CN110967126A - 非侵入式过程流体温度指示 - Google Patents

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Abstract

一种过程流体温度估计系统包括安装组件，所述安装组件被配置成将过程流体温度估计系统安装到过程流体管道的外表面。传感器容器中设置有至少一个温度敏感元件。测量电路耦合到传感器容器并且被配置成检测至少一个温度敏感元件的随温度变化的电特性并提供传感器容器温度信息。控制器耦合到测量电路并且被配置成获得参考温度并且利用参考温度、传感器容器温度信息和过程流体管道的已知热导率进行热传递计算以产生所估计的过程流体温度输出。从参考温度源获得参考温度，所述参考温度源选自包括以下各项的组：端子温度传感器、过程通信、电子器件温度传感器、外部环境温度传感器以及基于已知热性质的估计。

Description

非侵入式过程流体温度指示
背景技术
许多工业过程通过导管或其它管道传送过程流体。这种过程流体可以包括液体、气体，有时还包括夹带的固体。这些过程流体流可以在各种工业中找到，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、化学加工、烃燃料工业(包括烃提取和加工)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管道中的孔插入过程流体流中。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、非常具腐蚀性或两者兼而有之。另外，热电偶套管通常需要在管道中具有螺纹端口或其它坚固的机械支座/密封件，因此必须在限定的位置被设计到过程流体流动系统中。因此，热电偶套管虽然可用于提供精确的过程流体温度，但具有许多限制。
最近，通过测量过程流体管道(诸如导管)的外部温度并采用热流计算来估计过程流体温度。这种外部方法被认为是非侵入式的，因为它不需要在管道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管道的几乎任何位置。
发明内容
一种过程流体温度估计系统包括安装组件，所述安装组件被配置成将过程流体温度估计系统安装到过程流体管道的外表面。传感器容器中设置有至少一个温度敏感元件。测量电路耦合到传感器容器，并且被配置成检测至少一个温度敏感元件的随温度变化电特性并提供传感器容器温度信息。控制器耦合到测量电路并且被配置成获得参考温度并且利用参考温度、传感器容器温度信息和过程流体管道的已知热导率进行热传递计算以产生所估计的过程流体温度输出。从参考温度源获得参考温度，所述参考温度源选自包括以下各项的组：端子温度传感器、过程通信、电子器件温度传感器、外部环境温度传感器以及基于已知热性质的估计。
附图说明
图1是本发明的实施例具体适用的热流测量系统的示意图。
图2是本发明的实施例具体适用的热流测量系统内的电路的框图。
图3是本发明的实施例的传感器容器的示意性截面图。
图4是根据本发明的实施例的在高温应用中提供过程流体温度测量的方法的流程图。
具体实施方式
如上所述，可以通过测量过程流体管道(诸如导管)的外部温度并采用热流计算来估计过程流体温度。这种系统通常在热流计算中使用导管表皮(外表面)温度Tskin和参考温度Treference以及热阻抗值来推断或以其它方式估计管道内的过程流体温度。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，这种系统可以需要变送器端子温度传感器通常连接至或尽可能靠近过程流体温度变送器端子或导管表皮传感器的“冷端”。这种关系在系统中的测量点(Tskin、Treference)之间提供了更好的相关性。随着过程温度升高，通常温度曲线将在系统中改变，导致传感器的冷端略微上升。对于提供适当的过程温度推断，这一变化非常重要。对于略微变化或根本没变的环境温度和过程温度，在表皮温度和安装组件中的另一个温度点之间不需要直接测量，以便合理地校正过程温度。
图1是本发明的实施例具体适用的热流测量系统的示意图。如图所示，系统200通常包括管夹部分202，管夹部分202被配置成夹紧管道或导管100。管夹202可具有一个或多个夹耳204，以允许管夹部分202定位并夹紧到导管100。管夹202可以用铰链部分替换夹耳204中的一个，使得管夹202可以被打开以定位在导管上，然后通过夹耳204闭合和固定。虽然关于图1所示的夹子特别有用，但是根据本文所述的实施例，可以使用用于将系统200牢固地定位在导管的外表面周围的任何合适的机械布置。
