專利名稱：降噪壓差測量探頭的制作方法
背景技術(shù)：
加工工業(yè)采用了過程變量傳感器來監(jiān)測與化工加工廠、紙漿加工廠、石油加工廠、制藥廠，食品加工廠及其它加工廠中的物質(zhì)，如固體，懸浮液，液體，蒸汽及氣體相關(guān)的過程變量。過程變量包括壓力、溫度、流量、水平、渾濁度、密度、濃度、化學組成及其它參數(shù)。工作流體流量變送器提供了與探測的工作流體流動相關(guān)的輸出。流量變送器的輸出可通過過程控制回路與一控制室聯(lián)系，或者該輸出可以與另一處理裝置相連，這樣，可以對所述過程進行監(jiān)測和控制。
通過調(diào)節(jié)管道的內(nèi)部幾何形狀并采用有關(guān)流動流體中測得的壓力差的算法來測定封閉管道中測量流體流速已經(jīng)是公知的了。通常，通過例如采用文氏管來改變管道的橫截面，或通過插入如節(jié)流孔板或平均皮托管等流量調(diào)節(jié)裝置的管道中來改變管道的幾何形狀。
平均皮托管通常包括一略微阻止管道內(nèi)流體流動的異形非流線體。一些平均皮托管中的一個局限性在于探測的壓力差數(shù)據(jù)中的信噪比較低。在壓差測量裝置，如流量變送器的文獻中，“噪音”指的是從一個數(shù)據(jù)點至另一個數(shù)據(jù)點讀取的平均壓力讀數(shù)所得的瞬間偏離。壓力差傳感器的皮托管中產(chǎn)生的噪音起源于朝向皮托管側(cè)部上游側(cè)的沖擊壓力傳感器和通常在皮托管下游側(cè)的非沖擊壓力端口。
隨著壓力差傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越復(fù)雜和靈敏，因此，它們也對壓力感應(yīng)元件產(chǎn)生的噪音也變得越來越敏感，并且越來越易受其影響。因此，壓力差感應(yīng)元件，如流量變送器的噪音特性在其選擇和操作中變得更為重要。因此，有必要提供一種改進信噪比的壓力差感應(yīng)元件。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種具有改進信噪比的壓力差測量探頭。該探頭包括一帶有至少一個細長沖擊孔的沖擊表面，所述沖擊孔具有一個縱向部分。選擇沖擊孔的寬度以小于限定沖擊面的第一增壓腔的內(nèi)部寬度。一非沖擊表面設(shè)有至少一個用于測量第二壓力的非沖擊孔，以便能夠測量沖擊表面和非沖擊表面之間的壓力差。
附圖簡介

圖1和2為說明本發(fā)明實施例中工作環(huán)境的過程測量系統(tǒng)的示意圖。
圖3a和3b分別為過程測量系統(tǒng)12和壓力差測量探頭20的系統(tǒng)框圖。
圖4為說明本發(fā)明實施例中沖擊孔的T形非流線型體的局部透視圖。
圖5為沿圖4中3-3線所示的橫截面圖。彎曲的箭頭指示了非流線型體周圍流體流動的一般方向。
圖6為說明平面非流線型體的另一實施例的局部透視圖。
圖7為說明平面非流線型體的大致V形橫截面的另一實施例的局部透視圖。
圖8為另一實施例的局部透視圖，其描述了平面非流線型體的大致U形橫截面。
圖9a-9f為非流線型體形狀的頂部平面圖，這些形狀能與本發(fā)明實施例中改進的沖擊孔一起使用。
圖10和11為說明本發(fā)明降噪實施例中壓力隨時間變化的曲線圖。
詳細說明雖然參照壓力差測量探頭的特定實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，但是本領(lǐng)域有經(jīng)驗的技術(shù)人員應(yīng)認識到在不偏離本發(fā)明思想和范圍的基礎(chǔ)上，可以對本發(fā)明的形式和細節(jié)作出改動，對此將在所附的權(quán)利要求中進行限定。
