CN101855528B - 表面温度传感系统 - Google Patents

Abstract

一种用于传感物体的参数的传感器装置可以包括至少一根光纤、一个或多个连接构件以及张紧器。一个或多个连接构件可以与光纤连接，并且可以将一根光纤连接到物体。张紧器可以与光纤连接，并且可以贴着物体的表面固定一根或多根光纤。

Description

表面温度传感系统

发明背景

发明领域

本发明通常涉及温度传感，且更具体地，涉及一种传感物体表面的温度的装置和系统。

相关技术描述

特定的物体，例如化学反应容器，要求在物体的一个或多个表面上的仔细的温度传感。例如，在化学反应容器中，当在反应容器内发生特定的反应时，表面的某些部位可能达到很危险的高温。如果上述危险没有被识别，以及上述反应没有被控制，那么容器有可能发生灾难性的破坏。而且，表面上的在产生热点的确切的表面或位置可能是不可预知的。

监控表面温度的一种方法是利用了与光纤电缆连接的光电设备的分布式温度传感。在典型的分布式温度传感系统中，光纤以单一的连续螺旋线圈的形式缠绕在例如反应容器之类的物体上。例如，在Hartog等人申请的专利号为5,821,861的美国专利中描述的温度传感器描述了以连续螺旋线圈的方式缠绕着反应容器的光纤温度传感器。连续螺旋线圈并不理想，因为会很难将螺旋线圈安装并固定到很大的或复杂的表面。

上述典型的分布式温度传感系统用热传导水泥使光纤电缆附于物体的表面。遗憾的是，物体的表面以及热传导水泥或光纤电缆可能经受差示热膨胀。具体地讲，物体的表面可能更加快速地膨胀，或膨胀速度低于水泥或光纤电缆。在这种情况下，差示热膨胀可能引起热传导水泥从物体的表面偏离。这种偏离效应可减少物体的表面与光纤电缆之间的热耦合。在典型的情况下，光纤电缆可能被从其正确的位置移走，从而使温度读数不可靠，并且降低整个系统的性能。

Marsh等人的公布的美国专利申请号2006/0115204也描述了一种常见的分布式温度系统。然而，Marsh仅描述了对典型系统较小的改进。该改进涉及在光纤电缆的某个预先确定的位置上使用参考线圈。Marsh描述的参考线圈在电缆上提供了光电参考点，用于实际测量针对的物体的温度的光纤传感器电缆的长度相对于光纤电缆的总长度来说很小的应用。参考线圈没有从物理意义上将线圈分开，而是提供了光电参考点，以从电子上将针对的部位与整条光纤电缆隔离。对先前系统的这个改进并没有解决由差示热膨胀引起的使热传导水泥偏离的问题或螺旋缠绕物体所涉及的困难。

发明概述

在一个实施方式中，提供了一种传感器装置。上述传感器装置可以包括至少一根光纤、一个或多个连接构件和张紧器。一个或多个连接构件可以与光纤连接，并且可以将一根光纤连接到物体。张紧器可以与光纤连接，并且可以贴着物体的表面固定一根或多根光纤。

在其它实施方式中，提供了一种光纤温度传感器系统。该系统可以包括一个或多个传感器段，该一个或多个传感器段被配置成传感由该一个或多个传感器段覆盖的物体的表面上的温度的分布。在一些实施方式中，多个传感器段中的每一个可以包括光纤和张紧器，张紧器与光纤连接，以贴着物体固定传感器段。

在可选的实施方式中，提供了一种制造传感器段的方法。上述方法可以包括跨过模子的表面定位至少一根光纤，其中模子可以具有大体上等于物体的一部分的尺寸，将多个连接构件固定到至少一根光纤，并将多个光纤耦合器固定到至少一根光纤。

通过参照结合附图的具体实施方式的以下详细说明，其它特征以及相关优点将会变得明显。

附图简述

以下附图形成了本说明书的一部分，并且被包括以进一步地表示本发明的某些方面。通过参照这些附图中的一个或多个并结合本文给出的具体实施方式的详细说明，可以更好地理解本发明。

