CN1056742A

CN1056742A - 流体管路状态传感器系统

Info

Publication number: CN1056742A
Application number: CN 91100767
Authority: CN
Inventors: 瑟吉·P·巴彤
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1991-02-06
Publication date: 1991-12-04

Abstract

一种传感器总成，由与流体管道径向安放的棒状热传导器件，两个或以上装设在热传导器件之上的热电偶构成。导热器件的第一端与管道表面接触或热导通，而第二端与管道离开。热量从管道传递至第一端，并在导热器件上形成靠近第一端温度相对较高第二端温度相对较低的温度梯度。热电偶沿热传导器件装设，其中一个更接近管道。热电偶的信号送至计算电子设备中以确定热电偶的温差，与已知的或预置的值比较，确定管道流动状态。

Description

本发明涉及一种流体管路状态传感器系统，该系统可以用来测定在管道或容器中是否有流体在流动及有无流体。

在典型的发电厂中，有许多流体管线用于输送经过热交换器去往和来自涡轮机的流体（如热蒸气）。在很多情况下，通过这些管线的流体与管道所处环境的温度相比具有很高的温度。

流体管道系统，如典型的发电厂使用的管道系统可能包含有流动状态监视系统。通常，发电厂的监测和在线诊断系统需要对各种管线例如排放管线和作业流体管线内的流动状态进行检验。由于在整个流动路径的内部或是外部，这些管线可以用阀门截止，所以，在这些管线内的流动可能是间歇的。

用独立的信号确认与流动控制装置（如隔离阀或放池阀）相关的接触闭合是否已经产生予期的流动状态是很有用的。一般地说，人们关心的是要确认是否存在大量的流动（如，相对大量的流体流经管道），不存在流动或存在明显的泄漏（如，相对的少量的流体从泄漏的阀门流出）。

诊断系统可能在流体管道系统的多个位置设置传感元件，这种诊断系统可能特别昂贵。在此系统的传感元件的整个安装费用可能占整个系统成本的很大一部分。因此，在每个传感部位使用便宜的传感元件是很有意义的，这种便宜的传感元件中可以包括热电偶。

一些传统的系统使用几个不同类型的热电偶连接设备装置（以下称为热电偶组）。每个装置具有一个在管道表面跨越一个阀门或在工作时产生显著温差的间距上轴向安放的热电偶的配置。但是，这种热电偶的轴向排列具有很多缺点。例如，得需要几条长导线将轴向排列的热电偶与用于测量的电子设备连接起来。另外，在这种传统的系统中确定用于放置热电偶组的位置所需的工程费用相对地是很高的，此外，用于处理由若干不同种类的装置产生的信号所需的工程费用也是相对地高的，更甚的是，利用轴向排列的位于两个轴向位置（如隔离阀的每一端）的热电偶产生的差分信号并不能测定在流体管道中别的部位（如排泄管口）出现的流动阻塞。

因此，本发明的主要任务就是提供一种改进的，相对地费用较低和易于与流体管线连接安装的用于确定管道或容器内的流动状态的流体管线状态传感系统。

以上目的和其它的目的通过本发明的实施例得到实现。即采用一种相对费用较低的传感器件的组件，包括一个棒状的热传导器件，其方位相对流体管道是径向的，并且在每个热传导器件上装有二个或二个以上的热电偶。热传导器件的第一端与管道的外缘接触或者热导通，而另一端离开管道。由于管道和热传导器第一端热传导的结果，及热传导器件靠近管道一端的温度受管道内的温度影响远大于远离管管的另一端，因此，沿着热传导器件形成一定的温度梯度。例如靠近第一端附近的温度相对较高，靠近第二端附近的温度相对较低。热电偶被沿着热传导器件的长度方向装置，其中一个热电偶比另一个更靠近管道。

从热电偶得到的随温度变化的信号被送至适当计算电子仪器中去。计算电子仪器根据热电偶输出信号确定二个热电偶之间的温度差。然后，将该温度差与已知的或予定值相比较确定出管内的流动状态。

以下，通过以下根据附图，对本发明的最佳实施例以举例的方式进行描述，本发明将变得更为清楚，其中：

图1是一部分流体管道及根据本发明的一个实施例的流动状态传感器的透视图。

图2是利用了本发明的一个实施例的流体管道系统的一部分的示意图。

图3仍然是一个利用了本发明的一个实施例的流体管道系统的一部分的示意图。

在以下的描述中，本发明的实施例将与载有比流体管道所处之周围环境温度高的流体的流体管道系统结合进行讨论。所述的实施例特别适用于发电厂的管道系统，如在火力或核力发电厂的载有蒸气或水的管道。但是，应该明确本发明的实施例也可以应用于除发电厂以外的其它管道或容器。

