CN112567212A

CN112567212A - 具有可调共振频率的均速皮托管

Info

Publication number: CN112567212A
Application number: CN201980001465.XA
Authority: CN
Inventors: 格雷戈里·罗伯特·斯特罗姆; 韩昌煜
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2021-03-26
Also published as: EP3983763A4; JP2022537971A; US11067417B2; WO2020248231A1; EP3983763A1; US20200393275A1

Abstract

一种用于感测过程容器(114)中的流体流的参数的均速皮托管探针组件(106)，包括延伸穿过所述过程容器(114)的均速皮托管探针(108)。所述探针(108)包括延伸穿过所述过程容器(114)中的第一开口(140)的第一端部(136)和延伸穿过所述过程容器中的第二开口(142)的第二端部(138)。固定支架(146)将所述第一端部(136)相对于所述过程容器(114)固定在固定位置中。张力支架(148)包括张紧器(150)，所述张紧器附接到所述探针(108)的第二端部(138)并且被配置为调节所述探针(108)中的张力，由此调节所述探针(108)的共振频率。

Description

具有可调共振频率的均速皮托管

技术领域

本公开的实施例涉及利用插入在过程流体流内的均速皮托管探针的工业过程测量系统，并且更具体地涉及用于均速皮托管探针的张力可调节支架。

背景技术

安全、准确和成本有效的流体测量对于广泛的工业和科学过程是重要的。这些应用中的许多应用需要使用例如均速皮托管探针进行测量，均速皮托管探针插入过程流体中并且便于过程流体的流速测量。

均速皮托管探针受到包括流动引起的振动的许多应力因素的影响。流动引起的振动通常是由于涡流脱落和其它湍流尾流场效应而产生的，其在探针上产生周期性的交变力。这些力导致均速皮托管探针来回振荡或振动，从而增加了机械应力并降低了探针的使用寿命。

当流动引起的振动发生在均速皮托管探针的固有共振频率附近时，探针的强制共振的幅度导致探针的显著磨损。这种磨损会导致探针的早期灾难性故障，特别是当与其它应力(例如结构的高曳力、腐蚀、疲劳或侵蚀)结合时。

发明内容

本公开的实施例总体上涉及一种具有均速皮托管探针的用于感测过程容器中的流体流的参数的均速皮托管探针组件，以及一种调节工业过程感测装置的均速皮托管探针的共振频率的方法。所述均速皮托管探针组件的一个实施例包括延伸穿过所述过程容器的均速皮托管探针。所述探针包括延伸穿过所述过程容器中的第一开口的第一端部和延伸穿过所述过程容器中的第二开口的第二端部。固定支架将所述第一端部相对于所述过程容器固定在固定位置中。张力支架包括张紧器，所述张紧器附接到所述探针的第二端部并且被配置成调节所述探针中的张力，由此调节所述探针的共振频率。

在所述方法的一个实施例中，使用固定支架将延伸穿过所述过程容器的第一开口的所述均速皮托管探针的第一端部支撑在相对于所述过程容器的固定位置。使用张力支架支撑延伸穿过所述过程容器的第二开口的所述探针的第二端部。通过使用所述张力支架的张紧器调节所述探针的张力来调节所述探针的共振频率。

本公开的另一实施例涉及一种探针组件，其包括延伸通过过程容器的探针。探针包括延伸穿过所述过程容器中的第一开口的第一端部和延伸穿过所述过程容器中的第二开口的第二端部。固定支架将所述第一端部相对于所述过程容器固定在固定位置中。张力支架包括张紧器，所述张紧器附接到所述探针的第二端部并且被配置为调节所述探针中的张力，由此改变所述探针的共振频率。所述张紧器的调节机构包括具有螺纹外表面的第一构件和具有接纳所述第一构件的螺纹外表面的螺纹承接部的第二构件。所述张紧器的偏置构件被配置为基于所述探针中的张力相对于所述过程容器挠曲。

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中提到的任何或所有缺点的实施方式。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的示例性工业过程测量系统的简化图。

图2是根据本公开的实施例的示例性均速皮托管探针组件的大致沿图1的线2-2截取的简化截面图。

图3是根据本公开的实施例的示例性均速皮托管探针组件的简化侧视图。

图4是根据本公开的实施例的图3的均速皮托管探针组件的大致沿图3的线4-4截取的简化侧截面图。

图5是耦合至过程变送器的示例性均速皮托管探针组件的分解等距视图。

图6是根据本公开的实施例的流程图，其示出了调节工业过程感测装置的均速皮托管探针的共振频率的示例性方法，该工业过程感测装置用于感测过程容器中的过程流体流的参数。

具体实施方式

下文参考附图更全面地描述本公开的实施例。使用相同或相似的附图标记的元件指的是相同或相似的元件。本公开的各种实施例可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于这里阐述的特定实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。

