专利名称：具有整体锥形扩张器的法兰盘式涡旋流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及法兰盘式涡旋流量计。本发明尤其涉及将涡旋流量计连接到直径大于涡旋流量计孔的直径的带有法兰盘的管道系统。
背景技术：
涡旋流量计(vortex flowmeter)用于工业工艺控制领域，以测量流体的流量。涡旋流量计通常插在传送被测量流体的流动管道中输送管中。工业应用包括石油、化工、纸浆和造纸、矿业和材料、油和气体。涡旋流量计的操作原理是基于称为Von Karman效应的涡旋脱落(shedding)现象。当流体通过陡壁主体时，它分离并且产生小的旋涡，该旋涡沿着陡壁主体的每一侧和在陡壁主体的每一侧之后交替脱落(shed)。这些旋涡引起由传感器测量的波动压力区域。当涡旋产生的频率基本上与流体速度成正比时，该比例随管道的雷诺数变化。管道雷诺数是流体密度、流体黏度、流体速度和管道内径的函数。
在管道系统中，希望保持雷诺数较低，以便降低管道系统中的动力损失。这种降低动力损失的希望导致在管道系统中使用较大的管子尺寸和低范围的流速。
在涡旋流量计中，对可测量的流量范围是有限制的。当流速低于可测量流量的下限时，不能依靠涡旋流量计提供精确的流量指示。
需要提供一种涡旋流量计，该流量计在使用较大管子尺寸降低动力损失的管道系统中出现的流量范围具有精确的流量输出。
发明内容
本发明披露了一种涡旋流量计的制造过程，该过程允许涡旋传感器组件与孔尺寸数小于流管法兰盘尺寸数两个或多个尺寸数量级的两个或多个整体流管中的一个组装。该整体流管包括法兰盘，流管孔和扩张器，该扩张器提供从较大法兰盘到较小孔的平稳流量过渡的并在流管孔和扩张器之间没有接头。
在一个优选实施例中，整体流管形成为单个整体铸件。在另一个实施例中，流量调节器是在整体流管的上游法兰盘中的铸件。
图1是管子的尺寸数和涡旋流量计的表格。
图2是管道系统中作为流量的函数的动力损失的曲线。
图3是用于法兰盘的尺寸数和用于涡旋传感器组件的尺寸数的组合的表格。
图4A、4B是具有尺寸数为(N+1)、(N+2)的流管法兰盘和尺寸数为N的孔的整体流管。
图5A、5B是整体流管，该整体流管是作为单个整体主体的铸件。
图6A、6B是具有尺寸数为M的流管法兰盘和尺寸数为(M-1)、(M-2)的孔的整体流管。
图7是包括流量调节器(flow conditioner)的涡旋流量计。
图8是流量调节器的部分的放大视图。
图9A是沿由薄板形成的流量调节器的图8中的线9-9′的剖视图。
图9B是沿形成为一系列叶片的流量调节器的图8中的线9-9′的剖视图。
图10是涡旋传感器组件和整体流管上的标准传感器接口的分解视图。
具体实施例方式
本发明披露了一种涡旋流量计的制造过程，该过程允许涡旋传感器组件与孔小于流管法兰盘两个或多个尺寸数量级的两个或多个整体流管中的一个进行组装。该整体流管包括法兰盘，流管孔和扩张器(也称作渐缩管(reducer))，该扩张器提供从较大法兰盘到较小孔的平稳流量过渡。该披露的方法允许孔尺寸数和法兰盘尺寸数的多种组合，由此组装获得希望的流量范围，同时仅仅具有单个类型的涡旋传感器，其具有存用的标准传感器接口。
当从被连接的带有法兰盘的管道系统到涡旋流量计的流体流通过较小的孔时，其速度增加。这种布置有效地将流体流移动到涡旋流量计的测量范围中，由此流量能够精确地测量。在管子的直径大于流量计孔两个标准尺寸的实施例中，处理内部表面以及流量是非常重要的，因为通过流量计的雷诺数基本上可以局部较高。整体流管形成为整体部件，从而在流管孔和扩张器之间没有接缝，接缝会引起流动扰动和不精确。此外，一些实施例包括流量调节器，以减轻任何流量不对称的影响，因为当不对称通过较小孔时它们得以放大。采用披露的布置，可以实现在管道系统中利用较大的带有法兰盘的管的能量节省，同时具有精确的流量测量。
