СКРУЧЕННАЯ СЕНСОРНАЯ ТРУБКА Российский патент 2016 года по МПК G01K1/08 G01K13/02 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к сенсорной трубке, такой как термокарман, используемой в процессе измерения технологического параметра текучей среды в технологическом процессе. Более конкретно, настоящее изобретение относится к конфигурации сенсорной трубки, при которой достигается уменьшение вихревого потока посредством использования простой технологии производства.

Температура технологической текучей среды является важным физическим параметром, который, в большинстве случаев, используется для управления или иного контроля технологического процесса. Температура технологической текучей среды, как правило, измеряется с использованием термодатчика, такого как термопреобразователь сопротивления (RTD), термопара или термистор. Сам термодатчик, как правило, не способен выдерживать прямой контакт с технологической текучей средой. Таким образом, теплопроводящая сенсорная трубка, такая как термокарман, используется для сопряжения с технологической текучей средой, защищая термодатчик. Технологическая текучая среда непосредственно контактирует с термокарманом, и тепло от технологической текучей среды передается через термокарман на расположенный в нем термодатчик. Таким образом, термодатчик может точно измерять температуру технологической текучей среды, непосредственно не контактируя с технологической текучей средой. Термокарман позволяет заменять термодатчик без необходимости нарушения герметичности технологического процесса.

Поскольку сенсорные трубки и термокарманы непосредственно помещаются в технологический процесс, они подвергаются множеству воздействий. Когда термокарманы используются в трубах или резервуарах, они страдают от высоких усталостных напряжений, вызванных посредством вихревого потока. Этот вихревой поток возникает при определенных частотах, которые определяются из числа Строухала. Число Строухала приблизительно равно 0,22 и, тем не менее, немного варьируется посредством с числа Рейнольдса. Число Строухала составляет f_sd_m/V, где f_s является частотой образования вихрей, d_m является диаметром цилиндрического термокармана, и V является скоростью потока. Если частота образования вихрей будет близка к частоте собственных колебаний термокармана, то термокарман будет сильно вибрировать с частотой собственных колебаний и превышать пределы усталостного напряжения. В целом, интерес представляют две скорости, наибольшие напряжения вызываются посредством вибрации поперечного потока, которая имеет частотой, заданной посредством числа Строухала. Существует вторая представляющая интерес скорость, и она равна 1/2 скорости, заданной посредством числа Строухала. Эта скорость вызывает вибрацию термокармана совместно с потоком, и вызывается посредством завихрений, образуемых с каждой стороны термокармана, где формируются силы, в два раза превышающие частоту образования вихрей. В этом режиме вибрации обычно формируется меньшее напряжение, чем в случае поперечного потока, но оно все еще может вызвать отказ термокармана вследствие усталости.

Конструкции термокарманов, как правило, проверяются посредством технических требований стандарта ASME (Американского института инженеров-механиков) и РТС (Центра нефтяных технологий) 19.3 TW-2010 и задают допустимые скорости потоков для заданных условий. Режим совместной вибрации проверяется на уровне напряжения при частотах вихреобразования от 0,4 до 0,6 от самой низкой частоты собственных колебаний термокармана. Некоторые области применения в этом диапазоне скоростей будут недопустимы вследствие уровней усталостного напряжения. В этом стандарте требуется, чтобы частота вихреобразования во всех областях применения была ниже 0,8 от частоты собственных колебаний.

В некоторых обстоятельствах, силы вихревого потока могут привести к поломке термокарман вследствие отказа в результате усталостного напряжения, и, следовательно, потеря устойчивости к воздействию давления и потенциальное повреждение последующих в составе технологической линии компонентов вследствие неприкрепленной части в трубе.

Было сделано несколько попыток уменьшения вихревого потока, возникающего по причине наличия термокарманов. Например, известен способ прикрепления спиральных ребер к термокарману для уменьшения вихревого потока. Патентная публикация США 2008/0307901 Al Jeremy Knight также описывает термокарман или трубку для взятия пробы газа с прикрепленными спиральными ребрами. Другие способы уменьшения вихревого потока могут быть найдены в статье, опубликованной M.M. Zdravkovich, озаглавленной "Review and classification of various aerodynamic and hydrodynamic means for suppressing vortex shedding" в Journal for Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7 (1981) стр. 145-189.