图1是根据本公开的实施例的示例性工业过程测量系统100的简化图。系统100可以用于处理过程流体102，例如液体或气体，以将过程流体102从价值较低的状态转变为价值较高且有用的产品，例如石油、化学品、纸、食品等。例如，炼油厂执行可以将原油加工成汽油、燃料油和其它石化产品的工业过程。

系统100包括工业过程感测或测量装置104，该装置104包括具有探针108的探针组件106，该探针108放置在过程流体102的流112内，该过程流体102容置在诸如管道的过程容器114中。探针108可以被配置成用于使用一个或多个传感器116测量或感测过程流体102的参数。过程流体102的参数可以是流体流112的流速、流体102的温度或其他过程参数。一个或多个传感器116可以产生指示所感测的参数的一个或多个输出信号118。如果需要，可以处理输出信号118以确定期望的过程信息。例如，可以处理来自压差传感器118的输出信号118指示的压差，以使用常规技术确定流体流112的流速。

在一些实施例中，系统100包括变送器120，变送器120包括传感器116，并且被配置为根据需要处理输出信号118，以产生与流体流112有关的过程信息(例如，温度、流速等)，并且通过适当的有线或无线通信链路传送过程信息。变送器120可以被配置为将参数信息传输至控制单元122(例如，计算装置)，控制单元122例如可以位于控制室124中以远离变送器120，如图1所示。控制单元122可以通过适当的物理通信链路，例如双线控制回路126或无线通信链路，通信地耦合到变送器120。控制单元122和变送器120之间的通信可以根据传统的模拟和/或数字通信协议在控制回路126上执行。

控制器130可以表示系统100的多个控制器，例如装置104、变送器120和控制单元122的控制器。控制器130包括一个或多个处理器(即，微处理器、中央处理单元等)，其响应于指令的执行而执行本文描述的一个或多个功能，指令可本地存储在非瞬态计算机可读介质或存储器132中。存储器132可以表示控制单元122的存储器、变送器120的存储器和/或装置104的存储器。任何适合专利主题的合适的计算机可读介质或存储器都可以用于存储器132，存储器132包括例如硬盘、CD-ROM、光存储装置或磁存储装置。这样的计算机可读介质或存储器不包括瞬态波或信号。

控制器130还可以表示变送器120、装置104和控制单元122的其他传统电路，例如数据处理部件、数据通信部件和/或其他部件。

过程组件106支撑探针108，使得其暴露于行进通过过程容器114的过程流体流112。如上所述，探针108可以表示在由装置104执行的过程参数感测或测量操作中使用的不同类型的探针。在一些实施例中，装置104是流速测量装置的形式，并且探针108插入流体流112中以执行流速测量。

在一个示例中，探针108是用于流速测量的均速皮托管探针。探针108的皮托管形式可以用于感测流体流112的上游(或″停滞″)压力和下游(包括″静态″或″抽吸″)压力，以产生与冲击均速皮托管探针108的流体102的流速相关的压差值。均速皮托管探针108可以包括通向皮托管探针中的流体增压室的压力端口，并且根据传统的均速皮托管探针，可以使用导压管线将流体压力从增压室传输到传感器116中的一个，传感器可以是压差传感器的形式。来自传感器116的指示所感测的压差的输出118可用于计算流体102的流速。例如，指示所感测的压差的输出信号118可使用常规技术(例如通过控制器130)来处理，以确定流体流112的速度。示例性的均速皮托管探针包括在由

公司制造的

流量计系列(例如3051SFA系列)中使用的那些。

图2是根据本公开的实施例示例性均速皮托管探针组件106的大致沿图1的线2-2截取的简化截面图，图3是示例性均速皮托管探针组件106的简化侧视图，图4是图3的探针组件106的大致沿图3的线4-4截取的简化侧截面图。

如上所述，均速皮托管探针108在流体流112(图1)内的布置使探针108经受与尾流频率相对应的流动引起的振动力，在该尾流频率处，涡流从该探针108脱离。根据以下等式，尾流频率是流体速度(V)、探针108的宽度(d)和斯特鲁哈尔数(s)的函数：

f_WAKE＝sV/d。

在临界流体速度处，该频率与探针108的共振频率重叠，该共振频率是机械结构的固有频率，可产生破坏性振动，该破坏性振动可导致探针108的高幅度振荡，该高幅度振荡可导致结构失效。探针振动的传统解决方案包括通过加厚探针108的壁或向探针108添加专门结构来增加探针108的强度。这些解决方案增加了制造成本并扩大了探针的尺寸和重量。额外的成本可以包括灵敏度的降低。

