CN110940428A - 用于非侵入式过程流体温度指示的低接触夹具 - Google Patents

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Abstract

一种过程流体温度估测系统，包括传感器封壳，在传感器封壳中设置有温度敏感元件，温度敏感元件被配置成感测过程管道的外表面。过程流体温度估测系统包括测量电路，测量电路联接到传感器封壳并且被配置成检测至少一个温度敏感元件随温度变化的特性并提供传感器封壳温度信息；和联接到测量电路的控制器，控制器配置成获得参考温度并利用参考温度和传感器封壳温度信息采用热传递计算来生成估测的过程温度输出。过程流体温度估测系统包括安装组件，安装组件构造成将过程流体温度估测系统安装到过程管道的外表面，其中安装组件的一部分从过程管道的外表面偏移。

Description

用于非侵入式过程流体温度指示的低接触夹具
背景技术
许多工业过程通过管道或其它导管输送过程流体。这种过程流体可包括液体、气体，有时还包括夹带的固体。这些过程流体流可以在任意各种行业中找到，包括但不限于卫生食品和饮料生产、水处理、高纯度药物制造、化学处理、烃燃料工业(包括烃提取和处理)，以及采用磨蚀性和腐蚀性浆液的水力压裂技术。
通常将温度传感器放置在热电偶套管内，然后将热电偶套管通过导管中的孔插入到过程流体流中。然而，这种方法可能并不总是实用的，因为过程流体可能具有非常高的温度、非常强的腐蚀性或两者兼而有之。另外，热电偶套管通常需要在导管中具有螺纹端口或其它坚固的机械安装/密封，因此必须在限定的位置设计到过程流体流系统中。因此，热电偶套管虽然可用于提供准确的过程流体温度，但具有许多限制。
最近，通过测量过程流体导管(例如管道)的外部温度并采用热流计算来估测过程流体温度。这种外部方法被认为是非侵入式的，因为它不需要在导管中限定任何孔或端口。因此，这种非侵入式方法可以部署在沿导管的几乎任何位置。然而，在某些情况下，导管的外表面温度可能超出温度传感器的正常操作范围。因此，需要扩展可以应用非侵入式过程流体温度估测技术的应用的数量。
发明内容
一种过程流体温度估测系统，包括传感器封壳，在所述传感器封壳中设置有温度敏感元件，所述温度敏感元件被配置成感测过程管道的外表面。所述过程流体温度估测系统包括测量电路，所述测量电路联接到所述传感器封壳并且被配置成检测所述至少一个温度敏感元件随温度变化的特性并提供传感器封壳温度信息；和联接到所述测量电路的控制器，所述控制器配置成获得参考温度并利用所述参考温度和所述传感器封壳温度信息采用热传递计算来生成估测的过程温度输出。所述过程流体温度估测系统包括安装组件，所述安装组件构造成将所述过程流体温度估测系统安装到所述过程管道的外表面，其中所述安装组件的一部分从所述过程管道的外表面偏移。
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中提到的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
图1A是热流测量系统的示意图，本发明的实施例尤其适用于该热流测量系统。
图1B是传感器封壳的示意性剖视图，本发明的实施例尤其适用于该传感器封壳。
图2是热流测量系统内的电路的框图。
图3是高温热流测量系统的示意图。
图4是根据本发明另一实施例的高温热流测量系统的示意图。
图5是夹具系统的一个示例的透视图。
图6是热流测量系统的一个示例的操作方法。
具体实施方式
如上所述，已经通过测量过程流体导管(例如管道)的外部温度并采用热流计算来估测过程流体温度。这种系统通常在热流计算中使用管道表皮(外表面)温度Tskin和参考温度(例如变送器端子温度)及热阻抗值来推断或以其它方式估测导管内的过程流体温度。该特征通常要求已知从过程流体到变送器端子的热导率，因此要求传感器通常连接到过程流体温度变送器。
在理想情况下，管道表皮温度通过夹到管道上的温度敏感元件测量，该温度敏感元件尽可能靠近外部管道表面。这种紧密联接通过减少由温度敏感元件和过程流体之间的最小热阻抗引起的时间常数，允许提高对过程流体温度变化的灵敏度。
