[发明专利]调节器、设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及在管道中的换能器位点(transducer site)之前转移并且混合在管道中流动的流体的热边界层，在所述换能器位点处设置有用于超声流量计的换能器。(本文所使用的“本发明”或“发明”指的是示范性实施例，但不一定涉及所附权利要求书所覆盖的每一个实施例。)更具体而言，本发明涉及在管道中的换能器位点之前转移并且混合在管道中的层状流体流中的热边界层，在所述管道中设置有用于超声流量计的换能器以及第一斜面和紧邻第一斜面的至少一个第二斜面。

背景技术

本部分意在向读者介绍所属领域中可能与本发明的各个方面相关的各个方面。以下论述意在提供信息以便于更好地理解本发明。相应地，应了解，以下讨论中的陈述应就此而论，而并不是对现有技术的承认。

在广泛的应用条件下，渡越时间超声流量计都能够具有高精确度的性能。这使得它们在例如液烃的密闭输送(custody transfer)等应用中被采用。在大多数应用中，速度、管径以及粘性的组合使得流成为了湍流。湍流的特征在于存在湍流涡系或“旋涡”，这些湍流涡系或“旋涡”会使流体中发生横断流混合。

在一些应用中，例如在“重油”的生产和运输中，流体粘性高于普通情况，结果是该流可能处于过渡流态或层流态。过渡流通常出现在雷诺数在2000与10000之间的区域中。层流通常发生在雷诺数低于2000处。在层流状况下，该流基本上平行于导管的轴线而行进并且不会发生横断流混合。在过渡流态中，该流基本上在层流与湍流状况之间来回转变。

当流处于层流态时，没有湍流混合意味着在流体中会形成温度梯度。例如，如果进入一个管道区段中的流体流的温度高于管道本身，那么紧邻管道壁的流体将冷却到管道壁的温度，并且在管道的壁与中心之间将形成温度梯度。温度梯度的形成将随各种因素而变化，例如流速、温差、流体的导热性以及沿着导管的距离。通常，在相关应用中，温度会在靠近管道壁的区域中快速变化。

渡越时间超声流量计通过估计流速来运作，因此通过测量超声脉冲的飞行时间来估计容积流量。在需要高精确度的应用中，通常将超声换能器安装在壳体中，所述壳体被集成到管道筒中使得壳体的面与管道轴线成某一角度(通常为45°)。在高精确度应用中较为典型的流量计设计的另一方面是，换能器壳体不会凸出到导管的内壁外。这样在壳体的前部形成了腔体，超声穿过该腔体中的流体，然后横越导管的截面，再穿过接收换能器前部的第二腔体。当两个换能器壳体的面之间的流体均质且等温时，超声基本上沿笔直的路径行进。然而，当在层流条件下存在热梯度时，陷在这些腔室中的流体将具有管道壁的温度。由于声速随温度而变，因此从一个换能器行进到另一个换能器的超声此刻必然会发生折射。这意味着此刻超声的行进路径并不是笔直且恒定的，而是会随工艺流体、温度和流条件而变。

即使是在换能器安装在导管外部的情况下，例如在所谓的外夹式超声流量计中，热梯度的存在也将导致超声路径的额外折射，这样它将与应用于流量计的计算算法中的假设不同。

流体流量计通常部署有某形式的上游流调节装置。通常情况下，部署这些装置是为了移除流速中的非轴向分量和/或修改管道上的速度剖面。实例有管束(图1a)和轮叶型的调节器(图1b)，主要用于移除非轴向流分量，移除的方法是将流细分到各通道中，这些通道在管道轴线的方向上的长度大于它们在截面上的长度，从而破坏大型涡系并且使流更趋向于平行于管道轴线来行进。

设计穿孔板式流调节器是为了移除非轴向流并且修改轴向速度剖面。这是通过使用板中的穿孔来实现的，这些穿孔将流分到一系列喷口中，如图2所示。板上的压差使流重新分布，并且板下游的喷口中的湍流混合所形成的流速分布基本上是均匀的并且没有大块的非轴向流分量。

突片型流调节器例如专有的Vortab装置，使用突片1来产生大型涡系以将流混合，从而破坏存在于上游的任何大块的非轴向流分量并且修改轴向速度剖面。这些涡系随后在下游消散，这样向流量计呈现的速度场相对于在装置上游可能存在受扰条件有所改善。突片型调节器的一个实例在图3a和图3b中示出。