CN105716726A - 具有振动检测的温度传感器套管系统 - Google Patents
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Abstract
用于测量过程温度的温度传感器套管系统包括细长的温度传感器套管，该细长的温度传感器套管具有近端和被构造成用于延伸到过程流体中的远端。红外线传感器被构造成用于检测来自温度传感器套管的远端的红外辐射并且响应地提供传感器输出。振动检测电路被耦接到红外线检测器并且被构造成用于根据传感器输出中的振荡来检测温度传感器套管的振动。
Description
技术领域
本发明涉及用于温度传感器中的类型的温度传感器套管，该温度传感器用于工业过程控制和监控系统。更具体地，本发明涉及对该温度传感器套管的振动的测量。
背景技术
工业过程传感器和变送器用于感测流过导管的或包含在容器中的流体的各种特性。变送器感测诸如压差、线压、温度和酸碱度(pH)的过程参数。
在过程应用中，诸如热电偶的温度传感器、电阻温度检测器或红外线传感器通常被已知为温度传感器套管的金属或陶瓷护套保护。传感器电线通过一些种类的绝缘材料彼此隔离并且与金属护套和金属部件隔离。由传感器、传感器电线、传感器护套、绝缘材料和安装配件组成的组件称为传感器组件。
传感器导线连接到电子电路，该电子电路读取传感器信号并且将该传感器信号转化为温度读数。该电子电路可以位于控制、监控或安全系统的输入电子卡中或位于变送器中。变送器通常被安装为相对接近温度传感器。
变送器将传感器信号转换为温度测量值，并且将该信号传输到诸如控制、监控和/或安全系统的远程接收器。温度值可以通过不同类型的信号和媒介传输。温度值可以通过诸如现场总线、工业现场总线、设备网、网络通讯协议、以太网等的数字协议，被转换为诸如4至20mA的模拟标准值。传输媒介可以经由金属线、光纤、红外线或射频。
用于工业过程中的温度传感器通常地安装有诸如温度传感器套管等的主密封件。温度传感器套管用于向温度传感器提供额外的保护。温度传感器套管是保护温度传感器免于过程压力、侵蚀和腐蚀的端部封闭式金属或陶瓷管。温度传感器套管还允许在不必关闭该过程的情况下安装和移除传感器。由于温度传感器套管是大致细长的管，因而温度传感器套管可能振动并且甚至折断或破裂。这可以允许过程流体的释放并且要求工业过程非预期的关闭以修理任何损坏。
发明内容
用于测量过程温度的温度传感器套管系统包括细长的温度传感器套管，该细长的温度传感器套管具有近端和被构造成用于延伸到过程流体中的远端。红外线传感器被构造成用于检测来自温度传感器套管的远端的红外辐射并且响应地提供传感器输出。振动检测电路被耦接到红外线传感器并且被构造成用于根据传感器输出中的振荡来检测温度传感器套管的振动。
本发明内容和摘要被提供以简化形式介绍对在下文的具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容和摘要不旨在识别被要求保护的主题的关键特征或本质特征，它们也不旨在被用作确定被要求保护的主题的范围的辅助手段。
附图说明
图1是包括温度变送器的过程控制或监控系统的简化视图，该温度变送器被构造成用于感测过程流体的温度。
图2是与图1的温度变送器一起使用的温度传感器套管的正视平面图。
图3是时间与振幅的关系的曲线图，其示出了来自红外线传感器的输出的振荡。
图4是用于图1的温度变送器中的变送器电路的简化方块图。
具体实施方式
用于测量过程温度的温度传感器套管系统被提供，该温度传感器套管系统包括温度传感器套管，该温度传感器套管被构造成用于延伸进入过程流体中。红外线传感器被构造成用于检测来自温度传感器套管的远端的红外辐射。被检测到的辐射可以与温度传感器套管的振动或其它的运动相联系。
图1是图示过程控制系统10的示意图，过程控制系统10包括传感器/变送器12和通过传输回路16连接的控制室设备14，传输回路16可以是两个或多个电缆、或光缆或无线链路。在本实施例中，传感器/变送器12测量温度。传感器/变送器12安装在过程管道18上，并且通过回路16提供表示管道18中的过程流体的测量温度的输出。传感器/变送器12可以是温度变送器，可以是包括定位在传感器壳体中的变送器电子器件的感测装置，或可以是与控制室设备14直接地通信或通过分离的变送器与控制室设备14通信的感测装置。
