CN107543625B

CN107543625B - 具有改进的过程侵入件的过程流体温度测量系统

Info

Publication number: CN107543625B
Application number: CN201710049532.8A
Authority: CN
Inventors: 杰森·H·路德; 史蒂文·R·特林布
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2037-01-23
Also published as: US11067520B2; RU2710520C1; US20180003655A1; EP3479090A4; CN107543625A; CN206656811U; CA3029201A1; EP3479090A1; JP7005531B2; JP2019519779A; WO2018005082A1

Abstract

过程流体温度测量系统包括热电偶套管，所述热电偶套管被构造成连接到过程流体导管并且延伸穿过过程流体导管的壁。温度传感器组件被设置在热电偶套管中，并且包括第一温度敏感元件和第二温度敏感元件。第一温度敏感元件邻近热电偶套管的远端设置在热电偶套管中。第二温度敏感元件沿着具有已知导热率的隔离件与第一温度敏感元件间隔开。变送器电路连接到第一温度敏感元件和第二温度敏感元件，并且被构造成执行热流量计算以提供过程流体温度输出。

Description

具有改进的过程侵入件的过程流体温度测量系统

背景技术

过程工业使用过程变量变送器以监控与以下物质相关联的过程变量，所述物质诸如为化学制品纸浆、石油、药物、食物和其它流体加工工厂中的固体、悬浮液、液体、蒸汽和气体。过程变量包括压力、温度、流量、液位、混浊度、密度、浓度、化学成分和其它性质。

过程流体温度变送器提供涉及过程流体温度的输出。温度变送器输出可以通过过程控制回路通信至控制室，或输出可以传递到另一过程装置使得过程可以被监控和控制。

传统地，过程流体温度变送器连接到热电偶套管或使用热电偶套管，热电偶套管将温度传感器热连接到过程流体，然而另一方面却保护和隔离温度传感器免于与过程流体直接接触。热电偶套管定位在过程流体中以确保过程流体和在其中设置的温度传感器之间的基本热接触。

通常地使用相对坚固的金属结构设计热电偶套管，使得热电偶套管可以经受由过程流体提供的多个挑战。该挑战可以包括物理挑战，诸如以相对较高速度流动通过热电偶套管的过程流体；热挑战，诸如非常高的温度；压力挑战，诸如过程流体在高压下被传送或存储；和化学挑战，诸如腐蚀性过程流体提供的化学挑战。

具有增加在过程流体测量系统中利用热电偶套管工作的困难的多个因素。一个问题是热电偶套管侵扰和侵入过程流体系统。这是因为热电偶套管必须延伸穿过诸如管道的过程流体导管的壁，以将温度传感器连接到过程流体。另外地，热电偶套管通常地要求经常评估许多相关因素。进一步地，热电偶套管通常增加温度测量的响应时间。

由于各种原因，热电偶套管用于多个环境中。热电偶套管提供坚固的和有效的导管以允许温度传感器放置成与过程流体热通信。另外地，热电偶套管保护传感器容器免于与在过程流体导管中流动的材料接触，所述材料可以容易地弯曲、破坏或腐蚀温度传感器容器。此外，热电偶套管允许温度容器被容易地移除，从而在不关闭过程的情况下校准和替换。

发明内容

附图说明

图1是根据现有技术的连接到热电偶套管的过程流体温度测量系统的图解视图。

图2是根据本发明的实施例的过程流体温度测量系统的图解视图。

图3是使用电阻部件建模的热传导的图解视图。

图4是根据本发明的实施例的过程流体温度测量系统的图解视图。

图5是根据本发明的实施例的过程流体温度测量系统的图解视图。

图6是根据本发明的实施例的过程流体温度测量系统的图解视图。

具体实施方式

用于在过程流体测量系统中使用热电偶套管的一个设计考虑是，热电偶套管应该通常以大约是管道直径的三分之一的长度插入过程流体中，以实现最高精度。该设计考虑的主要原因是减少或最小化过程流体导管温度对温度传感器元件的影响。另外地，为实现用于较大管道直径的需要的插入深度，需要更长的热套管。然而，诸如旋涡分离、材料影响和水锤击的因素是对热电偶套管的强度的更重要的挑战。考虑到该设计因素和其它设计因素，用户通常地要求用毫米分辨率规定热电偶套管长度，从而要求热电偶套管的生产在各种可能长度的热电偶套管方面保持极大的库存。通常地使用大量材料坚固地制成热电偶套管。尽管该坚固的设计改善热电偶套管寿命，但是该坚固的设计可以减慢热电偶套管对于过程温度改变的响应性。在一些应用中，快速改变的温度涉及过程中的故障，诸如反应失控。在这种情况下，只要是可行的，非常重要的是理解该情况发生使得材料可以添加到过程以减慢反应。相应地，本文中描述的至少一些实施例可以减少响应时间。

