CN1869717B - 非金属流过的无电极电导率传感器和泄漏检测器 - Google Patents
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Abstract
一种具有导管的非金属流过的无电极电导率传感器，该导管具有初级和次级过程流体流动通道，以便形成流体回路。至少一个激励和一个感应环形线圈环绕该流体回路上的导管。施加到该激励环形线圈的电压通过该流体回路在该感应环形线圈中产生电流，以不再需要金属电极接触该过程流体。将至少一个附加激励和/或感应环形线圈布置在该流体回路上，以便增强感应。可选择地，将一个或多个感应线圈布置在该流体回路外面的导管，以便抵消杂散电噪声。沿导管布置的可选导体通过其电阻的变化检测流体泄漏。
Description
相关申请
本申请要求2005年5月2日申请的标题为“非金属流过的无电极电导率传感器”的美国临时专利申请No.60/676765的优先权。
技术领域
本发明涉及电导率传感器，更特别地涉及设置成检测流过导管的过程流体的电导率的无电极电导率传感器。
背景技术
在本申请中，通过引证引入不同的出版物、专利和公开的专利申请。在此，将本申请参考的出版物、专利和公开的专利申请的内容合并到本公开的内容中引用。
可以通过在一对电极上施加电压并且将其浸入溶液中对化学溶液进行电导率测量。通过该系统的电流与溶液的电导率成比例。然而，如果被测溶液与金属电极在化学上不相容，例如，造成化学侵蚀或者溶液和/或电极的污染，这项技术就不是最佳的。
另一种方法涉及无电极的环形电导率测量。在这种方法中，通过使用激励器(driver)和传感器(sensor)环形线圈(toroid)包围至少局部形成在被测溶液处的“芯”有效地产生变压器。将该环形线圈典型地布置在电绝缘、磁透过的壳体内，该壳体具有轴向通过其的流体流动通道。为激励器提供电压，其在穿过流动通道的溶液中感应出电磁场，然后在传感线圈中感应出电流。该感应电流与被测溶液的电导率成比例。
这种环形电导率传感器的例子在Reese申请的美国专利No.5157332中公开。相似传感器的商业例子是可以从Invensys Systems，Inc.(Foxboro Massachusetts)得到的871ECTM侵入式电导率传感器。如图1所示，这种无电极电导率传感器20的截面包括装入壳体的环形线圈11、12、13，其可以浸入被测流体。壳体21限定中心孔19，该中心孔使流体在不与它们接触的情况下轴向穿过环形线圈11、12、13。该“芯”的感应回路过在浸入传感器的过程溶液中形成。
在被测流体流过导管的位置，也许不能或者不希望在该流体中浸入传感器。在这种场合，激励器和传感器环形线圈可以环绕运送该液体的管。已知的这种传感器的商业例子是871FTTM(Invensys Systems公司)。然而，为了感应发生，必须在线圈的外部形成电气回路，典型地是通过在该环形线圈的上游和下游用金属带夹住管的金属部分。然而，这种方法的缺点在于：当过程流体侵蚀或者与金属不相容时，不能使用金属管部分。
在可选的方法中，可以通过提供绕过一个或多个环形线圈的次级流动通道形成流体自身的感应回路。Fielden在美国专利No.2709785中公开了这种流体回路的例子。这种方法的缺点在于：有限的横截面、相对较长的长度以及流体自身高的电阻将纯电抗添加到感应电流中，这会对电导率测量的灵敏度起反作用。提高电导率传感器的灵敏度的方法包括Ogawa在美国专利No.4740775中公开的。Ogawa公开了在具有一定尺寸的流体回路上的环形线圈，将该尺寸计算成“为流体流动回路与流体通道横截面面积的比提供较低的值，以便提供较高的灵敏度”(Ogawa第2栏第42-47行)。这种方法的缺点在于：Ogawa的环形线圈是共面的并且在物理上是分开的，以便减少变压器之间的泄漏耦合(Ogawa第1栏第34-38行，第2栏第47-52行，第4栏第49-55行)。
