專(zhuān)利名稱(chēng)：利用流體加速測(cè)量流體特性的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流動(dòng)流體測(cè)量設(shè)備和方法，更具體地，本發(fā)明涉及流體流動(dòng)加速和壓力測(cè)量設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
在此以前已經(jīng)提出和/或使用各種質(zhì)量流量計(jì)，這些質(zhì)量流量計(jì)利用流體流動(dòng)速度加速和各種測(cè)量和感測(cè)設(shè)備來(lái)測(cè)量差壓(例如，見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利3,374,673、3,774,645、5,861,561、6,247,495、5,333,496、1,550,124、以及790，888)。此種設(shè)備此前只用于旁通型差壓測(cè)量計(jì)，并且此前沒(méi)有人提出或?qū)⒋朔N設(shè)備用于與均速皮托管(averaging pitot)型壓差測(cè)量探針(例如在美國(guó)專(zhuān)利5,036,711和6,321,166中所說(shuō)明的)組合。
為了最佳地使用，流量計(jì)應(yīng)該可以有效地用于大范圍的流體(氣體、液體和蒸氣)和流動(dòng)速度。流體的速度和操作范圍由用戶(hù)的測(cè)量需要決定。通常所需要的量程(turndown)和精度超出了大多數(shù)流量計(jì)的規(guī)格。這是常見(jiàn)的，例如，在為鍋爐提供燃料的系統(tǒng)中，在夏季需要低的流速而在冬季需要高的流速。通常需要昂貴的旁通管道系統(tǒng)和不同操作范圍的多重流量計(jì)。在其它的應(yīng)用中，沒(méi)有足夠的流體速度來(lái)產(chǎn)生所需量程或精確測(cè)量輸出信號(hào)。
在此之前已知的流動(dòng)測(cè)量設(shè)備，不論是包括還是不包括加速，通常具有受限的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍(流動(dòng)量程在6∶1的范圍內(nèi))，并且在測(cè)量之前需要長(zhǎng)的直流動(dòng)導(dǎo)管。在利用文氏管型流體流動(dòng)速度加速的已知系統(tǒng)中，與文氏管相關(guān)的流動(dòng)測(cè)量?jī)x器經(jīng)常位于其嘴部處或非?？拷觳?，導(dǎo)致流動(dòng)測(cè)量誤差大于所需誤差，這至少部分是由于流動(dòng)系數(shù)隨著流動(dòng)速度和/或雷諾數(shù)變化。需要在測(cè)量精度和效用(量程比)兩方面對(duì)所述裝置和方法進(jìn)行改進(jìn)。
另外，盡管至今已知的流量計(jì)提供測(cè)量?jī)x器插入和拔出能力同時(shí)維持壓力，盡管分離管內(nèi)的上游流動(dòng)調(diào)直器以調(diào)節(jié)流動(dòng)是已知的，至今還沒(méi)有在流動(dòng)的調(diào)節(jié)區(qū)域同時(shí)調(diào)節(jié)流體速度分布(velocity profile)和壓力感測(cè)的裝置或設(shè)備。至今已知的流量計(jì)需要長(zhǎng)的、直的上游導(dǎo)管，因而依賴(lài)于系統(tǒng)上游管道系統(tǒng)的構(gòu)造，來(lái)穩(wěn)定和校正速度分布?？梢岳靡环N裝置改善這些缺點(diǎn)，特別是這種裝置和均速皮托管型探頭一起使用，該裝置可以包括整體式的插入/拔出能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于利用流體加速來(lái)進(jìn)行流體特性測(cè)量的裝置和方法。所述裝置和方法提供大大提高的精度和效用(量程)。所述裝置包括在特性測(cè)量前提供一個(gè)調(diào)整距離的流體流動(dòng)加速器和調(diào)節(jié)器，籍此所述流體加速(在大多數(shù)情況下，超過(guò)兩倍的管線(xiàn)速度)、穩(wěn)定、并且其速度分布線(xiàn)性化。所述裝置是高度精確的(達(dá)到大約1.0％)和可重復(fù)的(達(dá)到大約0.1％)、不需要校準(zhǔn)，其量程達(dá)到和超過(guò)50∶1，并且具有低的信噪比。所述裝置在該裝置之前幾乎不需要用于精確讀數(shù)的直管流動(dòng)(將此前所知的直管流動(dòng)距離需求減小80％)，并且使用時(shí)的壓力損失很低。所述裝置特別適用于提供的流體速度不足產(chǎn)生可讀取信號(hào)的場(chǎng)合。
本發(fā)明所述裝置的流動(dòng)加速器和調(diào)節(jié)器可連接在承載流體的導(dǎo)管內(nèi)，并且具有一個(gè)用于通過(guò)限制來(lái)自導(dǎo)管的流動(dòng)而使經(jīng)過(guò)所述裝置的流體加速流動(dòng)的收縮入口。一個(gè)橫截面基本上恒定且從所述入口向下游延伸的線(xiàn)性部分，該線(xiàn)性部分具有一個(gè)從所述入口間隔開(kāi)一個(gè)足夠距離的開(kāi)口，該距離選擇成允許所述流體的流動(dòng)在所述線(xiàn)性部分內(nèi)經(jīng)過(guò)所述開(kāi)口之前得以穩(wěn)定和線(xiàn)性化。一個(gè)測(cè)量?jī)x器的一部分穿過(guò)所述開(kāi)口并伸入所述流動(dòng)加速器和調(diào)節(jié)器的線(xiàn)性部分內(nèi)。
所述測(cè)量單元優(yōu)選地包括一個(gè)單接頭流體流動(dòng)測(cè)量單元(例如一個(gè)均速皮托管)，其性能由本發(fā)明的裝置大大提高。所述線(xiàn)性導(dǎo)管部分具有基本上恒定的直徑，該恒定的直徑小于導(dǎo)管的直徑。在安裝時(shí)在測(cè)量單元的周?chē)乃鍪湛s入口和線(xiàn)性導(dǎo)管部分處建立對(duì)流體流動(dòng)的第一和第二選定限制，入口的尺寸和所述線(xiàn)性部分的恒定直徑選定成使得流動(dòng)限制得以協(xié)調(diào)，籍此有助于調(diào)節(jié)流體流動(dòng)并提高測(cè)量精度，同時(shí)仍然允許足夠的通流。提供裝置用于接納和固定測(cè)量?jī)x器鄰近線(xiàn)性導(dǎo)管部分的開(kāi)口的那部分。
