CN211373907U - 非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统 - Google Patents

非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN211373907U
CN211373907U CN201921556637.3U CN201921556637U CN211373907U CN 211373907 U CN211373907 U CN 211373907U CN 201921556637 U CN201921556637 U CN 201921556637U CN 211373907 U CN211373907 U CN 211373907U
Authority
CN
China
Prior art keywords
process fluid
fluid conduit
gap
measurement
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201921556637.3U
Other languages
English (en)
Inventor
查尔斯·R·威勒克斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rosemount Inc
Original Assignee
Rosemount Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rosemount Inc filed Critical Rosemount Inc
Application granted granted Critical
Publication of CN211373907U publication Critical patent/CN211373907U/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L7/00—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • G01L7/02—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges
    • G01L7/024—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges with mechanical transmitting or indicating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/16—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring distance of clearance between spaced objects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L7/00—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • G01L7/02—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L7/00—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • G01L7/02—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges
    • G01L7/022—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges constructional details, e.g. mounting of elastically-deformable gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L7/00—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements
    • G01L7/02—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges
    • G01L7/026—Measuring the steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by mechanical or fluid pressure-sensitive elements in the form of elastically-deformable gauges with optical transmitting or indicating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0026—Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means
    • G01L9/0027—Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means using variations in ohmic resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0026—Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means
    • G01L9/0029—Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means using variations in inductance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0026—Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means
    • G01L9/003—Transmitting or indicating the displacement of flexible, deformable tubes by electric, electromechanical, magnetic or electromagnetic means using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • G01L9/125—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L2019/0053—Pressure sensors associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration, temperature

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

提供了一种非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统。该系统包括测量支架，测量支架被配置为耦接到过程流体导管的外表面。测量支架基于响应于过程流体导管中的过程流体压力的过程流体导管的变形来产生可变间隙。间隙测量系统耦接到测量支架，并基于对可变间隙的测量来提供电信号。控制器耦接到间隙测量系统，且被配置为基于电信号和与过程流体导管有关的信息来计算和提供过程流体压力。

