CN1105292C

CN1105292C - 带有空速管的平均压力流量计

Info

Publication number: CN1105292C
Application number: CN96199085A
Authority: CN
Inventors: 戴维·E·维克隆德; 布赖恩·J·比肖夫
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1996-01-04
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 2003-04-09
Anticipated expiration: 2016-12-31
Also published as: CN1204396A; JP4020433B2; EP0871848B1; JP2000503123A; CA2239497A1; DE69629211D1; EP0871848A1; DE69629211T2; US5817950A; WO1997025595A1

Abstract

一个过程控制系统中用于测量流速的变送器10，测量流经一个过程管道的过程流体总压力(P_TOT)和压力差(h)。该静态压力(P_STAT)根据总压力(P_TOT)来确定。该计算出的静态压力用于确定在管道中流动的过程流体的流体密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)。这个信息是用于计算过程流体流速(Q)。

Description

带有空速管的平均压力流量计

已有技术

本发明涉及到流体流量的测量。尤其是，本发明涉及到一种采用平均空速管型传感器的过程流体的流量测量。

过程流体的流量速率测量是需要控制工业的过程。在工业过程中，测量流量速度(Q)的变送器是安装在一个过程控制系统的远距离场所。这些变送器传送流量速率信息到一个控制室。该流量速率信息是用于过程的控制工作。如这里所用的过程流体是对液体和气体两者而言。

在过程控制工业中一种通用测量流体速率的手段是测量安装在管道中的节流装置两端的压力降，经常被认为是压差产生仪或初级测量元件。一般用于计算经过一压差产生仪的流体速度方程可以写为：

Q = {NC}_{d} E Y_{1} d^{2} \sqrt{ρh}

方程式1其中Q＝质量流速(质量/单位时间)

N＝单位变换系数(单位变化)

C_d＝流出系数(无量纲)

Y₁＝气体膨胀系数(无量纲)

E＝行进流速系数

d＝压差产生仪的孔径(长度)

ρ＝流体密度(质量/单位体积)

h＝压力差(力/单位面积)

在这方程式所有项中，仅仅是常数的单位变换系数计算简单。方程式中所述其它各项的范围从相对简单到十分复杂。一些描述包括许多项并且需要非整数幂上标。这是一个计算细致的运算。

有许多类型仪器仪表可以用来测量流量。压差流量计是一种最普通的测量流体流量速率的仪表。它们利用阻碍流体流动手段通过产生和测量压力差非直接地测量流体流量。利用已确定好的取决于所用压差流量计类型和管道直径的变换系数，一个压差测量值可以变换到质量或体积速率。

为确定流量用于测量压力差的一种技术是通过一个平均空速管初级测量元件。一般来讲，用于指示流量的平均空速管型初级测量元件由两个感应管道内不同位置的压力的空芯管组成。这些空芯管能够分开地安装在直管道内或者作为单一元件一起安装在一个盒内。这个设计包括一个测量总的压力(P_TOT)的前向管，一个第二管测量下流压力。两管之间的压差正比于流量的平方，如方程式2给所示

Q = {NKD}^{2} Y_{1} \sqrt{ρh}

方程式2其中：N＝单位变换系数

K＝平均空速管的流量系数(无量纲)

D＝管道直径(英寸)

Y₁＝气体膨胀系数(无量纲)

ρ＝气体密度(1bm/ft³)

h＝压力差(英寸H₂)

基于压力测量的流量精确计算需要方程式1所用的密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)的精确测量。这些是采用精确方程式、查表、多项式近似或者其它的曲线拟合技术计算的。密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)的精确确定需要一个上述技术中使用的静态压力(P_STAT)的精确值。然而，这平均空速管类初始测量元件不检测静态压力。面对管子的下游或上游可提供静态压力的准确指示。在一般已有技术的变送器中，密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)是采用一个分离的静态压力(P_STAT)测量来计算的。为了精确，这是与平均空速管隔开的。这样是不方便的，需要一个附加的传感器，并且需要另外地进入过程管道中。例如在美国专利4,592,239中记载了一种空速管流量计，其中第二连接管设置在探头的下游并将管体内部与第二测量端口连接，在该端口进行与在流体管壁上的测量相同的标称静压的测量。

