本發(fā)明一般地涉及蒸汽質(zhì)量計，并且特別地，涉及具有用于感測電容和/或阻抗的電極的蒸汽質(zhì)量計。

背景技術(shù)：

在過程工業(yè)中，蒸汽通常用于加熱目的，并且在石油和天然氣工業(yè)中作為注入流體用于回收碳氫化合物。諸如這些的蒸汽流量應(yīng)用利用飽和蒸汽，飽和蒸汽可以全是水汽，全是液體，或水汽和液體的結(jié)合。熱力學(xué)關(guān)系使用蒸汽質(zhì)量以計算飽和蒸汽的性質(zhì)，諸如密度和質(zhì)量流率和焓流率。這些熱力學(xué)關(guān)系假設(shè)飽和蒸汽是在飽和壓力和溫度下共存的液相和汽相的均質(zhì)混合物，但是實際上，飽和蒸汽很少被完全混合。因此，諸如文氏管的裝置用于混合流體從而可以假設(shè)均質(zhì)。熱力學(xué)關(guān)系還假設(shè)已知的蒸汽質(zhì)量。通常假設(shè)1.0或100％的蒸汽質(zhì)量來執(zhí)行密度和質(zhì)量流率計算。然而，對于從0.9到1.0的蒸汽質(zhì)量，蒸汽質(zhì)量每減少1％，則均質(zhì)蒸汽的密度增加大致1％。隨著蒸汽質(zhì)量進一步減少，密度的對于質(zhì)量每1％的減少的增加變得更大。因而，當(dāng)計算質(zhì)量流率時，假設(shè)不正確的蒸汽質(zhì)量可能導(dǎo)致極大的誤差。

在規(guī)定的壓力下，蒸汽混合物的溫度在飽和溫度下保持恒定，直到所有的水汽變成液體或所有的液體變成水汽。因此不能僅通過測量溫度和壓力來確定蒸汽質(zhì)量。結(jié)果，蒸汽質(zhì)量計使用諸如光、電容、阻抗或其它的方法的手段以確定蒸汽質(zhì)量。蒸汽混合物的電容隨著混合物中液態(tài)水的百分比而變化。在隨著蒸汽流過水平的管道部分時水滴保持均勻地懸浮在水汽中的假設(shè)下，確定混合物的質(zhì)量。為實現(xiàn)水滴的均勻分布，使用混合裝置(諸如文氏管、噴嘴、穿孔板、旋渦裝置或其它的這種元件)。然而，水滴可以不均勻地沉積在蒸汽管道的底部處，或隨著蒸汽混合物通過管道時水滴朝管道的下游端部。當(dāng)前 的蒸汽質(zhì)量計不導(dǎo)致水滴的沉積。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

蒸汽質(zhì)量計包括具有入口和出口的管道。桿定位在管道中位于入口和出口之間。桿限定桿的外壁和管道的內(nèi)壁之間的環(huán)狀流動通路?；旌涎b置定位在管道中位于入口和桿的上游端部之間。間隔開的傳感器定位在環(huán)狀流動通路中。每個傳感器都被構(gòu)造成用于感測流過環(huán)狀流動通路的蒸汽的電容和/或阻抗。

測量蒸汽質(zhì)量的方法包括通過管道的入口將蒸汽引導(dǎo)進入管道中，均質(zhì)化蒸汽，并且使蒸汽流過環(huán)狀流動通路到管道的出口。該方法進一步包括在環(huán)狀流動通路中的位置處感測流過環(huán)狀流動通路的蒸汽的電容和/或阻抗，并且基于在環(huán)狀流動通路中的每個位置處感測到的電容和/或阻抗來產(chǎn)生流過環(huán)狀流動通路的蒸汽的蒸汽質(zhì)量值。

附圖說明

圖1是在內(nèi)桿上的具有上電極和下電極的蒸汽質(zhì)量計的局部側(cè)面截面圖，以及用于信號處理的相關(guān)聯(lián)的電子組件的圖解示意圖。

