CN108387324A - 管道内介质温度测量变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种管道内介质温度测量变送器，包括两侧接嘴通过螺纹密封与管路连接的防水三通接头(1)、制有密闭金属屏蔽体的温度信号转换器(3)和多芯防水插座(4)，其中，带有保护套的感温探头(2)穿过防水三通接头(1)的垂直接头伸入两侧接嘴中空迎流管体中，感温探头(2)的线缆通过垂直接头中空杆连接温度信号转换器(3)对应电路的端子上；当感温探头(2)感受到被测量液体的温度时，利用内部的温度敏感元件(5)将温度信号转换成电阻信号，再通过信号转换电路(6)将电阻信号转换成电流信号，电流信号通过多芯防水插座(4)进行输出，供外部采集设备采集。本发明响应快、耐压能力高、耐海洋环境能力强、具有良好的电磁兼容性、流阻小且便于安装。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要测量密封管道中液体及蒸汽温度的传感器。
背景技术
在科研生产和社会生活中,经常会遇到流体温度测量的问题。由于流体的热物理性质,流动参数以及环境条件千差万别,需要根据测量的要求选择合适类型的温度传感器和测量方法。要想测量流体的真实温度,就需要使传感器感温元件处的温度与流体温度相等，但由于导热热流和辐射热流的存在,使得热平衡时必然存在着流体对传感器的对流热流,即流体和传感器感温元件间必定存在温差,从而带来测量误差。由导热热流和辐射热流导致的测温误差分别称为导热误差和辐射误差。由于介质的流动性具有“牵一发而动全身”的特点，所输介质的改变、局部管道输送条件的变化、运行参数的调整、泵站设备故障、介质泄漏等都会引起管道中流体介质的水力状态发生变化，尤其在突然启停泵、快速开关阀门时，管道中介质各个截面上的流速与压力将会发生急剧变化，管道运行的稳定状态遭到破坏。在生产上把这种管道压力突然发生瞬变，可能危及管道及设备安全的不稳定状态称之为水击。水击会引起管道中的介质密度、管道压力及管道截面积同步发生周期性的起伏变化，这种周期性的变化容易造成管道振动，并可能带来严重后果。
在复杂管道系统中，常规的液体温度传感器测量管路内流动液体的温度会受结构、空间和环境因素的限制。对于高压管路上某些位置，需要安装测量管路内部液体温度的传感器，通常要求温度感器能承受高压，能适应海洋环境，且具有良好的电磁兼容性，常规的温度传感器不能满足要求。为了测量复杂管道系统中的液态温度，现有技术通常采用分布式光纤温度传感器连续测量沿管道的温度分布，基于软件的方法，根据计算机采集系统实时采集管道的流量、压力、温度及其它数据，利用流量或压力的变化、物料或动量平衡、系统动态模型、压力梯度等原理，通过软件计算对泄漏进行检测和定位。利用管道的温度变化超过一定范围来判断物质泄漏引起周围环境温度的变化发生的泄漏。这类方法主要是对实时采集的温度、流量、压力信号进行实时分析和处理，以此来检测泄漏并定位。而且需要在管道两端安装压力传感器，通过上下游压力传感器捕捉到特定的瞬时压力降的波形进行泄漏判断，根据上下游压力传感器接收到的压力信号的时间差和负压波的传播速度定出泄漏点。而且还需要检测管道多点位的输入和输出流量或检测管道两端泵站的流量，并将信号汇总构成质量流量平衡图像，根据图像的变化特征可确定泄漏的程度和大致的位置。测量过程复杂，工作量大，使用不方便。
管道式温度传感器/变送器按应用管道种类可分为风管式和水管式两种。外壳采用PC材料制成，具有不锈钢探针，并内置A级标准铂电阻或NTC热敏电阻作为温度传感元件，有多种探针长度可供选择。具有体积小、重量轻、精度高、响应速度快、长期稳定性好等特点。变送器内部通常配有专用IC处理芯片及温度补偿运算放大电路，将被测的温度转换成与之对应的标准信号，是专业应用于HVAC管道系统内单点温度测量设备。水管温度传感器/变送器可用于测量空调水系统及制冷剂等介质温度。有多种探针长度及外壳组合可供选择。在管道工况复杂时，基于上述水管温度传感器/变送器检测技术很难得到令人满意的检测效果。
