Патент на изобретение №2339008

(54) УПРОЩЕННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СВОЙСТВА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для измерения ряда свойств проходящей текучей среды, таких как объемный и массовый расход, плотность. Система для измерения свойства текучей среды в трубе содержит соединенное с трубой полевое устройство измерения перепада давления, которое предназначено для измерения перепада давления в препятствии для текучей среды в трубе, устройство измерения скорости потока текучей среды, соединенное с трубой, а также схему потока текучей среды, адаптированную для комбинирования информации о перепаде давления и скорости для обеспечения измерения свойства потока. В варианте выполнения система содержит полевое устройство измерения вихревого потока (вихревой расходомер), имеющий реконфигурируемые выходы для связи с датчиком давления или датчиком перепада давления. Схема измерения выполнена в виде микропроцессора, размещенного в одном из полевых устройств. Изобретение обеспечивает простое определение свойства текучей среды, не требующее наличия двух независимых измерительных устройств. 3 н. и 45 з.п. ф-лы, 16 ил.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относиться к промышленным системам измерения потока текучей среды, в частности к системам, предоставляющим измерение массового расхода или измерения других свойств текучей среды.

Массовый расход текучей среды может быть оценен посредством использования различных методик. Например, действующие методики дифференциального измерения давления могут быть использованы как основа для вычисления массового расхода. В общем случае, любое устройство, создающее препятствие потоку, такое как измерительная диафрагма, частично препятствует потоку текучей среды и генерирует перепад давлений между вышерасположенной частью потока и нижерасположенной частью потока. Измерение перепада давления может обеспечить индикатор потока. В общем случае, требуется дополнительная информация для того, чтобы измерение перепада давления обеспечило информацию о массовом расходе. А именно, информация о составе и температуре текучей среды должна быть известна или измерена. Это связано, по крайней мере, частично, с тем, что перепад давления зависит не только от потока, но также и от плотности жидкости, которая в свою очередь может быть функцией температуры. Далее, природа потока, ламинарный или турбулентный, может влиять на измерение перепада давления.

Массовый расход также может быть вычислен посредством использования системы вихревого расходомера в качестве основы. Системы вихревых расходомеров используются в области управления промышленными процессами для прямого измерения скорости потока текучей среды через трубопровод. Вихревые расходомеры, как правило, встраиваются в трубу или трубопровод, по которому проходит текучая среда, характеристики которой измеряются. Промышленные применения включают нефтяные, химические, целлюлозно-бумажные, горнодобывающие и газовые. Текучие среды, подвергающиеся измерению, часто опасны и могут быть огнеопасными или взрывоопасными. Текучие среды могут также содержать конденсат, осадок или иметь другие свойства, которые могут затруднить измерение расхода. В этих применениях, безопасность и точность измерения являются критическими.

Принцип работы вихревого расходомера основан на эффекте образования вихрей за телом обтекания, так называемом эффекте Кармана. Когда жидкость обтекает плохо обтекаемое тело, она разделяется и генерирует маленькие вихри с каждой стороны и позади плохо обтекаемого тела. Эти вихри приводят к возникновению областей с пульсирующим давлением, которые могут быть детектированы датчиком. Частота генерации вихрей по существу пропорциональна скорости потока.

В общем случае, вихревой расходомер определяет объемный расход. А именно, этот объемный расход равен произведению скорости потока текучей среды (пропорциональна частоте образования вихрей) через трубопровод на площадь трубопровода. Известно, что некоторые системы вихревых расходомеров могут определять массовый расход. В общем случае, такие системы измеряют температуру и абсолютное давление текучей среды, проходящей через трубопровод. Затем, используя некоторые предположения о природе текучей среды и/или ее составе, может быть выполнен расчет для оценки массового расхода текучей среды. В общем случае, данный расчет является весьма приблизительным, и может быть подвержен ошибке, когда состав изменяется. Более того, относительная сложность вычислений затрудняет получение результатов в реальном времени.

Измерение массового расхода текучей среды с одновременным использованием измерения перепада давления и измерения вихревым расходомером чрезвычайно упрощает вычисления и делает возможным определение плотности и массового расхода. Такой подход описан в патентной заявке США 2002/0096208 от 25 июля 2002 г. Хотя раскрытие этой патентной заявки обеспечивает эффективную стартовую точку, должна быть проделана большая работа перед тем, как такие принципы могут быть эффективно использованы в реальных применениях. Например, хотя сами по себе вычисления стали более простыми, данная публикация говорит о необходимости использования двух измерительных устройств: элемента для измерения перепада давления в потоке и элемента для измерения вихревого течения. Соответственно, реальная стоимость такого упрощения вычислений для конечного пользователя потенциально удваивает стоимость оборудования, которое требуется в данный момент. Системы, которые могут предоставить преимущества измерения перепада давления и вихревого потока без связанного с этим значительного увеличения стоимости, позволят промышленности быстрее адаптировать такую полезную технологию.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система для измерения свойства потока текучей среды в трубе, содержащая: полевое устройство измерения перепада давления, адаптированное для присоединения к трубе, причем полевое устройство измерения перепада давления имеет датчик перепада давления для измерения давления проходящей текучей среды выше по потоку и ниже по потоку от препятствия для потока в трубе, устройство измерения скорости текучей среды, соединенное с трубой и адаптированное для измерения скорости текучей среды, проходящей в трубе, и схему потока текучей среды, адаптированную для комбинирования информации о перепаде давления и скорости для обеспечения измерения свойства потока текучей среды.