圖2A是圖1的蒸汽質(zhì)量計沿著圖1中的部分2-2的剖視圖。

圖2B是圖1的蒸汽質(zhì)量計的可替換的實施例沿著圖1中的部分2-2的剖視圖。

圖2C是圖1的蒸汽質(zhì)量計的可替換的實施例沿著圖1中的部分2-2的剖視圖。

圖2D是圖1的蒸汽質(zhì)量計的可替換的實施例沿著圖1中的部分2-2的剖視圖。

圖3是圖1的在內(nèi)桿上具有縱向隔開的電極的蒸汽質(zhì)量計的局部側(cè)面截面圖。

圖4是圖1的在內(nèi)桿上具有縱向隔開的上電極和下電極的蒸汽質(zhì)量計的局部側(cè)面截面圖。

具體實施方式

總的來說，本發(fā)明是具有診斷能力的蒸汽質(zhì)量計。蒸汽質(zhì)量計具有在管道中的環(huán)狀流動通路內(nèi)定位在桿上的多個電極。電極包括感測結(jié)構(gòu)，該感測結(jié)構(gòu)允許蒸汽質(zhì)量計基于懸浮在主要水平地流過管道中的環(huán)狀流動通路的汽相中的水滴的介電性能，來測量蒸汽質(zhì)量。多個電極沿著同中心地定位在管道中的桿放置，以允許沿著流動的軸線的多個電容和/或阻抗測量值。這些測量值用于檢測和驗證流體混合物沿著環(huán)狀流動通路的均勻介電性能的假設(shè)，并且因此改善蒸汽質(zhì)量測量值的可信度和可靠性。

圖1是根據(jù)一個實施例的蒸汽質(zhì)量計10的局部側(cè)面截面圖。圖2A是沿著圖1中的線2-2的剖視圖。如圖1和2A中所示，蒸汽質(zhì)量計10包括具有入口14和出口16的管道12、混合裝置18和桿20?；旌涎b置18和桿20同中心地被定位在管道12中?；旌涎b置18可以是文氏管、噴嘴、穿孔板、旋渦裝置或任何其它適當(dāng)?shù)幕旌涎b置。管道12包括內(nèi)壁22。在示出的實施例中，管道12是電極并且可以是諸如碳鋼的任何導(dǎo)電材料。桿20包括具有桿電極28和30的外壁26。在示出的實施例中，桿20可以是諸如陶瓷的任何絕緣材料，并且桿電極28和30可以是諸如碳鋼或不銹鋼的任何導(dǎo)電材料。桿電極28和30被間隙32分開。在示出的實施例中，桿電極28和30附接到外壁26，并且間隙32表示暴露的外壁26的電分開桿電極28和30的部分。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了兩個傳感器，或同軸電容器，一個傳感器由管道12和桿電極28形成并且另一傳感器由管道12和桿電極30形成。在可替換的實施例中，間隙32可以填充有諸如陶瓷材料的絕緣材料。桿20和管道12之間的空間產(chǎn)生了環(huán)狀流動通路34。

在本實施例中，電線36將管道12和桿電極28和30連接到電子組件38。電線36包括用于每個桿電極28和30的電線，以及用于管道12的電線。電子組件38可以包括信號處理器40、數(shù)字處理器42、本地操作員界面46、存儲器44和通信接口48。通信接口48可以被連接到監(jiān)測/控制系統(tǒng)50。蒸汽質(zhì)量計10可以向監(jiān)測/控制系統(tǒng)50提供蒸汽質(zhì)量測量值輸出。由管道12和桿電極28和30形成的電容器產(chǎn)生電信號，所述被電線36傳輸?shù)叫盘柼幚砥?0。電信號被傳輸?shù)? 數(shù)字處理器42，在數(shù)字處理器42處，信號被存儲在存儲器44中并且可以顯示在本地操作員界面46處。信號然后可以被傳輸?shù)酵ㄐ沤涌?8和監(jiān)測/控制系統(tǒng)50。在可替換的實施例中，電子組件38可以是遙測系統(tǒng)或監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。在另一可替換的實施例中，蒸汽質(zhì)量計10可以是經(jīng)由本地操作員界面46監(jiān)測的單機裝置。

為測量蒸汽質(zhì)量，蒸汽混合物通過入口14并且通過混合裝置18流進管道12中?；旌涎b置18將流體的液體部分霧化成較小的、均勻的小滴以產(chǎn)生均質(zhì)混合物。均質(zhì)混合物離開混合裝置18并且進入環(huán)狀流動通路34中?；旌衔锿ㄟ^出口16退出管道12。當(dāng)蒸汽混合物正在流過環(huán)狀流動通路34時，形成在桿電極28和30和管道12之間的傳感器通過測量電容和/或阻抗來確定混合物的介電性能。上桿電極28和管道12中的每個都用作第一電容器的板并且因而一起感測蒸汽在環(huán)狀流動通路34的上半部中的電容和/或阻抗。下桿電極30和管道12中的每個都用作第二電容器的板并且因而感測在環(huán)狀流動通路34的下半部中的蒸汽混合物的電容和/或阻抗。因此，蒸汽質(zhì)量計10獲得穿過環(huán)狀流動通路34的蒸汽的電容和/或阻抗的兩個測量值。

