专利名称：相干涡旋脱落降低的传感器管的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及流体处理和相关测量。具体地，本发明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�？�。在其它应用中，该传感器 �？橛氚沧敖峁购途哂锌刂破骱褪淙�/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�？楹拖殖∩璞缚纱哟罅可桃捣⒚魅舜β虻剑庑┓⒚魅死绨‥merson 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。
发明内容
本发明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。
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�。挥兄芷谛越峁�。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，在图IB的特定结构中，传感器管/涡旋脱 落体IlB是悬臂式的；也就是说，它仅在流动管的一个边界处(在图IB中的顶部，y ^ 0) 被支撑。在其它结构中，涡旋脱落体IlB在两端被支撑(如，参见图4)。诸如涡旋脱落体IlB之类的涡旋脱落结构附近的流体流的分析通常从雷诺数 (Reynolds number) (Re)开始，雷诺数为表征流场中的惯性与粘性力之比的无量纲参数。该 雷诺数为
ρ PVdRe =——
μ， [1]其中ρ为流体密度，V为平均(或总)流速，d为该流体流中的涡旋脱落体的宽 度，μ为绝对粘度。在锥形流管附近的剪切流的情况中，V和d都是垂直或翼展方向位置y的函数。涡 旋脱落频率(f)通过熟知为施特鲁哈尔数(Strouhal number) (St)的第二个无量纲参数与 这些量相关
Oβst=i。[2]在宽范围的雷诺数中，下游尾流场的旋涡能量由大量尾流不稳定性占支配地位， 这又由单个、相对恒定的低频值St来表征。在这种方式中，等式2推算涡旋脱落频率(f) 基本上与总(平均轴向)流速V成线性关系。旋涡振幅与V2成比例，并且通常限定在压力 部件中，使得振幅与脱落结构上的作用力成比例。在降低流动引发的振动的最简单的方法中，脱落频率简单地与第一弯曲模式的频 率进行比较。第一弯曲模式由传感器管的长度和横截面积以及管壁的厚度和材料特征(特 别是它的杨氏模量)确定。在这种方法中，原则上，通过简单地避免在第一弯曲模式频率附 近产生相干涡旋脱落的过程配置(即，流量)，可以限制流动引发的振动。不幸的是，这种模型对实际过程流情况来说太简单化了，并且未反映真实世界流 体处理要求。特别地，过程测量装置必须适应所要求的流量，而不是用相反方式。向杨氏模
6量之类的量也取决于温度和其它过程变量，这些不是总能够进行直接和独立控制。更中肯的是，在更完整的湍流分析中，施特鲁哈尔数(St)不是常数，而是展示处 作为比值y/d的函数的不规则步进式行为。因此图IA仅示出了高度复杂的尾流场的一“层” 或翼展方向的切片，其中分开的旋涡沿着传感器管不是均勻地脱离，而是趋向于组成作为y 的函数的一系列单元。每个单元显示出不同的脱离频率和振幅分布(或能量谱)，并且每个 单元能够激励不同的振动模式。结果是在宽的流速范围内(可替换地，雷诺数和斯德鲁哈 尔数)产生流动引发的振动的宽频旋涡脱离图案，并且不限于单个共振频率，而是可以影 响几乎任何传感器管形状。因此，全面理解流动引发的振动要求更详细的湍流过程流和传感器管几何形状的 分析，包括多种脱离频率、高阶振荡模式和(特别是靠近流动管的弯曲处或弯管处的)流场 的漩涡效应。结果是多维参数空间，其由多种旋涡脱离方案和对应的振荡模式进行表征，其 中甚至更复杂的计算机模式也可能不足以描述所产生的流动引发的振动。由于问题是复杂的，来自诸如飞机机翼、烟窗和汽车天线之类的不可比拟领域的 方案不能简单地按比例用于过程流设备。相反，必须从每个特定传感器管结构的独特视角 解决问题，并且必须不仅解决体积流和剪切流，而且解决湍流场的高阶成分。完整的方案必 须还可适用于宽的流速范围，并且应当解决包括密度、粘性、压力和问题之类的其它流体参 数的影响。图2为相干涡旋脱落降低的现场设备20的侧视图。现场设备20包括传感器管 21、振动降低元件22和传感器23。