Создание простой в изготовлении сенсорной трубки с эффективным уменьшением вихревого потока обеспечит важное усовершенствование в области измерения технологических параметров технологической текучей среды во время протекания технологической текучей среды или иного ее движения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обеспечена сенсорная трубка, предназначенная для защиты датчика, введенного в движущуюся технологическую текучую среду. Сенсорная трубка включает в себя участок контакта с технологической текучей средой для установки в технологическую емкость и удлиненный участок, проходящий от участка контакта с технологической текучей средой до герметично закрытого конца. Удлиненный участок включает в себя скрученный участок, имеющий продольную ось. Участок контакта с технологической текучей средой и удлиненный участок образуют канал для датчика, выполненный с возможностью размещения в нем датчика. Скрученный участок имеет поперечное сечение, которое включает в себя по меньшей мере три стенки одинаковых размеров, и в котором стенки формируют спирали вдоль продольной оси скрученного участка.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 иллюстрирует схематическое представление системы измерения температуры технологической текучей среды, включающей в себя скрученный термокарман согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует схематический вид в поперечном сечении, выполненный вдоль линии Α-A на Фиг. 1.

Фиг. 3 иллюстрирует схематическое представление части скрученной сенсорной трубки согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4А и 4В иллюстрируют схематические виды в поперечном разрезе скрученных сенсорных трубок согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5 иллюстрирует схематическое представление сужающейся скрученной сенсорной трубки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6 иллюстрирует схематическое представление ступенчатой скрученной сенсорной трубки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения устраняют или значительно уменьшают действие сил, вызванных вихревым потоком, на термокарман или другое устройство, введенное в поток газов, жидкостей или других текучих сред. Устранение или уменьшение вихревого потока достигается, в одном варианте осуществления, посредством использования трубки квадратного сечения или стрежня и скручивания трубки или стержня. Более конкретно, стержень или трубка предпочтительно скручиваются с шагом в 1 поворот на 8-16 ширин квадрата или в 1 поворот на 5,5-11 диагональных ширин, для создания трубки спиральной формы. Эта конфигурация более проста в производстве и имеет больше неровностей, чем в предыдущих способах устранения нагрузок, возникающих в результате действия вихревых потоков.

Фиг. 1 иллюстрирует схематическое представление системы измерения температуры технологической текучей среды, включающей в себя скрученный термокарман согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 10 измерения температуры включает в себя термокарман 12, имеющий расположенный внутри него термодатчик 13. Как было сформулировано выше, термодатчик 13 может являться любым подходящим датчиком и имеет в общем цилиндрическую форму, которая вмещается в продольном канале внутри термокармана 12. Проводники 30, 34 термодатчика 13 соединены с подходящей электрической схемой 26, находящейся в термопередатчике 14 для измерения температуры и передачи показаний на технологический контроллер или на другое подходящее устройство. Примером подходящего термопередатчика является термопередатчик модели 644 с монтажом в головке, реализуемый компанией Emerson Process Management of Chanhassen, Minnesota.

