CN100424477C - 利用流体加速测量流体特性的装置和方法 - Google Patents

Abstract

用于在流经一根导管的流体内测量选定流体特性的装置和方法，所述装置包括一个连接在所述导管内的主体，所述主体具有一个加速器部和一个流动调节器部，在所述流动调节器部内保持一个如均速皮托管之类的测量单元。所述流动调节器部包括一个直的、直径基本上恒定的导管段，该导管段的长度选定成在所述加速器部之后和在所述测量单元之前提供一个调整距离，该距离足以在测量之前对流动的流体进行稳定化和线性化处理。利用所述装置，可以在高达至少大约25∶1的量程内对所述特性(例如流率)进行可重复、高精度的测量，且流动系数恒定并独立于流体流动速度或雷诺数。

Description

利用流体加速测量流体特性的装置和方法

技术领域

本发明涉及流动流体测量设备和方法，更具体地，本发明涉及流体流动加速和压力测量设备和方法。

背景技术

在此以前已经提出和/或使用各种质量流量计，这些质量流量计利用流体流动速度加速和各种测量和感测设备来测量差压(例如，见美国专利3,374,673、3,774,645、5,861,561、6,247,495、5,333,496、1,550,124、以及790,888)。此种设备此前只用于旁通型差压测量计，并且此前没有人提出或将此种设备用于与均速皮托管(averaging pitot)型压差测量探针(例如在美国专利5,036,711和6,321,166中所说明的)组合。

为了最佳地使用，流量计应该可以有效地用于大范围的流体(气体、液体和蒸气)和流动速度。流体的速度和操作范围由用户的测量需要决定。通常所需要的量程(turndown)和精度超出了大多数流量计的规格。这是常见的，例如，在为锅炉提供燃料的***中，在夏季需要低的流速而在冬季需要高的流速。通常需要昂贵的旁通管道***和不同操作范围的多重流量计。在其它的应用中，没有足够的流体速度来产生所需量程或精确测量输出信号。

在此之前已知的流动测量设备，不论是包括还是不包括加速，通常具有受限的运转范围(流动量程在6∶1的范围内)，并且在测量之前需要长的直流动导管。在利用文氏管型流体流动速度加速的已知***中，与文氏管相关的流动测量仪器经常位于其嘴部处或非常靠近嘴部，导致流动测量误差大于所需误差，这至少部分是由于流动系数随着流动速度和/或雷诺数变化。需要在测量精度和效用(量程比)两方面对所述装置和方法进行改进。

另外，尽管至今已知的流量计提供测量仪器***和拔出能力同时维持压力，尽管分离管内的上游流动调直器以调节流动是已知的，至今还没有在流动的调节区域同时调节流体速度分布(velocity profile)和压力感测的装置或设备。至今已知的流量计需要长的、直的上游导管，因而依赖于***上游管道***的构造，来稳定和校正速度分布。可以利用一种装置改善这些缺点，特别是这种装置和均速皮托管型探头一起使用，该装置可以包括整体式的***/拔出能力。

发明内容

本发明提供一种用于利用流体加速来进行流体特性测量的装置和方法。所述装置和方法提供大大提高的精度和效用(量程)。所述装置包括在特性测量前提供一个调整距离的流体流动加速器和调节器，籍此所述流体加速(在大多数情况下，超过两倍的管线速度)、稳定、并且其速度分布线性化。所述装置是高度精确的(达到大约1.0％)和可重复的(达到大约0.1％)、不需要校准，其量程达到和超过50∶1，并且具有低的信噪比。所述装置在该装置之前几乎不需要用于精确读数的直管流动(将此前所知的直管流动距离需求减小80％)，并且使用时的压力损失很低。所述装置特别适用于提供的流体速度不足产生可读取信号的场合。

本发明所述装置的流动加速器和调节器可连接在承载流体的导管内，并且具有一个用于通过限制来自导管的流动而使经过所述装置的流体加速流动的收缩入口。一个横截面基本上恒定且从所述入口向下游延伸的线性部分，该线性部分具有一个从所述入口间隔开一个足够距离的开口，该距离选择成允许所述流体的流动在所述线性部分内经过所述开口之前得以稳定和线性化。一个测量仪器的一部分穿过所述开口并伸入所述流动加速器和调节器的线性部分内。

所述测量单元优选地包括一个单接头流体流动测量单元(例如一个均速皮托管)，其性能由本发明的装置大大提高。所述线性导管部分具有基本上恒定的直径，该恒定的直径小于导管的直径。在安装时在测量单元的周围的所述收缩入口和线性导管部分处建立对流体流动的第一和第二选定限制，入口的尺寸和所述线性部分的恒定直径选定成使得流动限制得以协调，籍此有助于调节流体流动并提高测量精度，同时仍然允许足够的通流。提供装置用于接纳和固定测量仪器邻近线性导管部分的开口的那部分。

