CN104048773A - 热电偶套管插入件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度感测系统，该温度感测系统包括热电偶套管、传感器和固体插入件。热电偶套管延伸到流体流的感测区域中。传感器具有容纳在热电偶套管中以感测感测区域中的温度的探针。固体插入件被构造为将探针可移除地支撑在热电偶套管内并在热电偶套管和探针之间提供热接触。

Description

热电偶套管插入件

技术领域

本发明主要涉及过程传感器系统，并且更具体地，涉及用于工业过程监测系统中的流体传感器的热电偶套管传感器壳体。

背景技术

工业过程变送器和传感器组件用来感测流过管道或容器中含有的过程流体的各种特性，并将关于这些过程特性的信息发送至远离过程测量位置定位的控制、监测和/或安全系统。每个过程变送器可以连接至一个或多个传感器和/或致动器组件。传感器组件可以感测多种过程参数，包括压力、温度、pH值或流量。过程变送器是通常经由传感器导线电连接的传感器组件，传感器导线用来传送反映至少一个这种过程参数的基于电流或电压的模拟传感器输出信号。每个变送器读取这些传感器输出信号，并将所述信号转换成过程参数的数字测量值。最后，变送器将信息发送至控制系统。

用于感测过程流体温度和温度变化的传感器组件通常包括容纳在延伸到流体流中的热电偶套管中的至少一个温度传感器。热电偶套管被设计成与过程流体物理接触并屏蔽温度传感器免受由于与流体的直接接触引起的物理损坏，如，冲击、腐蚀等，同时在流体和温度传感器之间有效地传导热量。热电偶套管有时可能由于过程流体流而振动，并往往用作热屏障，该热屏障通过增加传感器组件的热质量而延长传感器响应时间。一些传感器组件已经包括诸如矿物油之类的阻尼流体，以改善热电偶套管和温度传感器之间的热传导，并减轻热电偶套管振动。

发明内容

本发明涉及一种温度感测系统，具有热电偶套管、传感器和固体插入件。热电偶套管延伸到流体流的感测区域中。传感器具有容纳在热电偶套管中以感测感测区域中的温度的探针。固体插入件被构造为将探针可移除地支撑在热电偶套管内并在热电偶套管和探针之间提供热接触。

附图说明

图1是过程监测或控制系统的简化视图；

图2是图1的过程监测或控制系统的热电偶套管和温度探针的简化剖视图；

图3是图2的温度探针的末端和热电偶套管的一个实施例的剖视图；以及

图4是图2的温度探针的末端和热电偶套管的第二实施例的剖视图。

具体实施方式

图1是过程系统10(用于监测和/或致动工业流体过程的系统)的一个实施例的简化示意图。在图示的实施例中，过程系统10包括过程测量系统12(具有过程变送器24、传输线14和控制或监测系统16)、过程管道18(具有法兰连接件20)、传感器组件22(具有温度传感器28和热电偶套管30)、和传感器导线26。

过程管道18载送用于工业流体过程的过程流F。过程管道18例如可以是被构造为载送诸如油浆的粘性流体或粘性制造材料的导管或输送管。过程管道18包括至少一个法兰连接件20，其便于连接法兰安装式设备以测量过程流F的至少一个特性，例如，温度、流量、压力或pH值。在图示的实施例中，法兰连接件20提供用于传感器组件22的连接点。传感器组件22以与法兰连接件20形成流体密封的方式连接至法兰连接件20，并延伸穿过管道18进入过程流F。传感器组件22包括具有被套在热电偶套管30中的传感器探针(参见图2的探针44，下文讨论)的至少一个温度传感器28。温度传感器28例如可以是热电偶、电阻性温度检测器或热敏电阻。温度传感器28产生反应邻近法兰连接件20的过程流F的至少一个温度或温度变化的过程信号。热电偶套管30保护温度传感器28免于过程流F，从而防止温度传感器28的损坏并增加温度传感器28的预期寿命。过程流F例如可以包括损坏或以其它方式危害温度传感器28的操作的化学物或粒子。热电偶套管30由具有高导热性的诸如黄铜、缸或铜的材料形成，从而将来自过程流F的热量有效地传导至温度传感器28。由于热电偶套管30保护温度传感器28避免与过程流F直接接触，热电偶套管30用作增加响应时间并且潜在地将误差引入到从温度传感器28获取的测量值的热屏障。通过如下文参照图3和4所描述的那样改善温度传感器28和热电偶套管30之间的热接触来减轻这些影响。