圖1為過程控制系統(tǒng)10的示意圖，其描述了本發(fā)明實施例中工作環(huán)境的一個例子。壓力測量系統(tǒng)12通過程控制回路16與控制室14(由一電壓源和電阻模制而成)相連。回路16能夠采用任何正確的協(xié)議在測量系統(tǒng)12和控制室14之間傳遞流體信息。例如，過程控制回路16根據(jù)加工工業(yè)標準協(xié)議，如Highway Addressable Remote Transducer(HART),FOUNDATIONTMFieldbus或其它任何適合的協(xié)議進行工作。
圖2描述了一種工作流體容器，如管道或封閉管道18的剖視部分，在其內(nèi)部安裝有一個平均皮托管型的壓力差測量探頭20。非流線型體22沿徑向橫跨管道18的內(nèi)部。圖2中方向箭頭24表明了管道18中流體流動的方向。一流體歧管26和流量變送器13如圖所示，被安裝在皮托管20的外端。變送器13包括一壓力傳感器28，該壓力傳感器經(jīng)通道30(在圖2中以剖視圖所示)與探頭20流通地相連。
圖3a和3b分別為壓力差測量系統(tǒng)12和壓力差測量探頭20的系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)12包括流量變送器13和壓力差測量探頭20。在一些實施例中，流量變送器13和探頭20可以預(yù)制匹配，以便在特定的流量差測量應(yīng)用中提高精確度、壽命和識別能力。系統(tǒng)12可與一過程控制回路，例如回路16相連，并適于傳遞與管道18流體流動壓差相關(guān)的過程變量輸出。系統(tǒng)12的變送器13包括一回路通信裝置(loopcommunicator)32、壓力傳感器28、測量電路34及控制器36。
回路通信裝置32可以與過程控制回路，如回路16相連，并適于與過程控制回路進行聯(lián)系。這種聯(lián)系可根據(jù)任何適合的加工工業(yè)標準協(xié)議，如上文所討論的協(xié)議進行。
壓力傳感器28包括經(jīng)通道30分別與第一增壓腔42和第二增壓腔44相連的第一端口38和第二端口40。傳感器28可以是具有響應(yīng)所施加壓力變化的電特性的任何裝置。例如，傳感器28可以是作用在電容響應(yīng)端口38和40間的壓力差變化的電容壓力傳感器。如果需要，傳感器28可以包括一對壓敏元件，以便每一增壓腔均與其自己的壓敏元件相配合。
測量電路34與傳感器28相連接，且其結(jié)構(gòu)能提供至少與端口38和40間壓力差相關(guān)的傳感器的輸出。測量電路34可以是能提供與壓力差相關(guān)的合適信號的任何電路。例如，測量電路可以是模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換器或任何其它合適的電路。
控制器36與測量電路34和回路通信裝置32相連。控制器36用于對回路通信裝置32提供過程變量輸出，該輸出與由測量電路34提供的傳感器輸出相關(guān)。控制器36可以是一種可編程序的門矩陣(GateArray)裝置，微處理器或任何其它合適的裝置。
盡管參照單個模塊對回路通信裝置32，測量電路34和控制器36進行了介紹，但是應(yīng)考慮可將它們結(jié)合在例如Application SpecificIntegrated Circuit(ASIC)上。
壓力差測量探頭20通過通道30與變送器13相連。這樣，傳感器28的端口38與第一增壓腔42相連，而傳感器28的端口40與第二增壓腔44相連?！霸鰤呵弧笔且粋€通道，一個孔道，一根管子或類似裝置，其允許將具有特定特性或壓力的流體導入其內(nèi)并通過它來傳導或輸送流體。