根据检测过程中检测装置所处位置不同可分为内部检测法和外部检测法。内部检测法是指将检测装置置于管道内部或行走或固定，通过测量管道的内部状况进行检测。外部检测法是指在管道外通过铺设敏感介质或安装传感器等各种方法所进行的检测。基于信号处理的方式分类，检测方法的技术难点在于数据处理方面。根据对信号处理的方式不同，将其分为三类：基于残差分析的方法、基于信号分析的方法及基于人工智能的方法。基于残差分析的方法该方法的基本思想是将含有一定泄漏信息的测量值与无泄漏状态下反应实际操作的参考值进行对比两者的残差即为分析泄漏存在与否的依据。由于该类方法大都需要简历管线的数学模型。根据对残差分析方法的不同，又可分为相关分析法、频率响应法和状态估计法。相关分析法相关技术的实质是在时延域中考察两个信号的相似性，包括自相关和互相关两个内容。这类方法主要针对管道液态是否发生泄漏及泄漏的位置进行判断，不能获得管道液态温度的实际值。
本发明是根据特定的要求，对现有技术温度传感器进行的进一步发展和改进，提供一种可供选择的管道液体测量温度传感器。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种测温速度快、定位准确、成本费用低，耐高压、耐海洋环境、具有良好电磁兼容性且便于安装，用于管道液体温度测量的传感器。
本发明的目的可以通过以下措施来达到。一种管道内介质温度测量变送器，包括：两侧接嘴通过螺纹密封与管路连接的防水三通接头、制有密闭金属屏蔽体的温度信号转换器和多芯防水插座，其特征在于：带有防护套的感温探头穿过防水三通接头的垂直接头伸入两侧接嘴中空迎流管体中，感温探头的线缆通过垂直接头中空杆连接温度信号转换器对应电路的端子上；当感温探头感受到被测量液体的温度时，内置的温度敏感元件将温度信号转换成电阻信号，信号转换电路将电阻信号转换成电流信号，电流信号通过多芯防水插头进行输出，供外部采集系统采集。
环境能力。信号转换电路增加电磁兼容设计、增加滤波处理，使其具有良好的电磁兼容性。
本发明相比于现有技术具有如下效果。
测温速度快。本发明将纺锤状感温探头插入在防水三通接头内部，直接接触液体，管道内无可动部件，流阻小，不妨碍管道内流体的流动状况，测量中几乎没有附加压力损失；传感器感温探头结构简单，体积小，能与被测液体迅速达到温度平衡，提高了响应速度；感温探头与介质接触部分为不锈钢材料，使用寿命长；安装简便，易于维护。采用的测量电桥,结构简单,灵敏度高,测量范围宽,线形度好,容易实现温度补偿，能很好地满足应变测量的要求。
本发明三通结构的防水三通接头连接管路，定位准确、成本费用低，防水三通接头通过三个耳状安装孔固定，两侧接嘴是一根横贯管道直径的金属中空杆体，通过螺纹与管路相连，安装方便快捷。不锈钢材料防水三通接头及感温探头，可耐受高压。选用耐腐蚀的材料且进行密封设计，具有较强的耐海洋环境能力。
本发明温度信号转换器内部电路进行了电磁兼容设计，采用制有密闭金属屏蔽体的温度信号转换器，盒体内腔粘贴有用于吸收外界发射来的电磁波的导电材料，使其具有良好的电磁兼容性。
测量精度高，测量范围大。本发明采用安装在防水三通接头内部感温探头感受到被测量液体的温度，将温度信号转换成电阻信号，再经过温度信号转换器转换成电流信号，通过多芯防水插头进行输出，无可动部件，不受温度、压力、密度和电导率变化的影响；测量精度高，测量范围大，感温探头测量范围能达到-70℃～300℃。不需要管线的数学模型，对输入信号的要求较低，算量也不大，可以进行在线实时检测，也不需要复杂的数学模型，可连续进行检测，并且具有记忆功能、适应性强、误报率低、检测精度高、灵敏、能检测出微小温度，采用该技术对其进行嵌入所需投入较小。能较为准确的预报管道液体温度的运行状况，适用于恶劣环境中对管道进行连续在线检测，它还可根据环境的变化及误报警，自动纠正更新网络参数，抗噪声干扰能力强检测精度高，可以在几秒钟内检出管道液体温度，及时检测出温度状态，具有极快的响应速度，减少损失赢得宝贵时间。相比于时域分析，具有节约时间，提高检测速度的优点。
本发明适用于串联管道、并联管道、分支管道等不同类型规格的管道系统，可用于多种管道直径，给选型及使用带来很多方便。
