CN108351238A - 具有减小的过程侵入的涡旋流量计 - Google Patents
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Abstract
涡旋流量计包括流管，所述流管具有第一端和第二端。脱落条在第一端和第二端之间布置在流管内。所述脱落条被配置为在流过流管的流体中产生涡旋。至少一个传感器能够操作地与流管的外表面耦接，并且被配置为检测由流管内的涡旋引起的流管的各个变形。
Description
技术领域
涡旋流量计用在工业过程控制领域中，用于测量流体的流量。涡旋流量计通常插入承载待测流体的流动管或管道内。工业应用例如包括石油、化学制品、纸浆和纸、采矿和材料、油和天然气。
背景技术
涡旋流量计的操作原理是基于被已知为冯卡门效应的涡旋脱落现象。随着流体经过脱落条或“阻流体”，它分离并且产生小的涡流或涡旋，所述涡流或涡旋沿着阻流体的每一侧并在阻流体的每一侧之后交替地脱落。这些涡旋产生被传感器检测的脉动流量和压力的区域。目前，各种不同类型的传感器被用于检测这些涡旋，例如包括力传感器、压电动态压力传感器或差动压力传感器。涡旋产生的频率必然与流体速度呈正比。
目前被用于感测涡旋流量计中的涡旋的涡旋传感器通常相对复杂，并且可能需要高成本的设计。此外，由于所述传感器或一些其它合适的结构必须被插入到流管中以与涡旋接触从而进行检测，这些传感器需要额外的紧固件和稳固的密封。因此，过程流体与这些结构直接接触，并且过程进入本身必须小心地被密封以确保过程流体不会泄露。
发明内容
涡旋流量计包括流管，所述流管具有第一端和第二端。脱落条在第一端和第二端之间布置在流管内。所述脱落条被配置为在流过流管的流体中产生涡旋。至少一个传感器能够操作地与流管的外表面耦接，并且被配置为检测由流管内的涡旋引起的流管的各个变形。
附图说明
图1为根据现有技术的涡旋流量计的示意图；
图2A为根据本发明的实施例的具有外涡旋传感器的流管的一部分的示意图；
图2B为根据本发明的实施例的具有外涡旋传感器和流动噪音传感器的流管的示意图；
图3A为示出根据本发明的实施例的脱落条和压电薄膜传感器的相对位置的示意图；
图3B为示出根据本发明的实施例的脱落条和布置在脱落条的上游和下游的压电薄膜传感器的相对位置的示意图；
图4A和4B为根据本发明的实施例的来自涡旋流量计的信号图；
图5A和5B为较小流体流量的与图4A和4B类似的一组图；
图6A示出了涡旋频率测试结果测量值和涡旋频率计算值；
图6B示出了涡旋频率-流量图；
图7A为根据本发明的实施例的涡旋流量变送器的示意图；
图7B为根据本发明的实施例的具有连接的可选的压电薄膜传感器的涡旋流量变送器的示意图；
图8为根据本发明的实施例的基于涡旋感测以及作为一种选择的流动噪音提供流体速度输出的方法的流程图。
具体实施方式
图1为根据现有技术的涡旋流量计的示意图。涡旋流量计100包括流管102，所述流管输送通过流管的流体。流体流动可以为液体、其它或其组合(例如，饱和水蒸汽)。流管102通常附接在一对法兰上，所述一对法兰允许组件被安装在一段管道的对应法兰上。相应地，法兰中的每一个可以包括安装孔(以虚线示出)，所述安装孔允许法兰被安装到流体管道系统的对应法兰上。
如图1所示，涡旋流量计100包括脱落条118，所述脱落条定位在流管102内，从流管的顶部延伸到流管的底部。进一步地，如果沿着流管的轴线观察流管102，脱落条118将典型地定位在流管102的中心，从流管102的最顶部的中心延伸到流管102的最底部的中心。然而，涡旋流量计可以使用定位在其它方位的脱落条以及没有完全跨越流管的整个内直径的脱落条实施。随着流体流过脱落条118，在流体流动中产生涡旋。这些涡旋被称为冯卡门涡旋。当流体流动经过接近感测装置126的下游位置时涡旋出现。涡旋物理地与装置126相互作用，导致装置126的细微移动和振动。这些移动可以通过传感器被转换或者不然被感测，例如通过与壳体132内的电子器件130电耦接的传感器128。相应地，涡旋流量计将典型地包括流管组件和电子器件组件，它们组合在一起可以被称为涡旋流量变送器。壳体132内的电子电路130通常将传感器信号转换为标准传输信号，所述标准传输信号被提供给输出引线148，以传输给另一个合适的设备，例如过程控制器或阀控制器。
如图1所示，上面的前述涡旋流量计的设计通常提供接近脱落条布置在流管内的结构，以检测或者不然感测涡旋。由此，所述结构必须小心地被密封，以便过程流体不会泄露出流管102。进一步地，过程流体直接与布置在流管内的结构或传感器相互作用，并且可能导致对感测结构的损坏或磨损。
