專利名稱：帶有空速管的平均壓力流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到流體流量的測(cè)量。尤其是，本發(fā)明涉及到一種采用平均空速管型傳感器的過程流體的流量測(cè)量。
過程流體的流量速率測(cè)量是需要控制工業(yè)的過程。在工業(yè)過程中，測(cè)量流量速度(Q)的變送器是安裝在一個(gè)過程控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離場(chǎng)所。這些變送器傳送流量速率信息到一個(gè)控制室。該流量速率信息是用于過程的控制工作。如這里所用的過程流體是對(duì)液體和氣體兩者而言。
在過程控制工業(yè)中一種通用測(cè)量流體速率的手段是測(cè)量安裝在管道中的節(jié)流裝置兩端的壓力降，經(jīng)常被認(rèn)為是壓差產(chǎn)生儀或初級(jí)測(cè)量元件。一般用于計(jì)算經(jīng)過一壓差產(chǎn)生儀的流體速度方程可以寫為
其中Q=質(zhì)量流速(質(zhì)量／單位時(shí)間)N=單位變換系數(shù)(單位變化)Cd=流出系數(shù)(無(wú)量綱)Y1=氣體膨脹系數(shù)(無(wú)量綱)E=行進(jìn)流速系數(shù)d=壓差產(chǎn)生儀的孔徑(長(zhǎng)度)ρ=流體密度(質(zhì)量／單位體積)h=壓力差(力／單位面積)在這方程式所有項(xiàng)中，僅僅是常數(shù)的單位變換系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單。方程式中所述其它各項(xiàng)的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單到十分復(fù)雜。一些描述包括許多項(xiàng)并且需要非整數(shù)冪上標(biāo)。這是一個(gè)計(jì)算細(xì)致的運(yùn)算。
有許多類型儀器儀表可以用來(lái)測(cè)量流量。壓差流量計(jì)是一種最普通的測(cè)量流體流量速率的儀表。它們利用阻礙流體流動(dòng)手段通過產(chǎn)生和測(cè)量壓力差非直接地測(cè)量流體流量。利用已確定好的取決于所用壓差流量計(jì)類型和管道直徑的變換系數(shù)，一個(gè)壓差測(cè)量值可以變換到質(zhì)量或體積速率。
為確定流量用于測(cè)量壓力差的一種技術(shù)是通過一個(gè)平均空速管初級(jí)測(cè)量元件。一般來(lái)講，用于指示流量的平均空速管型初級(jí)測(cè)量元件由兩個(gè)感應(yīng)管道內(nèi)不同位置的壓力的空芯管組成。這些空芯管能夠分開地安裝在直管道內(nèi)或者作為單一元件一起安裝在一個(gè)盒內(nèi)。這個(gè)設(shè)計(jì)包括一個(gè)測(cè)量總的壓力(PTOT)的前向管，一個(gè)第二管測(cè)量下流壓力。兩管之間的壓差正比于流量的平方，如方程式2給所示
其中N=單位變換系數(shù)K=平均空速管的流量系數(shù)(無(wú)量綱)D=管道直徑(英寸)Y1=氣體膨脹系數(shù)(無(wú)量綱)p=氣體密度(1bm／ft3)h=壓力差(英寸H2)基于壓力測(cè)量的流量精確計(jì)算需要方程式1所用的密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)(Y1)的精確測(cè)量。這些是采用精確方程式、查表、多項(xiàng)式近似或者其它的曲線擬合技術(shù)計(jì)算的。密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)(Y1)的精確確定需要一個(gè)上述技術(shù)中使用的靜態(tài)壓力(PSTAT)的精確值。然而，這平均空速管類初始測(cè)量元件不檢測(cè)靜態(tài)壓力。面對(duì)管子的下游或上游可提供靜態(tài)壓力的準(zhǔn)確指示。在一般已有技術(shù)的變送器中，密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)(Y1)是采用一個(gè)分離的靜態(tài)壓力(PSTAT)測(cè)量來(lái)計(jì)算的。為了精確，這是與平均空速管隔開的。這樣是不方便的，需要一個(gè)附加的傳感器，并且需要另外地進(jìn)入過程管道中。
