CN110243487A - 具有改善的热传导的热通量传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于热通量传感器的传感器封壳包括热端和冷端。传感器封壳包括从热端向冷端延伸的热导体，以及在距离热端的不同距离处连接到热导体的多个温度传感器。

Description

具有改善的热传导的热通量传感器
背景技术
有许多工业应用，其中温度和热流量测量的知识对于控制或监测过程是重要的。热通量传感器是一种已知的仪器，可以测量材料之间的热流量。
发明内容
用于热通量传感器的传感器封壳包括热端和冷端。传感器封壳包括从热端向冷端延伸的热导体，以及在距离热端的不同距离处连接到热导体的多个温度传感器。
附图说明
图1是根据本发明实施例的温度测量组件的示意图。
图2A和2B示出了本发明的实施例的特别有用的管道皮肤测量组件的示意图。
图3A-3C图示了根据本发明的一些实施例的示例性传感器配置。
图4示出了根据本发明实施例的一个示例导线配置。
图5是根据本发明实施例的使用连接到热传导热导体的传感器提供过程流体的温度指示的方法的流程图。
图6是根据本发明实施例的设备电子器件的框图。
图7A-7C图示了根据本发明的一些实施例的示例性传感器配置。
图8示出了根据本发明一些实施例的不同传感器配置的示例温度分布。
具体实施方式
在许多应用中，其中热流量测量可以提供更好的方法来测量过程温度。例如，艾默生自动化解决方案(Emerson Automation Solutions)提供的罗斯蒙特(Rosemount)X-WellTM技术可用于以非侵入或非侵袭方式测量过程温度。该技术使用导管表面温度测量、变送器终端温度测量和热流量计算来推断导管中的内部过程流体温度。热电偶套管通常安装在过程管道中，使其膨胀热电偶套管尖端直径的约10倍。这用于最小化自环境温度的阶梯传导的影响。“短的”热电偶套管的长度小于热电偶套管尖端直径的10倍。然而，在环境温度的波动和过程温度不同的情况下，由于环境和过程温度离散生长，短热电偶套管内的温度传感器易受到通过杆柱温度传导的有效位误差的影响。热通量传感器可以解决这些问题，但元件的放置对于确保足够的性能以及提供热流量的正确理解是重要的。
图1是根据本发明实施例的温度测量组件的示意图。组件100包括连接到过程容器壁110的传感器组件130。连接可以是导管夹120，如图2所示。传感器组件130可以具有延伸到变送器140的一个或多个导线150，变送器140可以本地连接到传感器组件130，或从传感器组件130远程地连接。变送器140可以被配置为执行热通量计算。
变送器140使用来自传感器组件130的传感器信号来运算热流量计算以推断管道中的内部过程温度。但是，这种计算取决于知道从过程到变送器终端的热导率，通常需要将传感器直接地连接到变送器。另外，在一些实施例中，也可以远程测量热流量。
图2A和2B示出了本发明的实施例的特别有用的导管皮肤测量组件的示意图。组件包括通过使用导管夹212连接到传感器220的导管210。传感器220被直接地连接到变送器222。变送器222可以被配置为基于自传感器220接收到的信号来计算热流量。
图2B示出了导管210和传感器封壳260之间的连接的特写视图250。传感器封壳260包括例如被配置成连接到变送器的导线262。图2B说明了为何传感器元件270的放置对于测量准确性而言是重要的。在视图250中示出的传感器封壳260包括位于传感器封壳260内的电阻温度检测器(RTD)元件270，其设置在导管210的表面附近。在组装期间，传感器元件270被放置在热油脂层280内。元件的放置或导管210与元件270之间的距离252，由于制造限制而难以控制。热油脂280辅助从导管210到传感器元件270的热传导。然而，热油脂280不具有最佳导热性，但可以比空气或矿物绝缘粉末更好。如视图250所示，热量通过传感器壳体260和热油脂280的外部护套分布，因此只有一部分热量被传输到元件270。由于导热性差，元件270的放置在生成测量规范时是敏感参数。元件270的变化和放置会影响测量的精度、时间响应和可重复性。