Свойство потока текучей среды может представлять собой плотность или массовый расход.

Устройство измерения скорости текучей среды предпочтительно представляет собой устройство измерения вихревого потока.

Схема потока текучей среды предпочтительно расположена в полевом устройстве измерения перепада давления.

Полевое устройство передает свойство потока текучей среды в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности.

Устройство измерения скорости потока текучей среды связано с полевым устройством измерения перепада давления, при этом связь осуществляется в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности.

Препятствие для потока преимущественно имеет форму, подходящую для генерации вихрей.

Устройство измерения скорости потока текучей среды измеряет частоту вихрей и содержит вихревой смещаемый элемент, который расположен ниже по потоку от препятствия для потока текучей среды.

Предпочтительно, вихревой смещаемый элемент присоединен к одной стороне трубы и содержит продольный брус и более тонкую область для приема давления вихрей.

Также вихревой смещаемый элемент может дополнительно содержать поперечный брус, соединенный с продольным брусом и более тонкой областью.

Система может дополнительно содержать зажим, соединенный с пьезоэлектрическим измерительным элементом так, что смещения зажима детектируются элементом, а также датчик температуры, размещенный для предоставления измерений температуры проходящей текучей среды.

Свойство потока текучей среды представляет собой массовый расход, состав жидкости или качество пара.

Устройство измерения скорости потока текучей среды предпочтительно представляет собой полевое устройство вихревого расходомера.

Датчик перепада давления образован парой датчиков давления, первый датчик давления расположен перед препятствием для потока текучей среды, и второй датчик расположен после препятствия для потока текучей среды, причем по меньшей мере один из пары датчиков давления выполнен из полупроводникового материала, например из сапфира.

Преимущественно, по меньшей мере один из датчиков давления расположен в прямом контакте с проходящей текучей средой.

Согласно другому объекту изобретения предложена система для измерения свойства проходящей текучей среды в трубе, содержащая:

полевое устройство измерения вихревого потока, адаптированное для соединения с трубой и измерения скорости проходящей текучей среды в трубе, причем полевое устройство измерения вихревого потока имеет множество реконфигурируемых выходов, при этом полевое устройство измерения вихревого потока вычисляет свойство текучей среды на основе скорости текучей среды и переменной текучей среды, измеренной через реконфигурируемые выходы.

Система может дополнительно содержать переключатель, связанный с множеством реконфигурируемых выходов и микропроцессором в полевом устройстве, причем микропроцессор управляет переключателем для выборочного присоединения реконфигурируемых выходов к аналого-цифровому преобразователю в полевом устройстве измерения вихревого потока.

Кроме того, она может содержать датчик текучей среды, связанный с множеством реконфигурируемых выходов для обеспечения измерения переменной текучей среды, при этом датчик текучей среды является датчиком перепада давления, предназначенным для измерения перепада давления через препятствие для потока текучей среды.

Свойство проходящей текучей среды предпочтительно представляет собой плотность или массовый расход.

Датчик текучей среды представляет собой датчик давления, который представляет собой датчик перепада давления.

Полевое устройство измерения вихревого потока содержит сопротивление, соединенное через сеть связи с датчиком давления.

Датчик текучей среды предпочтительно расположен в пределах мостиковой схемы сопротивления.

Полевое устройство измерения вихревого потока обеспечивает напряжение питания датчику текучей среды, а датчик перепада давления передает измерение перепада давления полевому устройству измерения вихревого потока в виде напряжения.

Полевое устройство измерения вихревого потока и датчик текучей среды связаны в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности, при этом протокол представляет собой Controller Area Network протокол.

Полевое устройство измерения вихревого потока передает свойство потока текучей среды в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности.

Кроме того, полевое устройство измерения вихревого потока содержит плохо обтекаемое тело, которое генерирует и измеряет вихри в проходящей текучей среде, при этом датчик перепада давления измеряет первое давление с использованием первого датчика давления, расположенного выше по потоку от плохо обтекаемого тела, и второго датчика давления, расположенного ниже по потоку от плохо обтекаемого тела.

Система может дополнительно содержать датчик температуры, связанный с полевым устройством измерения вихревого потока и размещенный для предоставления измерений температуры проходящей текучей среды.

Свойство проходящей текучей среды предпочтительно представляет собой массовый расход, состав жидкости или качество пара.

Датчик перепада давления может содержать пару чувствительных к давлению элементов, при этом каждый элемент выполнен из полупроводникового материала, причем полупроводниковым материалом является сапфир.

Датчик перепада давления предпочтительно расположен в прямом контакте с проходящей текучей средой.

Полевое устройство измерения вихревого потока адаптировано для соединения посредством множества реконфигурируемых выходов с датчиком текучей среды, выбранным из группы, состоящей из датчика абсолютного давления, датчика манометрического давления или датчика перепада давления.

Согласно еще одному объекту изобретения предложена система для измерения свойства проходящей текучей среды в трубопроводе для проходящей текучей среды, содержащая: полевое устройство измерения перепада давления, соединенное с трубопроводом для проходящей текучей среды, причем полевое устройство измерения перепада давления предназначено для измерения перепада давления в препятствии для текучей среды в трубопроводе, средство для измерения скорости проходящей текучей среды, соединенное с трубопроводом, для измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе, при этом перепад давления и измеренная скорость объединяются для обеспечения указания свойства.