在已有技術(shù)中用附加傳感器測(cè)量靜態(tài)壓力(PSTAT)既麻煩、又不方便、而且價(jià)格貴且增加了誤差的附加來(lái)源。
本發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明提供一種采用一個(gè)平均空速管型初級(jí)測(cè)量元件用于測(cè)量質(zhì)量流速(Q)的變送器。本發(fā)明不需要一個(gè)分開的靜態(tài)壓力測(cè)量。本發(fā)明的一方面包括一個(gè)總壓力傳感器測(cè)量來(lái)自一個(gè)空速管的過程流體的總壓力(PTOT)。第二壓力傳感器測(cè)量初始測(cè)量元件管間的壓力差。變送器中的電路基于總壓力計(jì)算靜態(tài)壓力(PSTAT)。該計(jì)算的靜態(tài)壓力(PSTAT)用于計(jì)算流體密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)(Y1)。流量(Q)是基于測(cè)量壓力，流體密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)(Y1)計(jì)算的。
附圖簡(jiǎn)介

圖1A顯示一個(gè)根據(jù)本發(fā)明連接到一個(gè)過程管道的變送器。
圖1B是一個(gè)顯示本發(fā)明采用的平均空速管型初級(jí)測(cè)量元件的頂截面視圖。
圖1C顯示插入一個(gè)過程管道中圖1C的平均空速管類初始測(cè)量元件。
圖2是一個(gè)顯示采用總壓力和采用與壓差比較的靜態(tài)壓力計(jì)算的最大流量氣體密度的比較圖。
圖3是一個(gè)顯示對(duì)于8英寸管道內(nèi)二氧化碳?xì)怏w總壓力與靜態(tài)壓力之差與壓差的關(guān)系圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明所計(jì)算出的在被校正靜態(tài)壓力中的誤差與8英寸管中二氧化碳?jí)翰畹年P(guān)系圖。
圖5是一個(gè)顯示根據(jù)本發(fā)明用于確定流速(Q)的變送器簡(jiǎn)化方框圖。
實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1A是一個(gè)包括一個(gè)變送器10根據(jù)本發(fā)明連接到過程管道12的過程控制系統(tǒng)10的視圖。過程傳輸管14傳送具有速度(V)和流量速率(Q)的過程流體。管道12傳導(dǎo)一種流體流，一種氣體或者一種流體，方向如圖中箭頭所示。
本發(fā)明不需要一個(gè)單獨(dú)的靜態(tài)壓力(PSTAT)的測(cè)量并且提供基于總壓力(PTOT)的PSTAT的精確估算，總壓力是通過平均空速型的初級(jí)測(cè)量元件中的前向管測(cè)量的，而壓差是在兩管之間測(cè)量的。計(jì)算靜態(tài)壓力的估算被用在確定流體密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)(Y1)的計(jì)算中。用于估算靜態(tài)壓力的技術(shù)比采用一般已有技術(shù)的公式需要少量的計(jì)算時(shí)間和精力。
變送器10包括變送器電子模塊18和傳感器模塊22。變送器電子模塊18還包括一個(gè)用于接收來(lái)自一個(gè)電阻溫度器件(RTD)輸入夾持器20，包括一個(gè)直接插入管道或插入安裝于管道中的熱電耦套管去測(cè)量過程流體溫度的100歐姆的RTD。從RTD引出的導(dǎo)線連接到溫度傳感器盒24中接線板的一側(cè)。接線板的另一側(cè)連接到穿過套管26連接到夾持器20的導(dǎo)線。
傳感器模塊22包括一個(gè)用于測(cè)量壓力差(h)的壓差傳感器和一個(gè)用于測(cè)量總壓力(PTOT)的壓力傳感器。這兩個(gè)傳感器提供數(shù)字化的和供給微處理器的壓力信號(hào)。模塊22經(jīng)過支架23支撐的復(fù)式插頭21連接到初級(jí)測(cè)量元件14。該補(bǔ)償?shù)?、線性化的和數(shù)字化的信號(hào)提供給電子模塊18。變送器10中的電子模塊18，通過蛇皮管28采用雙絞導(dǎo)線形成的一個(gè)4-20mA的雙線環(huán)路，向遠(yuǎn)距離提供一個(gè)表示流過管12的過程流體的速率(Q)等過程狀態(tài)的輸出信號(hào)。再有，根據(jù)本發(fā)明，變送器10還提供一個(gè)表示流速的輸出信號(hào)。變送器10連接到初級(jí)測(cè)量元件14。初級(jí)測(cè)量元件14可以包括一個(gè)如美國(guó)專利號(hào)No．4154100由Harbaugh等1979年5月15日發(fā)表的，標(biāo)題為“對(duì)于具有下流朝向端口的空速管型流量計(jì)用于穩(wěn)定其流量系數(shù)的方法和裝置”的所示的空速管。
