CN115087158A - 用于热量梯度补偿的具有虚拟感测的加热器束 - Google Patents

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杰里米·昆特
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Abstract

一种系统，包括加热器束，该加热器束具有至少一个加热器组件，该加热器组件具有多个加热器单元。至少一个加热器单元限定至少一个独立受控的加热区域，以及多个供电导线电连接到加热器单元。一种电源装置，包括控制器，该控制器配置成通过所述供电导线对所述至少一个独立受控的加热区域调制功率，并且所述控制器配置成基于预定模型和至少一个输入来计算所述至少一个加热器单元内的温度，并且控制器基于计算出的温度对至少一个加热器单元调制功率。

Description

用于热量梯度补偿的具有虚拟感测的加热器束
相关申请的交叉引用
本申请是2019年2月11日递交的、标题为“Heater Bundle for AdaptiveControl”、申请号为16/272,668的美国申请的部分继续申请，其是2016年3月2日提交的、申请号为15/058,838的美国申请的继续申请(现在是美国专利No.10,247,445)。上述公开的内容以全文引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及电加热器，并且更具体地涉及用于加热流体(例如换热器内的流体)的加热器。
背景技术
本节中的描述仅提供与本发明相关的背景信息，且不一定构成现有技术。
流体加热器可以是筒式加热器的形式，其具有杆配置，以加热沿着筒式加热器的外表面流动或流经筒式加热器的外表面的流体。筒式加热器可以设置在换热器内部，用于加热流过换热器的流体。如果筒式加热器未完全密封，湿气和流体会进入筒式加热器，从而污染将电阻加热元件与筒式加热器的金属护套电隔离的绝缘材料，导致介电击穿并因此导致加热器故障。湿气还会导致供电导线和外金属护套之间的短路。筒式加热器的故障会导致使用筒式加热器的设备的昂贵的停机。
发明内容
本节提供了本发明的总体内容，并不是其全部范围或所有特征的全面公开。
本发明提供了一种加热器系统，其包括具有至少一个加热器组件的加热器束，该加热器组件具有多个加热器单元，至少一个加热器单元限定至少一个独立受控的加热区域。多个供电导线电连接到加热器单元，并且电源装置包括控制器，该控制器配置成通过供电导线对至少一个独立受控的加热区域调制功率。控制器配置成基于预定模型和至少一个输入来计算至少一个加热器单元内的温度，并且控制器基于计算出的温度对至少一个加热器单元调制功率。
在该加热器系统的变型中，其可以单独地或以任何组合实施：至少一个加热器单元是端部加热器单元；至少一个输入包括加热器束内另一位置的温度；至少一个输入包括多个加热器单元中的至少一个的至少一个温度；至少一个输入包括加热器束的功耗；至少一个输入包括加热器束在预定时间段内的平均功耗；至少一个输入包括加热器束的电压和/或至少一个加热器单元的电压；至少一个输入包括加热器束的电流和/或至少一个加热器单元的电流；至少一个输入包括加热器束的电流泄漏；至少一个输入包括加热器束的绝缘电阻；至少一个输入包括流体温度、流体速率、流体速度和流体质量流率中的至少一个；控制器通过以下方式计算温度：向多个加热器单元供应已知电流，测量至少一个独立受控加热区域的电压，以及将所测量的电压与已知电流所关联的标称电压比较以识别电压偏差和/或对应的电阻偏差；并且控制器通过以下方式计算温度：向多个加热器单元供应已知电压，测量至少一个独立受控加热区域的电流，以及将所测量的电流与已知电压所关联的标称电流比较以识别电流偏差和/或对应的电阻偏差。
在该加热器系统的另一变型中，用于加热流体的设备包括密封外壳，该外壳限定内腔并具有流体入口和流体出口，并且至少一个加热器组件设置在外壳的内腔内。至少一个加热器组件适于向外壳内的流体提供响应的热分布。基于如本文的虚拟感测的实施，热量分布是“响应式”的。
在本发明的另一个实施方式中，加热器系统包括加热器组件，该加热器组件包括多个加热器单元，至少一个加热器单元限定至少一个独立受控的加热区域。多个供电导线电连接到加热器单元，并且电源装置包括控制器，该控制器配置成通过供电导线对至少一个独立受控的加热区域调制功率。控制器配置成基于预定模型和至少一个输入来计算至少一个加热器单元内的温度，并且控制器基于计算出的温度对至少一个加热器单元的调制功率。
在该加热器系统的变型中，其可以单独地或以任何组合实施：至少一个加热器单元是端部加热器单元；控制器通过以下方式计算温度：向多个加热器单元供应已知电流，测量至少一个独立受控加热区域的电压，以及将所测量的电压与已知电流所关联的标称电压比较以识别电压偏差和/或对应的电阻偏差；并且控制器通过以下方式计算温度：向多个加热器单元供应已知电压，测量至少一个独立受控加热区域的电流，以及将所测量的电流与已知电压所关联的标称电流比较以识别电流偏差和/或对应的电阻偏差。此外，具有加热器系统的这些变型的装置包括密封外壳，该外壳限定内部腔室并具有流体入口和流体出口。加热器组件设置在外壳的内腔内，并且适于对外壳内的流体提供响应的热分布。