Таким образом, система измерения проходящей текучей среды обеспечивает первое измерение, относящееся к проходящей текучей среде, проходящей в трубе. Дополнительное измерение скорости потока проходящей текучей среды в трубе комбинируется с первым измерением для обеспечения упрощенного определения массового расхода текучей среды и/или плотности или другого параметра текучей среды. В некоторых применениях, первое измерение является измерением перепада давления. Кроме того, в одном применении обеспечивается вихревой расходомер, имеющий реконфигурируемые выходы, для соединения с различными датчиками давления или перепада давления или преобразователями для улучшенных измерений потока текучей среды или вычислений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 – схематическое изображение системы измерения потока текучей среды в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 – схематическое изображение системы измерения течения текучей среды в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения.

Фиг.3А-3Е – блок-схемы, иллюстрирующее различные способы, с помощью которых устройство детектирования вихревого поля может получать информацию, в соответствии с вариантами настоящего изобретения.

Фиг.4 – схематическое изображение полевого устройства для измерения потока текучей среды в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фиг.5 – схематическое изображение другого полевого устройства для измерения потока текучей среды в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения.

Фиг.6 – график зависимости давления от времени, иллюстрирующий использование датчика давления для детектирования вихрей и определения перепада давления.

Фиг.7 – схематическое изображение системы для измерения потока жидкости в соответствии с вариантом настоящего изобретения.

Фиг.8 – вид в разрезе первичного элемента двойного назначения, полезного для вариантов настоящего изобретения.

Фиг.9А-9С – вид в перспективе, вид спереди и вид в разрезе, соответственно, вихревого переносного узла в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.10 – график, показывающий смещение в данных между измерением перепада давления и измерением вихревого потока для переменного качества потока.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ

Варианты настоящего изобретения, в общем, используют преимущества определенных объединений, созданных комбинацией измерения перепада давления потока и измерения вихревого потока. Хотя варианты настоящего изобретения будут описаны по отношению к измерению перепада давления потока, согласованному с измерением вихревого потока, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что варианты настоящего изобретения могут быть использованы в любом применении, где первое измерение, относящееся к проходящей текучей среде, может быть скомбинировано с прямым измерением скорости потока. Соответственно, измерение вихревого потока, описанное здесь, является просто одним примером измерения скорости потока текучей среды в соответствии с вариантами настоящего изобретения.

На Фиг.1 показано схематическое изображение системы 10 измерения массового расхода жидкости. Система 10 содержит систему 12 измерения перепада давления потока и систему 14 измерения вихревого течения, обе эти системы связаны с диспетчерской 16. Для простоты диспетчерская 16 моделируется как источник напряжения и сопротивления. Устройства 12 и 14 схематично показаны смонтированными на трубе 18 для проходящей текучей среды, в которой текучая среда проходит в направлении стрелки 20.

Устройство 12 измерения перепада давления потока может быть любым подходящим устройством, включая устройство под торговым названием 3051SFA Pro Bar Flowmeter, поставляемое компанией Rosemount Inc. Of Eden Prairie, Minnesota. Устройство 14 измерения вихревого потока также может быть любым подходящим устройством. В одном варианте, устройство 14 представляет собой устройство, доступное под торговым названием 8800С компанией Rosemount Inc. Оба устройства 12 и 14 рассматриваются как полевые устройства в том плане, что они пригодны для эксплуатации в суровых условиях. Соответственно, устройства 12 и 14 способны выдерживать перепады внешней температуры, вибрации, связанные с эксплуатацией в обрабатывающих отраслях промышленности, а также воздействие радиопомех. В общем случае, полевые устройства 12 и 14 связываются друг с другом и/или диспетчерской 16 по одному из подходящих протоколов по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности. Предпочтительно, чтобы устройства 12 и 14 связывались в соответствии с протоколом FOUNDATION Fieldbus. Протокол Fieldbus является цифровым протоколом, который также способен запитывать подключение дифференциальные устройства. Соответственно, временная электропроводка значительно упрощается, когда применяется такой протокол связи, соответствующий промышленным стандартам.

Некоторые варианты настоящего изобретения используют измерение падения давления, в той или иной форме, для получения информации о потоке. Эта информация о потоке затем дополняется информацией о скорости потока, которая может быть получена любым подходящим способом. Уравнения для измерения падения давления приведены ниже:

Q=объемная скорость потока (ft³/sec);

C_P=калибровочная константа падения давления потока

– зависит от внутреннего диаметра трубы (ID);

P=падение давления;

=плотность (lbm/ft³)

D²=квадрат внутреннего диаметра трубы (ft²); и

K=константа.

Уравнения для вихревого объемного потока могут быть записаны следующим образом:

f есть частота образования вихрей (Hz);

d есть ширина тела обтекания (ft);

C есть калибровочная константа вихревого измерителя;

А=внутренняя площадь трубы (ft²); и

St есть число Штроугала.

Умножение вихревой объемной скорости потока на плотность жидкости представляет собой меру массового расхода.

Объединяя объемные члены для перепада давления потока и вихревого объемного потока, можно получить уравнение 5:

Разрешая это уравнение относительно плотности, можно получить уравнение (6):

Окончательно, для массового расхода, с использованием вихревого уравнения, можно получить уравнение (7):

которое упрощается до уравнения 8:

На Фиг.2 показан другой вариант, в котором вихревой расходомер 22 используется совместно с дифференциальным устройством 12 измерения давления потока. На Фиг.2 показано, что устройство 22 измерения вихревого потока может быть расположено вверх по потоку от дифференциального устройства измерения давления потока. Кроме того, так как два дифференциальных устройства соединены между собой, обеспечение вычисления массового расхода и/или плотности может быть выполнено посредством схемы потока текучей среды, такой как микропроцессор, в одном или обоих полевых устройствах. Тем не менее, также предполагается, что каждое полевое устройство может просто сообщать измеренную информацию, и завершающие вычисления массового расхода и/или плотности могут быть выполнены в удаленном месте, например, контроллером в диспетчерской 16.