图1是根据现有技术的连接到热电偶套管的过程流体温度测量系统的图解视图。如图1所示，过程流体100流过过程流体导管102。热电偶套管104安装在穿过导管102的壁的开口106或过程侵入件中。通常地，热电偶套管104将具有外螺纹部分，外螺纹部分接合开口106的内螺纹以形成坚固的连接。然而，在一些实现方式中，热电偶套管可以焊接到管道壁，或使用其它的装置，诸如一对配合凸缘和垫圈，连接至管道壁。无论如何，热电偶套管104通常由诸如不锈钢的坚固的材料形成，并且具有内腔108，内腔108尺寸形成为允许温度传感器组件110在内腔108中延伸。温度传感器组件110包括温度传感器，温度传感器定位在热电偶套管104中以测量过程流体100的温度。

图2是根据本发明的另一个实施例的过程流体温度测量系统的图解视图。过程流体温度测量系统300包括连接到导管壁102的热电偶套管200。热电偶套管200是相对较短的(与图1示出的热电偶套管104相比)，并且直接地机械地连接到管道壁102。如图2所示，系统300包括温度传感器组件302，温度传感器组件302包括多个温度敏感元件304、306。温度敏感元件304、306可以由任何适当的温度感测装置形成。温度敏感元件可以是具有随着温度变化的电特性的任何适当的装置或设备。适当的示例包括电阻温度装置(RTDs)、电热调节器、热电偶或其它的适当装置。传感器组件302的温度敏感元件304、306通常连接到变送器壳体310中的变送器电路311。变送器电路(如下所述)通常被构造成测量或以其它方式检测温度敏感元件304、306的电特性并且生成涉及测量温度的过程流体温度输出。

诸如根据公路可寻址报告变换器

来自过程流体温度测量系统的输出可以经由过程通信环路被提供，诸如4-20mA的环路，或数字地提供。其它示例的过程通信协议包括过程现场总线-PA通信协议和FOUNDATION^TM现场总线协议。更进一步地，除了或代替有线过程通信协议，适当的无线技术可以被使用。适当的无线过程通信协议的一个示例是根据无线HART标准(IEC62591)的无线过程通信协议。

如图2所示，温度敏感元件304设置成邻近热电偶套管200的远端305，并且温度敏感元件306沿着传感器组件302通过具有已知的或相对恒定的导热率的元件308而与温度敏感元件304间隔开。通过在传感器组件302中在通过隔离件308间隔开的不同位置处放置超过一个的温度敏感元件，变送器壳体310中的电子器件311可以使用热流量测量值以推断过程流体100的温度。如图2所示，温度敏感元件304和306在温度容器302中通过隔离件308分离，并且放置在被管道壁温度和过程流体温度显著地影响的位置处。如本文所用，“隔离件”是控制或设置两个元件之间的距离和导热率的任何物理结构或装置。相应地，隔离件可以由固体、诸如氧化镁粉末的粉末或甚至空气间隙形成。温度传感器元件306的任何改变也将影响温度敏感元件304处的温度，反之亦然。规定该关联性，热流量计算可以被简化为图3所示。尽管图2示出延伸进入过程流体导管102中的热电偶套管200，但是应该注意无论什么对于热电偶套管未突出进入过程容器或导管中的实施例可以有效地执行热流量测量。

图3是使用电阻部件建模的热传导的图解视图。具体地，在节点350处示出的过程流体100的热通过如在R_twell352处图解地所示的热电偶套管的热阻抗流动至位于温度敏感元件304处的节点S2。然后，热沿着隔离件元件308流动至节点S1，在节点S1处，温度被温度敏感元件306感测。通过隔离件308的热阻抗被图解地建模为R_snsr354。最后，位于节点S1处的热可以流动到在节点356处指示的管道壁102或从管道壁102流动。从节点S1至管道壁节点356的热阻抗被图解地图示为R_适配器358。给出这些参量，过程流体的温度等于在温度敏感元件304处测量的温度加上在元件304和306处测量的温度之间的差值与R_twell/R_snsr的乘积。