在又一个实施方式中，加热器系统包括加热器组件，该加热器组件包括多个加热器单元，多个加热器单元中的多于一个限定至少一个独立受控的加热区域。多个供电导线电连接到加热器单元，并且电源装置包括控制器，该控制器配置成通过供电导线对独立受控的加热区域调制功率。控制器配置成基于预定义模型和至少一个输入来计算至少一个加热器单元内的温度，并且控制器基于计算的温度对多于一个加热器单元调制功率。
在该加热器系统的变型中，其可以单独地或以任何组合实施：至少一个加热器单元是端部加热器单元；控制器通过以下方式计算温度：向多个加热器单元供应已知电流，测量至少一个独立受控加热区域的电压，以及将所测量的电压与已知电流所关联的标称电压比较以识别电压偏差和/或对应的电阻偏差；并且控制器通过以下方式计算温度：向多个加热器单元供应已知电压，测量至少一个独立受控加热区域的电流，以及将所测量的电流与已知电压所关联的标称电流比较以识别电流偏差和/或对应的电阻偏差。
从本文提供的描述中，另外的应用领域将变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
为了可以很好地理解本发明，参考附图，现在将描述通过示例给出的其各种形式，其中：
图1是根据本发明的教导构造的加热器束的立体图；
图2是根据本发明的教导的图1的加热器束的加热器组件的立体图；
图3是根据本发明的教导的图1的加热器束的加热器组件的变型的立体图；
图4是根据本发明的教导的图3的加热器组件的立体图，其中，为了清楚起见，移除了加热器组件的外护套；
图5是根据本发明的教导的图3的加热器组件的芯体的立体图；
图6是根据本发明的教导的包括图1的加热器束的换热器的立体图，其中出于说明目的，加热器束被部分地从换热器拆卸以暴露加热器束；
图7是操作包括根据本发明的教导所构造的加热器束的加热器系统的方法的框图；
图8是根据本发明的教导的包括供热件的加热器组件的立体图；
图9是根据本发明的教导的加热器组件沿着图8的线9-9的的剖视图；
图10是根据本发明的教导的加热器组件沿着图8的线10-10的剖视图；
图11是根据本发明的教导的包括另一供热件的加热器组件的立体图；
图12是根据本发明的教导的加热器组件沿着图11的线12-12的加热器组件的剖视图；
图13是根据本发明的教导的加热器组件沿着图11的线13-13的加热器组件的剖视图；
图14是根据本发明的教导的包括另一供热件的加热器组件的立体图；
图15是根据本发明的教导的图14的加热器组件的供热件的侧视图；
图16是根据本发明的教导的包括供热件的加热器组件的立体图；
图17是根据本发明的教导的包括供热件的加热器组件的立体图；
图18是根据本发明的教导的加热器组件沿着图17的线18-18的剖视图；
图19是根据本发明的教导的加热器组件沿着图17的线19-19的剖视图；和
图20是根据本发明的教导的包括供热件的加热器组件的立体图。
本文所描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用或用途。
参考图1，根据本发明的教导所构造的加热器系统总体上用附图标记10表示。加热器系统10包括加热器束12和电连接到加热器束12的电源装置14。电源装置14包括用于控制对加热器束12的能量供应的控制器15。如在本发明中所使用的，“加热器束”是指包括可以独立受控的两个或更多个物理上不同的加热装置的加热器设备。因此，当加热器束中的一个加热装置发生故障或变差时，加热器束12中剩余的加热装置可以继续操作。
在一个实施方式中，加热器束12包括安装凸缘16和固定到安装凸缘16的多个加热器组件18。安装凸缘16包括加热器组件18延伸穿过的多个孔20。尽管在该实施方式中将加热器组件18布置成平行，但应理解，加热器组件18的替代位置/布置也在本发明的范围内。
如进一步所示，安装凸缘16包括多个安装孔22。通过使用穿过安装孔22的螺钉或螺栓(未示出)，安装凸缘16可以装配到携带待加热的流体的容器或管道(未示出)的壁。在本发明的该实施方式中，加热器组件18的至少一部分浸入容器或管道内部的流体中以加热流体。
参考图2，根据一个实施方式的加热器组件18可以是筒式加热器30的形式。筒式加热器30是管状加热器，其通常包括芯体32、缠绕在芯体32周围的电阻加热丝34、将芯体32和电阻加热丝34包裹在其中的金属护套36、以及绝缘材料38。绝缘材料38填充在金属护套36中的空间中，以使电阻加热丝34与金属护套36电隔离并将热量从电阻加热线34热传导到金属护套36。芯体32可以由陶瓷制成。绝缘材料38可以是压实的氧化镁(MgO)。多个供电导线42沿着纵向方向延伸穿过芯体32并且电连接到电阻加热丝34。供电导线42还延伸穿过密封金属护套36的端件44。供电导线42连接到电源装置14(如图1所示)以从电源装置14向电阻加热丝34供应能量。虽然图2仅示出了延伸穿过端件44的两个供电导线42，但是多于两个的供电导线42可以延伸穿过端件44。供电导线42可以是导热销的形式。美国专利No.2,831,951和No.3,970,822中更详细地阐述筒式加热器的各种构造和另外的结构和电气细节，这些专利与本申请共同转让，并且其内容以全文引用的方式并入本文。因此，应当理解，这里所说明的形式仅仅是示例性的，且不应被解释为限制本发明的范围。
替代地，可以使用多条电阻加热丝34和多对供电导线42来形成多个加热电路，这些加热电路可以被独立控制以提高筒式加热器30的可靠性。因此，当电阻加热丝34中的一根发生故障时，剩余的电阻加热丝34可以继续产生热量而不会导致整个筒式加热器30发生故障并且不会导致昂贵的停机。