然而，当前用于保持温度敏感元件和管道的外表面之间的紧密连接的夹具也可能导致一些测量不准确。例如，与管道具有大表面接触的夹具可能充当散热器，其影响温度敏感元件的准确性。例如，来自过程的散失热通过夹具进入变送器，这可以影响感测的表皮温度或感测的参考温度。因此，可以使用具有最小表面接触的夹具来最小化热散失对测量准确性的影响。
另外，当前使用的夹具没有针对温度敏感元件与过程管道的隔热进行优化。将温度敏感元件与外部管道表面隔热以使外部热因素对感测的影响最小化可能是有益的。因此，可以使用相对过程管道具有一些间隙的夹具来适应隔热并提高测量准确性。
本文描述的实施例通常利用减小夹具和过程管道之间的表面接触以及使夹具与过程管道远离的优点。
图1A是示出热流测量系统的一个示例的示意图。如图所示，系统200通常包括管道夹具202，管道夹具202构造成夹持在导管或管道100周围。管道夹具202可具有一个或更多个夹持耳部204，以便允许夹持部分202被安置并夹持到管道100。管道夹具202可以用铰链部分替换夹持耳部204中的一个，使得管道夹具202可以打开以安置在管道上且然后闭合，并由夹持耳部204固定。虽然关于图1所示的夹具特别有用，但在其它示例中，可以使用用于将系统200牢固地安置在管道的外表面附近的任何合适的机械布置。
系统200包括热流传感器封壳206，弹簧208促使传感器封壳206抵靠管道100的外表面116。术语“封壳”并不是暗示任何特定的结构或形状，因此可以形成各种形状、尺寸和构造。虽然示出了弹簧208，但是本领域技术人员将理解，可以使用各种技术促使传感器封壳206与外表面116连续接触。传感器封壳206通常包括一个或更多个温度敏感元件，例如电阻温度装置(RTD)。封壳206内的传感器被电连接到壳体210内的变送器电路，该变送器电路配置成从传感器封壳206获得一个或更多个温度测量值，并基于来自传感器封壳206的测量值和参考温度来计算过程流体温度的估测值，所述参考温度例如是在壳体210内测量的温度，或以其它方式提供给壳体210内的电路。
在一个示例中，基本热流计算可以简化为：
Tcorrected＝Tskin+(Tskin-Treference)*(Rpipe/Rsensor)。
在该等式中，Tskin是导管的外表面的测量温度。另外，Treference是相对于距测量Tskin的温度传感器具有固定热阻抗(Rsensor)的位置获得的第二温度。Rpipe是导管的热阻抗，并可以通过获取管道材料信息、管道壁厚度信息而手动地获得。另外或替代地，可以在校准期间确定与Rpipe相关的参数并将其存储以供后续使用。因此，使用诸如上述的合适的热通量计算，壳体210内的电路能够计算过程流体温度的估测值(Tcorrected)，并将关于这种过程流体温度的指示传送给合适的装置和/或控制室。
图1B是传感器封壳的示意图，本发明的实施例尤其适用于该传感器封壳。传感器封壳206通常包括圆柱形侧壁250，端盖252连接到侧壁250。在一个示例中，端盖252由银形成。一个或更多个RTD元件254设置在端盖252附近，并且经由导热油脂256与端盖252热连通。导体258将RTD元件254电联接到壳体210内的测量电路。在一个实施例中，按照薄膜RTD技术形成元件254。通常认为薄膜RTD非常坚固且通常低成本。薄膜元件通常以如下方式制造：用非常薄(例如.0001英寸)的温度敏感金属(例如铂)膜涂覆小陶瓷芯片；然后，在金属膜中激光切割或化学或化学蚀刻电阻路径。
图2是热流测量系统200的壳体210内的电路的框图，本发明的实施例尤其适用于该系统。系统200包括联接到控制器222的通信电路220。通信电路220可以是能够传送关于估测的过程流体温度的信息的任何合适的电路。通信电路220允许热流测量系统200在过程通信回路或段上传送过程流体温度输出。过程通信回路协议的合适示例包括4-20毫安协议、高速可寻址远程传感器
Figure BDA0001991127220000041