传感器23以虚线示出，振动降低元件22的位于传感器 管21后侧的部分也以虚线示出。在图2的特定实施方式中，现场设备20还包括压配合装 置24、管套节25、密封件26、螺纹接头27和变送器/连接头28。如图2所示，传感器23为定位在传感器管21内的热传感器，靠近管壁29。在这种 结构中，传感器管21为热电偶套管，其保护传感器23，并通过管壁29经由传导将过程参数 (流体温度)传递至传感器23。在替换实施方式中，传感器23不位于管壁29内，传感器管 21经由压力孔或其它形式的流体连接(如，参见图4，下文)将流体特性传递至传感器23。在一般实施方式中，传感器23表示用于感测过程温度的温度传感器、用于感测或 表征过程压力的压力传感器、用于感测或表征过程流量的流量传感器、用于表征PH值的PH 传感器或用于感测其它过程参数的其它传感器装置中的一种或多种。在这些实施方式中的 一些中，传感器23为主传感器，并且现场设备20还包括用于表征次要过程参数的次级传感 器，如用于表征补偿温度的温度补偿传感器。压配合装置24、管套节25、密封件26和螺纹接头27表示通用目的传感器管/传 感探测器安装组件和支架结构，变送器/连接头28表示具有通用控制器和I/O接口部件的 通用变送器壳体。这些元件在不同的实施方式中不同，并且不存在于所有实施方式中。从 罗斯蒙德(Rosemoimt)公司和其它商业厂商可以买到具有这些和其它特征的多种代表性 的结构。现场设备20检测与靠近传感器管21过程流体相关的过程参数。经由热传导、诸 如流动管之类的流动连接、诸如压力孔或皮托管孔之类的压力连接或类似装置，传感器管 21将过程参数(或流体参数)传递至传感器23。过程传感器23包括定位用于与传感器管21进行通信的主传感器元件或其它传感
7装置。在一些实施方式中，包括热电偶套管实施方式，传感器23包括热传感器，并定位成与 传感器管进行热连通。在这些实施方式中，传感器23通常位于传感器管23内部，紧接或靠 近传感器管的内侧壁定位。在其它实施方式中，包括皮托管实施方式，传感器23定位为与传感器管21压力或 流动连通。在这些实施方式中，传感器23包括皮托管传感器，并定位经由传感器管中的皮 托管孔或压力孔直接与传感器管21连通。可替换地，皮托管传感器定位通过至传感器管21 的冲击式管道或其它流体连接与传感器管21进行远程通信。传感器元件23感测靠近传感器管21的流体流中的流体参数，并产生传感器信号， 如电压、电流或数字传感器信号，其为所述参数的函数表示。在包括变送器/连接头28的实 施方式中，现场设备20还产生表示传感器信号的输出，用于与过程控制系统进行通信。在 这些实施方式中的一些中，现场设备20还接收过程输入，并进行过程控制功能。传感器管1构造用于定位在过程管道中，或用于过程流中的其它形式的放置。当 传感器管21暴露至过程流时，如上所述，它经受流动引发的振动。这些振动在现场设备20 的传感器管21、传感器23和其它部件上产生机械应力。由于振动本身，或者流动引发的振 动与高静态曳力、大压力差、腐蚀、侵蚀或老化的组合，这降低传感器和传感器管的使用寿 命。由于局部破裂和漏电短路，潜在的故障模式范围导致RTD或其它传感器中的电线破损 或心轴破裂、甚至传感器管21或传感器23出现灾难性故障。流量变更元件22形成为降低传感器管21附近相干涡旋脱落，并降低所产生的流 动引发的振动。特别地，通过变更边界层处的流量、控制分离位置以改变尾流场中的旋涡的 振幅分布和脱离频率，流量变更(或振动降低)元件22降低相干涡旋脱落。这降低传感器 管21的振动激励可用的能量，增加了传感器管21和传感器23的使用寿命和可靠性。在一 些实施方式中，流量变更元件22还扩大了传感器管21和传感器23的操作范围，并通过降 低与流动引发的振动相关联的机械、热动力或电噪声效应，降低了由传感器23产生的信号 噪声。流动引发的振动的水平较低的现场设备使得传感器管21的设计的灵活性更大， 特别是在所要求的响应时间使壁厚增加为不可接受的方案的应用。这便于努力降低成本， 并降低总重量和尺寸壳层，同时增加了灵敏性和可靠性。图3为具有振动降低/流量变更元件22的传感器管21的侧视图。在这种特定实 施方式中，元件22在沿着管壁29的螺旋形路径中围绕传感器管21缠绕。在一些实施方式中，螺旋形路径由螺旋或截头螺旋面函数表征。螺旋面为限定在 x-z平面中的作为翼展方向位置y的函数的最小表面χ = rcos (ay) ； [3A]ζ = rsin(ay) [3B]螺旋面的轴向位于y方向。常数a决定了螺旋面的缠绕率(twist rate)或“螺 距”，其作为旋转角θ = ay的函数。例如，对于a = 0，不存在缠绕，且旋转角θ总为零。 因此在每个位置ζ = 0，且螺旋面正好是(未扭曲的)χ-y平面。当a从0开始变化时，该平 面连续弯曲(异种同态)成螺旋或“阿基米德螺旋”形状，其中a >0描述了围绕y轴的右 旋螺旋(具有右旋螺旋性的结构)，a < 0描述了围绕y轴的左旋螺旋(具有左旋螺旋性的 结构)。