本发明的实施例通常将内涡旋感测结构(例如结构126)或其它类型的传感器从流管内移除，并且在流管上外部地测量或者检测压力脉动涡旋。在一个实施例中，使用多个基于应变的压电薄膜传感器检测压力脉动涡旋，所述基于应变的压电薄膜传感器安装在涡旋流量计的流管的外侧壁上。
图2A为具有布置在流体流动中的脱落条118的流管(例如流管102)的一部分的示意图。如图2A所示，第一压电薄膜传感器150相对于脱落条118定位在流管102的第一侧上。第二压电薄膜传感器152布置在流管102的与第一压电薄膜传感器150相反的一侧上。当涡旋在脱落条118的交替的两侧上脱落时，这些流体涡旋与流管102的侧壁相互作用，其程度以至于压电薄膜可以感测由对应的涡旋的撞击导致的侧壁中的应变。
图2B与图2A类似，相似的部件被相似地编号。图2B所示的实施例与图2A所示的实施例之间的主要差别在于增加了至少一个上游压电薄膜传感器154。如图所示，传感器154在流管102的任意一侧或多侧上定位脱落条118的上游。虽然图2B示出了单个的上游压电薄膜传感器，但是可以清楚地设想出本发明的实施例包括多于一个的上游压电薄膜传感器。事实上，这些实施例可以允许上游传感器与下游传感器匹配以便简化处理或移除噪音成分。
在一个计算分析中，确定出在阻流体或脱落条的相反侧上的涡旋流量计的流管的变形等于约2.5微应变，并且对于压电薄膜传感器每一微应变等于12毫伏的机电转换因子的情况，确定出在该位置上从压电薄膜输出的输出电压为约30毫伏。为了验证该模拟，DN80(3英寸)尺寸的具有压电薄膜传感器的涡旋流量计被建造，在这种情况下压电薄膜传感器被附接在流管的相反侧上。压电薄膜类型为弗吉尼亚州的汉普顿的MeasurementSpecialties供应的SDT1-028K型压电薄膜。
图3A为示出根据本发明的另一个实施例的脱落条118和压电薄膜传感器150和152的相对位置的示意图。脱落条118被定位为使得它近似居中地位于流管102的中心线上。进一步地，脱落条118刚好定位在安装法兰之间的中点之前。在图3所示的实施例中，流体从流管组件的左侧流到右侧。因而，与图2A所示的实施例相比，压电薄膜传感器150和152在流管102的相反侧上定位在脱落条118的下游。
图3B与图3A类似，并且相似的部件被相似地编号。图3B所示的实施例与图3A所示的实施例之间的主要差别在于包含了上游压电薄膜传感器154。如图所示，上游压电薄膜传感器154在流管的任意一侧或多侧上定位在脱落条118的上游。
虽然图3A示出了一对压电薄膜传感器150、152，但是可以清楚地设想出根据本发明的实施例可以使用不同数量的压电薄膜传感器感测流管102的外部变形或应变。例如，单个的压电薄膜传感器可以能够感测足够的变形，以提供有意义的涡旋流量频率信息。如果单个的压电薄膜传感器基本上包裹在流管102的整个外圆周周围，那么尤其是这样。此外，根据本发明的实施例也可以使用多于两个的压电薄膜传感器。例如，如图3B所示，布置在脱落条118上游的压电薄膜传感器154可以允许一定程度的共模噪音降低。例如，如果上游泵正在提供过程流体中的压力脉动，那么上游传感器可以感测在管道侧壁上的该脉动的扰动，使得可以从由下游压电薄膜传感器产生的信号中移除它们。该移除可以以任何合适的方式进行，但是在一个实施例中将包括上游传感器信号的数字分析，以便确定某些频率特性，例如泵脉动，使得该特定的频率可以从由下游压电薄膜传感器提供的信号中被衰减或者不然被移除。
图4A和4B为根据本发明的实施例的来自涡旋流量计的信号图。分别来自压电薄膜传感器150、152的输出电压Upfl和Upf2通过多通道数字示波器被测量。差值信号ΔUpf基于Upf1和Upf2之间的差值被计算。使用快速傅里叶变换(FFT)确定涡旋的频率。如图4A所示，ΔUpf以毫伏被表达在竖直刻度上，而以毫秒计的时刻被表达在水平刻度上。进一步地，图4B示出了对于130立方米每小时的流量的ΔUpf信号的信号频谱。如图4B所示，显示出许多频率峰值。对应于涡旋频率的第一频率峰值被示出在95.37Hz.。此外，更明显的频率峰值被示出在200.27Hz.。在200.27Hz.处的峰值为源自原型试验中输送水的一个或多个泵的脉动流的频率。如前所述，上游压电传感器必定会测量诸如来自泵的脉动的流动噪音，并且其分析将显示在根据本发明的实施例计算或者不然确定涡旋频率时200赫兹的频率范围应当被忽略。