希望开发一种使用单个传感器输入变送器进行测量的热通量传感器。嵌入传感器内的多个测量点可能需要多个变送器或高密度设备，例如可从艾默生自动化解决方案获得的848T现场总线或无线产品。
如下面进一步详细描述的，本发明的一些实施例提供了一种连接到热通量传感器的端盖上的导热棒，其提供改进的方式来引导从传感器封壳的热端朝向冷端的热流动。这种配置可以帮助在热元件和冷元件之间产生温度梯度。这减少元件之间的间距灵敏度，并且改善热端和冷端两者上的响应时间。这允许改善的传感器测量的重复性和准确性。
热导体提供了被连接的温度传感器元件之间的良好关联。如果热导体的任何部分受到外部影响(例如环境温度)的冲击，则所有元件都测量一部分效应。在下面讨论的一个实施例中，三个温度敏感元件可以放置在导热元件上，允许二阶校正因子，如果热通量传感器被水平地安装而没有绝缘，则这可以是优选地有帮助的。所有三个元件都可以使用单个或两个温度变送器进行测量。在这种情况下，传感器组件可能会遇到非线性热损失。热导体由具有相对高导热率的材料形成，例如金属(例如铜，铝，铁等)或合适的聚合物。热导体可以具有任何合适的横截面(包括圆形)并且可以沿其长度变化。在一个实施例中，热导体是棒。
图3A-3C图示了根据本发明的一些实施例的示例性传感器配置。图3A-3C示出了传感器封壳的中心的热传导的热导体的三种变体。但是，尽管仅详细讨论了三种变体，但也可以设想其他合适的配置。在所示的示例中，热导体由铜形成，铜表现出非常好的导热性，该导热性允许温度在热端和冷端之间平衡得比标准传感器封壳要快得多，标准传感器封壳将需要诸如矿物绝缘粉末的绝缘体。铜也是T型热电偶中使用的材料，作为T型热电偶的负极导线。将T型热电偶的正极导线连接至铜的热导体上将允许高阻抗测量输入设备，例如任何合适的变送器，例如可从艾默生自动化解决方案获得的644或3144变送器，来使用六线导线配置测量所有三个热电偶。在另一个例子中，变送器，例如从艾默生自动化解决方案可获得的248变送器，可以使用四线导线配置测量热电偶。
图3A示出了根据一个实施例的交错式热电偶配置，具有连接到在不同位置处定位于传感器封壳内的铜的热导体上的三根热电偶线。在一个实施例中，铜的热导体在传感器封壳300内居中。然而，也可以设想其他内部位置和几何形状。传感器封壳300包括与冷端302隔开的热端304，热导体310在其间延伸。冷端302包括一些灌封件化合物320。灌封件包括例如被配置为抵抗震动、振动和/或排除水分或腐蚀剂的任何合适的固体或凝胶状化合物。在热导体的材料匹配用于温度敏感元件(例如复制线路和T型热电偶)的类型的热电偶的实施例中，热导体310也可以用作负极导线。线缆322延伸穿过灌封件320并且以各种长度连接到热导体310，以沿着热导体310形成多个热电偶，以便允许计算二阶校正因子。
图3B示出根据一个实施例的使用具有RTD补偿的交错式热电偶的实施例。RTD传感器312被放置在热端334附近，并被直接地连接到热导体340以进行热传导。由于RTD元件312是比热电偶更稳定和更精确的温度传感器，因此它可以提供改进的精度。热电偶354可用于热流量的梯度评估。可以在每个热电偶点处或者不同地在热电偶354之间评估来自热电偶354的测量以确定温度梯度。如图3B所示，可以包括额外的线缆，例如图3中所示的三根线缆，具有与RTD元件312相关联的三根线缆RTD配置和延伸热导体340的线缆。
图3C说明使用交错式RTD配置的实施例。交错式RTD配置示出了连接到热导体370的三个RTD元件372。RTD元件372对于准确性和热流量评估都是有用的。使用传感器封壳360，测量方法可以使用双传感器产品以利用六根线缆382的导线配置来测量所有三个元件。通过共享导线，可以使用四根线缆技术来测量每个RTD 372。其他线缆变体也是可以预期的。另外，如图3C所示，附加的线缆386可以可选地提供从热导体370到环境温度测量源的热连接。
图4示出了根据本发明实施例的示例导线配置。如图4所示，导线配置400包括以六根线缆配置连接的三个RTD元件410，420和430，分别地，示出为线缆442-454。通过在线缆444和446之间产生激励电流，并且测量线缆442和448之间的电压降，可以从RTD 410获得测量。通过在线缆446和448之间产生激励电流，并且测量线缆444和452之间的相应电压，可以从RTD420获得测量。通过在线缆448和452之间产生激励电流，并且测量线缆446和454之间的相应电压降，可以从RTD 430获得测量。