图1是说明了根据本公开内容的实施方式的物体和多个传感器段的前视图；

图2说明了根据本公开内容的实施方式的锥形传感器段；

图3说明了根据本公开内容的实施方式的圆柱形传感器段；

图4说明了根据本公开内容的实施方式的半球形传感器段；

图5A至图5C分别说明了根据本公开内容的实施方式的用于制作图2、图3和图4的传感器段的模子；

图6说明了根据本公开内容的实施方式的线材弯曲器(wire bender)；

图7说明了根据本公开内容的实施方式的张紧器；

图8说明了根据本公开内容的实施方式的用于传感物体的表面的温度的系统；以及

图9说明了根据本公开内容的实施方式的图形用户界面。

发明详述

参照图1至图9可以更好地理解优选的实施方式及其优点，其中同样的数字用于说明同样的和相应的部件。

本公开内容提供了用于传感例如物体的表面的温度的参数的系统和方法。在一个实施方式中，包含光纤的一个或多个传感器段可被放置成与物体的表面直接接触。在一些实施方式中，一个或多个传感器段可“缠绕”在物体的表面上。利用分布式温度传感(DTS)系统或与传感器段连接的其它参数传感系统，表面的参数可以被探测，且物体作为一个整体可以在附近或实时被监控。

在本公开内容中使用和定义的术语“与...接触”指的是充分的物理相关性接触或者充分靠近物体表面，使得传感器段能够被有效地用于确定物体表面或物体内部的参数(例如，温度或其它物理性能或特征)。

图1说明了根据本公开内容的实施方式的例如化学反应容器的物体100的实例，该物体100的例如温度之类的参数需要被监控。物体100可以是单一的几何形状(例如，圆柱体，圆锥，球体，半球，环面，立方体，棱柱，棱锥等)。在其它实施方式中，物体100可以包括一个或多个复杂的几何表面。例如，物体100可以包括圆锥部位101、圆柱体部位103和半球部位105。物体100还可以包括大体上平面的表面和/或其它几何形状的表面。

物体100可以包括附加部件，例如包括：入口107，其用于接收可能储存在物体100中的材料；出口109，其用于从物体100中分配一些或所有的材料。对于一些物体，可以提供人行道111，以通向物体100的部位，包括物体100上的一个或多个突起部(例如，检修孔、通风孔、管道等)，以及尤其是位于部位101、部位103和/或部位105的突起部。

物体100还可以包括底部113，用于将物体100固定在合适的位置(例如，在包括一个或多个物体100的阵列的测试场中，将物体固定到地面，等)。底部113可以由能够保持物体100以及储存在物体100中的材料的重量的任何合适的材料制成。

物体100还可以包括一个或多个传感器段117，该传感器段117可以与物体100的外部或外表面接触。传感器段117可以包括多个光纤，上述光纤可用于探测物体100的一个或多个参数，例如物体100的表面的温度。参照图2至图4更详细地说明传感器段117。

与物体100的表面连接的多个安装环115可以用于将一个或多个传感器段117直接固定到物体100。安装环115可以包括耦合器(未示出)，该耦合器用于将传感器段117的带条固定到物体100，使得传感器段117的光纤可以与物体100的表面接触。

在一个实施方式中，安装环115可以位于物体100的一个或多个复杂的表面之间，然而，至少根据物体100的几何形状和/或部位，安装环115可以位于物体100的其他地方。例如，安装环115可以被放置在物体100的不同部位之间(例如，圆锥部位101和圆柱体部位103之间和/或圆柱体部位103和半球部位105之间)。在可替代的实施方式中，安装环115可以被安装在物体100的任何一个或两个远端。

图2至图4说明了根据本公开内容的实施方式的传感器段的实例。上述传感器段可以根据物体100的形状来定制。例如，如果物体100是圆锥形状的，则图2的传感器段可以与物体100的外表面直接接触使用和放置。如果物体100是圆柱体形状的，则图3的传感器段可以与物体100直接接触使用和放置。类似地，如果物体100是半球形状的，则图4的传感器段可以与物体100直接接触放置。

在一些实施方式中，如果物体100包括一个或多个复杂的几何表面，则可以使用根据物体100的特定部位配置的多个传感器段。例如，如果物体100具有圆锥体和圆柱体两种形状，则图2的传感器段以及图3的传感器段都可以被使用，并且都可以与物体100直接接触放置。