На Фиг.3А-3Е показаны различные способы, с помощью которых датчик вихревого потока может быть соединен для приема информации от дополнительных датчиков. В различных вариантах, представленных на Фиг.3А-3Е, показано множество реконфигурируемых выходов 41A-41D, связывающих датчики различных типов и/или сенсорные системы с устройством детектирования вихревого поля. Хотя показаны четыре таких реконфигурируемых выхода, может быть использовано любое подходящее количество. Кроме того, хотя переключатель 52 показан соединяющим выходы 41A-41D с аналого-цифровым преобразователем 50, любой подходящий элемент может быть использован для избирательного соединения определенных выходов 41A-41D с преобразователем 50.

На Фиг.3А показана схематическая иллюстрация примерного вихревого расходомера 40, соединенного с датчиком 43 перепада давления или давления с использованием выходов 41В и 41С. В этом варианте выходы 41А и 41D не используются. Этот вариант настоящего изобретения включают вихревой расходомер 40, связанный с любым дополнительным датчиком или полевым устройством для получения дополнительной информации о потоке текучей среды, которая может быть объединена с измерением скорости потока текучей среды для получения параметров потока более высокого уровня, таких как массовый расход жидкости. Вихревой расходомер 40 адаптирован для соединения с управляющей сетью 44 связи через модуль 46 связи. Модуль 46 связи позволяет расходомеру 40 связываться по управляющей сети связи в соответствии с протоколом по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности, такому как, но не ограничиваясь перечисленным, FOUNDATION Fieldbus, HART®, Profibus-PA, Modbus, Controller Area Network (CAN), или какому-либо еще. Модуль 46 связан с микропроцессором 48, который далее связан с аналого-цифровым преобразователем 50 и переключателем 52.

Микропроцессор 52 управляет переключателем 52 так, что аналого-цифровой преобразователь 50 может предоставлять цифровую информацию, относящуюся к датчику 42 параметра процесса. Датчик 42 может, например, измерять давление текучей среды (абсолютное или избыточное) или перепад давления. Микропроцессор 48 в определенные моменты активирует переключатель 52, для того чтобы избирательно связать один из определенных реконфигурируемых выходов 41А, 41В, 41С и 41D с конвертором 50, тем самым обеспечивая реконфигурируемый интерфейс на основе выбора, сделанного микропроцессором 48 так, что вихревой расходомер может получать дополнительную информацию, относящуюся к потоку текучей среды, от другого датчика. Источник 57 тока может быть использован в ситуациях, когда ток должен протекать через сопротивление, для того чтобы измерить напряжение относительно датчика 42.

Хотя, в общем случае, при измерении потока с помощью способа перепада давления и вихревого потока информация о температуре не требуется, знание температуры текучей среды может упростить получение параметров потока более высокого уровня, таких как теплосодержание, тепловой поток, качество жидкости и/или состав. Датчик 54 вихревого потока и датчик температуры 56 могут быть связаны с микропроцессором 48 или вихревым расходомером 40 любым подходящим способом, известным в данной области техники, для предоставления информации и параметрах потока и температуры расходомеру. Датчик 42 может быть связан с источником 58 питания и может управлять током, текущим через него, на основе интересующего параметра, такого как перепад давления, относительно текучей среды. Ток, управляемый датчиком 42, преобразуется в напряжение под действием сопротивления 60. Соответственно, микропроцессор 48 может использовать аналогово-цифровой преобразователь 50 и переключатель 52 для измерения дополнительного интересующего параметра с помощью датчика 42.

На Фиг.3В показано схематическое изображение вихревого расходомера 40, связанного с пьезорезистивным датчиком 62 давления, использующего все реконфигурируемые выходы 41А, 41В, 41С и 41D. Многие элементы расходомера 40 идентичны упомянутым в связи с Фиг.3А, и одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На Фиг.3В показан переключатель 52, связанный с четырьмя различными узлами 64, 66, 68 и 70 моста 72. Пьезорезистивный датчик 62 давления расположен в пределах моста 72 между узлами 68 и 70. Подходящая подача питания от источника 57 тока через переключатель 52 может управлять мостом 72 так, что микропроцессор 48 будет способен получить очень точное измерение сопротивления пьезорезистивного датчика давления. Пьезорезистивный датчик давления предоставляет измерение давления по отношению к потоку текучей среды.

На Фиг.3С показано схематическое изображение вихревого расходомера 40, связанного с датчиком давления или датчиком 74 перепада давления, использующего реконфигурируемые выходы 41 В, 41С и 41D. Основное отличие от Фиг.3В и других фигур заключается в способе соединения, посредством которого переключатель 52 связан с датчиком 74. А именно, переключатель 52 полностью запитывает датчик 74 через отрицательную и положительную линии 76, 78 питания, связанные с реконфигурируемыми выходами 41 В и 41D, соответственно. Связь между расходомером 40 и датчиком 74 давления осуществляется через сигнальную линию 80, связанную с выходом 41С, в соответствии с любым известным способом. Датчик 7 4 может быть любым подходящим устройством, которое может работать при подаче питания по линиям 76 и 78, и предоставляет электрические показания по линии 80, относящиеся к интересующему параметру по отношению к потоку текучей среды.

