CN85108279A - 皮托管型流体测量装置的改进以及在液/气两相或多相系统中安装该装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管道中的皮托管型流动测量仪；特征是一大体上菱形的传感部分构成一分离流体的非流线体，包括一较大圆角前缘，其上设有3个以上的冲击孔，一对平面部分从其向后分开延伸到一对横向分开的小圆角侧缘，再与非流线体的面对出流端部份作用，构成一能在很宽流动范围条件下稳定流动系数的流动分离区，分离区的长度至少是半径的5倍。

本发明还包括一种在两相或多相流动系统中安装探头的方法。

Description

本发明涉及一种皮托管型流体测量装置，该装置包括一个非圆型截面的管状体（18）;把管状壳体与一个导管连接的装置，使壳体一部份在导管内，另一部份在导管外;一个在管状体内把该管状体分成两个增压腔的隔墙;一个在把增压腔连接在测量仪器上的上述另一部份中的通道;在管状体上的许多孔而且至少一个孔对着导管的进流端，一个孔对着导管的出流端。

在US-A-4154100中，皮托管型流体测量装置最重要的特性是具有一个成形的所谓“非流线体”分割管道中流体流动并在其两侧建立精确的流体分离区。依靠建立这些区域并形成其管体出流端，使流量不能再次超过流体状况的宽范围，由作用在两个或多个面对进流端孔检测的平均动态流体压力和另一个面对出流端孔在围绕探头流动时检测的参照压力或出流端压力之间差值上的修正因素（流动系数）确定的压力能够更为可靠并且能比没有这种特性的皮托管型流量计更为精确地确定该压力。

测量流体流量的皮托管型流量计多年来得到了广泛应用，其中某些早期装置已经获得了专利近整个世纪。从表面看来它们具有结构简单的特点，但实际上它们相当复杂并且还应当更深入研究怎样改进它们的灵敏性以及在更宽的流体状况下能够将其制作得更精确。例如，用于测量流体，气体，如果需要甚至一根管道中两相流动的装置必须更复杂，这是因为干扰的存在。具有流动特性的管道不同于飞机翼前缘流体特性的管道。飞机翼前缘受流动流体（空气）的影响，其流动特性接近理想的或良好的薄层流动特性。低压范围的流动被证明为最难精确测量，这是由于在此范围内对着进流端的孔的非准直性因素使其不能检测“滞点压力”，在此处流体具有基本上零速或探头本身上孔之间压差引起的流体在其之间流动，这样在动态压力读数上可以看出错误的最奥妙的干扰。所有最普通的流体之一的流动速率，即蒸汽的速率被认为很难精确确定，对于其他流体，甚至某些两相系统中产生良好效果的皮托管型探头在蒸汽中不能很好工作，至少在很长时间不能很好工作。

如US-A-4154100中所示，如果垂直于流体流动的非流线型管体被制成锐利的，单位精确度以及一定雷诺数的信号强度得以改善。锐利拐角这种效果的原因是当流体围绕光滑连续管体流动时将随管体轮廓流动直到流体体中惯性力使流体脱离管体表面并使流体或多或少地沿直线流动。但是，当流体开始脱离管体表面时，进流端和对着出流端表面之间的压差并不随靠近管体的流速变化。因此，如果这样的管体用作流体检测装置，所获得的信号不能与一定流速下的流量成比例关系。如果流体靠某些方法，如锐棱，使其从以非常低的速度离开管体，进流端和出流端表面之间压差将保持与流体速度成比例，这样也就和流体速率成比例。

事实上，这些探头的侧棱并不是“刀刃”状的锋利，而是在其锐利度和非流线型管体横向宽度之间存在一种关系，该横向宽度将一个这样的侧棱从另一个侧棱分开，如果能观察到的话，这另一个侧棱将使仪器的精度超过其整个范围的可操作度和实际应用范围。申请人已经发现，这种关系可以表示如下：

r/b₀＜0.2

其中“r”为侧棱的半径，b₀为非流线型管体横向宽度，即：为半径r等于零或这些棱为锐利的时候这些侧棱分开的距离。

使流体流动沿确定的分离线脱离非流线型管体并且不再返回同样在流动分离区探头出流端的整个表面产生合理的均匀低压。这个低压不仅对校正方向敏感而且同样还反映良好精确度较低临界的对着出流端的出流端压力检测孔的位置。

