NO851375L - Planmaalende og virvelspredende massestroemningsmaaler - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt virvel-spredende strømningsmålere for måling av den fluidummengde som passerer gjennom et rør og, mer presist, til et apparat for å bestemme massestrømningshastigheten av det bevegede fluid.

Ved mange industrielle fluid-prosesser, som konsument-overføring, brennstoffmåling eller reaktant-blanding, er det ønskelig å kunne måle massegjennomstrømningsmengden som passerer gjennom røret.

Ved en konvensjonell strømningsmåler av virvel-typen, produserer fluid som passerer rundt et spredningslegeme en strøm av virvler med en genereringshastighet som er proporsjonal med fluidets strømningshastighet (v). En føler som reagerer på virvlene, produserer et signal som har en frekvens som representerer strømningshastigheten. Ettersom strømningsmå-lerens tverrsnittsareal er kjent, kan strømningshastighets-signalet siden benyttes for beregning av den resulterende volumetriske strømningshastighet av fluidet i røret. Hvis fluidets tetthet (p) også er kjent, er det resulterende pro-dukt av volumetrisk strømningshastighet og tetthet masse-strømningshastigheten. Men det er ikke mulig å opprette en enkel proporsjonalitetskonstant for å utlede massestrøm-ningshastighet bare fra den direkte måling av volumetrisk strømningshastighet, fordi tettheten er følsom overfor endringer i temperatur og trykk. Ved anvendelse i forbindelse med gass, er denne følsomhet gjerne så sterkt uttrykt at en direkte måling av tettheten under operasjonsbetingelser er nødvendig for at det skal oppnås et rimelig nøyaktig mål på massestrømningshastigheten.

Det er foreslått forskjellige anordninger for måling av massestrømning, som ikke krever direkte måling av fluidets tetthet. I US-PS 3 719 073 (Mahon) er det eksempelvis beskrevet en massestrømningsmåler, hvor et virvelsprednings-legeme blir brukt i serie med en nedstrøms føler som både registrerer frekvensen og amplituden av det oscillerende strømningsmønster som resulterer fra samvirket mellom pro sessfluidet i bevegelse og virvelspredningslegemet. Ovennevnte patentskrift angir at frekvensen varierer direkte med endringer i strømningshastigheten (v) av fluidet og at amplituden varierer med endringer av en strømningskarakteristikk som er produktet av fluidets tetthet og kvadraten av fluid-strømnmgshastigheten (dvs pv 2) . Følgelig kan massestrøm-ningshastigheten beregnes ved at et følersignal, som representerer den registrerte amplitude av strømningsmønstret, divideres med et annet følersignal, som representerer strøm-ningsmønstrets frekvens.

En annen kjent massestrømningsmåler er -beskrevet i US-PS

3 785 204 (Lisi), hvor en virvelsprednings-måleanordning er kombinert i serie med et differensialtrykk-instrument med to trykkuttak. Et trykkuttak er anbrakt oppstrøms og det andre trykkuttak er anbrakt nedstrøms av virvelsprednings-måleanordningen. Ved at måleanordningen brukes som en hindring i den bevegede fluidstrøm, skapes et trykkfall som er kjent for å være proporsjonalt med p v strømningskarakteristikken. Som følge av dette er beregningen av massestrømningshastig-heten lik den som er angitt i førstnevnte US-PS, hvor den måo lte p v 2 strømningskarakteristikk blir dividert med fluid-strømningshastigheten v.

Det oppstår dog et problem som er iboende i massestrømnings-målerne som beskrevet i de to nevnte patentskrifter som følge av den aksiale separasjon mellom den anordning som måler p v 2 strømningskarakteristikken og den anordning som måler fluidstrømningshastigheten. Det er kjent at denne separasjon resulterer i visse energiendringer, primært i form av trykk-tap og økt turbulens som opptrer mellom de to måleanordninger. Disse energiendringer begrenser nøyaktigheten av massestrøm-nings-hastighetsmålingen, idet betingelsene som foreligger ved de to respektive målesteder ikke er de samme. For å øke målenøyaktigheten av disse kjente strømningsmålere, især til bruk for gass med lavt trykk, kreves ytterligere anordninger og kretser for å kompensere feil som skyldes de nevnte energiendringer. Men bruk av kompensasjonsanordninger, det være seg for væsker eller gass, gjør begge typer av kjente strøm-ningsmålere mer kompliserte, slik at de blir mer kostbare og mindre pålitelige. Feil-kompensasjon blir dessuten mer komp-lisert med redusert aksial separasjon mellom de to målesteder, fordi korrigeringsfaktorene da blir vanskeligere å for-utsi .