本公开的实施例涉及用于通过探针共振频率调节解决均速皮托管探针108上的流动引起的振荡力的技术。具体地，本公开的实施例便于将探针108的共振频率调节到在给定应用中探针108可能经受的预期尾流频率之外的频率，从而避免在探针108的共振频率处的最破坏性的流动引起的振荡力。作为结果，探针108的坚固性或鲁棒性相对于传统探针可以增加，同时除了有利于其它益处之外，还降低了制造成本和探针重量。

在均速皮托管探针组件106的一些实施例中，探针108沿着纵向轴线134延伸穿过过程容器114，并且探针108的相对端部136和138延伸穿过过程容器114的一部分中的开口140和142，如图2所示。探针108的端部136由固定支架146支撑，端部138由张力支架148支撑。固定支架146通常固定探针端部136相对于过程容器114的位置，并且可以包括合适的常规支架。张力支架148包括张紧器150，该张紧器150附接到探针端部138并且被配置为调节探针108中的张力，该张力由箭头152表示并且沿着轴线134定向。

探针的共振频率通常与探针的张力152相关，其关系如下：

其中C是结构的模态常数，g是重力加速度，E是形成结构的材料的弹性模量，I_L是结构的惯性矩，w是结构的单位重量，L是结构在被支撑的端部136和138之间的长度，以及F_Tension是探针108的张力152，例如使用张力支架148施加的张力。作为结果，可通过使用张紧器150调节探针108的张力152来调节探针108的共振频率，例如调节到高于或低于预期尾流频率的值。

当过程容器的外径OD相对小时，可以通过缩短探针端部136的支撑件和过程容器114之间的长度L₁以及探针端部138的支撑件和过程容器114之间的长度L₂来增加探针108的共振频率，如图4所示。这可以通过例如使用较短的固定支架146和/或较短的张力支架148(例如，较短的焊接支架)来实现。

固定支架146和张力支架148可以各自形成围绕过程容器114中的相应开口140和142的密封，如图4所示。在一些实施例中，固定支架146和张力支架148均可包括支架154，例如传统的焊接支管台或焊接支架，该支架154在相应的管道开口140和142处形成密封。固定支架146和张力支架148还可包括合适的结构，例如凸缘156，其可与支架154集成一体或焊接到支架154，用于形成密封或连接到其它工业过程部件，例如变送器模块。

固定支架146可包括容纳探针端部136的内腔160，如图2和4所示。图5是示例性探针组件106的分解等距视图，其中均速皮托管探针108的固定安装端部136耦合到过程变送器120。在一些实施例中，支架154的承接部162接收附接到探针108的端部136的相容的圆柱体164。在支架154的凸缘156和附接到圆柱体164的凸缘166之间可以形成适当的密封，以防止过程流体泄漏。探针端部136还可包括用于联接到歧管168的凸缘。来自均速皮托管探针108内的位置的压力可以被引导通过端部136和歧管168到达位于传感器壳体170中的传感器116(例如，压差传感器)，该传感器壳体170附接到变送器120。变送器120可以接收来自传感器116的输出信号118(图1)，处理信号118以获得期望的过程信息(例如，流速)，并将过程信息传送到例如控制单元122。

在一些实施例中，张力支架148包括容纳探针端部138的内腔172，如图2和4所示。另外，张紧器150可以被包含在张力支架148的内部空腔172内。

在一些实施例中，张紧器150包括调节机构180，该调节机构180包括协作的螺纹构件182和184，如图2所示。构件182附接到探针端部138，构件184沿轴线134远离构件182和探针端部138延伸。构件182或184中的一个包括螺纹外表面(例如螺钉、螺栓等)，而构件182或184中的另一个包括螺纹承接部(例如螺母、孔等)，螺纹外表面容纳在该螺纹承接部中。构件184相对于构件182的旋转运动驱动构件182和184朝向或远离彼此移动，如箭头188所示，从而减小或增大探针108中的张力152。例如，构件182可包括螺纹杆190，螺纹杆附连到探针端部138并被接收在构件184的螺纹承接部192(例如，螺母)中，如图4所示。螺母192围绕轴134的旋转运动可减小或增大探针108中的张力152。或者，构件184可包括螺栓形式的杆190，其螺纹端部例如被接收在构件182的螺纹承接部194(虚线)内。