在已有技术中用附加传感器测量静态压力(P_STAT)既麻烦、又不方便、而且价格贵且增加了误差的附加来源。

本发明简述

本发明提供一种采用一个平均空速管型初级测量元件用于测量质量流速(Q)的变送器。本发明不需要单独进行静态压力测量。本发明的一方面包括一个总压力传感器测量来自一个空速管的过程流体的总压力(P_TOT)。第二压力传感器测量初始测量元件管间的压力差。变送器中的电路基于总压力计算静态压力(P_STAT)。该计算的静态压力(P_STAT)用于计算流体密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)。流量(Q)是基于测量压力，流体密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)计算的。

附图简介

图1A显示一个根据本发明连接到一个过程管道的变送器。

图1B是一个显示本发明采用的平均空速管型初级测量元件的顶截面视图。

图1C显示插入一个过程管道中图1C的平均空速管类初始测量元件。

图2是一个显示采用总压力和采用与压差比较的静态压力计算的最大流量气体密度的比较图。

图3是一个显示对于8英寸管道内二氧化碳气体总压力与静态压力之差与压差的关系图。

图4是根据本发明所计算出的在被校正静态压力中的误差与8英寸管中二氧化碳压差的关系图。

图5是一个显示根据本发明用于确定流速(Q)的变送器简化方框图。

实施例的详细描述

图1A是一个包括一个变送器10根据本发明连接到过程管道12的过程控制系统10的视图。过程传输管14传送具有速度(V)和流量速率(Q)的过程流体。管道12传导一种流体流，一种气体或者一种流体，方向如图中箭头所示。

本发明不需要一个单独的静态压力(P_STAT)的测量并且提供基于总压力(P_TOT)的P_STAT的精确估算，总压力是通过平均空速型的初级测量元件中的前向管测量的，而压差是在两管之间测量的。计算静态压力的估算被用在确定流体密度(ρ)和气体膨胀系数(Y₁)的计算中。用于估算静态压力的技术比采用一般已有技术的公式需要少量的计算时间和精力。

变送器10包括变送器电子模块18和传感器模块22。变送器电子模块18还包括一个用于接收来自一个电阻温度器件(RTD)输入夹持器20，包括一个直接插入管道或插入安装于管道中的热电耦套管去测量过程流体温度的100欧姆的RTD。从RTD引出的导线连接到温度传感器盒24中接线板的一侧。接线板的另一侧连接到穿过套管26连接到夹持器20的导线。

传感器模块22包括一个用于测量压力差(h)的压差传感器和一个用于测量总压力(P_TOT)的压力传感器。这两个传感器提供数字化的和供给微处理器的压力信号。模块22经过支架23支撑的复式插头21连接到初级测量元件14。该补偿的、线性化的和数字化的信号提供给电子模块18。变送器10中的电子模块18，通过软管28采用双绞导线形成的一个4-20mA的双线环路，向远距离提供一个表示流过管12的过程流体的速率(Q)等过程状态的输出信号。再有，根据本发明，变送器10还提供一个表示流速的输出信号。变送器10连接到初级测量元件14。初级测量元件14可以包括一个如美国专利号No.4154100由Harbaugh等1979年5月15日发表的，标题为“对于具有下流朝向端口的空速管型流量计用于稳定其流量系数的方法和装置”的所示的空速管。

对于其它类型的初级测量元件14如小孔板，喷管或者文杜里喷管，变送器10所测的压力是过程流体的静态压力(P_STAT)，是用在计算气体密度(ρ)和气体膨胀系数中。这些值是用来计算流速。在本发明中，变送器10采用的是如美国专利号No.4154100所示的平均空速管型初级测量元件，并且该空速管上流端测量的压力是总的平均值，有时称作滞止压力(P_TOT)。第二个管以某一角度面向流量的方向以致一个压差(h)形成在两管之间，总压力(P_TOT)比静态压力(P_STAT)高，所以用(P_TOT)计算气体密度和气体膨胀系数将在流速中产生误差。