图5是使用连接到根据本发明实施例的热传导热导体的传感器提供过程流体的温度指示的方法的流程图。方法500可以利用于例如图3A-3C中所示的任何实施例，以及其他适当配置的热通量或热传导传感器。
在方框510中，传感器信号被接收。例如，可以从连接到诸如在图3A中显示的导热棒的交错式热电偶接收传感器信号，如方框512所示。如在方框514中指示，也可以从RTD补偿热电偶接收传感器信号。另外，传感器信号可以从单个传感器封壳内的多个RTD元件接收，如方框516中指示。也可以设想其他合适配置，如方框518中指示。
在方框520中，计算热传导、热通量或与热传导相关的其他量，例如传感器读数的比率。可以使用变送器来计算热通量，例如本地或远程连接到热传导传感器的变送器140，如分别由方框522和524所示。另外，也可以使用其他已知的计算技术来计算热传导，如方框526所示。
例如，可以使用下面的等式1来计算热通量：
Q/A＝KΔT/L
其中Q/A是热通量(每单位面积的热传导)，K是仪表材料的热导率，ΔT是两个热电偶之间测得的温度变化，L是热电偶之间的长度。
在方框530中，计算出的热传导被校正。如方框532所示，在一些过程配置中，线性校正是可用的。然而，如本文所讨论的，特别是在不建议绝缘的情况下，利用第二级校正，如方框534所示。但是，其他校正因子，如方框536所示，也是可预见的。例如，变送器可以接收关于当前环境温度的信息并相应地进行修正。在方框540中，基于所计算的热传导来估算过程流体温度。在一些实施例中，还计算被校正的热传导或热通量值(每单位面积的热传导)。
在一些实施例中，计算热传导，如方框520所示，并校正热传导，如方框530所示，包括多个传感器的单个比率校正步骤，这是在没有直接测量热传导的情况下完成的。
在方框550中，提供了过程流体温度的指示。例如，指示可以包括过程的状态，诸如“过热”或“在可接受的范围内”。此外，还可以提供数字温度指示，例如华氏度、摄氏度或开尔文。如在方框552中所示，还可以以可听或可视警报的形式提供指示，例如用于高于或低于期望范围的温度的闪光灯或可听输出。该指示还可以被提供给分开的计算设备，该计算设备可以靠近温度传感器或远离温度传感器。如方框558所示，提供指示还可以包括沿着过程液流显示邻近测量点的温度，例如连接到传感器的屏幕或视听警报机构，或者通过另一个机制显示温度。
如方框556所示，提供指示还可以包括存储测量的温度。存储检测到的过程温度或传感器信号中的一些或全部可以允许产生附加分析，例如过程液流内随时间的趋势。存储所提供的指示可以包括本地存储，例如在微伏计量器的存储器内，或远程存储，例如将检测到的温度发送到远程存储介质。
图6是根据本发明实施例的设备电子器件的框图。电子器件600可以容纳在电子器件外壳614内。电子器件外壳614可以与变送器相关联，例如图1的变送器140。另外，电子器件600中的至少一些可以形成传感器组件的一部分，诸如本文所述的传感器。在一个实施例中，电子设备600包括处理器650，一个或多个模拟-数字(AD)转换器654和存储器656。处理器650可以是数字微处理器。存储器656可以包括电子地连接到处理器650的数字数据存储设备。电子设备600可以通过本地操作员接口666被本地访问，本地操作员接口666例如可以显示温度或设备状态。
通过在A/D转换器654和一个或多个传感器导线642之间的连接，处理器650被连接到温度传感器，例如本文讨论的传感器。在存在多个RTD传感器的实施例中，可能需要多个A/D转换器，使得它们可以将来自感测装置的模拟电信号转换为用于处理器650的数字信号。
在一个实施例中，电子设备外壳614还可以包括通信接口658。通信接口658提供电子设备600与控制或监控系统662之间的通信。电子设备600可以将过程中的过程流体的计算温度传输到控制系统662。温度测量组件600和控制系统662之间的通信可以通过任何合适的无线或硬连线连接。例如，通信可以用范围从4-20mA的双线缆回路中的模拟电流表示。代替地，通信可以使用数字协议在双线缆回路上，或使用数字协议(如FOUNDATIONTM现场总线)在通信总线上，以数字形式传输。