尽管可以在涡旋流量计中以雷诺数在2000-10,000的范围产生流动旋涡，但是在这些低流速的旋涡的频率不可预测为线性。通常，20,000的雷诺数是线性流量测量的下限。对涡旋流量计操作的另外的下限在涡旋流量计中的传感器能够检测的最小速度求出。依流体是液体还是气体而具有不同的检测极限，特别是检测取决于流体密度和速度。
图1是带法兰盘的管子和涡旋流量计的尺寸数的表格20。在图1中可以看出，管道系统利用诸如1/2英寸、1英寸、1-1/2英寸等的标称管子尺寸设计。在这种应用中，这些依次增加的标称管子尺寸由依次增加的尺寸数(N、M等)表示，以便于本发明实施例的描述。典型的涡旋流量计测量范围的例子针对具有图1中的表格中所示的标称直径的孔的涡旋流量计在图1中以每分钟加仑(GPM)示出。本领域所属技术人员可以理解涡旋流量计孔的实际内径可以稍稍小于相同标称内径的带法兰盘的管子的实际内径。带法兰盘的管子的实际内径由ASME Standards B36.10、ASMEB36.19和ISO Standards ISO 4200、ISO 1127列出。从图1中的例子可以看出，涡旋流量计的流量范围受到限制并且彼此交叠。
涡旋流量计设计为安装在带有法兰盘的管道系统中，该管道系统包括不同的压力范围和诸如1/2″、3/4″、1″、1-1/2″、2″和更大尺寸的标称管子直径的标准数量级(standardized steps)中的尺寸范围。涡旋流量计以示适合于与这些标准数量级的管子法兰盘配合的流量计法兰盘，并且以与标称管子直径相应的标称直径制造。
涡旋流量计的精度对流动扰动敏感。例如，如果在法兰盘之间的填料延展到流体流中，密封垫会扰动该流并引起不精确的测量。涡旋流量计通常安装在管子间，从涡旋流量计具有最小10倍上游直管子直径和最小5倍下游直管子直径，以降低流动扰动对精度的影响。对于一些类型的流动扰动，可以需要直到35倍的上游直径，以确保精度。
在处理管道系统的设计中，通常的惯例是使管道尺寸超大，以降低流速，由此降低通过处理管道系统输送流体的高能量成本。采用超大尺寸的管道，流量能够容易地降低到采用与管子相同的标称直径的涡旋流量计的线性范围之下。涡旋流量计不能测量流量范围的下端，同时还能利用涡旋流量计的上部范围的能力，因为上部范围的能力超出了管子流量的上部范围。当出现这种情况时，必须提供尺寸减小的涡旋流量计，该涡旋流量计尺寸减小一个管子尺寸级并且利用渐缩管，以将减小尺寸的涡旋流量计连接到大尺寸的管子。在许多情况下，这将使涡旋流量计中的流速增加，足以测量较低的管子流速，而不必由于流量计的压力降低发生不可接受的能量成本的增加。
图2是管道系统中作为流量(flow rate)的函数的相对动力损失的曲线。垂直轴30表示利用涡旋流量计的管道系统中的相对动力损失。动力损失仅仅用相对比例示出并且实际动力损失计算可以基于流体的组分、温度和其它因素依比例决定。水平轴32代表以每分钟加仑(GPM)表示的流量。垂直和水平轴30、32具有对数刻度。通常，对角线34、36、38、40、42、44表示对于标称直径为1、1-1/2、2、3、4和6英寸的管道系统的作为体积流量的函数的相对动力损失。对于给定的希望的大约3-10每分钟加仑的流量测量范围48，可以看出，管道系统中的相对动力损失随标称管子尺寸增加而降低。为了利用该动力损失的降低，可以选择诸如4英寸管子的相对较大尺寸管子，如实线42所示。