图1B和图1C更详细的显示插入管道12中的平均空速管型初测量元件14的视图。元件14包括一个载有前向空速管30B和第二个下流朝向空速管30C的延伸体30A。管30B和30C分别包括沿着管长分布的一组开口32和34。这些多重开口确保测量跨过整个流量16的平均压力。管30B和30C经过导管21A和21B以及复式接头21连接到变送器10的传感器主体22。

为了说明当使用P_TOT作为P_STAT的估值时在流量计算中的误差，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、流体、压力和温度范围。在这步骤中假设的压力是静态压力P_STAT。

2、基于该工作范围，计算P_MIN、P_MID、P_MAX以及P_MIN、P_MID、P_MAX去估算整个压力和温度范围的性能。

3、在结合9个来自第二步骤的P和T下，通过一个参考小孔流量计在压差压力范围从2.5到250英寸H₂O(水)计算流速。

4、采用下面方程从P_STAT计算精确的总压力P_TOT：

P_{TOT} = P_{STAT} {[\frac{1}{2} + \sqrt{\frac{1}{4} + (γ - \frac{1}{2} γ) (\frac{Q}{{AP}_{STAT}}) (\frac{R_{g} T}{g_{c}})}]}^{\frac{γ}{γ} - 1}

方程式3其中：P_TOT＝总压力(磅/平方英寸)

P_STAT＝静态压力(磅/平方英寸)

Q＝质量流速(1bm/sec)

A＝管道的面积(in²)

R_g＝特定气体常数(Ru/M01 Wt)

T＝绝对温度(⁰R)

g_c、＝重力比常数

γ＝特殊热量比(等熵线指数)

方程式3与P_TOT和P_STAT相关。此外，在这个描述中所用的温度是总温度。分了分析的目的由RTD测量的温度将被假设表示总温度。详细可参阅“统一化流量越过和突然的扩大”(Benedic，Wyleer，Dudekard Gleed，美国机械工程师学会学报，电力工程杂志，1976年6月，327-334页)。采用这个关系式计算的总压力(P_TOT)表示变送器10用管30B另外测量的上流压力。该程序继续：

5、将使用静态压力P_STAT值的密度计算值和已算出的总压力P_TOT的值进行比较。

6、采用方程式2计算跨过平均传感器的压力差降。

采用总压力(P_TOT)而不是静态压力(P_STAT)对流量测量误差上的影响是通过评价用两个压力计算气体密度时所获得的差来描述的。如图2所示。采用总压力(P_TOT)计算的密度高于采用静态压力(P_STAT)计算的密度。如图3所示，差是随着流量速率增加和静态压力减少而增加。图2为对于在这个分析中所用的三种气体的作为静态压力函数的气体密度中最大误差的比较结果。这些数据是从一个8英寸管道中的流量计算的。

观察方程式1和2并不很容易地揭示出总压力(P_TOT)、静态压力(P_STAT)和压力差(h)之间的关系。然而，如果用总压力和静态压力之间的差相对压力差作图时，那么它是近似于线性的(参看图3)。同样其不受静态压力和温度的影响。

总压力(P_TOT)可以利用这近似线性关系修正到近似于静态压力(P_STAT)。因为总压力和静态压力在零流速时是同样的值，所以总压力和静态压力之间的关系可以描述为：

P_TOT-P_STAT-C₁h 方程式4或

P_STAT-P_TOT-C₁h 方程式5

其中C₁是压力和温度的工作范围内平均斜率。图4所示方程5的估算技术即使在大的压力差(h)时估算静态压力(P_STAT)也是非常准确的。在一实施例中，P_STAT的计算精度能够采用一个高阶h的多项式来提高。

图5是一个实现本发明的变送器10的简单方框图。变送器10包括连接到模数变换器42的微处理器40。模拟一数字变换器42连接到用于分别从管30B测量压力(P_TOT)以及从管30C测量压力差(h)的压力传感器44和46。传感器44和46再连接到图1所示的初级测量元件14。模数变换器42还接收来自温度传输器24的温度输入。微处理器40以时钟52确定的时钟频率根据存储在存储器50的指令工作。存储器50还为微处理器40存储数据信息。输入/输出电路54通过接线端子56连接到过程控制环路28A。环路28A从远处电源传输电流I，该电流被输入/输出电路54用来产生供给变送器10的功率。在一实施例中，变送器10完全地(单独地)由环路电流I供电。信息是通过输入/输出电路54通过控制控制环路28A的电流I值来在环路28A上传输。以外，输入/输出电路54可以数字地调制信息到环路28A上，变送器12还有能力接收来自环路28A的指令。微处理器40采用上述方程式并且采用总压力(P_TOT)精确地计算流量速率(Q)去确定流体密度(ρ)。

