ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СРЕДЫ, ПРОТЕКАЮЩЕЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ТРУБОПРОВОДЕ
MEASURING SYSTEM FOR MEDIUM FLOWING IN PROCESS PIPELINE

Изобретение относится к измерительной системе для измерения при помощи измерительного преобразователя, по меньшей мере, одного измеряемого переменного параметра, в частности массового расхода, например удельного массового расхода, плотности, вязкости, давления или подобных характеристик среды, протекающей в технологическом трубопроводе, а также к формирователю потока, занимающему промежуточное положение между измерительным преобразователем и технологическим трубопроводом.
В области технологии измерений производственных процессов, особенно в связи с автоматизацией химических или технологических процессов, для регистрации описывающих процесс измеряемых переменных параметров и для генерирования сигналов измерения, представляющих эти переменные параметры, используются измерительные системы, устанавливаемые вблизи технологического процесса. Такие измерительные системы монтируются либо непосредственно на технологическом трубопроводе, либо в нем, например в магистральной трубе, через которую протекает среда. Измеряемые переменные параметры могут включать в себя, например, массовый расход, объемный расход, скорость потока, плотность, вязкость, температуру или подобные характеристики жидкой, порошкообразной, парообразной или газообразной технологической среды, передаваемой или содержащейся в таком технологическом трубопроводе.
Такие измерительные системы включают в себя, среди прочего, системы, в которых используются встроенные в трубопровод измерительные устройства с магнитоиндукционными преобразователями или преобразователями, которые оценивают время прохождения ультразвуковых волн, испускаемых в направлении потока, в частности датчиками, функционирующими на основе доплеровского принципа, или преобразователями вибрационного типа, в частности кориолисовым измерительным преобразователем массового расхода, датчиком плотности или тому подобным. Основные принципы конструкции и функционирования магнитоиндуктивных датчиков в достаточной мере описаны, например, в ЕР - А 1039269, US - A 6031740, US - A 5540103, US - A 5351554, US - A 4563904; по ультразвуковым датчикам смотри, например, US - В 6397683, US - В 6330831, US - В 6293156, US - В 6189389, US - А 5531124, US - А 5463905, US - А 5131279, US - А 4787252. Кроме того, уровень техники по этим темам в достаточной мере известен специалистам в данной области техники, так что подробное объяснение здесь может быть опущено. Другие примеры таких измерительных систем, известных по своей сути специалистам в данной области техники, в частности системы, состоящие из компактных, встроенных в трубопровод измерительных устройств, объясняются подробно, среди прочего, в ЕР - А 984248, GB - А 2142725, US - A 4308754, US - A 4420983, US - A 4468971, US - A 4524610, US - A 4716770, US - A 4768384, US - A 5052229, US - A 5052230, US - A 5131279, US - A 5231884, US - A 5359881, US - A 5458005, US - A 5469748, US - A 5687100, US - A 5796011, US - A 5808209, US - A 6003384, US - A 6053054, US - A 6006609, US - В 6352000, US - В 6397683, US - В 6513393, US - В 6644132, US - В 6651513, US - В 6880410, US - В 6910387, US - A 2005/0092101, WO - A 88/02476, WO - A 88/02853, WO - A 95/16897, WO - A 00/36379, WO - A 00/14485, WO - A 01/02816 или WO - А 02/086426.
Для того чтобы регистрировать соответствующие измеряемые переменные параметры, измерительные системы, рассматриваемого здесь типа включают в себя соответствующий преобразователь, который встраивается в трассу технологического трубопровода, передающего среду, для того чтобы генерировать, по меньшей мере, один измерительный сигнал, в частности электрический сигнал, представляя первоначально измеряемый переменный параметр настолько точно, насколько это возможно. Для этой цели измерительный преобразователь обычно включает в себя измерительную трубку, которая встраивается в трассу магистральной трубы и служит для переноса текущей среды, и соответствующий датчик для преобразования физического параметра в электрический. Датчик, в свою очередь, включает в себя, по меньшей мере, один чувствительный элемент, реагирующий главным образом на измеряемый переменный параметр или на его изменения, для того чтобы генерировать, по меньшей мере, один измерительный сигнал, который зависит от измеряемого переменного параметра.
Для дальнейшей обработки или оценки, по меньшей мере, одного измерительного сигнала преобразователь дополнительно соединен с измерительной электронной аппаратурой, подходящей для этой цели. Измерительная электронная аппаратура, поддерживающая соответствующим образом связь с измерительным преобразователем, выдает во время работы измерительной системы, по меньшей мере, время от времени, используя, по меньшей мере, один измерительный сигнал, по меньшей мере, одно измеренное значение, являющееся мгновенным представлением измеряемого переменного параметра, например измеренное значение массового расхода, объемного расхода, плотности, вязкости, давления, температуры или т.п.
Для размещения измерительной электронной аппаратуры такие измерительные системы дополнительно включают в себя соответствующий корпус электронной аппаратуры, который, как предложено, например, в US - А 6397683 или WO - А 00/36379, может быть расположен на расстоянии от измерительного преобразователя и соединен с ним только посредством гибкого кабеля. Однако в качестве альтернативы, как также показано, например, в ЕР - А 903651 или ЕР - А 1008836, для образования компактного встроенного в трубопровод измерительного устройства (например, кориолисова устройства измерения массового расхода/плотности, ультразвукового устройства измерения расхода, вихревого устройства измерения расхода, теплового устройства измерения расхода, магнитоиндуктивного устройства измерения расхода и т.п.), корпус электронной аппаратуры может быть расположен непосредственно на измерительном преобразователе или на корпусе преобразователя, который отдельно вмещает измерительный преобразователь. В последнем случае корпус электронной аппаратуры, как показано, например, в ЕР - А 984248, US - А 4716770 или US - А 6352000, часто также служит для того, чтобы содержать в себе некоторые механические компоненты измерительного преобразователя, такие как, например, деформируемые или вибрирующие тела, имеющие форму мембраны, стержня, втулки или трубки, которые во время работы деформируются под действием механических воздействий; в этой связи см. US - В 6352000, упомянутый выше.
Кроме того, измерительные системы описанного типа обычно соединены через систему передачи данных, связанную с измерительной электронной аппаратурой, друг с другом и/или с соответствующими компьютерами для управления технологическим процессом, которым они передают сигналы измеренного значения, например, посредством токовой петли (от 4 мА до 20 мА) и/или шины передачи цифровых данных. В таком случае в качестве систем передачи данных служат системы полевой шины, в частности системы последовательной полевой шины, такие как, например, PROFIBUS-РА, FOUNDATION FIELDBUS, наряду с соответствующими протоколами передачи данных. Посредством компьютера для управления технологическим процессом переданные сигналы измеренного значения могут быть далее обработаны и визуализированы в качестве соответствующих результатов измерения, например, на мониторах и/или преобразованы в управляющие сигналы для элементов управления технологическим процессом, таких как, например, электромагнитные клапаны, электродвигатели и т.д.