Description

非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统
技术领域
本发明涉及一种用于非侵入式地测量过程流体导管内的过程流体压力的系统。
背景技术
许多工业过程通过管道或其他导管输送过程流体。这种过程流体可以包括液体、气体并且有时还包括夹带的固体。这些过程流体流可以在各种工业中找到，所述各种工业包括但不限于卫生食品和饮料生产、水处理、高纯度药物制造、化学处理、包括烃提取和处理在内的烃燃料工业以及利用磨蚀性和腐蚀性浆料的水力压裂技术。
如上所述，工业过程用于制造和运输许多类型的材料。在这样的系统中，使用压力传感器测量过程流体压力通常是有用的，压力传感器通常包含在过程流体压力传感器中或耦接到过程流体压力传感器，过程流体压力传感器电耦接到过程流体压力变送器，或是过程流体压力变送器的一部分，过程流体变送器将与压力有关的信息变送至一个或多个远程设备，例如控制室。变送经常在过程控制回路上进行。
在过程流体压力的测量中，相对常见的是使用过程流体导管中的孔或入口将压力传感器可操作地耦接到过程流体。在许多情况下，将隔离膜片放置为与过程流体直接接触，并响应于过程流体压力而弯曲。隔离膜片的相对侧与填充流体导管中的填充流体接触，该填充流体导管将隔离膜片的运动输送到压力传感器的感测膜片。压力传感器上的电结构(例如电阻性元件、电容性元件或压电元件)响应于压力传感器的感测膜片的运动，并提供可使用过程流体压力变送器的测量电子设备测量的信号。然而，这种方法可能并不总是实用的，因为过程流体可能具有非常高的温度，非常具有腐蚀性或两者兼而有之。另外，将压力传感器耦接到过程流体的过程侵入通常需要螺纹端口或导管中的其他鲁棒的机械安装/密封，因此必须在限定的位置处将其设计到过程流体流系统中。因此，尽管这些技术对于提供准确的过程流体压力指示是有用的，但是它们具有一些限制。
实用新型内容
提供了一种用于非侵入式地测量过程流体导管内的过程流体压力的系统。该系统包括测量支架，该测量支架被配置为耦接到过程流体导管的外表面。测量支架基于响应于过程流体导管中的过程流体压力的过程流体导管的变形来产生可变间隙。间隙测量系统耦接到测量支架，并基于对可变间隙的测量来提供电信号。控制器耦接到间隙测量系统，且被配置为基于电信号和与过程流体导管有关的信息来计算和提供过程流体压力。
附图说明
图1是示出响应于压力增加的过程流体导管的变形的截面示意图。
图2是示出根据本发明实施例的用于检测导管变形并将这种变形与过程流体压力相关联的各种参数的示意截面图。
图3是示出根据本发明实施例的变形检测器的示意截面图。
图4A至图4B是示出根据本发明的实施例的温度引起的尺寸改变对检测结构的影响的示意截面图。
图5是本发明实施例的间隙改变与过程流体压力的图。
图6A和图6B示出了当在内部施加压力时远离刚性夹具的管道外径的偏转的影响。
图7是根据本发明实施例的导管变形检测器的示意透视图。
图8是图7所示实施例的示意侧视图，其中位移传感器突出显示。
图9是列出关于具有各种壁厚的(外径4.5)不锈钢管道号在 1,000psi压力下的预期表面偏转的表。
图10是根据本发明一个实施例的设置在管道上方的夹紧传感器的示意截面图。
图11是示出根据本发明实施例的具有彼此径向相对设置的接近传感器的夹紧传感器的示意透视图。
图12和图13是示出当在内部将压力施加到其上夹紧有传感器的管道时夹紧组件的行为的示意有限元分析模型。
图14是根据本发明实施例的夹紧到过程流体导管并电耦接到变送器的夹紧传感器的示意图。
图15是根据本发明实施例的系统电子设备的示意图。
图16是根据本发明实施例的校准过程流体压力估计系统的方法的流程图。
图17是根据本发明实施例的以非侵入方式测量过程流体压力的方法的示意图。
图18示出了根据本发明实施例的具有设置在限流装置的相对侧上的多个非侵入式过程流体压力传感器的两个示例。
具体实施方式
本文描述的实施例通常利用能够可靠且准确地测量过程流体导管自身的实际变形的能力，并以可以估计和提供准确的过程流体压力的方式来表征这种变形。
图1是示出夸大的过程流体导管变形的示意图。如图1的最左侧部分所示，过程流体导管100(以截面示出)具有为0的内部压力P。镜像或对置结构104附接到过程流体导管100的外表面102。在一个示例中，每个半部是镜像的“Z”结构，其在焊接点103处焊接到过程流体导管100的外径102。如图所示，在内部压力P＝0时，镜像的“Z”结构104具有相对小的间隙106。在图1的右侧部分中，提供了内部压力P(其中P＞0)，该压力均等地施加在导管100的内径105上，从而增加导管100的外径102。当这发生时，镜像的“Z”结构104的每个半部略微移开并且间隙106(也标记为G0)增加。因此，可以看出，可以使用由一对支架组成的专用组件来推断或估计过程流体压力，这一对支架可以以将支架分离的相对小的间隙点焊或以其他方式附接到管道的外部。间隙将随着过程流体导管100的内部压力增加而分离。该操作技术的一个重要方面是设计支架或其他合适的结构，以便最大化压力灵敏度同时降低温度引起的影响。