图4是图2和3示出的过程流体温度测量系统的图解视图。具体地，传感器组件302包括由隔离件308分离的温度敏感元件304、306。每个温度敏感元件304、306都可操作地连接到变送器壳体310中的测量电路320。测量电路320通常包括任何适当的电路装置，所述任何适当的电路装置能够接合每个温度敏感元件304和306以测量其温度敏感电特性。测量电路320可以包括一个或多个模数转换器以及适当的开关电路，诸如复用器。另外地，测量电路320还可以包括任何适当的线性和/或放大电路。测量电路320通常向控制器322提供温度敏感元件304、306的电气性质的数字指示。在一个实施例中，控制器322可以是微处理器或微控制器，或任何其它适当的电路，所述任何其它适当的电路能够从测量电路320接收数字指示并且执行关于图3描述的热流量计算。另外地，如图4所示，控制器322连接到通信模块324。

通信模块324允许温度测量系统通过过程通信环路传输过程流体温度输出。如上所述，过程通信环路协议的适当示例包括4-20mA的协议、

FOUNDATION^TM现场总线协议和WirelessHART(IEC62591)。过程流体温度测量系统300还包括电源模块326，电源模块326向系统的所有部件提供电力，如箭头328所示。在过程流体温度测量系统连接到有线过程通信环路的实施例中，有线过程通信环路诸如为

环路或FOUNDATION^TM现场总线过程通信区段，电源模块326可以包括适当的电路以调节从环路接收的电力以操作系统300的各种部件。相应地，在该有线过程通信环路的实施例中，电源模块326可以提供适当的电力调节以允许整个装置由其所连接的环路驱动。在其它的实施例中，当无线过程通信被使用时，电源模块326可以包括电源，诸如电池和适当的调节电路。

图5是根据本发明的实施例的过程流体温度测量系统390的图解视图。如图5所示，热电偶套管400安装至管道壁102并且延伸穿过管道壁102进入过程流体100中。与图1示出的装置相比，热电偶套管400不像热电偶套管104那样延伸进入过程流体导管中那么远。该差异的一部分是通过由轴环402提供的热绝缘实现的。轴环402被构造成接合开口106的内表面。例如，轴环402可以包括接合开口106的内螺纹的外螺纹。轴环402然后包括适当的内部结构，以接合热电偶套管400以将热电偶套管400可靠地和密封地安装到管道壁102。然而，轴环402用与构造热电偶套管400所用的材料相比减少热传导的材料建造。使用围绕热电偶套管400的轴环402允许在减少来自导管102的影响的情况下温度从过程传播到温度传感器。通过在热电偶套管400的杆部和过程导管102之间使用热阻材料，热电偶套管长度可以减少，同时仍然保持必要的测量精度。热阻材料可以是任何适当的有机或无机材料，所述任何适当的有机或无机材料能够经受涉及的过程流体压力，以及提供对于过程流体的适当的化学抵抗。适当材料的示例包括陶瓷以及有机材料，诸如聚四氟乙烯(PTFE)。通过围绕热电偶套管400提供轴环402，热电偶套管400将在减少质量的情况下更快响应，这也将显著地减少伴流频率计算的需要。更进一步地，相信与当前商业上可获得的尺寸相比该“较短的”热电偶套管尺寸将是必须的，该尺寸通常规定低至毫米。另外地，诸如垫圈的热绝缘材料也可以设置在热电偶套管的安装凸缘和管道支架之间。

图6是根据本发明的实施例的过程流体温度测量系统的图解视图。过程流体温度测量系统500承载与(关于图5描述的)系统390相似的许多特征，并且类似的部件被类似地编号。系统500和系统390之间的主要差异是系统500具有包括单个温度敏感元件304的传感器组件。因而，明确预期的是，通过使用诸如轴环402的热绝缘轴环，到达或来自过程流体导管的足够的热流可以被防止，从而(相对于热电偶套管104)较短的热电偶套管可以被使用。

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。例如，尽管关于图2-4描述的热流量测量实施例关于一对温度敏感元件被描述，但是本领域的技术人员将认识到，额外的温度传感器可以被用于传感器组件302中以用于冗余和/或增加的精度。另外地，尽管轴环402被描述为热绝缘轴环，但是该描述仅与热电偶套管400的材料相比。因而，只要轴环402的导热率低于热电偶套管400的导热率，轴环402就可以被认为是热绝缘的。更进一步地，明确预期的是，热电偶套管自身可以被设计为在过程导管侧具有更高热阻抗的不同合金。这样，热套管杆的热端可以是较高导热的，从而将热从过程流体传播至传感器元件。此外，可以使用相对较低的导热率构造热电偶套管的凸缘，凸缘附接至具有更高导热率的热电偶套管杆部，以实现本文中描述的热隔离。

