НЕИНВАЗИВНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА
NON-INVASIVE SENSOR FOR VORTEX FLOW METER

Уровень техники
[0001] Вихревые расходомеры используются в области управления промышленным процессом для измерения расхода текучей среды. Вихревые расходомеры типично вставляются в проточную трубу или трубопровод, который несет текучую среду, которая должна быть измерена. Промышленные применения включают в себя нефтепродукты, химическую, целлюлозно-бумажную, горнодобывающую и сырьевую, нефтегазовую промышленность, например.
[0002] Принцип работы вихревого расходомера основывается на явлении вихреобразования, известного как эффект вон Кармана. Когда текучая среда проходит отбрасывающую преграду или "плохообтекаемое тело", она разделяется и формирует небольшие вихри или завихрения, которые распространяются поочередно вдоль и за каждую сторону плохообтекаемого тела. Эти завихрения вызывают области колебания потока и давления, которые обнаруживаются датчиком. Всевозможные различные типы датчиков в настоящее время используются для обнаружения таких завихрений, включающие в себя датчики усилия, пьезоэлектрические датчики динамического давления или датчики дифференциального давления, например. Частота вихреобразования является фактически пропорциональной скорости текучей среды.
[0003] Датчики завихрений, используемые в настоящий момент для обнаружения завихрений в вихревых расходомерах, как правило, являются относительно сложными и дорогостоящими. Дополнительно, такие датчики требуют дополнительных крепежей и надежного уплотнения, поскольку датчик или некоторая другая подходящая конструкция должен быть вставлен в проточную трубу для того, чтобы взаимодействовать с завихрениями для обнаружения. Соответственно, технологическая текучая среда приводится в непосредственное соприкосновение с такой конструкцией, и само проникновение в процесс должно быть тщательно уплотнено, чтобы гарантировать, что технологическая текучая среда не утекает.
Сущность изобретения
[0004] Вихревой расходомер включает в себя проточную трубу, сконфигурированную, чтобы принимать поток технологической текучей среды в первом направлении. Плохообтекаемое тело размещается в проточной трубе между первым концом и вторым концом. Плохообтекаемое тело конфигурируется, чтобы формировать завихрения в потоке технологической текучей среды. Множество датчиков размещается в плохообтекаемом теле, сконфигурированных, чтобы обнаруживать деформации в плохообтекаемом теле, получающиеся в результате завихрений, действующих на плохообтекаемое тело.
Краткое описание чертежей
[0005] Фиг. 1 является схематичным видом расходомера в соответствии с предшествующим уровнем техники.
[0006] Фиг. 2A-2C являются схематичными видами вихревого расходомера с датчиками, расположенными в плохообтекаемом теле в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0007] Фиг. 3A-3C являются схематичными видами вихревого расходомера с датчиками, соединенными с электронной аппаратурой расходомера в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
[0008] Фиг. 4 является схематичным видом датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0009] Фиг. 5 является схематичным видом плохообтекаемого тела с множеством датчиков в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0010] Фиг. 6A и 6B являются сигнальными графами вихревого расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0011] Фиг. 7A и 7B являются аналогичным набором графов, что и на фиг. 6A и 6B, для более низкого расхода текучей среды.
[0012] Фиг. 8A показывает показатель результата испытания частоты завихрений и вычисления частоты завихрения.
[0013] Фиг. 8B показывает график частоты завихрений в зависимости от расхода.
[0014] Фиг. 9 является блок-схемой последовательности операций способа формирования выходной скорости расхода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
[0015] Фиг. 1 является схематичным видом расходомера в соответствии с предшествующим уровнем техники. Расходомер 100 включает в себя проточную трубу 102, отбрасывающую преграду 118, измерительное устройство 126, соединенное с датчиком 128, электронную аппаратуру 130 в корпусе 132 и выводные провода 148. В эксплуатации расходомер 100 принимает текучую среду и конфигурируется, чтобы вычислять расход текучей жидкости на основе сформировавшихся завихрений.