本发明的所述装置优选地用于使得可以在一根导管内对流动流体进行压力测量。所述装置的流动调节器部在一端与所述装置的加速器部的较小直径相配合并且具有一个出口端。始于所述开口的上游线性长度选定成使得在流体经过所述加速器部之后并在所述开口之前所述流体的内能、静压力以及速度矢量能够稳定并线性化。所述测量单元具有可定位在流经所述流动调节器部的流体内用于测量该处压力的端口，位于所述流动调节装置内的那部分代表一个堵塞区域。所述较小直径、所述在较小直径和开口之间的直线长度、和所述堵塞区域选定成使得所述装置的工作范围可以达到至少大约25∶1的流动测量量程，且其流动系数恒定、独立于流体流动速度或雷诺数。

本发明的方法包括以下步骤：增大流体流经导管的速度；然后调节流体的流动使得所述流体的内能、静压力和速度矢量稳定和线性化。在所述速度增加以及流动调节后的流体中进行感测以测量所需要的特性，所述特性测量的工作范围可以达到至少大约25∶1的量程，且其流动系数恒定、独立于流体流动速度或雷诺数。

因此本发明的目的是提供用于使得可以使用流体加速进行流体特性测量的装置和方法，所述装置和方法提供大大提高的精度和效用(量程)，籍此使流体加速和稳定，并且使得流体的速度分布在测量之前线性化，和/或所提供的装置是高度精确的和可重复的，不需要进行校准，量程达到和超过大约25∶1，并且具有低的信噪比。本发明的进一步的目的在于：在所述装置和方法中在导管内测量选定的流体流动特性并且能够产生一个独立于流动速度和雷诺数、基本上恒定的流动系数，和/或使得在一根导管内进行的流动流体压力感测包括在流动流体的调节区域内同时进行流体速度分布调节和压力感测。

对于所考虑的这些和其它目的，本领域的普通技术人员通过后续的描述将逐渐明了，本发明在于部件的新颖构造、组合以及设置以及基本上如下文所描述的方法，并且由所附权利要求更具体地确定的，可以理解对在此公开的精确具体实施例进行的改变包括在所述权利要求的范围内。

附图说明

附图示出一个根据至此为止所述原理的实际应用的最佳模式的本发明完整实施例，在所述附图中：

图1是一个示出本发明装置的部分剖视图；

图2是一个沿图1的剖切线2-2剖切的部分剖视图；

图3是一个示出本发明装置性能的曲线图；

图4另一个示出本发明装置性能的曲线图；

图5是一个与在本发明装置处读取的高压和上游静压力比较的表；

图6是一个沿图1的剖切线6-6剖切的剖视图；

图7是本发明所述装置的仪器头部的部分俯视图；

图8是一个部分地经过图7的8-8剖切线的部分分解剖视图；

图9是本发明装置的另一个部分剖视图；

图10是一个沿图9的10-10线剖切的部分剖视图；

图11是本发明另一具体实施例的部分剖视图；

图12是图11中装置的仪器头部的部分俯视图；

图13是本发明再一具体实施例的部分剖视图；

图14是本发明又一具体实施例的部分剖视图；

图15至18是示出本发明装置的不同安装方式和构造的部分剖视图；以及

图19至21是示出本发明装置中单接头压力感测仪器安装方式的部分剖视图。

具体实施方式

本发明的装置30的第一具体实施例在图1、2和图6至10中示出。图1示出装置30，该装置30包括一个带螺纹的流动加速和调节的测量计主体31，测量计主体31在其相对端部(入口端37和出口端39)处的安装表面处安装于一段带螺纹的管或管道42中间(如下文所述，当然也可以采用其它安装匹配方式)。测量计主体31包括加速器部44，加速器部44具有收缩入口46，收缩入口46是一个把流体灌入一体的流体调节器部48的流体限制特征，流体调节器部48包括线性的(或直的)、横截面大致恒定的导管部分50，导管部分具有圆形直径(d)和预先设定的长度。

如同下文所述的，线性部分的尺寸选择成提供一个调整距离，在该调整距离中使已加速的流体在测量之前稳定并且使速度分布线性化。在距离收缩入口46的切点(t)一个预先设定长度距离(或长度)(1)的选定位置处，形成一个穿过测量计主体31的开口54，开口54大致以直角进入调节器部48。开口54容纳带螺纹的压缩装配件56，该压缩装配件56包括：主体58、套圈(或压缩环)60以及螺母62。距离(1)选定成足以允许流体的流动通过开口54进入线性部分之前实现稳定和线性化，如同下文将讨论的。距离(1)优选为等于线性导管部分50的直径的大约八分之一至直径的七倍，取决于具体情况。例如，在较小的直径(d)(达到两英寸左右)时，大约一倍的直径(d)通常就足够了；但是中等或较大的直径需要小一些的距离，但是无论如何至少大约两英寸。