Термокарман 12 предпочтительно включает в себя технологический уплотняющий фланец 16, который имеет возможность крепления и герметизации в технологической емкости, такой как труба или резервуар. Термокарман 12 включает в себя круглый участок 18, который проходит сквозь участок 16 контакта с технологической текучей средой, иллюстрированный на Фиг. 1 в виде фланца. Круглый участок 18 предпочтительно приварен к фланцу 16 для прочности и для обеспечения герметичности. Термокарман 12 включает в себя удлиненный участок, включающий в себя скрученный участок 20, проходящий от круглого участка 18 до герметичного конца 22 термокармана 12. Имеется центральный или продольный канал, который проходит по всей длине термокармана 12, для вставки термодатчика 13. В одном варианте осуществления поперечное сечение скрученного участка 20 является квадратом, а период или шаг скручивания участка 20 равен 1 повороту на 8-16 ширин участка или 1 повороту на 5,5-11 диагональных ширин квадрата. (Диагональ квадрата будет диаметром цилиндра при изготовлении участка из цилиндра). Углы квадрата обеспечивают более неровную поверхность, которая подвергается действию потока, по сравнению с более хрупкими спиральными ребрами. Квадратный участок может проходить через фланец и может быть приварен к фланцу, если квадратный участок остается нескрученным в этом положении. Квадратное отверстие для фланца было бы более сложным для производства, но оно также может быть реализовано. В качестве альтернативы, квадратный участок может быть преобразован машинной обработкой в круглый и проведен через фланец, а затем приварен. Кроме того, скрученная часть не должна проходить по всей длине потока от участка контакта до герметично закрытого конца. Предполагается, что если скрученная часть имеет длину от 40% до 100% потока, будут достигнуты эффективные результаты.

Фиг. 2 иллюстрирует схематический вид в поперечном разрезе, выполненный по линии Α-A на Фиг. 1. Скрученный участок 20 изображен как имеющий поперечное сечение в форме квадрата. Стороны квадрата предпочтительно проходят без малого на длину диаметра круглого участка 18. Канал 36 образован участком 16 контакта с технологической текучей средой и скрученным участком 20 и выполнен с возможностью размещения в нем датчика, такого как термодатчик. Предпочтительно канал 36 имеет центр в пределах скрученного участка 20 и круглого участка 18 для размещения датчика. Канал 36 проходит до конца 22 (изображенного на Фиг. 1), где скрученный участок 20 является герметично закрытым.

Фиг. 3 иллюстрирует схематическое представление части скрученной сенсорной трубки согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Сенсорная трубка 120 имеет углы 122, которые являются более толстыми, чем в варианте осуществления, изображенном на Фиг. 1. Добавочная толщина может сделать углы более неровными и улучшить характеристики износа на более долгие периоды времени.

Фиг. 4A и 4B иллюстрируют схематические виды в поперечном разрезе скрученных сенсорных трубок согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Фиг. 4А изображает поперечное сечение скрученной части сенсорной трубки 220 с углами 222, которые имеют радиус кривизны, который соответствует цилиндрической части 224. Этот вариант осуществления особенно подходит в случаях, когда прямоугольная скрученная часть изначально произведена посредством машинной обработки из цилиндрической детали. Скрученная часть может быть произведена посредством машинной обработки из цилиндра уже как скрученная, или она сначала может быть произведена посредством машинной обработки, а затем скручена. Каждый угол 222 имеет пару граней 228, 228, которые способствуют уменьшению вихревого потока, одновременно делая угол более неровным. Фиг. 4B является аналогичной Фиг. 4А, однако углы 322 просто закруглены по радиусу до момента скручивания участка.

Фиг. 5 иллюстрирует схематическое представление сужающейся скрученной сенсорной трубки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Сенсорная трубка 400 сужается в том плане, что площадь ее поперечного сечения уменьшается, начиная от положения 402 и до дальнего конца 404. Сенсорная трубка 400 также изображена таким образом, что лишь часть ее является скрученной. Несмотря на то что чертеж выполнен не в масштабе, скрученная часть 406 составляет приблизительно 40% длины, L.

Фиг. 6 иллюстрирует схематическое представление ступенчатой скрученной сенсорной трубки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Сенсорная трубка 450 является ступенчатой в том плане, что площадь ее поперечного сечения уменьшается поэтапно в положениях 452, 454. И снова, лишь часть, такая как 40% от длины L, является скрученной, как указано ссылочным обозначением 456.

Несмотря на то что варианты осуществления настоящего изобретения были описаны в отношении термокармана, который образован посредством скручивания заготовки квадратного сечения, может быть использовано любое подходящее количество сторон, больше или равное 3. Например, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения также может быть использована скрученная заготовка треугольного сечения, скрученная заготовка пятиугольного сечения или скрученная заготовка шестиугольной формы сечения. Однако полагается, что по мере увеличения количества сторон эффективность скрученного участка в плане уменьшения вихревого потока будет уменьшаться, поскольку общая форма будет становиться все более похожей на цилиндр.