На Фиг.3D показано схематическое изображение вихревого расходомера 40, связанного с датчиком давления или датчиком 80 перепада давления через линии 82, 84, связанные с выходами 41С и 41 В, соответственно. В вариантах, в которых рабочая мощность для датчика 80 не подается по линиям 82 и 84, датчик 80 также предпочтительно связан с источником 86 питания через линии 88 и 90. В варианте, показанном на Фиг.3D, вихревой расходомер 40 содержит управляющий модуль 92 Controller Area Network (CAN), связанный с микроконтроллером 4 8 через переключатель 52. Управляющий модуль 92 (CAN) позволяет микропроцессору 4 8 связываться по линиям 82 и 84 с датчиком 80 давления в соответствии с известным протоколом связи Controller Area Network для получения измерения, например, давления или перепада давления от датчика 80.

На Фиг.3Е показано схематическое изображение вихревого расходомера 40, связанного с механическим манометром 94 через выходы 41 В и 41С. Переключатель 52 связан с механическим манометром 94, который содержит сопротивление, изменяющееся в ответ на механическое напряжение. Измеренное механическое напряжение связано с элементом, который изгибается в ответ на давление текучей среды. Соответственно, микропроцессор 48 может измерить давление текучей среды с помощью определения сопротивления резистора 96. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что эти примеры, показанные на Фиг.3А-Е, иллюстрируют гибкость наличия вихревого расходомера 40 с реконфигурируемыми выходами (41A-D), которые позволяют связать расходомер с множеством датчиков давления или перепада давления и получить информацию о потоке текучей среды, и выполнить дополнительные вычисления на основе дополнительной информации, объединенной с информацией о вихревой скорости потока текучей среды. Таким образом, пользователь может связать множество датчиков давления или перепада давления с вихревым расходомером для расширения функциональности.

До сих пор варианты настоящего изобретения в основном фокусировались на совместной работе пары полевых устройств для обеспечения прямого измерения плотности текучей среды и/или массового расхода. Тем не менее, способ, в котором измерение вихревого потока и перепада давления работают совместно, может быть эффективно использован в соответствии с вариантами настоящего изобретения. Объединенная комбинация рассматривается ниже.

На Фиг.4 показана схематическая иллюстрация вихревого расходомера 100 в соответствии с настоящим изобретением. Вихревой расходомер 100 содержит вихревой переносной узел 102, связанный с датчиком 104 смещения, который генерирует сигналы, отражающие смещение, и, таким образом, вихри для вихревой электроники 106. Работа вихревого переносного узла 102, датчика 104 вихрей и электроник 106 может осуществляться в соответствии с любым подходящим способом или методикой вихревых измерений. Один пример такого метода представлен в патентной заявке США 4929695, выданной Rosemount Inc, который обеспечивает датчик вихревого потока с плавающим лучом. Аспект системы 100 на Фиг.4, который является принципиально новым, заключается в комбинировании известного измерения вихревого потока с датчиками давления 108 и 110. А именно, поток текучей среды через трубу 18 генерирует перепад давления, когда поток проходит вихревой переносной узел 102. Таким образом, в этом варианте, вихревой переносной узел 102 используется для затруднения потока, которое генерирует перепад давления. Перепад давления регистрируется электроникой 106 через соединения 112 и 114. Таким образом, электроника 106 способна выполнить измерение перепада давления с использованием датчиков давления 108 и 110 так же, как и измерение скорости текучей среды с использованием измерения вихревого потока. Результирующие массовый расход и/или плотность жидкости, так же, как другие подходящие свойства, могут быть переданы через линию 116 связи.

Каждый из датчиков 108, 110 давления предпочтительно является полупроводниковым датчиком давления. Эти типы датчиков давления описаны в патенте США 5637802 на имя заявителя настоящего изобретения. Такие полупроводниковые датчики давления, как правило, представляют собой емкость, которая изменяется при изгибе части полупроводникового датчика. Изгиб возникает в ответ на приложенное давление. Использование полупроводников, и в частности, сапфира, обеспечивает множество преимуществ. Сапфир является примером монокристаллического материала, который при правильном сплавлении не имеет интерфейса между соединенными частями. Таким образом, результирующая структура исключительно крепкая. Кроме этого, полупроводниковые датчики имеют очень высокий гистерезис и имеют очень высокий частотный отклик. Дополнительная информация, относящаяся к полупроводниковым датчикам давления, может быть найдена в патентах США 6079276; 6082199; 6089907; 6484585; и 6520020 на имя заявителя настоящего изобретения.

Использование сапфирового датчика приносит практический выигрыш в вариантах, таких как представленный на Фиг.4, где датчик давления сам подвергается воздействию потока жидкости. Сапфир является коррозионностойким. Кроме того, сапфировый датчик давления имеет быстрое время отклика, как правило, около 100 кГц, особенность, которая практически является преимущественной в вариантах настоящего изобретения (как будет описано далее со ссылкой на Фиг.5), где датчик давления также используется для детектирования вихрей. При приведении датчика давления в непосредственный контакт с текучей средой устраняется изолирующая текучая среда, такая как силиконовая смазка, которая может задержать отклик датчика давления и/или понизить эффективность системы.

Схемы датчиков, используемые в полупроводниковых датчиках давления в настоящее время, обеспечивают очень высокую точность и быстрое время отклика. Кроме того, множество схем может быть скомбинировано в специализированной интегральной схеме (ASIC).