收缩入口46是一个预先设定的四分之一圆或椭圆圆角，限定于加速器部44的内表面66和壁表面64之间(壁表面64优选地在导管42处提供一个陡变的不连续处，且表面64与导管42内的流体流动方向成大约90°的角度，籍此产生一个中断表面(disrupted surface)剥离任何边界层(即维持一个紊乱的边界层)以及降低由该处管壁产生的水流阻力，使得可以进行更精确的测量；在此处也可以采用其它装置，例如粗糙表面，来实现相同的目的)。收缩入口46的构成优选地从导管42的直径(D)均匀地减少至调节器部48的线性导管部分50处的直径(d)，籍此在部48处加速流动(优选地超过导管42中的流体速度的大约两倍)。虽然不是优选的，其它的均匀减小的入口构造，例如锥形或钟形、或文氏管型，也可以使用，尽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延伸穿过开口54进入测量计主体31的调节器部48并且由压缩装配件56固定至主体31。在开口54处利用已知的改型可以为皮托管68提供***/拔出能力(如下文所示)。预先设定的直管段——其半径大致恒定，长度(s)优选等于线性导管部分50直径的大约八分之一至三倍——优选地设置在开口54和皮托管68的下游，以维持皮托管68的测量点前后具有相同的速度断面(如上文所讨论的关于距离(1)的选取，长度(s)的选取在小的和较大导管直径(d)直径之间具有大约相同的变化)。尽管没有示出，在均速皮托管68的下游侧预先设定的长度(s)之后，一个扩散体部(例如，一个锥形扩散体)可以位于调整器部48处，以在离开测量计主体31之前逐渐增大线性导管50的直径(为了减小永久的压力损失)。

均速皮托管68如下文所描述的，是一个单接头感测/测量单元(与多接头仪器截然不同、典型地与流动分向仪器(flow diverting instrument)或需要一个分离的上游压力接头用于动态补偿气体密度的仪器截然不同)，该单元用于在放置于主体31的调整器部48处主流动通道内时感测所述单元的高压和低压端口处的压力。如同在此所使用的，在采集差压以确定流率之外，皮托管68是用于采集压力读数的仪器的一部分或整体。

均速皮托管68的管70是子弹形的、双腔传感器器管(在现有技术中公知)，该管延伸穿过遮盖管80并且连接至仪器头部82和连接板84。多个正对上游的高压端口86(见图6)感测所述冲击(或高)压。以类似的方式，低压由多个位于传感器管70两侧的侧向低压端口88感测。高压和低压端口位于距导管部分50预先设定的距离处。

图2最好地图示导管42内直径(D)和导管部分50的较小直径(d)的临界阻塞比率或β比率(beta ratio)，以及在(d)处限定的内面积(a)和导管部分50内由均速皮托管阻塞的面积(cxd)的比率。这些比率与收缩入口46的圆角的功能、测量计主体31在端部37和39(图1)之间的整个长度、均皮托管68的位置和其它因素相结合确定测量计精度以及由工作范围或量程(最大流率/最小流率)确定的效用。

装置30的最优功能部分地依赖于均速皮托管68在导管部分50内的相对阻塞和上游导管42的收缩入口46导致的阻塞之间的恰当关系。每个堵塞导致流体加速。当流体速度在最小通道处达到声速时(也称为扼流条件)确定***能够工作的流率上限。通过在此选择阻塞率，可以测量可得到的最大流率，而仍然在尽可能大的范围内线性化和调节流动分布。本发明的装置提供一种双重阻塞效应，在导管42和导管部分50(喉阻塞)之间维持选定的比率，并且在导管部分50和流体能够流过均速皮托管68的缩减面积之间维持选定的比率(均速皮托管确定的阻塞)。

如果从导管42至导管部分50没有足够的面积减小，流动流体的速度分布将不能充分地调节，因此均速皮托管68进行的流动测量将是折衷的。如果在导管部分50处均速皮托管68没有进行足够的阻塞，激震前沿(shock front)(当测量计工作于扼流条件下时)将侵入均速皮托管68的低压感测端口88。这将是有害的，因为在声速流的激震前沿出现不稳定的压力波动。如果导管部分50在导管42处产生的阻塞或在流体能够经过均速皮托管的导管部分50的缩减面积处的阻塞太大，那么装置30的流动范围急剧缩小。