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以弧度测量角，螺距(螺旋之间的距离，沿着y的每单位长度)为ρ = 2 π /a。如 果以角度而不是弧度测量角，则螺距为360° /a。在一些实施方式中，螺距ρ相对较�。� 得振动降低元件22在传感器管21周围缠绕两次或多次，如图3所示。在其它实施方式中， 螺距P相对较大，使得振动降低元件22缠绕少于两次。在其它实施方式中，螺距ρ作为翼 展方向位置y的函数进行变为，在传感器管21的某些区域更紧密地缠绕，在其它区域更松 散地缠绕。在多种实施方式中，元件22基本沿着传感器管21的整个长度延伸，如图3所示， 或者沿着所述长度的一部分延伸。在这些后面的实施方式中，元件22通过缠绕在顶端区域 31周围，顶端区域为离安装结构(如压配合装置24表示的)最远的区域。然而，在一些情 况中，元件22缠绕在靠近安装结构附近的区域周围，或者缠绕在中间区域周围。可替换地，元件22包括大量离散的或不连续的螺旋结构，如凹口、凹槽、凸起或不 同表面抛光度的区域，其由其中不存在所述结构的区域隔开。在这些实施方式中，元件22 形成为至少一组结构，其中所述组中的每个单独的结构沿着螺旋状或螺旋形路径形成或成 形，该组结构一起限定螺旋状或螺旋形路径。在等式EQS. 3A和3B中，r的每个值限定围绕ζ轴的螺旋，螺旋面是这些螺旋的合 并。可替换地，螺旋面定义为直纹曲面，其通过从原点开始沿着χ轴向外画半无限线，随后 作为y的函数使该线沿χ-ζ平面旋转而形成。在该描述中，所述线上的每个点向外扫成螺 旋，整个线向外扫成螺旋面。对于理想的螺旋面，半径r从0 (在y轴处)向+⑴走向，使得螺旋面沿χ和ζ向 士⑴延伸(也就是说，螺旋面是没有边界的)。为了形成实体振动降低元件，螺旋面在对应 于传感器管21的壁29的第一半径Γι和第二半径r2处被截断，具有有限宽度w = IT2-T11。由于等式EQS. 3A和3B的理想螺旋面是作为x_z平面的异种同态产生的，因此它 也无限薄。再一次，这不是实体的。对于实际的振动降低/流量变更元件22，截头螺旋面仅 限定了振动降低结构的螺旋路径的“构架”或模板，沿着该“构架”或模板，每个单独的元件 22形成为具有在螺旋面上或下延伸的有限厚度(参见图3A-3C)。对于包括直圆柱体的传感器管21，第一(内)半径Γι和第二(外)半径r2通常是 固定的，如图3所示。对于锥形传感器管，内、外半径通常是翼展方向位置y的函数。对于 具有更普通的剖面的传感器管，所述半径也是角坐标θ的函数；也就是说，第一半径巧描 绘出传感器管21沿管壁29的剖面，第二半径r2描绘出振动降低元件22相对于管壁29的 宽度。在其它实施方式中，螺距P和宽度w每一个都随着翼展方向位置y、和/或随着旋转 角θ独立变化。在合适的流量条件下，沿着传感器管21的边界层是分开的，并且传感器管使分离 的旋涡脱落。当一个旋转在另一个(相反手)旋涡形成在传感器管的另一侧的同时脱落时， 旋涡开始交替并产生相干脱落。相干涡旋脱落产生冯卡门涡街(von Karman street)或旋 涡尾迹，并且如上所述产生流动引发的振动。振动降低/流量变更元件22通过下述方式形成，即考虑描述流场的过程参数的范 围，并将元件22的螺距、厚度和宽度映射至传感器管21的特定几何形状，以便中断相干涡 旋脱落。特别地，元件22控制分离位置，以防止传感器管相对侧上的交替旋涡的周期性脱 落。这降低了相干涡旋脱落，并改变了下游尾流场中的旋涡的能量谱(振幅分布)和频谱。