[0016] Например, проточная труба 102 присоединяется к паре фланцев, которые предоставляют возможность установки расходомера 100 на соответствующие фланцы на трубе. Каждый из фланцев может включать в себя монтажные отверстия (иллюстрированы пунктиром), которые предоставляют возможность установки каждого фланца на соответствующий фланец трубы. После установки расходомер 100 принимает поток текучей среды из трубы, которая может включать в себя жидкость, газ или их сочетание (такое как насыщенный пар).
[0017] Когда текучая среда протекает через проточную трубу 102, она контактирует с отбрасывающей преградой 118, протягивающейся от верхнего фрагмента проточной трубы 102 к нижнему ее фрагменту. Типично, отбрасывающая преграда 118 позиционируется в центре проточной трубы 102. Дополнительно, если проточная труба 102 рассматривалась вдоль своей оси, отбрасывающая преграда 118 будет типично расположена в центре проточной трубы 102 протягивающейся от центра самого верхнего фрагмента проточной трубы 102 до центра самого нижнего фрагмента проточной трубы 102. Однако, расходомеры могут быть осуществлены на практике с отбрасывающими преградами, которые позиционируются в других ориентациях, а также с отбрасывающими преградами, которые не полностью охватывают весь внутренний диаметр проточной трубы.
[0018] В любом случае, когда текучая среда протекает мимо отбрасывающей преграды 118, завихрения формируются в потоке текучей среды, в целом, называемые вихрями Картмана. В целом, вихри Картмана возникают вследствие того, что отбрасывающая преграда 118 замедляет поток текучей среды, приводя к пониженному давлению, предоставляющему возможность периодических пульсаций давления (вихри Картмана) в потоке текучей среды. Вихри Картмана затем формируются на различных сторонах отбрасывающей преграды 118, и результирующее давление вихрей Картмана поочередно контактирует с противоположными сторонами отбрасывающей преграды 118. Дополнительно, после формирования, вихри контактируют с измерительным устройством 126, вызывая едва уловимые перемещения и вибрации в устройстве 126.
[0019] Эти перемещения устройства 126 могут быть преобразованы или иначе обнаружены датчиком 128, который электрически соединяется с электронной аппаратурой 120 в корпусе 132. Сформированные сигналы датчика, от датчика 128, могут затем быть предоставлены электронной аппаратуре 130 и использованы для установления расхода текучей среды. Вычисленный расход может затем быть предоставлен через выводные провода 148 другому подходящему устройству, такому как контроллер процесса или контроллер клапана. В результате, расходомер будет типично содержать узел проточной трубы и узел электронной аппаратуры, которые, когда объединены, могут называться датчиком расхода.
[0020] Как может быть видно на фиг. 1, предыдущие конструкции расходомера, как правило, включают в себя измерительное устройство 126, размещенное в проточной трубе 102 рядом с отбрасывающей преградой 118 для того, чтобы обнаруживать или иначе воспринимать вихри Картмана. Однако, вследствие включения в состав измерительного устройства 126, расходомер 100 должен быть тщательно изолирован, так что текучая среда не утекает из расходомера 100. Дополнительно, в этой конфигурации, принятый поток жидкости взаимодействует непосредственно с измерительным устройством 126, что, со временем, может вести к повреждению или износу измерительного устройства 126.
[0021] Варианты осуществления настоящего изобретения, в целом, устраняют измерительное устройство 126 и встроенные датчики, в плохообтекаемом теле, сконфигурированные, чтобы обнаруживать давление на сторонах плохообтекаемого тела, получающееся в результате сформировавшихся завихрений, как будет обсуждаться дополнительно на фиг. 2.
