CN104220850B - 具有合成包覆外壳的振动计 - Google Patents

Abstract

提供了一种振动计(5)的传感器组件(10)。传感器组件(10)包括一个或多个流体导管(103A,103B)。传感器组件(10)还包括包绕一个或多个流体导管(103A,103B)的至少一部分的外壳(200)。合成包覆物(300)施加到外壳(200)的至少一部分上。

Description

具有合成包覆外壳的振动计

技术领域

下文所述的实施例涉及振动计，并且更具体地涉及具有合成包覆外壳的振动计。

背景技术

振动计(例如，如比重计、体积流量计和科里奥利流量计)用于测量物质的一个或多个特性，例如，如，密度、质量流速、体积流速、累加的质量流、温度和其它信息。振动计包括一个或多个导管，其可具有多种形状，例如，如，直的、U形或无规则构造。一个或多个导管提供测量流体的主容纳。测量的流体可包括液体、气体或它们的组合。液体可包括悬浮颗粒。

一个或多个导管具有一组自然振动模式，例如，包括简单弯曲、扭转、径向和联接模式。一个或多个导管在这些模式中的一个(下文称为驱动模式)中以共振频率由至少一个驱动器振动来用于确定物质特性的目的。一个或多个计量电子装置将正弦曲线驱动器信号传输至至少一个驱动器，其通常为磁铁/线圈组合，其中磁铁通常附连到导管上，而线圈附连到安装结构或另一个导管上。驱动器信号引起驱动器在驱动模式中以驱动频率使一个或多个导管振动。例如，驱动信号可为传输至线圈的周期性电流。

一个或多个拾取器检测导管的运动，且生成代表振动导管的运动的拾取信号。拾取器通常为磁铁/线圈组合，其中磁铁通常附接到一个导管上，且线圈附连到安装结构或另一个导管上。拾取信号传输至一个或多个电子装置；且根据公知的原理，拾取信号可由一个或多个电子装置使用来确定物质的特性或调整驱动器信号(如果需要)。

大体上，导管以及驱动器和拾取器包围在外壳内。外壳可提供许多利益，如，保护内部构件，以及提供流体的次级容纳，例如，如果流体导管出现裂纹。为了外壳提供充分的次级容纳，外壳的破裂压力(构件故障下的压力)应当与润湿的流体通路(流体导管、歧管、凸缘等)的操作压力一样高。目前在市场上的许多振动计具有润湿流体通路，其具有大约15,000 psi(1,034 bar)的破裂压力；然而，该数字可取决于用于润湿流体通路的材料、计量计的尺寸等变化。用于润湿流体通路的压力额定值然后可基于破裂压力或一些其它分析方程由管理机构或安全机构来指定。次级容纳压力额定值通常包括安全系数，使得额定压力低于实际破裂压力。例如，美国机械工程师学会(ASME)目前取决于材料性质和使用的焊接方法实施大约六到十的安全系数。因此，对于具有大约15,000 psi (1,034 bar)的破裂压力的润湿流体通路，采用十的安全系数的ASME压力额定值仅为1,500 psi(103bar)。部分地由于管理机构的保守的压力额定值，外壳的破裂压力也必须急剧增大来提供获准的次级容纳。外壳的破裂压力的这种极端增大是有问题的，尤其是在考虑外壳的直径将总是远大于润湿通路构件的直径时。