因此，需要一种解决一个或多个上述缺点的无电极电导率测量系统。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供确定过程流体电导率的无电极电导率传感器。该传感器包括非金属导管，该非金属导管在入口的下游分成第一和第二分支，并且在出口的下游再汇合，以便在该入口和出口之间形成流体流动回路。每个设置成激励或感应线圈的第一和第二环形线圈是布置在该第一和第二分支之一的周围。设置成冗余激励或感应线圈的第三环形线圈也布置在该分支之一的周围。一连接器设置为将该第一、第二和第三环形线圈连接到分析器。
在本发明的另一个方面中，无电极电导率传感器包括非导电流体流动导管，该导管在入口的下游分成第一和第二分支，然后在出口的上游再汇合，以便在该入口和出口之间形成流体回路。密封该分支的壳体。设置成第一和第二类型的线圈布置在该分支的周围。第一和第二类型的线圈选择由激励线圈和感应线圈构成的组合。在每个分支上，第一类型的环形线圈布置在第二类型的环形线圈之间。此外，至少另一个环形线圈设置成感应线圈，并且布置在该流体回路外面的导管周围。校准回路包括延伸经过两个分支上的环形线圈的电导体，泄漏检测器包括与该环形线圈隔开地布置在该壳体内的另一个电导体。将该泄漏检测器连接到电阻测量装置。
本发明的另一个方面包括一种检测流体流动导管的过程流体的泄漏的设备。该设备包括与该管道泄漏接触(leakage-contacting)地布置的电导体，该导体具有预定的电阻。测试端口具有连接到该导体的相对端的接线端，并且连接到测量感应导体电阻的电阻测量装置。
本发明的又一个方面包括一种制造检测流过导管的流体的电导率的传感器的方法。该方法包括为过程流体的流动提供非金属导管，在该入口的下游将该导管分成第一和第二分支，并且在出口的上游再汇合该分支，以便在该入口和出口之间形成流体流动回路。该方法还包括在该分支之一的周围放置激励环形线圈，在该分支之一的周围放置感应环形线圈，并且在该分支之一的周围放置冗余激励或感应环形线圈。一连接器设置为将该环形线圈连接到分析器。
附图说明
结合附图阅读以下本发明不同方面的详细说明，本发明以上以及其它的特征和优势将变得更加显而易见，其中：
图1是现有技术的EC传感器的一部分的截面正视图；
图2是本发明实施方式的正视图，其具有以虚线(phantom)表示的可选择的特征；
图3是具有部分以虚线表示的的图2的实施方式的分解图；
图4是本发明可选实施方式的部分截面正视图，其具有以虚线表示的可选择部分；
图5是图4的实施方式的平面图；
图6是本发明实施方式的示范性布线图；以及
图7是本发明可选实施方式的示范性布线图。
具体实施方式
在下面详细的描述中，参照构成其部分的附图，其中通过图解示出了实践本发明的特定实施方式。这些实施方式描述得足够详细，使得使本领域的技术人员能够实践本发明，并且应理解可以利用其它实施方式。还可理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行结构、程序以及系统上的改变。因此，下面的详细描述不是限制的意思，本发明的范围是通过所附的权利要求及其等价物来限定。为清楚说明起见，附图中所示的相同的特征由相同的附图标记表示，并且可选实施方式的附图中相似的同样的特征也由相似的附图标记表示。其中本说明书中使用的术语“轴向”，当与这里所述元件一起使用时，应当指的是平行于流动通道和/或其过程溶液的顺流方向。
在本发明代表性的实施方式中，被测流体流过由非导电材料制成的导管。在没有物理接触该流体的情况下，环形线圈环绕该导管。在激励线圈上施加电压，该激励线圈在导管中流动的流体中感应出磁场。该磁场同样地在传感器线圈中感应出电流。
传播磁场的闭合回路由流体自身形成，经由次级流动通道，该次级流动通道在测量环形线圈的上游由导管的初级通道分出，并且在测量线圈的下游与导管的初级通道再汇合(reconverges)。可以将该环形线圈布置在初级通道、次级流动通道或二者之上。
