CN209356433U - 管道诊断系统 - Google Patents
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Abstract
管道诊断系统包括传感器封壳、测量电路和控制器。传感器封壳被配置为联接到管道的外表面并且具有设置在其中的至少一个温度敏感元件。测量电路联接到传感器封壳并且被配置为测量至少一个温度敏感元件的电特性并提供测量的指示值。控制器联接到测量电路并且被配置为获得变送器参考测量值并且利用变送器参考测量值和指示值以进行热传递计算来生成估算的过程流体温度。控制器还被配置为获得过程流体温度的指示值并基于估算的过程流体温度与所获得的过程流体温度的指示值的比较来提供管道诊断指示。
Description
技术领域
本实用新型涉及测量技术的领域，更具体地，涉及一种管道诊断系统。
背景技术
许多工业过程通过管道或其他导管输送过程流体。这种过程流体可包括液体、气体，有时还包括夹带的固体。这些过程流体流可以在各种工业中找到，包括但不限于卫生食品和饮料生产，水处理，高纯度药物制造，化学处理，烃燃料工业，包括烃提取和加工以及利用磨蚀性和腐蚀性浆料的水力压裂技术。
当流体通过管道输送时，它们可能在管道的内表面上形成沉积物。随着这些沉积物增长，它们会降低管道满足过程的流动要求的能力。另外，在管道安装时通常不知道在那些位置会形成这种沉积物。此外，当开始形成沉积物时，重要的是检测它们以便可以采取补救措施。
在一些过程流体流动环境中，管道也可能从内表面磨损或以其他方式腐蚀。例如，在天然气的生产过程中，砂有时夹带在过程流体流中并且可能刮擦并磨损管道的内表面。如果有足够的时间，这种磨损会削弱管道并增加破损或泄漏的可能性。
一些管道诊断系统需要访问管道的内部以便查看或以其他方式评估管道的内部的状况。这种系统通常要求停止流动，从而使系统脱机。甚至一些允许在线管道诊断的系统仍然需要访问管道的内部，从而提供潜在的泄漏点。
转让给本申请的受让人的美国专利7，290，540提供了一种声学检测系统，其能够通过联接到管道的外部来提供腐蚀和污垢检测。然而，在一些环境中，具有较高的过程噪声和/或振动，这种基于声学的检测可能不是最佳的。
因此，需要一种管道诊断系统，该管道诊断系统能够在过程系统在线时，在不管声学或振动的情况下在所有环境中操作，并且不会产生任何潜在的泄漏点。
实用新型内容
管道诊断系统包括传感器封壳、测量电路和控制器。传感器封壳被配置为联接到管道的外表面并且具有设置在其中的至少一个温度敏感元件。测量电路联接到传感器封壳并且被配置为测量至少一个温度敏感元件的电特性并提供测量的指示值。控制器联接到测量电路并且被配置为获得变送器参考测量值并且利用变送器参考测量值和指示值以进行热传递计算来生成估算的过程流体温度。控制器还被配置为获得过程流体温度的指示值并基于估算的过程流体温度与所获得的过程流体温度的指示值的比较来提供管道诊断指示。
附图说明
图1是管道的示意性透视图，示出了内表面上的内部沉积物。
图2是说明当水垢积垢积累在管道的内表面上时水垢积垢对来自过程流体的热流的影响的示意图。
图3是对本文描述的实施例特别有用的示意性热流测量系统。
图4是根据本实用新型的实施例的热流测量系统的方框图。
图5A是根据本实用新型的实施例的基于热流的管道诊断系统的示意图。
图5B是根据本实用新型的实施例的提供管道诊断的方法的流程图。
图6A是根据本实用新型的实施例的基于热流的管道诊断系统的示意图。
图6B是根据本实用新型的实施例的提供热流管道诊断的方法的流程图。
图6C是根据本实用新型的实施例的多点热流测量系统的示意图。
图7是结合了本实用新型的各方面的热电偶套管的横截面示意图，热电偶套管检测关于热电偶套管壁的腐蚀/积垢。
具体实施方式
图1是管道100的一部分的示意图，示出了管道100的内直径104 处的水垢积垢102。结垢102或残余物可能在管道(例如管道100)中积垢，从而降低了管道输送过程流体流的效率。如果通常发生结垢，则可以定期清洁管道。维护周期可以基于假设的积垢速率，并且通常不被测量。为了清洁管道，通常需要使该过程脱机并且需要相当多的时间和精力。在清洁过程中，可以评估积垢的严重程度。如果积垢不严重，可能会在未来的另一个时间定期维护。
管道还可以由于腐蚀而损害和变薄。在许多情况下，这是使用腐蚀测试试样假设的参数。测试试样的腐蚀速率对应于过程管道的腐蚀速率。由于存在多种不同的腐蚀情况，因此腐蚀试样不是100％有效的。
本文描述的实施例通常利用从过程流体通过管壁的热流特性的改变，当存在积垢时，或相反地，当腐蚀或一些其他过程使管壁变薄时发生热流特性的改变。热流的这些差异可以以多种方式确定，这将在下面描述。