图1显示了与流体管道一部分12连接的一个传感器总成10。管道12由圆筒形的热传导材料构成，最好是金属如铅、铁、铜或不锈钢或其它合适的热传导材料，内部中空的部分14用于载送流体。在管道12周围可以有一层绝热材料16。

管道12可以是例如发电厂中的使用的流体管道系统的一部分。管道12载送的流体可以是通过或在各发电厂系统之间流动的流体，这些流体包括送往或来自涡轮机转子的流体。

传感器总成10包括一个与管道12热导通的热传导器件18。在图1所示的实施例中，热传导器件18是棒状的并具有一个第一端20和一个第二端22。它由热传导材料如金属构成。

如图1所示，热传导器件18从管道12径向延伸并穿过绝热材料16。棒端20比端22更靠近管道，并最好与管道12的外表面紧密接触。

热传导器件18通过夹箍24被连接到管道12。如下所述，使用夹箍24可以使热传导器件18被固定到管道12上而不需钻孔或焊接。但是，应当看到，其它将热传导器件固定到管道12上的措施和方法（包括钻孔和焊接）并不脱离本发明。

夹箍24与汽车管夹相似。包括绕住管道12的外围的箍带26。螺纹紧固件28与箍带26连接，通过它可以增加和减小箍带的直径。此外，螺纹紧固件可以被拧开到一个位置使箍带26能被打开并装配到管道12上。当箍带26被装到管道12后，将紧固件合上或拧紧以减小箍带26的直径，这样，箍带26就能够与管道12夹住并固定。

热传导器件18可以用任何合适的方法与箍带26固定，如铜焊或熔焊。在一个实施例中;热传导器件18的端20穿过箍带26上的孔后与管道12的外表面紧靠在一起。在另一实施例中，热传导器件18的端20固定在箍带26外表面上。在这一实施例中，箍带26必须用导热材料制成，以便把热量从管道12传到热传导器件的端20。

如上所述，热传导器件18可以是圆棒形状并相对于管道12径向延伸。在热传导器件18上装有第一个和第二个热电偶结30和32（以下称为热电偶组）。第一热电偶30比第二热电偶32更靠近热传导器件18的端20。或者说，第二热电偶32比第一热电偶更靠近热电偶器件端22。如下所述，这种布置方式的目的是使第一热电偶30处于一个比第二热电偶32受温度影响更大的位置。关于这一点，应当理解的是，能取得这种予期效果的其它的热电偶的布置方式也是可行的。

热电偶30和32都有第一引线和第二引线。第一导线34将第一热电偶30的第一引线与信号处理单元36连接起来。第二导线将第二热电偶32的第一引线与信号处理单元36连接起来。第一热电偶30的第二引线与第二热电偶32的第二引线连接，以便将第一和第二热电偶30和32差分地连接起来。但是，可以看到，其它将热电偶30和32及信号处理单元36适当地连接起来的方式也是可以使用的。

如图1所示的导线34和38是一般的金属导线。由于热电偶30和32是差分连接的，如图1所示，所以导线34和38可以使用费用较低的双股铜电缆。但是，应该认识到，将来自热电偶30和32的信号载送到处理单元26的其它连通手段，或信号传送装置（如无线传送装置）也是可以使用的。

在热电偶30和32及热传导器件18外面可以加一个外罩39，如一个带孔的中空的圆柱形套筒从箍带36开始罩住热传导器件18。图1所示的外罩39是被分解示意的，以便能清楚地显露热传导器件18及热电偶30和32的结构。其它合适的外罩也可用来代替穿孔的中空的圆柱形结构的外罩。最好外罩39能使环境温度与热传导器件18沟通，但是要尽量减小周围空气流对热传导器件18上的温度分布的影响。另外，外罩39也能起到防止由于其它物体直接接触而造成损坏的保护作用。同时也能阻挡脏物和灰尘在热电偶30和32及热传导器件18上面或周围聚集。

信号处理单元36包括用公知的方法评测从热电偶30和32发出并经导线34和38传送的温差信号而设计的电子设备，其详细特点下面将予说明。

在工作状态下，流经管道12的中空部分14的流体可能是间歇的，其温度比管道12及传感器总成10附近的温度要高。

当流体流经管道12时，流体的热量透过管壁传到热传导器件18的端20，并沿着热传导器件18传导到其另一端22。由于端20比端22更靠近热源（流体及管道12），通过热传导器件18传导的热量就会在热传导器件18沿长度方向形成一定的温度梯度（相对于管道12是径向的）。也就是说，在端20将出现相对较高的温度，在端22将出现相对较低的温度。在端20与22之间的热传导器件18上沿着端20到22的方向温度越来越低。