第一增壓腔42包括一沖擊表面46，其具有至少一個用于把壓力從沖擊表面46傳送至傳感器28的端口38的細長沖擊孔48?？?8包括一個縱向部分，在一些實施例中，其應(yīng)足夠大以便孔48與非流線型體22的縱軸對準。如圖2和4-8所示，至少一個沖擊孔48的形式可采用具有縱向部分的狹縫。所述狹縫進一步降低了壓力信號中的噪音，從而提高了測量系統(tǒng)的信噪比。重要的是，狹縫的寬度要小于與其相連的增壓腔的內(nèi)部寬度。約為0.76毫米(0.030英寸)至6.35毫米(0.250英寸)的狹縫寬度能提供適合的結(jié)果。另外，可采用多道橫向或縱向彼此分離的狹縫。
第二增壓腔44包括一個與沖擊表面46分離的非沖擊表面50。非沖擊表面50包括至少一個非沖擊孔52，其用于把壓力從非沖擊表面?zhèn)魉偷絺鞲衅?8的端口40?？杉娱L至少一個非沖擊孔52且使其結(jié)構(gòu)具有縱向部分，或者孔52可采用傳統(tǒng)形狀。若不需要第二增壓腔，可例如在管道18的壁上采用一壓力接頭，以便將非沖擊孔52設(shè)置在管道18內(nèi)，以將非沖擊壓力傳送到端口40。例如，孔52可設(shè)置在管道18的內(nèi)壁附近。
圖4和5分別為皮托管20的非流線型體22的局部橫截面視圖。
如圖所示，非流線型體22的截面類似字母“T”，其包括一棒狀部分54，該棒狀部分在字母“T”頂部具有一個鈍頭，大致平展的沖擊表面46。非流線型體的截面也描述了從棒狀部分54中心大致垂直伸出的字母“T”的桿部56。在該非流線型體的透視圖或側(cè)視圖中，可看到所謂“T”的桿為一縱向伸出的肋56，其從平面棒狀部分背側(cè)沿下游方向伸出。雖然使用與縱向沖擊狹縫相連的“T”形非流線型體能確保良好的結(jié)果，但是采用具有其它非流線型體的這種沖擊狹縫也能獲得同樣的優(yōu)點。因此，狹縫結(jié)構(gòu)也能產(chǎn)生降低噪音的優(yōu)點且使壓力集中在具有如鉆石形，圓形，錐形等傳統(tǒng)形狀的非流線型體上。
在本發(fā)明不同的實施例中，沖擊表面中的傳統(tǒng)沖擊孔由一個或更多的具有縱向部分的細長沖擊孔代替。細長沖擊孔，或狹縫在管道18內(nèi)的高壓(沖擊)流體和增壓腔42之間提供聯(lián)絡(luò)，從而把流體的沖擊壓力導入增壓腔42內(nèi)并傳遞至流量變送器13內(nèi)的壓力傳感器28的端口38。如果狹縫可作為更寬更大的增壓腔的入口，與多個分離的圓形孔不同，狹縫結(jié)構(gòu)可降低與高流體壓力相關(guān)的噪音。為降低噪音，狹縫本身不必作為增壓腔。例如，若位于棒狀部分表面的狹縫為0.8毫米(0.031英寸)寬，并且高壓流體傳導增壓腔為3.2毫米(0.125英寸)寬，可以得到令人滿意的信噪比。這些尺寸和比例僅僅作為示例，且不應(yīng)局限于此。
雖然本發(fā)明的一個實施例采用了多個縱向排列和縱向定向(相對于非流線型體的直徑跨度)的沖擊狹縫，這些沖擊狹縫的橫向中心位于非流線型體的沖擊面上，但還可以考慮利用其它的結(jié)構(gòu)。例如，基本上貫穿非流線型體的整個長度的一道狹縫可以有效降低高壓噪音。多個縱向定向、非直線狀狹縫開口也能降低噪音。多個縱向定向的平行狹縫開口也能降低噪音。而且，狹縫可位于沖擊面上，以便提供特定型流體流動輪廓，如層流和渦流的平均指示。更進一步說，狹縫的長度可以根據(jù)狹縫在沖擊面上的位置變化，以便從一特定孔采樣的沖擊壓力可以根據(jù)位置加權(quán)。但是，如果要保持狹縫的積分函數(shù)，則狹縫開口的縱向定向十分重要，該縱向定向是在流體傳輸導管的徑向或近似徑向。在一些實施例中，單個的狹縫基本上可以跨越整個管道的內(nèi)徑。