图2是关于图1所示结构的示意图，示出了各种量以便进一步说明操作理论。在图2中，过程流体导管100具有内半径a和外半径b。另外，镜像的“Z”结构具有根据间隙106距过程流体导管100的中心 108的距离定义的高度。在所示的示例中，该高度被定义为Rs。此外，镜像的“Z”结构104的径向延伸壁之间的分离的角度被定义为扫掠角θ。当压力P被引入导管内部时，本文所述的实施例通常将厚壁导管外圆周的改变进行量化，定义为ΔS。假设外部压力为零。然而，下面描述的表达可以容易地适于适应诸如环境大气压力之类的外部压力不同的情况。在无外部压力的假设下，圆周的改变(ΔS)根据以下等式确定：
Figure DEST_PATH_GDA0002518509790000041
其中，E是导管的杨氏模量，a和b分别是内部管道半径和外部管道半径。
花括号中的数量是施加压力时过程流体导管外表面上的环向应变的改变。可以看出，当施加压力P时，支架之间的间隙间隔(gap spacing)106根据以下等式从G0变为新值G(P)：
Figure DEST_PATH_GDA0002518509790000042
上面的等式2可以改写为：
Figure DEST_PATH_GDA0002518509790000043
其中K是由以下等式定义的放大系数：
Figure DEST_PATH_GDA0002518509790000044
在等式4中可以看出，只要θ或Rs增加，或者当Go减小时，K 就将增加。图3是示出根据本发明实施例的基于电容的间隙改变检测器的示意截面图。可以看出，电极110和112分别经由绝缘体107和109附接到镜像的“Z”间隙测量结构的每个相应部分。间隙表面是平行板电容器的板，该板随着压力增加而分离。下面提供了电容如何随间隙间隔变化的公式。
Figure DEST_PATH_GDA0002518509790000051
在上面的等式中，A是条形端部的面积，而G(P)是压力P下的间隙，ε0是自由空间的介电常数，其值为0.225pf/in。
为了理解温度改变如何影响上述类型的传感器，重要的是考虑几何形状以便最小化热效应。图4A是图1中所示的梯形结构的示意图，并示出了随温度升高而发生的情况。最小化热效应的一个重要考虑因素是将传感器支架与管道材料相匹配。因此，如果过程流体导管由例如304不锈钢形成，则传感器支架也应由304不锈钢制成。类似地，如果过程流体导管由碳钢形成，则传感器支架也应由碳钢制成，等等。在这种情况下，间隙将仅扩展与相同宽度的材料相等的量。
温度引起的间隙的改变(ΔG)可以认为是G·α金属·ΔT。在压力的作用下，传感器支架开始分离，这由角θ扫过的弧长的改变确定。如上所示，经由等式2将该弧长的改变转换为间隙的改变，这是可测量的。随着温度的改变，弧长也会扩展，然而，朝向间隙向后突出的传感器支架件向内扩展。净效应是间隙仅明显地改变与间隙间隔(即G) 成比例的量且与弧长不成比例。因此，该设计放大了压力效应(经由弧长改变)而没有相应增加温度灵敏度。另外，使用隔热件、绝缘件和铜热迹线有助于降低温度瞬变对传感器的影响。此外，附加支架设置在测量支架附近，但定位成不对压力作出响应，有助于通过共模抑制或简单比例(simple ratioing)技术消除温度瞬变效应。
图5示出了本文描述的特定实施例的模型结果。示出了在外径4.5 的304不锈钢10号(schedule)管道上施加压力时，在距离中心的约为2.8的Rs值处的理论(模型)间隙的改变。在所示的示例中，1,000psi 的压力改变产生2.7mil(0.0027英寸)的间隙改变，其足够大以便通过本领域技术人员熟知的各种方法容易地检测，其中电容位移是其中之一。
虽然上述实施例通常提供直接(即，焊接或以其他方式粘附)附接到过程流体导管的外表面或直径的镜像或对置结构，但是能够明确想到的是，本文描述的实施例可以用直接夹紧在过程流体导管上的结构来实践。
图6A和图6B示出了导致图7中所示的夹紧传感器的另一实施例的导管变形。在图6A和图6B中，存在环绕管道502的厚带500，厚带500可以被认为是刚性夹具。将夹具设计为鲁棒的，使得当管道被加压时它不明显偏转。图6B示出了加压至1,000psi的304不锈钢管道(40号)的有限元模拟，在304不锈钢管道中间具有刚性夹具500。将形状夸大以更好地看到形状。有趣的是，管道直径在距离夹具500 相对较短的距离处恢复其完全偏转，在该示例中该距离为仅3英寸(沿纵向方向)。该特性可以用于构造有用的压力传感器，例如图7中所示的压力传感器。