由于上述的对第一和第二热电偶30和32的布置，第一热电偶30比第二热电偶32处于温度梯度较高的区域。结果，第一个热电偶30将比第二个热电偶32更大程度地被热源（流体及管道12）加热。

因此，当流体流经管道12时;在第一与第二热电偶30和32之间将产生温度差，当大量的热（与周围环境温度相比）的流体流经管道12时（如管道12上游的阀门广开），相对大量的热量将透过管壁产生，并且在相对外短的时间内，在第一与第二热电偶30和32之间将出现相对大的稳定的温差。然而，当小量的流体流经管道口时（如管道上游的阀门关闭但有泄漏），相对小量的热量将透过管壁口进行热传导，在相对长的时间内在第一和第二热电偶30和32之间，将出现一个相当小的稳定的温差，当没有流体经管道12时（例如，上游阀门关闭且无泄漏或上游管道出现阻塞），在第一及第二热电偶30和32之间将出现一个非常小的稳态温差。

导线34和38传输的信号代表热电偶30和32之间的温差。信号处理单元36中的信号分析电子设备可以采用逻辑分析的方法，分析通过导线34和38传输的信号，如下所述，以一种公知的方式确定出第一及第二热电偶30和32之间的温差，以及管道12内的流动状态。

图2和图3显示了利用本发明实施例的管道系统的一部分。每个图中都示出以具有阀门42及排放管44的流体管道40。在排放管44上还有一个排放阀46。

参见图2，与结合图1描述的传感器总成相似的传感器总成10被装置在排放管44上。排放阀46处于传感器总成10及管道40之间。

在图3的实施例中，一个与图1中描述的传感器总成相似的传感器总成10被装设在排放管44上并处于排放阀及管道40之间。另一个同样与图1中描述的传感器总成相似的传感器总成48被设置在管道40上。图3中的排放管44在阀门42和传感器总成48之间从管道40分出。

处理单元36可包括有逻辑分析装置（未示出）或公知的可编程的处理器（未示出）用于分析通过导线34和38送来的信号，或计算由信号分析装置测定的温差。这些设备被设计成或编程为可以去确定管道12（图1）或管道40和44（图2及图3）中出现的流动状态。例如，这里用δT表示由导线34和38传送的信号大小的稳定的差值，而T_A、T_B、T_C、T_D和T_E是事先设定的或予定的信号差值，处理单元30以公知的方式，设计成为或编程为可以去进行下列判断：

1.出现大量流动状态;条件是稳态δT＞T_A（这种状态对应于阀门广为打开的情况，如图2中的排放阀46广为打开时）;

2.小流量（或阀门泄漏）状态;T_B＜δT＜T_C;

3.无流动状态（或管道阻塞）T_D＜δT＜T_E

（这种状态对应于阀门关闭，如图3中排放，阀46关闭的情况）;

这里的比较值（T_A-T_E）是以予期的流动状态为根据选取的，以便处理单元36只能顺从予期的流动状态有效地进行监测。

处理单元36在分析从热电偶30和32发出的信号时也可以利用系统的状态信息。例如，可以利用所希望的阀门状态信息，与热电偶30和32发出的信息结合，以确定阀门是否工作在所希望的状态，或确定在特定的管道中的流动状态是否是所希望的。所希望的阀门状态信息可以通过一个输入装置（未示出）提供给处理单元30，技术人员已将信息人工地输入到该装置中。所希望的阀门状态信息也可以由阀门控制装置（未示出），阀门运动传感器（未示出），阀门控制软件（未示出）或类似装置给出。作为输入装置，阀门控制装置，阀门运动传感器，和阀门控制软件都是此技术领域公知的，为了简化本公开，在此不再赘述。

在涡轮机系统中，如发电机系统中，处理单元36在分析热电偶30和32发出的信号时，也可以利用涡轮机的负荷信息或者是作业流体温度信息。例如，予定值T_A-T_E可取决于涡轮机的瞬态负荷及作业流体的温度。涡轮机负荷信息及作业流体温度信息可以通过本技术领域公知的适当的传感装置（未示出）得到。

处理单元36还可以包括用于计算δT的变化率的公知的手段，以获得传导器位置的外部热传导系数的大小的信息。由于外部的热传导系数大小取决于传感器处的管内的流体的流速，所以，处理单元36通过热电偶30和32发送的信号可以测定管内的流速。

以上所描述的状态测定方法仅仅是处理单元36作出的确定方法和方式的举例。其它分析从热电偶30和32发出的依赖于温度的信号的方法也是可行的。

虽然以上是针对本发明特定的实施例进行描述时，应当理解为可以进行许多修改而并不脱离本发明的精神。例如，在热传导器件18上可使用二个以上的热电偶，用于给出器件18上的更详细的代表温度梯度的信号，或者获得冗余的信号以提高安全性及准确性。