本發(fā)明的所述裝置優(yōu)選地用于使得可以在一根導(dǎo)管內(nèi)對(duì)流動(dòng)流體進(jìn)行壓力測(cè)量。所述裝置的流動(dòng)調(diào)節(jié)器部在一端與所述裝置的加速器部的較小直徑相配合并且具有一個(gè)出口端。始于所述開(kāi)口的上游線(xiàn)性長(zhǎng)度選定成使得在流體經(jīng)過(guò)所述加速器部之后并在所述開(kāi)口之前所述流體的內(nèi)能、靜壓力以及速度矢量能夠穩(wěn)定并線(xiàn)性化。所述測(cè)量單元具有可定位在流經(jīng)所述流動(dòng)調(diào)節(jié)器部的流體內(nèi)用于測(cè)量該處壓力的端口，位于所述流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的那部分代表一個(gè)堵塞區(qū)域。所述較小直徑、所述在較小直徑和開(kāi)口之間的直線(xiàn)長(zhǎng)度、和所述堵塞區(qū)域選定成使得所述裝置的工作范圍可以達(dá)到至少大約25∶1的流動(dòng)測(cè)量量程，且其流動(dòng)系數(shù)恒定、獨(dú)立于流體流動(dòng)速度或雷諾數(shù)。
本發(fā)明的方法包括以下步驟增大流體流經(jīng)導(dǎo)管的速度；然后調(diào)節(jié)流體的流動(dòng)使得所述流體的內(nèi)能、靜壓力和速度矢量穩(wěn)定和線(xiàn)性化。在所述速度增加以及流動(dòng)調(diào)節(jié)后的流體中進(jìn)行感測(cè)以測(cè)量所需要的特性，所述特性測(cè)量的工作范圍可以達(dá)到至少大約25∶1的量程，且其流動(dòng)系數(shù)恒定、獨(dú)立于流體流動(dòng)速度或雷諾數(shù)。
因此本發(fā)明的目的是提供用于使得可以使用流體加速進(jìn)行流體特性測(cè)量的裝置和方法，所述裝置和方法提供大大提高的精度和效用(量程)，籍此使流體加速和穩(wěn)定，并且使得流體的速度分布在測(cè)量之前線(xiàn)性化，和/或所提供的裝置是高度精確的和可重復(fù)的，不需要進(jìn)行校準(zhǔn)，量程達(dá)到和超過(guò)大約25∶1，并且具有低的信噪比。本發(fā)明的進(jìn)一步的目的在于在所述裝置和方法中在導(dǎo)管內(nèi)測(cè)量選定的流體流動(dòng)特性并且能夠產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立于流動(dòng)速度和雷諾數(shù)、基本上恒定的流動(dòng)系數(shù)，和/或使得在一根導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)行的流動(dòng)流體壓力感測(cè)包括在流動(dòng)流體的調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)同時(shí)進(jìn)行流體速度分布調(diào)節(jié)和壓力感測(cè)。
對(duì)于所考慮的這些和其它目的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過(guò)后續(xù)的描述將逐漸明了，本發(fā)明在于部件的新穎構(gòu)造、組合以及設(shè)置以及基本上如下文所描述的方法，并且由所附權(quán)利要求更具體地確定的，可以理解對(duì)在此公開(kāi)的精確具體實(shí)施例進(jìn)行的改變包括在所述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。


附圖示出一個(gè)根據(jù)至此為止所述原理的實(shí)際應(yīng)用的最佳模式的本發(fā)明完整實(shí)施例，在所述附圖中圖1是一個(gè)示出本發(fā)明裝置的部分剖視圖；圖2是一個(gè)沿圖1的剖切線(xiàn)2-2剖切的部分剖視圖；圖3是一個(gè)示出本發(fā)明裝置性能的曲線(xiàn)圖；圖4另一個(gè)示出本發(fā)明裝置性能的曲線(xiàn)圖；圖5是一個(gè)與在本發(fā)明裝置處讀取的高壓和上游靜壓力比較的表；圖6是一個(gè)沿圖1的剖切線(xiàn)6-6剖切的剖視圖；圖7是本發(fā)明所述裝置的儀器頭部的部分俯視圖；圖8是一個(gè)部分地經(jīng)過(guò)圖7的8-8剖切線(xiàn)的部分分解剖視圖；圖9是本發(fā)明裝置的另一個(gè)部分剖視圖；圖10是一個(gè)沿圖9的10-10線(xiàn)剖切的部分剖視圖；圖11是本發(fā)明另一具體實(shí)施例的部分剖視圖；圖12是圖11中裝置的儀器頭部的部分俯視圖；圖13是本發(fā)明再一具體實(shí)施例的部分剖視圖；圖14是本發(fā)明又一具體實(shí)施例的部分剖視圖；圖15至18是示出本發(fā)明裝置的不同安裝方式和構(gòu)造的部分剖視圖；以及圖19至21是示出本發(fā)明裝置中單接頭壓力感測(cè)儀器安裝方式的部分剖視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的裝置30的第一具體實(shí)施例在圖1、2和圖6至10中示出。圖1示出裝置30，該裝置30包括一個(gè)帶螺紋的流動(dòng)加速和調(diào)節(jié)的測(cè)量計(jì)主體31，測(cè)量計(jì)主體31在其相對(duì)端部(入口端37和出口端39)處的安裝表面處安裝于一段帶螺紋的管或管道42中間(如下文所述，當(dāng)然也可以采用其它安裝匹配方式)。測(cè)量計(jì)主體31包括加速器部44，加速器部44具有收縮入口46，收縮入口46是一個(gè)把流體灌入一體的流體調(diào)節(jié)器部48的流體限制特征，流體調(diào)節(jié)器部48包括線(xiàn)性的(或直的)、橫截面大致恒定的導(dǎo)管部分50，導(dǎo)管部分具有圓形直徑(d)和預(yù)先設(shè)定的長(zhǎng)度。
如同下文所述的，線(xiàn)性部分的尺寸選擇成提供一個(gè)調(diào)整距離，在該調(diào)整距離中使已加速的流體在測(cè)量之前穩(wěn)定并且使速度分布線(xiàn)性化。在距離收縮入口46的切點(diǎn)(t)一個(gè)預(yù)先設(shè)定長(zhǎng)度距離(或長(zhǎng)度)(1)的選定位置處，形成一個(gè)穿過(guò)測(cè)量計(jì)主體31的開(kāi)口54，開(kāi)口54大致以直角進(jìn)入調(diào)節(jié)器部48。開(kāi)口54容納帶螺紋的壓縮裝配件56，該壓縮裝配件56包括主體58、套圈(或壓縮環(huán))60以及螺母62。距離(1)選定成足以允許流體的流動(dòng)通過(guò)開(kāi)口54進(jìn)入線(xiàn)性部分之前實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和線(xiàn)性化，如同下文將討論的。距離(1)優(yōu)選為等于線(xiàn)性導(dǎo)管部分50的直徑的大約八分之一至直徑的七倍，取決于具體情況。例如，在較小的直徑(d)(達(dá)到兩英寸左右)時(shí)，大約一倍的直徑(d)通常就足夠了；但是中等或較大的直徑需要小一些的距離，但是無(wú)論如何至少大約兩英寸。