图7和图8分别是示出传感器504、506的位置的简化的透视图和侧视图，传感器504、506检测固定到相对不移动的支架的臂512 与根据图6B在压力下偏转的管道外表面508之间的间隙改变。
对于该设计，检测到的间隙根据以下等式改变：
Figure DEST_PATH_GDA0002518509790000061
其中，变量a、b、E、P的定义与之前相同。
带500形成为铰接夹具或一对夹具半部，其可以栓接或以其他方式固定在管道502周围。臂512固定到带500上并从其横向延伸。该横向延伸优选地至少超过带500的边缘三英寸，使得管道502响应于内部压力的变形完全展现，如图6B所示。带500和臂512优选地由与管道相同的材料构成，以便最小化热膨胀效应，如已经根据关于图 4A和图4B引用的论据所解释的那样。因此，随着温度的改变，夹具500和臂512的尺寸将以与管道502大致相同的方式改变。在所示的示例中，臂512从带500向上游和向下游延伸，间隙测量系统或检测器504、506设置在每个臂512的端部附近。在一个示例中，每个检测器504、506是具有相对于管道502的电容的电容传感器，该电容随检测器和管道502之间的间隙而变化。
举例来说，图9列出了具有不同厚度壁号的外径4.5的304不锈钢管道的每ksi(1,000psi)的预期间隙改变。
图10是根据本发明的围绕管道202设置的夹紧传感器200的另一实施例的示意截面图。如图所示，夹紧传感器200被配置为在附接点250、252处物理地附接到管道202的外径。夹具200优选地由与管道202相同的材料构成，以便补偿热膨胀/滞后效应。因此，随着温度的改变，夹具200的尺寸将以与管道202大致相同的方式改变。然而，夹具200包括一对接近传感器260、262，其设置在距附接点250、252 约90°处。以这种方式，随着管道202内的压力增加并且管道202向外变形，接近传感器260、262将测量到管道202的外表面的减小的距离。接近传感器260、262耦接到合适的测量电路，例如测量电路218 (图15中所示)，并提供与管道的接近度的指示，并因此提供管道内的过程流体压力的指示。
图11是示出具有彼此径向相对设置的接近传感器260和262的夹紧传感器200的示意透视图。
从上面阐述的说明中可以明显看出，过程流体导管外径圆周的改变不仅基于施加的压力而且基于过程流体导管的材料和管道壁的厚度而变化。因此，本文所描述的实施例通常包括对非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统的校准，一旦将非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统安装到特定的过程流体导管。
图12和图13是示出当在内部将压力施加到其上夹紧有传感器的管道时夹紧组件的行为的简化的示意有限元分析模型。在所示的示例中，变形尺度被夸大了50倍。圆圈区域突出显示了间隙间隔如何随着压力的施加而减小。注意，存在两种效果。一种效果是管道向外扩展，第二种是由于机械作用，支架的侧面向内移动。这放大了间隙改变，超出了导管直径的简单改变。此外，设备的输出可以被配置为两个传感器之和，这使信号加倍并最小化了侧向(side-to-side)干扰，因为两个间隙之和在侧向移动下保持恒定。因此，净间隙仅在导管内部施加压力时才会改变。结果是测量是鲁棒的，其信号输出几乎是上面参考图1描述的单支架方法的四倍。最后，如果夹具材料由与管道相同的材料制成，则热效应仍然很低。
图14示出了将夹紧传感器200夹紧到过程流体导管202并电耦接到过程流体压力变送器204的示例，该过程流体压力变送器204沿着导管202与夹紧传感器200稍微间隔开。夹紧传感器200被配置为提供与一个或多个间隙有关的指示，一个或多个间隙随着过程流体导管202对过程流体压力的改变作出反应而改变。将来自夹紧传感器200 内的一个或多个间隙传感器的电信号提供给变送器壳体206内的电子设备以进行处理，以提供过程流体压力输出，然后将该过程流体压力输出传送给远程电子设备，例如控制室。
图7和图14中所示的实施例被认为是特别有利的，因为它们不需要对过程流体导管进行任何特定的永久安装(即焊接)。因此，图7 和图14中所示的实施例可以在需要测量过程流体压力的任何地方附接到过程流体导管。变送器204与夹紧传感器200的间隔是有益的，以便最小化可能由变送器安装而引起的干扰。分离的安装还提供了额外的过程测量的可能性，例如温度和/或腐蚀和管道壁厚测量。
