相干涡旋脱落降低的传感器管制造技术

一种装置（２３），包括用于放置在过程流中的传感器管（２１）和流量变更元件（２２）。流量变更元件（２２）形成在传感器管（２１）上，以通过降低所述过程流中的相干涡旋脱落来降低传感器管的流动引发的振动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及流体处理和相关测量。具体地，本专利技术关注用于测量流体流 中的过程参数的振动减小的传感器管。该传感器管构造为降低相干涡旋脱落(coherent vortex shedding)，并降低流动引发的振动。这降低了对传感器管的结构要求，增加了传感 器和传感器管的使用寿命，并通过降低振动引发的噪声改善了信号质量。安全、精确和划算的流体测量对广泛的工业和科学过程是重要的。这些应用中的 多种要求采用诸如热电偶套管、皮托(Pitot)管和类似的结构的传感器管的测量，所述传 感器管直接定位在过程流体流中，以将过程参数传向过程传感器，以监测过程参数。过程参数是诸如温度和压力之类的物理变量，其通常表征过程流体。过程传感器 用来通过产生作为所述参数的函数的传感器信号来感测或测量过程参数。典型的传感器包 括热电偶、电阻式温度检测器、压力传感器、流量传感器、PH传感器和其它传感装置，其构造 为感测或表征广泛的过程流体参数和其它过程变量。在一些应用中，传感器管和传感器组成独立传感器模块。在其它应用中，该传感器 模块与安装结构和具有控制器和输入/输出(I/O)接口的变送器/连接头一起组合在通 常称为现场设备的配置中。现场设备通常进行其它信号处理和监测功能，产生高阶输出， 用于与过程测量和控制系统进行通信。在一些配置中，现场设备也进行过程控制功能。代 表性的传感器模块和现场设备可从大量商业专利技术人处买到，这些专利技术人例如包括Emerson Process Management分部的明尼苏达州的钱哈森市的罗斯蒙德公司。由于热电偶套管、皮托管和其它传感器管结构直接地位于过程流中，因此它们受 到大量应力因数，包括流动引发的振动。流动引发的振动通常由于在传感器管上周期性地 产生交替作用力的涡旋脱落和其它湍流尾流场效应而出现。这些作用力使该管前后振荡或 振动，增加了机械应力，并降低了传感器管和它的相关联的传感器的使用寿命。当流动引发 的振动以接近自然共振频率出现时是特别成问题，这产生了导致灾难性故障的受迫共振振 荡。即使相对小的振荡也会是问题，特别是与诸如大的曳力或静压梯度之类的其它应力结 合时，或者与传感器管结构的腐蚀、老化或侵蚀结合时。以前，传感器管振动问题通过增加传感器管的强度来解决。这种方法要求较厚的 管壁或专用结构，这增加了成本、扩大了设备的尺寸和重量封套，降低了灵敏性，并增加了 响应时间。因此，存在对流动引发的振动降低技术的需求，其不限于机械增强，并且可适用 于不同传感器管配置范围。
技术实现思路
本专利技术关注于用于放在过程流中的装置。该装置包括具有流量变更元件的传感器 管。传感器管构造为用于放置在过程流中，流量变更元件形成在传感器管上。流量变更元 件形成为通过降低过程流中的相干涡旋脱落来降低传感器管的流动引发的振动。附图说明图IA为流动管的示意性顶视图，图示了现有技术的传感器管的涡旋脱落。图IB为湍流过程流中的涡旋脱落体的透视图。图2为相干涡旋脱落降低的现场设备的侧视图。图3为具有振动降低元件的传感器管的侧视图。图3A为示出图3中的振动降低元件的一种实施方式的放大视图。图3B为示出图3中的振动降低元件的替换实施方式的放大视图。图3C为示出图3中的振动降低元件的另一替换实施方式的放大视图。图4为振动降低现场设备的侧视图，图示了替换安装和传感器管配置。具体实施例方式图IA为流动管10的示意性顶视图，图示了现有技术传感器管IlA的涡旋脱落。在 该特定实施例中，传感器管IlA为直圆柱体(以截面示出)，其将描述流体13的过程参数传 递至传感器12。如图IA所示，传感器12为热电偶或电阻式温度检测器(RTD)，位于传感器管IlA 内，靠近内侧壁。