系统200包括热流传感器容器206，通过弹簧208使热流传感器容器206抵靠导管100的外径116。术语“容器(capsule)”并不意味着暗示任何特定的结构或形状，因此可以形成为各种形状、尺寸和配置。虽然示出了弹簧208，但是本领域技术人员将理解，可以使用各种技术来抵住传感器容器206使其与外径116连续接触。传感器容器206通常包括一个或多个温度敏感元件，诸如电阻温度器件(RTD)。容器206内的传感器电连接到外壳210内的变送器电路，变送器电路配置成从传感器容器206获得一个或多个温度测量值，并基于来自传感器容器206的测量值和参考温度(诸如在外壳210内测量的或以其它方式提供给外壳210内的电路的温度)计算过程流体温度的估计值。
在一个示例中，基本热流计算可以简化为：
Tcorrected＝Tskin+(Tskin-Treference)*(Rpipe/Rsensor)。
在该方程中，Tskin是管道外表面的测量温度。另外，Treference是相对于具有热阻抗(Rsensor)的位置而获得的第二温度，所述热阻抗(Rsensor)来自测量Tskin的温度传感器。通常由外壳210内的专用传感器感测Treference。然而，也可以以其它方式感测或推断Treference。例如，温度传感器可以定位在变送器外部，以代替热传递计算中的端子温度测量。该外部传感器将测量变送器周围环境的温度。作为另一个示例，工业电子器件通常具有板上温度测量能力。该电子器件温度测量可以用作用于热传递计算的端子温度的替代。作为另一个示例，如果系统的热导率是已知的并且变送器周围的环境温度是固定的或受用户控制的，则固定或用户可控的温度可以用作参考温度。
Rpipe是管道的热阻抗，并且可以通过获得管材信息、管壁厚度信息等手动获得。附加地或者备选地，可以在校准期间确定与Rpipe相关的参数并存储以供后续使用。因此，使用诸如上述的合适的热通量计算，外壳210内的电路能够计算过程流体温度的估计值(Tcorrected)并将关于这种过程流体温度的指示传送给合适的设备和/或控制室。在图1所示的示例中，这种信息可以经由天线212无线传送。
图2是本发明的实施例具体适用的热流测量系统200的外壳210内的电路的框图。系统200包括耦合到控制器222的通信电路220。通信电路220可以是能够传送与所估计的过程流体温度有关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在过程通信回路或部段上传递过程流体温度输出。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 BDA0001986836360000041
)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，电源模块224如箭头226所示向系统200的所有组件供电。在热流测量系统200耦合到有线过程通信回路(诸如
Figure BDA0001986836360000042
回路或FOUNDATIONTM现场总线部段)的实施例中，电源模块224可以包括合适的电路以调节从回路或部段接收的功率以操作系统200的各种组件。因此，在这种有线过程通信回路实施例中，电源模块224可以提供合适的功率调节，以允许整个设备由与其耦合的回路供电。在其它实施例中，当使用无线过程通信时，电源模块224可以包括电源，诸如电池和合适的调节电路。
控制器222包括能够使用来自容器206内的传感器的测量值和附加参考温度(诸如外壳210内的端子温度)来产生基于热流的过程流体温度估计的任何合适的布置。在一个实例中，控制器222是微处理器。控制器222通信地耦合到通信电路220。
测量电路228耦合到控制器222并提供关于从一个或多个温度传感器230获得的测量值的数字指示。测量电路228可以包括一个或多个模数转换器和/或合适的多路复用电路，以将一个或多个模数转换器接口连接到温度传感器230。另外，测量电路228可以包括合适的放大和/或线性化电路，所述放大和/或线性化电路可以适用于所采用的各种类型的温度传感器。
温度传感器230说明性地包括端子温度传感器232、电子器件温度传感器234，并且还可以包括其它项目，如方框236所示。电子器件温度传感器234耦合到系统200的电子电路并用于确定电子器件的温度。通常，电子器件温度传感器234用于保护电子电路免于过热。例如，当电子器件达到一定温度时，打开风扇以降低该温度。在一个实施例中，电子器件温度传感器234感测参考温度。