9注意到流量变更元件22没有必要降低旋涡形式的总能量脱落(total energy shed)，但降 低传感器管21的激励振荡可用的总能量。更具体地，流量变更元件22通过改变边界层流量、促进在由传感器管21和元件22 的几何形状决定的预定位置处的分离来中断涡旋脱落，而不是通过如先前设计中的未更改 的传感器管结构来中断涡旋脱落。典型地，元件22遵循螺旋状或螺旋形路径，如图3所示， 这通过促进未相反设置在传感器管21的不同侧上的位置处的分离来进一步降低相干涡旋 脱落。在一些实施方式中，元件22还促进在非周期性的间隔处的分离，或者与传感器管21 的共振频率(自然模式)不一致。由于相干涡旋脱落的多种成分是非线性的(并且因此不是典型直观的或可量测 的)，因此最有效的振动降低结构在不同的实施方式是不同的。因此，每一种不同的流量变 更元件22都在螺距、宽度、厚度和其它几何特征方面进行改变。这些特征不能根据未展示 出相同探测器和管道几何形状、且不具有相同的湍流过程流体流动特性的不可比拟领域预 测或依比例决定的。图3A为示出振动降低/流量变更元件22的一种实施方式的放大示出，在图3的 区域中由箭头A、B、C指出。在该实施方式中，元件22为凸纹、突起或其它凸起结构，其遵循 螺旋路径，以在传感器管21的外壁29上形成螺旋状物或螺旋面。元件22在传感器管壁处 具有第一半径，在离第一半径一定宽度w处具有第二半径。元件22还具有厚度t，其限定为 围绕等式EQS. 3A和3B的理想(薄)螺旋面。在图3A的结构中，振动降低/流量变更元件22具有由小于宽度w的厚度t (也就 是说，t<w)限定的尖锐前缘。在其它实施方式中，厚度t比得上宽度W (t W)，或者可替 换地，元件22具有由大于宽度w的厚度t (t > w)限定的钝角前缘。在其它实施方式中，振动降低元件包括大量螺线或螺旋结构。在这些实施方式中 的一些中，所述结构具有大致相似的物理特性，例如在图3A、3B和3C中描述的那样。在这 些实施方式中，所述结构大体上平行且横向隔开，并且元件22由总螺旋性表征，总螺旋性 或者为右旋的或者为左旋的，但不同时为二者。在其它实施方式中，所述结构具有不同的物 理特性，如不同的厚度、宽度、螺距或螺旋性。在这些实施方式中的一些中，元件22由右旋 和左旋螺旋性表征。对于其中元件22包括大量不同结构的实施方式，如上所述，所述结构有时是不连 续的，以避免具有不同物理特性的结构或结构组之间物理交叉。具体地，对于包括右旋和左 旋螺旋结构的实施方式，所述结构有时在右旋和左旋螺旋路径交叉的位置是不连续的。图3B为示出振动降低/流量变更元件22的替换实施方式的放大示出，在图3的 区域中由箭头A、B、C指出。在该实施方式中，宽度w和厚度t基本上相等(w t)，如由元 件22的直径决定。在制造该实施方式的一种方法中，元件22由可变形的圆柱体或具有大致圆形剖 面的线形结构形成。这种结构为螺旋，其缠绕在传感器管21周围，以形成螺旋状元件，并通 过焊接或其它机械技术连接至传感器管。图3B的实施方式具有制造优势，但不具有与图3A的实施方式一样尖锐的前缘。结 果，尾流场比其它实施方式中更湍急或更不湍急。但是流动引发的振动降低的优势保留了， 因为元件22仍中断相干涡旋脱落过程。
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图3C为示出振动降低/流量变更元件22的另一替换实施方式的放大示出，在图 3的区域中由箭头A、B、C指出。在该实施方式中，元件22在传感器管21中形成螺旋凹槽 (等同地，槽、通道或其它凹陷)，其遵循沿着管壁29的螺旋形、螺旋状或螺旋面路径。沿垂 直方向测量厚度t，宽度w对应于深度，从管壁29外表面处的第一(外)半径和凹槽底部或 最深部分处的第二(内)半径开始测量。图3C的凹槽实施方式通常通过铣削或类似的加工工艺形成，但也可以通过将元 件22与传感器管21模制或浇铸成整体结构而形成。凹槽轮廓为多变的弓形或半圆形(如 图3C)，或者为大致矩形或ν形，或者具有其它形式。在这些实施方式中的一些中，该凹槽形 成为狭槽或凹口，其沿着壁29切入、加工、模制或形成在传感器管21的一侧中。图3C中的凹槽的深度通常由结构因素限制，包括管壁29的厚度。可替换地，振动 降低元件通过下述方式形成，即铣削或加工管壁29，以将表面抛光，如粗糙表面抛光，形成 螺线或螺旋图案，而不是在管壁中实际形成凹槽或其它结构。在这些实施方式中，表面抛光 度的变化通过改变表面附近的层流量或其它流动特征控制分离位置，而不是经由诸如螺旋 凹槽或凸起螺旋结构(螺线或螺旋状突起)之类的大型结构来控制分离位置。