NO20140215A1 - Intrusivt måleutstyr for måling i en strømning - Google Patents

Abstract

Det omtales et intrusivt måleutstyr (10) i forbindelse med måling i en strømning, omfattende en måleprobe (14) som er innstukket i et hus (12), der huset (12) er i form av en beskyttelseskappe innført i strømningen og som omgir den innstukne måleproben (14). Huset (12) omfatter videre en mekanisk demper (16) anordnet til nevnte måleprobe (14), og der den mekaniske demperen (16) omfatter en dempermasse (18) som er forbundet med fjærelementer (20).

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører intrusivt måleutstyr i forbindelse med måling i en strømning, omfattende en måleprobe som er innstukket i et hus, der huset er i form av en beskyttelseskappe innført i strømningen og som omgir den innstukne måleproben.

I prosessanlegg er det behov for å måle temperatur. Måling av temperaturen i en strømning gjøres ved bruk av en intrusiv/innstikkende termoprobe som er innkapslet i et metallisk hus. Slike hus kalles termolommer (thermowells). Måling med bruk av intrusive måleelementer er ikke begrenset til kun termoelementer, da også andre måleelementer kan befinne seg i strømning.

Intrusive måleelementer i strømning er under gitte betingelser (Reynolds tall og geometri) utsatt for virveldannelse (vortex shedding). Denne virveldannelsen synkroniseres og danner etter hvert en «Karman vortex street» med karakteristiske frekvenser. Fenomenet kan blant annet observeres ved uling ved vind som passerer seilbåtmaster og flaggstenger.

En termolomme er normalt en kragbjelke (cantilever beam) som vil ha sine karakteristiske mekaniske egenfrekvenser (natural frequencies) gitt av sin geometri og sitt materiale. Dersom frekvenser fra virveldannelsen (fs) samsvarer godt med en av de mekaniske egenfrekvensene (fn) og termolommen er lite dempet får man resonans, en kraftig forsterkning av vibrasjonene. Fenomenet koblede vibrasjoner og synkronisert virveldannelse kalles «vortex induced vibrations», forkortet VIV. Vibrasjoner kan igjen skape høye spenninger og mekanisk utmatting.

Oppsummert kan det sies at en dynamisk trykkpåkjenning fra vortex shedding (VS) rundt termolommen forsterkes avhengig av termolommens karakteristikk og naturlige egensvingninger og man får vortex induced vibrations, VIV. Matematisk i frekvensplanet: VIV(w)=VS(w)*G(u>)

Standarden ASME PTC 19.3 TW-2010 er så langt den mest grundige standarden som er utformet for design og produksjon av termolommer. Denne tar høyde for å finne ut om en spesifikk termolommeutførelse tåler de påkjenninger de er utsatt for (trykk, strømningshastighet, statisk og dynamisk påkjenning) og et sett med empiriske formler er utledet for å fremtvinge sikre utførelser under gitt drift. Det nye formelverket i standarden vurderer både tverrgående og langsgående vibrasjoner, i motsetning til tidligere standard som kun håndterte tverrgående vibrasjoner.

CFD-simuleringer av termolommer viser videre at vortex shedding rundt termolommer kan skape komplekse trykk- og strømningsfelt som ikke nødvendigvis kan forutsies med formelverket gitt i standardene. Standarder gir dermed rom for usikkerhet i forhold til hvilke vibrasjoner som oppstår under ulike prosessbetingelser.

Ny termolommestandard, CFD-beregninger og vurderinger gjort på eksisterende installasjoner sannsynliggjør at det er flere termolommer som er i bruk i dag som vil ha utfordringer med vibrasjoner og utmatting og hvor det ikke vil finnes alternativer med eksisterende utførelser av termolommer.

Med foreliggende oppfinnelse tas det sikte på å frembringe innbygging av en mekanisk demper (tuned mass damper) i en termolomme eller tilsvarende lommer utstyrt med måleprobe. Ved å inkludere en slik tilpasset demper vil VIV reduseres betraktelig. Dette skyldes at en slik demper vil redusere responsen når påtrykte frekvenser fra vortex shedding er nær egenfrekvensene (fn) til termolommen.

For et mekanisk dempet system med en grad av frihet (1DOF) er vibrasjons-amplituden ved resonans gitt ved x=F/(2<*>k<*>hvor F [N] er påtrykt kraft, k [N/m] er stivhet for systemet og Z, er dempeforholdet. Vibrasjonsforsterkningen ved resonans i forhold til en statisk last for et 1 DOF er følgelig gitt ved M=x/x0=1/(2<*>£), hvor xO er statisk forflytning ved en statisk kraft. For et sammensatt system vil dempeforholdet for hver egensvingemodus bestemme forsterkningen ved resonans. Man ser ut av utrykkene at høy demping vil redusere forsterkningen ved resonans og kan ved høy demping medføre en amplitude som er mindre enn den statiske forflytningen. En høy demping vil dermed gjøre det mulig å ha påtrykte krefter fra vortex shedding som har frekvenskomponenter som ligger på eller i nærheten av egenfrekvensene uten å gi høy vibrasjonsrespons.

