器端口；
产生非冲击压力；
从一非冲击孔将非冲击压力输送至第二压力传感器端口，非冲击孔与冲击孔分离。
18．一种压力差测量系统，其可与一过程控制回路相连，且用于输送与流体管道中流体流动的压力差相关的过程变量输出值，该系统包括：
一个过程压力传感器包括：
一个回路通信装置，其可与过程控制回路相连且适于与过程控制回路连通；
至少一个具有第一和第二压力入口的压力传感器；
与至少一个压力传感器相连的测量电路，其用于提供与第一和第二压力入口之间的压力差相关的传感器输出；
一与测量电路和回路通信装置相连的控制器，所述控制器用于对回路通信装置提供过程变量输出，所述过程变量输出与传感器输出相关；
一适于安装在流体输送管道内的压力差测量探头，该探头包括：
一与第一压力入口相连的第一增压腔，第一增压腔包括一带有至少一个冲击孔的纵向延伸的冲击表面，所述冲击孔将压力从冲击表面传送到第一压力传感器端口；
一与冲击表面分离的非冲击表面，该非冲击表面具有至少一个用于将压力从非冲击表面传送到第二压力传感器端口的非冲击孔。
19．根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述变送器和探头匹配以适用于特定的用途。
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