收縮入口46是一個(gè)預(yù)先設(shè)定的四分之一圓或橢圓圓角，限定于加速器部44的內(nèi)表面66和壁表面64之間(壁表面64優(yōu)選地在導(dǎo)管42處提供一個(gè)陡變的不連續(xù)處，且表面64與導(dǎo)管42內(nèi)的流體流動(dòng)方向成大約90°的角度，籍此產(chǎn)生一個(gè)中斷表面(disrupted surface)剝離任何邊界層(即維持一個(gè)紊亂的邊界層)以及降低由該處管壁產(chǎn)生的水流阻力，使得可以進(jìn)行更精確的測(cè)量；在此處也可以采用其它裝置，例如粗糙表面，來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的目的)。收縮入口46的構(gòu)成優(yōu)選地從導(dǎo)管42的直徑(D)均勻地減少至調(diào)節(jié)器部48的線(xiàn)性導(dǎo)管部分50處的直徑(d)，籍此在部48處加速流動(dòng)(優(yōu)選地超過(guò)導(dǎo)管42中的流體速度的大約兩倍)。雖然不是優(yōu)選的，其它的均勻減小的入口構(gòu)造，例如錐形或鐘形、或文氏管型，也可以使用，盡管有可能不能有效地工作。
均速皮托管68具有管部70，管部70延伸穿過(guò)開(kāi)口54進(jìn)入測(cè)量計(jì)主體31的調(diào)節(jié)器部48并且由壓縮裝配件56固定至主體31。在開(kāi)口54處利用已知的改型可以為皮托管68提供插入/拔出能力(如下文所示)。預(yù)先設(shè)定的直管段——其半徑大致恒定，長(zhǎng)度(s)優(yōu)選等于線(xiàn)性導(dǎo)管部分50直徑的大約八分之一至三倍——優(yōu)選地設(shè)置在開(kāi)口54和皮托管68的下游，以維持皮托管68的測(cè)量點(diǎn)前后具有相同的速度斷面(如上文所討論的關(guān)于距離(1)的選取，長(zhǎng)度(s)的選取在小的和較大導(dǎo)管直徑(d)直徑之間具有大約相同的變化)。盡管沒(méi)有示出，在均速皮托管68的下游側(cè)預(yù)先設(shè)定的長(zhǎng)度(s)之后，一個(gè)擴(kuò)散體部(例如，一個(gè)錐形擴(kuò)散體)可以位于調(diào)整器部48處，以在離開(kāi)測(cè)量計(jì)主體31之前逐漸增大線(xiàn)性導(dǎo)管50的直徑(為了減小永久的壓力損失)。
均速皮托管68如下文所描述的，是一個(gè)單接頭感測(cè)/測(cè)量單元(與多接頭儀器截然不同、典型地與流動(dòng)分向儀器(flow diverting instrument)或需要一個(gè)分離的上游壓力接頭用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償氣體密度的儀器截然不同)，該單元用于在放置于主體31的調(diào)整器部48處主流動(dòng)通道內(nèi)時(shí)感測(cè)所述單元的高壓和低壓端口處的壓力。如同在此所使用的，在采集差壓以確定流率之外，皮托管68是用于采集壓力讀數(shù)的儀器的一部分或整體。
均速皮托管68的管70是子彈形的、雙腔傳感器器管(在現(xiàn)有技術(shù)中公知)，該管延伸穿過(guò)遮蓋管80并且連接至儀器頭部82和連接板84。多個(gè)正對(duì)上游的高壓端口86(見(jiàn)圖6)感測(cè)所述沖擊(或高)壓。以類(lèi)似的方式，低壓由多個(gè)位于傳感器管70兩側(cè)的側(cè)向低壓端口88感測(cè)。高壓和低壓端口位于距導(dǎo)管部分50預(yù)先設(shè)定的距離處。
圖2最好地圖示導(dǎo)管42內(nèi)直徑(D)和導(dǎo)管部分50的較小直徑(d)的臨界阻塞比率或β比率(beta ratio)，以及在(d)處限定的內(nèi)面積(a)和導(dǎo)管部分50內(nèi)由均速皮托管阻塞的面積(c×d)的比率。這些比率與收縮入口46的圓角的功能、測(cè)量計(jì)主體31在端部37和39(圖1)之間的整個(gè)長(zhǎng)度、均皮托管68的位置和其它因素相結(jié)合確定測(cè)量計(jì)精度以及由工作范圍或量程(最大流率/最小流率)確定的效用。
裝置30的最優(yōu)功能部分地依賴(lài)于均速皮托管68在導(dǎo)管部分50內(nèi)的相對(duì)阻塞和上游導(dǎo)管42的收縮入口46導(dǎo)致的阻塞之間的恰當(dāng)關(guān)系。每個(gè)堵塞導(dǎo)致流體加速。當(dāng)流體速度在最小通道處達(dá)到聲速時(shí)(也稱(chēng)為扼流條件)確定系統(tǒng)能夠工作的流率上限。通過(guò)在此選擇阻塞率，可以測(cè)量可得到的最大流率，而仍然在盡可能大的范圍內(nèi)線(xiàn)性化和調(diào)節(jié)流動(dòng)分布。本發(fā)明的裝置提供一種雙重阻塞效應(yīng)，在導(dǎo)管42和導(dǎo)管部分50(喉阻塞)之間維持選定的比率，并且在導(dǎo)管部分50和流體能夠流過(guò)均速皮托管68的縮減面積之間維持選定的比率(均速皮托管確定的阻塞)。
如果從導(dǎo)管42至導(dǎo)管部分50沒(méi)有足夠的面積減小，流動(dòng)流體的速度分布將不能充分地調(diào)節(jié)，因此均速皮托管68進(jìn)行的流動(dòng)測(cè)量將是折衷的。如果在導(dǎo)管部分50處均速皮托管68沒(méi)有進(jìn)行足夠的阻塞，激震前沿(shock front)(當(dāng)測(cè)量計(jì)工作于扼流條件下時(shí))將侵入均速皮托管68的低壓感測(cè)端口88。這將是有害的，因?yàn)樵诼曀倭鞯募ふ鹎把爻霈F(xiàn)不穩(wěn)定的壓力波動(dòng)。如果導(dǎo)管部分50在導(dǎo)管42處產(chǎn)生的阻塞或在流體能夠經(jīng)過(guò)均速皮托管的導(dǎo)管部分50的縮減面積處的阻塞太大，那么裝置30的流動(dòng)范圍急劇縮小。
裝置30的構(gòu)造提供協(xié)調(diào)的喉阻塞和允許足夠大通流的均速皮托管阻塞的雙阻塞效應(yīng)，此構(gòu)造有助于流動(dòng)的正確調(diào)節(jié)并使皮托管更正常地工作，特別是確保在扼流條件下的激震前沿將不會(huì)侵入均速皮托管68的低壓端口88。當(dāng)均速皮托管68低壓感測(cè)端口88如這里所示位于均速皮托管的側(cè)面而不是位于其尾部時(shí)，此構(gòu)造是特別有用的。