传感器/变送器12以模拟或数字形式将温度信息传输到控制室设备14。例如，传感器/变送器12可以通过将在回路16中流动的回路电流控制在4mA和20mA之间，来传输代表测量温度的模拟信号。另外，传感器/变送器12可以将与测量温度、测量的第二过程参数或诊断数据相关的数字信息传输到控制室14。数字信息通过回路16的传输可以，例如，使用高速通道可定址远程转换器()协议被传输。可选地，温度信息以及第二测量值和诊断信息可以使用所有的数字协议被传感器/变送器12传输到控制室14，该数字协议诸如基础现场总线、工业现场总线、网络通讯协议等。可选地，回路可以使用各种无线技术。可选地，回路可以使用各种无线技术、根据IEC62591的无线通信协议。还可以使用标准以太网、光纤连接件或其它的通信通路。传感器/变送器12提供温度传感器套管系统用于测量过程温度。
图2是耦接到图1示出的变送器12的温度传感器套管20的正面透视图。温度传感器套管20安装在凸缘22上，并且延伸到过程管道18中，并且包括具有远端被密封的中空管。温度传感器套管20可以由任何适当的材料形成，该适当的材料包括金属、塑料、陶瓷、复合材料和其结合。
随着被携带在管道18中的过程流体移动通过温度传感器套管20，涡流可以被产生。存在多个因素，该因素指示涡流将如何被生成并且涡流将如何影响温度传感器套管20。如果涡流足够大，则温度传感器套管20将在涡流中移动并且可以接近共振频率。这可以导致温度传感器套管20的永久性损坏。该损坏可以是裂缝或永久性弯曲以及完全地折断远离凸缘22的形式。可以期望测量该振动。然而，必须考虑多个因素。任何振动检测器应该被监控，并且数字化或以其它方式的信息应该被测量电子器件获得。例如，振动信息可以被微控制器监控。在一个示例性构造中，用于测量温度的主测量模数转换器还用于监控振动。进一步，在一些构造中，变送器电子器件被安装为远离温度传感器套管。另外，由温度传感器套管经历的振动可能不在单个的方向上并且因而要求多轴线振动检测器。
如图2所示，红外线(IR)现场(spot)传感器24被安装在温度传感器套管20的近端处，并且被引导以接收来自温度传感器套管20的远端的辐射。布线26被用于将IR传感器24耦接到IR电子器件(图2未示出)。
根据普朗克定律，穿过温度传感器套管20的孔的内壁将发出与壁的温度相关的辐射。红外线传感器24被布置成用于感测根据普朗克定律发出的辐射并且响应地提供传感器输出。传感器输出可以与温度传感器套管20的温度相联系，并且提供对携带在过程管道18中的过程流体的温度的间接测量值。红外线传感器24可以包括被构造成用于使得传感器沿着温度传感器套管20的孔聚焦的光学元件。
温度梯度ΔT在图2中被图示并且是温度传感器套管20的远端和近端之间的温差。该温差导致在穿过温度传感器套管20的孔的整个内表面中引起的热梯度。如果IR传感器24被聚焦，从而随着温度传感器套管移动远离中心轴线，该内孔的一些侧壁可以被看到，误差将被引入温度测量值中。该误差可以被用于确定温度传感器套管20的运动。
过程流体中的涡流将导致温度传感器套管20的远端相对于近端的振荡运动。在运动增加的情况下，红外线传感器24将更大程度地被聚焦在孔壁上的如下焦点：在该焦点处，温度测量值创建了更大的误差，该误差在温度传感器套管的共振频率处最大化。随着温度传感器套管20振荡，传感器24将定期地接收来自温度传感器套管的远端的红外辐射。图2图示了该振荡，并且图3图示了来自红外线传感器24结果性输出。如图3所示，基线被实际的过程变量(温度)提供。随着温度传感器套管20振动直到其达到最大振动强度，感测的红外辐射减少。红外线传感器对振动的敏感度是红外线传感器24的焦点以及穿过温度传感器套管20的孔的长度和直径的函数。进一步，温度传感器套管的内孔可以涂有材料或以一定方式成形，以改变红外线传感器对振动的敏感度。