图2说明了根据本公开内容的实施方式的圆锥形传感器段217的实例。传感器段217可以包括一个或多个光纤耦合器202、带条204以及一根或多根光纤206。光纤耦合器202可以包括阳性连接器或阴性连接器。可替代地，上述耦合器202可以包括光纤连接套管或插塞。光纤耦合器202或耦合技术的各种其它实施方式可以与上述传感器段217一起使用。

与光纤206的一端或多端和/或光纤206的任何部位连接的光纤耦合器202可以被配置成与另一个传感器段217连接，其中多个传感器段217可以串联连接。例如，可能需要一个或多个传感器段217来覆盖物体100的表面。为物体100定制的多个圆锥形传感器段217可以经由光纤耦合器202串联连接在一起(例如，焊接在一起或者使用用于固定光纤的任何其他技术连接在一起)。在其他实施方式中，可以将传感器段217大体缠绕在物体100的整个圆锥部位101上。

例如，带条204可以将圆锥形传感器段217连接到物体100的表面。例如，可以用夹钳、螺栓或吊钩之类的紧固件将带条204连接到图1的一个或多个安装环115。具体地讲，带条204可以紧固到与物体100的圆锥部位101连接的安装环115，其中带条204可以对传感器段217提供垂直支撑，使得传感器段217与物体100直接接触。

光纤206可以被固定到带条204。光纤206可以为可沿着光纤的长度导光的任何材料(例如，玻璃、塑料等)，并且可以作为传感器用来测量包括但不限于物体100的温度的特定参数。光纤206可以包括覆层，该覆层包围着具有能够传播光的折射率的芯。折射率小于芯的折射率的覆层可以被用于维持传播光的全内反射，因此可以使光穿过光纤206的整个长度而没有任何重大的损失。

光纤206可以被设置成具有不同尺寸长度和半径的锯齿形或S形，从而形成符合物体100的圆锥部位101的具有窄端和宽端的楔形或梯形。在可替代的实施方式中，光纤206可以关于物体100的中心轴垂直地排列成锯齿形或S形。

图3说明了根据本公开内容的实施方式的圆柱形传感器段317的实例。例如，圆柱形传感器段317可以被配置成缠绕在物体101的圆柱体部位103的一部分或全部上。传感器段317可以包括一个或多个光纤耦合器302、带条304和一根或多根光纤306。

光纤耦合器302可以包括阳性连接器或阴性连接器。可替代地，上述耦合器302可以包括光纤连接套管或插塞。光纤耦合器302或耦合技术的各种其它实施方式可以与上述传感器段317一起使用。与光纤306的一端或多端和/或光纤306的任何部位连接的光纤耦合器302可以被配置成将传感器段317与至少另一个传感器段317串联连接。

例如，带条304可以将圆柱形传感器段317连接到物体100的表面。例如，可以用夹钳、螺栓或吊钩之类的紧固件将带条304连接到图1的一个或多个安装环115。具体地讲，带条304可以紧固到与物体100的圆柱体部位103连接的安装环115，其中带条304可以对传感器段317提供垂直支撑，使得上述传感器段317与物体100的外表面接触。

光纤306可以被固定到带条304，并且可以被设置成锯齿形或S形，从而形成符合物体100的圆柱体部位103的矩形或正方形形状。在可替代的实施方式中，光纤306可以关于物体100的中心轴垂直地排列成锯齿形或S形。

图4说明了根据本公开内容的实施方式的半球形传感器段417的实例。例如，传感器段417可以被配置成缠绕在物体101的半球部位105的一部分或全部上。传感器段417可以包括一个或多个光纤耦合器402、带条404和一个或多个光纤406。

光纤耦合器402可以包括阳性连接器或阴性连接器。可替代地，上述耦合器402可以包括光纤连接套管或插塞。光纤耦合器402或耦合技术的各种其它实施方式可以与上述传感器段417一起使用。与光纤406的一端或多端和/或光纤406的任何部位连接的光纤耦合器402可以被配置成将传感器段417与至少另一个传感器段417串联连接。

