专利名称：扭绞传感器管及热电偶套管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于测量过程中流体变量的传感器管，例如热电偶套管(thermowell)。更具体地,本实用新型涉及使用简单制造技术来实现润旋脱落(vortexshedding)降低的扭绞传感器管配置以及热电偶套管。
背景技术：
过程流体温度是通常用于控制或另外监测过程的重要物理参数。典型地，使用温度传感器(例如，电阻温度器件(RTD)、热电偶或热敏电阻)来测量过程流体温度。温度传感器本身通常不能经受住与过程流体直接接触。因此，使用热传导传感器管(例如，热电偶套管)来与过程流体通过接口相连，而同时保护温度传感器。过程流体与热电偶套管直接接触，并且来自过程流体的热量通过热电偶套管传递至置于热电偶套管中的温度传感器。这样，温度传感器可以精确地测量过程流体温度，而不会与过程流体直接接触。热电偶套管允许放置温度传感器而不必破坏过程密封。由于将传感器管和热电偶套管直接插入到过程中，因此它们受到大量应力。当热电偶套管用在管道或罐中时，热电偶套管受到涡旋脱落(vortex shedding)引起的高疲劳应力(fatigue stress)。这种润旋脱落出现在根据斯德鲁哈尔数(Strouhal Number)所确定的特定频率下。斯德鲁哈尔数近似为0.22，并且随着雷诺数(Reynolds Number)略微变化。斯德鲁哈尔数是fsdm/V，其中，fs是脱落频率，dm是圆柱热电偶套管的直径，V是流速。当脱落频率接近热电偶套管的固有频率时，热电偶套管在其固有频率下剧烈振动，并且超过疲劳应力界限。通常两种速度有意义，最大应力由横流振动(crossflow vibration)引起，横流振动是斯德鲁哈尔数给定的频率。有意义的第二速度是斯德鲁哈尔数给定的速度的1/2。该速度使热电偶套管与流发生一致(inline)振动，并且由从热电偶套管的每一侧脱落的涡旋引起，其中力以两倍的脱落频率而产生。这种振动模式与横流条件相比通常产生较小的应力，但是仍会弓I起热电偶套管因疲劳而发生故障。热电偶套管设计通常按ASME PTC19.3TW-2010要求来检验，并且对于指定条件给出可接受的流速。在热电偶套管的最低固有频率0.4至0.6倍的涡旋频率中，检查一致振动(inline vibration)模式的应力水平。该速度范围中的一些应用由于疲劳应力水平而不可接受。该标准要求所有应用中涡旋频率低于固有频率的0.8倍。在一些情况下，涡旋脱落力会导致由于疲劳应力故障而引起的热电偶套管破坏，并且因此导致不能保持压力，且由于管道中的脱落部分而引起对下游部件的潜在损坏。已经尝试降低从热电偶套管脱落的涡旋。例如，已知将螺旋形箍条附至热电偶套管以降低涡旋脱落。Jeremy Knight的美国专利公开2008/0307901A1也示出了附有螺旋形箍条的热电偶套管或气体取样管。此外，可以在Μ.M.Zdravkovich的题为"Reviewandclassification of various aerodynamic and hydrodynamic means for suppressingvortex shedding " Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,7(1981)pp.145-189中找到用于降低涡旋脱落的其他方法。提供具有有效涡旋脱落降低、可容易制造的传感器管将对在过程流体流动或以其他方式运动时测量过程流体变量的技术做出重要改进。