本发明人已经认识到：磁场穿过流体回路的距离对电导率测量的灵敏度起反作用。为了对其进行补偿，本发明的实施方式具有一个或多个并联布线的冗余环形线圈，以加强感应。
特定实施方式还可以包括布置在流体回路的上游和/或下游的附加传感器线圈。可以将这些附加传感器线圈相对于激励线圈反相布线，以便抵消系统中的杂散电噪声。此外，可以接近导管可选地布置泄漏检测器导体。该导体可以由对过程流体敏感的材料制成，并且可以绕导管螺旋缠绕，或者只是平行其支撑。然后，可以将导体连接到欧姆表，在该欧姆表上，任何已知的基线电阻的变化如由于过程流体的化学侵蚀出现的将表示导管中的泄漏。
现在转向附图，本发明的实施方式包括图2中所示的电导率传感器200。过程流体在下游方向上从入口204到出口206流过导管202。该导管在点208处分开，并且形成两个流动通道，即初级流动通道210和次级流动通道212。然后，导管又在点209处汇合。初级流动通道210和次级流动通道212形成流体流动回路214。
在本实施方式中，环形线圈220、222和224位于初级流动通道210上。如上所述，这些环形线圈220、222和224环绕导管210，并且与流过导管210的过程流体物理隔离并且电绝缘。在一个实施方式中，中间的环形线圈222是感应线圈，而外面的环形线圈220、224是激励线圈。在另一个实施方式中，中间的环形线圈222是激励环形线圈，而外面的环形线圈220、224是感应环形线圈。
为了简化说明，将外面的环形线圈220和224指定为激励环形线圈，而将中间的环形线圈222指定为感应环形线圈，应当理解，下面的论述也适用于相反的构造，其中激励和感应环形线圈颠倒。提供给冗余激励环形线圈220、224的电流产生磁场，该磁场感应出EM场或者流过流体环路(芯)214的电流。这种感应同样地在感应环形线圈222中感应出电流，该电流与过程流体的电导率成正比。
使用初级和次级流动通道210和212能够通过流体自身形成感应回路，而不是由通常在现有技术中使用的金属带形成感应回路。这能够使传感器200测量容易腐蚀、或者与金属配件或导体不相容的流体的电导率。而且，使用所示的冗余环形线圈(作为激励或感应环形线圈)可以提供增强的灵敏度，以便对灵敏度的负作用进行补偿，另外该灵敏度还与高电阻的流体环路感应芯有关。
可选地，本发明的实施方式包括沿流体回路214定位的一个或多个附加环形线圈230、232和234(以虚线表示)。为方便起见，将这些所示的附加环形线圈布置在次级流动通道212上，但是实质上也可以是沿回路214的任何位置布置。虽然名义上可以使用任何组合的激励和感应环形线圈，但是在代表性的实施方式中，将环形线圈230和234作为激励环形线圈操作，而环形线圈232作为感应环形线圈操作。这些附加的环形线圈可以结合使用，例如通过将它们与各个环形线圈220、222和/或224电气上并联的布线，以便进一步增强流体回路214的感应。
在本发明的另一个变体中，可以在流体回路214的上游和/或下游布置一个或多个附加传感器环形线圈240、242。可以将这些传感器线圈240、242与其它(回路上的)传感器线圈222、232等反相布线，以便有效地抵消流体回路214外面导管210的电噪声。
现在转向图3，在分解图中表示一组三个环形线圈，例如环形线圈220、222和224。可以将环形线圈220和224通过电缆360、364并联地连接到电流源，以便起到激励环形线圈的作用。将环形线圈222通过电缆362连接到传统的分析设备，如875EC系列分析器或870ITEC系列变送器(Invensys SystemsInc.，Foxboro，MA)，该设备可以进一步连接到传统的工厂自动化系统。
