CN117561428A - 具有热时间响应改进的基于热流的过程流体温度估计系统 - Google Patents

Abstract

一种过程流体温度估计系统(200)包括：安装组件(200)，该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导管(100)的外部表面；传感器盒(206)，该传感器盒被配置成至少感测过程流体导管的外部表面的温度；测量电路，该测量电路耦接到传感器盒，并被配置成向控制器(222)提供传感器盒温度信息；和控制器，该控制器被配置成获取过程流体导管的外部表面和参考温度，并且利用参考温度和过程流体导管的外部表面进行传热计算以生成估计的过程流体温度输出。

Description

具有热时间响应改进的基于热流的过程流体温度估计系统

背景技术

过程行业采用过程变量发射器来监测与化学、纸浆、石油、制药、食品和其他流体过程工厂中的诸如固体、浆料、液体、蒸汽和气体之类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、化学成分和其他性质。

过程流体温度发射器提供与过程流体温度相关的输出。温度发射器输出可以在过程控制回路上传送到控制室，或者该输出可以传送到另一过程装置，使得可以监测和控制过程。

传统上，过程流体温度发射器耦接到热电偶套管或采用热电偶套管，该热电偶套管提供与过程流体热连通的温度传感器，但以其他方式保护该温度传感器免于与过程流体直接接触。热电偶套管定位在过程流体内，以便确保过程流体与设置在热电偶套管内部的温度传感器之间的充分热接触。典型地，热电偶套管使用相对坚固或鲁棒性的金属结构设计，使得热电偶套管能够承受由过程流体带来的许多挑战。此类挑战可以包括：物理挑战，诸如过程流体以相对高的速率流动经过热电偶套管；热挑战，诸如极高的温度；压力挑战，诸如在高压力下输送或存储过程流体；以及化学挑战，诸如由腐蚀性过程流体带来的化学挑战。此外，热电偶套管可能难以设计到过程设备中。此类热电偶套管需要过程侵入，其中热电偶套管安装并延伸到诸如罐或管道之类的过程容器中。这种过程侵入本身必须被仔细地设计和控制，使得过程流体不会在侵入点处从容器泄漏。

存在可能会损害热电偶套管的结构完整性的许多因素。在一些情况下，并非所有因素会得到充分地考虑，并且热电偶套管有时会弯曲或甚至破裂，因而需要过程设备关停很长一段时间。对于一些应用，无法在不存在潜在损坏的情况下简单地使用热电偶套管。在此类应用中，使用非侵入式过程流体温度计算系统可能是有益的，或者甚至是必需的。对于此类系统，使用管道夹传感器将温度传感器耦接到诸如管道之类的过程容器。虽然此类非侵入式过程流体温度计算提供了如下优点：不需要过程侵入，也不需要将热电偶套管直接置于过程流体中，但是存在权衡。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常比延伸到过程流体中并直接测量温度的热电偶套管的准确性低。

非常期望使用如上所述的位于管道外部的非侵入式温度传感器，然而，用户通常更熟悉热电偶套管传感器的响应时间。当使用基于热流的温度估计系统时，这会产生类似的期望。改进基于热流的温度估计系统传感器的响应时间将有助于去除该障碍并且促进用户采用，以及扩大热电偶套管目前适用的应用范围。

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所述过程流体温度估计系统安装到过程流体导管的外部表面。传感器盒具有设置在该传感器盒中的至少一个温度敏感元件，并且所述传感器盒被配置成至少感测所述过程流体导管的所述外部表面的温度。测量电路耦接到所述传感器盒，并且所述测量电路被配置成检测至少一个温度敏感元件的随温度变化的特性并且提供传感器盒温度信息。控制器耦接到所述测量电路，并且所述控制器被配置成获取所述过程流体导管的所述外部表面的温度测量结果并且获取参考温度，并且利用所述参考温度、所述外部表面温度测量结果、以及所述传感器盒中的所述外部表面温度传感器与所述参考温度之间的已知热关系进行传热计算以生成估计的过程流体温度输出。所述控制器还被配置成以数学方式改进所述过程流体估计系统的响应时间。