Как указано, помимо прочего, в GB - А 2142725, US - A 5808209, US - A 2005/0092101, US - В 6880410, US - В 6644132, US - A 6053054, US - В 6644132, US - A 5052229 или US - В 6513393, встроенные в трубопровод измерительные устройства и в этом отношении также измерительные системы описанного типа могут с большой степенью вероятности иметь точность измерения, зависящую в большей или меньшей степени от типа потока. Особый интерес в этой связи представляет, в частности, мгновенный характер профиля потока в измерительной трубке. С учетом того, что турбулентные потоки, соответственно потоки с числом Рейнольдса, большим чем 2300, в значительной степени подобны друг другу в широком диапазоне значений числа Рейнольдса и в результате этого оказывают сопоставимое влияние на точность измерения, во многих измерительных системах часто желательна высокая скорость потока измеряемый среды. Для того чтобы достигнуть достаточно высокого уровня точности измерения, в случае вихревых устройств измерения расхода обычно желательными являются потоки, которые имеют число Рейнольдса намного выше чем 4000.
Таким образом, в случае измерительных систем, относящихся к рассматриваемому типу, вполне обычным, по меньшей мере, в случае технологических трубопроводов сравнительно большего диаметра и/или в вариантах применения со сравнительно более медленно текущими средами, является, если это необходимо, такое конструктивное выполнение измерительной трубки, чтобы она имела меньшее пропускное поперечное сечение, чем подающий участок технологического трубопровода, соединенный с впускной стороной измерительной системы. В результате этого текущая среда испытывает ускорение в направлении потока, благодаря чему, в свою очередь, увеличивается число Рейнольдса. Внедрение этого правила оправдало себя, в частности, также в случае измерительных систем, которые функционируют с ультразвуковым измерительным устройством, и/или вихревым расходомером, и/или если измеряются, по меньшей мере, частично, а предпочтительно полностью, газообразные среды.
С учетом того, что, например, зависимость между скоростью распространения вихрей на теле необтекаемой формы, противостоящем потоку, и измеряемого переменного параметра, подлежащего первичной регистрации, то есть объемным расходом или скоростью потока (такая зависимость формирует основу для работы вихревых расходомеров), может быть принята линейной только вначале, а после того как число Рейнольдса становится больше 20000, необходимо реализовать большую разность между пропускными поперечными сечениями технологического трубопровода и измерительной трубки. Другими словами, для этого диапазона значений числа Рейнольдса число Струхаля, представляющее вышеупомянутую зависимость, можно считать по существу постоянным.
Для того чтобы создать на самом коротком возможном расстоянии переходную зону, которая настолько четко определена, насколько возможно, от подающего участка до измерительной трубки с ее меньшим пропускным поперечным сечением, обычной практикой является, как это предлагается, помимо прочего, в GB - А 2142725, US - A 5808209 или US - A 2005/0092101, выполнение в измерительной системе формирователя потока, имеющего внутренний канал, сужающийся по направлению к измерительной трубке. Во время работы среда протекает через такой внутренний канал. Формирователь потока располагается на впускной стороне измерительной трубки и занимает промежуточное положение между измерительной трубкой и подающим участком технологического трубопровода. Впускной конец формирователя потока, обращенный к подающему участку технологического трубопровода, имеет в таком случае пропускное поперечное сечение, которое больше, чем пропускное поперечное сечение измерительной трубки, а выпускной конец формирователя потока, обращенный к измерительной трубке, имеет пропускное поперечное сечение, которое меньше, чем его пропускное поперечное сечение на впускном конце.
В частности, в US - А 5808209, а также и в US - А 2005/0092101, кроме того, указывается в связи с формирователями потока, что переход, реализованный между двумя имеющими различные размеры пропускными поперечными сечениями, должен поддерживаться непрерывным и абсолютно свободным от помех, таких как, например, вызывающие завихрения кромки.
Это может быть обеспечено в удовлетворительной степени с помощью довольно сложной обработки поверхностей формирователя потока и возможно присутствующих соединений во впускной области измерительной системы. Однако было обнаружено, что, несмотря на использование формирователей потока выше названного типа, уже незначительные возмущения потока во впускной области измерительной системы, в частности в подающем участке присоединенного технологического трубопровода, расположенном спереди по ходу потока от измерительной системы, или в области соединительного фланца на впускной стороне, который, если это необходимо, служит для соединения подающего участка и измерительной системы, связаны со значительным отклонением условий потока внутри внутреннего канала измерительной трубки, и, следовательно, с соответствующим снижением точности измерений.
В общих чертах, возможность для решения этой проблемы заключается в том, чтобы выполнить соответствующую обработку и впускной области измерительной системы, и подающего участка технологического трубопровода или фланцевого соединения на входе. Эту обработку, однако, практически невозможно выполнить, во всяком случае не без дополнительных требований к пользователю измерительной системы. Это особенно верно по той причине, что выбор измерительной системы может определяться тем, что на существующей установке имеется предварительно установленный D, и измерительная система, возможно имеющая излишне большой по отношению к фактическим условиям потока размер D, должна быть специально для данного случая заменена. В этом отношении фактические условия установки измерительной системы следует рассматривать не только как непредсказуемые, но также, на практике, и как неадаптируемые, а в результате также и неуправляемые.
Другая возможность для устранения этой проблемы заключается в том, чтобы увеличить монтажную длину формирователя потока для того, чтобы достигать в формирователе потока большей степени стабилизации и успокаивания потока как можно раньше, прежде чем поток войдет в измерительную трубку. Однако это может означать значительное увеличение монтажной длины всей измерительной системы. Если рассматривать ранее описанную ситуацию, при которой существующая традиционная измерительная система должна быть заменена системой с формирователем потока, присоединяемым спереди по ходу потока, то монтажная длина для измерительной системы является более или менее заданной, и таким образом увеличение монтажной длины формирователя потока возможно только в рамках этого довольно ограниченного контекста. При этих недостатках традиционных формирователей потока неудивительно, что диапазон применения измерительных систем рассматриваемого типа по-прежнему представляется довольно ограниченным.
Следовательно, задача данного изобретения заключается в том, чтобы предложить измерительную систему для текущей среды, которая, в контексте наиболее короткой монтажной длины, позволяет увеличить число Рейнольдса для потока от технологического трубопровода до измерительной трубки и которая, несмотря на это, имеет точность измерения, которая в значительной степени нечувствительна к возможным возмущениям в текущей среде спереди, по ходу потока, от измерительной системы, будь то на подающем участке и/или в зоне непосредственного перехода между технологическим трубопроводом и фактически измерительной системой.