协议、FOUNDATIONTM现场总线协议和WirelessHART协议(IEC 62591)。
热流测量系统200还包括电源模块224，其如箭头226所示向系统200的所有部件提供电力。在热流测量系统200联接到有线过程通信回路(例如
Figure BDA0001991127220000042
回路或FOUNDATIONTM现场总线段)的示例中，电源模块224可以包括合适的电路以调节从所述回路或段接收的电力，以使系统200的各种部件运行。因此，在这种有线过程通信回路的实施例中，电源模块224可以提供合适的电力调节，以允许整个设备由其联接到的回路供电。在其它示例中，当使用无线过程通信时，电源模块224可以包括电源，例如电池和合适的调节电路。
控制器222包括能够使用来自封壳206内的传感器的测量值和附加参考温度(例如壳体210内的端子温度)生成基于热流的过程流体温度估测值的任何合适的布置。在一个示例中，控制器222是微处理器。为了将估测值传送到其它设备，控制器222通信地联接到通信电路220。
测量电路228联接到控制器222并提供关于从一个或更多个温度传感器230获得的测量值的数字指示。测量电路228可包括一个或更多个模数转换器和/或将一个或更多个模数转换器与传感器230连接的合适的多路复用电路。另外，测量电路228可以包括适合于所采用的各种类型的温度传感器的适当的放大和/或线性化电路。
图3是热流测量系统的示意图，本发明的实施例尤其适用于该热流测量系统。图3与图1A中所示的实施例有许多相似之处，并且相似的部件具有类似编号。图3所示实施例与图1A所示实施例之间的主要区别在于用于将传感器封壳206固定在管道100附近的夹具类型。
如图3所示，夹具302代替了图1A的夹具202。夹具302在设计上类似于夹具202，其中夹具302包括耳部204并且连接到传感器组件201。夹具302与夹具202的不同之处在于，夹具302不接触管道100。相反，夹具302由间隙器304保持为从管道100离开给定距离。
作为说明，存在四个间隙器：间隙器304-1，间隙器304-2，间隙器304-3和间隙器304-4。在典型情况下，所述多个间隙器将是相同类型。如图所示，每个间隙器304是不同类型的间隙器。这仅用于说明目的，以示出可用于将夹具固定到管道(例如，夹具302或夹具402)的间隙器的不同示例。例如，间隙器304-1包括螺栓、机械螺钉或类似的紧固件。间隙器304-2包括连接到夹具302的轴。间隙器304-3包括固定螺钉。间隙器304-4包括螺杆和螺母和锁紧垫圈。当然，也可以使用其它类型的间隙器。
图3中还示出了隔热体306。隔热体306位于传感器封壳206和管道100的连接处周围。隔热体306可用于降低外部热源对测量温度Tskin的准确度的影响。在一个示例中，隔热体306可以设置在封壳206和管道100的接合处周围以外的位置处。在一些示例中，隔热体306可以设置在夹具302的内径和管道100的外径之间的整个间隙中。
图4是示出热流测量系统的一个示例的示意图。图4与图1A和图3中所示的示例具有许多相似之处，同样的部件以类似方式编号。图4所示的示例与图3所示的示例之间的差异是用于将传感器封壳206固定在管道100附近的夹具或安装组件的类型。
如图4所示，夹具402代替图1A的夹具202和图3的夹具302。夹具402类似于图3的夹具302，具有间隙器304。与夹具302或202不同，夹具402不具有耳部204。相反，夹具402组装在管道100上，并通过配合接口308保持在一起。配合接口308包括通过电火花线切割加工(EDM)、水刀加工、标准机械等切割成夹具402的零件的配合特征部310。
图5是示出夹具402的一个示例的透视图。如图所示，夹具402包括两个零件412。在另一个示例中，夹具402可包括单个零件412。在其它示例中，夹具402可包括多于两个零件412。例如，夹具402可包括四个四分之一零件412，而不是所示的两个二分之一零件412。为了将零件412联接在一起，每个零件412包括配合特征部310或配合特征部312。当然，在其它示例中，配合特征部310和312的形状可以不同。