图5A和5B为较小流体流量的与图4A和4B类似的一组图。在图5A和5B示出的测试中，使用90立方米每小时的水流量。特别地如图5B所示，信号频谱的频率分析显示峰值在66.76Hz.，即涡旋频率。在60立方米每小时和30立方米每小时处的类似分析显示47.68Hz.和38.15Hz.的对应涡旋频率。这些结果与涡旋计算值进行比较，并且基于测量的涡旋频率的各种测量流量通常与计算的涡旋频率一致，至少对于如图6B所示的三个较高的流量测试。图6A中的表格示出了与使用校准K因子涡旋流量计计算的涡旋频率进行比较的来自测试结果的测量的涡旋频率。在测试中获得的涡旋频率与计算值的比较显示出与流量的相对线性的相关性。
图7A为根据本发明的另一个实施例的涡旋流量变送器的示意图。如图7A所示，流管组件包括流管102，流管具有安装在其中的脱落条118。此外，在图7A所示的实施例中，一对压电薄膜传感器150、152在流管102的外侧、在脱落条118的相反侧上被安装在流管102的外部。
图7B与图7A类似，并且相似的部件被相似地编号。图7B所示的实施例和图7A所示的实施例之间的主要差别在于包含上游压电薄膜传感器154。如图所示，上游压电薄膜传感器154在流管102的任意一侧或多侧上定位在脱落条118的上游。
压电薄膜传感器150、152、154中的每一个与变送器电路130的测量电路160电耦接。测量电路160通常包括一个或多个合适的模拟-数字转换器，所述模拟-数字转换器被指定为具有足够高的带宽以捕获流管侧壁的脉动行为。返回参考关于原型传感器的一些测试结果，使用能够在10毫秒内转换25个测量值的测量电路获得合适的结果。此外，如果使用更高带宽的传感器，可以平均多个数据点以增大数据保真度。测量电路160与控制器162(在一个实施例中为微处理器)耦接。
微处理器162被配置为通过硬件、软件或其组合分析由测量电路160提供的数字信号，并且基于涡旋频率以及作为一个选择的流动噪音提供过程流体流量。如上所述，控制器162可以进行涡旋传感器信号的快速傅里叶变换，以便确定涡旋频率和/或确定可能导致噪音或故障的其它制品的频率。控制器162与通信电路164耦接，通信电路可以使用任何合适的过程通信协议(例如高速通道可寻址报告转换器()、FOUDATIONTM、现场总线或者其它)与过程通信环路或线段相互作用。此外，在涡旋流量计无线通信的实施例中，通信电路164可以支持无线过程通信协议，例如根据IEC 62591(无线HART)的过程通信协议。
流量计电子器件130还包括电源电路166，所述电源电路为电路130的所有部件提供合适的功率。在涡旋流量计通过导线158与有线过程通信环路或线段耦接的实施例中，电源模块166可以接收并且适当地调节来自有线过程通信环路的电功率以便为电路130的部件提供工作功率。相应地，本发明的是一些实施例可以全部由它们所耦接的过程通信环路或线段供电。在其它实施例中，当涡旋流量变送器不与有线过程通信环路或线段耦接时，电源模块166可以包括合适的电池或能源以在合适的时间段上为电路130的部件提供电功率。
图8为根据本发明的实施例的基于涡旋感测提供流体速度输出的方法的流程图。方法300从方框302开始，在方框302中在流管内提供脱落条。脱落条具体地被配置为在流体流过脱落条时在流体中产生涡旋。脱落条可以采取任何合适的形状，例如那些目前已知或以后开发的。在一个示例中，脱落条可以具有相对平坦的前导表面和锥形的侧壁，所述锥形的侧壁延伸至相对狭窄的后表面，如图2所示。
接下来，在方框304中，使过程流体流过流管。当过程流体流过流管时，随着其流动经过脱落条，过程流体产生交替的涡旋。在方框306中，使用安装至或者不然耦接至流管的一个或多个传感器检测流管的外变形。如上所述，随着涡旋撞击在流管的内侧壁上或者不然与流管的内侧壁相互作用，流管本身将经历可检测的变形。在一个实施例中，该变形被使用一个或多个压电薄膜传感器检测。然而，可以使用任何合适的变形检测方法或技术实施方法300。
接下来，在方框308中，基于在方框306中检测的变形计算涡旋频率。在一个实施例中，可以通过对变形检测信号执行频率分析计算涡旋频率。该频率分析的一个示例是快速傅里叶变换。最后，在方框310中，计算的涡旋频率被用于提供流动速度输出信号。该流动速度输出信号可以通过涡旋流量计在本地显示和/或根据需要被传输给一个或多个远程设备。
