CN112595427B - 非侵入式过程流体温度计算系统 - Google Patents

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Abstract

一种过程流体温度计算系统包括：外壳；与过程流体管道的表面直接接触的第一温度传感器，用于测量过程流体管道的外部温度；第二温度传感器，与第一温度传感器相间隔并与外壳内的端子块耦接，用于提供参考温度测量；测量电路，与第一温度传感器和第二温度传感器耦接；设置在外壳内的微处理器，用于接收参考温度测量，所述参考温度测量不同于测量到的过程流体管道的外部温度，所述微处理器与所述测量电路耦接，以从测量电路接收指示来自第一温度传感器和第二温度传感器的信号的温度信息，并利用第一温度传感器信号和第二温度传感器信号之差，使用热通量计算来计算过程流体温度输出，其中在第一温度传感器与第二温度传感器之间存在已知热阻抗。

Description

非侵入式过程流体温度计算系统
本申请是2016年1月25日提交的中国专利申请No.201680000355.8的发明名称为“非侵入式过程流体温度计算系统”的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种非侵入式过程流体温度计算系统。
背景技术
过程工业采用过程变量变送器来监测与化学制品、纸浆、汽油、药物、食物和其他流体过程工厂中的例如固体、浆料、液体、蒸汽和气体的物质相关联的过程变量。过程变量包括压力、温度、流量、液位、浊度、密度、浓度、化学组成以及其他属性。
过程流体温度变送器提供与过程流体温度相关的输出。温度变送器输出可以通过过程控制环路传送至控制室，或者可以将该输出传送至另一过程设备，使得可以监测并控制该过程。
传统地，过程流体温度变送器与热电偶套管耦接或采用热电偶套管，热电偶套管提供了与过程流体热通信的温度传感器，否则保护温度传感器不与过程流体直接接触。热电偶套管位于过程流体内，以确保过程流体与热电偶套管内布置的温度传感器之间的实质热接触。典型地，使用相对鲁棒的金属结构来设计热电偶套管，使得热电偶套管可以经受过程流体带来的许多挑战。这些挑战可以包括物理挑战，例如过程流体以相对高的速率流过热电偶套管；热挑战，例如特别高的温度；压力挑战，例如过程流体以高压传送或存储；以及化学挑战，例如由腐蚀性过程流体带来的那些化学挑战。此外，热电偶套管可能很难设计到过程安装中。这种热电偶套管需要过程侵入，其中热电偶套管被安装至或扩展到例如箱或管的过程容器中。必须对该过程侵入本身仔细设计并控制，使得过程流体不在侵入点处从容器中泄漏。
存在可以折衷热电偶套管的结构完整性的多种因素。在一些情况下，并不能完全考虑所有因素，并且热电偶套管有时弯折或甚至损坏，因此使得过程安装停滞很长的时段。这是非常不希望的。对于一些应用，热电偶套管只是无法在没有潜在损坏的情况下使用。在这些应用中，使用非侵入式过程流体温度计算系统会是有益的，或者甚至是会需要使用非侵入式过程流体温度计算系统。使用这种系统，管夹传感器被用于将温度传感器与过程容器(例如管)耦接。尽管这种非侵入式过程流体温度计算提供了不需要过程侵入、也不会使热电偶套管直接经受过程流体的益处，但是存在折衷。具体地，非侵入式温度计算系统在检测过程流体温度方面通没有延伸至过程流体中并直接测量温度的热电偶套管精确。
提供可以更精确地反映过程流体温度的非侵入式过程流体温度计算系统将会降低这种系统的用户所需的一些折衷，并且还可能在不期望或不可能使用热电偶套管的情况下提供更精确的温度计算和过程控制。
发明内容
一种过程流体温度计算系统，包括：第一温度传感器，被布置为测量过程流体管道的外部温度。所述过程流体温度计算系统具有杆部分，该杆部分具有已知热阻抗。第二温度传感器与所述第一温度传感器间隔所述杆部分。测量电路与所述第一和第二温度传感器耦接。微处理器与所述测量电路耦接，以从所述测量电路接收温度信息，并使用热通量计算来提供对过程流体管道内的过程流体温度的估计。
附图说明
图1是示出与非侵入式温度计算系统相关联的误差的过程流体温度对比管夹温度的图表。
图2是根据本发明一个实施例的与过程流体容器耦接的非侵入式温度计算系统的示意图。
图3是示出根据本发明实施例的流经非侵入式过程流体温度计算系统的热的示意图。
图4是根据本发明实施例的非侵入式过程流体温度计算系统的框图。
