用于在层流区、过渡区、湍流区中操作的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于测定管道中的流体流量的装置，所述装置包括与管道相接触的流体喷嘴，该流体喷嘴具有如下的轮廓，该轮廓使流体流经该流体喷嘴时不会沿喷嘴表面产生负压力梯度。所述装置包括时差式超声波流量计，该流量计设置在所述喷嘴的下游并且采用至少一条与管道中的流体相连的声路。本发明专利技术公开一种用于测定管道中的流体流量的装置。所述装置包括与管道相接触的流体喷嘴，该流体喷嘴具有由复合立方面限定的轮廓。本发明专利技术包括时差式超声波流量计，该流量计设置在喷嘴的下游并且采用至少一条与管道中的流体相连的声路。本发明专利技术还公开了一种管道的流体喷嘴。本发明专利技术还公开一种用于测定管道中的流体流量的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于测定管道内的流体流量的装置(在本文中，术语“本专利技术”或 “专利技术”涉及示例性实施例，但不必涉及所附权利要求书所涵盖的每个实施例)。举例而言， 本专利技术提供如下一种流体喷嘴，该流体喷嘴与管道进行流体连通，并且喷嘴的轮廓选择为 能够在组织流速廓线的同时避免流体分离。具体地说，本专利技术涉及一种用于测定管道内的 流体流量的测量装置。该示例性的测量装置包括喷嘴，该喷嘴的内表面的轮廓由复合旋转 立方面(compound cubic body of revolution)限定，或可选择地由两个旋转椭球体的复 合面(compound of two ellipsoidal bodies of revolution)所限定，并且该测量装置具 有时差式超声波流量计。
技术介绍
这部分意图向读者介绍本领域可能与本专利技术的各方面相关的各方面。下述讨论意 在提供有助于更好地理解本专利技术的信息。相应地，应当理解到，应考虑到上述目的来阅读以 下论述，并不应将该论述作为对
技术介绍
的认可。石油工业通常采用例如，涡轮式流量计和超声波流量计来测量流量和其它流体特 性。这些流量计的精确度通常依赖于流量计所在处的轴向流体流速廓线的连续性和稳定 性。例如，空间不连续的廓线或随时间变化很大的廓线将导致这些流量计的校准出现不可 预测的从而是不可接受的变化。与如管道等完全封闭的导管中的流动流体相关联的轴向流速廓线取决于作用在 流体上的力的相对大小，该力通常可以归类为惯性力或者摩擦力。惯性力倾向于使流体质 点以恒定流速朝着恒定方向移动，而相邻流体流之间的以流体粘度为特征的摩擦力倾向于 使流体减速。在某些情况下，流体粘度可以使管道壁处的流体的流量降至零。在流体动力学 中，经常用惯性力与粘性力的比值来表征流速廓线，该比值被称为雷诺数并且是无量纲的。在许多工业应用中，惯性力占优势。在该情况下，雷诺数超过5000并且该流体流 动被表征为“湍流”。平行流体流的动量借助于小的随机涡流而进行自由交换；并且在该廓 线在空间和时间上仅以较小的程度发生改变的情况下，平均而言，廓线是变化缓慢的、稳定 的并且可以由涡轮式流量计和超声波流量计容易地且精确地进行测量。然而，近年来，一些 应用需要测量特重质石油的流量，特重质石油的雷诺数在500至5000的范围内且在测定廓 线的特性时粘性力起到重要的作用。当雷诺数小于约1000时，流体状态被表征为“层流”； 在长且直的管道中，流速廓线接近抛物线形形状，但在任何情况下，流速廓线都非常稳定且 没有涡流。在这种状态下，温度梯度可能造成测量问题，但是对于恒温产品，用超声波仪器 进行流量测量不会出现不可克服的问题。然而，因为涡轮自身与流动流体相互作用，所以在 这种状态下使用涡轮式流量计会造成更多问题。当雷诺数大于1000但小于5000时，该流体状态被表征为“过渡状态”。在该范围 内，流动可能会倾向于层流，但是流速、管道壁的形貌、或者测量仪器自身的物理构造中的 小扰动可能会触发大的漩涡，并伴随有轴向流速廓线的突然并且显著的变化。参考文献描述了过渡流类似于散布有湍动的“胀泡(puff)”和“弹状流(slug)”的层流，该过渡流的存 在及频率取决于雷诺数和管道的其它特征(几何结构、震动等)。胀泡或弹状流之前的时间 平均流速廓线基本上与层流廓线相同，而在胀泡或弹状流的中间，时间平均流速廓线基本 上与湍流廓线相同。在胀泡或弹状流的前缘或尾缘处，廓线从一种形状转变为另一种形状， 并且该转变伴随有大涡流的产生。