在该实施方式中，传感器12与传感器管21热连通，并通过产生诸如电压 或电流之类的传感器信号感测靠近传感器管的过程流体的温度，如上所述，传感器信号为 所述温度的函数。在该实施方式中，传感器管IlA包括热电偶套管，其经由热导将过程流体 温度传递或传送至传感器12。在其它实施方式中，如皮托管实施方式，传感器12位于靠近 或位于传感器管IlA外部的传感器壳体中。在这些实施方式中，传感器管经由压力孔、冲击 式管道、流量管或这些元件的组合将过程流体参数传递或传送至传感器12。流体13以总(或平均)流速V流过传感器管11A，产生下游尾流场14。对于一些 速度V，尾流场14为一般的湍流尾流场，没有周期性结构。然而，在广泛的流速范围中，传感 器管IlA交替流出右旋旋涡15A(逆时针旋转)和左旋旋涡15B(顺时针旋转)。当这种行 为出现时，尾流场14通常熟知为旋涡尾迹或冯卡门涡街(von Karman street) 0冯卡门涡街为流体流的普遍特征。在多种不同的尺寸规模中都观察到它们，从微流 体到海洋和全球气候原型。在流体处理的具体应用中，涡街(vortex street)是成问题的，因 为右旋旋涡15A和左旋旋涡15B从传感器管11带走交替符号冲量，产生流动引发的振动。对于一些过程情况，涡旋脱落的速度和强度大体上描述为总(平均)流速V的函 数，并且根据一阶弯曲模式描述所产生的传感器管振动。在这种模型中，传感器管从其基座 上前后振荡，振幅为流速的函数。然而，涡旋脱落是非常复杂和非线性的过程，其中剪切、湍 流和其它非均勻流速成分也起重要作用。而且，在更现实的方法中，必须结合高阶振荡，以 及诸如温度、密度和粘性之类的其它过程参数的影响。图IB为湍流过程流中的涡旋脱落体IlB的透视图。在这种更具体的实施例中，轴 向流速为翼展方向位置y的函数(从流动管10开始垂直测量的)，并对整个过程流结构的 平均流速V求积分。然而，湍流过程流具有轴向和非轴向成分，它们通常在尺寸和时间尺度范围内变 化。这与其中速度是轴向且恒定的均勻流的情况不同，并与其中速度沿翼展方向y变化但 变化是相对均勻的且保持轴向的剪切流或层流不同。另一方面，在湍流中，存在轴向和非轴5向成分，这些成分不仅在y中变化，而且在角坐标中变化。湍流还展现出不同于层流或剪切流的翼展剖面。在湍流中，速度从管边界快速升 高，但比在层流场中更平缓地逐渐向着中心到达最高点。这使得过程流动引发的振动问题 明显不同其它不可比拟的应用，如汽车天线、烟窗和飞机机翼，其中在这些应用中，流量相 对恒定，或剪切效应或其它边界效应占支配地位。在图IB中，图IA的简单的直圆柱体流动管IlA由更普遍的涡旋脱落体IlB代替。 该涡旋脱落体IlB为代表性的涡旋脱落结构，图示了各种传感器管特征，但没有必要反应 任何特定结构。该涡旋脱落体IlB的特征在于为具有大致翼剖面的椭圆形几何形状。在流 动通道10的上边界处(其中y = 0)，涡旋脱落体IlB具有宽度d(垂直于y并横过轴向流 动方向测量的)和长度1(沿着轴向流动方向(沿着中心线⑦测量的)。涡旋脱落体IlB不具有固定的剖面，而是作为翼展方向位置y的函数在长度1和 宽度d上逐渐变细。这与在流动管10的外边界处(靠近y = 0)平均流速从V1至V2的快 速增加和向着轴线(沿着中心线CJ的至V3和V4的更平缓的逐渐增加一致。除了图IA和IB中示出的圆形和翼剖面，传感器管还展示出卵形、椭圆形、矩形、T 形和其它几何形状，成锥形和非锥形结构。而且，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：传感器管，用于放置在过程流中；和流量变更元件，形成在传感器管上，用于通过降低所述过程流中的相干涡旋脱落来降低传感器管的流动引发的振动。

【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：乔恩埃弗里特加内特，斯蒂芬阿瑟依傅特，马科斯AV佩卢索，大卫尤金韦克伦德，
申请(专利权)人：罗斯蒙德公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]