此裝置的獨(dú)特之處在于比率D/d、測(cè)量計(jì)主體31在端部37和39之間的整個(gè)長(zhǎng)度以及均速皮托管68導(dǎo)管部分50的內(nèi)直徑(d)的阻塞百分比選擇成加速流體從而擴(kuò)展裝置30的工作范圍和精度。由(a-(c×d))/a確定的面積比用于確定均速皮托管68的流動(dòng)系數(shù)。這些比率和其它因素在計(jì)算中用于確定流動(dòng)測(cè)量計(jì)精度和工作范圍。圖3示出用來(lái)確定一個(gè)特定應(yīng)用(在測(cè)量計(jì)主體31內(nèi)d＝135英寸，實(shí)線(xiàn)代表平均流動(dòng)系數(shù)，虛線(xiàn)示出一個(gè)加減1％的區(qū)間套，并且菱形標(biāo)識(shí)符位于數(shù)據(jù)點(diǎn)處)的工作范圍(量程)。所述數(shù)據(jù)驗(yàn)證了一個(gè)好于25比1的流動(dòng)量程以及一個(gè)獨(dú)立于速度或雷諾數(shù)的恒定流動(dòng)系數(shù)(實(shí)際流率除以理論流率)(通常超過(guò)50比1，在此大約65比1，0.00705PPS到0.4594PPS，并且在一些后來(lái)的測(cè)試中顯示接近100比1的量程)。如同在此所用的，量程定義為最高的可測(cè)量流率(裝置的精確度在大約±1％的范圍內(nèi))除以最低的可測(cè)量流率(裝置的精確度在大約±1％的范圍內(nèi))。
裝置30的一個(gè)特別有利的特征在于，測(cè)量計(jì)主體31的流動(dòng)調(diào)節(jié)器部48的距離(1)穩(wěn)定并校正扭曲的、不對(duì)稱(chēng)的速度分布(如下文所討論的)。這允許裝置30在處于靠近上游干擾物例如管道42內(nèi)的彎管接頭、閥、T形接頭等等時(shí)在一個(gè)擴(kuò)展的量程內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量。圖4示出測(cè)試結(jié)果(利用與圖3中報(bào)告的類(lèi)似測(cè)量條件)，該測(cè)試結(jié)果報(bào)告裝置30在用裝置30上游的導(dǎo)管42的一個(gè)極短直線(xiàn)段測(cè)量流率的精度。所述數(shù)據(jù)證明裝置30在其上游的直管段長(zhǎng)度小于導(dǎo)管42直徑的兩倍時(shí)(發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用場(chǎng)合一倍已經(jīng)足夠)可精確地測(cè)量流率。
關(guān)于裝置30的流動(dòng)調(diào)節(jié)器部48，當(dāng)流動(dòng)的流體快速會(huì)聚時(shí)流體分子加速并且其動(dòng)能增加。動(dòng)能增加的一個(gè)結(jié)果是流體的內(nèi)能減小，這是通過(guò)靜壓力減小而實(shí)現(xiàn)的。這與伯努利方程式和熱力學(xué)第一定律一致。當(dāng)將測(cè)量靜壓力作為流動(dòng)測(cè)量的一種方法時(shí)，在流體加速進(jìn)入裝置的喉部時(shí)假定一個(gè)絕熱(沒(méi)有熱量損失或收益)和等熵(沒(méi)有摩擦損失)的過(guò)程。當(dāng)發(fā)生快速加速時(shí)(特別是在喉部直徑很小且流體分子對(duì)于改變振動(dòng)能狀態(tài)敏感時(shí)，例如二氧化碳和蒸氣之類(lèi)的氣體，或如水之類(lèi)的液體)此假設(shè)不成立。這導(dǎo)致偏離伯努利方程式，并且導(dǎo)致在流動(dòng)測(cè)量裝置中的流動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生誤差。
為了允許規(guī)范流體分子的振動(dòng)能，裝置30在導(dǎo)管部分50處提供一個(gè)從入口46的最小收縮點(diǎn)算起的直線(xiàn)流動(dòng)距離(1)(如同已經(jīng)討論的，優(yōu)選地大約八分之一至七倍的管直徑(d))。該調(diào)整長(zhǎng)度允許流體分子規(guī)范至其先前的振動(dòng)狀態(tài)(并且流動(dòng)矢量合理化(rationalize))，籍此使得靜壓力代表流過(guò)裝置的流體的真正內(nèi)能，并且允許進(jìn)行更精確的測(cè)量。
此前，設(shè)備設(shè)計(jì)中經(jīng)常假定在流體加速時(shí)流體分子的能量狀態(tài)處于平衡態(tài)。但是，在喉部直徑很小(普遍存在于這里感興趣的應(yīng)用中)時(shí)，液體出現(xiàn)快速加速的轉(zhuǎn)變距離可以很小。當(dāng)此很小的直線(xiàn)距離與喉部?jī)?nèi)的高流體速度(經(jīng)常接近一馬赫)結(jié)合時(shí)，轉(zhuǎn)變所用的時(shí)間是非常短的。例如，對(duì)于0.25厘米的轉(zhuǎn)變距離和在大氣壓下及在60F°的環(huán)境溫度下大約為0.95馬赫的喉部流體速度(喉部速度大致等于250m/sec或25,000cm/sec)，流體分子在0.00001秒(10微秒)內(nèi)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)變區(qū)域。
因?yàn)榱黧w分子經(jīng)過(guò)此轉(zhuǎn)變距離所需的時(shí)間極短，在轉(zhuǎn)變時(shí)流體分子的振動(dòng)能量狀態(tài)不處于平衡狀態(tài)，這與通常的假設(shè)相反。此現(xiàn)象已經(jīng)在試驗(yàn)中觀(guān)察到(其中對(duì)二氧化碳?xì)怏w觀(guān)察到的排出系數(shù)高于小喉部圓形入口聲速?lài)娮斓念A(yù)測(cè)值)。由于這個(gè)短暫的轉(zhuǎn)變時(shí)間，內(nèi)能(作為流體壓力測(cè)量)在轉(zhuǎn)變時(shí)以及在緊接轉(zhuǎn)變后暫時(shí)處在一個(gè)振動(dòng)能量增加狀態(tài)，因?yàn)橐徊糠謨?nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)檫@份附加的振動(dòng)能量，該處壓力將低于預(yù)測(cè)值。
在本發(fā)明的裝置30中使用一個(gè)延長(zhǎng)的整體喉部長(zhǎng)度(從收縮入口46的切點(diǎn)(t)量至出口端)結(jié)合切點(diǎn)(t)下游的一個(gè)調(diào)整距離(1)處的壓力感測(cè)大體上消除了在均速皮托管處68的測(cè)量點(diǎn)處經(jīng)過(guò)此裝置的流體分子不平衡的振動(dòng)能量狀態(tài)。特別是，切點(diǎn)(t)和均速皮托管68之間的距離(1)允許流體分子的振動(dòng)能量達(dá)到平衡并且從而所感測(cè)的壓力更加接近流體的實(shí)際內(nèi)能。
本發(fā)明裝置30的構(gòu)造還補(bǔ)償流體在收縮入口46內(nèi)加速時(shí)靜壓力的改變(籍此，無(wú)需采用分離的上游壓力接頭來(lái)動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償氣體密度)。比較在流體調(diào)節(jié)器部48的導(dǎo)管部分50內(nèi)由均速皮托管68的上游端口86所測(cè)得的動(dòng)態(tài)壓力與在導(dǎo)管42處上游壓力測(cè)試接頭所測(cè)結(jié)果的測(cè)試顯示兩個(gè)壓力非常一致(精度達(dá)到0.2％或更小)(見(jiàn)圖5，其中P1表示上游壓力測(cè)試接頭測(cè)量值，P2表示由均速皮托管68的上游端口86測(cè)量的壓力)。