涡旋流量计的流量范围分别表示为对应于标称直径为1/2、1、1-1/2、2、3、4和6英寸的涡旋流量计孔的标称尺寸的长方形方框50、52、54、56、58、60、62。通过将4英寸孔流量计的流量范围60与希望的测量范围48进行比较，可以看出，流量范围60仅仅覆盖希望的流量范围48的较小的上部。还可以看出，2英寸流量计或1-1/2英寸流量计将覆盖整个期望的流量测量范围48。即，在该特定的例子中，管道系统具有尺寸数N＝6(具有动力损失曲线42的4″直径)和将精确测量希望的流量范围48的涡旋流量计的孔是尺寸数N＝4(在56)和N＝3(在54)。尺寸数N＝2也覆盖了测量范围，但是由于其较小尺寸将导致过大的动力损失。如果较小尺寸的带法兰盘的涡旋流量计利用传统的带法兰盘的渐缩管和密封连接到较大的管道系统，该布置的风险是由于多重法兰盘的配合的不规则性和密封的部分突起到流体流中引起实质上偏离涡旋流量计的工厂测定。提供两个带法兰盘的渐缩管和组装四个带法兰盘的管子连接的安装成本非常高。这种问题如下面结合图3-10所述通过提供在流量计的孔和渐缩管之间没有法兰盘连接或密封垫的整体流管而克服。
图3是用于法兰盘的尺寸数和用于涡旋整体流管的孔的尺寸数的组合的表格或矩阵。“尺寸数”上面结合图1进行了说明。在该特定例子中，在制造过程中提供的组合中的每一个标有X，没有提供的组合没有标注。
例如，如在70所示，孔的尺寸数为6的整体流量计设有尺寸数为7和8的法兰盘。换言之，具有4英寸孔的流量计设有6英寸和8英寸法兰盘。更一般地说，孔尺寸数为N的流量计设有尺寸数为(N+1)和(N+2)的法兰盘。这些组合在下面结合图4A、4B、5A、5B更详细地说明。
在另一个例子中，如在72所示，法兰盘尺寸数为6的整体流量计设有尺寸数为4和5的孔。即，具有4英寸法兰盘的流量计设有2和3英寸的孔。更一般地说，法兰盘尺寸数为M的流量计设有尺寸数为(M-2)和(M-1)的孔。这些组合下面结合图6A、6B中的例子更详细地说明。
如图3中的X所示的所提供的组合中的每一个包括在整体流管上的标准涡旋传感器接口。这种布置允许涡旋流量计的最终制造通过简单地将整体流管组合中的一个与形成形状为配合标准传感器接口的涡旋传感器组件组装而完成。涡旋流管利用测得的流量标定，而渐缩管和法兰盘在适当的位置。然后，标定存储在完成的涡旋流量计中，优选存储在包含在涡旋流量计电子装置中的EEPROM中。由于扩张器引起的任何精度变化在标定过程中修正。根据客户的需要，能够精确、迅速并经济地制造和运输与管道系统的法兰盘的尺寸匹配的希望的流量范围和流量计法兰盘的正确组合。没有等待客户定制的涡旋流量计的延迟。
图4A、4B是具有尺寸数为(N+1)、(N+2)的流管法兰盘和尺寸数为N的孔的整体流管80、82。两个整体流管80、82具有相同尺寸数的孔并且具有彼此相同的选择的流量测量范围，例如在图1中所示的例子中与尺寸数N相关的流量测量范围。
用于涡旋流量计的制造方法包括提供形状形成为配合整体流管80、82中的每一个上的标准传感器接口86的涡旋传感器组件。
提供第一整体流管80并且第一整体流管80具有标准传感器接口86，通过锥形扩张器90连接到尺寸数为N的第一孔92的尺寸数为(N+1)的流管法兰盘88。第一整体流管80提供第一法兰盘尺寸数(N+1)，该第一法兰盘尺寸数对于选择的测量范围尺寸加大一级。
提供第二整体流管82并且第二整体流管82具有标准传感器接口86，通过锥形扩张器100连接到尺寸数为N的第二孔102的尺寸数为(N+2)的流管法兰盘98。第二整体流管82提供第二法兰盘尺寸数(N+2)，该第二法兰盘尺寸数对于选择的测量范围尺寸加大两级(two steps)。
最后，法兰盘具有选择的尺寸数N+1或N+2的流量计被选择并且在第一和第二整体流管80、82中的选择的一个上的标准传感器接口86连接到一个涡旋传感器组件。
扩张器90、100优选与管子法兰盘88、98一起形成为单个无缝铸件，该铸件加工到包括焊接颈部94、104的最终形状。流量计孔92、102也加工为包括焊接颈部96、106。扩张器90、100上的焊接颈部的边缘与相对的流量计孔92、102上的焊接颈部96、106的边缘精确对准并且焊接在一起。完成的焊接根据需要被仔细检查并且加工，以提供没有任何会对流量测量的精度产生不良影响的错位或突起整体流管的完全平滑的内径。完成的整体流管80、82是整体的，即在扩张器焊接到孔的位置完全没有突起连接。由于连接是永久焊接，因此没有在客户处组装时的意外分开或错位的危险。