例如，带条404可以将传感器段417连接到物体100的表面。例如，可以用夹钳、螺栓或吊钩之类的紧固件将带条404连接到图1的一个或多个安装环115。具体地讲，带条404可以紧固到与物体100的半球部位105连接的安装环115，其中带条404可以对传感器段417提供垂直支撑，使得上述传感器段417与物体100直接接触。

光纤406可以被固定到带条404，并且可以被设置成锯齿形或S形，从而形成能够符合物体100的半球部位105的形状。在可替代的实施方式中，光纤306可以关于物体100的中心轴垂直地排列成锯齿形或S形。

传感器段217、317和417可以用模子建造。上述模子可以为物体的一部分或整个物体本身的确切尺寸的模型。模子使得定制的传感器段符合物体的形状。参照图5A至图5C，说明了根据本公开内容的实施方式的物体100的部位101、103和105的一部分的实例形式。模子550A、550B和550C可以由木材、塑料或分别具有与物体100的部位101、103和105的一部分同样的尺寸或大体上同样的尺寸的其他材料制成。

在图5A中，可以利用如图6所示的线材弯曲器600将光纤206跨过模子550A设置成锯齿形或S形结构。线材弯曲器600可以包括一组轮子660，该组轮子660可以沿着模子550A的轮廓而行并且可以弯曲光纤206，使得光纤206可以符合模子550A，以及其后符合物体101的圆锥部位101。类似地，在图5B和图5C中，光纤306和406可以利用例如线材弯曲器600而分别跨过模子550B和550C的表面设置成锯齿形或S形结构。

相应的带条可以与布置在模子上的光纤连接，并且一个或多个光纤耦合器可以放置在光纤的端部或者各种不同的位置(例如，在光纤的弯曲处)。

一旦带条204、304和/或404固定到物体100的安装环115，一个或多个传感器段可以与物体100的外表面接触。在一些实施方式中，上述一个或多个传感器段可能需要这样的力，这个力会使一个或多个段与物体100的表面直接接触，同时如果物体100经受了特定的压力或温度而增加了物体100的表面积时仍允许一个或多个段保持膨胀的能力。本公开内容提供了一种用于使传感器段217、317和/或417符合物体100的表面的装置和方法，这将在图7中更详细地讨论。

图7说明了根据本公开内容的实施方式的张紧器的实例，该张紧器可以用于将传感器段217、317和417分别固定到物体100的部位101、103和105。如本公开内容所用的，术语“张紧器”指设备、组、集合、组合工具或者是一个或多个部件的组合，它们被配置成对与张紧器连接的一个或多个部件施加张力或在与张紧器连接的一个或多个部件之间施加张力。

张紧器700可以包括一个或多个弹簧构件722，该弹簧构件722可以将张力施加到光纤706上。张紧器700还可以包括锚构件724。锚构件724可以包括板、法兰、吊钩或类似物，并且可用于将光纤706锚固到张紧器。锚构件724可以是被设置成与传感器段中的弯曲处的半径一致的圆盘。虽然所描述的实施方式包括圆盘，但是各种配置的其它锚构件724可与张紧器700一起使用。

弹簧构件722可以通过增加光纤与物体之间的热耦合来提高光纤相对于物体的性能。例如，张紧器700施加的张力可以使传感器段与物体更加接近且接触更多。在一个实施方式中，张紧器700可以将张力施加到传感器段，并可导致该传感器段“紧抱”或者施加垂直于表面的一些力。在这种实例中，传感器段可以更加紧密地与物体物理接触，从而增加物体与传感器段之间的热耦合。

在一些实施方式中，张紧器700可以包括线、绳或类似物，它们被配置成系紧在光纤706中的一个或多个弯曲处之间。系带可以通过对上述线或绳的末端施加“类似束胸的”力而被拉到一起。上述线或绳可被系在一起，从而保持将系带拉在一起产生的张力。在另一个可替代的实施方式中，上述张紧器700可以包括被设置成与光纤706的方向垂直布置的一个或多个带条。在这种实施方式中，一个或多个螺栓或弹簧负载螺栓可以将光纤706中的弯曲处紧固到带条或盘并且拉紧以产生张力。