附图说明

图1A是本文描述的实施例特别适用的过程流体温度估计系统的示意图。

图1B是本文描述的实施例特别适用的过程流体温度估计系统的框图。

图1C是将关于过程流体导管的热流建模为电路的示意图。

图2是集总参数热模型的示意图。

图3是集总参数热模型的简化形式的示意图。

图4A和图4B图示了向图3的热系统提供输入温度Tprocess情况下的示例问题(使用140秒的任意系统tau值)。

图4C图示了贴合图4A的计算的输入Tprocess曲线的Tmeasured曲线。

图5A图示了包括增加的热斜坡和减小的热斜坡的输入温度Tprocess的另一示例。

图5B图示了贴合计算的Tprocess的Tmeasured曲线。

图6A是示出由阶跃和正弦温度波动构成的输入的示例。

图6B是使用本文所描述的实施例测量的响应和计算的响应。

图7是图示阶跃过程流体温度输入和测量的响应的图。

图8A和图8B分别图示了阶跃过程流体温度变化的测量的温度的一阶时间导数和二阶时间导数。

图9图示了在阶跃输入的有效周期期间实时提取的tau值。

图10图示了过程流体温度斜坡输入和测量的响应。

图11A和图11B分别图示了过程流体温度的斜坡变化的测量的温度的一阶时间导数和二阶时间导数。

图12A示出了随时间的斜坡输入的在有效周期期间的一阶时间导数提取的tau值。

图12B示出了随时间的斜坡输入的在有效周期期间的二阶时间导数提取的tau值。

具体实施方式

图1A是本文描述的实施例特别适用的过程流体温度估计系统的示意图。如所图示的，系统200通常包括管道夹部分202，该管道夹部分202被配置成夹紧在导管或管道100周围。管道夹202可以具有一个或多个夹耳204，以便允许夹部分202被定位并夹紧至管道100。虽然关于图1所图示的夹是特别有用，但是根据本文所描述的实施例可以使用用于将系统200牢固地定位在管道的外部表面周围的任何合适的机械布置。

系统200包括热流传感器盒206，该热流传感器盒206被弹簧208施力抵靠在管道的外径上。术语“盒”并不旨在暗示任何特定的结构或形状，并且因此可以被形成为各种不同的形状、尺寸和配置。传感器盒206通常包括一个或多个温度敏感元件，诸如电阻温度装置(resistance temperature device，RTD)或热电偶。盒206内的传感器电连接到壳体260内的发射器(transmitter)电路，该电路被配置成获取来自传感器盒206的一个或多个温度测量结果，并且基于来自传感器盒206的测量结果和参考温度(诸如，在壳体260内测量的温度、或以其他方式提供给壳体260内的电路的温度)计算过程流体温度的估计结果。

在一个示例中，基本热流计算可以被简化为：

T_corrected＝T_skin+(T_skin-T_reference)*(R_pipe/R_sensor)。

在该方程中，T_skin为管道100的外部表面的测量温度。T_reference是从测量T_skin的温度敏感元件获取的、关于具有已知的热阻抗(R_sensor)的位置的第二温度。T_reference可以由壳体260内的专用传感器感测。然而，T_reference也可以通过其他方式来感测或推测。例如，温度传感器可以定位在发射器外部，以取代传热计算中的终端温度测量。该外部传感器将测量发射器周围的环境的温度。作为另一示例，工业电子器件典型地具有板载温度测量功能。这种电子器件温度测量结果可以被用于替代用于传热计算的终端温度。作为另一示例，如果系统的热导率是已知的，并且发射器周围的环境温度是固定的或是用户控制的，则可以使用固定的或用户控制的温度作为参考温度。