装置30的构造提供协调的喉阻塞和允许足够大通流的均速皮托管阻塞的双阻塞效应，此构造有助于流动的正确调节并使皮托管更正常地工作，特别是确保在扼流条件下的激震前沿将不会侵入均速皮托管68的低压端口88。当均速皮托管68低压感测端口88如这里所示位于均速皮托管的侧面而不是位于其尾部时，此构造是特别有用的。

此装置的独特之处在于比率D/d、测量计主体31在端部37和39之间的整个长度以及均速皮托管68导管部分50的内直径(d)的阻塞百分比选择成加速流体从而扩展装置30的工作范围和精度。由(a-(cxd))/a确定的面积比用于确定均速皮托管68的流动系数。这些比率和其它因素在计算中用于确定流动测量计精度和工作范围。图3示出用来确定一个特定应用(在测量计主体31内d＝1.35英寸，实线代表平均流动系数，虚线示出一个加减1％的区间套，并且菱形标识符位于数据点处)的工作范围(量程)。所述数据验证了一个好于25比1的流动量程以及一个独立于速度或雷诺数的恒定流动系数(实际流率除以理论流率)(通常超过50比1，在此大约65比1，0.00705PPS到0.4594PPS，并且在一些后来的测试中显示接近100比1的量程)。如同在此所用的，量程定义为最高的可测量流率(装置的精确度在大约±1％的范围内)除以最低的可测量流率(装置的精确度在大约±1％的范围内)。

装置30的一个特别有利的特征在于，测量计主体31的流动调节器部48的距离(1)稳定并校正扭曲的、不对称的速度分布(如下文所讨论的)。这允许装置30在处于靠近上游干扰物例如管道42内的弯管接头、阀、T形接头等等时在一个扩展的量程内进行精确测量。图4示出测试结果(利用与图3中报告的类似测量条件)，该测试结果报告装置30在用装置30上游的导管42的一个极短直线段测量流率的精度。所述数据证明装置30在其上游的直管段长度小于导管42直径的两倍时(发现在许多应用场合一倍已经足够)可精确地测量流率。

关于装置30的流动调节器部48，当流动的流体快速会聚时流体分子加速并且其动能增加。动能增加的一个结果是流体的内能减小，这是通过静压力减小而实现的。这与伯努利方程式和热力学第一定律一致。当将测量静压力作为流动测量的一种方法时，在流体加速进入装置的喉部时假定一个绝热(没有热量损失或收益)和等熵(没有摩擦损失)的过程。当发生快速加速时(特别是在喉部直径很小且流体分子对于改变振动能状态敏感时，例如二氧化碳和蒸气之类的气体，或如水之类的液体)此假设不成立。这导致偏离伯努利方程式，并且导致在流动测量装置中的流动参数产生误差。

为了允许规范流体分子的振动能，装置30在导管部分50处提供一个从入口46的最小收缩点算起的直线流动距离(1)(如同已经讨论的，优选地大约八分之一至七倍的管直径(d))。该调整长度允许流体分子规范至其先前的振动状态(并且流动矢量合理化(rationalize))，籍此使得静压力代表流过装置的流体的真正内能，并且允许进行更精确的测量。

此前，设备设计中经常假定在流体加速时流体分子的能量状态处于平衡态。但是，在喉部直径很小(普遍存在于这里感兴趣的应用中)时，液体出现快速加速的转变距离可以很小。当此很小的直线距离与喉部内的高流体速度(经常接近一马赫)结合时，转变所用的时间是非常短的。例如，对于0.25厘米的转变距离和在大气压下及在60F°的环境温度下大约为0.95马赫的喉部流体速度(喉部速度大致等于250m/sec或25,000cm/sec)，流体分子在0.00001秒(10微秒)内经过转变区域。

因为流体分子经过此转变距离所需的时间极短，在转变时流体分子的振动能量状态不处于平衡状态，这与通常的假设相反。此现象已经在试验中观察到(其中对二氧化碳气体观察到的排出系数高于小喉部圆形入口声速喷嘴的预测值)。由于这个短暂的转变时间，内能(作为流体压力测量)在转变时以及在紧接转变后暂时处在一个振动能量增加状态，因为一部分内能转变为这份附加的振动能量，该处压力将低于预测值。

在本发明的装置30中使用一个延长的整体喉部长度(从收缩入口46的切点(t)量至出口端)结合切点(t)下游的一个调整距离(1)处的压力感测大体上消除了在均速皮托管处68的测量点处经过此装置的流体分子不平衡的振动能量状态。特别是，切点(t)和均速皮托管68之间的距离(1)允许流体分子的振动能量达到平衡并且从而所感测的压力更加接近流体的实际内能。