Claims

1、一种流动状态传感器，用于检测流体输送管道(12)的流动状态，其特征在于，包括：

一个与管道(12)热导通的热传导器件(18)，所述的热传导器件(18)具有相对管道内流体横向相隔开的第一和第二位置，以及

与所述第一位置和第二位置热导通的第一和第二热电偶结。

2、根据权利要求1所述的流动状态传感器，其特征在于，所述的热传导器件（18）具有一第三位置（20），所述的第三位置与管道（12）接触，其中所述的第一位置比所述的第二位置更靠近所述的第三位置（20）。

3、在用于输送流体的具有管道（12）的管道系统中，流体的温度比管道（12）附近的环境温度高，其特征在于，该改进包括一个流动状态传感器，包括：

具有第一及第二位置的热传导器件（18），所述热传导器件（18）以热导通安装在管道（12）上，并当管道（12）输送流体时，从所述的第一到第二位置形成一个温度梯度;

与所述第一及第二位置热导通的第一及第二热电偶结（30、32）。

4、根据权利要求3的流动状态传感器，其特征在于，所述的热传导器件（18）由导热材料制成的基本上圆柱形的棒体（18）构成。

5、根据权利要求4的流动状态传感器，其特征在于，所述棒体（18）具有一个与管道（12）接触的第一端（20）和一个与管道（12）有一定距离的第二端（22），其中，当管道（12）输送流体时，热量通过管道（12）传导至所述棒体（18）的第一端（20）。

6、根据权利要求5的流动状态传感器，其特征在于，所述的第一位置比所述的第二位置更接近于所述的第一端（29）。

7、根据权利要求4所述的流动状态传感器，其特征在于，所述的棒体（18）被大体上相对于管道（12）径向延伸安置。

8、根据权利要求3的流动状态传感器，其特征在于，所述的第一及第二热电偶结（30，32）被置于所述的热传导器件（18）的所述的第一及第二位置。

9、根据权利要求3所述的流动状态传感器，其特征在于，所述的流动状态传感器进一步包括一个将所述热传导器件（18）与管道（12）固定的夹箍，通过它，热传导器件（18）被固定在管道（12）上。

10、根据权利要求9所述的流动状态传感器，其特征在于，所述的夹箍（24）包括箍带（26），箍在管道（12）的表面并具有一定的直径，以及一个装置（28），用于紧缩所述箍带（26）的直径。

11、根据权利要求3的流动传感器，其特征在于，所述的第一及第二热电偶结（30、32）各自输出一个大小取决于所述的第一及第二位置温度的信号，其特征还在于，所述的传感器还进一步包括计算装置36，并与所述的第一及第二热电偶结（30、32）可工作地连接，用于计算来自于所述的第一及第二热电偶结（30、32）的信号。

12、根据权利要求11所述的流动状态传感器，其特征在于，用不多于一根的导线（34）将所述的第一热电偶结（30）与所述的计算装置（36）连接，及用不多于一根的导线（38）将所述的第二热电偶结（32）与所述的计算装置（36）连接。

13、根据权利要求3的流动状态传感器，其特征在于，所述的第一及第一热电偶结（30、32）各自具有一个第一及第二引线，并且所述的第一热电偶结（30）的第一引线与所述的第二热电偶结（32）的第一引线电气连接。

14、根据权利要求13所述的流动状态传感器，其特征在于：所述的传感器进一步包括一个信号处理器（36），并与所述的第一及第二热电偶结（30、32）的第二引线电气连接。

15、根据权利要求14所述的流动状态传感器，其特征在于，所述的第一及第二热电偶结（30、32）在所述的第二导线上提供随温度变化的信号，所述的信号处理器（36）包括用于计算由所述第二导线提供的信号以确定所述的第一及第二位置之间的温差的装置。

16、根据权利要求15的流动状态传感器，其特征在于，所述的信号处理器（36）进一步包括用于计算所述第一及第二位置的温差变化率的装置。

17、根据权利要求14所述的流动状态传感器，其特征在于，所述的传感器进一步包括一个输入装置，与所述信号处理器（36）可工作地连接，用于向所述的信号处理器输入期望的状态数据。

18、根据权利要求3所述的流动状态传感器，其特征在于，所述的传感器进一步包括一个设置在所述热传导器件（18）附近的外罩（39），防止周围空气流，脏物，灰尘及质量大到足以对所述热电偶结（30、32）及热传导器件（18）造成损害的物体中至少一种接触所述热传导器件（18）。

19、根据权利要求18的流动状态传感器，其特征在于，所述的外罩（39）由一个中空的部件（39）构成，罩在所述的热传导器件（18）上。

20、根据权利要求19的流动状态传感器，其特征在于，所述的中空的部件（39）为一个带孔的大体上为圆柱形的部件（39）。