在单相流体测量应用中，普遍的实际应用总是将管道或导管中探头的传感部份安装在管道的直径上或至少安装在非常靠近管道的直径上，允许误差在5°范围。同样的实际应用在两相系统中也使用，在两相系统中液体粒子掺入气体。但是，申请人已经发现，这种方法对于包括气体组份和液体组份的多相系统并不正确。事实上，在热和冷的两相中要获得最好结果必须用完全不同的安装标准。更具体地说，现在已经确定，在热的两相系统中，如蒸汽管线中，最好这样安装探头，如果可能使其包括读出机构的头端应当以比其远距离端或尾端低大约10°的角度安装。这意味着在垂直布置的蒸汽管道中，探头应当向上倾斜，使其尾端超过其头端大约10°，原因是连接在头端的精密电子装置不能经受超过82℃（180°F）的温度。因此，使探头倾斜并允许进流端和面对出流端的增压腔或腔室部份地充有水即起到缓冲作用以防止对电子读出装置的损坏。在水平管线中也采用同样的安装方法使探头的头端以小于80°角安装在管道最低点或任何一侧上。

相反地，在冷的多相系统中，如想要在井口测量从井中喷出的湿天然气流速，这时它含有水，钻井泥浆、悬浮体、油和其它污染物质，探头的头端应当位于尾端上方，这样这种污染物质即可排出，只在气相中做总的测量。

因此，探头的尾端最好应当在头端下面向下倾斜大约10°的角度。

本发明要解决的问题是要提供一种新颖的改进的用于受压流体环境中的皮托管型流体测量探头，特别适用于多相系统，其中一相是液体，另一相是气体。

根据本发明，这一问题在这里提出的流体测量装置中得到解决。该装置特征在于由流动流体冲击的管体进流端面对部份包括一个凸出的前缘分离一对基本上呈平面的部份，造成一对横向隔开的侧余量配合限定流量分离区，有效地从上述管体分离流过的流体，侧余量的凸出曲率为半径不大于其间横向距离的0.2，进流端上述孔在上述前缘上。

实施本发明的流体测量探头现在将借助实例并参照所附示意图加以说明，其中：

图1是侧视图，该部份已经断开并图示其截面，详细表示在一个垂直布置的导管中，在用来测量热的液-气相状态的流动时，探头向上倾斜的取向;

图2是与图1类似的局部侧视图并且类似于同一比例，但表示探头向下倾斜，这是因为该探头用于包含液体和气体的多相系统的测量中的;

图3是沿图1中3-3线取的截面并稍微放大比例;

图4是一个示意图，表示在非流线型管体相对侧流量分离区之间相对于分离该区域的横向距离的容许关系。

参照图1到图3，数字10通常指流体测量装置或安装在垂直布置的大管道或导管12壁上的“探头”。在侧壁16上的一个孔14容纳探头10的“传感器部份”18，该探头横穿到远离的侧壁20。传感器18的中心线或轴线和管道12的中心线相交叉;但是，与常规相反，在根据多相系统是热的或冷的来测量包括液体和气体组份的多相系统流速时，传感器18向上或向下相对于管道12倾斜。

任何常用的固定件如套筒22都能用来使探头10相对于中心线保持在适当位置。探头10的传感器18的头端24伸在管道外部，该头端24包括通道26和28，这两个通道26和28分别联接在高压增压腔30和低压增压腔32。这些通道再与高压表G₁和低压表G₂联接。

隔墙或隔板34分离并隔绝增压腔30和32，如图3所示。三个或更多的面对进流端的所谓“冲击孔”36把管道12中流体流动连接在高压增压腔30。同时，其它的“出流端孔”38同样把流体流动连接在低压增压腔32。

在图1和图2中，流体流为向上流动，如箭头所示。孔36在传感器部份18的下部并开口在增压腔32下面的增压腔30上。同样地，孔38在传感器的顶端，并开口在增压腔32上。孔36和38的排列在进流端面和出流端面上是一致的。作为增压腔，如果流动方向相反的话探头的取向应保持如两个图所示，孔和增压腔的作用将改变，传感器部份顶端的孔38将变为冲击孔，同时，下面的孔36将变为出流端孔。

在某些应用中，堵塞可能是个问题，增压腔的排列最好在这些象在US-A-3581565;3803921和4154100中所示的包括一个所谓“内塞管的那些传感器上。当内塞管上大容量增压腔30和32用在探头部份可以长时间堵住的环境时，由于孔36和38的尺寸同样是临界的，因此，它们不能提供一个完整的解决方案。

在流体测量中，滞点压力确定的越精确，则精度越高。从定义上看，由于滞点压力表明流体具有零速和最大压力的点，因此，仅仅有理由推断开孔越小，则这一点所处位置越精确。不幸的是，这一规范与没有堵塞问题的系统不一致，很明显，这是由于压力检测孔越大，则越不容易被堵住。