在一些实施方式中，探针端部138不相对于过程容器114保持在固定位置。这样做的一个目的是避免由探针108和过程容器114的热膨胀或收缩引起的探针108中的张力152的不期望的变化。

在一些实施例中，张紧器包括偏置构件200(图2)，该偏置构件200连接到探针端部138并且被配置为响应于探针108中的张力152而相对于过程容器114挠曲。这允许探针组件106适应探针108和过程容器114的热膨胀和收缩，同时基本上保持由张紧器150设定的探针108中的期望张力152。因此，偏置构件200允许探针端部138相对于固定端部136移动，同时保持期望的张力水平。因此，这种构造避免了在探针108中产生潜在的破坏性张力，如果探针端部138相对于过程容器114和固定端部136保持在固定位置，则可能发生这种破坏性张力。

偏置构件200可采用任何合适的形式。在一些实施例中，偏置构件200包括板簧、星形垫圈、螺旋弹簧或其它合适的柔性弹簧状构件。在图4所示的示例性组件中，采用任何合适的技术将板簧形式的偏置构件200支撑在张力支架148的内腔172内。例如，张力支架148可包括锥形开口202，盘形偏置构件200(例如，板簧)可支撑在该锥形开口202中。或者，张力支架148的内腔172可以包括倾斜的内径或肩部，用于支撑板簧、星形垫圈或其它偏置构件200。也可使用用于支撑偏置构件200的其它技术。

在一些实施例中，偏置构件200连接到张紧器150的构件184，使得探针中的张力152的增加导致偏置构件200朝向过程容器114挠曲。在一些实施例中，张紧器150的构件184穿过偏置构件200，如图4所示。

图6是根据本公开的实施例的流程图，其示出调节工业过程感测或测量装置104的均速皮托管探针108的共振频率的示例性方法，该工业过程感测或测量装置104用于感测过程容器114中的过程流体流112的参数。在一些实施例中，均速皮托管探针108是根据本文所述的一个或多个实施例形成的探针组件106的部件。

在该方法的步骤210中，探针108的第一端部136被支撑在相对于过程容器114的固定位置，如图2所示。这可以包括使端部136延伸通过过程容器114中的开口140，并使用固定支架146固定端部136，例如上面参照图2-5所述的。

在该方法的步骤212中，使用张力支架148支撑探针108的第二端部138，如图2所示。这可以包括使端部138延伸通过过程容器114中的开口142，并使用张力支架148支撑端部138，例如上面参照图2-5所述的。

在该方法的步骤214中，使用张力支架148的张紧器150(图2)调节探针108的共振频率。步骤214的实施例包括使用如上参照图2-5所述的张紧器调节探针108中的张力152。在一些实施例中，使用张紧器150增加探针108的张力152，这增加探针108的共振频率。

均速皮托管探针108的调节后的共振频率可以被设定为高于或低于预期形成在流体流112(图1)中的尾流频率的值。因此，探针108可用于流体流112中，而不受到在探针108的共振频率处的高幅值振荡力。作为结果，相对于具有接近或匹配尾流频率的共振频率的类似结构的探针，增加了流体流112中的探针108的操作寿命。

本公开的一些示例性实施例将使用均速皮托管探针108形式的探针108的上述特征应用于其它类型的探针。在一个示例中，探针108可以采用涡流流量计的脱落杆(shedding bar)(例如，阻流体或涡流发生器)的形式。这种形式的探针108将流体分成两个路径，使得涡流以与流体流112的速度成线性比例的频率从探针108的交替侧脱落。一个或多个传感器116用于探测该频率，并输出相应的信号118，例如，该信号118可以使用传统技术来处理，以确定流体的流速，例如通过控制器130。

在又一示例中，探针108可采用用于探测流体102的温度的热电偶套管的形式。这里，传感器118之一可以是容纳在热电偶套管内的温度传感器116T(例如，热电偶、电阻式温度探测器、热敏电阻等)的形式，如图2所示。温度传感器116T探测通过热电偶套管的过程流体102的温度，并且提供指示感测的温度的输出信号118。输出信号118可使用传统技术来处理，以确定流体102的温度，例如使用控制器130。