图5是根据本发明实施例的估计非侵入式温度测量系统中的过程流体温度的方法的流程图。
图6A和6B是根据本发明实施例分别示出非侵入式过程流体温度计算系统的校正后的温度和补偿误差的图表。
具体实施方式
如以上所阐述的，选择非侵入式温度计算系统通常需要精度的折衷。图1是过程流体温度对比管夹温度的图表，示出了非侵入式温度计算系统随过程流体温度改变的误差。图表的左轴示出了过程流体温度和管夹温度，而右轴示出了误差，均以摄氏度为单位。在初始时间，过程流体温度和管夹温度分别处于约25摄氏度，并且误差约为0摄氏度。随着过程流体温度增加，管夹温度也增加，但是以较低的速率增加。附加地，随着过程流体温度改变，管夹也改变，但不是十分匹配过程流体温度。这产生了大约在14至16摄氏度之间波动的误差。这指示管夹温度是比过程流体温度低大约14至16度的读数。
图2是根据本发明实施例的非侵入式过程流体计算系统的示意视图。系统100被示为与过程流体容器102耦接，过程流体容器102在所示的示例中是管或管道。这样，系统100包括夹具104，夹具104环绕管102的外表面固定。尽管图2中示出的实施例采用螺纹紧固件来环绕管102固定夹具104，但可以采用任意合适的夹持机制。夹具104包括与管102的外表面直接热接触放置的温度传感器(图3中所示)。该温度传感器与在外壳108内布置的电子器件电耦接，使得外壳108内的电子器件可以测量管102的温度。系统100还包括将夹具104与外壳108耦接的杆部分110。杆部分110从夹具104向外壳108传导热。然而，选择用于制造杆110的材料、杆110的长度和/或包括杆110的材料的厚度可以被设计为提供杆110的特定热阻抗。如本文所阐述的，热阻抗被定义为例如杆110的结构对抗热流的程度。热阻抗可以通常被认为是热导的倒数。由于可以在相当高的温度提供一些过程流体管102，杆110具有较高热阻抗以保护外壳108内的电子器件免受这种升高的温度会是有益的。
根据本发明的一些实施例，在距离管102特定距离处设置附加温度传感器。在一个实施例中，在外壳108内布置附加温度传感器。然而，可以实践本发明的如下实施例：其中在杆110内的固定位置内设置附加温度传感器。如以下更详细阐述的，感测管102的表面温度和来自附加温度传感器的间隔温度可以提供热流的指示。此外，由于例如风寒和周围温度之类的环境效应可以影响随着热流经杆110由杆110带走的热的程度，本发明的至少一些实施例包括图2中模型中所示的热绝缘。如参考符号112所示，可以环绕管102和夹具104设置该热绝缘。此外，在一个实施例中，热管绝缘可以从管夹104在两个方向上(上游和下游)延伸最小距离。在一个实施例中，该最小距离是至少6英寸。附加地，如参考符号114所示，可以环绕杆部分110设置热绝缘。针对采用绝缘112和/或114的实施例，绝缘应当至少为1/2英寸厚，并且优选地应当被选为减小或潜在地消除任何外部热吸收。例如，理想情况下热绝缘的外表面可以是白色的或反光的。
图3是非侵入式过程流体温度计算系统的示意视图，其中根据电气组件对热流建模，其中Tamb表示周围温度，Tterm表示变送器终端温度，Tsensor表示过程管道表面温度，Tprocess表示过程温度，R1表示周围到端子的热阻抗，R2表示传感器组件的热阻抗，Rsensor表示传感器组件的热阻抗，Rpipe表示管材料的热阻抗。具体地，过程流体的温度被示为节点150，并经由图示为电阻器154的管材料的热阻抗(Rpipe)与温度传感器152耦接。应当注意的是，也可以借助于管自身的材料和管壁厚度来获知管材料的热阻抗，使得可以将合适的阻抗参数输入外壳108内的电路中。例如，配置系统的用户可以指示管由不锈钢构建并且为1/2英寸厚。然后，非侵入式过程流体温度计算系统的存储器内的合适的查找数据识别与所选材料和壁厚相匹配的相应热阻抗。此外，可以实践如下实施例：其中只选择管材料并且基于所选材料和所选壁厚来计算热阻抗。无论如何，本发明的实施例一般运用管材料的热阻抗的知识。此外，在不能事先知晓管材料的热阻抗的实施例中，也可以提供校准操作，其中向非侵入式过程流体温度计算系统提供已知的过程流体温度并将热阻抗设置为校准参数。