图5A、5B是整体流管130、132，该整体流管是作为单个整体主体的铸件。图5A、5B的整体流管130、132类似于图4A、4B的整体流管80、82。在图5A、5B中使用的与图4A、4B中使用的附图标记相同的附图标记表示相同或类似的特征。整体流管130、132每一个都是作为单个整体铸件并加工到最终形状的铸件，由此避免会扰动流体流动并对精度产生不良影响的孔和扩张器之间的接缝或密封垫。另一方面，图5A、5B的整体流管类似于图4A、4B中的相应的整体流管。
图4A、4B、5A、5B中所示的例子大体与图3中所示的例子70对应。
图6A、6B是具有尺寸数为M的流管法兰盘162、164和尺寸数为在92的(M-1)、在102的(M-2)的孔的整体流管150、152。两个整体流管150、152具有相同尺寸数M的法兰盘并且具有不同的选择的流量测量范围，例如与图1中所示的例表中的尺寸数M-1、M-2相关的那些。图6A、6B中所示的整体流管类似于图5A、5B中所示的整体流管并且在图6A、6B中使用的与图5A、5B中使用的附图标记相同的附图标记表示相同或类似的特征。
用于涡旋流量计的制造方法包括提供形状形成为配合整体流管150、152中的每一个上的标准传感器接口156、158的涡旋传感器组件。
提供第一整体流管150并且第一整体流管150具有标准传感器接口156。第一整体流管150具有通过锥形扩张器90连接到尺寸数为(M-1)的第一孔92的尺寸数为M的流管法兰盘162，以提供第一流量测量范围。
提供第二整体流管152并且第二整体流管152具有标准传感器接口158。第二整体流管152具有通过锥形扩张器100连接到尺寸数为(M-2)的第二孔102的尺寸数为M的流管法兰盘164，以提供第二流量测量范围。
另一方面，整体流管150、152的构造类似于整体流管130、132的构造。整体流管150、152由单个铸件制造，但是也可以焊接，如上面结合图4A、4B所述。图6A、6B中所示的例子与图3中所示的例子72对应。
图4A、4B或图5A、5B中所示的例子是根据图3中的例子70的具有多重法兰盘尺寸数的单个孔尺寸数的例子。图6A、6B中所示的例子是根据图3中的例子72的具有单个法兰盘尺寸数的多重孔尺寸数的例子。
图7是具有包括流量调节器180的整体流管178(诸如上面结合图4A、4B、5A、5B、6A、6B所述)的涡旋流量计176。涡旋流量计176包括涡旋传感器组件174，该涡旋传感器组件174通过四个螺栓(图中未示出)安装到整体流管178的顶部平面。涡旋传感器组件174包括标准传感器接口(下面结合图10进行更详细的描述)。
流量调节器180布置为配合在整体流管178上的上游的内径182或入口法兰盘184中。流量调节器大于整体流管178的孔186的直径。涡旋脱落杆188固定在孔186中。流量调节器180包括多重孔190，该孔190允许流体流过流量调节器。流量调节器180还包括围绕孔190并且阻止流体流动的实心部分192。下面结合图8、9A、9B更详细描述流量调节器180。
涡旋流量计电子装置194设置在发射器外壳196中，该外壳196可以如图所示安装在局部，或安装在远处。涡旋流量计电子装置优选包括电可擦除只读存储器(EEPROM)198，电可擦除只读存储器(EEPROM)198存储流量测试设施中通过测试流管184获得的标定数据。
尽管在图7中示出了圆孔190，但是可以理解孔的形状可以依应用的需要而变化。孔190可以是椭圆口或长口。
图8是流量调节器200的部分的放大剖视图。流量调节器200包括具有边缘206、208的孔202、204，边缘206、208不尖锐，而是平滑或流线型，以降低扰动和更好地调节流量。流量调节器200使流体流变直，从而流体流趋于相对没有较大的旋涡进入整体流管中，否则较大的旋涡会干扰测量精度。