参考图3至5，加热器组件50可以是筒式加热器的形式，除了所使用的芯体数量和供电导线数量不同以外，其具有与图2的配置类似的配置。更具体地，每个加热器组件50包括多个加热器单元52，以及将多个加热器单元52以及多个供电导线56包围在其中的外金属护套54。绝缘材料(图3-5中未示出)设置在多个加热器单元52和外金属护套54之间以使加热器单元52与外金属护套54电隔离。每个加热器单元52包括芯体58和环绕芯体58的电阻加热元件60。每个加热器单元52的电阻加热元件60可以限定一个或多个加热电路，以限定一个或多个加热区域62。
在本实施方式中，每个加热器单元52限定一个加热区域62，并且每个加热器组件50中的多个加热器单元52沿着纵向方向X对齐。因此，每个加热器组件50限定沿着纵向方向对齐的多个加热区域62。每个加热器单元52的芯体58限定多个通孔/孔64以允许供电导线56延伸穿过通孔/孔64。加热器单元52的电阻加热元件60连接到供电导线56，供电导线56又连接到电源装置14。供电导线56将来自电源装置14的功率提供给多个加热器52。通过将供电导线56正确地连接到电阻加热元件60，多个加热器单元52的电阻加热元件60可以由电源装置14的控制器15独立地控制。这样，对于特定加热区域62的一个电阻加热元件60的故障将不影响对于剩余加热区域62的剩余电阻加热元件60的正常运行。此外，加热器单元52和加热器组件50可以互换，以便于维修或装配。
在本实施方式中，对每个加热器组件50使用六个供电导线56以向五个加热器单元52上的五个独立电加热电路能量供应。替代地，六个供电导线56可以以某种方式连接到电阻加热元件60以限定五个加热器单元52上的三个完全独立的电路。可以具有任意数量的供电导线56以形成任意数量的独立受控的加热电路和独立受控的加热区域62。例如，七个供电导线56可以用于提供六个加热区域62。八个供电导线56可用于提供七个加热区域62。
供电导线56可以包括多个供电和回电导线、多个回电导线和单一供电导线、或多个供电导线和单一回电导线。如果加热区域的数量为n，则供电和回电导线的数量为n+1。
替代地，通过电源装置14的控制器15，通过多路复用、极性感测开关和其他电路拓扑来创建更多数量的电力上不同的加热区域62。在美国专利No.9,123,755、No.9,123,756、No.9,177,840、No.9,196,513及其相关申请中公开了对于给定数量的供电导线(例如，对于15或30个区域，具有六个供电导线的筒式加热器)，这些专利申请与本申请共同转让，且其内容以全文引用的方式并入本文。
利用这种结构，每个加热器组件50包括多个加热区域62，这些加热区域62可以被独立控制以改变沿着加热器组件50的长度的功率输出或热分布。加热器束12包括多个这样的加热器组件50。因此，加热器束12提供了多个加热区域62和定制的热分布，用于加热流过加热器束12的流体以适应特定应用。电源装置14可以配置成向每个独立受控的加热区域62调制功率。
例如，加热器组件50可以限定“m”个加热区域，并且加热器束可以包括“k”个加热器组件50。因此，加热器束12可以限定m×k个加热区域。加热器束12中的多个加热区域62可以响应加热条件和/或加热要求而单独地和动态地控制，加热条件和/或加热要求包括但不限于单独加热器单元52的使用寿命和可靠性、加热器单元52的尺寸和成本、加热器单元52的局部加热器通量、特性和操作，以及整个功率输出。
每个电路都被单独控制在所需的温度或所需的功率水平，使得温度和/或功率的分布适应系统参数的变化(例如制造变化/公差、改变环境条件、改变入口流量条件，例如，入口温度、入口温度分布、流速、速度分布、流体成分、流体热容等)。更具体地，由于制造变化以及随时间加热器退化的不同程度，当在相同功率水平下操作时，加热器单元52不产生相同的热量输出。加热器单元52可以独立地控制以根据期望的热分布来调整热输出。加热器系统的部件的单独制造公差和加热器系统的装配公差随电源的调制功率而增加，或者换句话说，由于加热器控制的高保真，各个部件的制造公差不必那么严格/范围窄。
每个加热器单元52可以包括用于测量加热器单元52的温度的温度传感器(未示出)。当检测到加热器单元52中的热点时，电源装置14可以减少或关闭在其上检测到热点的加热器单元52的功率以避免特定加热器单元52的过热或故障。电源装置14可以调制与禁用的加热器单元52相邻的加热器单元52的能量供应，以补偿所减少的来自特定加热器单元52的热量输出。
电源装置14可以包括多区域算法，以关闭或降低输送到任何特定区域的功率水平，并增加到与被禁用并具有减少的热输出的特定加热区域相邻的加热区域的功率。通过向每个加热区域仔细调制功率，可以改善系统的整体可靠性。通过检测热点并相应地控制能量供应，加热器系统10具有改善的安全性。
具有多个独立受控的加热区域62的加热器束12可以实现改善的加热。例如，加热器单元52上的一些电路可以以小于100％(或以是施加线电压的加热器产生的能量的一部分的平均功率水平)的标称(或“典型”)占空比操作。较低的占空比允许使用更大直径的电阻加热丝，从而改善可靠性。