在裝置30內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)處產(chǎn)生與導(dǎo)管42內(nèi)的上游靜壓力基本上相同的壓力，是通過(guò)結(jié)合包括收縮入口46、導(dǎo)管部分50的延長(zhǎng)的喉部長(zhǎng)度以及均速皮托管68的上游動(dòng)態(tài)壓力感測(cè)端口86在內(nèi)的元器件而實(shí)現(xiàn)的。這兩個(gè)壓力的一致在計(jì)算流體經(jīng)過(guò)裝置30的流體密度時(shí)改善了流體流率測(cè)量的精確度。
例如，因?yàn)闅怏w測(cè)量的流體密度直接與氣體的壓力成比例，并且對(duì)于諸如均速皮托管68之類(lèi)的差壓裝置，流率的確定受到氣體密度的平方根的影響，壓力測(cè)量精度的提高以平方根的方式提高了流率測(cè)量的精度。利用流率對(duì)氣體壓力的偏導(dǎo)數(shù)——因?yàn)槠溆绊憵怏w密度和壓力測(cè)量的不確定度的乘積——人們可以根據(jù)提高的壓力測(cè)量精度確定凈提高的流率精度。在諸如本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的產(chǎn)生差壓的均速皮托管68的平方根裝置內(nèi)，流率對(duì)氣體壓力的偏導(dǎo)數(shù)對(duì)壓力的不確定度產(chǎn)生一個(gè)0.5倍因子作為其對(duì)流率測(cè)量的影響。從而當(dāng)使用此種差壓裝置時(shí)，壓力測(cè)量中10％的誤差在流率測(cè)量中產(chǎn)生5％的誤差。因此，通過(guò)大大減小壓力測(cè)量的誤差，流率測(cè)量的精度顯著提高。
除了以上描述的分子振動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定化之外，導(dǎo)管部分50相對(duì)于入口46的構(gòu)造校正此前遇到的不穩(wěn)定靜壓力問(wèn)題。在加速器部44的收縮入口46與流動(dòng)調(diào)節(jié)器部48的導(dǎo)管部分50接合處的切點(diǎn)(t)處的氣體速度很高時(shí)，局部的流體速度超出聲速并且認(rèn)為是超音速的。注意，此現(xiàn)象產(chǎn)生不穩(wěn)定的靜壓力，導(dǎo)致在使用壓力來(lái)確定流率的裝置(即諸如均速皮托管之類(lèi)的差壓裝置)中產(chǎn)生誤差。裝置30通過(guò)將壓力感測(cè)元件(皮托管68)置于離切點(diǎn)(t)一個(gè)選定的距離(1)處而避免此問(wèn)題。避免將切點(diǎn)(t)下游及其附近的不穩(wěn)定區(qū)域作為測(cè)量位置。
除在收縮入口46的切點(diǎn)(t)處及該切點(diǎn)附近區(qū)域處避免甚至為超音速的不穩(wěn)定流體速度(當(dāng)上游管速度很高時(shí))之外，離切點(diǎn)的距離(1)對(duì)流體速度分布提供附加的調(diào)節(jié)。非同軸的流體速度矢量通過(guò)流體的粘性效應(yīng)而在導(dǎo)管部分50的距離(1)上重新校準(zhǔn)。
如果兩層相鄰流體以不同的速度和不同的方向運(yùn)動(dòng)，它們將趨向于彼此影響。在相鄰流體層的影響下，速度慢的流體層趨向于加速運(yùn)動(dòng)，而速度快的流體層趨向于減速運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榱黧w矢量的主要方向是同軸的，非同軸的流體矢量將被重新校準(zhǔn)為同軸的。從而，導(dǎo)管部分50中更長(zhǎng)的距離(1)允許在測(cè)量前同軸速度流體層對(duì)非同軸速度流體層施加更多的影響(非同軸速度流體矢量能夠顯著地降低在均速皮托管68處的測(cè)量精確度)。因?yàn)榱黧w越粘延長(zhǎng)的喉部長(zhǎng)度在校正非同軸流體速度矢量方面的作用越明顯，所以對(duì)于越粘的流體(例如水)裝置30的測(cè)量越有利。
圖6是均速皮托管70的一個(gè)截面圖。注意，管70是子彈形的(具有輕微擴(kuò)展的角度(a)，該角度大約為8度)。高壓腔101與多個(gè)位于正對(duì)上游的管70的前表面的高壓端口86連通。低壓腔105位于管70的后部107處并通過(guò)多個(gè)位于管70各側(cè)上并處在后壁部107處的管70最大寬度(m)處和漩渦脫落的流體分離點(diǎn)109之前的低壓端口88而連通。前表面103表面粗糙以維持一個(gè)薄的紊流邊界層而減小提升力、阻力和漩渦分離力(shedding force)并產(chǎn)生一個(gè)恒定而精確的流動(dòng)系數(shù)。
均速皮托管儀器頭部82是一個(gè)常用的設(shè)計(jì)(圖7和圖8)。高壓通過(guò)孔115從均速皮托管68的管70的腔101連通至連接板84(見(jiàn)圖1)處的通道117，連接板84聯(lián)接至管70和儀器頭部82，形成了一個(gè)壓力密封腔。高壓進(jìn)一步通向穿過(guò)儀器頭部82的孔119。以類(lèi)似的方式，低壓通過(guò)孔121從低壓腔連通至連接板84處的通道123，并且通向穿過(guò)儀器頭部82的孔123。環(huán)形槽127容納襯墊128，并且設(shè)有一個(gè)隙孔129用于利用螺栓固定所述儀器。遮蓋管80連接至連接板84和儀器頭部82以維持測(cè)量計(jì)主體31內(nèi)的靜壓力并提供一個(gè)由壓縮裝配件56接合的圓形表面。
圖9和圖10示出將一種標(biāo)準(zhǔn)的、市場(chǎng)上可買(mǎi)到的儀器閥歧管135和單個(gè)差壓變送器(轉(zhuǎn)換器)136在儀器頭部82處連接至流動(dòng)感測(cè)均速皮托管68的一種方法。歧管135通過(guò)螺栓連接至儀器頭部82以壓緊高和低壓襯墊128(在8中示出)，從而在那形成壓力密封。以類(lèi)似的方式，變送器136通過(guò)螺栓連接至歧管135。經(jīng)常采用其它連接方式，諸如間接(remotely)安裝歧管和變送器。使用管道和適配件來(lái)將高壓和低壓連通至歧管135和變送器136，這已經(jīng)是廣為人知的技術(shù)。
歧管135包括高壓切斷閥138、低壓切斷閥140以及均壓閥142，均壓閥142在打開(kāi)時(shí)允許高壓和低壓混合，籍此將差壓(高壓-低壓)減小為零。歧管135用于將作業(yè)流體從變送器136隔離開(kāi)，用于維修或更換變送器136、以及校驗(yàn)或改變變送器的校準(zhǔn)。差壓變送器136轉(zhuǎn)化來(lái)自均速皮托管68的高壓和低壓信號(hào)，并將模擬電信號(hào)或數(shù)字電信號(hào)輸出至計(jì)算流率的流動(dòng)計(jì)算機(jī)或控制系統(tǒng)(顯然可以采用本發(fā)明的裝置來(lái)采集其它數(shù)據(jù))。