在图示的实施例中，过程测量系统12由传感器导线26连接至传感器组件22的温度传感器28，并处理来自温度传感器28的信号以产生过程流F的参数的至少一个测量值。传感器导线26例如可以是将温度传感器28电连接至过程变送器的单线或多线式导线。过程变送器24是信号处理和/或传输装置。过程变送器24例如可以是被配置从经由传感器导线26从温度传感器28接收的电压或电流信号中提取数字过程测量值的逻辑使能装置(logic-capable device)。在另一个实施例中，过程变送器24可以经由传感器导线26直接从温度传感器28接收数字过程测量值。过程变送器24还可以包括诊断或故障报告部件，并且可以包括用于存储与过程流F相关的测量、控制和诊断数据的永久性存储器。虽然过程变送器24被示出为与传感器组件22分离，但过程系统10的一些实施例可以利用直接安装至传感器组件22或管道18的过程变送器。过程变送器24可以包括内部电源，或者可以从外部输电网连接或能量收集装置接收电力。虽然过程变送器24仅被示出为连接至温度传感器28和控制或监测系统16，但过程变送器24的一些实施例可以用于与过程流F接触的其它传感器和/或致动器。

过程变送器24经由传输线14将数字过程测量值发送至控制或监测系统16。传输线14例如可以为多线电缆、光纤电缆或无线连接。在一些实施例中，传输线14可以是根据无线HART协议(IEC62591)或类似的传输/接收协议运行的无线连接。除了由温度传感器28的传感器输出产生的数字过程测量值之外，传输线14可以载送用于过程测量系统12和传感器组件22的诊断信息、来自控制或监测系统16诸如复位和校正指令的指令、致动器指令、以及数据请求。

过程测量系统12接收并解释来自传感器组件22的温度传感器28的过程信号。如下文参照图2-4详细地描述的那样，插入热电偶套管30和温度传感器28的探针44之间的插入件改善温度传感器28和热电偶套管30之间的热接触，从而改善测量响应时间并减少误差。这种插入件还保护温度传感器28免于有害振动。

图2是传感器组件22的一个实施例的剖视图，其中图示了热电偶套管30(具有法兰界面32、传感器支架34、螺纹凹槽36和探针护套38)、温度传感器28(具有帽40、螺纹42、探针44和感测末端46)、和传感器导线26。热电偶套管30安装至法兰连接件20，并延伸穿过管道18进入过程流F中。温度传感器28的感测末端46通过插入件48被保持在过程流F的感测区域R_S附近与探针护套38的热接触时避免振动。

如上文参照图1描述的那样，热电偶套管30用作保护套，所述保护套延伸穿过管道18进入过程流F并套住温度传感器28的探针44以防止由于与过程流F接触而损坏温度传感器28。热电偶套管30是具有限定探针护套38的中空孔的导热结构。温度传感器28在探针护套38内延伸至感测区域R_S，使得来自温度传感器28的传感器信号反映感测区域R_S中的温度或温度变化。

在图示的实施例中，热电偶套管30包括法兰界面32，其是与法兰连接件20一起形成表面密封的宽圆柱形表面。法兰界面32可以增补有其他密封件或垫圈补充以防止流体从管道18中流出。在一些实施例中，法兰界面32可以被栓接或夹持至法兰连接件20以固定热电偶套管30。在可替换实施例中，法兰界面32可以包括被选择以与法兰连接件20的相应几何形状配合的带螺纹或带槽的几何形状。虽然热电偶套管30的大多数实施例被设计为能够容易从管道18被移除，但热电偶套管30的一些可替换实施例可以焊接至法兰连接件20。

传感器支架34从法兰界面32延伸远离管道18，并提供用于温度传感器28的连接点。在图示的实施例中，温度传感器28的帽40配合到热电偶套管30的传感器支架34中，使得帽40上的螺纹42与传感器支架34上的螺纹凹槽36配合。在可替换实施例中，帽40可以以其它方式，如采用卡口式连接或夹紧式摩擦配合连接至传感器支架34。探针护套38从法兰界面32延伸穿过管道18进入到过程流F中，从而将感测末端46定位在感测区域R_S附近。探针护套38是包围并保护探针44和感测末端46的刚性大致圆筒形元件。在图示的实施例中，探针护套38向着感测区域R_S逐渐渐缩，使得探针护套38的厚度在感测末端46附近最窄。这种变窄允许减少由探针护套38呈现的热屏障，从而缩短由热电偶套管30在感测末端46附近的热质量引起的响应时间增加。热电偶套管28可以例如通过金属铸件形成为单个部件。可替换地，通过连接多个单独的部件形成热电偶套管28。特别是在自然过程流频率与探针护套38的谐振频率匹配的情况下，程流F可以在热电偶套管30中产生大振幅振动。这种振动会在探针护套38和感测末端48之间引起可能损坏温度传感器28的机械冲击。插入件48通过相对于探针护套38恒定地保持感测末端46而减轻这种损坏，从而防止损坏冲击。