如图3所示，热还可以从温度传感器152流出杆部分110的侧壁到参考符号156处所示的周围环境中，并且该热阻抗(R2)用参考符号158指示。如以上所阐述的，在一些实施例中，可以通过设置绝缘材料来增加从表面温度传感器152到周围的热阻抗。热将经由沿杆部分110的传导从管102的外表面经过杆部分110流至外壳108。在参考符号160处示意地示出了杆部分110的热阻抗(Rsensor)。最后，热还可以经由热阻抗164(R1)从与外壳108内的端子块耦接的温度传感器162流到周围环境。
当借助于管夹104将非侵入式过程流体温度计算系统连接至过程流体管道(例如管102)时，可以测量过程流体管道的表面温度和变送器端子温度162二者，并在热通量计算中使用以精确地推断或否则近似管道102内的过程流体温度150。
当过程流体温度改变时，将影响温度传感器152的读数和端子温度传感器162的读数，原因在于在它们之间存在具有相对高的热导的刚性机械互连(通过杆部分110的热传导)。这同样适用于周围温度。当周围温度变化时，也将影响这两个测量，但程度小得多。
对于缓慢改变的条件，基础热通量计算可以被简化为：
Tcorrected＝Tsensor+(Tsensor-Ttermminal)*(Rpipe/Rsensor)。
可以通过使用端子温度变化率对比管道表面温度变化率来动态调整Rsensor系数来进一步校正非绝缘的夹具组件或快速变化的过程/环境条件。如果管道表面温度快速变化，可以在该时间段应用附加校正，以使时间常数最小。类似地，如果周围温度相对于管表面温度快速变化，则可以应用较少的校正。
图4是根据本发明实施例的非侵入式过程流体温度计算测量的示意视图。如图4中所示，外壳108包含微处理器250、第一A/D转换器252、第二A/D转换器254和存储器256。第一A/D转换器252和第二A/D转换器254是模数转换器。尽管图4中所示的示例采用两个离散模数转换器，但本发明的实施例可以用单个模数转换器和合适的切换电路(例如复用器)来实现，以将单个模数转换器与多个温度传感器耦接。
微处理器250经由第一模数转换器252与第一温度传感器152耦接。第一模数转换器252与温度传感器152的线电耦接，以将来自温度传感器152的模拟电信号转换为数字信号用于微处理器250。温度传感器152和/或温度传感器162可以是任意合适的温度传感器件或组件，包括电阻温度器件(RTD)、热电偶、电热调节器，或具有随温度变化的电特性的任意其他合适器件。第二模数转换器254将微处理器250与第二温度传感器162耦接。第二温度传感器162也可以是任意合适的温度感测器件，但是在一个实施例中是与温度传感器152相同类型的温度传感器。第二模数转换器254与温度传感器162的线电耦接，并将来自第二温度传感器162的模拟电信号转换为数字信号用于微处理器250。同时，第一模数转换器252和第二模数转换器254包括将温度传感器与微处理器250耦接的测量电路。
存储器256是与微处理器250电耦接的数字数据存储设备。存储器256包含关于管材料和杆部分的数据以及例如热阻抗信息的参数。杆部分的热阻抗将在系统制造期间确定，并因此可以在制造期间输入。管材料的热阻抗可以在系统的运转期间选择，或者否则可以在校准或其他合适过程期间经验性地确定。无论如何，存储器256包含允许微处理器250根据从温度传感器152和162获得的信号来估计过程流体温度信息的参数。
存储器256内存储的过程容器壁参数可以包括过程容器壁的物理特征，例如过程容器壁的Kw，以及过程容器壁厚度。当制造温度测量组件时，可以在存储器256中存储过程容器壁参数。然而，如以上所阐述的，可以在组件的配置或运转期间或在校准过程期间确定这些参数。
根据傅里叶传导定律，通过杆部分110的热通量应当与通过过程容器102壁的热通量相同。在这种情况下，可以根据从温度传感器152获得的信号和从端子温度传感器162获得的信号来确定过程容器壁内表面的温度(以及过程流体温度)。
在图4中所示的实施例中，外壳108还可以包括通信接口258。通信接口258提供温度测量组件与控制或监测系统262之间的通信。在这样配备的情况下，温度测量系统还可以被称为温度测量变送器，并且可以将过程流体的温度发送给控制或监测系统252。温度测量系统和控制或监测系统262之间的通信可以通过任意合适的无线或硬线连接。例如，通信可以由4-20mA范围内的双线环路上的模拟电流来表示。备选地，可以使用高速可寻址远程换能器数字协议在双线环路上或使用例如FOUNDATIONTM现场总线的数字协议在通信总线上传送通信。通信接口258可以可选地或备选地包括无线通信电路264，无线通信电路264用于通过使用根据IEC 62591的无线HART的无线过程通信协议的无线传输来进行通信。此外，与控制或监测系统262的通信可以是直接的或通过任意数量中间设备的网络(例如无线网格网络(未示出))。