附图说明
图1是本发明管道内介质温度测量变送器构造示意图。
图2是图1的主视图。
图3是感温结构的剖视图。
图4是温度信号转换器的剖面图。
图5是温度信号转换器电路原理示意图。
图6是图5的信号转换的原理图。
图7是图5的滤波电路原理示意图。
图中：1.防水三通接头，2.感温探头，3.温度信号转换器，4.多芯防水插座，5.感温元件，6.信号转换电路，7.引线孔，8.安装孔，9.密封垫片，10.密封垫片，11.盖板，12.温度信号转换器外壳。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
具体实施方式
参阅图1-图4。在以下描述的实施例中，管道内介质温度测量变送器主要由防水三通接头1、感温探头2、信号转化组合3和多芯防水插座4组成。其中，感温探头2为纺锤体形状，旨在减少感温探头的流阻。感温探头2装配在防水三通接头1垂直接头中空管体中，当液体流经管道时，感温探头可直接与管道中的液体接触，感受到液体温度，提高响应能力。温度信号转换器盒体外壳12内腔四壁粘贴有导电材料等电磁兼容设计措施。
防水三通接头1与管路连接螺纹可根据管路的实际需求确定长度和直径。防水三通接头1密封面一般设计成标准的74°密封锥面。为了提高本发明的耐压及耐海洋环境能力，防水三通接头1的材料可选用不锈钢或其他性能更优的材料。为了降低感温探头2的流阻，将感温探头一般选用不锈钢设计成纺锤状，厚度可根据实际耐压需求计算得出。
温度信号转换器3内置用螺钉固定的信号转换电路6，通过信号转换电路将感温探头引出的电阻信号转换成电流信号。温度信号转换器盒体外壳12立方体侧面制有三个耳状安装孔，用于固定本发明。温度信号转换器盒体外壳12的材料可选用不锈钢或铝合金，若选用铝合金，外表面需喷涂防护漆。
感温探头2内置图3所示的感温元件5，感温探头2内置采用四线制引出其电阻信号的感温元件5，感温元件5的引出线从引线孔7引出，再与信号转换电路相连。感温元件5的精度根据实际需求进行选择。感温元件5根据选用材料及感温元件，感温结构的测温范围一般可达到-70℃～300℃。感温元件5用导热硅橡胶或其他灌封材料将其封装在感温探头2内部。为保证本发明的强度及密封性能，感温探头2采用焊接固定在防水三通接头1腔体内部。
防水三通接头1通过安装孔8固定在温度信号转换器3上，中间放置密封垫片，温度信号转换器密闭的金属屏蔽体，使其具有良好的电磁兼容性。为保证密封性，温度信号转换器盒体外壳12与盖板11之间放置有密封垫片9，多芯防水插头4与温度信号转换器盒体外壳12之间放置有密封垫片10。针对电磁防护中的辐射防护，温度信号转换器盒体外壳12内腔粘贴用于吸收外界发射来的电磁波的导电材料。
参阅图5。温度信号转换器包括：连接外部DC 28V电源的EMI滤波器及电源瞬态抑制电路，顺次串联的滤波电路DC/DC转换模块、二次滤波电路、精密10V参考电源。DC/DC转换模块选用15V～50V宽工作电压范围的低电压工作，15V电源和给电桥提供精密10V参考电源和由运算放大器和三极管组成的功率放大电路。EMI滤波器通过电源瞬态抑制电路以及采用电容贮能，对输入、输出电源进行滤波，通过电源组合PSU将DC 28V变成+15V、-15V电源和精密10V电源。温度信号转换器输入电源为内部电路使用+15V。
参阅图6。温度信号转换器包括电桥电路和仪表放大器，其中，温度信号转换器的电桥电路由并联在电源正端的桥臂电阻器R1、R2，并联在电源负端的桥臂电阻器R3和感温铂电阻Rt构成的双臂电桥回路组成，感温铂电阻Rt根据外界温度的变化而变化。桥臂电阻器R1、R2、R3可以是3个精密线绕电阻器，由于转换精度受3个精密线绕电阻器的精度影响，因此桥臂电阻器R1、R2、R4这3个电阻器的精度选择为0.01％。温度信号转换器接收感温探头2感受外界温度，温度变化引起电阻值的变化，通过电阻值的变化改变输出电压的变化。电路设计了传感器接线端子，测量仪表与传感器之间的距离即使很长，也能减小电缆直流电阻引起的误差。仪表放大器可以是精密仪表放大器，仪表放大器包括相连仪表放大电路，构成仪表放大器放大倍数的并联电阻R4、R5，调节仪表放大电路中放大器的零位输出电压的电阻RP1，调节放大器的满程输出电压的电阻RP2。