В вышеописанных вариантах осуществления скрученная сенсорная трубка или термокарман выполнены в общем из металла. Металл является особенно удобным в том плане, что может быть легко произведена его машинная обработка. В частности, металлический термокарман квадратного сечения может быть легко скручен в вышеописанную конфигурацию. Однако металл не является единственным материалом, использование которого может быть удобным в вариантах осуществления настоящего изобретения. В частности, существует большое количество областей применения, в которых металл не будет подходящим материалом, такие как чрезвычайно агрессивные среды или области применения с очень высокими температурами. В таких случаях могут быть использованы другие материалы, такие как керамика. Несмотря на то что такие материалы могут не являться такими восприимчивыми к машинной обработке, как металл, они все же могут быть использованы в вышеописанных конфигурациях. Например, керамический термокарман, скрученного квадратного сечения, может быть просто отлит в требуемую форму или конфигурацию до обжига или иной обработки керамики. В вариантах осуществления, в которых используется пластмасса из органического материала, могут быть использованы подходящие способы производства, такие как литьевое формование.

Несмотря на то что многие варианты осуществления относятся к скрученному участку, эта терминология не предполагает непременного требования фактического действия скручивания для формирования участка. Скорее она предполагает обозначение того, что поперечное сечение остается многоугольником, в то время как края многоугольника формируют спирали вдоль скрученного участка. Следовательно, скрученный участок может быть сформирован из литой керамики, пластмассы, полученной методом литьевого формования, литого металла и так далее. Скрученный участок просто имеет поперечное сечение, которое включает в себя по меньшей мере три стенки, где стенки предпочтительно имеют одинаковые размеры, и где стенки формируют спирали вдоль скрученного участка.

Полагается, что варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают большое количество преимуществ и совместных действий нескольких факторов. В частности, предполагается, что стенки скрученного участка являются более прочными, чем ребра, которые, как правило, являются хрупкими и сложными в производстве. Кроме того, использование термокармана многоугольного сечения будет, в нормальном случае, иметь конкретную ориентацию относительно потока текучей среды. Однако поскольку участок многоугольного сечения является скрученным, он является одинаковым во всех направлениях и, следовательно, не требует никакого выравнивания относительно направления потока. Кроме того, использование, по существу, монолитной конструкции не требует никаких дополнительных или движущихся частей. В итоге, многоугольные края усиливают турбулентность и, следовательно, увеличивают теплопередачу, что может уменьшить постоянную времени, самонагревание и ошибку за счет теплопроводности для вариантов осуществления термокармана.

При том, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления, специалистами в данной области техники будет понятно, что могут быть выполнены изменения в форме и деталях без отступления от сущности и объема изобретения. Например, при том, что варианты осуществления настоящего изобретения были описаны в отношении сенсорной трубки, они могут применяться и для автомобильных антенн, больших подводных трубопроводов и пирсов или в других ситуациях, где требуется уменьшение вихревого потока. Следовательно, в любой ситуации, когда датчик или другая структура должны быть введены или иначе помещены в текучую среду (жидкость или газ), и существует относительное движение между текучей средой и датчиком или другой структурой, и вихревой поток не является желательным, могут быть полезны варианты осуществления настоящего изобретения.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано в процессе измерения температуры текучей среды в технологическом процессе. Предложена сенсорная трубка (12) для защиты датчика (13), введенного в движущуюся технологическую текучую среду. Сенсорная трубка (12) включает в себя участок (16) контакта с технологической текучей средой для установки в технологической емкости и удлиненный участок, проходящий от участка (16) контакта с технологической текучей средой до герметично закрытого конца (22). Удлиненный участок включает в себя скрученный участок (20), имеющий продольную ось. Участок (16) контакта с технологической текучей средой и удлиненный участок образуют канал (36) для датчика, выполненный с возможностью размещения в нем датчика (13). Скрученный участок (20) имеет поперечное сечение, которое включает в себя по меньшей мере три стенки одинакового размера, которые образуют многоугольник, и в котором стенки образуют спирали вдоль продольной оси скрученного участка. Технический результат - повышение прочностных и рабочих характеристик устройства. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сенсорная трубка для защиты датчика, введенного в движущуюся технологическую текучую среду, причем сенсорная трубка содержит:
участок контакта с технологической текучей средой для установки в технологическую емкость;
удлиненный участок, проходящий от участка контакта с технологической текучей средой до герметично закрытого конца, причем удлиненный участок включает в себя скрученный участок, который скручен вокруг продольной оси;
при этом участок контакта с технологической текучей средой и удлиненный участок образуют канал для датчика, выполненный с возможностью размещения в нем датчика; и
при этом скрученный участок имеет поперечное сечение, которое включает в себя по меньшей мере три стенки равных размеров, которые образуют многоугольник, и при этом стенки образуют спирали вдоль продольной оси скрученного участка.