[0022] После формирования чередующиеся пульсации давления (вихри Картмана) действуют на различные стороны плохообтекаемого тела, вызывая деформацию в плохообтекаемом теле, которая переносится на датчики. Эта деформация может, в свою очередь, быть обнаружена посредством датчиков и предоставлена как электрические сигналы измерительной схеме в вихревом расходомере и использована для определения расхода текучей среды. Дополнительно, в этой конфигурации, поскольку датчики находятся внутри плохообтекаемого тела, вихревой расходомер может измерять расход жидкости с высоким давлением жидкости и/или в среде с высоким уровнем вибрации, поскольку не существует отделяющих мембран и прокладок.
[0023] Фиг. 2A-2C являются схематичными видами вихревого расходомера с датчиками, расположенными в плохообтекаемом теле в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Как иллюстративно показано на фиг. 2A, вихревой расходомер 200 иллюстративно включает в себя проточную трубу 208 с фланцами 214, электронную аппаратуру 202 расходомера в корпусе 206, провода 204 и датчик 216, размещенный внутри плохообтекаемого тела 210. В одном примере датчик 216 герметизируется посредством уплотнительного материала 220 в отверстии 218 плохообтекаемого тела 210, как иллюстративно показано на фиг. 2B. Уплотнительный материал 220 может включать в себя эпоксидное соединение, стекло, цемент или любой материал, который является электрическим изолятором с химической устойчивостью и высокой текучестью. В то время как датчик 216 иллюстративно существует в форме пьезоэлектрического кабеля, следует понимать, что другие датчики могут быть использованы для обнаружения деформаций в плохообтекаемом теле 210.
[0024] В эксплуатации проточная труба 208 соединяется с трубой через фланцы 214 и принимает поток технологической текучей среды, в целом, в направлении стрелки 212. Обращаясь теперь к фиг. 2C, после того как поток технологической текучей среды достигает плохообтекаемого тела 210, вихри 222 Картмана формируются с противоположных сторон 224 и 226 плохообтекаемого тела 210, и, в эксплуатации, давление завихрений 222 поочередно ударяет стороны 224 и 226 плохообтекаемого тела 210, ведя к деформациям в плохообтекаемом теле 210. Частота завихрений 222 зависит линейно от скорости потока. Следовательно, на основе частоты завихрений 222, действующих на чередующиеся стороны 224 и 226 плохообтекаемого тела 210, скорость потока может быть вычислена с помощью электронной аппаратуры 202 расходомера. Дополнительно, амплитуда завихрений 222 зависит от плотности текучей среды и ассоциируется со скоростью потока.
[0025] В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения датчики 216 и 228, размещенные в плохообтекаемом теле 210, соединяются параллельно парами для каждой стороны 224 и 226 плохообтекаемого тела 210, в одном варианте осуществления, и могут обнаруживать деформации плохообтекаемого тела 210, получающиеся в результате давления завихрений 222, альтернативно контактирующие со сторонами 224 и 226 плохообтекаемого тела 210. В этой конфигурации частота деформаций в плохообтекаемом теле 210, соответствующая частоте завихрений 222, поочередно контактирующих со сторонами 224 и 226 плохообтекаемого тела 210, может быть использована для вычисления расхода для потока технологической текучей среды.
[0026] Например, сигналы датчика, сформированные от датчиков 216 и 228, в плохообтекаемом теле 210, могут быть предоставлены электронной аппаратуре 202 расходомера и использованы для определения расхода, как будет обсуждено на фиг. 3A-3C. Электронная аппаратура 202 расходомера может выполнять частотный анализ принятых сигналов, чтобы обнаруживать частоту, с которой давление завихрений 222 действует на плохообтекаемое тело 210. В одном примере частотный анализ может включать в себя быстрое преобразование Фурье (FFT). На основе частоты пульсаций 222 давления, действующих на плохообтекаемое тело 210, ведущих к деформациям в плохообтекаемом теле 210, расход может быть вычислен для потока технологической текучей среды, и, впоследствии, сообщен через выводы 204 другому устройству, такому как контроллер процесса.