Изобретение для решения этой задачи заключается в измерительной системе, встраиваемой в трассу технологического трубопровода, в частности магистральной трубы, для регистрации, по меньшей мере, одного измеряемого переменного параметра, в частности массового расхода, объемного расхода, скорости потока, плотности, вязкости, давления, температуры, и/или т.п. среды, протекающей в технологическом трубопроводе. Измерительная система содержит:
- Измерительный преобразователь, включающий в себя:
- - измерительную трубку, в частности прямую измерительную трубку, которая служит для переноса измеряемой среды и которая имеет меньшее пропускное поперечное сечение, чем подающий участок технологического трубопровода, соединенного с входом измерительной системы, и
- - датчик,
- - - содержащий, по меньшей мере, один чувствительный элемент, реагирующий главным образом на регистрируемую переменного параметра, в частности на его изменение, и
- - - обеспечивающий с помощью указанного, по меньшей мере, одного чувствительного элемента, по меньшей мере, один измерительный сигнал, зависящий от измеренного переменного параметра;
- измерительную электронную аппаратуру, связанную с измерительным преобразователем и формирующую, по меньшей мере, время от времени, с учетом указанного, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, по меньшей мере, одно измеренное значение, представляющее мгновенное значение измеренного переменного параметра, в частности измеренное значение массового расхода, измеренное значение объемного расхода, измеренное значение плотности, измеренное значение вязкости, измеренное значение давления, измеренное значение температуры; и
- формирователь потока, расположенный на входе измерительной трубки, между измерительной трубкой и подающим участком технологического трубопровода, имеющий внутренний канал, который сужается по направлению к измерительной трубке и через который во время работы протекает среда;
- при этом впускной конец формирователя потока, обращенный к подающему участку технологического трубопровода, имеет пропускное поперечное сечение, которое больше, чем пропускное поперечное сечение измерительной трубки, а выпускной конец формирователя потока, обращенный к измерительной трубке, имеет пропускное поперечное сечение, которое меньше, чем пропускное поперечное сечение впускного конца формирователя потока; и
- при этом в формирователе потока выполнена, по меньшей мере, одна поверхность соударения, расположенная спереди по ходу потока от выпускного конца формирователя потока и выступающая в его внутренний канал, в частности поверхность соударения, простирающаяся по окружности вдоль директрисы формирователя потока, или круговая поверхность соударения, против которой во время работы протекает измеряемая среда.
Кроме того, изобретением является способ регистрации, по меньшей мере, одного измеренного переменного параметра, в частности массового расхода, объемного расхода, скорости потока, плотности, вязкости, давления, температуры и/или т.п. среды, протекающей в технологическом трубопроводе, с помощью измерительной системы, встроенной в линию технологического трубопровода и содержащей формирователь потока, соединенный с подающим участком технологического трубопровода, а также измерительный преобразователь, соединенный с формирователем потока. Способ включает в себя этапы, на которых:
- обеспечивают вытекание измеряемой среды из подающего участка в формирователь потока;
- частично блокируют среду, втекающую в формирователь потока, и вызывают, по меньшей мере, одно по существу стационарное, в частности фиксированное по местоположению, тороидальное завихрение в среде, протекающей во впускной области формирователя потока, таким образом, что воображаемая главная ось инерции указанного, по меньшей мере, одного тороидального завихрения по существу совпадает с продольной осью формирователя потока и/или продольной осью измерительной трубки измерительного преобразователя;
- обеспечивают обтекание измеряемой средой указанного, по меньшей мере, одного тороидального завихрения и обеспечивают вытекание измеряемой среды из формирователя потока и в измерительную трубку измерительного преобразователя, и
- формируют, по меньшей мере, один измерительный сигнал, зависящий от измеренного регистрируемого переменного параметра, с помощью, по меньшей мере, одного чувствительного элемента, который реагирует главным образом на измеренный переменный параметр, в частности также на ее изменение.
В первом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения расположена и ориентирована в формирователе потока таким образом, что она простирается, по меньшей мере, секционно, по существу перпендикулярно продольной оси формирователя потока и/или по существу перпендикулярно продольной оси измерительной трубки.
Во втором варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения имеет в радиальном направлении высоту, составляющую, по меньшей мере, 1 мм.
В третьем варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения выполнена в виде кольцевой поверхности.
В четвертом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения и внутренняя кромка образованы, по меньшей мере, частично, выступом, в частности круговым и/или замыкающимся на себя выступом, выполненным на входе формирователя потока.
В пятом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения выполнена, по меньшей мере, секционно, по существу плоской.
В шестом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения расположена и ориентирована в формирователе потока таким образом, что она секционно является по существу копланарной поперечному сечению формирователя потока и/или поперечному сечению измерительной трубки.
В седьмом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения, по меньшей мере, секционно выполнена по существу конической.
В восьмом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения сужается по направлению к измерительной трубке.
В девятом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения выполнена расширяющейся по направлению к впускному концу формирователя потока.
В десятом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения и внутренняя кромка, по меньшей мере, частично образованы внутренним конусом, выполненным во входе формирователя потока, в частности внутренним конусом, простирающимся к впускному концу формирователя потока и сужающимся по направлению к измерительной трубке.
В одиннадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что внутренний конус, образующий поверхность соударения формирователя потока, имеет угол наклона боковой поверхности, больший чем 45°, в частности больший чем 60°.
В двенадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что внутренний конус, образующий поверхность соударения формирователя потока, имеет угол наклона боковой поверхности, меньший чем 90°, в частности меньший чем 88°.
В тринадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что внутренний конус, образующий поверхность соударения формирователя потока, имеет угол наклона боковой поверхности, больший чем 60° и меньший чем 88°.
В четырнадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что формирователь потока имеет по существу круглоцилиндрическую форму, по меньшей мере, во впускной области.
В пятнадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительная трубка имеет по существу круглоцилиндрическую форму, по меньшей мере, во впускной области.
В шестнадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что формирователь потока имеет по существу круглоцилиндрическую форму, по меньшей мере, в выпускной области.
В семнадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительная труба, в частности измерительная трубка, имеющая круглоцилиндрическую форму, является по существу прямой.
В восемнадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что отношение площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению измерительной трубки поддерживается большим чем 1,5.
В девятнадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что отношение площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению измерительной трубки поддерживается меньшим чем 10.
В двадцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что отношение площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению измерительной трубки поддерживается в диапазоне между 1,66 и 9,6.
В двадцать первом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительная трубка имеет меньший диаметр, чем подающий участок технологического трубопровода, соединенного с входом измерительной системы.
В двадцать втором варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что впускной конец формирователя потока, обращенный к подающему участку технологического трубопровода, имеет диаметр, который больше, чем диаметр измерительной трубки, а выпускной конец формирователя потока, обращенный к измерительной трубке, имеет диаметр, который меньше, чем диаметр впускного конца формирователя потока.
В двадцать третьем варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что отношение диаметров подающего участка технологического трубопровода и измерительной трубки поддерживается большим чем 1,1.
В двадцать четвертом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что отношение диаметров подающего участка технологического трубопровода и измерительной трубки поддерживается меньшим чем 5.
В двадцать пятом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что отношение диаметров подающего участка технологического трубопровода и измерительной трубки поддерживается в диапазоне между 1,2 и 3,1.
В двадцать шестом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент образован посредством, по меньшей мере, одного пьезоэлектрического элемента и/или, по меньшей мере, одного пьезорезистивного элемента.
В двадцать седьмом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент образован посредством, по меньшей мере, одного соленоида, связанного с якорем.
В двадцать восьмом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент образован посредством, по меньшей мере, одного измерительного электрода, контактирующего со средой, протекающей в измерительной трубке, и измеряющего электрические потенциалы.
В двадцать девятом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент образован посредством, по меньшей мере, одного измерительного конденсатора, реагирующего на изменение измеряемого переменного параметра.
В тридцатом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент образован посредством, по меньшей мере, одного электрического сопротивления.
В тридцать первом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент во время работы подвергается неоднократным механическим деформациям, зависящим от среды, протекающей в измерительной трубке.
В тридцать втором варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент во время работы неоднократно перемещается относительно положения равновесия под влиянием среды, протекающей в измерительной трубке.
В тридцать третьем варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительный преобразователь включает в себя, по меньшей мере, одно тело необтекаемой формы, расположенное в измерительную трубке.