参阅图7。与仪表放大电路相连的滤波电路，包含并联在电源VCC与接地端GND之间的电容器C1、瞬态抑制二极管V2和串联在电容器C1与瞬态抑制二极管V2并联电路输出端上的二极管V1、保护电阻R。该滤波电路的特点是采用多种滤波器件，可以吸收外部高频到低频的各种干扰信号，尤其对于电源线传导的各种干扰信号均可以充分吸收，滤波效果好。
Claims (10)
1.一种管道内介质温度测量变送器，包括：两侧接嘴通过螺纹密封与管路连接的防水三通接头(1)、制有密闭金属屏蔽体的温度信号转换器(3)和多芯防水插座(4)，其特征在于：带有防护套的感温探头(2)穿过防水三通接头(1)的垂直接头伸入两侧接嘴中空迎流管体中，感温探头(2)的线缆通过垂直接头中空杆连接温度信号转换器(3)对应电路的端子上；当感温探头(2)感受到被测量液体的温度时，利用感温探头(2)内置的温度敏感元件(5)将温度信号转换成电阻信号，再通过信号转换电路(6)将电阻信号转换成电流信号，电流信号通过多芯防水插座(4)进行输出，供外部采集设备采集。
2.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，感温探头(2)为纺锤体形状，旨在减少感温探头的流阻，内置采用四线制引出其电阻信号的感温元件(5)，感温元件(5)的引出线从引线孔(7)引出，再与信号转换电路相连。
3.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，温度信号转换器包括：连接外部DC 28V电源的EMI滤波器及电源瞬态抑制电路，顺次串联的滤波电路DC/DC转换模块、二次滤波电路、精密10V参考电源。
4.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，DC/DC转换模块选用15V～50V宽工作电压范围的低电压工作，15V电源和给电桥提供精密10V参考电源和由运算放大器和三极管组成的功率放大电路。
5.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，EMI滤波器通过电源瞬态抑制电路以及采用电容贮能，对输入、输出电源进行滤波，通过电源组合PSU将DC28V变成+15V、-15V电源和精密10V电源。
6.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，温度信号转换器包括电桥电路和仪表放大器，其中，温度信号转换器的电桥电路由并联在电源正端的桥臂电阻器R1、R2，并联在电源负端的桥臂电阻器R3和感温铂电阻Rt构成的双臂电桥回路组成，感温铂电阻Rt根据外界温度的变化而变化。
7.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，温度信号转换器接收感温探头(2)感受外界温度，外界温度变化引起电阻值的变化，通过电阻值的变化改变输出电压的变化。
8.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，与仪表放大电路相连的滤波电路，包含并联在电源VCC与接地端GND之间的电容器C1、瞬态抑制二极管V2和串联在电容器C1与瞬态抑制二极管V2并联电路输出端上的二极管V1、保护电阻R。
9.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，温度信号转换器(3)内置用螺钉固定的信号转换电路(6)，通过信号转换电路将感温探头引出的电阻信号转换成电流信号。
10.根据权利要求1所述的管道内介质温度测量变送器，其特征在于，桥臂电阻器R1、R2、R3是3个精密线绕电阻器，桥臂电阻器R1、R2、R4这3个电阻器的精度选择为0.01％。
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