图15是壳体206内的电子设备的示意图。如图所示，功率模块 210被配置为向变送器的各种组件提供功率，如标记为“向所有”的箭头212所示。在变送器是无线变送器的实施例中，功率模块可以包括可充电或不可充电的电池，以及合适的功率调节组件，以向变送器内的各种组件提供适当的电压和电流电平。在变送器204被配置为耦接到有线过程通信回路或区段的实施例中，功率模块210可以适于从在过程通信回路或区段上提供的电能导出操作变送器204所需的所有功率。
通信模块214耦接到控制器216，并为控制器216提供根据过程通信标准协议进行通信的能力。有线过程通信标准协议的示例包括可寻址远程传感器高速通道的开放通信
Figure DEST_PATH_GDA0002518509790000081
协议和 FOUNDATIONTM现场总线协议。可以采用通信模块214的无线过程通信协议的示例是已知的WirelessHART协议(IEC62591)。
控制器216可以是能够执行指令或编程步骤以基于间隙测量确定过程流体压力估计输出的任何合适的电设备或逻辑布置。在一个示例中，控制器216是微处理器，微处理器具有设置在其中的相关定时和存储器电路。控制器216耦接到测量模块218，测量模块218可以包括：一个或多个模数转换器，其允许控制器216获得指示间隙传感器提供的电信号的信息。合适的间隙传感器的一个示例是上述的电容板布置。然而，能够明确想到的是，可以使用能够准确且可靠地获得指示间隙的信息的任何合适的技术。这种技术的示例包括光学技术(干涉、衰减等)；涡流接近检测；声学回声定位、应变计技术；以及磁技术(可变磁阻、电感、霍尔传感器等)。
测量模块218耦接到一个或多个间隙传感器220，间隙传感器220 提供指示变化的间隙的电指示。在上述实施例中，间隙传感器可以是单个平行板电容器。然而，可以使用如上所述的其他形式的间隙测量。
图16是根据本发明实施例的校准这种系统的方法的流程图。方法300开始于框302，其中将非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统附接到特定的过程流体导管。附接可以是将镜像的“Z”结构焊接到这种导管或将夹紧结构夹紧到过程流体导管的形式。接下来，在框304处，在过程流体导管内产生第一已知压力(P1)。当内部压力P1存在于过程流体导管内时，使用一个或多个间隙传感器获得间隙测量，如框306所示。接下来，在框308处，在过程流体导管内产生第二已知压力(P2)，并且在框310处，再次测量间隙。利用两个已知压力和两个测量的间隙，系统解得常数(与管道壁厚和杨氏模量有关)。注意，在一些实施例中，可以将这些量经由用户界面或经由过程通信直接输入系统，或者可以在订购或以其他方式制造系统时由用户对它们进行选择。在框312处，将管道壁厚和杨氏模量312的已知量存储314在存储器中，例如控制器216的存储器，以在操作期间使用。
图17是非侵入式地测量过程流体压力的方法的流程图。方法400 开始于框402，其中测量附接到过程流体导管的外表面的结构的间隙。接下来，在框404处，获得与杨氏模量和导管壁厚有关的信息。在框 406处，使用测量的间隙和获得的杨氏模量和管道壁厚来计算过程流体导管内的过程流体压力。最后，在框408处，提供计算的过程流体压力作为输出。该输出可以是例如经由用户界面的本地指示的形式，或者例如通过有线或无线的过程通信回路传送给远程电子设备。
本文所描述的实施例通常也适用于增强的多变量测量。夹紧传感器可以通过位于夹紧压力传感器组件内的温度传感器，或使用非侵入式过程流体温度估计技术的变送器壳体附件206来集成过程热测量。另外，可以从集成到壳体附件206中的传感器获得信息，该传感器将提供特性管道特征(即，壁厚、材料类型)以及腐蚀信息。
图18示出了具有设置在限流装置的相对侧上的多个非侵入式过程流体压力传感器的两个示例。第二夹紧传感器的使用也可以配置成测量管道中限制装置上的压降。基于该限制装置的知识，两个压力测量值可以提供过程流体流动的指示。
虽然已经相对于焊接或以其他方式永久地固定到导管的外表面的镜像组件或夹紧组件描述了实施例，但是能够明确想到的是，可以提供线管(spool)组件，其中管道的一部分可以具有一对安装法兰和预先安装到管道的短线管(spool)部分的非侵入式传感器。然后，将非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统安装到过程中就像使用一对安装管道法兰来安装线管(spool)一样简单。
虽然参考图1描述的实施例示出了在物理地分离一定间隙的两个组件之间具有间隙的镜像或对置结构，但是还能够明确想到的是，组件可以机械地耦接，例如经由剪刀铰接点，以便提供与过程流体导管的圆周的改变有关的间隙改变的适当量的机构衰减。此外，也可以使用内置间隙传感器来检测管道的振动或其他机械扰动。最后，如上所述，整个产品可以是无线的。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出修改。