本發(fā)明的其它實施例如圖6-9f所示。在每個實施例中，具有一縱向部分的一個或多個狹縫是共同特點。這些可選擇的實施例與上述實施例間的主要差別在于非流線型體的形狀。不同的結(jié)構(gòu)會導致流體滯流區(qū)形狀和尺寸的變化。對非流線型體的形狀或設(shè)計的選擇通常取決于與測量環(huán)境相關(guān)的幾個因素，其中包括例如成本、流體特性、輸送流體的管道尺寸的流體流動的速率范圍。
圖6描述了一種非流線型體22a的基本形式，其沒有再附著延伸部分或凸起的肋。非流線型體70設(shè)有平展的沖擊表面72，該表面具有至少一個狹窄的沖擊狹縫48a，所述狹縫48a經(jīng)非流線型體將高壓流體導入第一增壓腔42a和皮托管的外部，并繼續(xù)傳導入流量變送器。所述非流線型體內(nèi)部的有限空間44a與非沖擊孔52a相連，并經(jīng)非流線型體將低壓流體導入皮托管的外部，并導入流量變送器。沖擊狹縫48a在非流線型體面上的設(shè)置能獲得與“T”形實施例中高壓測量相似的信噪比增量。
圖7說明了一種V形非流線型體22b，其具有一個平面棒狀部分54b，所述棒狀部分朝向上游且具有一與以前所討論的實施例一樣的縱向延伸的狹縫48b和第一增壓腔42b。本發(fā)明中非流線型體22c的另一實施例如圖8所示。該圖中所示的非流線型體與圖7中所示的非流線型體的主要區(qū)別在于支臂74c和76c垂直于棒狀部分54c的背側(cè)，從而形成一種具有“U”形橫向截面的結(jié)構(gòu)。
圖9a-9f為不同非流線型體結(jié)構(gòu)的頂部平面圖，其中本發(fā)明實施例的沖擊狹縫是有效的。
圖10-11為壓力隨時間變化的曲線圖，其說明了本發(fā)明中降低噪音的實施例。圖10為與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的壓力差測量探頭中采樣壓力的曲線圖。圖11說明了壓力采樣的曲線圖，其由裝有圖2和4-8所示的沖擊狹縫的探頭測得。如圖10和11所示，在壓力差測量系統(tǒng)中可以顯著降低噪音。例如，如圖10所示，沖擊噪音(其是由2×沖擊壓力的標準偏差除以平均沖擊壓力來表示的)大約為6.50％，而如圖11所示的測試結(jié)果表明沖擊噪音約為4.76％。這種噪音的降低有助于將總的壓力差噪音從11.79％(現(xiàn)有技術(shù))減少到約10.64％(本發(fā)明的實施例)。這種噪音的降低為壓力差的準確指示提供了更快速的計算，從而可提供更有效的過程控制。
權(quán)利要求
1．一種適于安裝在流體輸送管道內(nèi)的壓力差測量探頭，該探頭包括一與第一壓力傳感器端口相連的第一增壓腔，第一增壓腔具有內(nèi)部寬度并包括一帶有至少一個沖擊孔的沖擊表面，該沖擊孔用于將壓力從上游表面?zhèn)魉椭恋谝粔毫鞲衅鞫丝?；一與沖擊表面分離的非沖擊表面，該非沖擊表面具有至少一個非沖擊孔，用于將壓力從非沖擊表面?zhèn)魉椭恋诙毫鞲衅鞫丝?；其特征在于，沖擊孔是細長形的，其具有一個縱向部分，其寬度小于第一增壓腔的內(nèi)部寬度。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于還包括一可與第二壓力傳感器端口相連的第二增壓腔，其中，非沖擊表面位于第二增壓腔上。
3．根據(jù)權(quán)利要求2中所述的探頭，其特征在于，至少一個沖擊孔包括至少一對縱向狹縫。
4．根據(jù)權(quán)利要求3中所述的探頭，其特征在于縱向狹縫是橫向分離的。