2. Сенсорная трубка по п. 1, в которой сенсорная трубка является термокарманом.

3. Сенсорная трубка по п. 1, в которой поперечное сечение является квадратом.

4. Сенсорная трубка по п. 1, причем сенсорная трубка выполнена из металла.

5. Сенсорная трубка по п. 1, причем сенсорная трубка выполнена из керамики.

6. Сенсорная трубка по п. 1, причем сенсорная трубка выполнена из пластмассы.

7. Сенсорная трубка по п. 1, дополнительно содержащая датчик, расположенный в канале для датчика, причем датчик имеет электрическую характеристику, которая изменяется в зависимости от технологического параметра.

8. Сенсорная трубка по п. 7, в которой датчик является термодатчиком, и дополнительно содержащая термопередатчик, соединенный с упомянутым датчиком.

9. Сенсорная трубка по п. 1, в которой скрученный участок имеет шаг, который составляет приблизительно 1 поворот на 8-16 ширин одной из стенок равного размера.

10. Сенсорная трубка по п. 1, в которой стенки соединяются в закругленных по радиусу углах.

11. Сенсорная трубка по п. 1, в которой сенсорная трубка является сужающейся сенсорной трубкой.

12. Сенсорная трубка по п. 1, в которой сенсорная трубка является ступенчатой сенсорной трубкой.

13. Сенсорная трубка по п. 1, в которой длина удлиненного участка содержит скрученный участок.

14. Сенсорная трубка по п. 1, в которой поперечное сечение содержит четыре стенки равного размера.

15. Термокарман, имеющий продольную ось и выполненный с возможностью введения в емкость с технологической текучей средой на всю вводимую длину, причем термокарман содержит:
поверхность контакта с технологической текучей средой для введения через стенку технологической емкости и герметичного соединения с технологической емкостью; и
скрученный участок, соединенный с поверхностью контакта с технологической текучей средой, и имеющий многоугольное поперечное сечение, которое скручено вокруг продольной оси;
причем многоугольное поперечное сечение включает в себя по меньшей мере три смежные стенки.

16. Термокарман по п. 15, в котором многоугольник имеет углы, которые имеют некоторый радиус кривизны.

17. Термокарман по п. 15, в котором длина скрученной части составляет приблизительно от 40% до 100% от вводимой длины.

18. Термокарман по п. 17, в котором скрученная часть проходит от дальнего конца термокармана.

19. Способ изготовления сенсорной трубки, причем способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают участок контакта с технологической текучей средой для установки в технологической емкости;
соединяют удлиненный участок с участком контакта с технологической текучей средой, причем удлиненный участок проходит от участка контакта с технологической текучей средой до герметично закрытого конца и имеет поперечное сечение, которое образует многоугольник, причем многоугольное поперечное сечение включает в себя по меньшей мере три смежные стенки; и
формируют скрученный участок на удлиненном участке путем скручивания конечного участка упомянутого участка вокруг продольной оси по отношению к участку контакта с технологической текучей средой.

20. Способ по п. 19, в котором формирование скрученного участка включает в себя этап, на котором физически скручивают скрученный участок относительно участка контакта с технологической текучей средой.