Claims (29)

1.一种非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统，其特征在于，所述系统包括：
测量支架，被配置为耦接到过程流体导管的外表面，所述测量支架基于响应于所述过程流体导管中的过程流体压力的所述过程流体导管的变形来产生可变间隙；
间隙测量系统，耦接到所述测量支架，且被配置为基于对所述可变间隙的测量来提供电信号；以及
控制器，耦接到所述间隙测量系统，且被配置为基于所述电信号和与所述过程流体导管有关的信息来计算和提供过程流体压力。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述过程流体导管有关的信息包括所述过程流体导管的材料类型的指示。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，与所述过程流体导管有关的信息包括所述过程流体导管的材料的杨氏模量。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述过程流体导管有关的信息包括所述过程流体导管的壁厚。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支架包括检测所述流体导管的弧或圆周的一部分的镜像结构。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述支架包括设置在所述镜像结构的每个半部上的电极，所述电极形成可变平行板电容器，所述可变平行板电容器具有随所述间隙而变化的电容。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支架由与所述过程流体导管相同的材料形成。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支架焊接到所述过程流体导管。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支架包括夹具，所述夹具被配置为安装到所述过程流体导管。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述夹具被配置为可拆卸地安装到所述过程流体导管。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述夹具包括一对附接点，所述附接点被配置为与所述过程流体导管的外表面接触。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述一对附接点被配置为在所述过程流体导管上彼此径向相对地定位。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，还包括至少一个间隙传感器，所述至少一个间隙传感器设置在所述过程流体导管的外表面附近，且被配置为提供到所述过程流体导管的外表面的距离的指示。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述至少一个间隙传感器包括彼此径向相对地设置的一对间隙传感器。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个间隙传感器与所述一对附接点成90度地设置。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个间隙传感器是电容传感器。
17.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个间隙传感器是光学传感器。
18.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个间隙传感器是涡流接近检测传感器。
19.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个间隙传感器是声学回声定位传感器。
20.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述多个间隙传感器是应变计。
21.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器可操作地耦接到所述支架，以提供所述过程流体导管的温度的指示。
22.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第二支架，所述第二支架被配置为安装到所述过程流体导管并且沿所述过程流体导管与第一支架间隔开，其中，所述第一支架与所述第二支架之间的所述过程流体导管内的阻塞产生与过程流体流动有关的压力差。
23.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括过程流体压力变送器，所述过程流体压力变送器将计算的过程流体压力传送给远程位置。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述过程流体压力变送器在与所述测量支架间隔开的位置处固定到所述过程流体导管。
25.一种非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统，其特征在于，所述系统包括：
测量支架，被配置为耦接到所述过程流体导管的外表面，所述测量支架具有被配置为环绕所述过程流体导管的带和相对于带横向延伸的至少一个臂；
间隙测量系统，耦接到所述测量支架的所述至少一个臂，且被配置为基于所述间隙测量系统与所述过程流体导管之间的可变间隙来提供电信号；以及
控制器，耦接到所述间隙测量系统，且被配置为基于所述电信号和与所述过程流体导管有关的信息来计算和提供过程流体压力。
26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述至少一个臂包括沿相对方向延伸的多个臂，每个臂具有耦接到所述臂的间隙测量系统。
27.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述间隙测量系统包括电容位移传感器，所述电容位移传感器被配置为感测与所述过程流体导管的电容，所感测的电容指示所述间隙测量系统与所述过程流体导管之间的间隙。
28.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述间隙测量系统包括涡流接近检测器。
29.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述带是刚性夹具，所述刚性夹具配被置为不响应于所述过程流体导管内的压力改变而偏转。
CN201921556637.3U 2018-09-28 2019-09-18 非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统 Active CN211373907U (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/146,134 US11209296B2 (en) 2018-09-28 2018-09-28 Non-intrusive process fluid pressure measurement system
US16/146,134 2018-09-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN211373907U true CN211373907U (zh) 2020-08-28