Det er følgelig behov for en bedret strømningsmåler for måling av massestrømningshastigheten av et prosessfluid uten å måtte ty til bruk av ekstra kretser eller anordninger for kompensasjon av energiendringer.

De ovennevnte problemer i forbindelse med kjente anordninger unngås ved at det tilveiebringes en ny og bedret strømnings-måler utført i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse, hvor en konvensjonell virvelstrømningsmåler med et spreder-legeme er kombinert med en tetthets-følsom måleanordning som er montert i en overflate av sprederlegemet. Den tetthets-følsomme anordning virker slik at den måler p v 2 strømnings-karakteristikken av det bevegede fluid i det plan der virvlene genereres. Denne anordning eliminerer i det vesentlige det tidligere omtalte problem, dvs feil som skyldes energiendringer fordi målinger foretas på steder som er ak-sialt atskilt i røret.

I en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse benyttes en pitot-anordning for registrering av trykkdiffe-rensialet som er proporsjonalt med p v 2 strømningskarakteri-stikken av det bevegede fluid. Det er dannet minst en åpning eller port på oppstrøms flate av sprederlegemet for å registrere det strømmende fluidets dynamiske trykk. En annen port for å registrere det statiske trykk av det strømmende fluid er utformet i røret, hvor det virveldannende plan som omfatter oppstrøms flate av sprederlegemet skjærer rørets innervegg. Ettersom den andre port befinner seg i det plan der det dynamiske trykk blir registrert og fra hvilket virvler dannes, kreves ingen korrigerende faktorer, som ekspansjons-koeffisienter for å kompensere energiendringer.

I et andre utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse er en treffplate-måler ("target meter"), som har sin kraftre-gistreringsplate montert slik at den forløper på linje med oppstrøms flate av sprederen, brukt for å måle p v strøm-ningskarakteristikken. Sprederlegemet er utformet med en ut-tagning for opptagelse av den kraftregistrerende plate og omfatter en passasje gjennom den for et apparat som reagerer på den kraft som påvirker platen. Den kraft som registreres av treffplatemåleren blir deretter omdannet til et signal av passende kretser, slik at når signalet kombineres med strømningshastighets-signalet som produseres av virvelstrøm-ningsmåleren, blir det resulterende signal representativt for massestrømningshastigheten av fluidet som passerer gjennom røret.

De ovenfor omtalte og andre trekk ved foreliggende oppfinnelse vil bli bedre forstått på bakgrunn av nedenstående be-skrivelse under henvisning til tegningene, hvor

fig. 1 er et oppriss, delvis bortbrutt, som viser en strøm-ningsmåler konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 er et snitt av foreliggende oppfinnelse etter linjen 2-2 i fig. 1,

fig. 3 viser foreliggende oppfinnelse, sett etter linje 3-3

i fig. 2,

fig. 4 viser et annet utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse, hvor to porter benyttes for registrering av det dynamiske trykk,

fig. 5 viser ytterligere et utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse hvor det inngår en treffplate-måler.

I fig. 1 ses et oppriss av en massestrømningsmåler 10 som er utført ifølge foreliggende oppfinnelse. Et konvensjonelt virvelspreder-egeme 12 er montert i et rør 14, som opptar et fluidum som strømmer gjennom røret i den retning som er an gitt med pilen F. Som kjent vil fluidstrømmen, når et fluid passerer den ikke-strømlinjeformede overflate av en opp-strøms flate 16, ikke kunne følge den skarpe konturen av flaten 16 og derfor atskilles fra legemet 12. Et skjær-lag dannes i nærheten av legemet. Fordi skjær-laget har en høy hastighetsgradient, er det naturlig ustabilt og brytes dermed opp i godt avgrensede virvler etter en viss vandrings-lengde. Disse virvlene er rotasjonsstrømningssoner som vek-selvis dannes på hver side av overflaten 16 med en frekvens som er proporsjonal med fluidets strømningshastighet. Differensialtrykk-pulser opptrer idet virvlene dannes og spres. Det skal bemerkes at avstanden er konstant mellom sentrene

i ethvert virvelpar som dannes på samme side av flaten 16. Denne avstand, som også er kjent som virvel-bølgelengden, varierer i overensstemmelse med endringer i legemets 12 spesifikke dimensjoner. Det betyr med andre ord at selv om frekvensen (dvs genereringshastigheten) av virvlene avhenger av fluidets strømningshastighet, forblir virvelbølgelengden den samme så lenge samme sprederlegeme blir brukt.