根据一个实施例，系统200还包括各种不同的逻辑组件，如方框238-242所示。每个逻辑组件提供可由控制器222执行的各种不同功能。备用模式逻辑238监视端子温度传感器232的状态，并且在传感器失效或故障的情况下开启备用模式。即，从端子温度传感器232以外的源接收参考温度的模式。这是控制器逻辑确定参考温度切换事件的发生的示例。这样，在传感器失效或故障的情况下，测量点不必完全离线。在另一个示例中，控制器222可以通过本地技术人员与系统200的交互或经由过程通信来接收命令，以切换到替代参考温度源。可以根据本文描述的实施例实践用于确定参考温度切换事件的发生的其它合适条件。
在正常操作期间，可以通过学习逻辑238学习关于管道表皮温度和端子温度测量值之间的相关性的信息。如果一个或其它测量点失败(端子温度传感器或表皮温度传感器)，则可以将学习的相关性应用为附加备份模式选项。
如果系统的热导率是已知的和/或变送器周围的环境温度是固定的或受控制的，则估计逻辑242可以利用测量的表皮温度变化来计算参考温度。
图3是本发明的实施例具体适用的传感器容器的示意图。传感器容器206通常包括圆柱形侧壁250，端盖252与侧壁250耦合。在一个示例中，端盖252由银形成。一个或多个RTD元件254设置在端盖252附近，并且设置成经由导热油脂256与端盖252热连通。导体258将RTD元件254电耦合到外壳210内的测量电路。在一个实施例中，根据薄膜RTD技术形成元件254。通常认为薄膜RTD非常坚固且通常成本低。通常通过以下操作来制造薄膜元件：为小陶瓷芯片涂覆具有非常薄(例如.0001英寸)的温度敏感金属(诸如铂)膜，然后在金属膜中激光切割或化学蚀刻电阻路径。
图4是根据本发明的实施例的基于热流来估计和提供过程流体温度的方法的流程图。方法500开始于方框502，其中从过程流体管道(诸如导管100)的外径测量温度。接下来，在方框504处，获得所存储的管道热导率。该步骤可以通过访问系统的控制器222的本地存储器或通过与外部设备(诸如过程控制器)通信来执行，以接收指示管道热导率的信息。
接下来，在可选方框506处，获得参考温度。可以以各种方式获得该参考温度。例如，如方框508处所示，可以通过接收过程通信来获得参考温度，所述过程通信指示参考温度。备选地，在方框510处，由系统来测量参考温度。在一个示例中，该测量是在外壳210内的位置处的温度测量，诸如在接线盒处。作为另一个示例，如在方框512所示，可以经由电子器件温度传感器获得参考温度。然而，这些仅是示例，并且可以从相对于过程流体管道100的外径116具有相对固定的热关系的任何位置获得测量。经由这种固定的热布置，从过程流体管道到参考温度位置的热流是固定的，因此遵循上述的热流计算。
另外，参考温度可以由外部环境温度传感器获得，如方框514处所示。例如，如果过程流体管道位于设施的气候控制内部，则气候的标称温度(例如70华氏度)可用于参考温度。
此外，如方框516处所示，可以在熟知的系统中估计参考温度。例如，学习逻辑238确定表皮温度和另一个变量之间的模型，所述另一个变量指示与参考温度的关系。然后，估计逻辑242使用该模型来确定参考温度。
在方框518处，将所测量的管道表皮温度、管道的热导率和参考温度应用于诸如上述的热流计算，以计算过程流体温度的估计。最后，在方框520处，输出所估计的过程流体温度。在一个示例中，根据诸如上述的过程通信协议，通过过程通信回路来传递输出。
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。例如，虽然已经关于相对于导管内径的诊断描述了本发明，但是这种诊断可以扩展到热电偶套管、侵入性较低的热电偶套管、外部温度和绝缘裸容器传感器。此外，虽然已经关于非侵入式过程流体估计系统描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，本发明的某些方面适用于热电偶套管，热电偶套管因为延伸进入管道而被认为是侵入性的。

Claims (21)

1.一种估计管道内的过程流体温度的方法，所述方法包括：
获得过程管道附近的管道温度；
获得关于所述过程管道的热导率信息；
从端子温度传感器获得参考温度；以及
将所述热导率信息存储在过程流体温度估计系统中，以在热传递方程中使用，用于基于所述管道温度和参考温度来估计过程流体温度；
确定是否发生了参考温度切换事件；以及
基于所述确定，从第二源获得第二参考温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中获得第二参考温度包括：接收指示所述参考温度的过程通信。