在过渡区域，涡轮式流量计和超声波流量计均不能令人满意地进行操作，它们难 以进行校准，并且校准的变化太大以至于不能用于要求精确度的石油应用中，例如密闭输 送及产品分配等。目前，唯一适用于过渡区域的仪器为容积式流量计，但容积式流量计价格 昂贵并需要频繁的维护。本专利技术提供如下一种技术，其中超声波流量计可以制造为能在过 渡区域中稳定且可靠地进行操作，并且不会牺牲该超声波流量计在下方的层流状态或上方 的湍流状态中的性能。就本专利技术人所知，不存在如下在先申请即用于实现使用超声波流量计测量过渡 状态(区域，regime)中的流速廓线的特定目的。用压差仪测量质量流量的现有技术喷 嘴一例如所谓的ASME喷嘴一具有非流线形入口并通常以单个椭球面为特征，而不使用本 专利技术所描述的复合立方面或复合椭球面。图5示出典型的传统流体喷嘴的轮廓。
技术实现思路
本专利技术涉及一种利用与时差式超声波流量计结合的流体喷嘴(fluid nozzle)来 测定管道内的流体流量的方法和装置。所述流体喷嘴具有呈期望轮廓的内表面，以使流体 从管道转移到流量计中，以便流量计分析流体流量。附图说明在附图中示出本专利技术的优选实施例以及实施本专利技术的优选方法，其中图1是本专利技术的装置的示意剖视图；图2是渐缩式喷嘴的复合椭球面轮廓；图3是在雷诺数100000以内的层流状态、过渡状态和湍流状态中全通径式流量计 的线性度的曲线图；图4是在雷诺数100000以内的层流状态、过渡状态和湍流状态中根据本专利技术的缩 孔式(6X4)流量计的线性度的曲线图；以及图5是现有技术中借助于压差进行流量测量的典型流体喷嘴的轮廓。 具体实施例方式下面参考附图，其中，在各个附图中用相似的附图标记表示相似或相同的部件。更 具体地参考图1，图1示出用于测定管道12中的流体流量的装置10。装置10包括与管道 12进行流体连通的流体喷嘴14。该喷嘴14的表面16轮廓构成为可避免因流体流动而产 生的负压力梯度。该装置10包括时差式超声波流量计18，该时差式超声波流量计18采用 至少一条与管道12中的流体相连的声路并且设置在喷嘴14的下游。换句话说，装置10设 置有用于测量管道内的流体的流动特性的缩孔式超声波流量计。流体喷嘴14通常包括具有凹形轮廓部分和凸形轮廓部分的环形内表面。该凹形部分或凸形部分或它们的任意组合可以呈例如椭球形、或立方形、或正弦形。该凹形轮廓部 分和凸形轮廓部分可以为椭球形、立方形或正弦形。为避免负压力梯度，喷嘴14的表面16可示例性地构成为复合椭球面。例如，该表 面轮廓可描述为两个旋转椭球体的复合面。这两个旋转椭球体由KX-Xtl)2Aii(Y-Ytl)2A2 = 1}形式的椭圆经旋转而成，其中，a和b为赤道半径(equatorial radii)(沿X和Y轴)， 并且X、Y、X0及\为与对应的轴线相关的数，后文将进行详细说明。在一个实施例中，喷嘴14的喉部20的直径与位于喷嘴14上游的管道12的直径 的比值为0.7或更小。具体地说，该比值可以为约0.67。喷嘴14的长度可以介于管道12 的直径的1/2倍至3倍之间。流量计18的上游孔24可以设置在距喷嘴14的下游端26介 于管道直径的1/2倍至3倍之间的距离处。装置10可以包括在流量计18的下游位置与管道12流体连通的扩散器22。该流 量计18可以测量管道12中的雷诺数为1000至5000的流体。本专利技术涉及管道12的流体喷嘴14。喷嘴14包括内表面16，该内表面16的轮廓 可以避免在流体流过喷嘴14时沿着内表面16在流体中产生负压力梯度。喷嘴14包括喉 部20，其中，喉部20的直径与喉部20上游的管道12的直径的比值为0. 7或更小。本专利技术涉及一种用于测定管道12内的流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测定管道中的流体流量的装置，所述装置包括：流体喷嘴，其与所述管道流体连通并且具有如下的表面，所述表面的轮廓避免当流体流过所述流体喷嘴时沿着所述流体喷嘴表面在流体中产生负压力梯度，以及时差式超声波流量计，其设置在所述流体喷嘴的下游并且采用至少一条与所述管道中的流体相连的声路。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫伯特埃斯特拉达，格雷戈尔J布朗，唐纳德R奥根斯坦，
申请(专利权)人：卡梅伦国际有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]