Når mekanisk respons er redusert såpass mye vil man ikke få resonans som følge av virveldannelse hverken i den tverrgående (fs_t) eller den langsgående (fs_l) retningen. Dette betyr at produksjonsraten (strømningshastighet og tetthet) kan opprettholdes eller økes.

Tuned mass dampers er kjent teknikk som blant annet benyttes i skyskrapere, høyspentledninger, verktøy for maskinering, bilchassis og broer. Flere ulike utførelser finnes av disse, men ingen er så langt blitt benyttet for å redusere problemer forbundet med VIV.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å frembringe en løsning som gir de overnevnte fordeler. Det er et videre et formål å frembringe et intrusivt måleutstyr i forbindelse med måling i en strømning, og som kombinerer en tuned mass damper i innstikks sensorelement.

Nevnte formål oppnås med et intrusivt måleutstyr i forbindelse med måling i en strømning, omfattende en måleprobe som er innstukket i et hus, der huset er i form av en beskyttelseskappe innført i strømningen og som omgir den innstukne måleproben, hvori huset videre omfatter en mekanisk demper anordnet til nevnte måleprobe, og der den mekaniske demperen omfatter en dempermasse som er forbundet med eller opplagret på fjærelementer.

Alternative utførelser er angitt i respektive uselvstendige krav.

Den mekaniske demperen kan være utformet innvendig hul og omgi nevnte måleprobe. Den mekaniske demperen kan også være utformet som en eller flere staver eller lignende, anordnet til og plassert på utvalgte sider om måleproben.

Nevnte måleprobe kan være innstukket sentralt og i langsgående retning i hovedsakelig hele husets lengde.

Huset kan være utformet langstrakt, der en første ende av huset er utstyrt med en monteringsflens, mens en andre ende er fri. Videre kan den mekaniske demperen være anordnet tilstøtende den frie enden av huset.

Nevnte måleprobe kan være en temperaturføler til måling av temperatur i strømningen.

Den mekaniske demperen kan være innstukket i huset, og strekke seg under halvparten av husets lengderetning, og mer foretrukket tilsvarende eller mindre enn en tredjedel av husets lengderetning.

Dempermassen kan være opplagret på eller forbundet med fjærelementer i form av en elastisk gummimasse eller en elastisk fjær.

Ett eller flere aksiale avstandsstykker kan være anordnet i huset, og være innrettet til å justere og holde på plass den mekaniske demperen. Videre kan nevnte avstandsstykker omfatte en respektiv justeringsskrue for justering av avstandstykkets posisjon i huset.

Mellom dempermassen og innvendig i huset kan det være anordnet et dempermaterial i form av en gummi- eller oljefilm. Vider kan en pakning eller lignende for å holde dempermaterialet på plass være anordnet mellom dempermassen og innvendig i huset.

Huset kan være utformet langstrakt, men der en første ende av huset er utstyrt med en monteringsflens, og en andre ende er opplagret i en innspenningsdel. Den mekaniske demperen kan da være anordnet hovedsakelig i et midtre område av huset.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere ved hjelp av de vedlagte figurer, hvori Figur 1, 2, 3 og 4 viser et snitt gjennom ulike varianter av et intrusivt måleutstyr i følge oppfinnelsen, og

Figur 5 viser et utsnitt av en mekanisk demper vist i figur 1.

Det intrusive måleutstyret 10 i følge oppfinnelsen omfatter en måleprobe 14 i form av eksempelvis en innstikkssensor i et hus 12 som fungerer som beskyttelseskappe mot det strømmende medium som måleutstyret 10 skal innføres i, altså en termolomme eller lignende med et sensorelement. I for eksempel et prosessanlegg kan måleproben 14 være en temperaturmåler, og huset kan være montert til eksempelvis et rør i anlegget, og rage inn i det strømmende medium, det være seg gass eller væske. Av den grunn kan huset 12 være utstyrt med en flens 30 som via bolthull 32 kan skrues fast til rørveggen, mens resten av huset 12 stikker inn gjennom rørveggen og inn i det strømmende medium. Det vil selvfølgelig være mulig å montere huset innvendig i røret, eller annen komponent som omslutter det strømmende medium, men dette vil naturlig gjøre montering vanskeligere. Den delen av huset 12 som stikker inn i det strømmende medium kan da bli utsatt for de nevnte koblede vibrasjoner og synkronisert virveldannelse, VIV, og som kan skape høye spenninger og mekanisk utmatting.