В тридцать четвертом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент датчика, в частности чувствительный элемент, выступающий, по меньшей мере, частично в измерительную трубку, расположен сзади, по ходу потока, от указанного, по меньшей мере, одного тела необтекаемой формы.
В тридцать пятом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительный преобразователь реализован как вихревой преобразователь расхода, в частности преобразователь расхода с вихревой дорожкой.
В тридцать шестом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительный преобразователь реализован как магнитоиндуктивный преобразователь расхода.
В тридцать седьмом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительный преобразователь реализован как преобразователь расхода вибрационного типа, в частности кориолисов преобразователь массового расхода, преобразователь плотности и/или преобразователь вязкости.
В тридцать восьмом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительный преобразователь реализован как ультразвуковой преобразователь расхода.
В тридцать девятом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что измерительная трубка имеет монтажную длину, которая больше чем монтажная длина формирователя потока, так чтобы отношение монтажных длин формирователя потока и измерительной трубки поддерживалось меньше 1.
В сороковом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что отношение диаметров подающего участка технологического трубопровода и измерительной трубки соответствует, по меньшей мере, 10% отношения монтажных длин формирователя потока и измерительной трубки.
В сорок первом варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент, в частности чувствительный элемент, погруженный во время работы в среду, расположен на некотором расстоянии от впускного конца измерительной трубки в измерительной трубке и/или на ней, в частности непосредственно на измерительной трубке.
В сорок втором варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что, по меньшей мере, один чувствительный элемент размещен таким образом, что отношение упомянутого расстояния к диаметру измерительной трубки поддерживается большим чем один.
В сорок третьем варианте реализации измерительной системы по изобретению предусматривается, что поверхность соударения реализована в виде имеющей сферическую форму и/или расщепленной, в частности имеющей множество зубцов и/или волнообразной, кольцевой поверхности.
В первом дальнейшем усовершенствовании измерительной системы по изобретению в формирователе потока предусматривается направляющая поверхность, расположенная спереди по ходу потока от поверхности соударения, простирающаяся в направлении выпускного конца формирователя потока и служащая для направления среды, протекающей в формирователе потока.
В первом варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что направляющая поверхность формирователя потока, в частности направляющая поверхность, имеющая коническую форму, выполняется, по меньшей мере, секционно, выпуклой.
Во втором варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что направляющая поверхность формирователя потока, в частности, направляющая поверхность, имеющая коническую форму, выполняется, по меньшей мере, секционно, вогнутой.
В третьем варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что направляющая поверхность формирователя потока имеет по существу S-образный профиль.
В четвертом варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что направляющая поверхность формирователя потока сужается по направлению к измерительной трубке.
В пятом варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что направляющая поверхность формирователя потока выполнена по существу конической.
В шестом варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что внутренний конус, образующий направляющую поверхность формирователя потока, имеет угол наклона боковой поверхности, больший чем 2°, в частности больший чем 4°.
В седьмом варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что внутренний конус, образующий направляющую поверхность формирователя потока, имеет угол наклона боковой поверхности, меньший чем 45°, в частности меньший чем 10°.
В восьмом варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что внутренний конус, образующий направляющую поверхность формирователя потока, имеет угол наклона боковой поверхности, больший чем 4° и меньший чем 10°.
В девятом варианте реализации первого дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что поверхность соударения образована первым внутренним конусом, выполненным во входе формирователя потока и простирающимся по направлению к его впускному концу, а направляющая поверхность образована вторым внутренним конусом, выполненным во входе формирователя потока и простирающимся по направлению к его выпускному концу. В частности, в таком случае предусматривается, что первый внутренний конус, образующий поверхность соударения, имеет угол наклона боковой поверхности, больший, чем угол наклона боковой поверхности второго внутреннего конуса, образующего направляющую поверхность. Например, первый внутренний конус, образующий поверхность соударения формирователя потока, может иметь угол наклона боковой поверхности, больший чем 45°, в частности больший чем 60° и меньший чем 90°, в частности меньший чем 88°, и предусматривается, что второй внутренний конус, образующий направляющую поверхность формирователя потока, может иметь угол наклона боковой поверхности, больший, чем 2°, в частности больший чем 4° и меньший чем 45°, в частности меньший чем 10°.
Во втором дальнейшем усовершенствовании изобретения предусматривается, что формирователь потока имеет, по меньшей мере, одну внутреннюю кромку, расположенную спереди по ходу потока от выпускного конца формирователя потока и выступающую во внутренний канал формирователя потока. Во время работы среда, передаваемая в формирователе потока, протекает в направлении против внутренней кромки. В частности, внутренняя кромка формирователя потока простирается по окружности вдоль директрисы формирователя потока и/или является круговой.
В первом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, выполнена и расположена в формирователе потока таким образом, что она направлена по существу поперек продольной оси формирователя потока и/или поперек продольной оси измерительной трубки.
Во втором варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, выполнена по окружности, в частности круговым образом, и в результате замыкается на саму себя.
В третьем варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, расположена поблизости, в частности в непосредственной близости от впускного конца формирователя потока.
В четвертом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, расположена непосредственно на впускном конце формирователя потока.
В пятом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, имеет радиус кромки, меньший чем 2 мм, в частности меньший чем 0,6 мм.
В шестом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что внутренняя кромка имеет зубчатый или волнообразный контур.
В седьмом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что поперечное сечение внутреннего канала формирователя потока, ограниченное внутренней кромкой, выступающей во внутренний канал формирователя потока, меньше, чем пропускное поперечное сечение подающего участка технологического трубопровода.
В восьмом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что степень сужения, отношение поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, и пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода поддерживается меньшим чем 0,9.
В девятом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что степень сужения, отношение поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, и пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода поддерживается большим чем 0,1.
В десятом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что степень сужения, отношение поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, и пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода поддерживается в диапазоне между 0,25 и 0,85.
В одиннадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что степень сужения, отношение поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, и пропускного поперечного сечения измерительной трубки поддерживается большим чем 1,2.
В двенадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что степень сужения, отношение поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, и пропускного поперечного сечения измерительной трубки поддерживается меньшим чем 5.
В тринадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что степень сужения, отношение поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, и пропускного поперечного сечения измерительной трубки поддерживается в диапазоне между 1,3 и 3.
В четырнадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что разность между отношением площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к поперечному сечению измерительной трубки и степень сужения поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, по отношению к пропускному поперечному сечению подающего участка технологического трубопровода поддерживается большей чем 0,5.
В пятнадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что разность между отношением площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению измерительной трубки и степенью сужения поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, по отношению к пропускному поперечному сечению подающего участка технологического трубопровода поддерживается меньшей чем 10.
В шестнадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что разность между отношением площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению измерительной трубки и степенью сужения поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, по отношению к пропускному поперечному сечению подающего участка технологического трубопровода поддерживается большей чем 0,83 и меньшей чем 9,5.
В семнадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что разность между отношением площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению измерительной трубки и степенью сужения поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, по отношению к поперечному сечению измерительной трубки поддерживается большей чем 0,2.
В восемнадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что разность между отношением площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению измерительной трубки и степенью сужения поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, по отношению к поперечному сечению измерительной трубки поддерживается меньшей чем 10.
В девятнадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что разность между отношением площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения подающего участка технологического трубопровода к поперечному сечению измерительной трубки и степенью сужения поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, по отношению к пропускному поперечному сечению измерительной трубки поддерживается большей чем 0,25 и меньшей чем 8.
В двадцатом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, выполнена таким образом, что внутренний диаметр впускного конца формирователя потока поддерживается меньшим, чем диаметр подающего участка технологического трубопровода.
В двадцать первом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что поперечное сечение внутреннего канала формирователя потока, ограниченное, по меньшей мере, одной внутренней кромкой, выступающей во внутренний канал формирователя потока, имеет диаметр, который меньше, чем диаметр подающего участка технологического трубопровода.
В двадцать втором варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, ограничивает направляющую поверхность формирователя потока, простирающуюся в направлении выпускного конца формирователя потока и служащую для направления среды, протекающей в формирователе потока.
В двадцать третьем варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, ограничивает поверхность соударения, расположенную в краевой зоне формирователя потока, в частности простирающейся круговым образом по окружности, и служащую для того, чтобы вызывать завихрение среды, протекающей в противоположном ей направлении, частично блокируя протекание среды по ней.
В двадцать четвертом варианте реализации второго дальнейшего усовершенствования изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, одна внутренняя кромка, выступающая во внутренний канал формирователя потока, ограничивает поверхность соударения формирователя потока, расположенную в краевой зоне формирователя потока, в частности круговой кольцевой краевой зоне, и служащую для того, чтобы вызывать завихрение среды, протекающей в противоположном ей направлении, частично блокируя протекание среды, и служащую для направления среды, протекающей в формирователе потока.
В третьем дальнейшем усовершенствовании измерительной системы по изобретению предусматривается, что формирователь потока имеет, по меньшей мере, одну внутреннюю кромку, расположенную спереди по ходу потока от выпускного конца, выступающую во внутренний канал формирователя потока и против которой во время работы течет передаваемая туда среда, в частности внутреннюю кромку, простирающуюся по окружности вдоль директрисы формирователя потока, и предусматривается, что в формирователе потока предусмотрена направляющая поверхность, расположенная сзади по ходу потока от поверхности соударения формирователя потока, простирающаяся в направлении выпускного конца формирователя потока и служащая для направления среды, протекающей в формирователе потока, при этом направляющая поверхность и внутренняя кромка образованы, по меньшей мере, частично внутренним конусом, выполненным во входе формирователя потока, в частности внутренним конусом, простирающимся по направлению к выпускному концу формирователя потока.
В первом варианте реализации способа по изобретению этап, на котором частично блокируют среду, втекающую в формирователь потока, дополнительно включает в себя этап, на котором позволяют среде течь против поверхности соударения формирователя потока, противостоящей текущей среде в краевой зоне формирователя потока, в частности краевой зоне, простирающейся, будучи замкнутой по окружности, вдоль образующей формирователя потока, для того, чтобы вызвать по существу стационарное тороидальное завихрение во впускной области формирователя потока.
Во втором варианте реализации способа по изобретению способ дополнительно включает в себя этапы, на которых ускоряют среду, протекающую в формирователе потока в направлении продольной оси формирователя потока.
В третьем варианте реализации способа по изобретению этап, на котором вызывают, по меньшей мере, одно по существу стационарное тороидальное завихрение во впускной области формирователя потока, включает в себя этапы, на которых позволяют среде обтекать внутреннюю кромку формирователя потока, выступающую во внутренний канал формирователя потока, в частности внутреннюю кромку, замкнутую по окружности, вдоль образующей формирователя потока.
В четвертом варианте реализации способа по изобретению способ дополнительно включает в себя этап, на котором вызывают, по меньшей мере, одно дополнительное по существу стационарное, в частности по существу фиксированное по местоположению, тороидальное завихрение во впускной области формирователя потока таким образом, что воображаемая главная ось инерции каждого из, по меньшей мере, двух тороидальных завихрений по существу совпадает. В дальнейшем усовершенствовании варианта реализации изобретения предусматривается, что, по меньшей мере, один из этапов, на которых вызывают по существу стационарные тороидальные завихрения во впускной области формирователя потока, включает в себя этапы, на которых позволяют среде обтекать внутреннюю кромку формирователя потока, выступающую во внутренний канал формирователя потока, в частности внутреннюю кромку, замкнутую по окружности вдоль одной из его образующих.
Основная идея изобретения заключается в том, чтобы улучшить точность измерения измерительных систем описанного вида не только путем достаточного ускорения потока и переведения таким образом этого потока в благоприятный диапазон чисел Рейнольдса, но также тем, что, с одной стороны, в значительной мере устраняются посредством формирователя потока, размещенного перед фактическим измерительным преобразователем, возмущения, такие как, например, завихрения, возможно наведенные в потоке спереди по ходу потока от измерительной системы и увлекаемые таким образом, что они перемещаются с потоком, в близких к стенкам областях, и, с другой стороны, посредством формирователя потока создают непосредственно перед измерительным преобразователем новый в значительной степени нечувствительный к возмущениям профиль потока для среды, втекающей в измерительный преобразователь, а именно профиль потока, достаточно хорошо воспроизводимый для этого принципа измерения.
Это достигается в измерительной системе по изобретению, в частности, путем создания в ее впускной области, по меньшей мере, одного по существу тороидального завихрения, которое, по меньшей мере, в установившемся состоянии удерживается по существу фиксированным по местоположению. Это стационарное завихрение действует на обтекающую среду фактически в качестве дополнительной, расположенной в поперечном сечении преграды и в результате в качестве "виртуального" сопла, по сути сформированного внутри текущей среды.
Характерной особенностью такого "виртуального" сопла является то, что оно в значительной степени устраняет возмущения, возможно индуцированные в потоке спереди по ходу потока от впускной области. В результате этого сзади по ходу потока получают фактически новый, в значительной степени невозмущенный профиль потока. Размер и сила тороидального завихрения адаптируются к размеру и силе поступающего возмущения, так что полученное таким образом "виртуальное" сопло фактически является самоадаптируемым, в смысле того, что является эффективным средством устранения возмущений.
Изобретение в таком случае основывается на том удивительном открытии, что стационарное, в частности также по существу фиксированное по местоположению завихрение может быть получено с помощью препятствия на пути потока, размещенного во впускной области измерительной системы так, чтобы действовать в качестве заданного возмущения (здесь соударяющегося с текущей средой настолько фронтально, насколько это возможно, и простирающегося по окружности, в частности по кругу, являясь настолько полностью замкнутым, насколько это возможно) в краевой зоне внутреннего канала, через который протекает среда.
Действие "виртуального" сопла, созданного посредством тороидального завихрения, может быть еще более улучшено путем создания в формирователе потока сзади по ходу потока от завихрения, создаваемого перед поверхностью соударения, дополнительного завихрения, фиксированного по местоположению, расположенного насколько возможно непосредственно позади первого завихрения. Это может быть достигнуто в случае формирователя потока по изобретению конструктивно очень простым способом путем устройства дополнительной острой внутренней кромки, ограничивающей поверхность соударения, в частности внутренней кромки, круговым образом окружающей поверхность соударения таким образом, что она действует в качестве вихреобразующей кромки, в той мере, в которой это достаточно для образования завихрения, для обтекающей среды.