本发明装置30的构造还补偿流体在收缩入口46内加速时静压力的改变(籍此，无需采用分离的上游压力接头来动态地补偿气体密度)。比较在流体调节器部48的导管部分50内由均速皮托管68的上游端口86所测得的动态压力与在导管42处上游压力测试接头所测结果的测试显示两个压力非常一致(精度达到0.2％或更小)(见图5，其中P1表示上游压力测试接头测量值，P2表示由均速皮托管68的上游端口86测量的压力)。

在装置30内的测量点处产生与导管42内的上游静压力基本上相同的压力，是通过结合包括收缩入口46、导管部分50的延长的喉部长度以及均速皮托管68的上游动态压力感测端口86在内的元器件而实现的。这两个压力的一致在计算流体经过装置30的流体密度时改善了流体流率测量的精确度。

例如，因为气体测量的流体密度直接与气体的压力成比例，并且对于诸如均速皮托管68之类的差压装置，流率的确定受到气体密度的平方根的影响，压力测量精度的提高以平方根的方式提高了流率测量的精度。利用流率对气体压力的偏导数——因为其影响气体密度和压力测量的不确定度的乘积——人们可以根据提高的压力测量精度确定净提高的流率精度。在诸如本发明优选实施例中的产生差压的均速皮托管68的平方根装置内，流率对气体压力的偏导数对压力的不确定度产生一个0.5倍因子作为其对流率测量的影响。从而当使用此种差压装置时，压力测量中10％的误差在流率测量中产生5％的误差。因此，通过大大减小压力测量的误差，流率测量的精度显著提高。

除了以上描述的分子振动状态稳定化之外，导管部分50相对于入口46的构造校正此前遇到的不稳定静压力问题。在加速器部44的收缩入口46与流动调节器部48的导管部分50接合处的切点(t)处的气体速度很高时，局部的流体速度超出声速并且认为是超音速的。注意，此现象产生不稳定的静压力，导致在使用压力来确定流率的装置(即诸如均速皮托管之类的差压装置)中产生误差。装置30通过将压力感测元件(皮托管68)置于离切点(t)一个选定的距离(1)处而避免此问题。避免将切点(t)下游及其附近的不稳定区域作为测量位置。

除在收缩入口46的切点(t)处及该切点附近区域处避免甚至为超音速的不稳定流体速度(当上游管速度很高时)之外，离切点的距离(1)对流体速度分布提供附加的调节。非同轴的流体速度矢量通过流体的粘性效应而在导管部分50的距离(1)上重新校准。

如果两层相邻流体以不同的速度和不同的方向运动，它们将趋向于彼此影响。在相邻流体层的影响下，速度慢的流体层趋向于加速运动，而速度快的流体层趋向于减速运动。因为流体矢量的主要方向是同轴的，非同轴的流体矢量将被重新校准为同轴的。从而，导管部分50中更长的距离(1)允许在测量前同轴速度流体层对非同轴速度流体层施加更多的影响(非同轴速度流体矢量能够显著地降低在均速皮托管68处的测量精确度)。因为流体越粘延长的喉部长度在校正非同轴流体速度矢量方面的作用越明显，所以对于越粘的流体(例如水)装置30的测量越有利。

图6是均速皮托管70的一个截面图。注意，管70是子弹形的(具有轻微扩展的角度(a)，该角度大约为8度)。高压腔101与多个位于正对上游的管70的前表面的高压端口86连通。低压腔105位于管70的后部107处并通过多个位于管70各侧上并处在后壁部107处的管70最大宽度(m)处和漩涡脱落的流体分离点109之前的低压端口88而连通。前表面103表面粗糙以维持一个薄的紊流边界层而减小提升力、阻力和漩涡分离力(shedding force)并产生一个恒定而精确的流动系数。

均速皮托管仪器头部82是一个常用的设计(图7和图8)。高压通过孔115从均速皮托管68的管70的腔101连通至连接板84(见图1)处的通道117，连接板84联接至管70和仪器头部82，形成了一个压力密封腔。高压进一步通向穿过仪器头部82的孔119。以类似的方式，低压通过孔121从低压腔连通至连接板84处的通道123，并且通向穿过仪器头部82的孔123。环形槽127容纳衬垫128，并且设有一个隙孔129用于利用螺栓固定所述仪器。遮盖管80连接至连接板84和仪器头部82以维持测量计主体31内的静压力并提供一个由压缩装配件56接合的圆形表面。