为了理解外壳的压力额定值如何增大，外壳可特征为薄壁的圆柱形构件，其中外壳内的压力抵靠外壳的壁作用以产生环向应力。环向压力可特征为方程(1)。

其中：

σ为环向压力；

P为内部压力；

ID为外壳的内径；以及

t为外壳厚度。

其它应力也存在，如轴向应力，然而环向应力是最大的，且因此与选择最小厚度最相关。在许多情形中，最大可允许环向应力由管理机构或其它安全标准管控。如可从方程(1)认识到的那样，保持可接受的环向应力同时允许较高压力的一种途径将在于减小外壳的内部直径。然而，此途径不太可能还不减小流体导管的尺寸。另一种途径将在于增大外壳的厚度。外壳通常由金属形成，如不锈钢或碳钢；但可使用其它材料，如塑料。以相对较小的计量计尺寸，即，小于大约1英寸(2.54cm)的内部导管直径，标准外壳通常足够强以向流体提供充分的次级容纳，或作为备选，向钢外壳提供额外厚度是合理且相对廉价的。如可认识到的那样，随着导管直径增大，外壳尺寸通常也增大。因此，在包括大大于约1英寸(2.54cm)内径的导管尺寸的振动计中，外壳在导管故障时容纳流体压力的能量降低，且增大外壳的厚度具有严重问题。例如，一些较大流速的振动器可具有带10英寸(25.4cm)或更长的内径的外壳。此尺寸的计量计通常在油气行业中看到，在油气行业中，次级容纳变得更重要。此大小的外壳通常具有大约860psi(59.3bar)的破裂压力，比15,000 psi( 1,034 bar)的润湿通路破裂压力小数倍。在此规模的大小的情况下，外壳将需要大约2英寸(5.08cm)的厚度，导致超过2,000磅(908kg)的外壳重量，以便具有15,000 psi的破裂压力(1,034bar)。如可认识到的那样，此途径导致了振动计外壳的过高成本和重量。

部分地由于与外壳的厚度增大相关联的高成本和重量，用于这些较大的计量计的现有技术中使用的外壳简单地提供成保护振动计的导管和电气构件，但并未提供可接受的次级流体容纳。这造成了导管故障几乎将立即导致外壳故障的情形。由于除最近的溢油、化学溢漏和环境问题之外的不断的安全问题，确保振动计的外壳在流体导管故障的情况下提供次级容纳的需求在提高。

下文所述的实施例克服了这些和其它问题，且实现了技术中的进步。下文所述的实施例向外壳提供了围绕外壳的至少一部分施加的合成包覆物。合成包覆物可急剧地增大外壳的破裂压力，同时最大限度地减小增加的重量和对外壳的振动频率的影响。

发明内容

根据实施例，提供了振动计的传感器组件。传感器组件包括一个或多个流体导管，以及包绕一个或多个流体导管的至少一部分的外壳。根据实施例，传感器组件还包括施加到外壳的至少一部分上的合成包覆物。

根据实施例，提供了一种用于形成振动计的传感器组件的方法。传感器组件包括一个或多个流体导管。根据实施例，该方法包括以外壳包绕一个或多个流体导管的至少一部分的步骤。根据实施例，该方法还包括将合成包覆物施加到外壳的至少一部分上的步骤。