通常，较小的区域将采用更细的导线尺寸来实现给定的电阻。可变功率控制允许使用更大的导线尺寸，并且可以适应更低的电阻值，同时通过与加热器的功耗能力相关联的占空比限制来保护加热器免受过载。
比例因子的使用可以与加热器单元52或加热区域62的容量相关联。多个加热区域62允许对加热器束12进行更准确的确定和控制。特定的加热电路/区域将允许几乎所有区域处的更积极(即，更高)的温度(或功率水平)，这又导致加热器束12的更小、成本更低的设计。在美国专利No.7,257,464中公开了这样的比例因子和方法，该专利与本申请共同转让，其内容以全文引用的方式并入本文。
可以使由单独电路控制的加热区域的尺寸相等或不同，以减少将温度或功率的分布控制到所需精度所需的区域的总数量。
参考图1，加热器组件18示出为单一端加热器，即，导热销延伸穿过加热器组件18的仅一个纵向端。加热器组件18可延伸穿过安装凸缘16或隔板(bulkhead)(未示出)并密封到凸缘16或隔板上。因此，可以单独移除和更换加热器组件18，而无需从容器或管中移除安装凸缘16。
替代地，加热器组件18可以是“双端”加热器。在双端加热器中，金属护套被弯曲成发夹形状，并且供电导线穿过金属护套的两个纵向端部，从而使金属护套的两个纵向端部穿过并密封到凸缘或隔板。在这种结构中，在可以更换单独的加热器组件18之前，凸缘或隔板需要从外壳或容器中移除。
参考图6，加热器束12并入到换热器70中。换热器70包括限定内腔(未示出)的密封的外壳72、布置在外壳72的内腔内的加热器束12。密封外壳72包括流体入口76和流体出口78，流体通过流体入口76和流体出口78流入密封外壳72的内腔和从密封外壳72的内腔流出。流体由设置在密封外壳72中的加热器束12加热。加热器束12可以布置用于横向流动或平行于其长度的流动。
加热器束12连接到电源装置14，该电源装置14可以包括调制功率的装置，例如开关装置或可变变压器，以调制提供给单独区域的功率。功率调制可以根据时间或基于每个加热区域的检测温度来执行。
电阻加热丝还可以起传感器的作用，使用电阻丝的电阻来测量电阻丝的温度，并使用相同的供电导线将温度测量信息发送到电源装置14。感测每个区域的温度的装置将允许沿着加热器束12中的每个加热器组件18的长度(向下至单独区域的分辨率)控制温度。因此，可以省去额外的温度感测电路和感测装置，从而降低制造成本。当试图最大化给定电路中的热通量同时保持系统所需的可靠性水平时，直接测量加热器电路温度是明显的优势，因为它消除或最小化了与使用单独的传感器相关联的许多测量误差。加热元件温度是对加热器可靠性影响最大的特性。在美国专利No.7,196,295中公开了使用电阻元件同时起加热器和传感器的作用，该专利与本申请共同转让，并且其内容以引用的方式整体并入本文。
替代地，供电导线56可以由不同种类的金属制成，使得不同种类的金属的供电导线56可以产生用于测量电阻加热元件的温度的热电偶。例如，至少一组供电和回电导线可以包括不同的材料，使得在不同的材料和加热器单元的电阻加热元件之间形成结，并用于确定一个或多个区域的温度。使用“集成”和“高度热耦合”感测，例如使用用于加热器的不同的金属，导致类似热电偶的信号的产生。在美国申请No.14/725,537中公开了用于温度测量的集成和耦合的供电导线的使用，该申请与本申请共同转让，并且其内容以全文引用的方式并入本文。
用于调制输送到每个区域的电功率的控制器15可以是闭环自动控制系统。闭环自动控制系统接收来自每个区域的温度反馈并自动和动态地控制向每个区域的功率输送，从而自动和动态地控制沿着加热器束12中的每个加热器组件18的长度的功率分布和温度，而无需持续或频繁的人工监控和调整。
如本文所公开的加热器单元52也可以使用多种方法(包括但不限于对每个加热器单元52通电和采样以计算其电阻)来校准。然后可以将计算出的电阻与校准电阻进行比较以确定电阻比，或者与一个值进行比较，然后确定实际的加热器单元温度。在美国专利No.5,280,422和No.5,552,998中公开了示例性方法，这些专利与本申请共同转让，并且其内容以全文引用的方式并入本文。
一种校准形式包括在至少一种操作模式下操作加热器系统10，控制加热器系统10以对独立受控的加热区域62中的至少一个产生期望的温度，收集和记录用于操作模式的至少一个独立受控的加热区域62，然后访问所记录的数据以确定用于具有减少数量的独立控制加热区域的加热系统的操作规范，然后使用具有减少数量的独立受控的加热区域的加热系统。举例来说，数据可以包括功率水平和/或温度信息，以及来自收集和记录其数据的加热器系统10的其他操作数据。
在本发明的变型中，加热器系统可包括单一加热器组件18，而不是包括加热器束12中的多个加热器组件。单一加热器组件18包括多个加热器单元52，每个加热器单元52限定至少一个独立受控的加热区域。类似地，供电导线56电连接到每个加热器单元52中的每个独立受控的加热区域62，并且电源装置配置成通过供电导线56向加热器单元的每个独立受控的加热区域62调制功率。
参考图7，控制加热器系统的方法100包括在步骤102中，提供包括多个加热器组件的加热器束。每个加热器组件包括多个加热器单元。每个加热器单元限定至少一个独立受控的加热电路(以及因此的加热区域)。在步骤104中，通过电连接到每个加热器单元中的每个独立受控的加热区域的供电导线，向每个加热器单元供应功率。在步骤106中，检测每个区域内的温度。温度可以使用至少一个加热器单元的电阻加热元件的电阻变化来确定。可以通过测量区域电阻(或如果使用合适的材料，通过测量电路电压)来初步确定区域温度。