同样如图所示，可以将屏蔽350、352散置于环形线圈之间，以便阻止由激励环形线圈所产生的场彼此干扰和/或干扰感应环形线圈。在所期望的实施方式中，这些磁屏蔽350、352在导管302周围的圆周上延伸，同时与流过该导管的过程流体物理隔离并且电绝缘。例如，在特定的实施方式中，磁屏蔽350、352是铜垫圈形式的中心开孔圆盘。地线351将屏蔽350、352彼此连接，并且接地。
现在参照图4和图5，可以将任何上述实施方式布置在壳体469内，以形成400所示的封闭的电导率测量装置。在本实施方式中，将激励环形线圈420、424和感应环形线圈422连接到模块连接器部分470，以利于可拆卸的连接到传送器或其它数据捕获/计算装置或系统。连接器部分470可以为本技术领域的一般人员已知的任何连接器类型。还表示了测试端口476，可以将该测试端口连接到具有已知电阻的校准导体471的相对端，该校准导体形成通过该环形线圈的回路，如图所示。可以通过短接校准导体471的末端(例如，使用插入测试端口476的校准器)来校准装置400，然后在流体环路214中没有过程流体的情况下操作该装置。而后，可以校准该传感器环形线圈的输出，以便与导体471的已知电阻相匹配，在下文中将更详细地论述。本领域的技术人员应当认识到：在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以将关于特定实施方式所表示和描述的校准端口/导体以及任何其它方面应用于这里所述的任何其它实施方式。
同样如图所示，可采用可选泄漏检测导体477(以虚线表示)。基本上可以将该导体477布置在任何合适的位置，以便接触导管402泄漏的过程流体。在所示的实施方式中，可以将导体477布置在壳体469内任何方便的位置，如其最下面的安装位置，即收集任何泄漏的过程流体的点。此外，或者可选地，导体477可以在导管402旁边延伸，或者在该导管周围螺旋地缠绕，如虚线所示。在不具有壳体469的实施方式中优选该后面的方法。
导体477可以由在试验中对特定过程流体敏感的材料制成。例如，由于在此描述的许多实施方式都是要测量过程流体的电导率，该过程流体例如是在化学性质上侵蚀不同类型的金属(例如铝)的腐蚀性酸(例如，HF，HCL)，因此导体477可以由这种金属制成。然后，可以监视导体477的电阻，例如通过测试端口476的接线端C和D(图6)，以测量任何电阻变化，这种变化可以表示流体已经从导管402泄漏并且接触导体477的流体。例如，由于化学侵蚀以及伴随的导体477横截面面积的减少，会出现测得的电阻增加。
进一步可选地，导体477还可以包括分立的电阻器478(以虚线表示)，以期定制基线电阻。可以选择电阻器478，以增加超过过程流体的预期阻值的基线电阻。与任何低电阻的泄漏过程流体接触会降低测量端口476处的测量电阻，以表示出现泄漏。当测量不会化学侵蚀导体477但例如由于污染/纯度关系仍然与金属不相容的过程流体时，这种构造是特别有用的。
虽然在本发明的不同电导率传感器中，泄漏检测导体477和可选电阻器478是合并表示和描述的，但是本领域的技术人员应当认识到：在不脱离本发明的精神和范围的情况下其可以独立地和/或与名义上任何类型的流体传感器结合使用。例如，可以将泄漏检测导体477和/或电阻器478与不同的温度检测器、压力检测器、电导率传感器、pH传感器、ORP传感器、流量计及其组合合并。这种装置的商业例子包括83系列涡流流量计、I/A系列压力变送器、134系列智能位移变送器、I/A系列温度传感器、873系列电化学分析器，以及871系列电导率、pH和ORP传感器，所有这些都可以从Foxboro，Massachusetts的InvensysSystems公司购到。
又如图所示，可以将温度传感器480如传统的电阻温度检测器(RTD)物理连接到导管，以便检测过程流体的温度，并且电连接到连接器470。