[0027] Фиг. 3A-3C являются схематичными видами вихревого расходомера с датчиками, соединенными с электронной аппаратурой расходомера в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Как иллюстративно показано на фиг. 3A, вихревой расходомер 200 является аналогичным вихревому расходомеру на фиг. 2A и, по существу, включает в себя компоненты, пронумерованные аналогично. Однако, как иллюстративно показано на фиг. 3A, электронная аппаратура 202 расходомера включает в себя измерительную схему 302, соединенную с датчиком 216, контроллер 304, схему 306 связи и модуль 308 питания.
[0028] Обращаясь к фиг. 3B, измерительная схема 302, иллюстративно включает в себя один или более усилителей 310 и 316, сконфигурированных, чтобы усиливать сигналы, принятые от датчиков 216 и 228, соответственно, сумматор 314 сигналов и инвертор 314. Однако, предполагается, что измерительная схема 302 может иметь также дополнительное или меньшее количество компонентов. Усилители 310 и 316 могут включать в себя дифференциальные усилители заряда или напряжения. В одном примере сигнал датчика формируется датчиком 216 и принимается усилителем 310 и, после усиления, выводится в сумматор 314 сигналов в измерительной схеме 302. Дополнительно, в этом примере, сигнал датчика, сформированный датчиком 228, принимается усилителем 316 и инвертором 312, соответственно. Выходной сигнал из инвертора 312 может быть предоставлен сумматору 314 сигналов, который, при приеме обоих выходных сигналов, объединяет принятые выходные сигналы и затем предоставляет выходной сигнал сумматора контроллеру 304. Дополнительно, явно предполагается, что любое число датчиков может быть использовано, как будет обсуждено позже относительно фиг. 5. Различные датчики могут быть использованы и соединены параллельно, как иллюстративно показано на фиг. 3B. В этом примере датчик 216 соединяется параллельно с датчиком 318, и датчик 228 соединяется параллельно с датчиком 320. Кроме того, измерительная схема 302 может также включать в себя любые подходящие аналого-цифровые преобразователи.
[0029] Контроллер 304, в одном примере, включает в себя микропроцессор, который конфигурируется, посредством аппаратных средств, программного обеспечения, или их сочетания, чтобы анализировать сигналы, предоставляемые измерительной схемой 302, и формировать расход технологической текучей среды на основе принятых сигналов. Как изложено выше, контроллер 304 может выполнять быстрое преобразование Фурье для сигналов для того, чтобы идентифицировать частоту деформации, соответствующую частоте завихрений. Дополнительно, в других примерах, контроллер 304 может также идентифицировать частоты других искажений, которые могут вызывать шум или погрешность. После вычисления расхода текучей среды контроллер 304 может предоставлять расход текучей среды через контур или сегмент связи процесса.

[0030] Например, контроллер 304 соединяется со схемой 306 связи, которая может взаимодействовать с контуром или сегментом связи процесса с помощью любого подходящего протокола связи процесса, такого как магистральный адресуемый дистанционный преобразователь (HART), FOUDATION™ Fieldbus или другие. Дополнительно, в вариантах осуществления, где вихревой расходомер связывается беспроводным образом, схема 306 связи может поддерживать протокол беспроводной связи процесса, такой как протокол в соответствии с IEC 62591 (WirelessHART).
[0031] Электронная аппаратура 202 расходомера также включает в себя модуль 308 питания, который обеспечивает подходящее электропитание какого-либо или всех компонентов электронной аппаратуры 202. Дополнительно, в вариантах осуществления, где вихревой расходомер 200 соединяется с контуром или сегментом проводной связи процесса через провода 204, модуль 308 питания может принимать и подходящим образом приспосабливать электропитание от контура проводной связи процесса для того, чтобы предоставлять рабочую мощность компонентам электронной аппаратуры 202 расходомера. Соответственно, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут целиком снабжаться питанием посредством контура или сегмента связи процесса, с которым они соединяются. В других вариантах осуществления, когда вихревой расходомер 200 не соединяется с контуром или сегментом проводной связи процесса, модуль 308 питания может включать в себя подходящий аккумулятор или источник энергии, чтобы предоставлять электропитание электронной аппаратуре 202 расходомера в течение надлежащего периода времени.