方面

根据一个方面，一种振动计的传感器组件，包括：

一个或多个流体导管；

包绕一个或多个流体导管的至少一部分的外壳；以及

施加到外壳的至少一部分上的合成包覆物。

作为优选，合成包覆物施加到外壳的大致整个外表面上。

作为优选，合成包覆物包括合成纤维。

作为优选，合成包覆物的纤维定向成调整外壳的一个或多个振动频率。

作为优选，合成包覆物包括两种或多种不同合成纤维。

作为优选，合成包覆物以第一厚度施加到外壳的第一部分上，且至少以第二厚度施加到外壳的至少第二部分上。

根据另一方面，一种形成包括一个或多个流体导管的振动计的传感器组件的方法包括以下步骤：

以外壳包绕一个或多个流体导管的至少一部分；以及

将合成包覆物施加到外壳的至少一部分上。

作为优选，施加合成包覆物的步骤包括将合成包覆物施加到外壳的大致整个外表面上。

作为优选，合成包覆物包括合成纤维。

作为优选，施加合成包覆物的步骤包括定向合成包覆物的纤维以调整外壳的一个或多个振动频率。

作为优选，合成包覆物包括两种或多种不同合成纤维。

作为优选，施加合成纤维的步骤包括合成包覆物的预张紧。

作为优选，施加合成包覆物的步骤包括施加一层以上的合成包覆物。

作为优选，施加合成包覆物的步骤包括将合成包覆物以第一厚度施加到外壳的第一部分上，且至少以第二厚度施加到外壳的至少第二部分上。

附图说明

图1示出了根据实施例的振动计。

图2示出了根据实施例的具有外壳的传感器组件。

图3示出了根据实施例的具有包覆外壳的一部分的合成物的传感器组件。

图4示出了根据实施例的具有包覆外壳的整个外表面的合成物的传感器组件。

图5示出了根据实施例的具有以不同方向定向的纤维包覆外壳的整个外表面的合成物的传感器组件。

具体实施方式

图1-5和以下描述绘出了向本领域的技术人员教导如何制作和使用具有包覆外壳的振动计的实施例的最佳模式的特定实例。对于教导本发明的原理的目的，已经简化或省略了一些常规方面。本领域的技术人员将认识到落入本描述的范围内的这些实例的变型。本领域的技术人员将认识到下文所述的特征可以以各种方式合并来形成振动计的多个变型。结果，下文所述的实施例不限于下文所述的特定实例，而是仅由权利要求及其等同物限制。

图1示出了包括传感器组件10和一个或多个计量计电子装置20的计量计形式的振动计5。振动计5可包括科里奥利流量计、体积流量计、比重计等。计量计电子装置20经由导线100连接到传感器组件10上，以测量物质的特性，例如，如，流体密度、质量流速、体积流速、累加的质量流、温度和通路26上的其它信息。

本实例的传感器组件10包括一对凸缘101,101'；歧管102,102'；安装板113,113'；驱动器104；拾取器105,105'；以及导管103A,103B。驱动器104和拾取器105,105'联接到流体导管103A和103B上。驱动器104示为在驱动器104可以以驱动模式使导管103A,103B的一部分振动的位置上附连到流体导管103A,103B上。拾取器105,105'附连到导管103A,103B上，以便检测导管103A,103B的运动。

本领域的技术人员应当认识到的是，在本发明的范围内的是使用本文连同任何类型的振动计所述的原理，包括没有科里奥利流量计的测量能力的振动计。此类装置的实例包括振动比重计、体积流量计等。

本实例的凸缘101,101'联接到歧管102,102'上。本实例的歧管102,102'附连到间隔物106的相对端上。间隔物106保持歧管102,102'之间的间距，以防止导管103A,103B中的非期望振动。当传感器组件10插入承载物质的管线系统(未示出)中，物质经由凸缘101进入传感器组件10，穿过材料的总量被引导进入导管103A,103B中的入口歧管102，流过导管103A,103B，且回到出口歧管102'，在该处，其经由凸缘101'离开传感器组件10。

如可认识到的那样，导管103A,103B内的流体通常在升高温度下，且可对环境有害。此外，通常难以检测可在流体导管103A,103B中形成的裂纹，直到为时已晚。因此，传感器组件10通常包括外壳200。

图2示出了传感器组件10，其具有包绕流体导管103A,103B、驱动器104和拾取器105,105'的外壳200。尽管所示的实施例具有完全包绕导管103A,13B的外壳200，但在其它实施例中，外壳200可仅包绕导管103A,103B的一部分。例如，外壳200可仅包绕导管103A,103B的一部分，驱动器104和拾取器105,105'位于该处。如可认识到的那样，外壳200可包括用于导线100的一个或多个电气转接头。外壳可与传感器组件10的其它期望的构件一起包绕流体导管103A,103B。 通常，外壳200由金属制成，如，不锈钢；然而，可使用其它材料。外壳200大体上经由图1中更可看到的板113,113'联接到歧管102,102'上。例如，外壳200可焊接到板113,113'上。在一些实施例中，板113,113'可包括外壳200的一部分，且因此包括传感器组件10的次级容纳的一部分。在许多实施例中，外壳200包括两个外壳部分200a,200b，其被合到一起以包绕流体导管103A,103B，且焊接或以其它方式联接在一起。在图2中所示的实施例中，可看到内焊接线201和外焊接线202。根据实施例，外壳200包括弯曲区203。弯曲区203大致匹配图1中可看到的流体导管103A,103B中的弯头。然而，应当认识到的是，如果流体导管103A,103B包括直的流体导管，则外壳200同样可形成为直构件，而不需要弯曲区203。