На Фиг.5 показано схематическое изображение системы 200 в соответствии с вариантом настоящего изобретения. Система 200 содержит модуль 202 электроники, связанный с парой датчиков 108 и 110 давления. Датчик 108 давления расположен в первичном элементе 204 двойного назначения. Устройство 204 имеет две функции, а именно связь датчика 108 давления с давлением входящего потока через отверстия 208, а также образованием вихрей 212. Элемент 204 двойного назначения имеет форму, подходящую для вызова вихрей 212, когда текучая среда проходит через элемент 204. Датчик 110 давления расположен после элемента 204 и, таким образом, измеряет не только давление ниже по потоку, но и пульсации давления, сообщающие о прохождении вихрей 212.

Каждый из датчиков 108 и 110 давления предпочтительно является полупроводниковым датчиком давления. Как было сказано выше, такие датчики, как правило, имеют преимущественный высокочастотный отклик. Таким образом, датчик 110 способен предоставить измерение мгновенного давления так быстро, что пульсация давления, говорящая о прохождении вихрей, может быть измерена и/или детектирована.

На Фиг.6 показана диаграмма, иллюстрирующая работу системы 200. Линия 214 представляет собой результат измерения давления от датчика давления 108, относящийся к давлению входящего потока в зависимости от времени. Как показано на Фиг.6, входящее давление, измеренное датчиком 106, относительно ровное. Напротив, датчик 110 давления предоставляет результаты измерения давления, показанные линией 216. Линия 216 содержит множество пиков 218 и провалов 220, показывающих локальные возрастания и перепады давления около датчика 110 при прохождении вихрей. Среднее значение 222 показаний датчика 110 давления, расположенного ниже по потоку, полезно при вычислении перепада давления. Соответственно, измерение перепада давления может быть получено вычитанием среднего значения 222 из входящего давления 214. Далее, выполняется измерение частоты вихрей при помощи измерения относительного времени между локальными пиками 218 и/или локальными провалами 220.

На Фиг.7 показана схематическая иллюстрация системы 300 в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения. Система 300 также использует совместную работу между измерением вихревого потока и измерением перепада давления в потоке. В частности, система 300 содержит устройство 302 измерения перепада давления потока, которое обеспечивает измерение перепада давления по отношению к текучей среде, проходящей через элемент 304. Предпочтительно, чтобы устройство 302 измерения перепада давления потока было выполнено в соответствии с патентом США 6470755. Соответственно, элемент 304 предпочтительно имеет Т-образную форму с поперечным сечением вдоль линий А-А, показанным на Фиг.8. Очевидно, что могут быть использованы другие формы. Элемент 304 соединяет первое давление 303 с камерой 306 и с датчиком давления входящего потока, находящегося в контакте с текучей средой в камере 306.

Датчиком давления входящего потока предпочтительно является полупроводниковый датчик давления. Вторая камера 308 соединена с давлением 305 ниже по потоку при помощи одного или более отверстий 310. Соответственно, элемент 304 может содержать полость или отверстие 312, которое подходит для установки устройства измерения температуры. Форма первичного элемента, описанная в патенте США 6470755 и представленная на Фиг.7 и 8, обеспечивает важную особенность. А именно, первичный элемент не только эффективно производит перепад давления, но и генерирует вихревую дорожку Кармана ниже по потоку. Как показано на Фиг.7, датчик 320 вихревого потока, расположенный ниже по потоку от первичного элемента 304, предоставляет измерение вихрей вихревой электронике 322 по линии 324.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения датчик 320 вихревого потока вставляется и закрепляется с одной стороны трубы 18. Датчик 320 содержит элемент 326, который изгибается при прохождении вихрей.

На Фиг.9А-9С показан элемент 326 на Фиг.7 более подробно. Элемент 326 выполнен для прохождения через отверстие с размером, достаточным для прохождения внешнего диаметра 328 в трубу 18. Предпочтительно чтобы элемент 326 содержал продольный брус 330, который пересекается поперечным брусом 332. Более тонкий изгибающийся элемент 334 расширяется от площади 336 и обеспечивает поперечную поверхность 338. Поперечная поверхность 338, поддерживаемая продольным брусом 330 и поперечным брусом 332, обеспечивает поверхность, на которую воздействует давление проходящих вихрей. Когда вихри проходят, элемент 326 слегка изгибается в направлении стрелки 338. Так как элемент 326 предпочтительно закреплен на кромке 340, вершина 342 будет колебаться в направлении 344, противоположном направлению 338. Вершина 342 предпочтительно соединена со стандартным пьезоэлектрическим устройством измерения вихревого потока, таким как представленное на рынке от компании Rosemount Inc, с серийным номером 08800-0250-0001. Элемент 326 имеет относительно низкую цену, так как он может быть легко изготовлен с использованием известных технологий литья.

При работе системы в соответствии с вариантами настоящего изобретения могут обеспечить быстрое и точное измерение массового расхода и/или плотности. Вычисление массового расхода и/или плотности может быть выполнено полевым устройством или в удаленном месте. Один способ, в котором вычисление может быть выполнено в удаленном месте, заключается в создании функционального блока в цифровой среде, такой которая продается под торговой маркой Plantweb® компанией Fisher-Rosemount Systems Incorporated, Austin Texas, для вычисления массового расхода и/или плотности, исходя из двух стандартных измерений потока (одного перепада давления потока и одного вихревого потока). В такой конфигурации, вычисление массового расхода и плотности добавляется к функциональному блоку. По существу два измерения затем используются для создания виртуального денсиметра и/или виртуального массового расходомера. Любая объемная технология, включая вихри, магнетизм, турбину, положительное смещение и ультразвук, может быть использована вместе с устройством измерения перепада давления потока для обеспечения измерения скорости текучей среды.