现在转向图6，传感器200(图2)或400(图4)的布线可以通过将激励环形线圈(标示为620，624)连接到连接器470的脚A和B进行。可以将感应环形线圈(标示为622)连接到连接器470的脚D和E。可以将可选的磁屏蔽350，352连接到连接器的脚C。可以将温度传感器或热敏元件480连接到连接器470的脚F、G和H。
校准导体471从测试端口476的接线端A延伸，通过环形线圈620、622、624，并且返回其接线端B。可选的泄漏检测导体477(以虚线表示)带有或不带有电阻器478，该泄漏检测导体从端口476的脚C延伸，接近导管进行泄漏接触，与环形线圈隔开，并且返回到校准器的脚D。
图7表示与上文中关于图2和图4表示和描述的实施方式基本上相似的实施方式的布线图，其中初级流动通道210和可选的次级流动通道212每个都包括一个激励环形线圈和两个感应环形线圈。如图所示，将激励环形线圈720、734连接到连接器470的接线端A和B。将感应环形线圈722、724、730、732连接到连接器470的脚D、E。铜垫圈350、352、354、356在环形线圈之间用作磁屏蔽，并且接地于连接器470的接线端C。RTD 480用作热敏装置，并且连接到连接器470的接线端F、G、H。可包括电阻器478的可选泄漏检测导体477(以虚线表示)，可以连接到测试端口476的接线端C和D，如图所示。
已经描述了本发明的实施方式，参照下面的表I论述其操作。
表I
| 802 | 将导管末端204和206固定在过程流体管线中 |
| 804 | 将连接器470连接到数据捕获装置/处理器 |
| 806 | 通过短接测试端口的接线端A和B进行校准 |
| 810 | 触发激励线圈 |
| 812 | 捕获感应线圈的电流 |
| 814 | 计算测得的电导率值 |
| 815 | 将计算的电导率值绘制成已知电导率的校准回路 |
| 816 | 中止校准回路 |
| 818 | 开始过程流体 |
| 819 | 重复步骤810、812和814，以产生过程流体的电导率值 |
| 820 | 可选的泄漏监视系统 |
如所示，将导管末端204和206固定(步骤802)串联于过程流体管线，并且连接器470被连接(804)到数据捕获装置/处理器，例如可购到的分析器类型为，如上所述来自于Invensys Systems公司。然后，该传感器被校准(步骤806)，例如使用传统的连接到测试端口476的校准器，并且短接其端口A和B，以便提供如上所述的已知电阻的闭合感应回路。此后，电流被反馈(步骤810)到连接器470的接线端A和B，触发彼此并联的激励线圈，以在校准回路中感应出EM场，并且反过来又在感应线圈中感应出电流。由于感应线圈是同样地彼此并联地布线的，因而单个电流值可以在连接器470的接线端D和E被捕获(步骤812)。然后，可以通过传统的方式使用该捕获的电流值，计算(814)测量的电导率值。然后，将该计算出的电导率值调整或者绘制成已知电导率的校准回路。一旦校准完，测试端口476的接线端A和B被彼此断开(步骤816)，以便中止校准回路，并且使过程流体流过(步骤818)该装置。然后步骤810、812和814被重复(步骤819)，以产生该过程流体的电导率值。可选地，通过定期地检查泄漏检测导体477和/或电阻器478从基线电阻的偏离，流动导管的泄漏可被监视(步骤820)。如上所述，使用并联的流体流动通道提供了完整的流体感应回路，其不再需要金属导体接触过程流体。而且实现了与金属不相容的过程流体的电导率测量。此外，冗余激励和/或感应线圈用于增强流体回路内的感应，以便提高测量灵敏度和/或精度。
在前面的说明书中，参照特定的示范性实施方式描述了本发明。显然，在不脱离以下权利要求所述的本发明的主要精神和范围的情况下，可以进行不同的修改和变形。因此，应当将说明书和图看作是说明性的，而不是限制性的。
Claims (19)
1.一种确定过程流体的电导率的无电极电导率传感器，所述传感器包括：
用于过程流体流动的非导电导管，所述导管具有入口和出口；