Формируя два таких тороидальных завихрения, в частности завихрения, ориентированные в значительной степени концентрически по отношению друг к другу, можно, с одной стороны, лучше улавливать завихрения, приносимые с поступающей средой и таким образом устранять их более эффективно. С другой стороны, посредством двух таких последовательно расположенных, концентрических завихрений эффективно действующий контур образованного таким образом "виртуального" сопла фактически достигает S -образной формы, которая благоприятствует формированию хорошо воспроизводимого профиля потока, весьма хорошо подходящего для последующего измерения, в равной мере также применимой и к широкому диапазону вариантов применения. Таким образом, имеется возможность, несмотря на возможно возмущенный поток в подающем участке, переносить в измерительный преобразователь через формирователь потока среду с некоторым профилем потока, который в значительной степени подобен эталонной ситуации.
Использование формирователя потока по настоящему изобретению имеет, например, в случае вышеописанных вихревых измерительных устройств, среди прочего, также и то преимущество, что они, несмотря на довольно большие разности между диаметром подающего участка присоединенного технологического трубопровода и диаметром измерительной трубки, например, более двух номинальных диаметров, подходят также и для измерения относительно медленно протекающих газов. Это происходит потому, что, по меньшей мере, для измеряемого объема, в частности для профилей потока, которые возмущены во впускной области измерительной системы, может быть получена независимость числа Струхаля по поперечному сечению измерительной трубки.
Изобретение будет теперь разъяснено более подробно на основе чертежей, на которых:
фиг.1 - в перспективе, вид сбоку измерительной системы для среды, протекающей в технологическом трубопроводе;
фиг.2, 3а - измерительный преобразователь, работающий согласно вихревому принципу и подходящий для применения в измерительной системе, показанной на фиг.1;
фиг.4-8 - показанные схематически в поперечном разрезе детали измерительной системы, показанной на фиг.1.
M
Фиг.1 показывает в схематичном виде измерительную систему, которая может, если требуется, быть собрана по модульному принципу. Эта измерительная система подходит для измерения с высокой степенью надежности, по меньшей мере, одного измеряемого переменного параметра, в частности массового расхода m, и/или объемного расхода v, и/или скорости потока u, и/или некоторого другого параметра потока среды, например жидкости, газа, пара и т.п., протекающих в технологическом трубопроводе (не показанном на чертеже), и для преобразования такого переменного параметра в, по меньшей мере, одно соответствующее измеренное значение Х. Для этой цели измерительная система включает в себя, по меньшей мере, одно встроенное в трубопровод измерительное устройство для текущих сред. Измерительное устройство образовано посредством измерительного преобразователя (100), подходящего для заданной цели, а также измерительной электронной аппаратуры, электрически соединяемой с ним, по меньшей мере, время от времени. Таким образом, встроенное в трубопровод измерительное устройство включает в себя измерительный преобразователь (100), через который во время работы протекает среда, а также корпус (200) электронной аппаратуры, в котором размещается измерительная электронная аппаратура. Измерительная электронная аппаратура электрически соединена с измерительным преобразователем (100). Конкретное средство для электрического соединения не рассматривается.
Измерительный преобразователь (100) включает в себя, по меньшей мере, одну измерительную трубку, предназначенную для введения в трассу технологического трубопровода. Технологический трубопровод может быть в форме, например, магистральной трубы. Во время работы измерительной системы обеспечивают протекание среды, по меньшей мере, время от времени через измерительную трубку. Встроенное в трубопровод измерительное устройство предусматривается специально для формирования, по меньшей мере, время от времени, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, зависящего от, по меньшей мере, одного физического параметра, в частности скорости потока, массового расхода m, объемного расхода v, плотности ρ и/или вязкости η среды, присутствующей в измерительной трубке, и поэтому соответствующего измеряемого переменного параметра. В таком случае для генерирования, по меньшей мере, одного измерительного сигнала служит датчик, встроенный в трубопровод измерительного устройства. Датчик расположен на измерительной трубке и/или вблизи от нее и реагирует, по меньшей мере, опосредствованно на изменение, по меньшей мере, одного измеряемого переменного параметра среды так, что влияет на, по меньшей мере, один измерительный сигнал.
M
В предпочтительном варианте реализации изобретения измерительная электронная аппаратура реализована таким образом, что она во время работы измерительной системы может осуществлять обмен данными измерения и/или другими рабочими данными, в частности, по меньшей мере, одним измеренным значением Х, с блоком обработки измеренных значений, вышестоящим по отношению к измерительной системе, в частности с программируемым логическим контроллером (PLC), персональным компьютером и/или рабочей станцией, через систему передачи данных, например полевую шину. Для вышеупомянутого случая, в котором предусматривается подсоединение измерительной системы к полевой шине или другой системе связи, электронная аппаратура измерительного устройства имеет соответствующий интерфейс связи для передачи данных, например для пересылки данных измерения упомянутому программируемому логическому контроллеру или вышестоящей системе управления технологическим процессом. С этой целью также могут быть использованы соответствующим образом установленные стандартные интерфейсы, например, из области технологии измерений и автоматизации. Кроме того, с системой полевой шины может быть также соединен внешний источник энергии или питания, и измерительная система может снабжаться энергией непосредственно через полевую шину.
В примере варианта реализации изобретения, встроенным в трубопровод измерительным устройством служит вихревой расходомер, который, как известно, хорошо подходит для измерения газов и для высокоточной регистрации физического измеряемого переменного параметра, в частности массового расхода m, плотности ρ и/или вязкости η среды, подлежащей измерению. Однако в таком случае могут также использоваться и другие встроенные в трубопровод измерительные устройства, известные в технологии автоматизации технологических процессов, такие как, например, магнитоиндуктивные расходомеры, устройства измерения расхода по перепаду давления, ультразвуковые устройства измерения расхода и т.п.
Общие виды в перспективе, приведенные на фиг.2 и 3, относятся к примеру варианта реализации вихревого измерительного преобразователя, работающего согласно вихревому принципу, и показывают измерительный преобразователь (1) вихревого расходомера, снабженного вихревым датчиком (3), присоединенным к стенке (21) измерительной трубки (2) и выступающим через отверстие (22) в разрезе, в направлении потока (фиг.2) и в направлении, противоположном направлению потока (фиг.3). Он может, например, представлять собой вихревой датчик с динамической компенсацией, оснащенный емкостным чувствительным элементом, таким как описанный в US - А 6003384.
Вдоль диаметра измерительной трубки (2) в ее внутренней части располагается тело (4) обтекания, которое жестко присоединено к измерительной трубке (2) с образованием проиллюстрированного на чертеже первого места (41) прикрепления и невидимого на чертеже второго места (41") прикрепления. Центр отверстия (22) и центр места (41) прикрепления лежат на элементе измерительной трубки (2).
Тело (4) обтекания имеет поверхность (42) соударения, преодолевая сопротивление которой течет во время работы измеряемая среда, например жидкость, газ или пар. В дополнение к этому тело (4) обтекания имеет две боковые поверхности, из которых только одна (передняя) сторона (43) видна на фиг.2 и 3. Поверхность (42) соударения и боковые поверхности образуют две вихреобразующие кромки. На фиг.2 полностью можно видеть только одну (переднюю) вихреобразующую кромку (44), а (задняя) вихреобразующая кромка (45) обозначена, но не показана полностью.
Тело (4) обтекания, показанное на фиг.2 и 3, имеет по существу форму прямого столбика треугольного поперечного сечения. Однако в изобретении также возможно использовать другие обычные формы тела необтекаемой формы.