圖11和12示出將測(cè)量計(jì)主體31和均速皮托管68與包括兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、市場(chǎng)上可買(mǎi)到的儀器閥歧管150和152以及差壓變送器154和156的輸出儀器相連的另一具體實(shí)施例。板158通過(guò)螺栓連接至均速皮托管儀器頭部82，使用與前述類(lèi)似的襯墊來(lái)在板158與頭部82和歧管150和152的分界處密封高壓和低壓。
板158包括形成于其內(nèi)的通道160，允許高壓通過(guò)開(kāi)口162(從位于頭部82處的孔119；圖7)與兩個(gè)歧管150和152的相應(yīng)的高壓連通，允許高壓通過(guò)開(kāi)口164和166分別與變送器154和156連通。通道168通過(guò)開(kāi)口170(從位于頭部82處的孔125；圖7)將低壓分別連通至歧管150和152以及通過(guò)開(kāi)口172和174分別連通至變送器154和156。
使用兩個(gè)變送器擴(kuò)展了工作范圍——通常稱(chēng)為量程。單個(gè)變送器能夠精確地讀出6∶1的量程(例如，最大流率120GPM-最小流率20GPM)。增加第二變送器將工作范圍(量程)擴(kuò)展至36∶1(6的平方)。該量程甚至能夠進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展至超過(guò)100∶1，而精度只輕微地降低。
如上所討論的由均速皮托管68的上游端口86測(cè)得的動(dòng)態(tài)壓力和在導(dǎo)管42內(nèi)的上游靜壓力很接近，這允許替代地以更高的精確度使用多變量變送器(因?yàn)橛勺兯推鞲袦y(cè)的壓力與收縮入口46前的上游動(dòng)態(tài)壓力基本上相同)。由于無(wú)需穿入測(cè)量計(jì)主體31上游的導(dǎo)管42，從而獲得了很大的經(jīng)濟(jì)上和維護(hù)上的好處。附加的穿入上游的導(dǎo)管42需要附加的硬件和適配件來(lái)將靜壓力引回至多變量變送器。進(jìn)一步地，當(dāng)前的多變量變送器不能接收與取自任何例如均速皮托管68的單接頭差壓測(cè)量?jī)x器的上游壓力和下游壓力分離的靜壓力輸入。
圖13和14示出多變量變送器180的使用，多變量變送器180用于與本發(fā)明的裝置30相結(jié)合而輸出一個(gè)壓力、溫度和補(bǔ)償流動(dòng)信號(hào)。變送器180感測(cè)來(lái)自皮托管68高壓端口86的壓力。一個(gè)從RTD(resistancetype device，阻力型裝置)輸入至變送器的獨(dú)立信號(hào)提供溫度測(cè)量。圖13示出一個(gè)帶有一個(gè)一體式RTD 182和連接盒184的均速皮托管68，RTD 182位于皮托管管子70的低壓腔內(nèi)并伸入測(cè)量計(jì)主體31的導(dǎo)管部分50內(nèi)。圖14示出一個(gè)分離的熱電偶188，該熱電偶維持RTD 182和連接盒184。如上參考圖11所討論的，能夠利用兩個(gè)多變量變送器180來(lái)擴(kuò)展裝置30的量程。
一個(gè)簡(jiǎn)單差壓變送器與一個(gè)靜壓力變送器結(jié)合使用的非多變量變送器系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)允許省略導(dǎo)管42的上游靜壓力穿入的裝置而利用本發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此具體實(shí)施例中，一個(gè)與靜壓力變送器結(jié)合使用的簡(jiǎn)單差壓變送器可以與儀器頭部相結(jié)合，在孔119上方利用一個(gè)T形適配件連通相應(yīng)的差壓與靜壓力變送器(對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的)。圖15至圖18公開(kāi)了允許將裝置30的測(cè)量計(jì)主體31連接在導(dǎo)管42內(nèi)的各種其它的構(gòu)造和方法。圖15示出的測(cè)量計(jì)主體31帶有用于焊接至相應(yīng)斜角導(dǎo)管42的斜角195。圖16示出的一個(gè)焊入測(cè)量計(jì)，其中焊接突起195貫穿測(cè)量計(jì)主體的周邊以允許在導(dǎo)管42處焊接。圖17示出一個(gè)位于加速器部44處的凸緣式測(cè)量計(jì)部199，并有線(xiàn)性的導(dǎo)管部分50位于較大導(dǎo)管部分200內(nèi)，較大導(dǎo)管200的直徑與導(dǎo)管42的直徑相等并具有用于接納并密封均速皮托管68的管子70的校準(zhǔn)開(kāi)口201。凸緣部199包括通過(guò)螺栓連接至加速器/流動(dòng)調(diào)節(jié)器單元203的凸緣單元202。凸緣部199固定在環(huán)形凸緣204處，籍此允許移去凸緣部199并在凸緣單元202處更換凸緣單元203(例如，用一個(gè)替換單元或具有不同流動(dòng)特征的不同尺寸的單元進(jìn)行更換)。圖18示出主體31的一個(gè)圓片構(gòu)造，該圓片構(gòu)造固定在導(dǎo)管42處的兩個(gè)凸緣205之間和固定桿/螺母組合206之間。
圖19至圖21示出均速皮托管各種可選的安裝部件中的幾種，特別是那些可以簡(jiǎn)便地插入測(cè)量計(jì)主體31以及從測(cè)量計(jì)主體31移走的安裝部件。圖19示出一個(gè)焊入的測(cè)量計(jì)主體31(如圖15所示)，該測(cè)量計(jì)主體31帶有一個(gè)熱帽模型，該熱帽模型有連接螺紋208允許在滿(mǎn)工作壓力下將均速皮托管68插入或拔出。測(cè)量計(jì)主體31的圓片體構(gòu)造(如參考圖18所討論的)在圖20中示出，其帶有一個(gè)凸緣部210，該凸緣部使得均速皮托管68可從儀器主體82分離。在圖21中，示出一段帶有熱帽模型和凸緣式連接212的管子，其允許將均速皮托管在滿(mǎn)工作壓力插入或拔出。
盡管在此公開(kāi)了使用一個(gè)均速皮托管(平方根測(cè)量計(jì))來(lái)提供流率或其它測(cè)量，可以利用一個(gè)目標(biāo)測(cè)量計(jì)測(cè)量置于測(cè)量計(jì)主體31的導(dǎo)管部分50內(nèi)的一個(gè)圓盤(pán)的偏差，如同一個(gè)簡(jiǎn)單的單點(diǎn)皮托管那樣。另外，本發(fā)明的裝置能夠構(gòu)造成與線(xiàn)性裝置一起使用，所述線(xiàn)性裝置為可產(chǎn)生與流率線(xiàn)性相關(guān)的信號(hào)的裝置(諸如漩渦測(cè)量計(jì)、熱散布測(cè)量計(jì)、磁測(cè)量計(jì)、或超聲波測(cè)量計(jì))。另外，在此示出的各種儀器閥歧管能夠構(gòu)造成與儀器主體82成為一個(gè)整體。