温度值可以数字化。信号可以传达到微处理器。在步骤108中，可以将测量的(检测的)温度值与每个区域的目标(期望的)温度进行比较。在步骤110中，基于测量的温度，可以调制向每个加热器单元供应的功率以实现目标温度。
可选地，该方法还可以包括使用比例因子来调整调制功率。比例因子可以是每个加热区域的加热能力的函数。控制器15可以包括算法，潜在地包括系统的缩放因子和/或动态行为的数学模型(包括系统更新时间的知识)，以确定待提供的功率的量(通过占空比、相位角触发(firing)、电压调制或类似技术)到每个区域，直到下一次更新。期望的功率可以转换为信号，该信号被发送到开关或其他功率调制装置以向单独的加热区域控制功率输出。
在本实施方式中，当至少一个加热区域由于异常状况而被关闭时，剩余的区继续提供所需的功率(瓦特)而不会出现故障。当在至少一个加热区域中检测到异常情况时，向功能加热区域调制功率以提供期望的功率。当基于确定的温度关闭至少一个加热区域时，剩余的区域继续提供所需的功率。根据所接收的信号、模型以及根据时间，向每个加热区域调制功率。
出于安全或过程控制的原因，典型的加热器通常在低于最大允许温度的情况下运行，以防止加热器的特定位置由于在特定位置发生不希望的化学或物理反应(例如燃烧/火/氧化，炼焦沸腾等)。因此，这通常由保守的加热器设计(例如，具有低功率密度且其大部分表面积加载有比其他方式可能低得多的热通量的大型加热器)来适应。
然而，利用本发明的加热器束，可以测量和限制加热器内任何位置的温度，并将其限制在单独加热区域的尺寸数量级的分辨率。可以检测到足够大以影响单独电路的温度的热点。
由于单独加热区域的温度可以自动调整并因此受到限制，每个区域的温度的动态和自动限制将保持该区域和所有其他区域以最佳功率/热通量水平操作，而不必担心超过在任何区域所需的温度限制。与当前将单独的热电偶夹紧在束中的一个元件的护套上的做法相比，这带来了高上限温度测量精度的优势。减小的差额和向单独区域调制功率的能力可以选择性地和单独地选择性地施加到加热区域，选择性地且单独地，而不是施加到整个加热器组件，从而降低超过预定温度上限的风险。
筒式加热器的特性可随时间而变化。另外，这种随时间变化的特性将要求筒式加热器设计用于单一选定(更坏情况)的流动状态，因此，筒式加热器将在其他流动状态的次优状态下操作。
然而，由于加热器组件中提供了多个加热单元，通过对整个束上的功率分布进行动态控制直至芯部尺寸的分辨率，可以实现针对各种流动状态的优化功率分布，而不是对应于典型筒式加热器中的仅一种流动状态的仅一种功率分布。因此，本申请的加热器束对于所有的其他流动状态允许增加总热通量。
此外，可变功率控制可以增加加热器设计的灵活性。在加热器设计中，电压可以与电阻(在很大程度上)去耦，并且可以将加热器设计为具有可以安装到加热器中的最大线径。对于给定的加热器尺寸和可靠性水平(或加热器的使用寿命)，它允许增加功率耗散能力，并允许在给定的总功率水平下减小束的尺寸。这种布置中的功率可以通过可变占空比来调制，该可变占空比是当前可用或正在开发的可变功率控制器的一部分。加热器束可以通过对给定区域的占空比的可编程(或预编程，如果需要)上限来保护，以防止加热器束“过载”。
参考图8，示出了具有供热件(thermal provision)的加热器组件50的立体图。通常，供热件配置成沿着至少一个加热器组件的长度改变导热系数以补偿至少一个加热器内的不均匀的温度。这种供热件可以采取如下文更详细阐述的多种形式。
如上所述，每个加热器组件50包括多个加热器单元52。每个加热器单元52限定端部加热器单元52-1和相邻加热器单元52-2中的一个。如图9-10所示，端部加热器单元52-1和相邻的加热器单元52-2中的每一个包括芯体58和围绕芯体58的电阻加热元件60。每个端部加热器单元52-1的电阻加热元件60限定一个或多个端部加热区域62-1，并且每个相邻加热器单元52-2的电阻加热元件60限定一个或多个相邻加热区域62-2。
端部加热器单元52-1和相邻的加热器单元52-2的电阻加热元件60连接到供电导线56，供电导线56又连接到电源装置14。供电导线56将来自电源装置14的功率供应到端部加热器单元52-1和相邻的加热器单元52-2。通过将供电导线56选择性地连接到电阻加热元件60，端部加热器单元52-1和相邻加热器单元52-2的电阻加热元件60可以由电源装置14的控制器15独立地控制。
在一个实施方式中，加热器组件50的供热件是通过导热套管120来实现的。作为示例，参考图10，导热套管120设置在靠近端部加热器单元52-1的电阻加热元件60处。在一个实施方式中，导热套管120环绕电阻加热元件60和芯体58，并且导热套管120设置在外金属护套54和电阻加热元件60之间。应当理解，在其他实施方式中，导热套管120可以不完全环绕电阻加热元件60和芯体58。还应理解，在其他实施方式中，导热套管120可以不设置在外金属护套54和电阻加热元件60之间。
在一个实施方式中，导热套管120具有的导热系数大于外金属护套54的导热系数。因此，导热套管120配置成相对于相邻的加热器单元52-2增加端部加热器单元52-1的导热系数，从而抑制沿着加热器组件50的不期望的温度梯度。