所述导管在所述入口的下游分成第一和第二支路，所述支路在所述出口的上游再汇合，以便在所述入口和所述出口之间形成流体流动回路；
至少一个第一环形线圈，将所述第一环形线圈设置成布置在所述第一和第二支路之一的周围的第一类型的线圈；
至少一个第二环形线圈，将所述第二环形线圈设置成布置在所述第一和第二支路之一的周围的第二类型的线圈；
至少一个第三环形线圈，将所述第三环形线圈设置成布置在所述第一和第二支路之一的周围的冗余线圈或所述第一或第二类型的线圈；
所述第一类型和第二类型的线圈选自由激励和感应线圈构成的组合；以及
连接器，将所述连接器设置成使所述第一、第二和第三环形线圈连接到分析器。
2.如权利要求1所述的传感器，包括布置在所述第一和第二支路中的同一个上的多个第一类型的线圈。
3.如权利要求2所述的传感器，其中将所述第二类型的线圈布置在所述第一和第二支路的另一个上。
4.如权利要求1所述的传感器，其中所述第一类型的线圈是激励线圈，所述第二类型的线圈是感应线圈。
5.如权利要求1所述的传感器，其中所述第一类型的线圈是感应线圈，所述第二类型的线圈是激励线圈。
6.如权利要求1所述的传感器，其中将所述第一、第二和第三环形线圈都布置在所述第一和第二支路中的同一个上。
7.如权利要求6所述的传感器，包括布置在两个第二类型的线圈之间的第一类型的线圈。
8.如权利要求1所述的传感器，其中将相同类型的线圈布置在彼此相对的支路上。
9.如权利要求1所述的传感器，其中将相同类型的线圈彼此并联地电连接。
10.如权利要求1所述的传感器，包括多个第一类型的线圈和多个第二类型的线圈。
11.如权利要求10所述的传感器，将每个所述第一类型的线圈布置在一对第二类型的线圈之间。
12.如权利要求1所述的传感器，其中将所述环形线圈以及所述第一和第二支路布置在壳体内。
13.如权利要求1所述的传感器，包括多个在所述环形线圈之间散置的屏蔽，将所述屏蔽设置成限制所述环形线圈之间的电磁干扰。
14.如权利要求1所述的传感器，包括配置成检测过程流体温度的温度检测器。
15.如权利要求1所述的传感器，包括校准器，所述校准器包括通过所述环形线圈延伸的电导体。
16.如权利要求1所述的传感器，包括在所述流体流动回路外面的所述导管周围布置至少另一个传感器线圈。
17.如权利要求17所述的传感器，其中将所述至少另一个传感器线圈异相地电连接到布置在所述第一和第二支路上的感应线圈。
18.如权利要求1所述的传感器，进一步包括泄漏检测器，所述泄漏检测器包括与所述导管泄漏接触并且与所述环形线圈隔开的电导体，所述导体连接到测量电阻的装置。
19.一种确定过程流体的电导率的无电极电导率传感器，所述传感器包括：
用于过程流体流动的非导电导管，所述导管具有入口和出口；
所述导管在所述入口的下游分成第一和第二支路，所述支路在所述出口的上游再汇合，以便在所述入口和所述出口之间形成流体回路；
密封所述第一和第二支路的壳体；
环绕每个所述第一和第二支路中的多个第一和第二类型的环形线圈；
至少一个所述第一类型的环形线圈，布置在每个所述第一和第二支路上的所述第二类型的环形线圈之间；
每个第一类型和第二类型都选自由激励线圈和感应线圈构成的组合；
至少另一个环形线圈，将该至少另一个环形线圈设置成感应线圈，并且布置在所述流体回路外面的所述导管周围；
其中将所述传感器设置成用于非金属流体流动系统中；
散置在所述激励线圈和感应线圈之间的屏蔽，配置为将所述屏蔽与所述激励线圈和感应线圈彼此磁隔离；
校准回路，所述校准回路包括通过所述多个第一和第二类型的环形线圈延伸的电导体；以及
泄漏检测器，所述泄漏检测器包括另外的电导体，并且与所述多个第一和第二类型的环形线圈隔开地布置在所述壳体内，将所述泄漏检测器连接到电阻测量装置。
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