图8说明了用于检测物体表面上的温度的系统。该系统可以包括物体800，该物体800包括一个或多个传感器段(例如，217、317和/或417)、与上述一个或多个传感器段连接的分布式温度传感(DTS)880单元和与上述DTS单元连接的控制器882。例如，上述DTS单元可以是来自SensorTran(Austin，Texas)的DTS5100。

物体800可以包括与物体800的表面直接接触的一个或多个传感器段。上述一个或多个传感器段可以包括光纤，该光纤被设置成传输DTS单元880提供的光脉冲，且尤其是与DTS单元880连接的电磁辐射源提供的光脉冲。上述光脉冲可以穿过与物体800的表面接触的光纤而传输。DTS单元880可以探测与物体800的外表面接触的传感器段的光纤传输的光以及任何背散射或反射的光。

DTS单元880可以将检测到的传输的光以及背散射的光提供给控制器882，该控制器882可以比较并分析检测到的光，并且可以确定物体800的特定参数，如包括跨过物体800的表面的温度等。例如，参照图9，图形用户界面(GUI)可以显示上述控制器的输出显示。GUI 900可以以墨卡托式投影(Mercator-type projection)显示物体800，其中物体800的一个或多个表面被并排显示了出来。在GUI的实例中，所提供的表面是根据物体800的位置(例如，北(N)、东(E)、南(S)和西(W))取得的。关于表面上的区域的任何警报或警告都可以总结给用户。

通过利用可与物体100的表面接触的传感器段，接收到的数据可能比本领域中已知的技术测量的更加精确。而且，跨过物体的表面的温度变化能够导致物体的表面的膨胀。本公开内容的传感器段提供了与上述传感器段连接的张紧器，该张紧器可以给传感器段提供张力，使得传感器段与物体100的表面接触，同时物体以及因此的传感器段由于压力或温度改变而膨胀。

本文公开以及要求的所有方法都可以按照本公开内容来实施而无需过度的实验。尽管本公开内容的方法可能已经按照优选的实施方式来描述，但是对于本领域中的技术人员来说，很显然，可以对上述方法，以及本文所描述的上述方法的步骤或步骤的顺序进行改变，而不会偏离本公开内容的概念、精神和范围。对于本领域中的技术人员来说明显的所有类似的这些替代以及修改可以被认为是在由所附权利要求限定的本公开内容的精神、范围以及概念之内。

Claims (5)

1.一种分布式温度传感(DTS)传感系统，用于测量由复杂几何表面部位的组合构成的物体的表面温度，所述分布式温度传感(DTS)传感系统包括：

a.一个或多个传感器段，其与所述复杂几何表面部位的外表面接触，所述传感器段包括多根光纤；

b.安装环，其连接在所述物体的表面；

c.带条，其连接在与所述物体的表面连接的各个连续的安装环之间，并且连接到所述传感器段，以对所述传感器段提供支撑并且保持所述传感器段和所述复杂几何表面部位的外表面之间的接触；

d.张紧器元件，其与所述一个或多个传感器段连接，其中，由所述张紧器元件施加的张力增强所述传感器段与所述复杂几何表面部位的所述外表面之间的热耦合，

其中，所述多个传感器段与分布式温度传感(DTS)单元连接，所述分布式温度传感(DTS)单元被设置成通过测量与所述复杂几何表面部位的所述外表面接触的所述传感器段的所述光纤所传输的以及背散射的光来量化由所述多个传感器段探测的所述物体的温度。

2.如权利要求1所述的分布式温度传感(DTS)传感系统，其中，所述传感器段中的每一个包括耦合器，所述耦合器被设置成将所述多个传感器段中的一个连接到至少另一个传感器段。

3.如权利要求1所述的分布式温度传感(DTS)传感系统，其中，张紧器包括被设置成提供张力的弹簧构件。

4.如权利要求3所述的分布式温度传感(DTS)传感系统，其中，张紧器还包括锚构件，所述锚构件被设置成将所述弹簧构件锚固到至少一根光纤。

5.如权利要求1所述的分布式温度传感(DTS)传感系统，其中，与所述复杂几何表面部位的所述外表面接触的所述至少一个或多个传感器段以楔形、梯形、矩形、正方形或半球形设置。

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