根據(jù)前述內(nèi)容可以理解，所提出的使用流體加速來(lái)測(cè)量流體特性的裝置和方法大大提高了精度和效用(量程)。所述裝置包括一個(gè)流體流動(dòng)加速器和調(diào)節(jié)器，在進(jìn)行特性測(cè)試之前提供一個(gè)調(diào)整距離，籍此使流體加速(超過(guò)管線(xiàn)速度的兩倍)、穩(wěn)定，并使流體速度分布線(xiàn)性化。所述裝置是高精度的(達(dá)到大約1.0％)和可重復(fù)的(達(dá)到大約0.1％)，不需要校準(zhǔn)，具有達(dá)到并超過(guò)25∶1的量程(通常超過(guò)50∶1，某些測(cè)試中高達(dá)100比1)，并且具有低的信噪比。所述裝置在該裝置之前幾乎不需要直管流動(dòng)(將至今為止已公知的所需直管流動(dòng)長(zhǎng)度減少達(dá)80％)而精確地讀取測(cè)量值并且在使用中壓力損失可以很低。所述裝置特別地可以用在所提供的流體速度不足于產(chǎn)生可讀取信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種用于在一根導(dǎo)管內(nèi)對(duì)流動(dòng)的流體進(jìn)行特性測(cè)量的裝置，包括一個(gè)流動(dòng)加速器和調(diào)節(jié)器，其可以連接在所述導(dǎo)管內(nèi)并具有一個(gè)用于使經(jīng)過(guò)所述裝置的流體加速流動(dòng)的收縮入口和一個(gè)橫截面基本上恒定且從所述入口向下游延伸的線(xiàn)性部分，該線(xiàn)性部分具有一個(gè)開(kāi)口，該開(kāi)口離所述入口一足夠的距離，該距離選擇成足以允許所述流體的流動(dòng)經(jīng)過(guò)所述開(kāi)口通過(guò)所述線(xiàn)性部分之前得以穩(wěn)定和線(xiàn)性化；以及一個(gè)測(cè)量?jī)x器，該測(cè)量?jī)x器的一部分穿過(guò)所述開(kāi)口并伸入所述流動(dòng)加速器和調(diào)節(jié)器的所述線(xiàn)性部分內(nèi)用于在該處進(jìn)行特性測(cè)量。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述儀器的所述部分的特征在于是一個(gè)無(wú)需分離的上游或下游接頭的用于測(cè)量高壓和低壓的單接頭單元。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述流體加速器和調(diào)節(jié)器的所述線(xiàn)性部分處的插入/拔出裝置，用于允許在滿(mǎn)工作壓力下將所述儀器的所述部分在所述線(xiàn)性部分處插入或拔出。
4.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述流動(dòng)加速器和調(diào)節(jié)器的所述線(xiàn)性部分具有一個(gè)直徑，并且其中所述足夠的距離至少等于所述直徑的大約一倍或等于大約兩英寸。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述線(xiàn)性部分的長(zhǎng)度足以使得所述大致恒定的橫截面在所述開(kāi)口的下游維持一至少等于所述直徑的大約一倍或等于大約兩英寸的選定距離。
6.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述儀器的所述部分是一個(gè)具有正對(duì)上游的高壓端口和側(cè)向低壓端口的均速皮托管。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述均速皮托管具有從所述正對(duì)上游的高壓端口向下游延伸至一個(gè)后壁部分的側(cè)壁，所述側(cè)壁彼此相對(duì)稍微擴(kuò)展，所述低壓端口位于所述后壁部前的所述側(cè)壁處。
8.一種用于提高可置于導(dǎo)管內(nèi)的單接頭流體流動(dòng)測(cè)量單元的性能的裝置，包括一個(gè)位于所述導(dǎo)管處的收縮部分，其提供對(duì)流體正常流動(dòng)的第一選定的限制而加速流體流動(dòng)；一個(gè)從所述收縮部分向下游延伸并具有一個(gè)小于所述導(dǎo)管直徑的恒定直徑的線(xiàn)性導(dǎo)管部分、沿著所述線(xiàn)性導(dǎo)管部分在與所述收縮部分間隔開(kāi)的一個(gè)選定位置形成一個(gè)構(gòu)造成接納所述測(cè)量單元的開(kāi)口，所述恒定直徑選定成在已安裝時(shí)在所述測(cè)量單元處對(duì)流動(dòng)進(jìn)行第二選定的限制，所述選定的流動(dòng)限制在仍然允許足夠大的通流的同時(shí)協(xié)調(diào)對(duì)流體流動(dòng)的調(diào)節(jié)以及提高測(cè)量精度；以及鄰近所述開(kāi)口用于在所述開(kāi)口處容納和固定所述測(cè)量單元的固定裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述收縮部分包含一個(gè)安裝表面、一個(gè)能夠在所述導(dǎo)管內(nèi)相對(duì)于流體流動(dòng)方向以大約90°角度定位的面、以及一個(gè)在所述線(xiàn)性導(dǎo)管部分的所述恒定直徑和所述面之間確定的圓角。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中在所述確定的圓角和所述面的相交處確定一個(gè)陡變的不連續(xù)。
11.如權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述線(xiàn)性導(dǎo)管部分位于一個(gè)直徑相當(dāng)于所述導(dǎo)管直徑的更大導(dǎo)管部分內(nèi)。
12.如權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述裝置的相對(duì)的端部處用于在所述導(dǎo)管處定位和固定所述裝置的安裝裝置。
13.如權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述線(xiàn)性導(dǎo)管部分具有一個(gè)出口端，并且其中所述開(kāi)口位于所述線(xiàn)性導(dǎo)管部分處距離所述出口端一個(gè)等于或大于所述恒定直徑的大約一倍或大約兩英寸的距離。