對(duì)于其它類型的初級(jí)測(cè)量元件14如小孔板，噴管或者文杜里噴管，變送器10所測(cè)的壓力是過程流體的靜態(tài)壓力(PSTAT)，是用在計(jì)算氣體密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)中。這些值是用來(lái)計(jì)算流速。在本發(fā)明中，變送器10采用的是如美國(guó)專利號(hào)No．4154100所示的平均空速管型初級(jí)測(cè)量元件，并且該空速管上流端測(cè)量的壓力是總的平均值，有時(shí)稱作滯止壓力(PTOT)。第二個(gè)管以某一角度面向流量的方向以致一個(gè)壓差(h)形成在兩管之間，總壓力(PTOT)比靜態(tài)壓力(PSTAT)高，所以用(PTOT)計(jì)算氣體密度和氣體膨脹系數(shù)將在流速中產(chǎn)生誤差。
圖1B和圖1C更詳細(xì)的顯示插入管道12中的平均空速管型初測(cè)量元件14的視圖。元件14包括一個(gè)載有前向空速管30B和第二個(gè)下流朝向空速管30C的延伸體30A。管30B和30C分別包括沿著管長(zhǎng)分布的一組開口32和34。這些多重開口確保測(cè)量跨過整個(gè)流量16的平均壓力。管30B和30C經(jīng)過導(dǎo)管21A和21B以及復(fù)式接頭21連接到變送器10的傳感器主體22。
為了說(shuō)明當(dāng)使用PTOT作為PSTAT的估值時(shí)在流量計(jì)算中的誤差，估算一些例子是有益的。下列程序是被用到的。
1、假定管道尺寸、流體、壓力和溫度范圍。在這步驟中假設(shè)的壓力是靜態(tài)壓力PSTAT。
2、基于該工作范圍，計(jì)算PMIN、PMID、PMAX以及PMIN、PMID、PMAX去估算整個(gè)壓力和溫度范圍的性能。
3、在結(jié)合9個(gè)來(lái)自第二步驟的P和T下，通過一個(gè)參考小孔流量計(jì)在壓差壓力范圍從2．5到250英寸H2O(水)計(jì)算流速。
4、采用下面方程從PSTAT計(jì)算精確的總壓力PTOT
其中PTOT=總壓力(磅／平方英寸)PSTAT=靜態(tài)壓力(磅／平方英寸)Q=質(zhì)量流速(1bm／sec)A=管道的面積(in2)Rg=特定氣體常數(shù)(Ru／M01 Wt)T=絕對(duì)溫度(0R)gc=重力比常數(shù)γ=特殊熱量比(等熵線指數(shù))方程式3與PTOT和PSTAT相關(guān)。此外，在這個(gè)描述中所用的溫度是總溫度。分了分析的目的由RTD測(cè)量的溫度將被假設(shè)表示總溫度。詳細(xì)可參閱“統(tǒng)一化流量越過和突然的擴(kuò)大”(Benedic，Wyleer，Dudekard Gleed，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)，電力工程雜志，1976年6月，327-334頁(yè))。采用這個(gè)關(guān)系式計(jì)算的總壓力(PTOT)表示變送器10用管30B另外測(cè)量的上流壓力。該程序繼續(xù)5、將使用靜態(tài)壓力PSTAT值的密度計(jì)算值和已算出的總壓力PTOT的值進(jìn)行比較。
6、采用方程式2計(jì)算跨過平均傳感器的壓力差降。
采用總壓力(PTOT)而不是靜態(tài)壓力(PSTAT)對(duì)流量測(cè)量誤差上的影響是通過評(píng)價(jià)用兩個(gè)壓力計(jì)算氣體密度時(shí)所獲得的差來(lái)描述的。如圖2所示。采用總壓力(PTOT)計(jì)算的密度高于采用靜態(tài)壓力(PSTAT)計(jì)算的密度。如圖3所示，差是隨著流量速率增加和靜態(tài)壓力減少而增加。圖2為對(duì)于在這個(gè)分析中所用的三種氣體的作為靜態(tài)壓力函數(shù)的氣體密度中最大誤差的比較結(jié)果。這些數(shù)據(jù)是從一個(gè)8英寸管道中的流量計(jì)算的。