因此，在此描述的不同实施方式通常不适合相同的传感器管几何形状和过程流条 件。每一种构造为用于特定传感器管几何形状和特定过程流体流特性。但是结果的可比拟 之处在于，相干涡旋脱落降低了，旋涡的频率和能量谱(振幅分布)在前场尾流中改变了， 并且流动引发的振动可用的能量降低了。图4为干涡旋脱落降低的现场设备40的侧视图，图示了替换安装和传感器管结 构。在该实施方式中，传感器管21为取平皮托管，现场设备40包括取平皮托管传感器组件。皮托管传感器组件包括具有孔41和振动降低/流量变更元件22的传感器管/皮 托管21。皮托管21为代表性装置，包括取平和非取平皮托管和皮托管探测器，并且定位在 流动管10内，以测量沿主要出入所述图的平面的方向的过程流体流量。在图4的特定结构中，现场设备40还包括安装凸缘组件42，其经由大头钉44和 大头钉45和变送器/连接头28连接至传感器凸缘43。这些元件仅仅是代表形的，并且如 上相对于图2的压配合装置24、管套节25、密封件26和螺纹接头27描述的那样，在不同的 实施方式中是不同的。例如，在一些实施方式中，相对端支架47设置为将传感器管21的尖 端区域46支撑在管道10上。在其它实施方式中，传感器管21展示悬臂式安装结构，其仅 在安装凸缘组件42处被支撑，并且元件22有效地降低流动引发的振动，以消除相对端支架 47的需求。在其它实施方式中，不存在安装结构，仅设置了传感器管21和传感器。孔41为压力孔或皮托管端口，其将为压力(或平均压力)的过程参数传递至主传 感器。主皮托管传感器(未示出)定位为与皮托管/传感器管21连通。具体地，皮托管传 感器经由一个或多个孔41与传感器管21连通。在一些实施方式中，皮托管传感器靠近传 感器管21定位，在其它实施方式中，如上所述，皮托管传感器远程定位，并经由冲击式管道 或其它装置与传感器管21连通。通常，振动降低/流量变更元件22对传感器管21的特定几何形状是可构造的，以 便中断相干涡旋脱落，并降低流动引发的振动。图2的热电偶套管实施方式和图4的皮托 管实施方式说明了宽范围的这种几何形状，包括直圆柱体和具有卵形、椭圆形、楔形、机翼 形或T形剖面的几何形状，以及锥形和非锥形结构。
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图2-4以类似的方式表示宽范围的传感器管和振动降低元件结构。特别地，一些 传感器管21对流体流关闭，特别是在热电偶套管实施方式中，一些传感器管对流体流敞 开，特别是在皮托管实施方式中。关闭流几何形状通常是密封的，而沿着跨距(如图4所示)、在顶端区域46处、或 二者，敞开流几何形状以不同方式展现出孔41。孔41展示出大量形式，包括狭槽(如图4 所示)、圆形孔、卵形孔或其它几何形状。特定的结构例如取决于正被讨论的传感器管是否 为皮托管或取平皮托管或用于流量计、集成流量控制器、PH传感器或其它通用流体处理测 量和控制装置的其它更普通的传感器管。虽然已经参照优选实施方式描述了本发明，但所使用的术语是用于描述目的，而 不是限制性的。在不偏离本发明的精神和范围的前提下，本领域技术人员将会认识到可以 在形式和细节方面进行改变。
1权利要求
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。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，流量变更元件遵循围绕传感器管的螺旋路径。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，螺旋路径是右旋的。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，螺旋路径是左旋的。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，流量变更元件包括沿着螺旋路径形成在传感器 管中的凹槽。
6.根据权利要求2所述的装置，其中，流量变更元件包括沿着螺旋路径缠绕在传感器 管上的可变形形状。
7.根据权利要求2所述的装置，其中，流量变更元件包括沿着螺旋路径形成在传感器管中一组凹口。
8.根据权利要求2所述的装置，其中，流量变更元件包括沿着螺旋路径形成在传感器 管上的粗糙表面。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，传感器管包括热电偶套管。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，传感器管包括皮托管。