[0032] Фиг. 4 является схематичным видом датчика в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как иллюстративно показано, датчик 216 включает в себя пьезоэлектрический кабель, который включает в себя полиэтиленовую внешнюю оболочку 402, медную оплетку 404 (внешний электрод), поливинилиденфторидную (PVDF) пленочную пьезоленту 406 и стандартный центральный сердечник 408 (внутренний электрод). В одном примере датчик 216 может включать в себя пьезо-сополимерный коаксиальный кабель, поставляемый компанией Measurement Specialties, Inc., a TE Connectivity Company. В одном примере датчик 216 имеет внешний диаметр 2,69 мм, емкость при частоте 1 кГц 950 пФ/м, вес 14,5 кг/км, сопротивление экрана (DC) 47 Ом/км, тангенс дельта (коэффициент потерь) 0,016 при 1 кГц (1м), гидростатический пьезокоэффициент (dh) 20 пС/Н и сопротивление центрального сердечника (DC) 31 Ом/км. В эксплуатации PVDF пленочная пьезолента 406 конфигурируется, чтобы деформироваться в ответ на деформацию плохообтекаемого тела 210 и, в результате, формировать электрический сигнал для измерительной схемы 302, указывающий деформацию. В динамике по времени, принятые электрические сигналы могут указывать частоту формируемых завихрений, действующих на плохообтекаемое тело 210, которая соответствует линейно расходу. По существу, расход может быть вычислен для потока технологической текучей среды в вихревом расходомере 200 на основе определенной частоты.
[0033] Фиг. 5 является схематичным видом плохообтекаемого тела с множеством датчиков в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как иллюстративно показано, датчики 216, 228, 318 и 320 располагаются в отверстиях 218 плохообтекаемого тела 210. В результате, взаимодействия между завихрениями 222 и сторонами 224 и 226 плохообтекаемого тела 210 могут тщательно наблюдаться. Дополнительно, предполагается, что плохообтекаемое тело 210 может объединять широкое множество различных форм и размеров, в которых варианты осуществления настоящего изобретения могут быть использованы.
[0034] Фиг. 6A и 6B являются сигнальными графами вихревого расходомера в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Сигналы датчиков были получены для датчиков 216, в которых скорость потока 25,4 фут/с была использована через вихревую проточную трубу 200. Как иллюстративно показано на фиг. 6A, выходные напряжения для датчиков 216 (y-ось) были измерены с помощью цифрового осциллографа в течение 0,20 секундного временного отрезка (x-ось). Дополнительно, сигналы 602 датчика, сформированные от первого датчика, были нанесены на график наряду с сигналами 604 датчика, сформированными от второго датчика. На основе принятых выходных напряжений от датчиков 216 частота завихрений была определена с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT). Как показано на фиг. 6B. для сигналов 602 датчика, принятых от первого датчика, частотный пик, соответствующий частоте завихрений, показан равным 105,6 Гц.
[0035] Фиг. 7A и 7B являются аналогичным набором графов, что и на фиг. 6A и 6B, для более низкого расхода текучей среды. Для испытания, проведенного на фиг. 7A и 7B, скорость потока 20,0 фут/с была использована через вихревую проточную трубу 200. Аналогично, сигналы 702 датчика были приняты от первого датчика и нанесены на график наряду с сигналами 704 датчика, принятыми от второго датчика в течение 0,20 секунд. На основе принятых сигналов, частотный пик, соответствующий частоте завихрения, показан равным 82,4 Гц.