红外线传感器24的图3图示的输出中的波峰和波谷可以被估算以确定温度并且提供振动诊断。
图4是简化方块图，示出了根据示例性构造的变送器12的电路。如图4所示，红外线传感器24的输出被提供到放大器48并且被模数转换器50数字化。微处理器52或其它的控制器接收数字化信号并且根据存储在存储器54中的指令操作。通信能力由I/O电路56提供，I/O电路56用于通过过程控制回路16通信。电源58被提供用于驱动变送器12的电路。电源可以是诸如电池的内电源，并且可以被外电源提供，该外电源包括通过过程控制回路16被接收的电力。
在操作过程中，微处理器52接收代表来自传感器24的输出的数字化信号。微处理器52可以将该数字化信号与过程流体的根据普朗克定律的温度相关联。使用I/O电路56在过程控制回路16上传输与温度相关的信息。
如上所述，微处理器52还能够基于来自传感器24的输出的变化而执行振动诊断。例如，诸如图3图示的那些变化可以与温度传感器套管20的由于过程流体中的涡流而导致的振动相联系。微处理器52可以将振动的持续时间、频率和/或振幅与存储在存储器中的多个阈值进行比较，从而执行诊断。例如，如果温度传感器套管20以某个振幅振动了规定的持续时间，则这可以指示温度传感器套管的应力疲劳极限正在接近失效点。因而，该诊断可以用于指示温度传感器套管应该在其最后失效之前被替代。该诊断还可以用于预言温度传感器套管20的剩余寿命范围。这允许工厂操作员关闭过程操作并且执行定期维护，而不是等待直到温度传感器套管20完全失效。
图4还图示了通过可选的放大器72耦接到模数转换器50的可选的第二传感器70。该第二传感器可以用作，例如，独立的温度传感器，诸如设置在温度传感器套管20中的RTD或热电偶。
如上所述，相同的红外线传感器24可以用于执行诊断以及过程变量(诸如温度的)的测量。可以同时地进行确定。然而，还可以在多个时间段期间或根据需要可选地进行确定。可以使用根据存储在存储器54中的编程指令的软件方案来执行诊断确定。温度传感器套管可以可选地被构造成用于增强其对振动的敏感度。该增强可能是由于诸如温度传感器套管20的具有薄壁的一部分的物理构造，或可以基于特定材料被选择。被温度传感器套管20感测的振动可以源自于流过温度传感器套管的过程流体，以及源自于接收自过程中的诸如附近的过程构件的其它构件的振动。例如，马达可以在过程中引起振动，探针20响应于该振动。如本文所用，术语“振动检测电路”包括基于存储在装置的诸如存储器54的存储器中的软件执行的实现方式，和使用诸如微处理器52的适当的控制器执行的实现方式。然而，可以使用包括专用模拟构件、专用数字构件、共用构件或它们的组合的任何适当的技术来完成振动检测电路。振动检测电路还可以是与如下的电路相同的电路：该用于基于来自红外线传感器24的输出来测量过程温度。滤波器，包括数字滤波器或模拟滤波器，可以根据需要用于增强振动检测回路对某个频率的振动的敏感度，以及减少对某些频率的敏感度。
虽然已经参照优选的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本发明的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。除了提供与温度传感器套管的状态相关的诊断，感测的振动信息也可以用于获得关于过程的操作的信息。例如，对振动的检测可以用于确定携带在过程管道18中的过程流体已经开始移动。振动信息还可以与过程流体的流率相联系。非常短的持续时间的突然的较大振动可以指示过程流体中的某物已经撞击温度传感器套管20。任何适当的红外线传感器可以被使用。然而，传感器应该优选地能够在需要的范围内检测温度传感器套管的振动，该范围例如在100Hz和1kHz之间。典型的红外线传感器具有约纳秒的响应时间，纳秒足够快以检测该振动。红外线传感器可以使用光纤束或其它的聚焦技术与温度传感器套管隔开。虽然红外线传感器被具体地描述，但是该构造还包括红外线成像检测器。在图4示出的示例性构造中，微处理器提供振动检测电路以及温度测量电路。然而，还可以使用其它的构造。