夹具402可由多种不同材料制成，包括但不限于钢、不锈钢、黄铜等。
如图所示的夹具402包括各种间隙器孔314。间隙器孔314接收并联接到间隙器304，以将夹具402安装到过程管道上。例如，间隙器孔314可包括与间隙器的螺纹相联接的螺纹。在安装夹具时使用间隙器的优点是增加了可接受的夹具尺寸公差。例如，只要使用较大的间隙器，则使用间隙器的夹具相对于它所联接的管道可以在很大程度上过大。而在过去，需要许多不同的夹具尺寸以用于不同尺寸的管道。
如图所示，存在四个间隙器304，然而在其它示例中，可以存在多于三个间隙器304。另外示出，间隙器304由单一材料构成。在其它示例中，间隙器304可包括一种以上的材料。例如，大部分的间隙器304可以由结构材料(例如不锈钢)构成，而间隙器304的接触过程管道的部分包括具有特定的所需热性能的材料，例如耐高温性。由于接触表面区域减小，因此在每个间隙器304的末端可以成本有效地使用更新奇的材料。对于过去的夹具，使用新奇材料不是成本高效的，因为它必须覆盖夹具的与过程管道接触的整个内表面区域。
图6是示出上述系统的操作的一个示例的流程图。关于图4的部件描述了操作600，然而，操作600也可以与其它系统一起使用。
操作600开始于框610，其中将夹具定向在过程管道上。将夹具定向在过程管道上可涉及到对准每个夹具零件的耳部，如框612所示。例如，对准图3中的夹具302的夹具零件的耳部204。将夹具定向在过程管道上可涉及接合要被夹持的零件的互锁部件，如方框614所示。例如，在图4中，将夹具402的互锁部件在配合接口308处接合。当然，将夹具定向在过程管道上也可以涉及到其它步骤，如方框616所示。
操作600在框620处继续，其中如果需要，夹具部件被固定。例如，图3中的夹具302的夹具零件的耳部204必须被栓接在一起或以其它方式联接在一起，以保持固定在过程管道上。
操作600在框630处继续，其中夹具被固定到过程管道。可以通过穿过夹具的孔插入的螺纹紧固件来将夹具固定到过程管道，例如，穿过夹具402的间隙器孔314插入的间隙器304。间隙器304可以具有与间隙器孔314的螺纹特征部配合的螺纹特征部，以允许将间隙器304紧固到管道100上。
操作600在框640处继续，其中测量组件被固定到夹具。将测量组件固定到夹具上可以通过包括在夹具中的螺纹孔接收测量组件来实现，如框622所示。例如，测量组件，具有与测量组件孔316中的螺纹对应的螺纹部分，被螺纹连接到测量组件孔316中。测量组件也可以以其它方式固定到夹具，如框644所示。例如，可以在夹具放置在管道上进行连接之前，将测量组件固定到夹具的一部分上。
操作600在框650处继续，其中，如果需要，测量部206与管道100的外表面隔热。例如，隔热体306安装在测量部206和管道100之间的接合处周围，以减少外部热源对管道100的测量的影响。
操作600在框660处继续，其中测量部206感测管道100的外表面的温度。在框670处，基于测量部206的输出，可以使用管道100的外表面的测量温度、参考温度和与从管道的外表面到固定的参考温度位置的热流相关的热导率信息，来估测管道100中的流体的温度。
尽管已经参考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 (22)

1.一种过程流体温度估测系统，包括：
过程流体温度估测系统，包括：
传感器封壳，在所述传感器封壳中设置有至少一个温度敏感元件，所述至少一个温度敏感元件配置成感测过程管道的外表面；
测量电路，所述测量电路联接到所述传感器封壳，并且被配置成检测所述至少一个温度敏感元件随温度变化的特性并提供传感器封壳温度信息；和
联接到所述测量电路的控制器，所述控制器配置成获得参考温度，并且利用所述参考温度和所述传感器封壳温度信息采用热传递计算来生成估测的过程温度输出；和
安装组件，所述安装组件构造成将所述过程流体温度估测系统安装到所述过程管道的外表面，其中所述安装组件的一部分从所述过程管道的外表面偏移。