实用新型内容鉴于上述问题，本实用新型的目的至少在于提供一种具有有效涡旋脱落降低、可容易制造的扭绞传感器管及热电偶套管。根据本实用新型的一个方面，提供了用于对插入到运动过程流体中的传感器进行保护的扭绞传感器管。该扭绞传感器管包括:过程接口部，用于安装至过程容器；以及延伸部，从过程接口部延伸到密封端。延伸部包括具有纵轴的扭绞部。过程接口部和延伸部限定了被配置为在其中容纳传感器的传感器孔。扭绞部的横截面包括至少三个相等尺寸的侧壁，并且其中侧壁沿着扭绞部的纵轴成螺旋状。根据一示例，扭绞传感器管可以是热电偶套管。根据一示例，横截面可以是方形的。根据一示例，扭绞传感器管可以由金属、陶瓷或塑料形成。根据一示例，扭绞传感器管可以包括:置于传感器孔中的传感器。例如，传感器可以是温度传感器，并且还包括耦合至该传感器的温度变送器。根据一示例，扭绞部可以具有近似为每所述相等尺寸的侧壁之一的8-16倍宽度I圈的间距。根据一示例，侧壁可以在圆角处接合在一起。根据一示例，扭绞传感器管可以是渐缩或阶梯形的传感器管。根据一示例，一定长度的延伸部包括扭绞部。根据一示例，横截面可以包括4个等尺寸的侧壁。根据本实用新型的另一方面，提供了一种热电偶套管，具有纵轴并且可插入到过程流体容器中一定插入长度。该热电偶套管包括:过程接口，穿过过程容器的侧壁，并且密封至过程容器；以及扭绞部，连接至过程接口，并且具有沿着纵轴扭绞的多边形横截面。根据一示例，多边形的角部可以具有曲率半径。根据一示例，扭绞部可以在插入长度的大约40%与100%之间延伸。根据一示例，扭绞部可以从热电偶套管的密封端延伸。应当相信，本实用新型的实施例提供了众多优点和协同作用。具体地，相信扭绞部的侧壁比通常易碎且难以制造的箍条更坚固。此外，多边形热电偶套管的使用相对于流体流通常具体特定取向。然而，由于多边形部被扭绞，因此呈现全向，从而不需要相对于流方向的对准。此外，利用了实质上为整体的构造，不需要任何附加或移动部件。最后，多边形边缘促进了湍流，并且因此增加了热传递，这对于热电偶套管实施例可以减小时间常数、自热和传导误差。
图1是根据本实用新型实施例的包括扭绞热电偶套管的过程流体温度测量系统的图示。图2是沿着图1中线A-A的截面图。图3是根据本实用新型另一实施例的扭绞传感器管的一部分的图示。图4A和4B是根据本实用新型实施例的扭绞传感器管的截面图。图5是根据本实用新型实施例的渐缩扭绞传感器管的图示。图6是根据本实用新型实施例的阶梯形扭绞传感器管的图示。
具体实施方式
本实用新型的实施例消除或显著降低了插入到气体、液体或其他流体的流中的热电偶套管或其他设备上的涡旋脱落而引起的力。在一个实施例中，通过使用方形管或杆并且使该管或杆扭绞来完成涡旋脱落的消除或降低。更具体地，优选地以方形的每8-16倍宽度I圈或者每5.5-11倍对角宽度I圈为间距扭绞杆或管，从而制成螺旋形管。这种配置比用于避免涡旋脱落应力的先前方法更容易制造且更凸凹不平。图1是根据本实用新型实施例的包括扭绞热电偶套管的过程流体温度测量系统的图示。温度测量系统10包括其中置有温度传感器13的热电偶套管12。如上所述，温度传感器13可以是任何适合的传感器，并且通常具有圆柱形，容纳于热电偶套管12内的纵向腔中。温度传感器13的导体30、34耦合至温度变送器14内的适合电路26，以便测量温度并且向过程控制器或其它适合设备提供温度的指示。适合的温度变送器的示例是可从Emerson Process Management of Chanhassen, Minnesota 获得的型号 644 顶装式温度变送器。热电偶套管12优选地包括能够附着且密封至过程容器(例如，管道或罐)的过程密封法兰16。热电偶套管12包括穿过过程接口部16的圆形部18，在图1图示为法兰。为强度和压力密封的目的，圆形部18优选地焊接至法兰16。热电偶套管12包括延伸部，延伸部包括从圆形部18延伸至热电偶套管12的密封端22的扭绞部20。存在沿着热电偶套管12的长度延伸的中心孔或纵向腔，以插入温度传感器13。在一个实施例中，扭绞部20的截面是方形，并且扭绞部20的扭绞率或间距是每该部分的8-16倍宽度I圈或每方形的