Как было сказано выше, варианты настоящего изобретения используют измерительный элемент для перепада давления. Предпочтительным способом измерения перепада давления является использование доступного на рынке датчика 485 Annubar® от компании Rosemount Inc. Это является предпочтительным, поскольку коэффициент потока (К) является линейным по потоку. Если используется измерительная диафрагма, измерение становится в чем-то более трудным, так как коэффициент разряда теперь зависит от числа Рейнольдса. Пластина кондиционирования может быть использована совместно с измерительной диафрагмой для того, чтобы уменьшить величину прямого пробега в трубе.

Измерение температуры текучей среды обеспечивает ценную информацию в некоторых вариантах. В частности, в системе измерения вихревого потока, которая содержит электронику для считывания сигнала вихревой дорожки с пьезодатчика, температуры от датчика температуры (такого как, устройство с изменяющимся от температуры сопротивлением, термопара, и так далее) и перепада давления от датчика перепада давления, массовый расход может быть вычислен непосредственно в полевом устройстве и С_P может быть скомпенсирована для учета зависимости от температуры и скорости или числа Рейнольдса.

Это является важной особенностью по отношению к массовому расходу пара и его качеству. Для определения массового расхода пара и качества с использованием вихревого измерителя, измеряющего перепад давления, температуру и объемный расход, С_р для измерения перепада давления должно быть известно для множества массовых расходов и параметров качества пара. Аналогичным образом, вихревое измерение потока должно быть характеризовано как функция массового расхода и качества пара. Предполагая, что пар не перегрет, плотности газовой и жидкой фазы могут быть вычислены на основе свойств насыщенности при измеренной температуре. Имея эту измеренную величину и C_F=f(x,m) и вихревой поток, где вихревой К – множитель K=f(x,m), где х есть качество пара и m есть массовый расход, система двух уравнений с двумя неизвестными может быть соответственно решена для этих двух неизвестных. Решения такого типа уравнений выполняются в настоящее время в распределенной системе управления, или аналогичным средством, удаленным от полевого устройства. В соответствии с вариантами настоящего изобретения полевые устройства способны выполнить такое измерение на месте, сохраняя деньги пользователей и обеспечивая информацию высокого качества для контроля. На Фиг.10 показан график, иллюстрирующий различие в показаниях между измерительной диафрагмой и вихревым расходомером 402 для различного качества пара X.

В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения объемная скорость потока от первого полевого устройства может быть использована для настройки, калибровки или какого-либо еще улучшения работы и/или точности второго полевого устройства. Например, объемная скорость потока может быть определена сигналом перепада давления и передана схеме измерения вихревого потока и использована для настройки узкополосного фильтра в вихревой схеме. Эта особенность может помочь при решении проблемы, связанной с вихревым измерением, где вихревой сигнал подвержен фоновым шумам. С помощью настройки узкополосного фильтра и цифровой обработки сигнала на основе отклика от объемного сигнала перепада давления вихревая измерительная схема способна лучше отслеживать реальный вихревой сигнал. Кроме того, отдельное измерение вихревого потока или перепада давления потока делает возможным выполнение диагностики при помощи сравнения двух сигналов. Например, если поток, базирующийся на перепаде давления, и вихревой поток начинают расходиться, может быть сгенерирована тревога или другой подходящий сигнал, предупреждающий оператора о проблеме. Эта внутренняя проверка может быть принципиально интересна в применениях, использующих безопасно реализованные системы (SIS).

Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты его осуществления, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что могут быть сделаны изменения в форме и деталях без выхода за пределы объема изобретения.

Формула изобретения

1. Система для измерения свойства потока текучей среды в трубе, содержащая полевое устройство измерения перепада давления, адаптированное для присоединения к трубе, причем полевое устройство измерения перепада давления имеет датчик перепада давления для измерения давления проходящей текучей среды выше по потоку и ниже по потоку от препятствия для потока в трубе, устройство измерения скорости текучей среды, соединенное с трубой и адаптированное для измерения скорости текучей среды, проходящей в трубе, и схему потока текучей среды, адаптированную для комбинирования информации о перепаде давления и скорости для обеспечения измерения свойства потока текучей среды.

2. Система по п.1, в которой свойство потока текучей среды представляет собой плотность.

3. Система по п.1, в которой свойство потока текучей среды представляет собой массовый расход.

4. Система по п.1, в которой устройство измерения скорости текучей среды представляет собой устройство измерения вихревого потока.

5. Система по п.1, в которой схема потока текучей среды расположена в полевом устройстве измерения перепада давления.

6. Система по п.1, в которой полевое устройство передает свойство потока текучей среды в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности.

7. Система по п.1, в которой устройство измерения скорости потока текучей среды связано с полевым устройством измерения перепада давления.

8. Система по п.7, в которой связь осуществляется в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности.

9. Система по п.1, в которой препятствие для потока имеет форму, подходящую для генерации вихрей.

10. Система по п.9, в которой устройство измерения скорости потока текучей среды измеряет частоту вихрей.

11. Система по п.10, в которой устройство измерения скорости потока текучей среды содержит вихревой смещаемый элемент, который расположен ниже по потоку от препятствия для потока текучей среды.

12. Система по п.11, в которой вихревой смещаемый элемент присоединен к одной стороне трубы.

13. Система по п.12, в которой вихревой смещаемый элемент содержит продольный брус и более тонкую область для приема давления вихрей.