在示出的實施例中，電容和/或阻抗測量值可以通過電線36被傳遞到信號處理器40。信號處理器40將感測到的電容和/或阻抗轉(zhuǎn)換為數(shù)字的電容和/或阻抗值。數(shù)字處理器42使用數(shù)字值以計算蒸汽質(zhì)量測量值。例如，數(shù)字處理器42可以平均電容和/或阻抗測量值以計算整體的蒸汽質(zhì)量值。平均多個電容和/或阻抗值是有利的，因為取得平均值導(dǎo)致比由利用蒸汽質(zhì)量計10取得的單個測量值所得到的值更精確的蒸汽質(zhì)量值。蒸汽質(zhì)量值可以被存儲在存儲器44中，顯示在本地操作員界面46上，并且傳輸?shù)街帘O(jiān)測/控制系統(tǒng)50的通信接口48，監(jiān)測/控制系統(tǒng)50可以顯示該蒸汽質(zhì)量值。在可替換的實施例中，遙測系統(tǒng)或SCADA系統(tǒng)可以處理電容和阻抗測量值以確定和/或輸出蒸汽質(zhì)量診斷信息。蒸汽質(zhì)量值可以被顯示為百分比。100％的質(zhì)量指示流過環(huán)狀流動通路34的流體完全是水汽。0％的質(zhì)量指示流過環(huán)狀流動通路34的流體完全是液體。

除了提供整體的蒸汽質(zhì)量值，兩個電容和/或阻抗測量值也可以通過數(shù)字處理器42被分別地顯示或分析，以顯示用于環(huán)狀流動通路34的上半部的蒸汽質(zhì)量值和用于環(huán)狀流動通路34的下半部的蒸汽質(zhì)量值。這允許用戶評估流過環(huán)狀流動通路34的上半部和環(huán)狀流動通路34的下半部的蒸汽混合物中的差值。分離的電容和/或阻抗測量值還可以提供整體的蒸汽質(zhì)量值的可靠性的指示。例如，如果用于環(huán)狀流動通路34的上半部的電容測量值低于用于環(huán)狀流動通路34的下半部的電容測量值，則這可以指示沉積發(fā)生在環(huán)狀流動通路34的下半部中或混合物的流率已經(jīng)下降。兩個分離的測量值中的極大的差值可以警示用戶以調(diào)節(jié)流率或管道尺寸以保持混合物的質(zhì)量。多個電容和/或阻抗測量值也是有利的，因為多個測量值允許冗余。

圖2B是蒸汽質(zhì)量計10的可替換的實施例沿著圖1中的線2-2的剖視圖。蒸汽質(zhì)量計10包括管道12和桿20。管道12包括內(nèi)壁22。在示出的實施例中，管道12是電極并且可以是諸如碳鋼的任何導(dǎo)電材料。桿20包括具有桿電極28和30的絕緣層27和外壁26。在示出的實施例中，桿20可以由絕緣層27圍繞的導(dǎo)電材料制成。絕緣層27可以由諸如陶瓷的任伺絕緣材料制成。桿電極28和30可以是諸如碳鋼或不銹鋼的任何導(dǎo)電材料。桿電極28和30被間隙32分開。在示出的實施例中，桿電極28和30附接到外壁26，并且間隙32表示暴露的外壁26的電分開桿電極28和30的部分。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了兩個傳感器，或同軸電容器，一個傳感器由管道12和桿電極28形成并且一個傳感器由管道12和桿電極30形成。在可替換的實施例中，間隙32可以填充有諸如陶瓷材料的絕緣材料。桿20和管道12之間的空間產(chǎn)生了環(huán)狀流動通路34。