2.根据权利要求1所述的过程流体温度估测系统，其中，所述安装组件包括夹具主体，所述夹具主体从所述过程管道的外表面偏移。
3.根据权利要求1所述的过程流体温度估测系统，还包括间隙器，所述间隙器构造成使所述夹具主体从所述过程管道的外表面偏移。
4.根据权利要求3所述的过程流体温度估测系统，其中，所述间隙器包括螺纹部分，所述螺纹部分构造成接合所述夹具主体的对应的螺纹部分。
5.根据权利要求4所述的过程流体温度估测系统，其中，所述间隙器包括用户可致动部分，所述用户可致动部分在被致动时调节所述夹具主体的偏移距离。
6.根据权利要求3所述的过程流体温度估测系统，其中，所述间隙器包括多个柱，所述多个柱联接到所述夹具主体以用于接触所述过程管道的外表面。
7.根据权利要求3所述的过程流体温度估测系统，其中，所述间隙器包括构造成与所述过程管道的外表面接触的接触部分，所述接触部分包括与所述间隙器的另一部分不同的材料。
8.根据权利要求2所述的过程流体温度估测系统，其中，所述夹具主体包括两个或更多个互锁零件，所述两个或更多个互锁零件构造成在安装的过程管道上联接在一起，使得在所述两个或更多个互锁零件的联接期间，所述过程管道的流动连续。
9.根据权利要求1所述的过程流体温度估测系统，还包括设置在所述安装组件的一部分与所述过程管道之间的隔热体。
10.根据权利要求9所述的过程流体温度估测系统，其中，所述隔热体设置在所述传感器封壳周围，从而将所述传感器封壳与所述过程管道的外表面隔热。
11.根据权利要求2所述的过程流体温度估测系统，其中，所述夹具主体包括孔，所述孔构造成接收并联接到所述传感器封壳。
12.一种用于过程流体温度估测系统的夹具，包括：
传感器组件接收机构，所述传感器组件接收机构构造成联接到传感器组件；
过程管道联接机构，所述过程管道联接机构构造成将夹具连接到过程管道，使得所述夹具的一部分从所述过程管道偏移一定距离。
13.根据权利要求12所述的夹具，其中，所述过程管道联接机构包括：
多个间隙器，所述多个间隙器构造成在距所述过程管道的偏移距离处联接所述夹具的所述一部分。
14.根据权利要求13所述的夹具，其中，所述过程管道联接机构包括：
在所述夹具的主体中的多个螺纹孔；并且
其中，所述多个间隙器利用所述多个螺纹孔联接到所述夹具。
15.根据权利要求13所述的夹具，其中，所述多个间隙器中的每个间隙器包括：
接触部分，所述接触部分构造成接触所述过程管道；和
夹持部分，所述夹持部分构造成联接到所述夹具。
16.根据权利要求15所述的夹具，其中，所述接触部分包括与所述夹持部分不同的材料。
17.根据权利要求12所述的夹具，还包括构造成设置在所述夹具和所述过程管道之间的隔热体。
18.根据权利要求12所述的夹具，其中，所述传感器组件接收机构包括螺纹孔，所述螺纹孔构造成接收所述传感器组件的对应的螺纹部分。
19.一种估测导管内的过程流体温度的方法，所述方法包括：
将安装组件联接到所述导管，所述安装组件包括夹具，所述夹具构造成在间隙距离处联接到所述导管；
将传感组件联接到所述导管；
利用所述传感组件感测所述导管的外表面的表皮温度；
获得参考温度；和
基于所述导管的所述表皮温度、所述参考温度和已知的热导率，确定所述导管内的过程流体的温度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，将所述安装组件联接到所述导管包括：
将第一夹持部分与第二夹持部分对准；和
将所述第一夹持部分的第一配合特征部与所述第二夹持部分的第二配合特征部配合。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，将所述安装组件联接到所述导管包括：
将第一夹持部分与第二夹持部分对准；和
将所述第一夹持部分的凸形配合特征部与所述第二夹持部分的凹形配合特征部配合。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，获得所述参考温度包括：接收指示所述参考温度的过程通信。
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