参考图11，示出了具有另一个示例供热件的加热器组件50的立体图。在一个实施方式中，加热器组件50的供热件通过外护套供热件130来实施。更具体，参考图12-13，加热器组件50分别包括端部外金属护套54-1和相邻的外金属护套54-2。端部外金属护套54-1和相邻的外金属护套54-2共同形成外金属护套54，并且外部护套供热件130由端部外金属护套54-2实施。
在一个实施方式中，端部外金属护套54-1和相邻的外金属护套54-2具有不同的厚度和/或导热系数。作为示例，相对于相邻的外金属护套54-2，端部外金属护套54-1具有更大的厚度和更高的导热系数。因此，端部外金属护套54-1配置成相对于相邻加热器单元52-2增加端部加热器单元52-1的传导性，从而抑制沿着加热器组件50的不期望的温度梯度。应该理解，端部外金属护套54-1和相邻的外金属护套54-2在其他变型中可以具有不同的厚度和/或导热系数，以选择性地控制沿着加热器组件50的热量梯度。
参考图14，示出了具有另一示例供热件的加热器组件50的立体图。在该实施方式中，加热器组件50的供热件由供电导线供热件140实施。供电导线供热件140由端部供电导线56-1和相邻供电导线56-2实施。在一个实施方式中，端部供电导线56-1和相邻的供电导线56-2共同形成多个供电导线56。端部供电导线56-1连接到端部加热器单元52-1的电阻加热元件60，并且相邻的供电导线56-2连接到相邻的加热器单元52-2的电阻加热元件60。
在一些实施方式中，参考图14-15，端部供电导线56-1和相邻的供电导线56-2具有不同的厚度、横截面积和/或导热系数。作为示例，与相邻的供电导线56-2的厚度(T2)和横截面面积(在该实施方式中其与厚度T2成正比)相比，端部供电导线56-1具有更大的厚度(T1)和横截面面积(在该实施方式中与厚度T1成正比)。因此，端部供电导线56-1配置成相对于相邻加热器单元52-2增加端部加热器单元52-1的传导性，从而抑制沿着加热器组件50的不希望的温度梯度。应该理解，端部供电导线56-1和相邻供电导线56-2可以具有不同的厚度、横截面积和/或其他形式的导热系数，以选择性地控制沿着加热器组件50的热量梯度。
参考图16，示出了具有另一示例供热件的加热器组件50的立体图。在一个实施方式中，加热器组件50包括端部间隔150和相邻的间隔152，并且加热器组件50的供热件由端部间隔150限定。如本文所用，“间隔”是指连续的加热器单元52之间的间隙。作为示例，端部间隔150是指端部加热器单元52-1和相邻加热器单元52-2之间的间隙，以及相邻间隔152参考相邻加热器单元52-2之间的间隙。在一个实施方式中，端部间隔150(W1)在纵向方向X上的宽度大于相邻间隔152(W2)在纵向方向X上的宽度。
虽然图16中所示的端部间隔150的宽度(W1)相等，但应当理解，在其他实施方式中，端部间隔150的宽度(W1)可以不相等。同样地，虽然图15中所示的相邻间隔152的宽度(W2)可以相等，但应理解，在其他实施方式中，相邻间隔152的宽度(W2)可以不相等。在一个实施方式中，端部间隔150的宽度(W1)小于或等于相邻间隔152的宽度(W2)。通过选择性地指定间隔150的宽度(W1)和相邻间隔152的宽度(W2)，端部加热器单元52-1相对于相邻的加热器单元52-2的导热系数可以增加，以抑制沿着加热器组件50的不希望的温度梯度。
参考图17，示出了具有另一示例供热件的加热器组件50的立体图。在一些实施方式中，加热器组件50包括端部间隔件160和相邻的间隔件162，并且加热器组件50的供热件由端部间隔件160实施。间隔件160设置在端部加热器单元52-1和相邻的加热器单元52-2之间，并且相邻的间隔件162设置在相邻的加热器单元52-2之间。端部间隔件160和相邻的间隔件162可以由具有较低导热系数的各种材料(例如陶瓷材料(例如，氮化铝、氮化硼、聚氨酯和玻璃基材料，例如硼硅酸盐玻璃、丙烯酸玻璃、玻璃纤维等))来实施。
在一些实施方式中，端部间隔件160在纵向方向X上的宽度(W3)大于相邻间隔件162在纵向方向X上的宽度(W4)，而图17中所示的端部间隔件160的宽度(W3)是相等的，应该理解，在其他实施方式中，间隔件160的宽度(W3)可以不相等。同样地，虽然图15中所示的相邻间隔件162的宽度(W4)相等，但应理解在其他实施方式中，相邻的间隔件162的宽度(W4)可以不相等。在一个实施方式中，端部间隔件160的宽度(W3)小于或等于相邻的间隔件162的宽度(W4)。通过选择性地指定间隔件160的宽度(W3)和相邻的间隔件162的宽度(W4)，端部加热器单元52-1的导热系数相对于相邻的加热器单元52-2可以增加，以抑制沿着加热器组件50的不希望的温度梯度。
在一个实施方式中，以上参照图14和图15描述的供电导线供热件140和端部间隔件160组合在一起共同形成供热件。作为一个示例，如图18-19所示，供电导线56-1在纵向方向X上沿着加热器组件50延伸，使得供电导线56-1设置在对应的端部间隔件160内和对应的端部加热器单元52-1内(未示出)。同样，相邻的供电导线56-2在纵向方向X上沿着加热器组件50延伸，使得相邻的供电导线56-2设置在对应的相邻间隔件162内和对应的相邻加热器单元52-2内(未示出)。在一些实施方式中，设置在端部间隔件160内的供电导线56-1具有比设置在相邻间隔件162内的相邻供电导线56-2更大的横截面积。应当理解，在其他实施方式中，设置在端部间隔件160内的供电导线56-1具有的截面面积可以小于或等于设置在相邻间隔件162内的相邻供电导线56-2的截面面积。