作为一种选择，在方框312中，使过程流体流过流管。当过程流体流过脱落条上游的流管时，它产生流动噪音。在方框314中，使用安装在流管的任意侧或相反侧上的一个或多个传感器检测源于流动噪音的流管的外变形。在方框308中，基于在方框306中检测的变形和源于流动噪音的流管的变形计算涡旋频率。在一个实施例中，可以通过对变形检测总信号执行频率分析来计算涡旋频率。该频率分析的一个示例是快速傅里叶变换。最后，在方框310中，使用计算的涡旋频率提供流动速度输出信号。该流动速度输出信号可以通过涡旋流量计在本地显示和/或根据需要被传输给一个或多个远程设备。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将意识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节方面作出改变。例如，虽然一般地关于压电薄膜传感器描述了本发明的实施例，但是该传感器仅仅是具有合适感测能力以外部地检测涡旋对流管的撞击的传感器的示例。因而，根据本发明的实施例可以能够使用其它类型的传感器，或者目前已知的或者以后开发的。
Claims (21)
1.一种涡旋流量计，包括：
流管，所述流管具有第一端和第二端；
脱落条，所述脱落条在第一端和第二端之间布置在流管内，所述脱落条被配置为在流过流管的流体中产生涡旋；和
至少一个传感器，所述至少一个传感器能够操作地与流管的外表面耦接，并且被配置为检测由流管内的涡旋引起的流管的各个变形。
2.根据权利要求1所述的涡旋流量计，其中所述至少一个传感器为压电薄膜传感器。
3.根据权利要求2所述的涡旋流量计，其中所述至少一个传感器被安装在流管的外表面上。
4.根据权利要求3所述的涡旋流量计，其中所述至少一个传感器包括多个压电薄膜传感器。
5.根据权利要求4所述的涡旋流量计，其中所述多个传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器布置在流管的第一侧上，所述第二传感器布置在流管的与第一侧相反的第二侧上。
6.根据权利要求5所述的涡旋流量计，其中第一传感器和第二传感器被安装成接近脱落条。
7.根据权利要求5所述的涡旋流量计，其中第一传感器和第二传感器安装在脱落条的下游。
8.根据权利要求4所述的涡旋流量计，其中所述多个传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器在脱落条的第一侧布置在流管的第一侧上，所述第二传感器在脱落条的第二侧布置在流管的所述第一侧上。
9.根据权利要求5所述的涡旋流量计，其中所述多个传感器包括至少一个附加传感器，所述附加传感器在脱落条的上游安装至流管的外表面。
10.根据权利要求1所述的涡旋流量计，还包括流量计电子器件，所述流量计电子器件与所述至少一个传感器耦接并且被配置为基于涡旋频率检测产生过程流体流量输出。
11.根据权利要求10所述的涡旋流量计，其中流量计电子器件被配置为对来自所述至少一个传感器的信号进行频率分析以检测涡旋频率。
12.根据权利要求11所述的涡旋流量计，其中所述频率分析为快速傅里叶变换(FFT)。
13.根据权利要求10所述的涡旋流量计，其中流量计电子器件被配置为对一信号进行分析，所述信号来自在脱落条的上游安装至流管的外表面以检测流动噪音的至少一个传感器和来自在脱落条的下游安装至流管的外表面以检测涡旋频率的至少一个传感器。
14.一种检测流体的流量的方法，所述方法包括：
提供流管以接收流体的流动；
提供固定结构，所述固定结构在流体流过固定结构时产生涡旋；
基于涡旋和流管之间的物理相互作用检测流管的外表面的变形；
使用检测到的变形确定涡旋频率；以及
基于涡旋频率提供流量输出。
15.根据权利要求14所述的方法，其中提供固定结构包括在流管内安装脱落条。
16.根据权利要求14所述的方法，其中检测外表面的变形包括监测来自于与流管的外表面耦接的至少一个传感器的信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个传感器为压电薄膜传感器。
18.根据权利要求14所述的方法，其中在流管上的两个不同位置执行对流管的外表面的变形的检测。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述两个不同位置在流管的相反侧上。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述两个不同位置在固定结构的下游。
21.一种涡旋流量计，包括：
流量计电子器件，所述流量计电子器件被配置为确定涡旋频率并且提供流体流量输出；
流管，所述流管具有第一端和第二端；
脱落条，所述脱落条布置在流管内以在流过流管的流体中产生涡旋；和
多个压电薄膜传感器，每一个压电薄膜传感器与流量计电子器件耦接并且安装至流管的外表面，所述多个压电薄膜传感器被配置为检测由撞击流管的涡旋引起的流管的变形。
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