11.根据权利要求1所述的装置，还包括用于将传感器管安装在管道中的悬臂式安装 组件。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括定位为与传感器管连通以感测所述过程流中 的流体参数的传感器。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，传感器为定位成与传感器管热连通的温度传 感器。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，传感器为定位成与传感器管连通的皮托管传 感器。
15.一种传感器，包括传感器元件，用于产生作为过程参数的函数的传感器信号；传感器管，用于将过程参数传递至传感器；安装组件，用于在过程流中安装传感器管；和振动降低元件，位于传感器管上，用于降低由过程流引起的振动。
16.根据权利要求15的传感器，其中，振动降低元件通过降低来自传感器管的相干涡 旋脱落来降低所述振动。
17.根据权利要求16的传感器，其中，振动降低元件还降低由传感器元件产生的信号 噪声。
18.根据权利要求15的传感器，其中，振动降低元件形成围绕传感器管的螺线。
19.根据权利要求18的传感器，其中，螺线形成为传感器管中的凹槽。
20.根据权利要求18的传感器，其中，螺线形成为传感器管上的突起。
21.根据权利要求18的传感器，其中，螺线形成为传感器管上的表面抛光。
22.根据权利要求18的传感器，其中，螺线形成为一组离散结构，并且在沿着传感器管至少一个位置上是不连续的。
23.根据权利要求15的传感器，其中，振动降低元件形成围绕传感器管的大量大致平 行、横向隔开的螺线。
24.根据权利要求15的传感器，其中，振动降低元件形成围绕传感器管的至少一个右 旋螺线和围绕传感器管的至少一个左旋螺线。
25.根据权利要求15的传感器，还包括用于传送表示传感器信号的输出的变送器。
26.—种制造传感器管的方法，该方法包括下述步骤形成传感器管；以及围绕传感器管形成螺旋形流量变更元件，其中，流量变更元件形成为，当安装在过程流 中时，通过中断来自传感器管的相干涡旋脱落，降低流动引发的振动。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，形成传感器管包括形成热电偶套管。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，形成传感器管包括形成皮托管。
29.根据权利要求26所述的方法，其中，形成螺旋形流量变更元件包括形成凹槽。
30.根据权利要求26所述的方法，其中，形成螺旋形流量变更元件包括形成突起。
31.一种监测过程参数的方法，该方法包括下述步骤将传感器管定位在过程流中，传感器管具有构造为中断来自传感器管的相干涡旋脱落 的螺旋形流量变更元件；采用定位为与传感器管连通的传感器感测过程参数。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，流量变更元件包括传感器管中的凹槽、传感器 管上的突起或传感器管的加工面中的至少一种。
33.根据权利要求31所述的方法，其中，感测过程参数包括采用定位在传感器管内部 的温度传感器感测温度。
34.根据权利要求31所述的方法，其中，感测过程参数包括采用定位成与传感器管压 力连通的皮托管传感器感测流量。
35.根据权利要求31所述的方法，还包括传送表示流体参数的输出的步骤。
全文摘要
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。
文档编号G01F1/20GK101960264SQ200980106299
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月24日 优先权日2008年2月26日
发明者乔恩·埃弗里特·加内特, 大卫·尤金·韦克伦德, 斯蒂芬·阿瑟·依傅特, 马科斯·A·V·佩卢索 申请人:罗斯蒙德公司
专业数控铣床产品供应商
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