通信接口658可以可选地包括无线通信线路664，用于通过使用诸如无线HART(IEC62591)之类的无线协议的无线传输进行通信。此外，与控制器监视系统662的通信可以是直接的或者通过任何数量的中间设备的网络，例如无线网状网络(图6中未示出)。通信接口658可以帮助管理和控制去往和来自温度测量组件600的通信。例如，控制或测量系统662可以提供温度测量组件600的配置，包括输入或选择基础结构参数、过程容器壁参数或借助于通信接口658选择用于特定应用的热传导模块。
尽管上面关于图3A-3C讨论的热传导传感器表示相对于现有传感器的改进，元件放置仍然可能存在问题。导热棒(例如棒310)在热端(例如端盖304)和冷端(例如冷端302)之间延伸。这种定位允许通过组件的改进的热流量，允许在固定的预定位置处测量元件。由于棒连接到两端，并且具有均匀的导热性，理想情况下，其应该呈现关于温度相对于远离热端的距离的变化的线性温度分布。这应该允许在棒的整个长度上具有基本均匀的灵敏度(例如以℃/mm为单位)。例如，放置在传感器中点的元件应该是高温和低温的平均值。因此，如果热端温度为300℃和冷端温度为20℃，且传感器长度为140mm，则灵敏度大约为2℃/mm。然而，在某些情况下，由于一些制造过程限制在连接元件接合时允许±1mm的容差，所以灵敏度是显着的。
图7A-7C图示了根据本发明的一些实施例的示例性传感器配置。图7A-7C的传感器配置可以提供增加的灵敏度。
图7A示出呈导热棒710形式的短热导体，导热棒710具有连接到其上的两个RTD元件712，717，导热棒710连接到端帽704上。虽然棒710被示出为放置在传感器封壳700的中心，但是在至少一些实施例中，棒可以从中心分开，同时仍然保持测量完整性。尽管示出了两个RTD元件712，717，但是可以添加附加元件以增加线性化。RTD元件712，717提供允许测量有助于提供精确的过程流体温度估算输出的温差的信号。在一个实施例中，矿物绝缘粉末填充传感器封壳700，线缆722延伸穿过传感器封壳700。线缆722作为将棒710附接至冷端702的第二材料，并将阻碍热流量以沿着棒710提供更受控、灵敏和线性的温度分布。
冷端702包括一些灌封件化合物720。灌封件包括例如配置成抵抗震动、振动和/或排除湿气或腐蚀剂的任何合适的固体或凝胶状化合物。
图7B示出了使用热电偶代替RTD元件的实施例。热电偶接头754，756在与热端734不同的距离处连接到传导棒740。传感器封壳730包括在冷端732处的灌封件750，并且可以包括矿物绝缘的粉末，线缆752通过该矿物绝缘的粉末延伸。
图7C示出使用连接到第一传导棒772的附加传导棒770的另一个实施例。第二传导棒770在第一侧连接到第一传导棒772，并且延伸到冷端762内的灌封件780。如图7C所示，线缆782延伸穿过传感器封壳760并且连接到在第一导电棒772上的热电偶774，776。
图8示出了根据本发明一些实施例的不同传感器配置的示例温度分布。如图所示，图表800呈现沿着离传感器尖端802的距离的理想的温度分布804。图表800示出了使用单个材料棒820的传感器的温度分布，例如上面关于图3A-3C所述的那些，与使用多于一种材料进行热传导的多种材料棒810相反。在图8的例子中，使用从热端延伸的30mm长的铜棒制成多种材料棒，该铜棒连接到延伸到冷端的铁棒。这允许在棒的铜的部分中的温度梯度最小化。然而，虽然铜和铁被作为示例材料进行讨论，但是应该理解的是具有合适的导热性能的其他材料。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (27)

1.一种用于热流量传感器的传感器封壳，所述传感器封壳包括：
热流量传感器的热端；
热流量传感器的冷端；
从热端向冷端延伸的热导体；和
多个温度传感器，所述多个温度传感器在距离所述热端的不同距离处连接至所述热导体。
2.根据权利要求1所述的传感器封壳，其中所述冷端包括灌封件。