R_pipe是导管的热阻抗，并且可以通过获取管道材料信息、管道壁厚度等而以手动方式获取。替代地，与R_pipe相关的参数可以在校准期间被确定并且被存储以供后续使用。因此，使用合适的热通量计算(诸如上面描述的热通量计算)，壳体260内的电路能够计算用于过程流体温度的估计结果(T_Corrected)，并且将关于这种过程流体温度的指示传送到合适的装置和/或控制室。在图1所图示的示例中，可以通过天线212以无线方式传送此类信息。

图1B是本发明的实施例特别适用的热流测量系统200的壳体260内的电路210的框图。电路210包括耦接到控制器222的通信电路220。通信电路220可以是能够传送关于所估计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在过程通信回路或过程通信段上通信过程流体温度输出。过程通信回路协议的合适示例包括：4-20毫安协议、高速可寻址远程转换器(Highway Addressable Remote Transducer，)协议、FOUNDATION^TM现场总线协议和WirelessHART协议(IEC 62591)。

热流测量系统200还包括功率供应模块224，该功率供应模块224向系统200的全部部件提供功率，如箭头226所指示的。在热流测量系统200耦接到有线过程通信回路(诸如回路或FOUNDATION^TM现场总线段)的实施例中，功率模块224可以包括合适的电路来调节从回路或段接收的功率以操作系统200的各种部件。因此，在此类有线过程通信回路的实施例中，功率供应模块224可以提供合适的功率调节，以允许整个装置由其所耦接到的回路提供功率。在其他实施例中，当使用无线过程通信时，功率供应模块224可以包括功率源(诸如电池)和合适的调节电路。

控制器222包括能够使用来自盒206内的(多个)传感器的测量结果和附加的参考温度(诸如壳体210内的终端温度)生成基于热流的过程流体温度估计结果的任何合适的布置。在一个示例中，控制器222是微处理器。控制器222以通信的方式耦接到通信电路220。

测量电路228耦接到控制器222，并且提供关于从一个或多个温度传感器230获取的测量结果的数字指示。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，以使一个或多个模数转换器与传感器230接口连接。另外，测量电路228可以包括可以适合于所采用的各种类型的温度传感器的合适的放大和/或线性化电路。

对于基于热流的温度传感器，其传热函数被表示为H(t)，该传热函数描述了其对过程流体温度的变化的热响应。此外，Tp(t)被限定为待计算的过程温度，并且Tm(t)被限定为被测量的输出。则问题在于，给定H(t)和Tm(t)的测量值的情况下确定Tp(t)的值(即，过程流体温度)。因为过程温度是直接实时提取的，因此该程序本质上去除了热流传感器的时间响应。

通过考虑可以推广到更复杂系统的简单情况，可以更好地理解该方法。对于图1A所示的基于热流的温度估计系统，流体、管道和模块被近似为如图1C中所描绘的集总参数热系统。这样的系统可以被视为包括热电阻器和电容器的电路，其中节点温度是对电压的模拟等效结果。

在图1C中，Rconvection是由于从过程流体到管道内壁的热对流而产生的有效热阻抗。Rpipe和Cpipe代表管道的热阻抗和热容。(注意，集总参数模型可以分解为更小的元件以更好地近似连续介质系统(continuum system)，但是求解程序本质上是相同的，因此可以使用该简化模型)。最后，无论过程流体的条件如何，与模块相关联的热阻抗和热容都保持固定。

图2示出了相同的集总参数热模型，以及每个区段的相关联的时间常数(tau)和节点温度点。由于模块区段是固定的，因此一旦理解基本系统，就可以在后面添加该模块区段。因此，为了清楚起见，在下面的分析中忽略所添加的模块区段。