因此，根据本公开的实施例形成的探针组件106包括采用均速皮托管探针、涡流流量计和热电偶套管形式的探针108。

尽管已经参考优选实施例描述了本公开的实施例，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims

1.一种用于感测过程容器中的流体流的参数的均速皮托管探针组件，该装置包括：

均速皮托管探针，所述均速皮托管探针延伸穿过所述过程容器并且包括延伸穿过所述过程容器中的第一开口的第一端部和延伸穿过所述过程容器中的第二开口的第二端部；

固定支架，所述固定支架将所述第一端部相对于所述过程容器固定在固定位置中；以及

张力支架，所述张力支架包括附接到所述探针的所述第二端部的张紧器，所述张紧器被配置为调节所述探针中的张力，从而改变所述探针的共振频率。

2.如权利要求1所述的组件，其中，所述张紧器包括调节机构，所述调节机构包括第一构件和第二构件，第一构件具有螺纹外表面，第二构件具有接纳所述第一构件的所述螺纹外表面的螺纹承接部，所述第一构件相对于所述第二构件的旋转运动调节所述探针中的张力。

3.如权利要求2所述的组件，其中，所述第一构件附接到所述探针的所述第二端部，所述第二构件从所述第一构件和所述探针的所述第二端部向远侧延伸。

4.如权利要求2所述的组件，其中，所述第二构件附接到所述探针的所述第二端部，所述第一构件从所述第二构件和所述探针的所述第二端部向远侧延伸。

5.如权利要求2所述的组件，其中，所述张紧器包括偏置构件，所述偏置构件被配置成为基于所述探针中的张力相对于所述过程容器挠曲。

6.如权利要求5所述的组件，其中，所述偏置构件选自包括板簧、星形垫圈和螺旋弹簧的组。

7.如权利要求5所述的组件，其中，所述第一构件和所述第二构件中的一个延伸穿过所述偏置构件或附接到所述偏置构件。

8.如权利要求5所述的组件，其中：

所述张力支架附接到所述过程容器并且包括内腔；

所述探针的所述第二端部延伸穿过所述第二开口并进入张力支架的内腔中；而且

所述张紧器和所述偏置构件被支撑在所述张紧支架的内腔内。

9.一种调节工业过程感测装置的均速皮托管探针的共振频率的方法，所述工业过程感测装置用于感测过程容器中的过程流体流的参数，所述方法包括：

使用固定支架将所述探针的延伸穿过所述过程容器的第一开口的第一端部支撑在相对于所述过程容器的固定位置；

使用张力支架支撑所述探针的延伸穿过所述过程容器的第二开口的第二端部；以及

调节所述探针的共振频率包括使用所述张力支架的张紧器调节所述探针的张力。

10.如权利要求9的方法，其中：

所述张紧器包括调节机构；而且

调节所述探针的张力包括相对于所述调节机构的第二构件旋转所述调节机构的第一构件。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一构件包括螺纹外表面，所述第二构件包括螺纹承接部，所述第一构件的所述螺纹外表面被容纳在所述螺纹承接部中。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一构件附接到所述探针的所述第二端部，所述第二构件从所述第一构件和所述探针的所述第二端部向远侧延伸。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二构件附接到所述探针的所述第二端部，所述第一构件从所述第二构件和所述探针的所述第二端部向远侧延伸。

14.如权利要求11所述的方法，还包括响应于调节所述张力，相对于过程容器挠曲所述张紧器的偏置构件。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述偏压构件从包括板簧、星形垫圈和螺旋弹簧的组中选择。

16.一种用于感测过程容器中的流体流的参数的探针组件，该组件包括：

探针，所述探针延伸穿过所述过程容器并且包括延伸穿过所述过程容器中的第一开口的第一端部和延伸穿过所述过程容器中的第二开口的第二端部；

张力支架，所述张力支架包括附接到所述探针的所述第二端部的张紧器，所述张紧器被配置为调节所述探针中的张力，从而调节所述探针的共振频率，所述张紧器包括：

调节机构，所述调节机构包括第一构件和第二构件，第一构件具有螺纹外表面，第二构件具有接纳所述一构件的所述螺纹外表面的螺纹承接部；以及

偏置构件，所述偏置构件被配置为基于所述探针中的张力相对于所述过程容器挠曲。

17.如权利要求16所述的组件，其中：

所述张力支架附接到所述过程容器并且包括内腔；

所述探针的第二端部延伸穿过所述第二开口并进入张力支架的内腔中；而且

18.如权利要求17所述的组件，其中，所述调节机构的第一构件或第二构件附接到所述偏置构件或延伸穿过所述偏置构件。

19.如权利要求18所述的组件，其中：

所述第一构件附接到所述探针的所述第二端部，所述第二构件从所述第一构件和所述探针的所述第二端部向远侧延伸；或

所述第二构件附接到所述探针的所述第二端部，所述第一构件从所述第二构件和所述探针的所述第二端部向远侧延伸。

20.如权利要求19所述的组件，其中，所述探针选自包括均速皮托管、用于涡流流量计的脱落杆和包含温度传感器的热电偶套管的组。