通信接口258可以帮助管理并控制去向和来自温度测量系统的通信。例如，控制或监测系统262可以提供温度测量系统的配置，包括输入或选择任意合适数量的关于过程容器壁的热阻抗等的参数。
图4中所示的示例还可以包括本地操作者接口266。本地操作者接口266可以被提供用于显示过程流体的估计温度，以及由温度传感器152直接提供的外表面的测量温度。附加地，本地操作者接口可以提供由温度传感器162测量的端子温度的指示。此外，周围温度测量还可以使用附加温度传感器提供，并且这种测量可以可选地由本地操作者接口266来指示。本地操作者接口266可以包括允许用户与非侵入式温度测量系统交互的任意合适数量的按钮或小键盘。这种交互可以包括输入或选择过程流体管道的材料以及过程流体管道壁的厚度。
图5是根据本发明实施例的推断过程流体温度的方法的流程图。方法300在块302处开始，在块302处测量过程流体管道的外部温度。如以上所阐述的，优选地使用直接相对于过程流体管道的外径或表面设置的温度传感器来测量该外部温度。接下来，在块304处，测量非侵入式过程流体温度计算系统的外壳内的端子温度。尽管本文所描述的实施例通常参照变送器端子温度的测量，但本发明的实施例可以通过测量外壳本身的温度或外壳内的任意其他合适结构的温度来实现。接下来，在块306处，将测量到的外部管道温度和测量到的端子温度提供给处理设施(例如外壳108内布置的微处理器250)，使得可以例如如上所述，使用基本热通量计算来推断过程流体的温度。尽管至此所描述的实施例通常关注提供外壳108内计算的处理器(例如微处理器250)，显然可以预想，本文所描述的实施例还可以通过从外部管道温度传感器和端子温度传感器向可以估计过程流体温度的远端设施或处理器提供原始温度测量来实现。无论如何，基本热通量计算一般使用来自外部管道温度传感器和端子温度传感器的值提供对过程流体温度的估计。如以上所阐述的，可以根据本发明的一些实施例应用动态加权308，使得可以动态调整快速变化的条件。例如，在一个实施例中，可以通过以下方式进一步校正快速变化的过程流体温度条件：通过端子温度测量的变化率对比(由温度传感器152提供的)表面温度测量的变化率来动态调整存储器256中存储的传感器组件参数的热阻抗。如果表面温度正快速改变，可以在快速改变温度的时间段内应用附加校正，以使由于时间常数导致的误差最小。类似地，如果周围温度正相对于表面温度快速改变，则可以应用较少的校正。
接下来，在块310处，提供推断出的过程流体温度作为非侵入式过程流体温度计算系统的输出。该输出可以被提供为如在块312处所指示的经由本地操作者接口的本地输出，和/或该输出可以被提供给如块314处所指示的远端设备。此外，如块316处所指示的，向远端设备提供输出可以经由如块316处所指示的有线过程通信耦接，和/或可以如块318处所指示的无线地提供。
图6A和6B是示出根据本发明实施例的使用通量计算的非侵入式过程流体温度估计的结果的图表。如图6A中所示，在从大约12:40PM至2:45PM的时间间隔期间，管表面温度以相对小的程度波动。在该相同时间间隔中，端子温度在大约27摄氏度和大约33摄氏度之间波动。过程温度以参考符号400示出，并被校正的温度输出402非常紧密地跟踪。在图6B中直接指示该补偿误差。如所示，本发明的实施例提供了一种能够精确地反映在过程流体管道(例如管)内流动的过程流体温度、而不需要侵入到过程流体管道本身中的非侵入式过程流体温度计算或估计系统。因此，可以使用本文所描述的基于热通量的温度计算技术来改进过程控制。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到：可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节方面做出改变。

Claims (15)

1.一种过程流体温度计算系统，包括：
与过程流体管道的表面直接接触的第一温度传感器，被布置为测量过程流体管道的外部温度；