图3是集总参数热模型的简化形式。在图3中，描绘了问题的简化形式。注意，Rconvection和Rpipe由于是串联的，因此已经被组合为Rtotal。R-C乘积以时间为单位，并且用τ表示(即，τ＝Rtotal·Cpipe)。典型地，为针对任意输入Tp(t)(Tprocess(t)的简写)和Tm(t)(Tmeasured(t)的简写——被测量的响应温度)求解这种问题，可以使用拉普拉斯变换(Laplace transform)在求解卷积积分的时域或在复频域中完成工作。简化系统的拉普拉斯变换表示可以被写为：

T_m(s)＝T_p(s)·H(s) 方程1

其中，用于图3所示的配置的H(s)是简化的1/(1+s·τ)。一般地，根据以下方程限定任意函数的拉普拉斯变换：

其中，s是复数(complex number)频率参数s＝σ+iω，其中σ和ω为实数(realnumber)。该公式的优点是Tp(s)的解是通过简化的代数求解的，即：

然而，为了有用，Tp(s)需要使用逆拉普拉斯变换(inverse Laplace transform)转换回到时域，这被象征性地写为：

其中，根据以下方程限定逆拉普拉斯变换：

不幸的是，难以基于连续方式实时地实施逆拉普拉斯计算。由于这一困难，拉普拉斯变换通常根据Z变换(Z-transform)呈现，该Z变换适用于离散时间采样的数据。这是对复杂传递函数的优选方法，然而对于图3的情况，可以用甚至更简化、更直接的方式求解。回想一下，待解决的问题是对于被测量的温度Tm(t)，需要基于连续的时间计算Tp(t)。Rtotal和Cpipe是已知的，并且因此τ(＝Rtotal·Cpipe)也是已知的。因此，可以以数学方式计算出Tp(t)。求解图3的一阶系统的微分方程是：

该方程6可以被转换为离散时间步长Δt的有限差分方程(finite differenceequation)。

方程7是离散微分方程的示例，其可以用于改进过程流体温度估计系统的时间响应。可以使用以Δt的采样周期采集的数据，在计算机或微处理器上实时地求解该方程。

图4A和图4B图示了示例问题(使用140秒的任意tau值)，其中向图3的热系统提供输入温度Tprocess(附图标记为300)。所得的Tmeasured温度在图4B中以附图标记302标记。比较两条曲线，我们可以看到，在测量的响应中在tau的量级上存在明显的滞后。这是待被加快的时间响应。

对测量的数据使用方程7产生图4C中的被标记为304的曲线。显然，图4C中的计算的Tprocess(Calc)曲线贴合图4A的实际输入Tprocess曲线(300)。因此，在给定tau(τ)的正确值(即，用于实际系统响应的tau值)的情况下，使用方程7有效地消除了Tmeasured中的延迟响应。应该注意的是，输入过程温度不是被预测的，而是从Tmeasured中提取的，该Tmeasured具有隐藏在其中的信息以及系统响应，在该简化示例中，所述系统响应由tau来表征。注意，使用140秒的tau值特定于所建模的系统。可以使用其他值。例如，如果在该示例中tau大于140秒，则滞后会较小，并且如果τ小于140秒，则滞后会较大。

图5A和图5B图示了包括向上的温度斜坡和向下的温度斜坡的输入温度Tprocess(附图标记为306)的另一示例。再次假设系统响应具有140秒的τ值，使用方程7来读取Tmeasured(图5B中的附图标记为308的曲线)，然后提取Tprocess(Calc)(附图标记为310的曲线)。与先前的示例一样，在图5B中的使用方程7计算的Tprocess(Calc)310线以高水平再现实际的Tprocess值(图5A中的曲线306)。

在图6A中显示了示出由阶跃(step)和正弦温度波动构成的输入的最后一个示例。图6B是测量的响应(附图标记为312)和使用方程7计算的响应(附图标记为314)。同样地，在从测量的温度数据中提取实际的过程温度中显示出了优异的保真度。