14.一種可以在具有一直徑的導(dǎo)管內(nèi)測(cè)量流動(dòng)流體壓力的裝置，包括位于所述導(dǎo)管處用于通過(guò)將橫截面面積限制至一個(gè)較小的直徑而增加流體流動(dòng)速度的加速器裝置；流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，其用于調(diào)節(jié)流體的流動(dòng)并在一端處與所述加速器裝置的所述較小直徑配合并且具有一個(gè)出口端，所述流體調(diào)節(jié)裝置在所述端之間具有一個(gè)開(kāi)口，且所述開(kāi)口上游的線(xiàn)性長(zhǎng)度選定成使得在流體經(jīng)過(guò)所述加速器裝置之后并在所述開(kāi)口之前所述流體的內(nèi)能、靜壓力以及速度矢量能夠穩(wěn)定并線(xiàn)性化；壓力測(cè)量裝置，其一部分在所述流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置處通過(guò)所述開(kāi)口，帶有可置于流經(jīng)所述流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的流體內(nèi)用于測(cè)量該處的壓力的端口，位于所述流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置內(nèi)的所述部分代表一個(gè)堵塞面積；以及所述較小直徑、所述長(zhǎng)度和所述堵塞面積選定成使得所述裝置的工作范圍達(dá)到至少大約25∶1的流動(dòng)量程，且具有一個(gè)獨(dú)立于流體流動(dòng)速度或雷諾數(shù)的恒定流動(dòng)系數(shù)。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述量程達(dá)到或超過(guò)大約50∶1。
16.如權(quán)利要求14或15所述的裝置，其中所述壓力測(cè)量裝置包括一個(gè)單接頭單元，并且所述部分具有一個(gè)正對(duì)上游的高壓端口和一個(gè)低壓端口，所述較小直徑和所述堵塞面積選定成使得在所述高壓端口處的讀數(shù)基本上與導(dǎo)管內(nèi)的上游靜壓力一致。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述較小直徑和所述堵塞面積構(gòu)造成使得所述基本上一致為大約0.2％。
18.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述壓力測(cè)量裝置的所述部分包含一個(gè)均速皮托管用于平均在所述流動(dòng)調(diào)節(jié)裝置內(nèi)測(cè)得的高壓和低壓。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述壓力測(cè)量裝置進(jìn)一步包含一個(gè)與所述均速皮托管相連的多變量變送器。
20.一種用于對(duì)在一導(dǎo)管內(nèi)以一個(gè)速度流動(dòng)的流體進(jìn)行特性測(cè)量的方法，包括以下步驟增大所述速度；調(diào)節(jié)流體的流動(dòng)使得在增大所述速度之后所述流體的內(nèi)能、靜壓力和速度矢量穩(wěn)定和線(xiàn)性化；在所述速度增加以及流動(dòng)調(diào)節(jié)后的流體流中進(jìn)行感測(cè)以進(jìn)行所述特性測(cè)量；以及在一個(gè)工作范圍內(nèi)測(cè)量所述特性，該工作范圍的特征在于流動(dòng)量程達(dá)到至少大約25∶1，且流動(dòng)系數(shù)恒定、獨(dú)立于流體流動(dòng)速度或雷諾數(shù)。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述在流動(dòng)中感測(cè)的步驟包含感測(cè)高壓和低壓讀數(shù)，所述讀數(shù)為流動(dòng)中的平均讀數(shù)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述在流體流中感測(cè)的步驟的特征在于所述高壓讀數(shù)基本上與導(dǎo)管內(nèi)的上游靜壓力一致。
23.如權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在感測(cè)后維持所述流體流動(dòng)的速度分布的步驟。
24.如權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述流中感測(cè)之前所需要的直導(dǎo)管的導(dǎo)管直徑不超過(guò)兩個(gè)。
25.如權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述增加所述速度的步驟包含限制流體流動(dòng)的步驟。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)所述流體的流動(dòng)的步驟包含一個(gè)維持流體以增大的速度流過(guò)流體流中感測(cè)點(diǎn)的步驟。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述限制流體流動(dòng)和維持增大的速度的步驟包括相對(duì)于導(dǎo)管直徑減小流動(dòng)路徑的直徑以及將減小的直徑保持到超出在流體中的所述感測(cè)點(diǎn)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述減小的直徑始于流體中的所述感測(cè)點(diǎn)之前并且線(xiàn)性維持的距離至少等于所述減小后的流動(dòng)路徑直徑的大約一倍或大約兩英寸。
29.如權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述工作范圍的進(jìn)一步的特征在于性能超過(guò)50∶1的量程。
全文摘要
用于在流經(jīng)一根導(dǎo)管的流體內(nèi)測(cè)量選定流體特性的裝置和方法，所述裝置包括一個(gè)連接在所述導(dǎo)管內(nèi)的主體，所述主體具有一個(gè)加速器部和一個(gè)流動(dòng)調(diào)節(jié)器部，在所述流動(dòng)調(diào)節(jié)器部?jī)?nèi)保持一個(gè)如均速皮托管之類(lèi)的測(cè)量單元。所述流動(dòng)調(diào)節(jié)器部包括一個(gè)直的、直徑基本上恒定的導(dǎo)管段，該導(dǎo)管段的長(zhǎng)度選定成在所述加速器部之后和在所述測(cè)量單元之前提供一個(gè)調(diào)整距離，該距離足以在測(cè)量之前對(duì)流動(dòng)的流體進(jìn)行穩(wěn)定化和線(xiàn)性化處理。利用所述裝置，可以在高達(dá)至少大約25∶1的量程內(nèi)對(duì)所述特性(例如流率)進(jìn)行可重復(fù)、高精度的測(cè)量，且流動(dòng)系數(shù)恒定并獨(dú)立于流體流動(dòng)速度或雷諾數(shù)。
文檔編號(hào)G01F1/44GK1788189SQ200480005827
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2004年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月5日
發(fā)明者埃里克·J·哈曼 申請(qǐng)人:威里斯公司