Family

ID=69945718

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910881182.0A Pending CN110967138A (zh) 2018-09-28 2019-09-18 非侵入式过程流体压力测量系统
CN201921556637.3U Active CN211373907U (zh) 2018-09-28 2019-09-18 非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910881182.0A Pending CN110967138A (zh) 2018-09-28 2019-09-18 非侵入式过程流体压力测量系统

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11209296B2 (zh)
EP (1) EP3857195A4 (zh)
JP (1) JP7111895B2 (zh)
CN (2) CN110967138A (zh)
AU (1) AU2019346534B2 (zh)
BR (1) BR112021005947A2 (zh)
CA (1) CA3114360C (zh)
RU (1) RU2769409C1 (zh)
WO (1) WO2020068781A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110967138A (zh) * 2018-09-28 2020-04-07 罗斯蒙特公司 非侵入式过程流体压力测量系统

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11009897B2 (en) * 2018-12-28 2021-05-18 Rosemount Inc. Remote seal system with improved temperature compensation
TWI823406B (zh) * 2022-05-26 2023-11-21 和旺昌噴霧股份有限公司 外扣式管路量測裝置及其固定結構

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1303877A1 (ru) * 1985-01-15 1987-04-15 Научно-Исследовательская Лаборатория Автомобильного Транспорта Способ измерени давлени текучей среды в замкнутой полости объекта
DE3719842A1 (de) * 1987-06-13 1988-12-29 Bosch Gmbh Robert Druckmesseinrichtung
US5024099A (en) 1989-11-20 1991-06-18 Setra Systems, Inc. Pressure transducer with flow-through measurement capability
US5115676A (en) * 1990-01-10 1992-05-26 Setra Systems, Inc. Flush-mounted pressure sensor
CN2169884Y (zh) * 1992-12-08 1994-06-22 能源部西安热工研究所 主蒸汽管道防爆破在线监测报警装置
US6957588B1 (en) * 1999-06-28 2005-10-25 Thomas P. Kicher & Co. Fluid measuring device and method
US6601458B1 (en) * 2000-03-07 2003-08-05 Weatherford/Lamb, Inc. Distributed sound speed measurements for multiphase flow measurement
US6558036B2 (en) * 2000-11-29 2003-05-06 Weatherford/Lamb, Inc. Non-intrusive temperature sensor for measuring internal temperature of fluids within pipes
JP3915474B2 (ja) * 2001-11-02 2007-05-16 株式会社ジェイ・エム・エス 圧力検知装置
DE60212717T2 (de) * 2002-03-13 2007-06-28 Borealis Technology Oy Inspektionsapparat für deformierte rohre
US6837098B2 (en) * 2003-03-19 2005-01-04 Weatherford/Lamb, Inc. Sand monitoring within wells using acoustic arrays
CN1216275C (zh) * 2003-06-11 2005-08-24 安骥 非插入式测量管内流体压力、流量的方法
US7775966B2 (en) * 2005-02-24 2010-08-17 Ethicon Endo-Surgery, Inc. Non-invasive pressure measurement in a fluid adjustable restrictive device
WO2007009097A1 (en) * 2005-07-13 2007-01-18 Cidra Corporation Method and apparatus for measuring parameters of a fluid flow using an array of sensors
JP2008241655A (ja) * 2007-03-29 2008-10-09 Kayaba Ind Co Ltd 距離測定器及び圧力測定器
US7779698B2 (en) * 2007-11-08 2010-08-24 Rosemount Inc. Pressure sensor
CN102393266A (zh) * 2011-09-22 2012-03-28 北京理工大学 基于临界折射纵波法的管道轴向残余应力检测的环形阵列换能器