觀察方程式1和2并不很容易地揭示出總壓力(PTOT)、靜態(tài)壓力(PSTAT)和壓力差(h)之間的關(guān)系。然而，如果用總壓力和靜態(tài)壓力之間的差相對(duì)壓力差作圖時(shí)，那么它是近似于線性的(參看圖3)。同樣其不受靜態(tài)壓力和溫度的影響。
總壓力(PTOT)可以利用這近似線性關(guān)系修正到近似于靜態(tài)壓力(PSTAT)。因?yàn)榭倝毫挽o態(tài)壓力在零流速時(shí)是同樣的值，所以總壓力和靜態(tài)壓力之間的關(guān)系可以描述為PTOT-PSTAT=C1h方程式4或PSTAT-PTOT-C1h方程式5
其中C1是壓力和溫度的工作范圍內(nèi)平均斜率。圖4所示方程5的估算技術(shù)即使在大的壓力差(h)時(shí)估算靜態(tài)壓力(PSTAT)也是非常準(zhǔn)確的。在一實(shí)施例中，PSTAT的計(jì)算精度能夠采用一個(gè)高階h的多項(xiàng)式來(lái)提高。
圖5是一個(gè)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的變送器10的簡(jiǎn)單方框圖。變送器10包括連接到模數(shù)變換器42的微處理器40。模擬一數(shù)字變換器42連接到用于分別從管30B測(cè)量壓力(PTOT)以及從管30C測(cè)量壓力差(h)的壓力傳感器44和46。傳感器44和46再連接到圖1所示的初級(jí)測(cè)量元件14。模數(shù)變換器42還接收來(lái)自溫度傳輸器24的溫度輸入。微處理器40以時(shí)鐘52確定的時(shí)鐘頻率根據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器50的指令工作。存儲(chǔ)器50還為微處理器40存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息。輸入／輸出電路54通過接線端子56連接到過程控制環(huán)路28A。環(huán)路28A從遠(yuǎn)處電源傳輸電流I，該電流被輸入／輸出電路54用來(lái)產(chǎn)生供給變送器10的功率。在一實(shí)施例中，變送器10完全地(單獨(dú)地)由環(huán)路電流I供電。信息是通過輸入／輸出電路54通過控制控制環(huán)路28A的電流I值來(lái)在環(huán)路28A上傳輸。以外，輸入／輸出電路54可以數(shù)字地調(diào)制信息到環(huán)路28A上，變送器12還有能力接收來(lái)自環(huán)路28A的指令。微處理器40采用上述方程式并且采用總壓力(PTOT)精確地計(jì)算流量速率(Q)去確定流體密度(ρ)。
本發(fā)明提供一個(gè)基于來(lái)自平均空速管類型初級(jí)測(cè)量元件的壓力(PTOT)和壓差(h)的靜態(tài)壓力(PSTAT)估算值。去掉了已有技術(shù)中用以測(cè)量靜態(tài)壓力的附加傳感器以及消除了對(duì)流量管的附加干擾。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照所提實(shí)施例進(jìn)行了闡述，但是那些技術(shù)上熟練的人們將認(rèn)識(shí)到在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在形式和細(xì)節(jié)上所作的修改都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，例如，也可用附加的?！獢?shù)變換器或微處理器優(yōu)化該系統(tǒng)。還有，任何類型平均空速管型初級(jí)測(cè)量元件都可采用。大家應(yīng)該明白，計(jì)算靜態(tài)壓力(PSTAT)的步驟可以在其它如用來(lái)計(jì)算密度(ρ)、氣體膨脹系數(shù)(Y1)或流量速率(Q)的方程式直接實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一個(gè)用于連接到具有一個(gè)普通前向管和一個(gè)第二管的平均空速管類型初級(jí)測(cè)量元件的變送器，該變送器計(jì)算過程流體的流速(Q)，其特征在于包括一個(gè)用普通前向管測(cè)量過程流體的總壓力(PTOT)的總壓力傳感器；一個(gè)用于測(cè)量位于普通前向管和第二管之間過程流體中的壓力差(h)的差壓傳感器；基于總壓力(PTOT)、壓力差(h)、流體密度(ρ)、和氣體膨脹系數(shù)(Y1)計(jì)算流速(Q)的電路，其中流體密