上述示例图示了所描述方法的有效性，并且提出了一种使用测量的信号有效地加速基于热流的过程温度流体估计系统的响应时间的方法，前提是过程响应函数是已知的，或等同地，系统的有效tau值是已知的。虽然在上面的计算中忽略了模块的时间响应，但其时间常数可以被容易地表征，并且通过以下方式添加到系统响应函数中：通过将该时间常数作为近似值简单地添加到过程tau中(前提是该时间常数远小于过程tau)，或者更准确地，通过Z变换公式将该时间常数合并到传递函数中。

知晓过程tau值对于所描述的程序非常重要，并且该过程τ值取决于管道的详情(例如，管线尺寸、壁厚度和管道材料)，并且取决于流体性质(例如，液体或气体、流速、温度，等等)。有合适的公式以合理的准确度来估计用于管道材料和管线尺寸以及流动条件的热阻抗值和对流值。然而，更理想且更准确的是直接从原始测量的温度数据中提取系统响应时间常数。要了解如何实现这一点，可以考虑方程6以及其二阶时间导数，该二阶时间导数被标记为方程8。

存在可以使用这些方程从测量的温度数据确定τ值的两种具体情况。

在第一种情况下，如果过程以类似阶跃的方式改变温度，则在紧接阶跃结束之后，存在过程温度是常数或恒定的一时间段，但是测量的温度仍在变化。在该窗口内，对于两个不同的时刻t1和t2，Tp(t1)＝Tp(t2)(但是Tm(t1)≠Tm(t2))。当满足该条件时，可以使用方程6以根据以下方程估计τ：

其中，Tm＝Tmeasured。

在第二种情况下，当过程温度斜坡上升或斜坡下降，并且如果斜坡率是大致恒定时(即，两个不同的时间阶跃处的导数近似相同，使得dTp(t1)/dt≈dTp(t2)/dt时，则从方程8可以看出，

为了使用方程9或方程10，需要部分地知晓何时可以适当地应用它们。不幸的是，因为这是需要提取的内容，因此这不能直接从Tp(t)获知。然而，在Tm(t)的时间导数中隐藏着可以帮助确定适用范围的信息。

对于情况1，可以通过监测测量的温度的一阶时间导数和二阶时间导数来确定有效范围。考虑图7中的过程温度(图7中以附图标记316图示)和测量的响应(以附图标记318图示)中何时存在阶跃。

图8A和图8B绘示了过程温度(324)的阶跃变化的测量温度的一阶时间导数(图8A中的附图标记320)和二阶时间导数(图8B中的附图标记322)。在右侧轴上示出导数值。检查图8A，在Tprocess阶跃变化的开始时，存在Tm(t)的一阶时间导数的急剧不连续性。另外，如图8B所示，在阶跃的开始时，在Tm(t)的二阶时间导数中存在符号反转。这些是在过程温度中已经发生了温度阶跃转变的信号以及证明应用方程9可以提取tau值的信号。

图9示出了在有效周期期间使用方程9实时提取的附图标记为326的tau值。提取的tau值(右轴)非常接近140秒，140秒是实际系统响应。注意，在系统达到稳态并且Tmeasured(t)＝Tprocess(t)之后，导数为零，并且不能再使用方程9的提取方法。

对于情况2和温度斜坡输入，可以像情况1中那样通过实时地监测测量的温度的一阶时间导数和二阶时间导数来确定有效范围。在图10中显示过程斜坡(附图标记为328)和测量的响应(附图标记为330)。

图11A和图11B分别示出了过程温度(336)的斜坡变化的测量的温度的一阶时间导数(332)和二阶时间导数(334)。同样地，导数值是右侧轴。检查图11A，在Tprocess斜坡期间，Tm(t)的一阶时间导数逐渐升高。此外，在该斜坡期间，在Tm(t)的二阶时间导数中存在反转。逐渐变化的区域是在过程温度中已经发生了温度斜坡转变的信号以及证明方程10可以提取tau值的信号。