参考图20，示出了具有另一示例供热件的加热器组件50的立体图。在一个实施方式中，加热器组件50的供热件通过可变宽度供热件170来实施。可变宽度供热件170包括端部加热器单元52-1中的至少一个。在一些实施方式中，端部加热器单元52-1在纵向方向X上的宽度(W5)大于相邻加热器单元52-2在纵向方向X上的宽度(W6)。应该理解，在其他实施方式中，端部加热器单元52-1的宽度(W5)可以小于或等于相邻加热器单元52-2的宽度(W6)。通过选择性地指定端部加热器单元52-1的宽度(W5)和相邻加热器单元52-2的宽度(W6)，端部加热器单元52-1相对于相邻加热器单元52-2的传导性可以增加以抑制沿着加热器组件50的不期望的温度梯度。虽然未示出，但应该容易理解的是，用于加热器单元52的供电导线通过相邻的加热器单元52-2在端部加热器单元52-1之间延伸。
参考图8-20，控制器15配置成基于预定义模型(例如，表示加热器系统10的各种组件和/或动态行为等的数学模型)以及至少一个输入，计算加热器单元52中的至少一个(例如，端部加热器单元52-1)内的温度。(这种通用方法也可以称为“虚拟感测”，由于温度被计算而不是测量)。在一个实施方式中，至少一个输入包括但不限于在加热器束12内的另一位置处的温度、另一个加热器单元52的温度、位于加热器组件18上的独立受控的加热区域62中的任何一个的温度、加热器束12和/或任何一个加热器单元52的功耗、和/或加热器束12和/或任一加热器单元52在预定时间段内的平均功耗。在一个实施方式中，至少一个输入包括但不限于加热器束12和/或任何一个加热器单元52的电压、加热器束12的电流和/或任何一个加热器单元52的电流、加热器束12和/或任何一个加热器单元52的电流泄漏、和/或加热器束12的绝缘电阻。为了执行本文所述的功能，控制器15包括一个或更多的电路/部件，以获得至少一个输入(例如，用于测量加热器单元52的功率的一个或多个传感电路)。
作为示例，控制器15配置成通过最初向端部加热器单元52-1提供已知电流并测量加热器单元52的电压来计算端部加热器单元52-1内的温度。控制器15然后将测量的电压与已知电流相关联的标称电压进行比较，以识别电压偏差和/或相应的电阻偏差。随后，使用预定模型，控制器15基于电压偏差和/或相应的电阻偏差来计算端部加热器单元52-1的温度。如上所述，控制器15然后基于端部加热器单元52-1的温度通过供电导线56调制到独立受控的加热区域62的功率。为了执行本文所述的功能，控制器15包括一个或多个处理器，该处理器配置成执行存储在非瞬态计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM)和/或只读存储器(ROM))中的指令。替代地，控制器15通过以下来计算温度：向多个加热器单元52供应已知的电压，测量至少一个独立受控加热区域62的电流，以及将所测量的电流与已知电压所关联的标称电流比较以识别电流偏差和/或对应的电阻偏差。
除非本文另有明确说明，所有指示机械/热性能、组成百分比、尺寸和/或公差或其他特性的数值均应理解为在描述本发明的范围时由词语“约”或“近似”修饰。出于各种原因，包括工业实践、材料、制造和装配公差以及测试能力，需要这种修改。
使用各种术语(包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧邻”、“在……顶部”、“在……上方”、“在……下方”和“设置”)来描述元件之间的空间和功能关系。除非明确描述为“直接”，否则当在本发明中描述第一元件和第二元件之间的关系时，该关系可以是在第一元件和第二元件之间不存在其他中间元件的直接关系，并且也可以是在第一元件和第二元件之间存在一个或多个中间元件(空间上或功能上)的间接关系。如本文所用，短语A、B和C中的至少一个应被解释为表示使用非排他的逻辑或的逻辑(A或B或C)，而不应被解释为表示“A中的至少一个，B中的至少一个，以及C中的至少一个”。
本发明的描述本质上仅仅是示例性的，因此，不脱离本发明的实质的变化落入本发明的范围内。这种变化不应被视为背离本发明的精神和范围。此外，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文所述的系统、设备和方法的形式进行各种省略、替换、组合和改变，即使所述省略、替换、组合和改变在本发明的附图中未明确描述或说明。

Claims (23)

1.一种加热器系统，包括：
加热器束，所述加热器束包括：
至少一个加热器组件，所述至少一个加热器组件包括多个加热器单元，至少一个加热器单元限定至少一个独立受控的加热区域；
电连接到所述加热器单元的多个供电导线；和
电源装置，所述电源装置包括控制器，所述控制器配置成通过所述供电导线对所述至少一个独立受控的加热区域调制功率，
其中，所述控制器配置成基于预定义模型和至少一个输入来计算所述至少一个加热器单元内的温度，并且所述控制器基于计算出的温度对所述至少一个加热器单元调制功率。
2.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个加热器单元是端部加热器单元。
3.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述加热器束内的另一位置处的温度。
4.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述多个加热器单元中的至少一个的至少一个温度。
5.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述加热器束的功耗。
6.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述加热器束在预定时间段内的平均功耗。
7.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述加热器束的电压和/或至少一个加热器单元的的电压。
8.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述加热器束的电流和/或至少一个加热器单元的电流。
9.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述加热器束的电流泄漏。
10.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括所述加热器束的绝缘电阻。
11.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述至少一个输入包括流体温度、流体速率、流体速度和流体质量流率中的至少一个。
12.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述控制器通过以下方式计算温度：向所述多个加热器单元供应已知电流，测量所述至少一个独立受控加热区域的电压，并且将所测量的电压与已知电流所关联的标称电压比较以识别电压偏差和/或对应的电阻偏差。
13.根据权利要求1所述的加热器系统，其中，所述控制器通过以下方式计算温度：向所述多个加热器单元供应已知电压，测量所述至少一个独立受控加热区域的电流，并且将所测量的电流与已知电压所关联的标称电流比较以识别电流偏差和/或对应的电阻偏差。
14.一种用于加热流体的设备，包括：
密封的外壳，所述外壳限定内腔并具有流体入口和流体出口；和
根据权利要求1所述的加热器系统，所述至少一个加热器组件设置在所述外壳的所述内腔内，
其中，所述至少一个加热器组件适于向所述外壳内的流体提供响应的热分布。
15.一种加热器系统，包括：
加热器组件，所述加热器组件包括多个加热器单元，至少一个加热器单元限定至少一个独立受控的加热区域；
电连接到所述加热器单元的多个供电导线；和
电源装置，所述电源装置包括控制器，所述控制器配置成通过所述供电导线对所述至少一个独立受控的加热区域调制功率，
其中，所述控制器配置成基于预定义模型和至少一个输入来计算所述至少一个加热器单元内的温度，并且所述控制器基于计算出的温度对所述至少一个加热器单元调制功率。
16.根据权利要求15所述的加热器系统，其中，所述至少一个加热器单元是端部加热器单元。
17.一种用于加热流体的设备，包括：
密封的外壳，所述外壳限定内腔并具有流体入口和流体出口；和
根据权利要求15所述的加热器系统，所述加热器组件设置在所述外壳的所述内腔内，
其中，所述加热器组件适于向所述外壳内的流体提供响应的热分布。
18.根据权利要求15所述的加热器系统，其中，所述控制器通过以下方式计算温度：向所述多个加热器单元供应已知电流，测量所述至少一个独立受控加热区域的电压，以及将所测量的电压与已知电流所关联的标称电压比较以识别电压偏差和/或对应的电阻偏差。
19.根据权利要求15所述的加热器系统，其中，所述控制器通过以下方式计算温度：向所述多个加热器单元供应已知电压，测量所述至少一个独立受控加热区域的电流，以及将所测量的电流与已知电压所关联的标称电流比较以识别电流偏差和/或对应的电阻偏差。
20.一种加热器系统，包括：
加热器组件，所述加热器组件包括多个加热器单元，所述多个加热器单元中的多于一个限定至少一个独立受控的加热区域；
电连接到所述加热器单元的多个供电导线；和
电源装置，所述电源装置包括控制器，所述控制器配置成通过供电导线对所述独立受控的加热区域调制功率，
其中，所述控制器配置成基于预定义模型和至少一个输入来计算所述至少一个加热器单元内的温度，并且所述控制器基于计算的温度对多于一个的所述加热器单元调制功率。
21.根据权利要求20所述的加热器系统，其中，所述至少一个加热器单元是端部加热器单元。
22.根据权利要求20所述的加热器系统，其中，所述控制器通过以下方式计算温度：向所述多个加热器单元供应已知电流，测量所述至少一个独立受控加热区域的电压，以及将所测量的电压与已知电流所关联的标称电压比较以识别电压偏差和/或对应的电阻偏差。
23.根据权利要求20所述的加热器系统，其中，所述控制器通过以下方式计算温度：向所述多个加热器单元供应已知电压，测量所述至少一个独立受控加热区域的电流，以及将所测量的电流与已知电压所关联的标称电流比较以识别电流偏差和/或对应的电阻偏差。
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