圖2C是蒸汽質(zhì)量計10的可替換的實施例沿著圖1中的線2-2的剖視圖。蒸汽質(zhì)量計10包括管道12’和桿20。管道12’包括具有管道電極24的內(nèi)壁22。在示出的實施例中，管道12’可以是諸如陶瓷的絕緣材料，并且管道電極24和可以是諸如碳鋼的任何導(dǎo)電材料。桿20包括具有桿電極28和30的外壁26。在示出的實施例中，桿20可以是諸如陶瓷的任何絕緣材料，并且桿電極28和30可以是諸如碳 鋼或不銹鋼的任何導(dǎo)電材料。桿電極28和30被間隙32分開。在示出的實施例中，桿電極28和30附接到外壁26，并且間隙32表示暴露的外壁26的電分開桿電極28和30的部分。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了兩個傳感器，或同軸電容器，一個傳感器由管道電極24和桿電極28形成并且一個傳感器由管道電極24和桿電極30形成。在可替換的實施例中，間隙32可以填充有諸如陶瓷材料的絕緣材料。桿20和管道12’之間的空間產(chǎn)生了環(huán)狀流動通路34。

圖2D是蒸汽質(zhì)量計10的可替換的實施例沿著圖1中的線2-2的剖視圖。蒸汽質(zhì)量計10包括管道12’和桿20。管道12’包括具有管道電極24的內(nèi)壁22。在示出的實施例中，管道12’可以是諸如陶瓷的絕緣材料，并且管道電極24和可以是諸如碳鋼的任何導(dǎo)電材料。桿20包括具有桿電極28和30的絕緣層27和外壁26。在示出的實施例中，桿20可以由絕緣層27圍繞的導(dǎo)電材料制成。絕緣層27可以由諸如陶瓷的任何絕緣材料制成。桿電極28和30可以是諸如碳鋼或不銹鋼的任何導(dǎo)電材料。桿電極28和30被間隙32分開。在示出的實施例中，桿電極28和30附接到外壁26，并且間隙32表示暴露的外壁26的電分開桿電極28和30的部分。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了兩個傳感器，或同軸電容器，一個傳感器由管道電極24和桿電極28形成并且一個傳感器由管道電極24和桿電極30形成。在可替換的實施例中，間隙32可以填充有諸如陶瓷材料的絕緣材料。桿20和管道12’之間的空間產(chǎn)生了環(huán)狀流動通路34。

根據(jù)另一實施例，圖3是具有縱向隔開的桿電極52、54、56和58的蒸汽質(zhì)量計10的局部側(cè)面截面圖，該縱向隔開的桿電極附接到桿20的外壁26，取代了附接到桿20的外壁26的桿電極28和30。桿電極52、54、56和58被間隙32電分開，間隙32表示暴露的外壁26的部分。在可替換的實施例中，間隙32可以填充有諸如陶瓷的絕緣材料。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了四個傳感器或同軸電容器。第一傳感器由管道12和桿電極52形成。第二傳感器、第三傳感器和第四傳感器在第一傳感器的下游分別通過管道12和桿電極54、56和58形成。在可替換的實施例中，四個傳感器可以通過管道12和桿20的如圖2B-2D 中所示的可替換的構(gòu)造產(chǎn)生。

在本實施例中，桿電極52和管道12中的每個都用作第一電容器的板，并且因而一起感測流過環(huán)狀流動通路34的蒸汽混合物的在環(huán)狀流動通路34的第一部分中的電容和/或阻抗。桿電極54、56和58以及管道12用作第二電容器、第三電容器和第四電容器的板，該第二電容器、第三電容器和第四電容器用于感測流過環(huán)狀流動通路34的蒸汽的在環(huán)狀流動通路34的第二部分、第三部分和第四部分中的電容和/或阻抗。因此，在圖3示出的實施例中，蒸汽質(zhì)量計10獲得通過環(huán)狀流動通路34的蒸汽的電容和/或阻抗的四個測量值。在可替換的實施例中，任意數(shù)量的縱向隔開的桿電極可以附接到桿20的外壁26以提供電容和/或阻抗的任意數(shù)量的測量值。

電容和/或阻抗測量值可以被電子組件38平均和處理，并且整體的蒸汽質(zhì)量測量值可以通過監(jiān)測/控制系統(tǒng)50顯示，如上參照圖1和2A所述。可以以算法分別分析圖3示出的實施例取得的電容和/或阻抗測量值，以在混合物在下游流過環(huán)狀流動通路34時估算蒸汽混合物中的差值。分離的電容和/或阻抗測量值還可以提供整體的蒸汽質(zhì)量值的可靠性的指示。例如，如果用于環(huán)狀流動通路34的第一部分部的電容測量值低于用于環(huán)狀流動通路34的第二、下游部分的電容測量值，則這可以指示在蒸汽混合物在下游流過流動通路34時沉積正在發(fā)生，或蒸汽混合物的流率已經(jīng)下降。分離的測量值中的極大的差值可以警示用戶以調(diào)節(jié)流率或管道尺寸以保持蒸汽的質(zhì)量。多個電容和/或阻抗測量值也是有利的，因為多個測量值允許冗余。