Claims

1.一种过程流体温度测量系统，包括：

热电偶套管，所述热电偶套管被构造成连接到过程流体导管并且延伸穿过过程流体导管的壁；

温度传感器组件，所述温度传感器组件设置在热电偶套管中，所述温度传感器组件包括：

第一温度敏感元件，所述第一温度敏感元件邻近热电偶套管的远端设置在热电偶套管中；

第二温度敏感元件，所述第二温度敏感元件沿着具有已知导热率的隔离件与第一温度敏感元件间隔开；和

变送器电路，所述变送器电路连接到第一温度敏感元件和第二温度敏感元件，并且被构造成执行热流量计算以提供过程流体温度输出，其中：

所述热流量计算基于热电偶套管的远端的导热率以及第一温度敏感元件和第二温度敏感元件之间的隔离件的导热率。

2.根据权利要求1所述的过程流体温度测量系统，其中：

所述热流量计算基于热电偶套管的远端的导热率与隔离件的导热率的比率。

3.根据权利要求2所述的过程流体温度测量系统，其中：

所述热流量计算基于由第一温度敏感元件测量的温度加上第一温度敏感元件和第二温度敏感元件之间的测量值的差值与所述比率的乘积。

4.根据权利要求3所述的过程流体温度测量系统，其中：

所述变送器电路包括被构造成执行所述热流量测量的微处理器。

5.根据权利要求4所述的过程流体温度测量系统，其中：

所述变送器电路包括被构造成向远程装置传输过程流体温度输出的通信电路。

6.根据权利要求1所述的过程流体温度测量系统，其中：

所述第二温度敏感元件设置在热电偶套管中。

7.根据权利要求1所述的过程流体温度测量系统，并且进一步地包括：

被构造成将热电偶套管连接到导管壁的热绝缘轴环。

8.根据权利要求7所述的过程流体温度测量系统，其中：

热绝缘轴环具有被构造成接合热电偶套管的内螺纹和被构造成接合导管壁的外螺纹，并且其中热绝缘轴环具有比热电偶套管的导热率小的导热率。

9.根据权利要求7所述的过程流体温度测量系统，并且进一步地包括：

设置在热电偶套管的安装凸缘和管道支架之间的热绝缘材料。

10.一种检测导管中的过程流体温度的方法，所述方法包括以下步骤：

将热电偶套管连接穿过导管的壁；

使用位于热电偶套管中的邻近热电偶套管的远端的位置处的第一温度敏感元件感测第一温度；

使用位于热电偶套管中的位置处的第二温度敏感元件感测第二温度，所述第二温度敏感元件通过具有已知导热率的隔离件与第一温度敏感元件间隔开；并且

使用第一感测温度和第二感测温度执行热流量计算以提供过程流体温度输出，其中所述热流量计算基于热电偶套管的远端的导热率以及第一温度敏感元件和第二温度敏感元件之间的隔离件的导热率。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

使用过程流体温度变送器的测量电路执行对第一温度和第二温度的感测。

12.根据权利要求10所述的方法，其中：

执行热流量计算由过程流体温度变送器的微处理器执行。

13.根据权利要求10所述的方法，其中：

使用过程流体温度变送器的通信电路根据过程通信协议提供过程流体温度输出。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

通过有线过程通信信道提供过程流体温度输出。

15.根据权利要求13所述的方法，其中：

过程流体温度输出被以无线方式提供。

16.根据权利要求10所述的方法，其中：

第一温度敏感元件感测关于热电偶套管的远端的第一温度。

17.根据权利要求10所述的方法，其中：

将热电偶套管连接穿过导管壁包括将热绝缘轴环连接至导管壁，并且将热电偶套管连接至热绝缘轴环。

18.一种过程流体温度测量系统，包括：

热绝缘轴环，所述热绝缘轴环被构造成安装至导管壁中的开口；

热电偶套管，所述热电偶套管被构造成连接到热绝缘轴环并且延伸穿过壁；

变送器电路，所述变送器电路连接到第一温度敏感元件和第二温度敏感元件，并且被构造成执行热流量计算以提供过程流体温度输出，其中所述热流量计算基于热电偶套管的远端的导热率以及第一温度敏感元件和第二温度敏感元件之间的隔离件的导热率。