根据实施例，如图2中所示的外壳200具有低于润湿流体通路的破裂压力的破裂压力。换言之，如果裂纹形成在润湿流体通路中，则外壳200通常可由于导致可能的灾难性情形的压力而故障。因此，图2中所示的外壳200并未提供充分的次级容纳。如上文所述，由于与此途径相关联的过高的重量和成本，简单地增大外壳的厚度以便增大外壳的破裂压力通常不是可行的选择。

图3示出了根据另一个实施例的传感器组件10。在图3中所示的实施例中，传感器组件10包括围绕外壳200的一部分施加的合成包覆物300。合成包覆物300可包括合成纤维材料，例如，如，玻璃纤维、金属纤维或碳纤维。在图3中所示的实施例中，合成包覆物300仅施加到弯曲区203附近的外壳200的顶部上。在外壳200包括弯曲区203的许多情形中，弯曲区203通常是外壳200中最弱的点。因此，弯曲区203通常是在压力下破裂的外壳的第一部分。因此，在图3中所示的实施例中，这是外壳200包覆在合成包覆物300中的唯一部分。

根据实施例，合成包覆物300可包括一片或多片合成材料，其可围绕外壳200以一层或多层施加。更多层可出于压力容纳的目的用于需要附加增强的位置。片可包括标准带，其可包绕外壳200一次或多次，或可包括尺寸和形状确定为明确用于特定外壳200的预配合片。在合成材料的独立层之间，粘合剂可用于将合成包覆物300的层保持在一起。在一些实施例中，粘合剂可包括包覆物300的一部分。例如，包覆物300的一侧可包括由合成包覆物300的制造者提供的粘合剂。作为另一个备选方案，合成材料可包括单片，其连续地包绕外壳200一次或多次，且利用粘合剂保持在端部处。本领域的技术人员可容易地认识到用于施加合成包覆物300的备选方法，如，机械紧固件、摩擦配合等。因此，公开的特定方法应当决不限制本实施例的范围。

根据实施例，合成包覆物300包括合成纤维。如可认识到的那样，许多合成纤维如碳纤维具有较高的强度与重量比。大体上，例如，合成纤维具有高于不锈钢的强度与重量比。因此，将合成纤维用作合成包覆物300可提高包覆在合成包覆物300中的外壳200的部分的破裂压力，而不会增加太大的重量。通常，由合成包覆物300增加的重量远小于如果用于形成外壳200的金属的厚度为了提高破裂压力而增大的。如本领域的技术人员将容易认识到的那样，将强度增加至外壳200而不显著地增加重量至外壳200可保持或提高外壳200的自然振动频率。相反，如果金属外壳200的厚度增大，则增加的重量可能减小自然振动频率，这可在一些实施例中是非期望的。

还将有可能通过有意地将额外包覆物且因此额外刚度增加至板113,113'附近的外壳的下部来增大外壳的悬臂类型弯曲模式频率。该技术将额外刚度增加至高模态应变能的位置中的外壳中，因此略微升高了最初几个悬臂类型弯曲模式频率。尽管该技术还将质量增加至外壳，但并未增加在高模态位移的位置中，且因此不会略微降低外壳的最初几个弯曲模式的频率。作为备选，如果期望减小外壳弯曲模式频率，则这可通过在高模态位移的地点处的外壳203顶部附近增加附加包覆物且因此增加附加质量来实现，在该处，质量将具有对外壳频率显著减小的影响。