GB2498269B (en) * 2011-09-28 2017-08-09 Univ East China Science & Tech Extensometer for measuring high-temperature structural deformations by magnification
CN203177813U (zh) * 2013-04-10 2013-09-04 中国计量学院 基于光纤光栅传感器的压力管道表面应变检测装置
EP3004831A4 (en) * 2013-06-06 2016-10-12 Advanced Sensor Design Technologies Llc APPARATUS AND METHODS FOR MEASURING PRESSURE
CN106102572A (zh) * 2013-12-23 2016-11-09 引导介入公司 使用压力感应的电容式传感器检测流体压力的系统
CN203732110U (zh) * 2014-03-20 2014-07-23 珠海格力电器股份有限公司 一种管路检测装置
EP2957873A1 (en) * 2014-06-20 2015-12-23 Kamstrup A/S Ultrasonic consumption meter with strain gauge
KR101545150B1 (ko) * 2015-05-07 2015-08-19 플루오르테크주식회사 유해가스 감지장치
DE102015216626A1 (de) * 2015-08-31 2017-03-02 Siemens Aktiengesellschaft Drucksensoranordnung sowie Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einer derartigen Drucksensoranordnung
AU2016326611B2 (en) * 2015-09-24 2019-08-01 Lenlok Holdings, Llc Pipe fitting with sensor
GB2543060A (en) 2015-10-06 2017-04-12 Atmos Wave Ltd Sensing pressure variations in pipelines
CN105424269A (zh) * 2015-12-31 2016-03-23 天津春华发科技有限公司 一种管道压力表
US9797759B2 (en) * 2016-01-13 2017-10-24 The Boeing Company Integrated pipe pressure and temperature sensors and related methods
CN107884114B (zh) * 2017-11-07 2020-08-28 中国石油大学(华东) 基于光纤光栅的非侵入式管道压力检测机构
US11209296B2 (en) * 2018-09-28 2021-12-28 Rosemount Inc. Non-intrusive process fluid pressure measurement system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110967138A (zh) * 2018-09-28 2020-04-07 罗斯蒙特公司 非侵入式过程流体压力测量系统

Also Published As

Publication number Publication date
US20200103260A1 (en) 2020-04-02
US11209296B2 (en) 2021-12-28
AU2019346534B2 (en) 2022-12-15
EP3857195A4 (en) 2022-06-29
CA3114360C (en) 2023-06-20
WO2020068781A1 (en) 2020-04-02
BR112021005947A2 (pt) 2021-06-29
JP2022501605A (ja) 2022-01-06
JP7111895B2 (ja) 2022-08-02
RU2769409C1 (ru) 2022-03-31
CN110967138A (zh) 2020-04-07
AU2019346534A1 (en) 2021-04-29
EP3857195A1 (en) 2021-08-04
CA3114360A1 (en) 2020-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN211373907U (zh) 非侵入式测量过程流体导管内的过程流体压力的系统
EP1735598B1 (en) Annular capacitive pressure sensor
EP2286197B1 (en) Improved temperature compensation of a multivariable pressure transmitter
EP2304404B1 (en) Improved isolation system for process pressure measurement
JP5409965B2 (ja) ライン圧力測定を伴う差圧センサ
JP5394506B2 (ja) 渦振動センサプレートを持つ渦流量計
JP5231566B2 (ja) 圧力センサ
EP3488192B1 (en) Vortex flowmeter with reduced process intrusion
WO2008027246A2 (en) Process device with density measurement
EP4078119A1 (en) Non-invasive process fluid flow indication using temperature difference
US11506556B2 (en) Single-use plastic pressure sensor
JP7012359B2 (ja) ブルドン管を内蔵する圧力計

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant