CN113503957A - 热电偶套管中的振动检测 - Google Patents

Abstract

一种传感器系统包括过程换能器、无动力振动传感器和过程变送器。所述过程换能器设置在热电偶套管内并且配置用于产生第一传感器信号。所述无动力振动传感器配置用于产生反映所述热电偶套管的振动的第二传感器信号。所述过程变送器配置用于接收、处理和发送所述第一和第二传感器信号。

Description

热电偶套管中的振动检测

本申请是申请日为2014年3月14日的中国专利申请“热电偶套管中的振动检测”(申请号：201410095590.0)的分案申请。

技术领域

本发明通常涉及过程传感器系统，并且更具体地涉及用于工业过程监测系统中的流体传感器的热电偶套管传感器外壳。

背景技术

工业过程变送器和传感器组件用于感测流经导管或者包含在容器内的过程流体的各种特性，并且将与那些过程特性有关的信息发送至距所述过程测量位置远程设置的控制、监测和/或安全系统。每一个过程变送器均可以连接至一个或者多个传感器和/或致动器(actuator)组件。传感器组件可以感测许多过程参数，包括压力、温度、pH值或者流速。过程变送器典型地是经由传感器导线电连接的传感器组件，所述传感器导线用于发送基于电流或者电压的模拟传感器输出信号，所述模拟传感器输出信号反映(reflecting)至少一个这种过程参数。每一个变送器都读取这些传感器输出信号，并且将它们转换成所述过程参数的测量结果。最后，所述变送器将所述信息发送至所述控制系统。

用于感测过程流体温度和温度变化的传感器组件通常包括至少一个包封在延伸进入所述流体流的热电偶套管中的温度传感器。热电偶套管设计用于与过程流体物理接触，并且遮蔽所述温度传感器免受由与所述流体直接接触所造成的物理损伤(例如冲击、腐蚀等)，同时有效地传导所述流体与所述温度传感器之间的热量。热电偶套管可靠性在过程监测中是至关重要的，因为已经破裂或者损坏的热电偶套管会允许有害过程流体的泄漏，并且使精密和/或昂贵的传感器暴露于过程流体。严重的热电偶套管损伤会使热电偶套管脱离(detach)，可能对下游设备造成进一步损坏。

振动是损坏热电偶套管和所封闭的温度传感器的主要原因，实现振动衰减和预防对过程流体中传感器组件的持续操作是关键的。过程流在热电偶套管上的撞击(impingement)经由涡流在所述过程流体中造成湍流(turbulence)。这种湍流具有由多个因素确定的特征唤醒频率f_w，所述因素包括所述热电偶套管的几何尺寸和所述过程流体的条件和流速。当唤醒频率f_w接近所述热电偶套管的自然谐振频率f_r时，涡流会造成有害的热电偶套管振动。因此，经常利用预计的唤醒频率f_w设计热电偶套管，以避免f_w＝f_r谐振条件。然而，在热电偶套管的生命周期内，过程条件的变化会造成f_w和/或f_r的移动，增加了谐振条件的可能性。

发明内容

本发明涉及包括过程换能器、无动力振动传感器和过程变送器的传感器系统。所述过程换能器设置在热电偶套管内并且配置用于产生第一传感器信号。所述无动力振动传感器配置用于产生反映所述热电偶套管振动的第二传感器信号。所述过程变送器配置用于接收、处理和发送所述第一和第二传感器信号。

附图说明

图1是根据本发明的过程监测或者控制系统的简化图。

图2是用于图1的过程监测和控制系统的能量采集振动换能器的电路图。

图3是电压对频率的曲线，阐释了在图2的能量采集振动传感器的谐振频率下振动的效果。

具体实施方式

图1是过程系统10(用于监测和/或激励工业流体过程的系统)的一个实施例的简化剖视图。在所描述的实施例中，过程系统10包括过程变送器12、过程管线14(具有凸缘连接16)、热电偶套管18、过程换能器20、延伸件22、振动传感器24和控制或者监测系统26。

过程管线14承载用于工业过程的过程流F。过程管线14例如可以是配置用于承载流体(诸如油浆、粘性制造材料、气体或者液体)的管子(tube)或管道(duct)。过程管线14包括至少一个凸缘连接16，便于凸缘安装设备的连接，以测量过程流F的至少一个特性，诸如温度、流速、压力或者pH值。在所阐释的实施例中，凸缘连接16给热电偶套管18和过程换能器20提供附着点(attachment point)，并且提供过程管线中的孔，热电偶套管18和过程换能器20可以通过所述孔延伸进入过程流体F。过程流体F例如可以包括损坏或者其他不利于过程换能器20操作的化学品或者颗粒。

热电偶套管18是在过程流体F内过程换能器20周围的保护体。热电偶套管18例如可以是中空的锥形鞘，固定至凸缘连接16并且通过凸缘连接16设置进入过程流体F。热电偶套管18由具有较高热导率的材料(诸如黄铜、钢或铜)形成，以便将热量从过程流体F有效地传导至过程换能器20。热电偶套管18具有由其几何尺寸和结构确定的特征自然谐振频率f_r。

在所描述的实施例中，过程换能器20是包覆在热电偶套管18中的温度传感器探针，并且能够产生过程信号，所述过程信号反映靠近凸缘连接16的过程流体F的温度或者温度变化的至少之一。过程换能器20例如可以是热电偶、电阻式温度检测器或者热敏电阻器。热电偶套管18使过程换能器20免受过程流体F，防止损伤并且增大过程换能器20的预期寿命。热电偶套管18还利用凸缘连接16形成流体密封，从而防止过程换能器20附近过程流体F的泄漏。热电偶套管18例如可以是螺栓固定或者夹紧至凸缘连接16。在一些实施例中，过程系统10可以包括设置在热电偶套管18和凸缘连接16之间用于改进流体密封的附加密封部件(垫圈、O型环等)。

过程变送器12是信号处理和/或发送装置，接收和处理来自过程换能器20的信号以产生过程流体F的参数的至少一个测量结果。过程变送器12例如可以是逻辑功能装置，配置用于从接收自过程换能器20的电信号中提取过程测量结果。过程变送器12还可以包括诊断或者故障报告部件，并且可以包括持久存储器以存储与过程流体F有关的测量、控制和诊断数据。

在所描述的实施例中，过程换能器20经由延伸件22连接至过程变送器12。正如所描述的，延伸件22是支撑过程变送器12的刚性联接(rigid coupling)并且承载将过程变送器12连接至过程换能器20的信号线。尽管示出了将过程变送器12与过程换能器20间隔开地安装在延伸件22上，但是过程系统10的一些实施例可以利用直接安装至过程管线14、凸缘连接16或过程换能器20的或者远程安装的过程变送器。过程变送器12可以包括内部电源，和/或从外部电网连接或者能量采集装置接收功率。此外，如下参考图2和3更详细描述的，过程变送器12可以从振动传感器24接收补充功率。

振动传感器24是一种带有可调谐振动能量收集器的振动-电压换能器，所述可调谐振动能量收集器具有与热电偶套管18的谐振频率f_r紧密匹配的自然谐振频率f_s。在一些实施例中，例如可以通过改变这种振动能量收集器的振动臂的尖端质量或者臂长在制造期间调谐振动传感器24的自然谐振频率f_s。在其他实施例中，振动传感器24的自然谐振频率f_s可以是可配置调谐的，例如在过程系统10中的安装位置。尽管将振动传感器24描述为定位于延伸件22上，但是过程系统10的替代实施例可以包括定位于其他位置的振动传感器24，例如直接安装至热电偶套管18、过程换能器20或者过程变送器12。通常，振动传感器24定位于靠近热电偶套管18，使得来自热电偶套管18的涡流产生来自振动传感器24的输出电压，如下参考图2和3所述。由振动传感器24所产生电压的幅度对应于近似f_w至f_s。因为自然谐振频率f_s与f_r紧密匹配，振动传感器24的电压输出幅度构成了传感器信号，将近似f_w反映为热电偶套管18的谐振条件。延伸件22例如可以承载将这个传感器信号从振动传感器24发送至过程变送器12的信号线。

过程变送器12与控制或者监测系统26(在控制或者监测站的中央处理、数据归档和/或监测系统)通信，所述控制或者监测站会监视多个过程变送器12。过程变送器12将过程测量结果发送至控制或者监测系统26，包括从过程换能器20获得的温度测量结果和从振动传感器24获得的振动测量结果。这些过程测量结果例如可以是由过程变送器12产生的来自过程换能器20和振动传感器24的原始电压和/或电流信号的数字化副本(counterpart)。尽管过程系统10只阐释了连接至控制或者监测系统26的单一过程变送器12，但是过程系统10的一些实施例可以包括共享公共控制或者监测系统26的多个过程变送器12。类似地，尽管将过程变送器描述为只附属于一个振动传感器24和一个过程换能器20，过程系统10的替代实施例可以包括与单一过程变送器12通信的多个换能器和/或振动收集器。图1阐释了过程变送器12和控制或者监测系统26之间的有线连接。然而，更普遍地，过程变送器12可以经由多线电缆、光缆或者无线连接与控制或者监测系统26通信。在一些实施例中，过程变送器12可以经由在无线HART协议或者类似的发送/接收协议上工作的无线连接与控制或者监测系统26通信。除了所述过程和振动测量结果，过程变送器12可以给控制或者监测系统26提供诊断或者日志信息和故障警报。类似地，控制或者监测系统26可以给过程变送器12发出数据、复位或校准请求，或者其他指令。

过程管线14输送过程流体F通过热电偶套管18，所述热电偶套管包封过程换能器20并且使其不与过程流体F直接接触，同时使过程换能器20与过程流体F间接热接触。当过程流体F经过热电偶套管18周围时，热电偶套管18在过程流体F上的撞击引起热电偶套管18的湍流下游。这种涡流产生具有如上所述的特征唤醒频率f_w的湍流。通过对热电偶套管20为18)和振动传感器24的谐振频率进行匹配，过程系统10允许振动传感器24产生湍流过程流体F和热电偶套管20之间谐振的测量结果，从而能够使过程变送器12和/或控制或者监测系统26识别何时热电偶套管20经历或者接近对应于f_w＝f_r＝f_s的潜在损坏谐振条件。以这种方式，过程系统10能够在热电偶套管20完全失效之前检测热电偶套管20中的故障。

图2是振动传感器24的示意图，所述振动传感器包括振动能量收集器100(具有信号电压V_s)、整流器102(具有二极管D₁、D₂、D₃和D₄)、平滑滤波器104(具有电容器C)、分压器(具有电阻R₁和R₂)和输出终端108(具有输出电压V_out)。通常，输出与振动成正比的任何无动力装置可以代替振动能量收集器100。如上参考图2所述，选择或者调谐振动能量收集器100使得振动能量收集器100的谐振频率f_s与热电偶套管18的谐振频率f_r紧密匹配。例如可以根据ASME PTC19.3TW或者类似的工业标准计算或者经验地测试谐振频率f_r。如本领域中众所周知的，例如可以通过改变振动能量收集器100内的振动探针的尖端质量或者臂长来完成调谐。振动能量收集器100产生具有与振动传感器26处的机械振动相对应的周期和幅度的交变电流(AC)。振动收集器100用作具有信号电压V_s的交流电压源。整流器102、平滑滤波器104和分压器106一起构成信号调节电子设备，以根据信号电压V_S产生输出电压V_out。整流器102对信号电压V_s进行整流以产生直流(DC)信号。将整流器102描述为具有四个二极管D₁、D₂、D₃和D₄的全波四桥整流器。尽管所描述的实施例是简单和成本有效的，但是可以等效地使用其他类型的整流器，包括半波整流器和晶体管全波整流器。振动传感器24的一些实施例可以避开整流器102，并且替代地对由能量收集器100产生的AC信号进行快速采样。平滑滤波器104从整流器102的直流输出中去除瞬变。在所描述的实施例中，平滑滤波器104包括单个连接至地的电容器C。分压器106对所得到的平滑直流信号进行缩放，以在输出终端108处产生标准化的输出电压信号V_out。这个输出电压信号V_out例如可以由过程变送器12(参见图1，如上所述)数字化，以产生在热电偶套管18附近谐振的数字测量结果，或者可以以模拟方式处理。在一些替代的实施例中，V_out或者V_s可以与来自换能器20的过程传感器信号进行耦合，从而允许在过程变送器12的单个端子处接收到所述组合信号并且数字地去耦。