3.根据权利要求1所述的传感器封壳，其中，所述热导体由金属形成。
4.根据权利要求3所述的传感器封壳，其中所述热导体由铜形成。
5.根据权利要求3所述的传感器封壳，其中，所述热导体由铝形成。
6.根据权利要求3所述的传感器封壳，其中所述热导体由铁形成。
7.根据权利要求1所述的传感器封壳，其中所述温度传感器是热电偶。
8.根据权利要求1所述的传感器封壳，其中，所述温度传感器是T型热电偶。
9.根据权利要求1所述的传感器封壳，还包括设置在所述热端附近的RTD元件。
10.根据权利要求9所述的传感器封壳，其中所述RTD元件直接连接到所述热导体。
11.根据权利要求10所述的传感器封壳，其中多个RTD元件连接到所述热导体，并且其中所述多个RTD元件中的每一个被连接在距离所述冷端一定距离处，其中所述距离不同于所述多个RTD元件中的另一个的距离。
12.根据权利要求1所述的传感器封壳，其中，所述热导体包括沿着所述热导体的长度间隔开的至少两个热电偶接头。
13.根据权利要求1所述的传感器封壳，其中所述热导体热连接到源，其中所述源包括环境温度。
14.根据权利要求1所述的传感器封壳，其中，所述热导体沿着所述热端和所述冷端之间的距离延伸。
15.一种测量过程流体的温度的方法，包括：
从热传导传感器接收传感器信号，其中所述热传导传感器包括从所述热传导传感器的热端朝向所述热传导传感器的冷端延伸的热导体，并且其中所述传感器信号包括沿着局中的热导体获取的一组测量值；
使用处理过程部件基于所接收的传感器信号来计算热传导；和
基于所计算的热传导来估算过程流体的温度。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在无线通信线路上提供所估算的过程流体的温度的指示。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述指示包括警报。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将所估算的过程流体的温度测量值存储在存储器组件中。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述热传导传感器包括交错式热电偶传感器，以便在沿着所述热导体的长度的点处获取所述一组测量值中的每个测量值。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述热传导传感器包括RTD元件。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述RTD元件被直接地连接到居中的热导体。
22.根据权利要求15所述的方法，其中计算经校正的热传导包括应用多阶修正。
23.根据权利要求15所述的方法，其中，所述热导体在所述热传导传感器的所述热端和所述冷端之间延伸。
24.一种用于过程流体的温度测量组件，所述温度测量组件包括：
变送器；
温度传感器，所述温度传感器连接到所述变送器并且还被配置成连接到包含所述过程流体的导管，所述温度传感器包括：
温度传感器的热端；
温度传感器的冷端；
从热端向冷端延伸的热导体；和
一系列导线，该系列导线连接到所述变送器，并且被配置为每条导线都穿过所述冷端并且连接到所述热导体上的热电偶接头；和
其中温度传感器和导管之间的连接使得热端直接连接到导管。
25.根据权利要求24所述的温度测量组件，还包括：
配置成将温度传感器连接至导管的管夹。
26.根据权利要求24所述的温度测量组件，其中所述热导体从所述热端延伸到所述冷端。
27.一种温度传感器，用于感测管道的外部温度并提供管道内的过程流体的温度的估算值，所述温度传感器包括：
传感器封壳，所述传感器封壳包括：
热端，所述热端被配置成连接到管道；
与热端隔开的冷端；
从热端向冷端延伸的热导体；
多个温度传感器，所述多个温度传感器在距离所述热端不同距离处连接到热导体；和
线路，所述线路连接到多个温度传感器并且被配置为应用热传导计算来生成管道内的过程流体的温度的估算值。
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