[0036] Фиг. 8A показывает показатель результата испытания частоты завихрений и вычисления частоты завихрения. Как иллюстративно показано, испытания были проведены с помощью множества скоростей потока через вихревую проточную трубу 200. Они включают в себя 25,4 фут/с (как иллюстративно показано на фиг. 6A и 6B), 20,0 фут/с (как иллюстративно показано на фиг. 7A и 7B), 14,5 фут/с, 9,1 фут/с и 5,4 фут/с. Для каждой скорости потока сигналы датчика были собраны и использованы для определения частоты завихрения. Как показано, частота завихрения 105,6 Гц, 82,40 Гц, 60,60 Гц, 38,09 Гц и 22,46 Гц была вычислена для каждой скорости потока, соответственно.
[0037] Эти частоты были затем сравнены и нанесены на график относительно частот завихрения, определенных с помощью измерительного устройства 126 расходомера 100, показанного на фиг. 1. Это иллюстрируется на фиг. 8B. Как показано, частоты завихрений были аналогичными для датчиков 216 в плохообтекаемом теле 210 по сравнению с частотами, полученными от внешнего измерительного устройства 126 на фиг. 1. Следовательно, посредством удаления внешнего измерительного устройства 126, имелась возможность получить точные измерения, в которых риск утечки текучей среды был устранен, и имелась возможность использования расхода с высоким давлением жидкости. Дополнительно, поскольку датчики 216 находятся внутри плохообтекаемого тела 210, вихревой расходомер 200 может быть использован в среде, в которой существует высокий уровень вибрации, поскольку не существует отделяющих мембран и прокладок.
[0038] Фиг. 9 является блок-схемой последовательности операций способа формирования выходной скорости расхода в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В то время как способ 900 включает в себя пьезоэлектрические кабели в качестве датчиков, следует понимать, что другие датчики могут быть использованы для обнаружения частоты завихрений, взаимодействующих с плохообтекаемым телом. Способ 900 начинается в блоке 902, когда пьезоэлектрические кабели предусматриваются внутри плохообтекаемого тела. В то время как любое число пьезоэлектрических кабелей может быть использовано, предполагается, что, в предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, количества кабелей, кратные двум, используются для того, чтобы обнаруживать взаимодействие между сформировавшимися завихрениями и соответствующей стороной плохообтекаемого тела. Дополнительно, пьезоэлектрические кабели могут быть герметизированы эпоксидной смолой, как указано посредством блока 904, внутри плохообтекаемого тела, или любым другим материалом, как указано посредством блока 906.
[0039] Способ 900 затем возвращается к блоку 908, когда плохообтекаемое тело с пьезоэлектрическими кабелями предоставляется внутри проточной трубы. После предоставления плохообтекаемого тела в проточной трубе способ 900 переходит к блоку 910, когда поток технологической текучей среды обеспечивается через проточную трубу. Когда технологическая текучая среда протекает через проточную трубу, плохообтекаемое тело создает вихри Картмана, которые взаимодействуют, и впоследствии вызывают, деформации в плохообтекаемом теле. Эти деформации затем обнаруживаются посредством пьезоэлектрических кабелей, как указано посредством блока 912. На основе обнаруженных деформаций частота завихрений определяется, как указано посредством блока 914. В одном примере частота завихрений может быть определена с помощью быстрого преобразования Фурье, однако, другие способы также рассматриваются.
[0040] После определения частоты завихрений расход может быть вычислен, и выведен, как указано посредством блока 916. В одном примере контроллер может принимать частоту завихрений и вычислять расход текучей среды на основе линейного соотношения между частотой завихрений и расходом. Расход может затем быть предоставлен другому устройству или сообщен через контур связи процесса.
[0041] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники признают, что изменения могут быть сделаны в форме и деталях без отступления от духа и области применения изобретения. Например, в то время как варианты осуществления настоящего изобретения, в целом, были описаны относительно пьезоэлектрических кабельных датчиков, такие датчики являются просто примерами датчиков с подходящими возможностями измерения, чтобы внешним образом обнаруживать удар завихрений по проточной трубе. Таким образом, другие типы датчиков, либо известные в настоящий момент, либо разработанные позже, могут быть приспособлены для использования в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.