图9A是沿由薄板形成的流量调节器的图8中的线9-9′的剖视图。流量调节器包括穿有多重孔202、204的板。该板围绕多重孔202、204具有流线型的边缘206、208。
图9B是沿板中形成为一系列流线型叶片210的流量调节器的图8中的线9-9′的剖视图，该板比图9A中所示的板厚。
图10是整体流管孔220和涡旋传感器组件222的局部分解视图。流量计孔220被套筒状截面224围绕，截面224与渐缩管连接，如上面结合图4A、4B所述。套筒224能够在焊接颈部法兰盘焊接到渐缩管或与渐缩管整体铸造。套筒具有限定孔220的尺寸数为N的内径226。流体沿箭头228所示的方向流过孔220。
涡旋脱落杆230横向穿过孔220延伸并且在两端固定到套筒224的内径表面。小弯曲部分包括薄传感膜232，该薄传感膜232沿周边部分被涡旋脱落杆230支撑。传感膜232开口到流体，以响应于涡旋脱落杆230脱落的旋涡施加的交变力沿箭头234的方向交替偏转。梁236连接到传感膜232，以通过套筒224传送传感膜232的偏转。梁236响应于传感膜232的偏转围绕枢转轴238转动或“摇摆”，由此在连接到套筒224的压电涡旋传感器组件222上施加侧向力。压电涡旋传感器组件222检测梁236的横向运动并且在具有表示涡旋脱落的频率的电输出240上产生压电传感器信号和流过孔220的流体的流量。电输出240连接到涡旋流量计电子装置。涡旋传感器组件222形状形成为配合在套筒224的顶部平面中的孔242中并且接合梁236。孔242和梁236的尺寸和形状是在整体流管上的标准传感器接口。图10中所示的布置可以如美国专利No.4,926,659(Kleven等)中所教导的一样，该申请通过参考而并入。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但是本领域所属技术人员可以理解在不偏离本发明的范围的情况下可以进行形式和细节上的修改。
权利要求
1.一种用于涡旋流量计的制造方法，包括提供整体流管，该整体流管具有较大上游和下游法兰盘，较小流管孔和提供从较大上游和下游法兰盘到较小孔的平滑过渡的扩张器；以及在每个作为单个整体铸件形成有上游法兰盘的整体流管中提供流量调节器。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将流管法兰盘、流量调节器、扩张器和每个整体流管的孔形成作为单个整体铸件；以及加工单个整体铸件，以提供平滑的过渡。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在流量调节器、扩张器和法兰盘在适当位置的情况下测量每个整体流管的标定值；以及将被测量的标定值存储在涡旋流量计中。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在扩张器和孔的相对的边缘上设置焊接颈部法兰盘；将焊接颈部焊接在一起，以用平滑的焊接连接将扩张器连接到孔。
5.一种用于完成涡旋流量计的制造方法，该涡旋流量计具有尺寸数为N的孔用于安装在从尺寸数(N+1)到尺寸数(N+2)范围的管子法兰盘之间，包括A.提供形状形成为配合整体流管上的标准传感器接口的涡旋传感器组件；B.提供第一整体流管，该第一整体流管具有标准传感器接口，通过锥形扩张器连接到尺寸数为N的第一孔以提供第一法兰盘尺寸数的尺寸数为(N+1)的上游和下游流管法兰盘；C.提供第二整体流管，该第二整体流管具有标准传感器接口，通过锥形扩张器连接到尺寸数为N的第二孔以提供第二法兰盘尺寸数的尺寸数为(N+2)的上游和下游流管法兰盘；以及D.通过将一个涡旋传感器组件连接到第一和第二流管中的选择的一个上的标准接口将涡旋流量计与具有选择的尺寸数的上游和下游法兰盘进行组装。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在扩张器和法兰盘在适当位置的情况下测量每个涡旋流管的标定值；以及将测得的标定值存储在涡旋流量计中。