本发明提供一个基于来自平均空速管类型初级测量元件的压力(P_TOT)和压差(h)的静态压力(P_STAT)估算值。去掉了已有技术中用以测量静态压力的附加传感器以及消除了对流量管的附加干扰。

尽管本发明已经参照所提实施例进行了阐述，但是那些技术上熟练的人们将认识到在不违背本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上所作的修改都在本发明的范围之内，例如，也可用附加的模一数变换器或微处理器优化该系统。还有，任何类型平均空速管型初级测量元件都可采用。大家应该明白，计算静态压力(P_STAT)的步骤可以在其它如用来计算密度(ρ)、气体膨胀系数(Y₁)或流量速率(Q)的方程式直接实现。

Claims

1、一个用于连接到具有一个普通前向管和一个第二管的平均空速管类型初级测量元件的变送器，该变送器计算过程流体的流速(Q)，包括：

一个用普通前向管测量过程流体的总压力(P_TOT)的总压力传感器；

一个用于测量位于普通前向管和第二管之间过程流体中的压力差(h)的差压传感器；

其特征在于还包括：

基于总压力(P_TOT)、压力差(h)、流体密度(ρ)、和气体膨胀系数(Y₁)计算流速(Q)的电路，其中流体密度(ρ)和气体膨胀系数是作为总压力(P_TOT)的函数计算的；以及

连接到一个过程控制环路并且在该过程控制环上传送计算的流速(Q)的输入/输出电路。

2、根据权利要求1中所述变送器，其特征在于该运算电路计算做为一个总压力(P_TOT)和压力差(h)的函数的静态压力(P_STAT)，而过程流体的流体密度和气体膨胀系数是做为静态压力(P_STAT)的函数并且也作为总压力的函数计算的。

3、根据权利要求2所述的变送器，其特征在于静态压力(P_STAT)与总压力(P_TOT)之间的差与压力差(h)是线性关系。

4、根据权利要求3所述的变送器，其特征在于静态压力(P_STAT)计算如下：

P_TOT-P_STAT＝C₁h

其中：C₁是一个常数

5、根据权利要求2所述的变送器，其特征在于静态压力(P_STAT)与总压力(P_TOT)之间的差是根据与压力差(h)有关的一个多项式计算的。

6、根据权利要求1所述的变送器，其特征在于包括一个用于计算流速(Q)的过程流量温度输入。

7、一种在变送器中用于确定一过程流体的流量(Q)的方法，其特征在于包括：

测量一个由平均空速管类型初级测量元件产生的总压力(P_TOT)；

测量一个由平均空速管类元件产生的压力差(h)；以及

根据静态压力(P_STAT)、总压力(P_TOT)和压力差(h)计算流速(Q)，其中静态压力(P_STAT)是根据总压力(P_TOT)和压力差(h)来确定。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于包括：

根据计算出的静态压力(P_STAT)计算流体密度(ρ)，该流体密度(ρ)用于计算流速(Q)。

9、根据权利要求7所述的方法，其特征在于包括：

根据计算出的静态压力(P_STAT)计算气体膨胀系数(Y₁)，该气体膨胀系数(Y₁)用于计算流速(Q)。

10、根据权利要求7所述的方法，其特征在于静态压力(P_STAT)与总压力之差与压力差(h)是线性关系。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于线性关系是：

P_TOT-P_STAT＝C₁h

其中：C₁是一个常数

12、根据权利要求7所述的方法，其特征在于静态压力(P_STAT)与总压力(P_TOT)之差是用一个与压力差(h)有关的多项式来计算。

13、根据权利要求7所述的方法，其特征在于包括：

在一个过程控制环上传送流速(Q)。

14、根据权利要求7所述的方法，其特征在于包括：

测量过程流体的温度；并且包括计算流速(Q)步骤中的过程流体的温度。