Ved foreliggende utførelseseksempel av oppfinnelsen, som er vist i fig. 1, reagerer en transduktor 18 på de trykk-svingninger som opptrer idet hver virvel passerer transduktoren ved å produsere et elektrisk signal, som svarer til fluidets strømningshastighet. Kort beskrevet, er transduktoren 18 en væskefylt kapsel som har sidevegger i form av flek-sible membraner, som har moderat areal, slik at de reagerer på en forholdsvis stor andel av energien i virvlene. Membra-nene overfører de vekslende virveltrykkpulser til et piezo-elektrisk følerelement som produserer et tilsvarende veksel-spenningssignal, som via et par ledninger 33, 35 sendes til en elektrisk krets 34. Den elektriske krets 34 er innrettet slik at den produserer et strømningssignal betegnet v, som er representativt for fluidets strømningshastighet gjennom røret 14. Transduktoren 18 er beskrevet mer detaljert i US-PS 4 085 614 (Curran et al. og overført til søkeren).

I oppstrøms flate 16 er det utformet en port 20 i virvel- sprederlegemet 12. En passasje 22 forbinder porten 20 med en forbindelse 24, som er koplet til en side 26 av et konvensjonelt differensialtrykk-måleinstrument 28. Porten 20, passasjen 22 og forbindelsesstykket 24 utgjør alle deler av en pitot-anordning, som vil bli beskrevet mer detaljert i forbindelse med de øvrige figurene. Porten 20 mottar det dynamiske trykk som fluidet påtrykker flaten 16. Det dynamiske trykk blir sendt til det trykkmålende instrument 28 som et trykksignal betegnet PD.

I fig. 2 er det vist et snitt av massestrømningsmåleren 10, tatt etter linjen 2-2 i fig. 1. På et sted hvor et plan som inneholder oppstrøms flate 16 skjærer rørets 14 innervegg, er en port 40 forbundet med et forbindelsesstykke 42, som er koplet til en side 30 av differensialtrykk-måleinstrumentet 28. Det skal bemerkes at porten 40 går på tvers av pilen F, som representerer fluidstrømningens retning. Porten 40 mottar det strømmende fluidets statiske trykk og vil via forbindelsesstykket 42 påtrykke dette trykk som et trykksignal, betegnet med PS på differensialtrykk-måleinstrumentet 28.

I fig. 3 et et frontsnitt av strømningsmåleren 10, tatt etter linjen 3-3 i fig. 2,vist. Beliggenheten av porten 20

kan være hvor som helst langs flaten 16. Porten 40 kan væ-re beliggende hvor som helst langs rørets 14 omkrets, for-trinnsvis i samme plan som opptar flaten 16. Men det plan som er perpendikulært på fluidstrømningens retning og inneholder sentrum av porten 40 kan være forskutt oppstrøms eller nedstrøms fra flatens 16 plan til en avstand som for-trinnsvis ikke overstiger en halvpart av virvelbølgelengden, for at det skal tas hensyn til produksjonstoleranser og for å muliggjøre flere spesifikke størrelser av legemet 12 til bruk i forbindelse med porten 40. Som vist i fig. 1-3, blir utgangen fra det trykkmålende instrument 28 ført via et rør til en trykk-strøm-omformer (P/I) 38, som produserer et elektrisk signal betegnet som p v 2. En delerkrets 36, som er koplet for å motta utgangene fra den elektriske krets 34 og omformeren 38, deler det elektriske signal p c 2 med strøm-ningshastighetssignalet, betegnet med v, for å produsere et

signal, betegnet med p v, som svarer til massestrømningshas-tigheten av prosessfluidet som strømmer gjennom røret 14.

Evnen til å måle massestrømningshastighet er ønskelig, især

i situasjoner som omfatter forbruker-overføring ("custody transfer"), hvor den fluidmengde som overføres fra ett sted til et annet benyttes til å bestemme den betaling som en kjøper skylder en leverandør. En fordel ved foreliggende oppfinnelse i forhold til kjente massestrømningsmålere er at komponentene er robuste og kan utformes slik at de motstår ekstreme forhold, som fluidstrømninger som inneholder fast-stoffer eller korroderende stoffer. Følerelementene ifølge oppfinnelsen er grunnleggende enkle, de elementene som er utsatt for strømmende fluid er stasjonære og omfatter ikke slikt som roterende blader eller dreibart monterte vinger.