在大圆弧的前沿40和尾沿42上分别布置有大直径孔36和38。由于在对着进流端圆形表面上开有大的，实际上可能堵塞的开口，即使它们在一侧或另一侧稍微偏开探头中心线上滞点，而它们检测的压力与滞点压力并没有巨大区别。由于在锐利轮廓的前缘或取向多少垂直于流动方向的平面前缘上开有同样尺寸的孔，如果这些孔不是精确地位于探头的中心线上，压力读数基本上不同于滞点压力值。具有这些渐圆轮廓的对着进流端的前缘40即可得到同样出乎意料的好处，探头甚至可以稍微绕其轴转动而不把由这些超尺寸孔确定的对着进流端的冲击孔移动到基本上不同于滞点压力的区域。在此，在同样尺寸的孔位于锐利轮廓或基本上呈平面的前缘时，并不产生这样的效果。现在，只有在对着进流端的前缘40存在滞点压力并被检测时，对于所有实际用途来说，在图示的，对称于横向中心线的双向探头中，最好使对着进流端前缘40和对着出流端的尾缘42形成相同轮廓。

形成压力检测孔36和38的孔应当是足够大以防止堵塞。

冲击孔沿部份18的间隔根据横穿管道位置检测的压力平均值为临界的，但是，所述单元的这一方面由于是根据所谓“切比雪夫（Chebyshef）”位置的，因此并不构成本发明的任何部份。每个检测孔必须代表在管道比面积上的速度并且由任一个孔表示的面积必须精确地等于由任何另一个孔表示的面积。

再参照图1，探头的头端H的位比其尾端T要低，流体被封在头端有增压腔30和32的部份。很明显，在增压腔30的液平面由靠近管道14侧壁16中对着进流端的冲击孔36F的位置确定，因为任何高于这个水平面的流体都将被排出。在增压腔32中，也有相应的对着出流端的参照孔38F确定低压腔中的液平面。但是要注意到重要的一点是由于探头向上倾斜，在增压腔30中流体P₁的管体以及围在腔32的分离管体P₂部分别盖住进口44和46到通道26和28。这种安装用于包含液体以及一种及多种热的气体组份，例如：湿的或干的蒸汽的两相或多相系统。由于探头的倾斜，使液相P₁和P₂形成隔绝屏障，防止了测量仪器（G₁和G₂）热蒸汽的直接作用。业已发现，大约10°的向上倾斜即可在大多数热的液-气相应用中隔绝测量仪器。图1所示向上倾斜20°左右，主要是为了强调图示的重点，而最小的是以保证流体量把测量仪测与热气体作用下隔绝开的倾斜角度为最佳的。图1的安装应当在蒸汽温度接近大约82℃（180°F）或更高，已经知道将要发生损坏时使用。

不论流动是如图1所示向上的还是向下的都没有任何区别，流体量P₁和P₂的相同夹带将最终发生。对于向下流动，装置必须灌注流体以在将是对着出流端的低压增压腔30中产生数值P₁，这是由于P₁是随流体绕非流线型管体流动时产生的。因此，将没有流体直接到达增压腔30。冷凝最终引起流体聚集在该腔中，甚至在该腔没有灌注时也是这样。现在，在校准测量仪器时，这些管体的流体的存在是必须的，因为对于所有的实际用途来说，它们在正常运转时存在并且在尺寸上略有变化。

在有很少液相存在的地方，如过热蒸汽，在适合于液体的某一分最终将冷凝出并形成流体量P₁和P₂，但是这将是有区别的并且过热蒸汽将总是围住的液体的蒸发部份，这样就降低了流体量P₁和P₂的液面。最后，在给定的操作情况时达到平衡。在这种情况下，仪器即可由此校准。

图2表示与图1相反的情况，其中液-气系统为冷的而不是热的，因此，没有理由把测量仪器与无害的气相隔开。正相反，应当保证与测量仪器的直接接触，并且这种接触由把探头向下倾斜而建立，使液体量Q₁和Q₂在探头尾端形成。这些液体量的液平面由尾端孔36T和38T的位置决定。Q₁和Q₂并不影响仪器的校准。图2中向下倾斜的角度出于图示的目的已经被放大。如果倾斜度大约只是图示的一半的话，该系统即能令人满意地起作用。保持在以图2中向下倾斜角的冲击孔36T下面的低压腔30中的流体量将只有极少几滴。

对于液-气，两相或多相系统，还应当提到在非垂直工作的管道中用于安装探头的方法。实际上，在水平工作的管道中的安装在热的和冷的多相情况下，由于探头的中心线可以置于管道的直径上而且最好是倾斜的则变得更简单。在热的液-气系统的情况下，探头在水平管道中的轴应当置在尽量靠近一个垂直平面，使其头端比其尾端低至少10°。从另一种方法看，探头的头端可以从管道最底点从另一方向提前一个小于80°的角度。由于头端必须在尾端上方，冷的液-气状态则更为简单，就象探头安装在单相系统中一样，安装探头最方便，即：使探头的轴与管道垂直排列的直径重合。当然，只要其头端保持比尾端高至少10°，探头可以向一侧或另一侧倾斜，但这样作只是不必要地使安装复杂化，除非有其它原因要求这样做，例如：由于空间限制。