Поток среды, противодействуя поверхности (42) соударения, образует сзади по ходу потока от тела (4) обтекания известным способом вихревую дорожку Кармана, при этом с каждой вихреобразующей кромки попеременно срываются завихрения и увлекаются или уносятся текущей средой дальше. Эти завихрения порождают локальные изменения давления в текучей среде, и их привязанная ко времени частота срыва, так называемая частота завихрений, является мерой для скорости потока и/или объемного расхода среды.
Изменения давления преобразуются посредством вихревого датчика (3) в сигнал завихрений, служащий в качестве электрического измерительного сигнала, который подается в измерительную электронную аппаратуру (не показана на чертеже), размещенную в корпусе электронной аппаратуры. Измерительная электронная аппаратура вычисляет на его основе, например, скорость потока и/или объемный расход текущей среды.
Вихревой датчик (3) вставлен сзади по ходу потока от тела (4) обтекания в отверстие (22) в стенке (21) измерительной трубки (2) и перекрывает отверстие (22), препятствуя вытеканию среды, для этого вихревой датчик (3) имеет винтовое соединение со стенкой (21). Для этой цели служат, например, четыре винта, винты (5), (6), (7) видны на фиг.2 и 3. Винты ввинчиваются в соответствующие отверстия (50), (60), (70), (80).
Вихревой датчик (3) включает в себя, как это показано на фиг.1 и 2, клиновидную лопатку (31) датчика, которая выступает через отверстие (22) в стенке (21) во внутреннюю часть измерительной трубки (2), и корпусной колпачок (32). Корпусной колпачок (32) заканчивается в удлиненном конце (322), между ними расположена промежуточная часть (323) с более тонкой стенкой, см. упомянутый US - А 6003384.
Лопатка (31) датчика имеет главные поверхности, из которых на фиг.2 и 3 видна только главная поверхность (311). Главные поверхности выровнены с упомянутой образующей измерительной трубки (2) или элементом измерительной трубки и формируют переднюю кромку (313). Лопатка (31) датчика может также иметь и другие подходящие пространственные формы; так, например, она может иметь, например, две параллельные главные поверхности, которые образуют две параллельные передние кромки. Лопатка (31) датчика короче, чем диаметр измерительной трубки (2); она, кроме того, жесткая на изгиб и имеет глухое отверстие (314). Для того чтобы глухое отверстие (314) имело достаточный диаметр, с главных поверхностей выступают участки стенки. Один из этих участков стенки, участок (315) стенки, обозначен на фиг.2. Глухое отверстие (314) доходит до места вблизи передней кромки (313) и имеет там дно.
К вихревому датчику (3) относится также мембрана или диафрагма (33), покрывающая отверстие (22) и имеющая первую поверхность (331), обращенную к среде, и вторую поверхность (332), обращенную в направлении от среды. Лопатка (31) датчика присоединена к поверхности (331), а чувствительный элемент (36) присоединен к поверхности (332). Предпочтительно лопатка (31) датчика, мембрана (33), ее кольцеобразная кромка (333) и часть (361) чувствительного элемента (36), прикрепленного к мембране (33), изготовлены из единого куска материала, например металла, в частности нержавеющей стали. Чувствительный элемент (36) генерирует вышеупомянутый сигнал, частота которого пропорциональна объемному расходу текущей среды.
В измерительной системе согласно изобретению измерительная трубка, в частности прямая измерительная трубка, служащая для переноса измеряемой среды, имеет меньшее пропускное поперечное сечение (А1), чем подающий участок (400) технологического трубопровода, соединенный с впускным концом измерительной системы. По этой причине измерительная система дополнительно включает в себя формирователь (300) потока, расположенный на впускном конце измерительной трубки и служащий связующим звеном между измерительной трубкой и подающим участком. Формирователь (300) потока имеет внутренний канал, через который во время работы протекает среда. Этот внутренний канал сужается в направлении измерительной трубки (2). Впускной конец формирователя потока, обращенный по направлению к подающему участку технологического трубопровода, имеет, в таком случае, пропускное поперечное сечение (а), которое больше, чем пропускное поперечное сечение (А1) измерительной трубки, а выпускной конец формирователя потока, обращенный к измерительной трубке, имеет пропускное поперечное сечение, которое меньше, чем пропускное поперечное сечение впускного конца формирователя потока. Во время операции измерения измеряемая среда вытекает из подающего участка в формирователь потока и вследствие уменьшения пропускного поперечного сечения в направлении продольной оси формирователя потока среда ускоряется.
В случае измерительной системы по изобретению формирователь потока имеет, кроме того, по меньшей мере, одну поверхность (Р) соударения, расположенную спереди по ходу потока от его выпускного конца и выступающую во внутренний канал формирователя потока, в частности поверхность (Р) соударения, простирающуюся по окружности вдоль образующей формирователя потока и/или круговую поверхность (Р) соударения. Поверхность соударения, в таком случае, выполнена и расположена в формирователе потока таким образом, что среда, которая втекает во время операции измерения, течет, преодолевая сопротивление этой поверхности, сначала фактически фронтально. Вследствие резкого или скачкообразного уменьшения пропускного поперечного сечения на поверхности (Р) соударения поступающая среда частично там блокируется. В результате спереди по ходу потока от поверхности (Р) соударения образуется по существу тороидальное, фиксированное по местоположению, по меньшей мере, в установившемся состоянии первое завихрение (w2), размеры которого определяются, с одной стороны, геометрией входа формирователя потока, в частности поверхностью соударения, а с другой стороны, самой текучей средой. С практической точки зрения, таким образом во впускной области формирователя потока завихрение (w2) образует "виртуальное" сопло, которое не только имеет по существу стабильный контур, но также оптимально соответствует фактическому потоку. На среду, продолжающую течь через завихрение (w2), завихрение (w2) оказывает, в целом, стабилизирующее воздействие, поскольку оно по существу равномерно сглаживает резкое сужение поперечного сечения, вызванное сначала поверхностью (Р) соударения, и затем переходами в поперечное сечение с неустойчивым, и еще более сильно ускоренным потоком. В варианте реализации изобретения поверхность (Р) соударения, кроме того, расположена и ориентирована в формирователе потока таким образом, что она, по меньшей мере, секционно простирается по существу перпендикулярно продольной оси формирователя потока и/или что она секционно простирается по существу перпендикулярно продольной оси подающего участка. Таким образом, первое завихрение (w2) в предпочтительном варианте формируется внутри среды, втекающей во впускную область формирователя потока, таким образом, что воображаемая главная ось инерции этого завихрения (w2) по существу совпадает с продольной осью формирователя потока и/или продольной осью подающего участка. Поскольку особенно хорошие результаты, в частности, в том, что касается стабильности местоположения и воспроизводимости завихрения (w2), могут быть достигнуты с хорошо проработанной поверхностью (Р) соударения, она в предпочтительном варианте реализации изобретения имеет высоту (h2) в радиальном направлении, составляющую, по меньшей мере, 1 мм. Поверхность (Р) соударения может быть выполнена, например, по существу плоской, кольцевой или даже конической, так что она сужается по направлению к измерительной трубке и расширяется по направлению к технологическому трубопроводу. В показанном примере варианта реализации изобретения поверхность (Р) соударения, кроме того, расположена поблизости, в частности в непосредственной близости от впускного конца формирователя потока.