3.根据权利要求1所述的方法，其中获得第二参考温度包括：测量过程流体温度估计系统的外壳内的电子器件的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中获得第二参考温度包括：基于已知过程性质估计第二参考温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中获得第二参考温度包括：从环境温度传感器接收第二参考温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考温度切换事件基于所述端子温度传感器的故障。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述参考温度切换事件基于接收切换命令。
8.一种过程流体温度估计系统，包括：
安装组件，被配置成将所述过程流体温度估计系统安装到过程流体管道的外表面；
传感器容器，所述传感器容器中设置有至少一个温度敏感元件；
测量电路，所述测量电路耦合到所述传感器容器并且被配置成检测所述至少一个温度敏感元件的随温度变化的电特性并提供传感器容器温度信息；以及
控制器，耦合到所述测量电路，所述控制器被配置成从外部环境温度传感器获得参考温度，并利用所述参考温度、所述传感器容器温度信息和所述过程流体管道的已知热导率进行热传递计算以产生所估计的过程流体温度输出。
9.根据权利要求8所述的过程流体温度估计系统，还包括备用逻辑，所述备用逻辑检测所述外部环境温度传感器的故障，并向所述控制器提供第二参考温度。
10.根据权利要求9所述的过程流体温度估计系统，其中所述备用逻辑从电子器件温度传感器接收所述第二参考温度。
11.根据权利要求9所述的过程流体温度估计系统，其中所述备用逻辑从估计逻辑接收所述第二参考温度，所述估计逻辑被配置成基于所述系统的已知热性质来估计所述第二参考温度。
12.根据权利要求8所述的过程流体温度估计系统，还包括通信电路，所述通信电路耦合到所述控制器并且被配置成根据过程通信回路协议进行通信。
13.根据权利要求12所述的过程流体温度估计系统，其中所述通信电路被配置成无线通信。
14.根据权利要求8所述的过程流体温度估计系统，其中所述传感器容器具有端盖，并且至少一个温度敏感元件热耦合到所述端盖。
15.一种估计管道内的过程流体温度的方法，所述方法包括：
测量所述管道的外表面的温度；
从板上电子器件温度传感器获得参考温度；以及
对所述测量的管道温度、参考温度和已知热导率使用热流计算来估计所述管道内的过程流体的温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述已知热导率是从执行所述热流计算的设备的存储器获得的。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
确定所述板上电子器件温度传感器是否存在故障；以及
基于故障确定，从第二源获得第二参考温度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中获得第二参考温度包括：利用估计逻辑基于已知过程性质来估计所述第二参考温度。
19.一种过程流体温度估计系统，包括：
安装组件，被配置成将所述过程流体温度估计系统安装到过程流体管道的外表面；
传感器容器，所述传感器容器中设置有至少一个温度敏感元件；
测量电路，所述测量电路耦合到所述传感器容器并且被配置成检测所述至少一个温度敏感元件的随温度变化的电特性并提供传感器容器温度信息；以及
控制器，耦合到所述测量电路，所述控制器被配置成获得参考温度，并利用所述参考温度、所述传感器容器温度信息和所述过程流体管道的已知热导率进行热传递计算以产生所估计的过程流体温度输出。
20.根据权利要求19所述的过程流体温度估计系统，其中所述控制器被配置成从参考温度源获得所述参考温度，所述参考温度源选自包括以下各项的组：外部环境温度传感器、电子器件温度传感器、基于已知热性质的估计、过程通信和端子温度传感器。
21.一种估计管道内的过程流体温度的方法，所述方法包括：
获得过程管道附近的管道温度；
获得关于所述过程管道的热导率信息；
从参考温度源获得参考温度，所述参考温度源选自包括以下各项的组：端子温度传感器、过程通信、电子器件温度传感器、外部环境温度传感器以及基于已知热性质的估计；以及
利用所述管道温度、热导率信息和参考温度使用热流计算来提供过程流体温度估计；以及
提供所述过程流体温度估计作为输出。
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