5.5-11倍对角宽度I圈。(如果由圆柱制成，则方形对角线是圆柱直径)。与更易碎的螺旋形箍条相比，方形的角部提供暴露于流中的凸凹不平表面。如果方形部在法兰位置不扭绞，则方形部可以穿过法兰且焊接至法兰。法兰方孔更难制造，但是能够实现。备选地，可以对方形部进行倒圆机械加工，并且穿过法兰且焊接。此外，不需要扭绞部从接口部到密封端延伸流的整个长度。应当相信，只要扭绞部分在流(或者，插入到流中的长度)的40%与100 %之间延伸，就会实现有效的结果。图2是示出了沿着图1中线A-A的截面图。示出了截面为方形的扭绞部20。优选地，方形的边延伸至将将达不到圆形部18的直径。腔36由过程接口部18和扭绞部20限定，并且被配置为在其中容纳传感器(例如，温度传感器)。优选地，腔36居中位于扭绞部20和圆形部18内，以容纳传感器。腔36延伸至端部22，在该端部22处扭绞部20被密封(图1中所示)。[0036]图3是根据本实用新型另一实施例的扭绞传感器管的一部分的图示。传感器管120具有比图1中示出的实施例更厚的角部122。增加的厚度可以使角部更凸凹不平，并且能够在较长时间段改善磨损。图4A和4B是根据本实用新型实施例的扭绞传感器管的截面图。图4A示出了传感器管220的扭绞部分的截面图，其中，角部222的曲率半径与圆柱部分224相匹配。本实施例特别有利之处在于，矩形扭绞部分最初由圆柱件机械加工而成。扭绞部分可以由扭绞方式的圆柱件机械加工而成，或者可以首先进行机械加工然后再扭绞。每个角部222具有一对边缘228，228，有助于降低涡旋脱落，同时使得角部更凸凹不平。图4B类似于图4A，然而，在扭绞部被扭绞之前，简单地使角部322成圆角。图5是根据本实用新型实施例的渐缩扭绞传感器管的图示。传感器管400是渐缩的，在于传感器管400的横截面积从位置402到远端404减小。还示出了仅一部分被扭绞的传感器管404。尽管未按比例示出，扭绞部分406占长度L的大约40%。图6是根据本实用新型实施例的阶梯形扭绞传感器管的图示。传感器管450是阶梯形的，在于传感器管450的横截面积在位置452、454处阶梯式减小。同样，仅长度L的一部分(例如，40% )被扭绞，如附图标记456所示。尽管已经针对扭绞的方形热电偶套管描述了本实用新型的实施例，但是可以使用适合数目的边(等于或大于3)。例如，根据本实用新型实施例，还可以采用扭绞的三角形、扭绞的五边形或扭绞的六边形。然而，应当相信随着边数的增加，扭绞部降低涡旋脱落的有效性会变小，这是因为总体形状变得越来越类似于圆柱。 在上述实施例中，扭绞传感器管或热电偶套管通常由金属形成。金属的特别有益之处在于容易对金属进行机械加工。具体地，可以容易地将方形金属热电偶套管扭绞成上述配置。然而，金属不是使本实用新型实施例有益的唯一材料。具体地，存在金属不适合的大量应用，例如，极端腐蚀性环境或者极高温度应用。在这样的情况下，可以使用诸如陶瓷等其他材料。尽管这样的材料不如金属那么容易进行机械加工，但是仍可以按上述配置来设置。例如，在烧制或按其他方式固化陶瓷之前，能够容易地地将扭绞方形陶瓷热电偶套管铸模成期望形状或配置。在使用有机材料的塑料的情况下，可以采用诸如注模等适合的制造方法。尽管许多实施例涉及扭绞部，但是这种表述并不意在要求形成扭绞部的实际扭绞动作。而是应意味着在多边形的边沿着扭绞部的长度成螺旋状同时截面保持多边形。因此，扭绞部可以由铸模的陶瓷、注模的塑料、铸造金属等形成。扭绞部只是具有包括至少三个侧壁的截面，其中优选地侧壁的尺寸相等，并且侧壁沿着扭绞部的长度成螺旋状。应当相信，本实用新型的实施例提供了众多优点和协同作用。具体地，相信扭绞部的侧壁比通常易碎且难以制造的箍条更坚固。此外，多边形热电偶套管的使用相对于流体流通常具体特定取向。然而，由于多边形部被扭绞，因此呈现全向，从而不需要相对于流方向的对准。此外，利用了实质上为整体的构造，不需要任何附加或移动部件。最后，多边形边缘促进了湍流，并且因此增加了热传递，这对于热电偶套管实施例可以减小时间常数、自热和传导误差。尽管参照优选实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员应认识到，在不背离本实用新型精神和范围的前提下可以进行形式和细节的改变。例如，尽管已经针对传感器管描述了本实用新型的实施例，但是本实用新型的实施例可以应用于汽车天线、大型海底管道和桥墩，或者期望涡旋脱落降低的其他环境。因此，只要传感器或其他结构必须插入或以其他方式出现在流体(液体或气体)中，并且在流体与传感器或其他结构之间存在相对运动且不期望涡旋脱落，本实用新型的实施例就是有用的。