图9和图10示出将一种标准的、市场上可买到的仪器阀歧管135和单个差压变送器(转换器)136在仪器头部82处连接至流动感测均速皮托管68的一种方法。歧管135通过螺栓连接至仪器头部82以压紧高和低压衬垫128(在8中示出)，从而在那形成压力密封。以类似的方式，变送器136通过螺栓连接至歧管135。经常采用其它连接方式，诸如间接(remotely)安装歧管和变送器。使用管道和适配件来将高压和低压连通至歧管135和变送器136，这已经是广为人知的技术。

歧管135包括高压切断阀138、低压切断阀140以及均压阀142，均压阀142在打开时允许高压和低压混合，籍此将差压(高压-低压)减小为零。歧管135用于将作业流体从变送器136隔离开，用于维修或更换变送器136、以及校验或改变变送器的校准。差压变送器136转化来自均速皮托管68的高压和低压信号，并将模拟电信号或数字电信号输出至计算流率的流动计算机或控制***(显然可以采用本发明的装置来采集其它数据)。

图11和12示出将测量计主体31和均速皮托管68与包括两个标准的、市场上可买到的仪器阀歧管150和152以及差压变送器154和156的输出仪器相连的另一具体实施例。板158通过螺栓连接至均速皮托管仪器头部82，使用与前述类似的衬垫来在板158与头部82和歧管150和152的分界处密封高压和低压。

板158包括形成于其内的通道160，允许高压通过开口162(从位于头部82处的孔119；图7)与两个歧管150和152的相应的高压连通，允许高压通过开口164和166分别与变送器154和156连通。通道168通过开口170(从位于头部82处的孔125；图7)将低压分别连通至歧管150和152以及通过开口172和174分别连通至变送器154和156。

使用两个变送器扩展了工作范围——通常称为量程。单个变送器能够精确地读出6∶1的量程(例如，最大流率120GPM-最小流率20GPM)。增加第二变送器将工作范围(量程)扩展至36∶1(6的平方)。该量程甚至能够进一步地扩展至超过100∶1，而精度只轻微地降低。

如上所讨论的由均速皮托管68的上游端口86测得的动态压力和在导管42内的上游静压力很接近，这允许替代地以更高的精确度使用多变量变送器(因为由变送器感测的压力与收缩入口46前的上游动态压力基本上相同)。由于无需穿入测量计主体31上游的导管42，从而获得了很大的经济上和维护上的好处。附加的穿入上游的导管42需要附加的硬件和适配件来将静压力引回至多变量变送器。进一步地，当前的多变量变送器不能接收与取自任何例如均速皮托管68的单接头差压测量仪器的上游压力和下游压力分离的静压力输入。

图13和14示出多变量变送器180的使用，多变量变送器180用于与本发明的装置30相结合而输出一个压力、温度和补偿流动信号。变送器180感测来自皮托管68高压端口86的压力。一个从RTD(resistancetype device，阻力型装置)输入至变送器的独立信号提供温度测量。图13示出一个带有一个一体式RTD 182和连接盒184的均速皮托管68，RTD 182位于皮托管管子70的低压腔内并伸入测量计主体31的导管部分50内。图14示出一个分离的热电偶188，该热电偶维持RTD 182和连接盒184。如上参考图11所讨论的，能够利用两个多变量变送器180来扩展装置30的量程。

一个简单差压变送器与一个静压力变送器结合使用的非多变量变送器***的一个优点，可以通过允许省略导管42的上游静压力穿入的装置而利用本发明来实现。在此具体实施例中，一个与静压力变送器结合使用的简单差压变送器可以与仪器头部相结合，在孔119上方利用一个T形适配件连通相应的差压与静压力变送器(对于本领域的普通技术人员来说是明显的)。图15至图18公开了允许将装置30的测量计主体31连接在导管42内的各种其它的构造和方法。图15示出的测量计主体31带有用于焊接至相应斜角导管42的斜角195。图16示出的一个焊入测量计，其中焊接突起195贯穿测量计主体的周边以允许在导管42处焊接。图17示出一个位于加速器部44处的凸缘式测量计部199，并有线性的导管部分50位于较大导管部分200内，较大导管200的直径与导管42的直径相等并具有用于接纳并密封均速皮托管68的管子70的校准开口201。凸缘部199包括通过螺栓连接至加速器/流动调节器单元203的凸缘单元202。凸缘部199固定在环形凸缘204处，籍此允许移去凸缘部199并在凸缘单元202处更换凸缘单元203(例如，用一个替换单元或具有不同流动特征的不同尺寸的单元进行更换)。图18示出主体31的一个圆片构造，该圆片构造固定在导管42处的两个凸缘205之间和固定杆/螺母组合206之间。