参照图3，探头的传感部份18被制成一个外套48。在外套48中插入管状衬垫50A和50B。外套48横截面基本上为正方形并带有等腰三角形的衬垫。外套的前沿40和尾沿42被切成圆角形，侧沿52R和52L也同样切成圆角形，这些侧沿构成流动分离区，但分离程度较低，衬垫的基部56A和56B共同确定隔墙壁34，同时衬垫臂膀58R、58L、60R和60L以紧配合而对面的关系紧贴外套内壁，如图所示。除了图示的三角形衬垫之外的衬垫也能应用，例如：用矩形衬垫。矩形衬垫将把隔墙板34置于在其拐角之间，最好在其对角线上等于方形外套中间的位置上。无论隔墙板位于何处，但必须把两腔的压力互相隔开。它们的大小最好大到能够装在外套的周界内，但不一定是相同尺寸或相同形状。但是生产制造双向单元的简便性要求采用如图所示的某种对称形状。

应当注意到，构成分离流动的非流线型管体的探头18的侧缘（图3所示52R和52L）以“r”稍微呈圆角，如图4所示。分离这些侧缘或流动分离区的距离由“b₀”表示并且预先限定。申请人已经发现，在锐利轮廓的侧缘产生量明确地限定流体分离区时，它们且并不一定是必要的，因为实际上在由这些流动分离区的半径“r”除以分离流动的距离“b₀”的比率不超过0.2时，由仪器检测的压力精度上的降低，或在信号强度上的严重降低并不能被检测到。由于具有这些流动分离区中要求的锐利度，就可以避免使用昂贵的机器和修整操作，并且可以在大大降低成本条件下，代替用变形管材简单的轧制技术。

Claims (8)

1、一种皮托管型流体测量装置包括一个非圆截面的管状体(18)，用于使管体一部份位于导管(16)内部而另一部份位于导管(16)外部的装置，一个在管状体中把管体分为两个增压腔(30、32)的隔板墙(34)，在上述把增压腔与测量仪器(G₁和G₂相联接的另一部份上的通道(28)，在管体上的许多孔(36)而且至少一个孔对着导管的进流端，一个孔对着导管的出流端。

其特征在于：

由流体流动冲击的对着上流端的管体(18)部份包括一个分离一对基本上呈平面状的凸出前缘(40)，这对平面部份造成一对共同确定流动分离区的横向隔开的侧余量(52L、52R)，这些流动分离区有效地从上述管体分离流过的流体流动，侧余量的凸出曲率为其半径不大于侧余量之间横向距离的0.2，进流端侧孔(36F、36T)位于上述前缘(40)上。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于，前缘（40）的曲率半径基本上大于上述侧余量（52L、52R）的曲率半径（r）。

3、根据权利要求1的装置，其特征在于，管体（18）的截面一般为菱形，管体包括一个对着出流端并具有凸出的圆形尾缘的部份（48）;还在于第二对基本上呈平面状的部份以渐扩展的关系伸向进流端，使上述尾缘（38）与其两侧呈圆角的侧余量（52L、52R）互相联接。

4、一种在含有液体和气体两种组份的两相或多相流体流中安装皮托管型流体测量装置的方法，上述测量装置具有一个管状体（18），一个其延伸长度把其内部分为两个隔绝的增压腔（30、32），在管体上沿其长度间隔开的三个或更多的孔（36、38），开口在各自的上述增压腔，在一端的头端（H）包括联接在每个上述增压腔并可以和压力测量仪器（G₁、G₂）联接的通道（28），一个封闭的尾端（T）对着头端，该方法的特征在于上述头端（H）和尾端（T）中的一端置在高于另一端的位置，使液体量收集在每一个增压腔（30、32）中。

5、根据权利要求4的方法，其特征在于，在垂直导管中相对于水平的倾斜角大约为10°。

6、根据权利要求4或5的方法，其特征在于，当在温度低于将损坏测量仪器（G₁、G₂）的温度下测量包含气体组份的冷系统时，头端（H）高于尾端（T）一定量，使围在增压腔（30、32）低端的流体离开通道流向由上述液体量移去覆盖物的上述压力测量仪器并直接与上述冷气体接触。

7、根据权利要求4或5的方法，其特征在于，当测量气体组份温度是以损坏测量仪器（G₁、G₂）的热系统流动速率时，尾端（T）高于头端（H）一定量，使收集在增压腔中的液体盖住上述导向上述测量仪器（G₁、G₂）的通道（28），在测量仪器和上述热气体之间提供一个隔绝屏障。

8、根据权利要求4的方法，其特征在于，当测量气体组份温度大约在82℃或更高的热系统的流动速率时，尾端（T）高于头端大约10°角。

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