14. Система по п.13, в которой вихревой смещаемый элемент дополнительно содержит поперечный брус, соединенный с продольным брусом и более тонкой областью.

15. Система по п.13 дополнительно содержащая зажим, соединенный с пьезоэлектрическим измерительным элементом так, что смещения зажима детектируются элементом.

16. Система по п.1, дополнительно содержащая датчик температуры, размещенный для предоставления измерений температуры проходящей текучей среды.

17. Система по п.16, в которой свойство потока текучей среды представляет собой массовый расход.

18. Система по п.16, в которой свойство потока текучей среды представляет собой состав жидкости.

19. Система по п.16, в которой свойство потока текучей среды представляет собой качество пара.

20. Система по п.1, в которой устройство измерения скорости потока текучей среды представляет собой полевое устройство вихревого расходомера.

21. Система по п.1, в которой датчик перепада давления образован парой датчиков давления, первый датчик давления расположен перед препятствием для потока текучей среды, и второй датчик расположен после препятствия для потока текучей среды, причем по меньшей мере один из пары датчиков давления выполнен из полупроводникового материала.

22. Система по п.21, в которой по меньшей мере один из датчиков давления расположен в прямом контакте с проходящей текучей средой.

23. Система по п.21, в которой полупроводниковым материалом является сапфир.

24. Система для измерения свойства потока текучей среды в трубе, содержащая полевое устройство измерения вихревого потока, адаптированное для соединения с трубой и измерения скорости проходящей текучей среды в трубе, причем полевое устройство измерения вихревого потока имеет множество реконфигурируемых выходов, при этом полевое устройство измерения вихревого потока вычисляет свойство потока текучей среды на основе скорости текучей среды и переменной текучей среды, измеренной через реконфигурируемые выходы.

25. Система по п.24, дополнительно содержащая переключатель, связанный с множеством реконфигурируемых выходов к микропроцессору в полевом устройстве, причем микропроцессор управляет переключателем для выборочного присоединения реконфигурируемых выходов к аналого-цифровому преобразователю в полевом устройстве измерения вихревого потока.

26. Система по п.24, дополнительно содержащая датчик текучей среды, связанный с множеством реконфигурируемых выходов для обеспечения измерения переменной текучей среды.

27. Система по п.26, в которой датчик текучей среды является датчиком перепада давления, предназначенным для измерения перепада давления через препятствие для потока текучей среды.

28. Система по п.24, в которой свойство потока текучей среды представляет собой плотность.

29. Система по п.24, в которой свойство потока текучей среды представляет собой массовый расход.

30. Система по п.26, в которой датчик текучей среды представляет собой датчик давления.

31. Система по п.30, в которой датчик давления представляет собой датчик перепада давления.

32. Система по п.30, в которой полевое устройство измерения вихревого потока содержит сопротивление, соединенное через сеть связи с датчиком давления.

33. Система по п.26, в которой датчик текучей среды расположен в пределах мостиковой схемы сопротивления.

34. Система по п.26, в которой полевое устройство измерения вихревого потока обеспечивает напряжение питания датчику текучей среды.

35. Система по п.27, в которой датчик перепада давления передает измерение перепада давления полевому устройству измерения вихревого потока в виде напряжения.

36. Система по п.26, в которой полевое устройство измерения вихревого потока и датчик текучей среды связаны в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности.

37. Система по п.36, в которой протокол представляет собой Controller Area Network протокол.

38. Система по п.24, в которой полевое устройство измерения вихревого потока передает свойство потока текучей среды в соответствии с протоколом связи по стандарту обрабатывающих отраслей промышленности.

39. Система по п.27, в которой полевое устройство измерения вихревого потока содержит плохо обтекаемое тело, которое генерирует и измеряет вихри в проходящей текучей среде, при этом датчик перепада давления измеряет первое давление с использованием первого датчика давления, расположенного выше по потоку от плохо обтекаемого тела, и второго датчика давления, расположенного ниже по потоку от плохо обтекаемого тела.

40. Система по п.24, дополнительно содержащая датчик температуры, связанный с полевым устройством измерения вихревого потока и размещенный для предоставления измерений температуры проходящей текучей среды.

41. Система по п.40, в которой свойство потока текучей среды представляет собой массовый расход.

42. Система по п.40, в которой свойство потока текучей среды представляет собой состав жидкости.

43. Система по п.40, в которой свойство потока текучей среды представляет собой качество пара.

44. Система по п.27, в которой датчик перепада давления содержит пару чувствительных к давлению элементов, при этом каждый элемент выполнен из полупроводникового материала.

45. Система по п.44, в которой полупроводниковым материалом является сапфир.

46. Система по п.27, в которой датчик перепада давления расположен в прямом контакте с проходящей текучей средой.

47. Система по п.24, в которой полевое устройство измерения вихревого потока адаптировано для соединения посредством множества реконфигурируемых выходов с датчиком текучей среды, выбранным из группы, состоящей из датчика абсолютного давления, датчика манометрического давления или датчика перепада давления.

48. Система для измерения свойства потока текучей среды в трубе, содержащая

полевое устройство измерения перепада давления, соединенное с трубой для проходящей текучей среды, причем полевое устройство измерения перепада давления предназначено для измерения перепада давления в препятствии для текучей среды в трубе, устройство измерения скорости текучей среды, соединенное с трубой для измерения скорости потока текучей среды в трубе, при этом перепад давления и измеренная скорость объединяются для обеспечения указанного свойства.

РИСУНКИ