I den viste utførelsen er huset utformet langstrakt og med en innvendig boring som måleproben 14 er innstukket i. Måleproben 14 er da tilsvarende utformet langstrakt. Huset 12 kan videre være et metallisk hus, men kan også være laget av andre materialer. Husets første ende 12a er utstyrt med nevnte monteringsflens 30, mens en andre ende 12b av huset er fri.

Huset 12 eller beskyttelseskappen kan være i mange ulike design, men felles er at de normalt er fastspent i en ende og deler av den frie delen av konstruksjonen er utsatt for strømning. For termolommer er de mest vanlige geometriene rett, avsmalnende eller avtrappende. Beskyttelseskappen kan være produsert fra en del eller sammensatt ved f.eks. sveising eller gjenging. Beskyttelseskappen er vanligvis spent fast i bakkant i flensen 30. Beskyttelseskappen skal beskytte sensorelementet/ måleproben, så vel som andre innvendige komponenter fra atmosfæren og påkjenningene som er inne i komponenten der måleproben skal måle. Måleproben 14 kan strekke seg gjennom hele eller deler av beskyttelseskappen.

I følge oppfinnelsen omfatter huset 12 videre en mekanisk demper 16 innbefattende en dempermasse 18 og fjærelementer 20, samt eventuelt også et dempemateriale 24.

Demperen 16 omfatter altså en dempermasse 18 som skal motvirke vibrasjonene som beskyttelseskappen og måleproben/sensorelement får. Dempermassen er direkte eller indirekte opplagret mot beskyttelseskappen på en eller flere fjærelementer 20. Fjærelementer kan f.eks. være gummi eller stålfjærer som tåler vibrasjoner over lengre tid. Demping kan i tillegg tilføres demperen ved å tilføre materialdemping i fjærelementene 20 eller å ha egne dempermaterialer 24. Demperen kan tilpasses/tunes på forhånd slik at den best mulig reduserer vibrasjonsresponsen til beskyttelseskappen ved egenfrekvensene.

Som det fremgår fra figurene kan dempermassen 18 være anordnet til eller om måleproben 14. Eksempler på utforming av dempermassen kan være i form av et innvendig hult og sirkulærsylindrisk element, ringformet element, delvis ringformet, eller staver eller lignende anordnet til og plassert på utvalgte sider om måleproben eller sensoren. Stavene kan også være plassert radialt om måleproben og med lik eller ulik innbyrdes avstand.

Figur 1 viser fjærelementet 20 i form av en gummimasse.- eller kloss som dempermassen er forbundet og opplagret på. Figur 2 viser tilsvarende et eksempel med en fjær, eksempelvis en stålfjær. Figur 3 viser en form for gummistropp eller annen elastisk stropp eller komponent, der fjærelementet 20 forbinder dempermassen 18 med boringen innvendig i huset 12 og/eller med andre komponenter inne i huset, eksempelvis avstandsstykker 22. Fjærelementene kan tilsvarende være i form av et innvendig hult og sirkulærsylindrisk element, ringformet element, delvis ringformet, eller klosser og lignende anordnet til og plassert på utvalgte sider om måleproben eller sensoren. Fjærelementene kan også være plassert radialt om måleproben og med lik eller ulik innbyrdes avstand. Normalt vil det være tilstrekkelig med fjærelementer 20 i fortrinnsvis hver ende av dempermassen 18, men det er tenkelig at det kan være flere fjærelementer.

Som det fremgår fra figur 5 kan fjærelementene 20 ligge i en endefals 18a til dempermassen 18 og mot boringen innvendig i huset 12.

Videre kan nevnte avstandsstykke(r) 22 benyttes for å holde dempermassen 18 og fjærelementene 20 på plass i tillegg til eventuelt å overføre bevegelsen fra en justeringsskrue 28. Demperens dynamiske respons vil i hovedsak være forhånds-bestemt ved utførelsen av demperen, men den kan i enkelte tilfeller settes opp slik at justeringsskruen 28 kan justere noe av responsen. Skruen vil da overføre bevegelsen via avstandsstykket og inn til demperen. Avstandsstykkene 22 er anordnet aksialt inne i boringen til huset 12 og kan strekke seg fra flensen 30 og til den mekaniske demperen 16, dvs. fortrinnsvis til fjærelementene 18, og justeringsskruen 28 vil da naturlig kunne være anordnet i flensen, slik at det er enkelt tilgang. Avstandsstykkene 22, eller avstandsstykket, ligger utvendig til måleproben 14 og kan være utformet som staver, eller for den saks skyld et ringformet element.

Nevnte dempermateriale 24 kan være anordnet mellom dempermassen 18 og boringen til huset 12, og vil kunne bidra til å dempe dempermassens respons. Dempermaterialet 24 kan være en gummi- eller oljefilm, og som holdes på plass av en pakning 26 eller utvekst på respektive sider. Pakningen 26 kan eksempelvis være en tynn O-ring. Det er også tenkbart at tilsvarende dempermateriale 24 og pakning 26 kan være anordnet mellom dempermassen 18 og måleproben 14.