尽管图3中所示的实施例示出了围绕外壳200的外表面施加的合成包覆物300，但应当认识到的是，在备选实施例中，合成包覆物300可施加到外壳200的内表面上。然而，将合成包覆物300施加到外壳200的内表面上大体上更困难，且可需要较大的外壳来基于包覆物300的厚度容纳给定尺寸的流体导管。因此，在所示和所述的实施例中，合成包覆物300将设在外壳200的外表面上，但权利要求不应当限于此构造。

图4示出了根据另一个实施例的传感器组件10。在图4中所示的实施例中，外壳200的外表面大致以合成包覆物300完全包绕。在一些实施例中，合成包覆物300还可施加到安装板113,113'或传感器组件10的其它部分上，例如，歧管102,102'，以确保充分的破裂压力保护。例如，合成包覆物300可以以与上文在图3中所述的大致相同的方式施加到外壳200上。如可通过将合成包覆物300施加到外壳200的大致整个外表面上认识到的那样，破裂压力可相比于图3中所示的实施例进一步升高，这仅覆盖具有合成包覆物300的外壳200的一部分。因此，如本领域的技术人员将认识到的那样，当合成包覆物300的覆盖量增大时，外壳的破裂压力同样将增大。外壳的破裂压力可通过增大合成包覆物300的厚度来进一步增大。例如，具有大约860psi(59.3bar)的原破裂压力的上述外壳的破裂压力可通过以大约1/4''(0.64cm)的厚度的合成包覆物300包覆大致整个外壳200而增大以具有大约5,000psi(345bar)的破裂压力。合成包覆物300的厚度可通过增大合成包覆物300的独立片的厚度或通过施加合成包覆物300的多层来增大。破裂压力还可通过使用较强的合成材料来增大。例如，碳纤维大体上比玻璃纤维更强。

图5示出了根据又一个实施例的传感器组件10。在图5中所示的实施例中，大致整个外壳200包覆在合成包覆物300中。然而，邻近弯曲区203的合成包覆物300的部分500具有沿不同于合成包覆物的其余部分501的方向定向的其纤维。如可看到的那样，邻近外壳200的底座的合成包覆物300的部分501具有相对于传感器组件100的纵轴线X-X以大约45°定向的其纤维。然而，邻近弯曲区203的合成包覆物300的部分500具有相对于纵轴线X-X以大约90°定向的其纤维。

根据实施例，纤维定向可选择成较好地控制和微调外壳200的振动频率。如本领域中大体上已知那样，合成纤维通常为非均质的，且因此，合成纤维的弹性模量依赖方向。因此，通过沿某些方向定向纤维，外壳200的特定振动频率可升高或降低。纤维的特定定向可取决于使用的合成纤维的特定类型、合成纤维的期望厚度、外壳的频率的期望变化、纤维的层数等。本领域的技术人员可容易地认识到期望的纤维定向例如可根据经验确定或通过有限元分析确定。纤维可通过在施加到外壳200上之前旋转合成材料来沿不同方向定向。根据另一个实施例，具有不同纤维定向的两种或多种合成材料可与施加到外壳的不同区上的不同合成材料一起使用。

根据另一个实施例，由合成包覆物300增加到外壳200上的刚度可通过预张紧合成包覆物300来调整。根据实施例，这通过在升高的温度下包绕外壳200来实现，即，高于预计振动计5期望操作所处的环境温度或温度。通过在升高温度下施加合成包覆物300，合成包覆物300将随其冷却收缩，以围绕外壳200进一步变紧。由合成包覆物300的收缩所增加的刚度可增大外壳200的振动频率。根据另一个实施例，预张紧可通过在伸展的同时将合成包覆物300施加到外壳200上来实现。预张紧可增大合成包覆物300提供至外壳200的压缩。