V_out不是热电偶套管18处振动幅度的直接测量。相反，由于f_r≈f_s，振动能量收集器100将倾向于使热电偶套管18的谐振条件处信号电压V_s(以及对应的输出电压V_out)最大。因此，振动传感器24的V_out提供热电偶套管18的振动频率(主要由于具有唤醒频率f_w的涡流)和热电偶套管谐振频率f_r之间的接近程度测量。当f_w远离f_r时，V_out较小，并且存在很小的热电偶套管18和过程流体F的湍流之间有害谐振的风险。当f_w接近f_r时，V_out相对较大，对应于热电偶套管18中增加的谐振和增加的振动。因此，V_out的较大数值对应于热电偶套管18的潜在有害谐振条件。下面参考图3更加详细地讨论了这种关系。

如图2所公开的，振动传感器24包括具有相对简单布线的无动力传感器。因为振动能量收集器100产生交流电压信号，所述交流电压信号反映了直接来自振动传感器24的机械振动的振动幅度，不需要补充的电压源来运行振动传感器24。在一些实施例中，来自振动能量收集器100的附加功率可以路由至过程变送器12和/或用于给指示谐振条件的视频或者音频指示供电。

图3描述了输出电压V_out根据唤醒频率f_w变化的示例性图表。如上参考图2所述，输出电压V_out在f_s(振动能量收集器100的谐振频率)处最大。调谐或者选择振动能量收集器100使得f_s≈f_r。因此，V_out在f_w＝f_s≈f_r处或者附近达到最大值，对应于热电偶套管18的谐振条件，很可能在热电偶套管18中产生有害振动。图3阐释了与谐振频率f_r有关的谐振范围Δf_r。谐振范围Δf_r对应于足够接近f_r以造成热电偶套管18中有害振动的唤醒频率f_w的频带。在谐振范围Δf_r内感测的振动频率产生输出电压V_out≥V_r(谐振阈值电压)。过程变送器12和/或控制或者监测系统26例如可以标记(flag)热电偶套管18用于替换或者当V_out>V_r时发出警报，特别是如果V_out>V_r一段较长时间时。可以根据机器公差、f_s至f_r的调谐精度和f_r的估计精度选择谐振阈值电压V_r。在替代实施例中，过程变送器12和/或控制或者监测系统26可以在不与任何谐振阈值电压V_r进行比较的情况下记录输出电压V_out。

振动传感器24提供了一种紧凑并且廉价的装置，用于在部件失效之前检测热电偶套管18的潜在有害谐振条件。为了便于分发和安装，可以对热电偶套管进行编码和/或与对应的具有匹配谐振频率(f_s≈f_r)的振动传感器一起出售，允许终端用户选择适用于每一个热电偶套管18的振动传感器24，而不是个人调谐振动传感器24。振动传感器24不抽取(draw)外部电源，因此不需要来自过程变电器18的电源或者单独的电源。在一些实施例中，振动传感器24可以替代电源给过程变送器12供电，补充或者替代来自其他来源的功率。

尽管已经参考示例实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会理解，在不背离本发明范围的情况下，可以做出各种变化，并且可以用等同物替代其元件。此外，可以做出许多修改，以便在不背离本发明本质范围的情况下使特定的情况或者材料适应于本发明的教义。因此，目的在于本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (21)

1.一种传感器系统，包括：

过程换能器，设置在热电偶套管内并且配置用于产生第一传感器信号；

无动力振动传感器，包括振动能量收集器和信号调节电子设备，所述振动能量收集器配置用于根据所述热电偶套管附近的振动产生交变电流，所述信号调节电子设备配置用于根据所述交变电流产生反映所述热电偶套管的振动的第二传感器信号，其中所述第二传感器信号提供所述热电偶套管的振动频率和所述热电偶套管的谐振频率之间的接近程度测量；以及

过程变送器，配置用于接收、处理和发送所述第一和第二传感器信号。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述过程换能器设置用于感测过程流体的参数，并且其中所述第一传感器信号反映所述过程流体的参数。

3.根据权利要求2所述的传感器系统，其中所述过程换能器是温度传感器，并且所述第一传感器信号是温度信号。

4.根据权利要求2所述的传感器系统，其中所述过程流体在所述热电偶套管上的撞击造成所述热电偶套管的振动。

5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述振动能量收集器和所述热电偶套管具有相同的谐振频率。

6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第二传感器信号是所述振动能量收集器的已处理输出电压幅度。

7.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述信号调节电子设备包括整流器、平滑滤波器和分压器。

8.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括控制或者监测系统，所述过程变送器将所述第一和第二传感器信号发送至所述控制或者监测系统。

9.根据权利要求8所述的传感器系统，其中所述过程变送器或者所述控制或者监测系统基于所述第二传感器信号标记警报条件。

10.根据权利要求9所述的传感器系统，其中所述过程变送器或者所述控制或者监测系统响应于所述第二传感器信号上升或者保持在阈值以上来标记所述警报条件。

11.一种用于监测过程流体的过程系统，所述过程系统包括：

热电偶套管，延伸进入所述过程流体中；

过程换能器，包覆在所述热电偶套管中，并且配置用于产生反映所述过程流体的特性的过程信号；

无动力振动传感器，位于所述热电偶套管附近，并且配置用于产生反映所述热电偶套管附近的振动的振动信号，其中所述无动力振动传感器包括：

振动能量收集器，配置用于根据所述热电偶套管附近的振动产生交变电流；以及

信号调节电子设备，配置用于根据所述交变电流产生输出信号，

其中所述输出信号提供所述热电偶套管的振动频率和所述热电偶套管的谐振频率之间的接近程度测量；以及

过程变送器，配置用于接收和处理所述过程信号和所述振动信号。

12.根据权利要求11所述的过程系统，其中所述过程换能器是温度传感器，并且所述过程流体的特性是过程流体中的温度或者过程流体中的温度变化。

13.根据权利要求11所述的过程系统，其中所述过程变送器配置用于如果所述振动信号上升或者保持在阈值以上，则标记警报条件。

14.根据权利要求11所述的过程系统，其中所述信号调节电子设备包括全波整流器以将所述交变电流转换成直流电流。

15.根据权利要求11所述的过程系统，其中所述信号调节电子设备包括电容器以平滑瞬变信号。

16.根据权利要求11所述的过程系统，其中所述信号调节电子设备包括由多个电阻器构成的分压器以缩放所述输出信号。

17.根据权利要求11所述的过程系统，其中对所述振动能量收集器进行调谐以与所述热电偶套管共享相同的谐振频率。

18.根据权利要求11所述的过程系统，其中所述无动力振动传感器至少部分地给所述过程变送器供电。

19.根据权利要求11所述的过程系统，还包括与所述过程变送器通信的控制或者监测系统，以分别基于所述过程信号和所述振动信号接收过程和振动测量结果。

20.根据权利要求11所述的过程系统，其中将所述无动力振动传感器固定至从所述过程换能器延伸至所述过程变送器的刚性连接。

21.根据权利要求11所述的过程系统，其中所述热电偶套管延伸穿过承载所述过程流体的过程管线。

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