温度传感器28在热电偶套管30内延伸穿过管道18并进入过程流F。探针44是从帽40延伸至感测区域R_S的细长圆筒或多边形管。感测末端是容纳传感器元件(如，热电偶或热敏电阻，未示出)的导热套筒。帽40和探针44协作以在传感器导线26和感测末端46之间提供电连接。感测末端46提供反应在该感测末端的位置处的温度或温度变化的电流或电压信号。

插入件48围绕感测末端46，保护感测末端46免于热电偶套管30的振动，并通过在感测末端46和探针护套38之间提供更宽的区域用于热传递而在感测末端46和探针护套38之间提供改善的热界面。插入件48例如可以由具有高传热系数的材料，如银或铜形成的固体(solid)金属部件。插入件48本身能够从热电偶套管30移除，并且温度传感器28可以在不从管道18上分离热电偶套管30的情况下从插入件48移除和/或插入插入件48中，如下文参照图3和4描述的那样。

图3和4图示传感器组件22的靠近感测区域S_R(参见图2)的区域的两个可行的实施例。图3和4图示温度传感器28的传感器探针44和感测末端46、热电偶套管30的探针护套38和尖顶部50、以及插入件48。图3图示插入件48a(插入件48的第一实施例)，而图4图示插入件48b(插入件48的第二实施例)。插入件48a和48b的形状不同，但用于相同的总体作用：相对于探针护套38保持感测末端46，以及在感测末端46和探针护套38之间提供热界面。在两个实施例中，尖顶部50是从探针护套38向感测末端46延伸的突出点。尖顶部50在热电偶套管30和感测末端46之间提供单个点热接触。

如图3所示，插入件48a是具有弹簧片(spring tab)52的圆筒形套筒。弹簧片52是薄且因此稍微具有弹性的金属调整片，所述调整片弯曲以容纳温度传感器28。插入件48a围绕感测末端46，并紧密地抵接探针护套38。弹簧片52从插入件48a向内内向着感测末端46并向下向着感测末端46的远端延伸。这种几何结构允许通过将温度传感器28插入插入件48a中而使弹簧片52稍微弹性变形。弹簧片52相对于探针护套38的侧面横向保持温度传感器28，从而防止感测末端46和检测护套38之间机械冲击免于热电偶套管30的大振幅振动。弹簧片52还用作热电偶套管30和感测末端46之间另外的热接触点，从而改善从过程流F到感测末端46的热流，并减少传感器组件22的响应时间。弹簧片52不会阻碍从温度传感器从热电偶套管30的移除。可以在不移除或损坏插入件48a的情况下移除和/或更换温度传感器28以用于维护。虽然弹簧片52可以容纳窄宽度范围的感测末端46，但各种形状和尺寸的插入件48a可以被互换地换入或换出以适应更窄或更宽的感测末端46。在一些实施例中，插入件48a可以插入热电偶套管30中以准备容纳温度传感器28。在其它实施例中，插入件48a可以固定至感测末端46，并且通过将温度传感器28和插入件48a一起插入到热电偶套管30中而被安装。

如图4所示，插入件48b是圆筒形套筒，其具有径向向外并向着热电偶套管30的远端延伸以抵接探针护套38的一体波形弹簧54。波形弹簧54弯曲以装配在探针护套38中，并延伸以抵接探针护套38的侧面。类似于插入件48a的弹簧片52，波形弹簧54相对较薄且因此是柔性金属部件，该柔性金属部件弯曲以容纳温度传感器28到热电偶套管30中的插入。而插入件48a直接抵接探针护套38并且在其远端处仅经由弹簧片52接触感测末端46，插入件48b直接抵接感测末端46并且仅在尖顶部50处经由波形弹簧54接触探针护套38。类似于弹簧片52，除了保持感测末端46以防止与探针护套38的冲击之外，波形弹簧54在热电偶套管30和感测末端46之间提供额外的热路径。类似于插入件48a，插入件48b不会阻碍温度传感器28插入热电偶套管30或从热电偶套管30移除，并且本身可以从热电偶套管30中移除，如，换入更大或更小的插入件48b以适应具有更窄或更宽的感测末端46的温度传感器28。插入件48b可以贴合地装配至感测末端46，并且可以与温度传感器28一起插入热电偶套管30，或者被单独插入。