图19至图21示出均速皮托管各种可选的安装部件中的几种，特别是那些可以简便地***测量计主体31以及从测量计主体31移走的安装部件。图19示出一个焊入的测量计主体31(如图15所示)，该测量计主体31带有一个热帽模型，该热帽模型有连接螺纹208允许在满工作压力下将均速皮托管68***或拔出。测量计主体31的圆片体构造(如参考图18所讨论的)在图20中示出，其带有一个凸缘部210，该凸缘部使得均速皮托管68可从仪器主体82分离。在图21中，示出一段带有热帽模型和凸缘式连接212的管子，其允许将均速皮托管在满工作压力***或拔出。

尽管在此公开了使用一个均速皮托管(平方根测量计)来提供流率或其它测量，可以利用一个目标测量计测量置于测量计主体31的导管部分50内的一个圆盘的偏差，如同一个简单的单点皮托管那样。另外，本发明的装置能够构造成与线性装置一起使用，所述线性装置为可产生与流率线性相关的信号的装置(诸如漩涡测量计、热散布测量计、磁测量计、或超声波测量计)。另外，在此示出的各种仪器阀歧管能够构造成与仪器主体82成为一个整体。

根据前述内容可以理解，所提出的使用流体加速来测量流体特性的装置和方法大大提高了精度和效用(量程)。所述装置包括一个流体流动加速器和调节器，在进行特性测试之前提供一个调整距离，籍此使流体加速(超过管线速度的两倍)、稳定，并使流体速度分布线性化。所述装置是高精度的(达到大约1.0％)和可重复的(达到大约0.1％)，不需要校准，具有达到并超过25∶1的量程(通常超过50∶1，某些测试中高达100比1)，并且具有低的信噪比。所述装置在该装置之前几乎不需要直管流动(将至今为止已公知的所需直管流动长度减少达80％)而精确地读取测量值并且在使用中压力损失可以很低。所述装置特别地可以用在所提供的流体速度不足于产生可读取信号的应用场合。

Claims (29)

1. 一种用于在一根导管内对流动的流体进行特性测量的装置，包括：

一个流动加速器和调节器，其可以连接在所述导管内并具有一个构造成使流经导管的流体加速流动的收缩入口和一个横截面基本上恒定且从所述入口向下游延伸的线性部分，该线性部分具有一个开口，该开口离所述入口一足够的距离，该距高选择成足以允许所述流体的流动经过所述开口通过所述线性部分之前得以稳定和线性化；以及

一个测量仪器，该测量仪器的一部分穿过所述开口并伸入所述流动加速器和调节器的所述线性部分内用于在该处进行特性测量。

2. 如权利要求1所述的装置，其中，所述仪器的所述部分是一个无需分离的上游或下游接头的用于测量高压和低压的单接头单元。

3. 如权利要求1或2所述的装置，进一步包括位于所述流体加速器和调节器的所述线性部分处的***/拔出装置，用于允许在满工作压力下将所述仪器的所述部分在所述线性部分处***或拔出。

4. 如权利要求1或2所述的装置，其中所述流动加速器和调节器的所述线性部分具有一个直径，并且其中所述足够的距离大于等于所述直径的八分之一并且小于等于所述直径的七倍。

5. 如权利要求4所述的装置，其中所述线性部分的长度足以使得所述大致恒定的横截面在所述开口的下游维持一至少等于所述直径的大约一倍或等于50.8mm的选定距离。

6. 如权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述仪器的所述部分是一个具有正对上游的高压端口和侧向低压端口的均速皮托管。

7. 如权利要求6所述的装置，其中所述均速皮托管具有从所述正对上游的高压端口向下游延伸至一个后壁部的侧壁，所述侧壁彼此相对稍微扩展，所述低压端口位于所述后壁部前的所述侧壁处。

8. 一种用于提高可置于导管内的单接头流体流动测量单元的性能的装置，包括：

一个位于所述导管处的收缩入口，其对所有流经所述导管的流体的正常流动提供第一选定限制而加速流体流动；

一个从所述收缩入口向下游延伸并具有一个小于所述导管直径的恒定直径的线性导管部分、沿着所述线性导管部分在与所述收缩入口间隔开的一个选定位置形成一个构造成接纳所述测量单元的开口，所述恒定直径选定成在已安装时在所述测量单元处对流动进行第二选定的限制，所述选定的流动限制在仍然允许足够大的通流的同时协调对流体流动的调节以及提高测量精度；以及

邻近所述开口用于在所述开口处容纳和固定所述测量单元的固定装置。

9. 如权利要求8所述的装置，其中所述收缩入口包含一个安装表面、一个能够在所述导管内相对于流体流动方向以大约90°角度定位的面、以及一个在所述线性导管部分的所述恒定直径和所述面之间确定的圆角。