I fig. 4 er et andre utførelseseksempel 59 av foreliggende oppfinnelse vist, hvor oppstrøms flate 16 omfatter en andre port 60 for å motta det dynamiske trykk som utøves mot flaten 16 av fluidet. En ende av en passasje 62 er koplet til porten 60 og den andre enden er koplet til passasjen 22 via et forbindelsesstykke 66. Denne anordning gjør det mulig å kombinere det dynamiske trykk som mottas av portene 40 og 6 0 til et resulterende dynamisk trykksignal for overføring til det trykkmålende instryment 28. Det skal bemerkes at de fak-tiske beliggenheter av portene 20 og 60 kan være hvor som helst på flaten 16. Dette andre utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse er nyttig i situasjoner hvor strøm-ningsprofilet ikke er jevnt over måleplanet, slik at det er nødvendig at de dynamiske trykk som påtrykkes flaten 16 av det strømmende fluid blir midlet mellom de atskilte porter 20 og 60.

Fig. 5 avbilder et tredje utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse, hvor en anordning ("drag-body device"), som en treffplate-måler 80 blir brukt til å o registrere p v 2 strøm-ningskarakteristikken av fluidet. Dette tredje utførelses-eksempel c / foreliggende oppfinnelse omfatter virvel-spreder legemet 12, transduktoren 1-8 og tilordnede elektriske krets 34, som genererer det elektriske signal v som svarer til fluidets hastighet. Som en del av treffplate-måleren 80 har treffplaten 82 en plan flate 84 som er anordnet på linje med oppstrøms flate 16. En forbindelsesstang 86 har en ende koplet til treffplaten 82,og den andre enden forløper gjennom rørets 14 vegg. Det er utformet en åpning 88 i sprederlegemet 12 for å oppta treffplaten 82 og det er utformet et hulrom 90 i sprederlegemet 12 for å oppta forbindelsesstangen 86 . Et fleksibelt organ ("flexure") 92 monterer stangen 86 dreibart på røret 14 og tetter også hulrommet 94 for å hindre sted strømmende fluid i å unnslippe. Den frie enden av forbindelsesstangen 86 er dermed bevegelig som respons på den kraft som utøves mot treffplaten 82 av det strømmende fluid.

Det benyttes en vibrerende trådanordning 100 for å registrere bevegelsen av forbindelsesstangens 86 ende 94. Den vibrerende trådanordning er velkjent på området som kraft-transduktor, og den vil derfor bare bli kort omtalt. En vibrerbar tråd 102 har sin ene ende montert på et stasjonært feste 103, mens den andre enden er koplet til forbindelsesstangen 86, nær enden 94. Når tråden 102 blir ekssitert til vibrasjonsbevegelse (av et ikke beskrevet apparat), vil vibrasjonsfrekvensen avhenge av den stramning som utøves mot tråden som følge av den kraft somdet strømmende fluid utøver mot treffplaten 82. En detek-torkrets 104 reagerer på trådens 102 vibrasjonsfrekvens og produserer det elektriske signal som er betegnet med p v 2. Delerkretsen 36 vil som respons på utgangene fra omformeren 34 og detektorkretsen 104 produsere det resulterende signal som er betegnet pv og som svarer til massestrømningshastigheten.

Skjønt foreliggende oppfinnelse er beskrevet under henvisning til flere utførelseseksempler, vil det være innlysende at bedringer og modifikasjoner kan gjennomføres uten avvik fra oppfinnelsens ånd og ramme, slik som angitt i de etterfølgen-de krav. Spesielt kan de elektriske signaler som produseres av den elektriske krets 34, delerkretsen 36 og omformeren 38 være analoge, digitale eller frekvenssignaler. Videre er det tredje utførelseseksemplet av foreliggende oppfinnelse særlig egnet for frekvens-løsningen, da den konvensjonelle virvel-strømningsmåler og den vibrerende trådenhet 100 er frekvens-anordninger. I tillegg kan det tredje utførelseseksemplet omfatte andre kraftregistreringsorganer som avviker fra typen med en vibrerende tråd.