В дальнейшем усовершенствовании изобретения формирователь потока имеет в дополнение к вышеупомянутой поверхности (Р) соударения формирующую завихрения внутреннюю кромку (К), расположенную сзади по ходу потока от поверхности (Р) соударения. Для вышеописанного случая, в котором среда протекает через формирователь потока, сзади по ходу потока от внутренней кромки (К) в дополнение к первому завихрению (w2) образуется аналогичное второе завихрение (w1), по существу тороидальное, также по существу фиксированное по местоположению, по меньшей мере, в установившемся состоянии. Для этой цели в дополнительном варианте реализации изобретения внутренняя кромка (К) выполнена и расположена в формирователе потока таким образом, что она ориентирована по существу поперек продольной оси формирователя потока и/или поперек продольной оси измерительной трубки. Кроме того, внутренняя кромка (К) выполнена по окружности, в частности круговым образом, и в результате замыкается.
В показанном здесь примере варианта реализации изобретения в результате расположения поверхности (Р) соударения поблизости, в частности в непосредственной близости от впускного конца формирователя потока, внутренняя кромка (К) также располагается в его впускной области. Поскольку особенно хорошие результаты могут быть достигнуты с хорошо проработанной, довольно острой внутренней кромкой, то в предпочтительном варианте реализации изобретения внутренняя кромка имеет радиус, который меньше чем 2 мм, в частности меньше чем 0,6 мм.
Дополнительное преимущество для дальнейшего улучшения профиля потока может обеспечить выполнение поверхности соударения сферической формы и/или расщепленной, в частности зубчатой и/или волнообразной, кольцевой поверхности и/или придание внутренней кромке зубчатого или расщепленного контура, посредством чего может быть достигнуто еще более усиленное перемешивание текущей на кромку или обтекающей кромку среды и в результате более интенсивное преобразование профиля потока.
Как видно на фиг.4, внутренняя кромка (К), порождающая второе завихрение (w1), образована пересечением поверхности (Р) соударения фактически без переходного участка соответственно, без плавного или непрерывного переходного участка с направляющей поверхностью (L), простирающейся в направлении выпускного конца формирователя потока и служащей для направления среды, протекающей в формирователе потока. Направляющая поверхность (L), в свою очередь, сама ограничена внутренним краем (К). Направляющая поверхность (L), сужающаяся по направлению к измерительной трубке, может, например, как также фактически показано на фиг.4-8, быть выполнена по существу конической, в частности такой, что она является, по меньшей мере, секционно-выпуклой и/или секционно-вогнутой, например, таким образом, имеет по существу S-образный профиль (фиг.7). В показанном примере варианта реализации изобретения поверхность (Р) соударения, а в результате также и внутренняя кромка (К) образуются просто путем поддержания внутреннего диаметра впускного конца формирователя потока меньшим, чем диаметр подающего участка технологического трубопровода.
В другом варианте реализации изобретения внутренняя кромка (К), кроме того, выполнена таким образом, что второе завихрение (w1) в среде, обтекающей эту кромку, образуется таким образом, что воображаемая главная ось инерции завихрения (w1) по существу совпадает с продольной осью формирователя потока и/или продольной осью измерительной трубки. На среду, обтекающую завихрение (w1), оно оказывает действие, как дополнительно сужающее поперечное сечение, так и обеспечивающее промежуточный слой в направлении направляющей поверхности (L), и в результате стабилизирует профиль потока.
Для показанного случая, когда во впускной области формирователя потока вызывают формирование, по меньшей мере, одного другого по существу стационарного фиксированного по местоположению тороидального завихрения, это в результате дает в дополнение к плавному уменьшению поперечного сечения, порождаемому первым завихрением (w2), дополнительное, также устойчивое сужение поперечного сечения и в результате еще большее ускорение среды, протекающей через тороидальные завихрения, расположенные во впускной области, что сопровождается увеличением числа Рейнольдса. В показанной конфигурации измерительной системы внутренний канал формирователя потока определяется конусом, он является по существу осесимметричным относительно продольной оси, и продольные оси подающего участка и формирователя потока по существу совпадают друг с другом. Эти два завихрения (w2), (w1) образуются таким образом, что воображаемые главные оси инерции каждого из этих двух завихрений (w1), (w2) по существу совпадают друг с другом. Это приводит, в свою очередь, к тому, что сопло, образованное таким образом во впускной области, является по существу осесимметричным по отношению к продольной оси формирователя потока, что предпочтительно. Это имеет, среди прочего, то преимущество, что профиль потока, образованный посредством такого сопла, аналогичным образом является по существу осесимметричным. Таким образом, имеется возможность достигнуть того, что, в частности, в прикрепленной измерительной трубке число Струхаля поддерживается по существу постоянным по поперечному сечению трубки. С этим связано то, что, с одной стороны, условия потока в подлежащей измерению среде могут поддерживаться стабильными в широком диапазоне вариантов применения и таким образом поддерживаться хорошо воспроизводимыми или предсказуемыми. С другой стороны, для многих вариантов применения с возмущенным профилем потока на входе можно перейти на основе поддерживаемого числа Струхаля к хорошему приближению, постоянному для широкого диапазона вариантов применения или изменяющемуся только известным образом как функция числа Рейнольдса.
Другие предпочтительные варианты реализации изобретения и его специальные усовершенствования, в частности размеры, признанные предпочтительными для индивидуальных элементов формирователя потока по изобретению, представлены в нижеследующих таблицах 1, 2, а также в прилагаемой формуле изобретения, при этом нижеследующие обозначения означают:
A1 - пропускное поперечное сечение измерительной трубки;
А2 - пропускное поперечное сечение подающего участка технологического трубопровода;
А2/А1 - отношение площадей поперечных сечений пропускного поперечного сечения (А2) подающего участка технологического трубопровода к пропускному поперечному сечению (A1) измерительной трубки;
а - поперечное сечение внутреннего канала формирователя потока, ограниченное внутренней кромкой (К);
а/А1 - степень сужения поперечного сечения (а), ограниченного внутренней кромкой, по отношению к поперечному сечению (A1) измерительной трубки;
А2/А1 - а/А1 - разность между отношением (А2/А1) площадей поперечных сечений и степенью (а/А1) сужения;
а/А2 - степень сужения поперечного сечения, ограниченного внутренней кромкой, по отношению к пропускному поперечному сечению (А2) подающего участка технологического трубопровода;
А2/А1 - а/А2 - разность между отношением (А2/А1) площадей поперечных сечений и степенью (а/А2) сужения;
D1 - диаметр измерительной трубки;
D2 - диаметр подающего участка технологического трубопровода, соединенного с входом измерительной системы;
D2/D1 - отношение диаметра (D2) подающего участка технологического трубопровода к диаметру (D1) измерительной трубки;
d - диаметр поперечного сечения внутреннего канала формирователя потока, ограниченного внутренней кромкой (К);
L1 - монтажная длина измерительной трубки;
L2 - монтажная длина формирователя потока;
Lm - расстояние, отделяющее чувствительный элемент от впускного конца измерительной трубки;
α - угол наклона боковой поверхности внутреннего конуса, образующего поверхность соударения формирователя потока (α=90°-α); и
β - угол наклона боковой поверхности внутреннего конуса, образующего направляющую поверхность формирователя потока.