外壳，包括：
第二温度传感器，与所述第一温度传感器相间隔并与外壳内的端子块耦接，被配置为提供端子温度测量；
测量电路，与所述第一温度传感器和所述第二温度传感器耦接；
存储器，被配置为存储过程流体管道的热阻抗参数；以及
微处理器，与所述测量电路耦接，并被配置为：从所述测量电路接收温度信息，并使用热通量计算来计算过程流体温度输出，过程流体温度基于接收到的温度信息和存储在存储器中的过程流体管道的热阻抗参数来计算，以及通过调整存储在存储器中的过程流体管道的热阻抗参数，基于通过所述第一温度传感器测量到的温度的变化率相比于所述第二温度传感器测量到的温度的变化率来动态补偿所述过程流体温度输出。
2.根据权利要求1所述的过程流体温度计算系统，还包括：夹具，被配置为附在所述过程流体管道上，并保持所述过程流体管道和所述第一温度传感器之间的热接触。
3.根据权利要求1所述的过程流体温度计算系统，其中所述存储器还包含用于计算热通量的参数。
4.根据权利要求3所述的过程流体温度计算系统，其中所述参数包括所述过程流体管道的壁的物理特征。
5.根据权利要求4所述的过程流体温度计算系统，其中所述物理特征包括构造所述过程流体管道的材料。
6.根据权利要求4所述的过程流体温度计算系统，其中所述物理特征是过程流体管道壁厚度。
7.根据权利要求1所述的过程流体温度计算系统，还包括：围绕所述过程流体管道与所述第一温度传感器邻近布置的热绝缘。
8.根据权利要求2所述的过程流体温度计算系统，还包括：围绕所述夹具布置的热绝缘。
9.根据权利要求1所述的过程流体温度计算系统，还包括：通信接口，被配置为向远端设备传送所述输出。
10.根据权利要求1所述的过程流体温度计算系统，还包括：与所述微处理器耦接的本地操作者接口。
11.根据权利要求1所述的过程流体温度计算系统，其中所述测量电路包括多个模数转换器、与所述第一温度传感器耦接的第一模数转换器、和与所述第二温度传感器耦接的第二模数转换器。
12.一种计算过程流体管道内的过程流体的温度的方法，所述方法包括：
通过第一温度传感器测量所述过程流体管道的外表面的温度；
通过布置在外壳内的第二温度传感器获得相对于过程流体温度计算系统的外壳内的端子块的位置的端子温度信息，所述第二温度传感器与所述第一温度传感器相间隔并与外壳内的端子块耦接；
在存储器中存储过程流体管道的热阻抗参数；
使用热通量等式，利用测量到的来自所述过程流体管道的外表面的温度和所述端子温度信息，计算热通量；
使用计算得到的热通量结合存储在存储器中的过程流体管道的热阻抗参数来计算过程流体温度输出；以及
通过调整存储在存储器中的过程流体管道的热阻抗参数，基于通过所述第一温度传感器测量到的温度的变化率相比于所述第二温度传感器测量到的温度的变化率来动态补偿所述过程流体温度输出。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：在所述过程流体管道中提供具有已知温度的过程流体。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：基于所述过程流体管道的所述外表面的测量的变化率来对过程流体温度的估计进行动态补偿。
15.一种过程流体温度计算系统，包括：
管夹；
第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述管夹耦接并与过程流体管道的表面直接接触，并被配置为测量过程流体管道的外部温度；
与所述管夹耦接的外壳，所述外壳包括第二温度传感器、测量电路、存储器和微处理器，
其中所述第二温度传感器与所述第一温度传感器相间隔并与外壳内的端子块耦接，被配置为提供端子温度测量；
其中所述测量电路与所述微处理器以及所述第一温度传感器和所述第二温度传感器耦接；
其中所述微处理器与所述测量电路耦接，并被配置为：从所述测量电路接收温度信息，并使用热通量计算来计算过程流体温度输出，过程流体温度基于接收到的温度信息和存储在存储器中的过程流体管道的热阻抗参数来计算，以及通过调整存储在存储器中的过程流体管道的热阻抗参数，基于通过所述第一温度传感器测量到的温度的变化率相比于所述第二温度传感器测量到的温度的变化率来动态补偿所述过程流体温度输出。
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