Claims (15)

1. Virvel-spredende strømningsmåleranordning, karakterisert ved at den omfatter: en ledning som er tilpasset for å la et strømmende fluid passere gjennom den; et virvel-sprederelement som er fast montert i ledningen og har en overflate for virveldannelse; et måleplan som er anordnet på tvers av det strø mmende fluidets bevegelsesretning og skjærer nevnte overflate; organer som reagerer på virvler for generering av et hastighetssignal som er representativt for nevnte virvlers spredningshastighet og dermed er proporsjonalt med den volumetriske strømningshastighet av fluidet i nevnte måleplan; en føleranordning for i nevnte måleplan å registrere et beveget fluids karakteristikk som avhenger av produktet av fluidets tetthet og kvadraten av nevnte volumetriske strømningshastighet; hvor føleranordningen virker slik at den produserer et følersig-nal som svarer til det bevegede fluidets karakteristikk; og kretser for å motta både føler- og hastighetssignalene og kombinere disse signaler ifølge et fastlagt forhold for produksjon av et strømningssignal som er proporsjonalt med massestrø mningshastigheten av fluidet som passerer gjennom ledningen.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at føleranordningen omfatter en pitot-anordning som omfatter en port som er beliggende ved skjæ-ringspunktet for nevnte måleplan og nevnte flate for å registrere fluidets dynamiske trykk og en andre port som er anordnet i det vesentlige i skjæringen for nevnte måleplan med innerveggen av ledningen for registrering av fluidets statiske trykk; og organer som reagerer på nevnte dynamiske og statiske trykk for fra disse å produsere nevnte føler-signal .

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at pitot-anordningen omfatter minst to porter for måling av fluidets dynamiske trykk; hvor de to portene er anordnet på steder hvor nevnte måleplan skjærer nevnte flate.

4. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte flate er en plan, oppstrøms flate av virvel-sprederelementet.

5. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at det trykk-responsive organ er en differensialtrykk-måleanordning som er koplet til nevnte pitot-anordning for å motta det dynamiske og statiske trykk.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at det trykk-responsive organ ytterligere omfatter en trykk-til-strøm-omformer som er koplet til utgangen av nevnte differensialtrykk-måleanordning for dannelse av et elektrisk signal som følersignalet som svarer til det bevegede fluids karakteristikk.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at nevnte kretsanordning er innrettet for å dele eh karakteristikks av nevnte elektriske signal med en karakteristikk . av nevnte hastighetssignal for å danne nevnte massestrømningshastighetssignal.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at nevnte karakteristikk.. av nevnte elektriske og hastighetssignaler er frekvens.

9. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at føleranordningen er en treffplate-måler som omfatter en bevegelig plate for å registrere det bevegede fluidets karakteristikk.

10. Anordning som angitt i krav 9, karakteri sert ved at det virvelspredende element er utformet med et hulrom for å oppta nevnte treffplate-måler og bevege-lige plate.

11. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte flate er en plan oppstrøms flate av virvelspreder-elementet.

12. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at føleren videre omfatter en vibrerende tråd-anordning for å måle den kraft som utøves mot treffplate-måleren og dermed generere et kraft-signal som følersig-nal som respons på det bevegede fluidets karakteristikk.

13. Anordning som angitt i krav 12, karakterisert ved at nevnte krets har dén virkning å dele en karakteristikk av nevnte kraft-signal, mottatt fra nevnte vibrerende tråd-anordning, med en karakteristikk av nevnte hastighetssignal for dannelse av nevnte massestrømningshas-tighetssignal.

14. Anordning som angitt i krav 13, karakterisert ved at nevnte karakteristikk av nevnte kraft-og hastighetssignaler er frekvensen.

15. Virvel-spredende massestrømningsmåler av den type som omfatter et rør, tilpasset for å la et fluid strømme gjennom det, et virvel-sprederelement montert i nevnte rør og for-synt med en flate for dannelse av virvler som resulterer av samvirke mellom det strømmende fluid og sprederelementet, og organer som reagerer på virvlene for generering av et hastighetssignal som er representativt for spredningshastig-heten av nevnte virvler og dermed er proporsjonalt med fluidets volumetriske strømningshastighet i røret, karakterisert ved et måleplan som er anordnet på tvers av det strømmende fluidets bevegelsesretning; en anordning av pitot-type for i nevnte måleplan å registrere et beveget fluids karakteristikk som er avhengig av produktet av fluidets tetthet og kvadraten av den volumetriske strømningshastighet; hvor anordningen omfatter et første inntak for registrering av fluidets dynamiske trykk, et andre inntak for å registrere fluidets statiske trykk og orga ner som reagerer på nevnte dynamiske og statiske trykk for å produsere et følersignal som svarer til det bevegede fluidets karakteristikk; og organer for å motta nevnte føler- og hastighetssignaler og kombinere disse signaler ifølge et bestemt forhold for å produsere et strø mningssignal som er proporsjonalt med massestrømningshastigheten av fluidet som passerer gjennom røret.