5．根據(jù)權(quán)利要求3中所述的探頭，其特征在于縱向狹縫是縱向分離的。
6．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的探頭，其特征在于至少一個非沖擊孔包括至少一個縱向延伸的狹縫。
7．根據(jù)權(quán)利要求3中所述的探頭，其特征在于至少一個沖擊孔設(shè)置成能測量層流的平均流量。
8．根據(jù)權(quán)利要求3中所述的探頭，其特征在于至少一個沖擊孔設(shè)置成用于測量渦流的平均流量。
9．根據(jù)權(quán)利要求3中所述的探頭，其特征在于每個沖擊孔的長度根據(jù)沖擊表面上的孔的位置確定。
10．根據(jù)權(quán)利要求1中所述的探頭，其特征在于至少一個沖擊孔適合于基本跨越管道的整個內(nèi)徑。
11．一種適于安裝在流體輸送管道內(nèi)的壓力差測量探頭，該探頭包括經(jīng)縱向狹縫從輸送流體的管道內(nèi)部將沖擊壓力傳送到壓力傳感器裝置的裝置；從輸送流體的管道內(nèi)部將非沖擊壓力傳送到壓力傳感器裝置的裝置。
12．一種在輸送流體的管道中測量壓力差的方法，包括提供一具有沖擊表面的第一增壓腔；經(jīng)沖擊表面內(nèi)的一個縱向延伸的沖擊孔，將沖擊壓力經(jīng)第一增壓腔傳送給第一壓力傳感器端口；將非沖擊壓力從一非沖擊孔傳送給第二壓力傳感器端口，非沖擊孔與沖擊孔隔開；計算沖擊壓力和非沖擊壓力之間的壓力差。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于總壓力差噪音小于計算的壓力差的11％。
14．根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于沖擊壓力噪音小于6％。
15．一種壓力差測量系統(tǒng)，其與過程控制回路相連，且用于輸送與流體管道中流體流動的壓力差相關(guān)的過程變量輸出值，該系統(tǒng)包括一個過程壓力傳感器包括一個回路通信裝置，其可與過程控制回路相連且適于與過程控制回路連通；一個具有第一和第二壓力入口的壓力傳感器；與壓力傳感器相連的測量電路，其用于提供與第一和第二壓力入口之間的壓力差相關(guān)的傳感器輸出；一與測量電路和回路通信裝置相連的控制器，所述控制器用于對回路通信裝置提供過程變量輸出，所述過程變量輸出與傳感器輸出相關(guān)；一適于安裝在流體輸送管道內(nèi)的壓力差測量探頭，該探頭包括一與第一傳感器端口相連的第一增壓腔，第一增壓腔具有內(nèi)部寬度并包括一帶有至少一個縱向沖擊孔的沖擊表面，該沖擊孔將壓力從沖擊表面?zhèn)魉偷降谝粔毫鞲衅鞫丝?；其中，沖擊孔的寬度小于第一增壓腔的內(nèi)部寬度；一個與沖擊表面隔開的非沖擊表面，該非沖擊表面具有至少一個用于將壓力從非沖擊表面?zhèn)魉偷降诙毫鞲衅鞫丝诘姆菦_擊孔。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種改進信噪比的壓力差測量探頭。該探頭包括一個具有至少一個縱向延伸的沖擊孔(48)的沖擊表面(46)。選擇孔的寬度使其小于第一增壓腔(42)的內(nèi)部寬度。非沖擊表面(50)設(shè)有用以測定第二壓力的非沖擊孔(52)以能測量沖擊表面(46)和非沖擊表面(50)之間的壓力差。
文檔編號G01F1/46GK1321239SQ00801943
公開日2001年11月7日 申請日期2000年7月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月5日
發(fā)明者拉塞爾·N·埃文斯, 特里·X·比徹 申請人:迪特里奇標準公司