7.一种用于完成涡旋流量计的制造方法，该涡旋流量计具有可选择的测量范围并用于安装在尺寸数为N的管子法兰盘之间，包括A.提供形状形成为配合整体流管上的标准传感器接口的涡旋传感器组件；B.提供第一整体流管，该第一整体流管具有标准传感器接口，通过锥形扩张器连接到尺寸数为(M-1)的第一孔以提供第一流量测量范围、上游法兰盘的尺寸数为M的上游和下游流管法兰盘；C.提供第二整体流管，该第二整体流管具有标准传感器接口，通过锥形扩张器连接到尺寸数为(M-2)的第二孔以提供第二流量测量范围、上游法兰盘的尺寸数为M的上游和下游流管法兰盘；以及D.通过将一个涡旋传感器组件连接到第一和第二整体流管中的选择的一个上的标准接口组装具有选择的测量范围的涡旋流量计。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在扩张器和第一和第二孔上提供焊接颈部法兰盘；将焊接颈部法兰盘焊接在一起，从而以无缝接头将扩张器连接到第一和第二孔。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括在扩张器和法兰盘在适当位置的情况下测量每个涡旋流管的标定值；以及将被测量的标定值存储在涡旋流量计中。
10.一种安装在尺寸数为N的管子法兰盘之间的涡旋流量计，包括A.形状形成为配合整体流管上的标准传感器接口的涡旋传感器组件；B.整体流管，该整体流管具有标准传感器接口并且具有尺寸数为N的上游和下游流管法兰盘，以及尺寸数为(N-A)的孔，其中A是在范围1、2中的整数，并且该整体流管具有连接在流管法兰盘和孔之间的扩张器；以及C.整体流管形成为没有接缝的整体铸件。
11.根据权利要求10所述的涡旋流量计，还包括流量调节器，该流量调节器包括板，该板穿有是整体铸件的一部分的多个孔。
12.根据权利要求11所述的涡旋流量计，其中所述板具有围绕多个孔的流线型边缘。
13.根据权利要求10所述的涡旋流量计，其中所述流量调节器包括具有流线型边缘的叶片。
14.根据权利要求10所述的涡旋流量计，还包括扩张器和法兰盘在位时测得的存储在涡旋流量计中的标定值。
15.一种安装在尺寸数为N的管子法兰盘之间的涡旋流量计，包括A.形状形成为配合整体流管上的标准传感器接口的涡旋传感器组件；B.整体流管，该整体流管具有标准传感器接口并且具有尺寸数为N的上游和下游流管法兰盘，以及尺寸数至少为与(N-1)一样小的孔，并且该整体流管具有连接在流管法兰盘和孔之间的扩张器；C.横过上游法兰盘中的开口的尺寸数为N的流量调节器。
16.根据权利要求15所述的涡旋流量计，其中流量调节器包括板，该板穿有多个孔。
17.根据权利要求16所述的涡旋流量计，其中所述板围绕多个孔具有流线型边缘。
18.根据权利要求15所述的涡旋流量计，其中所述流量调节器包括具有流线型边缘的叶片。
19.根据权利要求15所述的涡旋流量计，还包括扩张器、法兰盘和流量调节器在位时测得的存储在涡旋流量计中的标定值。
全文摘要
本发明披露了一种涡旋流量计的制造过程(图3)，该过程允许涡旋传感器组件(222)与孔(92、102)尺寸数小于流管法兰盘(88、98)尺寸数两个或多个尺寸数级的两个或多个整体流管中的一个进行组装。该整体流管(80、82)包括法兰盘，流管孔和扩张器(还称作渐缩管)，该扩张器提供从较大法兰盘到较小孔的平稳流量过渡。
文档编号G01F1/32GK1614362SQ20041009011
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月3日 优先权日2003年11月3日
发明者达罗尔·D·本斯顿 申请人:罗斯蒙德公司