度(ρ)和氣體膨脹系數(shù)是作為總壓力(PTOT)的函數(shù)計(jì)算的；以及連到到一個(gè)過程控制環(huán)路并且在該過程控制環(huán)上傳送計(jì)算的流速(Q)的輸入／輸出電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述變送器，其特征在于該運(yùn)算電路計(jì)算做為一個(gè)總壓力(PTOT)和壓力差(h)的函數(shù)的靜態(tài)壓力(PSTAT)，而過程流體的流體密度和氣體膨脹系數(shù)是做為靜態(tài)壓力(PSTAT)的函數(shù)并且也作為總壓力的函數(shù)計(jì)算的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變送器，其特征在于靜態(tài)壓力(PSTAT)與總壓力(PTOT)之間的差與壓力差(h)是線性關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變送器，其特征在于靜態(tài)壓力(PSTAT)計(jì)算如下PTOT-PSTAT=C1h其中C1是一個(gè)常數(shù)
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變送器，其特征在于靜態(tài)壓力(PSTAT)與總壓力(PTOT)之間的差是根據(jù)與壓力差(h)有關(guān)的一個(gè)多項(xiàng)式計(jì)算的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變送器，其特征在于包括一個(gè)用于計(jì)算流速(Q)的過程流量溫度輸入。
7.一種在變送器中用于確定一過程流體的流量(Q)的方法，其特征在于包括測(cè)量一個(gè)由平均空速管類型初級(jí)測(cè)量元件產(chǎn)生的總壓力(PTOT)；測(cè)量一個(gè)由平均空速管類元件產(chǎn)生的壓力差(h)；以及根據(jù)靜態(tài)壓力(PSTAT)、總壓力(PTOT)和壓力差(h)計(jì)算流速(Q)，其中靜態(tài)壓力(PSTAT)是根據(jù)總壓力(PTOT)和壓力差(h)來(lái)確定。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括根據(jù)計(jì)算出的靜態(tài)壓力(PSTAT)計(jì)算流體密度(ρ)，該流體密度(ρ)用于計(jì)算流速(Q)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括根據(jù)計(jì)算出的靜態(tài)壓力(PSTAT)計(jì)算氣體膨脹系數(shù)(Y1)，該氣體膨脹系數(shù)(Y1)用于計(jì)算流速(Q)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于靜態(tài)壓力(PSTAT)與總壓力之差與壓力差(h)是線性關(guān)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于線性關(guān)系是PTOT-PSTAT=C1h其中C1是一個(gè)常數(shù)
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于靜態(tài)壓力(PSTAT)與總壓力(PTOT)之差是用一個(gè)與壓力差(h)有關(guān)的多項(xiàng)式來(lái)計(jì)算。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括在一個(gè)過程控制環(huán)上傳送流速(Q)。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于包括測(cè)量過程流體的溫度；并且包括計(jì)算流速(Q)步驟中的過程流體的溫度。
全文摘要
一個(gè)過程控制系統(tǒng)中用于測(cè)量流速的變送器10,測(cè)量流經(jīng)一個(gè)過程管道的過程流體總壓力(P
文檔編號(hào)G01F1/34GK1204396SQ9619908
公開日1999年1月6日 申請(qǐng)日期1996年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月4日
發(fā)明者戴維·E·維克隆德, 布賴恩·J·比肖夫 申請(qǐng)人:羅斯蒙德公司