圖4是具有桿電極60、62、64、66、68、70、72和74的蒸汽質(zhì)量計10的另一實施例的局部側(cè)面截面圖，該桿電極60、62、64、66、68、70、72和74附接到桿20的外壁26，取代了附接到桿20的外壁26的桿電極28和30。桿電極62、66、70和74被縱向隔開并且附接到外壁26的上半部。桿電極60、64、68和72被縱向隔開并且附接到外壁26的下半部。桿電極60、62、64、66、68、70、72和74被間隙32電分開，間隙32表示暴露的外壁26的部分。在可替換的實施例中，間隙32可以填充有諸如陶瓷的絕緣材料。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了八 個傳感器或同軸電容器。在外壁26的上半部上的第一傳感器由管道12和桿電極62形成。第二傳感器、第三傳感器和第四傳感器在第一傳感器的下游分別通過管道12和桿電極66、70和74形成。在外壁26的下半部上的第五傳感器由管道12和桿電極60形成。第六傳感器、第七傳感器和第八傳感器在第一傳感器的下游分別通過管道12和桿電極64、68和72形成。在可替換的實施例中，八個傳感器可以通過管道12和桿20的如圖2B-2D中所示的可替換的構(gòu)造產(chǎn)生。

桿電極62和管道12中的每個都用作第一電容器的板，并且因而一起感測流過環(huán)狀流動通路34的蒸汽混合物的在環(huán)狀流動通路34的第一部分的上半部中的電容和/或阻抗。桿電極66、70和74以及管道12用作第二電容器、第三電容器和第四電容器的板，該第二電容器、第三電容器和第四電容器用于感測流過環(huán)狀流動通路34的上半部的蒸汽混合物的在環(huán)狀流動通路34的第二部分、第三部分和第四部分中的電容和/或阻抗。桿電極60和管道12中的每個都用作第五電容器的板，并且因而一起感測流過環(huán)狀流動通路34的蒸汽的在環(huán)狀流動通路34的第一部分的下半部中的電容和/或阻抗。桿電極64、68和72以及管道12用作第六電容器、第七電容器和第八電容器的板，該第六電容器、第七電容器和第八電容器用于感測流過環(huán)狀流動通路34的下半部的蒸汽的在環(huán)狀流動通路34的第二部分、第三部分和第四部分中的電容和/或阻抗。因此，在圖3示出的實施例中，蒸汽質(zhì)量計10獲得通過環(huán)狀流動通路34的蒸汽混合物的電容和/或阻抗的八個測量值。在可替換的實施例中，任意數(shù)量的縱向隔開的桿電極可以附接到桿20的外壁26的上半部分和下半部分，以提供電容和/或阻抗的任意數(shù)量的測量值。

電容和/或阻抗測量值可以被電子組件38平均和處理，并且整體的蒸汽質(zhì)量測量值可以通過監(jiān)測/控制系統(tǒng)50顯示，如上參照圖1和2A所述?？梢砸运惴ǚ謩e分析圖4示出的實施例取得的電容和/或阻抗測量值，以在混合物在下游流過環(huán)狀流動通路34時評估蒸汽混合物中的差值，以及流過環(huán)狀流動通路34的上半部分和下半部分的蒸汽混合物中的差值。分離的電容和/或阻抗測量值還可以提供整體的 蒸汽質(zhì)量值的可靠性的指示。例如，如果用于環(huán)狀流動通路34的第一部分部的上半部的電容測量值低于用于環(huán)狀流動通路34的第二、下游部分的上半部的電容測量值，則這可以指示隨著蒸汽混合物在下游流過流動通路34的上半部時沉積正在發(fā)生，或蒸汽混合物的流率已經(jīng)下降。分離的測量值中的極大的差值可以警示用戶以調(diào)節(jié)流率或管道尺寸以保持蒸汽的質(zhì)量。多個電容和/或阻抗測量值也是有利的，因為多個測量值允許冗余。

盡管已經(jīng)參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解在沒有脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以進行各種改變并且等同物可以替代本發(fā)明的元件。另外，在沒有脫離本發(fā)明的實質(zhì)范圍的情況下可以進行許多修改以使得具體的位置或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，預(yù)期本發(fā)明不受限于公開的具體實施例，但是本發(fā)明將包括落入隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。