根据又一个实施例，合成包覆物300的厚度可取决于外壳200上的包覆物300的位置变化。例如，如上文所述，外壳200的弯曲区203通常为外壳200中的最弱点，且因此通常包括压力破裂点。因此，在一些实施例中，合成包覆物300可在该区中比外壳200的其余部分包覆更厚。在另一个实施例中，合成包覆物300可在外壳200联接到板113,113'的位置附近的外壳200的底座处包覆更厚。外壳200的该区段在操作期间受到最大的弯曲。因此，以合成包覆物使外壳200的该区变硬可升高外壳的振动频率。

上文所述的实施例提供了各种实例，其教导本领域的技术人员如何使用合成包覆物增大振动计的破裂压力。合成包覆物可包括合成纤维。合成包覆物可施加到外壳的一部分或整个外壳上。合成包覆物可施加在一个以上的层中。在合成材料包括合成纤维的实施例中，合成包覆物的纤维可定向成沿期望的方向调整刚度，从而调整外壳的一个或多个自然振动频率。

以上实施例的详细描述并未非为在本描述的范围内的由发明人构想出的所有实施例的彻底描述。实际上，本领域的技术人员将认识到上述实施例的某些元件可不同地组合或除去来产生其它实施例，且此类其它实施例落入本描述的范围和教导内容内。本领域的普通技术人员还将清楚的是，上文所述的实施例可整体地或部分的组合来产生本描述的范围和教导内容内的附加实施例。

因此，如相关领域的技术人员将认识到的那样，尽管本文出于示范目的描述了特定实施例，但各种等同的改型可能在本描述的范围内。本文提供的教导内容可应用于其它振动计，且不只是上文所述和附图中所示的实施例。因此，上述实施例的范围应当由以下权利要求确定。

Claims (12)

1.一种振动计(5)的传感器组件(10)，包括：

一个或多个流体导管(103A,103B)；

外壳(200)，其包绕所述一个或多个流体导管(103A,103B)的至少一部分；以及

施加到所述外壳(200)的至少一部分上的合成包覆物(300)，其中所述合成包覆物以第一厚度施加到所述外壳的第一部分上，且以至少第二厚度施加到所述外壳的至少第二部分上，其中所述第二厚度大于所述第一厚度以增大所述外壳(200)的破裂压力。

2.根据权利要求1所述的传感器组件(10)，其特征在于，所述合成包覆物(300)施加到所述外壳(200)的大致整个外表面上。

3.根据权利要求1所述的传感器组件(10)，其特征在于，所述合成包覆物(300)包括合成纤维。

4.根据权利要求3所述的传感器组件(10)，其特征在于，所述合成包覆物(300)的纤维定向成调整所述外壳(200)的一个或多个振动频率。

5.根据权利要求3所述的传感器组件(10)，其特征在于，所述合成包覆物(300)包括两种或更多种不同合成纤维。

6.一种用于形成包括一个或多个流体导管的振动计的传感器组件的方法，包括以下步骤：

以外壳包绕一个或多个流体导管的至少一部分；以及

将合成包覆物施加到所述外壳的至少一部分上，其中所述合成包覆物以第一厚度施加到所述外壳的第一部分上，且以至少第二厚度施加到所述外壳的至少第二部分上，其中所述第二厚度大于所述第一厚度以增大所述外壳的破裂压力。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，施加所述合成包覆物的步骤包括将所述合成包覆物施加到所述外壳的大致整个外表面上。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述合成包覆物包括合成纤维。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，施加所述合成包覆物的步骤包括定向所述合成包覆物的纤维以调整所述外壳的一个或多个振动频率。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述合成包覆物包括两种或更多种不同合成纤维。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，施加所述合成包覆物的步骤包括预张紧所述合成包覆物。

12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，施加所述合成包覆物的步骤包括施加一层以上的所述合成包覆物。