10. 如权利要求9所述的装置，其中在所述确定的圆角和所述面的相交处确定一个陡变的不连续。

11. 如权利要求8至10中任一项所述的装置，其中所述线性导管部分位于一个直径相当于所述导管直径的更大导管部分内。

12. 如权利要求8至10中任一项所述的装置，进一步包括位于其相对的端部处用于将其定位和固定在所述导管处的安装装置。

13. 如权利要求8至10中任一项所述的装置，其中所述线性导管部分具有一个出口端，并且其中所述开口位于所述线性导管部分处距离所述出口端一个大于等于所述恒定直径的八分之一并且小于等于所述直径的三倍的距离。

14. 一种可以在具有一直径的导管内测量流动流体压力的装置，包括：

加速器部，其位于所述导管处并具有收缩入口，通过将横截面面积限制至一个较小的直径而增加流体流动速度；

流动调节器部，其具有横截面恒定且从所述收缩入口向下游延伸的线性部分，用于调节流体的流动并在一端处与所述加速器部的所述较小直径配合并且具有一个出口端，所述流动调节器部在所述端之间具有一个开口，且所述线性部分在所述开口上游的线性长度选定成使得在流体经过所述加速器部之后并在所述开口之前所述流体的内能、静压力以及速度矢量能够稳定并线性化；

压力测量装置，其一部分在所述流动调节器部处通过所述开口，带有可置于流经所述流动调节器部的流体内用于测量该处的压力的端口，位于所述流动调节器部内的所述部分代表一个堵塞面积；以及

所述较小直径、所述长度和所述堵塞面积选定成使得所述装置的工作范围达到至少25∶1的流动量程，且具有一个独立于流体流动速度或雷诺数的恒定流动系数。

15. 如权利要求14所述的装置，其中所述量程达到或超过50∶1。

16.如权利要求14或15所述的装置，其中所述压力测量装置包括一个单接头单元，并且所述部分具有一个正对上游的高压端口和一个低压端口，所述较小直径和所述堵塞面积选定成使得在所述高压端口处的读数基本上与导管内的上游静压力一致。

17. 如权利要求16所述的装置，其中所述较小直径和所述堵塞面积构造成使得所述基本上一致为大约0.2％。

18. 如权利要求16所述的装置，其中所述压力测量装置的所述部分包含一个均速皮托管用于平均在所述流动调节器部内测得的高压和低压。

19. 如权利要求18所述的装置，其中所述压力测量装置进一步包含一个与所述均速皮托管相连的多变量变送器。

20. 一种用于对在一导管内以一个速度流动的流体进行特性测量的方法，包括以下步骤：

以收缩入口增大所述速度；

以线性导管部分调节流体的流动使得在增大所述速度之后所述流体的内能、静压力和速度矢量稳定和线性化，所述线性导管部分在一个从所述收缩入口间隔开一个足够距高的开口之前具有恒定的横截面；

于所述开口处在所述速度增加以及流动调节后的流体流中进行感测以进行所述特性测量；以及

在一个工作范围内测量所述特性，该工作范围的流动量程达到至少25∶1，且流动系数恒定、独立于流体流动速度或雷诺数。

21. 如权利要求20所述的方法，其中所述在流动中感测的步骤包含感测高压和低压读数，所述读数为流动中的平均读数。

22. 如权利要求21所述的方法，其中所述在流体流中感测的步骤的特征在于所述高压读数基本上与导管内的上游静压力一致。

23. 如权利要求20至22中任一项所述的方法，进一步包括在感测后维持所述流体流动的速度分布的步骤。

24. 如权利要求20至22中任一项所述的方法，其中具有直径的所述线性导管部分有一个长度，该长度大于等于所述直径的八分之一并小于等于所述直径的七倍。

25. 如权利要求20至22中任一项所述的方法，其中所述增大所述速度的步骤包含限制流体流动的步骤。

26. 如权利要求25所述的方法，其中所述调节所述流体的流动的步骤包含一个维持流体以增大的速度流过流体流中感测点的步骤。

27. 如权利要求26所述的方法，其中所述限制流体流动和维持增大的速度的步骤包括相对于导管直径减小流动路径的直径以及将减小的直径保持到超出在流体中的所述感测点。

28. 如权利要求27所述的方法，其中所述减小的直径始于流体中的所述感测点之前并且线性维持的距离至少等于所述减小后的流动路径直径的大约一倍或大约两英寸。

29. 如权利要求20至22中任一项所述的方法，其中所述工作范围超过50∶1的量程。

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