权利要求1.一种对插入到运动过程流体中的传感器进行保护的扭绞传感器管，该扭绞传感器管包括: 过程接口部，用于安装至过程容器；以及 延伸部，从过程接口部延伸到密封端，所述延伸部包括:具有纵轴的扭绞部； 其中，过程接口部和延伸部限定传感器孔，所述传感器孔被配置为在其中容纳传感器；以及 扭绞部的横截面包括至少三个相等尺寸的侧壁，并且侧壁沿着扭绞部的纵轴成螺旋状。
2.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，扭绞传感器管是热电偶套管。
3.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，所述横截面是方形的。
4.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，扭绞传感器管由金属形成。
5.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，扭绞传感器管由陶瓷形成。
6.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，扭绞传感器管由塑料形成。
7.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，还包括:置于传感器孔中的传感器。
8.根据权利要求7所述的扭绞传感器管，其中，所述传感器是温度传感器，并且还包括:耦合至所述传感器的温度变送器。
9.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，扭绞部具有为每所述相等尺寸的侧壁之一的8-16倍宽度I圈的间距。
10.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，侧壁在圆角处接合在一起。
11.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，扭绞传感器管是渐缩的传感器管。
12.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，扭绞传感器管是阶梯形传感器管。
13.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，一定长度的延伸部包括扭绞部。
14.根据权利要求1所述的扭绞传感器管，其中，所述横截面包括4个等尺寸的侧壁。
15.一种热电偶套管，具有纵轴并且可插入到过程流体容器中一定插入长度，所述热电偶套管包括: 过程接口，穿过过程容器的侧壁，并且密封至过程容器；以及 扭绞部，连接至过程接口，并且具有沿着纵轴扭绞的多边形横截面。
16.根据权利要求15所述的热电偶套管，其中，多边形的角部具有曲率半径。
17.根据权利要求15所述的热电偶套管，其中，扭绞部在插入长度的40%与100%之间延伸。
18.根据权利要求17所述的热电偶套管，其中，扭绞部从热电偶套管的密封端延伸。
专利摘要本实用新型公开了扭绞传感器管及热电偶套管。根据实施例，提供了一种对插入到运动过程流体中的传感器进行保护的扭绞传感器管。该扭绞传感器管包括过程接口部，用于安装至过程容器；以及延伸部，从过程接口部延伸到密封端。延伸部包括具有纵轴的扭绞部。过程接口部和延伸部限定被配置为在其中容纳传感器的传感器孔。扭绞部的横截面包括至少三个相等尺寸的侧壁，并且侧壁沿着扭绞部的纵轴成螺旋状。因此，可以提供具有有效涡旋脱落降低、可容易制造的扭绞传感器管及热电偶套管。
文档编号G01K1/08GK202956201SQ20122045943
公开日2013年5月29日 申请日期2012年9月10日 优先权日2011年12月1日
发明者洛厄尔·A·克莱文 申请人:罗斯蒙德公司