图3和4图示插入件48的两个可行的实施例。本领域技术人员将会认识到，在不偏离本发明的精神的条件下，还可以采用插入件48的其它形状和结构。一般而言，插入件48包括一些柔性弹簧或等同部件以适应振动并相对于探针护套38保持感测末端46。插入件48优选由具有高导热性的材料，如银或铜形成，并且在感测末端46和探针护套38之间提供缩短温度传感器28对过程流F的温度和温度变化的响应时间的热路径。

虽然已经参照一个或多个示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变，并且等同物可以代替其元件。此外，在不背离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，目的在于，本发明不局限于所公开的特定的一个或多个实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (27)

1.一种温度感测系统，包括：

延伸到流体流的感测区域中的热电偶套管；

传感器，所述传感器具有容纳在热电偶套管中以感测所述感测区域中的温度的探针；和

固体插入件，所述固体插入件被构造为将探针能够移除地支撑在热电偶套管内并在热电偶套管和探针之间提供热接触。

2.根据权利要求1所述的温度感测系统，其中固体插入件由金属形成。

3.根据权利要求2所述的温度感测系统，其中固体插入件由银或铜形成。

4.根据权利要求1所述的温度感测系统，其中热电偶套管包括限定探针护套的中空孔，并且固体插入件位于传感器和探针护套之间。

5.根据权利要求4所述的温度感测系统，其中固体插入件被构造为在探针护套的远端部处支撑探针的末端。

6.根据权利要求5所述的温度感测系统，其中固体插入件包括包围在探针的远端处的感测末端的套筒。

7.根据权利要求6所述的温度感测系统，其中套筒抵接热电偶套管的远端处的尖顶部。

8.根据权利要求6所述的温度感测系统，其中固体插入件包括多个弹簧元件。

9.根据权利要求7所述的温度感测系统，其中套筒直接抵接感测末端，并且弹簧元件是从套筒延伸至热电偶套管的波形弹簧。

10.根据权利要求9所述的温度感测系统，其中波形弹簧从套筒向远端延伸至热电偶套管。

11.根据权利要求7所述的温度感测系统，其中套筒直接抵接热电偶套管，并且弹簧元件是从套筒延伸至感测末端的弹簧片。

12.根据权利要求11所述的温度感测系统，其中弹簧片向着感测末端的远端延伸。

13.一种过程测量系统，包括：

延伸到载送过程流的管道中的热电偶套管；

传感器组件，所述传感器组件具有延伸到热电偶套管中以感测过程流的温度的探针；

在探针和热电偶套管之间形成热接触的固体插入件；和

过程变送器，用于接收来自传感器组件的传感器信号并基于传感器信号发送温度测量输出。

14.根据权利要求13所述的过程测量系统，其中热电偶套管包括限定探针护套的中空孔，所述探针护套围绕探针并延伸到过程流中。

15.根据权利要求14所述的过程测量系统，其中固体插入件在中空孔和探针的远端处的感测末端之间提供多个热接触。

16.根据权利要求14所述的过程测量系统，其中固体插入件是围绕并抵接探针的远端处的感测末端的套筒。

17.根据权利要求16所述的过程测量系统，其中固体插入件包括从套筒延伸至探针护套的波形弹簧。

18.根据权利要求14所述的过程测量系统，其中固体插入件是围绕探针的远端处的感测末端并抵接探针护套的套筒。

19.根据权利要求18所述的过程测量系统，其中固体插入件包括从套筒延伸至感测末端的弹簧片。

20.根据权利要求13所述的过程测量系统，其中固体插入件由金属形成。

21.根据权利要求20所述的过程测量系统，其中固体插入件由银形成。

22.根据权利要求20所述的过程测量系统，其中固体插入件由铜形成。

23.根据权利要求13所述的过程测量系统，其中固体插入件能够从热电偶套管中被移除而不会损坏热电偶套管或固体插入件。

24.根据权利要求13所述的过程测量系统，其中传感器能够从热电偶套管中移除并在热电偶套管中被更换而不损坏或更换固体插入件。

25.一种插入件，所述插入件被构造为将探针支撑在热电偶套管内，所述插入件包括：

导热套筒，所述导热套筒被设置为围绕探针，并能够移除地插入到热电偶套管中；和

柔性弹簧，所述柔性弹簧从导热套筒横向地延伸以相对于热电偶套管定位探针。

26.根据权利要求25所述的插入件，其中柔性弹簧是从导热套筒向外横向延伸以抵接热电偶套管的波形弹簧。

27.根据权利要求25所述的插入件，其中柔性弹簧是从导热套筒向内横向延伸以抵接探针的弹簧片。