图12A示出了在有效周期期间使用方程10实时提取的tau值(338)。所提取的tau值非常接近140秒，140秒是实际系统响应。此外，一旦以图12B中显示的结果推断斜坡，则也可以应用方程9。与情况1一样，注意，在系统已经达到稳态并且Tmeasured＝Tprocess之后，导数为零，并且不能再使用方程9或方程10的提取方法，如增加的噪声(分别为图12A中的线338和图12B中的340的小振荡)所证明的那样。

上述示例说明，可以在假设系统传递函数是已知的情况下，仅使用测量的输出增强基于热流的过程流体温度估计系统的时间响应。对于热系统，这解释为知晓系统的时间响应函数是什么，或者对于大多数情况，知晓一阶响应时间，即tau值。适合于系统的tau值可以根据过程条件和管道配置确定，或者如图所示，直接根据在特定条件下测量的温度确定。

Claims (16)

1.一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所述过程流体温度估计系统安装到过程流体导管的外部表面；

传感器盒，所述传感器盒具有设置在所述传感器盒中的至少一个温度敏感元件，并且所述传感器盒被配置成至少感测所述过程流体导管的所述外部表面的温度；

测量电路，所述测量电路耦接到所述传感器盒，并且所述测量电路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特性，并且提供传感器盒温度信息；

控制器，所述控制器耦接到所述测量电路，所述控制器被配置成获取所述过程流体导管的所述外部表面的温度测量结果并且获取参考温度，并且利用所述参考温度、所述外部表面温度测量结果、以及所述传感器盒中的所述外部表面温度传感器与所述参考温度之间的已知热关系进行传热计算，以生成估计的过程流体温度输出；以及

其中，所述控制器被配置成以数学方式改进所述过程流体估计系统的响应时间。

2.根据权利要求1所述的过程流体温度估计系统，其中，所述控制器被配置成通过采用离散微分方程而以数学方式改进所述响应时间。

3.根据权利要求2所述的过程流体温度估计系统，其中，所述控制器被配置成采用多个离散微分方程。

4.根据权利要求3所述的过程流体温度估计系统，其中，所述控制器被配置成基于热变化的类型，选择所述多个离散微分方程中的一个离散微分方程。

5.根据权利要求4所述的过程流体温度估计系统，其中，所述热变化的类型是阶跃变化。

6.根据权利要求4所述的过程流体温度估计系统，其中，所述热变化的类型是斜坡变化。

7.根据权利要求4所述的过程流体温度估计系统，其中，所述控制器被配置成通过计算所述外部表面温度测量结果随时间的一阶导数，选择所述多个离散微分方程中的一个离散微分方程。

8.根据权利要求7所述的过程流体温度估计系统，其中，所述控制器被配置成通过计算所述外部表面温度测量结果随时间的二阶导数，选择所述多个离散微分方程中的一个离散微分方程。

9.根据权利要求1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所述过程流体导管的所述外部表面的原始温度测量结果集合中提取响应时间(tau)。

10.一种操作过程流体温度估计系统的方法，所述方法包括：

接收过程流体导管的外部表面的温度的指示；

接收参考温度的指示，所述参考温度具有与所述过程流体导管的所述外部表面的已知热关系；

利用所述过程流体温度估计系统的处理器执行热流计算，以基于所述过程流体导管的所述外部表面的温度的指示和所述参考温度的指示提供过程流体温度输出；以及

利用所述控制器执行至少一个离散微分方程以改进所述过程流体估计系统的响应时间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述微分方程使用一阶时间常数tau。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，使用描述所述过程流体导管的热性质的公式确定时间常数tau。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，使用描述所述过程流体导管的热性质和所述过程流体的热性质的公式确定时间常数tau。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，从所述过程流体导管的所述外部表面的随时间的一系列温度指示中提取时间常数tau。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，根据所述过程流体导管的所述外部表面的随时间的一系列温度指示的一阶时间导数确定有效tau提取的范围。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，根据所述过程流体导管的所述外部表面的随时间的一系列温度指示的二阶时间导数确定有效tau提取的范围。