Som figurene viser er den mekaniske demperen 16 fortrinnsvis anordnet i en ytre del av husets 12 frie ende 12b, og strekker seg mindre eller likt til en tredjedel av husets lengde. Det er selvfølgelig mulig at demperen kan strekke seg lengre enn nevnt, men da normalt ikke mer enn maksimalt halvparten av husets lengde.

Figur 4 viser en alternativ utførelse av oppfinnelsen. Huset 12 er tilsvarende utformet langstrakt, og en første ende 12a av huset er utstyrt med en monteringsflens 30. Imidlertid er husets andre ende 12c opplagret i en innspenningsdel 34. Begge ender til huset er således opplagret og innspent. Huset vil i en slik konfigurasjon også utsettes for vibrasjon og resonans på grunn av det strømmende medium, om enn på en annen måte enn med en fri ende. Måleproben kan tilsvarende strekke seg helt eller delvis gjennom huset 12, og med den mekaniske demperen 16 anordnet om måleproben, tilsvarende som omtalt ovenfor. Det vil da være naturlig at demperen 16 er plassert i et mellomliggende område mellom opplagringspunktene, og da gjerne i et midtre område. Utstrekningen av demperen 16 vil naturlig også kunne være vesentlig mindre enn omtalt ovenfor.

Claims (14)

1. Intrusivt måleutstyr (10) i forbindelse med måling i en strømning, omfattende en måleprobe (14) som er innstukket i et hus (12), der huset (12) er i form av en beskyttelseskappe innført i strømningen og som omgir den innstukne måleproben (14),karakterisert vedat huset (12) videre omfatter en mekanisk demper (16) som er anordnet til nevnte måleprobe (14), og der den mekaniske demperen (16) omfatter en dempermasse (18) som er forbundet med eller opplagret på fjærelementer (20).

2. Intrusivt måleutstyr (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den mekaniske demperen (16) er utformet innvendig hul og omgir nevnte måleprobe (14).

3. Intrusivt måleutstyr (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den mekaniske demperen (16) er utformet som en eller flere staver eller lignende, anordnet til og plassert på utvalgte sider om måleproben (14).

4. Intrusivt måleutstyr (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat nevnte måleprobe (14) er innstukket sentralt og i langsgående retning i hovedsakelig hele husets (12) lengde.

5. Intrusivt måleutstyr (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat huset (12) er utformet langstrakt, der en første ende (12a) av huset er utstyrt med en monteringsflens (30), mens en andre ende (12b) er fri.

6. Intrusivt måleutstyr (10) i samsvar med krav 5,karakterisert vedat den mekaniske demperen (16) er anordnet tilstøtende den frie enden (12b) av huset (12).

7. Intrusivt måleutstyr i samsvar med krav 1,karakterisert vedat nevnte måleprobe (14) er en temperaturføler til måling av temperatur i strømningen.

8. Intrusivt måleutstyr i samsvar med krav 1,karakterisert vedat den mekaniske demperen (16) er innstukket i huset (12), og strekker seg under halvparten av husets (16) lengderetning, og mer foretrukket tilsvarende eller mindre enn en tredjedel av husets (16) lengderetning.

9. Intrusivt måleutstyr i samsvar med krav 1,karakterisert vedat dempermassen (18) er opplagret på eller forbundet med fjærelementer (20) i form av en elastisk gummimasse eller en elastisk fjær.

10. Intrusivt måleutstyr i samsvar med krav 1,karakterisert vedat ett eller flere aksiale avstandsstykker (22) er anordnet i huset (12), og som er innrettet til å justere og holde på plass den mekaniske demperen (16).

11. Intrusivt måleutstyr i samsvar med krav 10,karakterisert vedat nevnte avstandsstykker (22) omfatter en respektiv justeringsskrue (28) for justering av avstandstykkets (22) posisjon i huset (12).

12. Intrusivt måleutstyr i samsvar med krav 1,karakterisert vedat det mellom dempermassen (18) og innvendig i huset (12) er anordnet et dempermaterial (24) i form av en gummi- eller oljefilm.

13. Intrusivt måleutstyr i samsvar med krav 12,karakterisert vedat en pakning (26) eller lignende for å holde dempermaterialet (24) på plass er anordnet mellom dempermassen (18) og innvendig i huset (12).

14. Intrusivt måleutstyr (10) i samsvar med krav 1,karakterisert vedat huset (12) er utformet langstrakt, der en første ende (12a) av huset er utstyrt med en monteringsflens (30) og en andre ende (12c) er opplagret i en innspenningsdel (34), der den mekaniske demperen (16) er anordnet hovedsakelig i et midtre område av huset (12).