Claims (20)
1.一种用于测量过程温度的温度传感器套管系统，其包括：
细长的温度传感器套管，所述细长的温度传感器套管具有近端和被构造成用于延伸到过程流体中的远端；
红外线传感器，所述红外线传感器被构造成用于检测来自温度传感器套管的远端的红外辐射并且响应地提供传感器输出；以及
振动检测电路，所述振动检测电路被耦接到红外线检测器并且被构造成用于根据传感器输出中的振荡来检测温度传感器套管的振动。
2.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，其中所述振动检测电路进一步被构造成用于基于传感器输出来测量过程温度。
3.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，其中所述振动检测电路进一步被构造成用于根据传感器输出中的振荡的振幅来执行诊断。
4.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，其中所述振动检测电路进一步被构造成用于根据传感器输出中的振荡的频率来执行诊断。
5.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，其中所述振动检测电路进一步被构造成用于根据传感器输出中的振荡的持续时间来执行诊断。
6.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，其中所述振动检测电路进一步被构造成用于根据传感器输出中的振荡来识别过程流体的运动。
7.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，包括I/O电路，所述I/O电路被构造成用于提供与温度传感器套管的被检测到的振动相关的输出。
8.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，包括I/O电路，所述I/O电路被构造成用于提供过程流体的温度。
9.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，其中所述红外线传感器光学上通过光纤光缆耦接到细长的温度传感器套管。
10.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，包括被安装在温度传感器套管中的温度传感器，所述温度传感器被构造成用于感测过程温度。
11.根据权利要求1所述的温度传感器套管系统，其中振动检测电路根据存储在存储器中的编程指令由微处理器实施。
12.一种检测一种类型的细长的温度传感器套管中的振动的方法，该类型的细长的温度传感器套管用于测量过程流体的温度，所述方法包括：
将细长的温度传感器套管放入过程流体中；
布置红外线传感器，以检测来自温度传感器套管的远端的红外辐射并且响应地提供传感器输出；并且
根据传感器输出中的振荡来识别细长的温度传感器套管的振动。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括基于传感器输出测量过程温度。
14.根据权利要求12所述的方法，包括根据传感器输出中的振荡的振幅来执行诊断。
15.根据权利要求12所述的方法，包括根据传感器输出中的振荡的频率来执行诊断。
16.根据权利要求12所述的方法，包括根据传感器输出中的振荡的持续时间来执行诊断。
17.根据权利要求12所述的方法，包括根据传感器输出中的振荡来检测过程流体的运动。
18.根据权利要求12所述的方法，包括提供与温度传感器套管的被检测到的振动相关的输出。
19.根据权利要求12所述的方法，包括提供过程流体的温度。
20.根据权利要求12所述的方法，包括安装被安装在温度传感器套管中的温度传感器，所述温度传感器被构造成用于感测过程温度。
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