图2是示出通过水垢层和管壁的热流的示意图。左侧轴是温度，水平轴对应于距离。当不存在结垢时，如虚线110所示，管壁的内直径104 处的温度通常等于过程流体温度111。假设过程流体温度相对于环境温度 113升高，则通过管壁的热流112通常会导致相对较小但可检测到的温度降低，使得外直径116处的测量温度114略低于内直径104处的温度。在所示的示例中，环境温度113直接显示在管壁106的外表面上。在管壁106周围提供隔热部或一些额外层的情况下，环境温度113将存在于额外的隔热部/额外层的外表面处。该温差的大小取决于管壁材料的导热率，以及通过管壁的热流的大小。
金属管道通常具有相对较高的导热率，而基于聚合物的管道(例如 PVC管道)具有较低的导热率。当存在诸如水垢层102的水垢层时，热必须首先在流过管壁106之前流过水垢层。因此，水垢层的接近过程流体的表面的温度通常等于过程流体温度111。然而，在如图2所示的例子中，水垢层118具有比管壁相对较低的导热率。因此，过程流体温度111 与内直径104处的温度之间的温差的大小可以显著地大于当热仅仅流过管壁时出现的差值。如图2所示，一旦热流过水垢层118，则从内直径 104通过管壁到外直径116的温度改变与不存在结垢时的温度改变大致相同。然而，由于热必须流过水垢层118，因此引入了Tskin_error120。本文中描述的实施例通常利用该Tskin_error的量的检测和表征，以提供关于水垢或残余物的积垢以及管壁中发生的潜在腐蚀的信息。可以想象，在管壁被刮擦或以其它方式变薄的情况下，温差将小于在全厚度管壁的情况下测量的温差。
图3是热流测量系统的示意图，本实用新型的实施例尤其适用于该热流测量系统。如图所示，系统200通常包括管道夹具部分202，管道夹具部分202配置成夹持在管道100周围。管道夹具202可具有一个或多个夹具耳部204，以便允许夹具部分202定位并夹持到管道100上。管道夹具202可以用铰接部分替换夹具耳部204中的一个，使得管道夹具202 可以打开以定位在管道上，然后通过夹具耳部204闭合和固定。虽然图3 中所示的夹具特别有用，但是根据本文所述的实施例，可以使用用于将定位系统200牢固地定位在管道的外表面周围的任何合适的机械装置。
系统200包括热流传感器封壳206，热流传感器封壳206通过弹簧 208被推抵管道100的外直径116。术语“封壳”并不意味着表示任何特定的结构或形状，因此可以形成各种形状、尺寸和构造。虽然示出了弹簧 208，但是本领域技术人员将理解，可以使用各种技术来推动传感器封壳 206与外直径116连续接触。传感器封壳206通常包括一个或多个温度敏感元件，例如电阻温度装置(RTDS)。封壳206内的传感器电连接到壳体 210内的变送器电路，变送器电路配置成从传感器封壳206获得一个或多个温度测量值，并基于来自传感器封壳206的测量值和参考温度计算过程流体温度的估算值，参考温度例如为在壳体210内测量的温度，或以其他方式提供给壳体210内的电路。
在一个示例中，基本热流计算可以简化为：
tcorrected＝tskin+(tskin-treference)*(Rpipe/Rsensor)
在该等式中，tskin是导管的外表面的测量温度。另外，treference是关于具有固定热阻抗(Rsensor)的位置的、从测量tskin的温度传感器获得的第二温度。Rpipe是导管的热阻抗，基于人工获得管道材料信息、管道厚度信息和管道等级(schedule)信息可以获得Rpipe。另外或替代地，可以在校准期间确定与Rpipe相关的参数并将其存储以供后续使用。因此，使用诸如上述的合适的热通量计算，壳体210内的电路能够计算过程流体温度的估算值(tcorrected)并将关于这种过程流体温度的指示值传输给合适的装置和/或控制室。在图3所示的示例中，这种信息可以通过天线212无线传送。
图4是根据本实用新型实施例的用于热流测量系统的壳体210内的电路的方框图。系统200包括联接到控制器222的通信电路220。通信电路220可以是如下的任何合适的电路，除了相对于管道100的诊断信息之外，该电路还能够传输关于估算的过程流体温度的信息。通信电路220 允许热流测量系统通过过程通信回路或部段传输过程流体温度输出。过程通信回路的协议的合适示例包括4-20毫安协议，高速可寻址远程传感器协议，FOUNDATIONTM现场总线协议和WirelessHART协议(IEC 62591)。
热流测量系统200还包括电源模块224，电源模块224如箭头226所示向系统200的所有构件提供功率。在热流测量系统联接到有线过程通信回路(例如回路或FOUNDATIONTM现场总线部段)的实施例中，功率模块224可以包括合适的电路以调节从回路或部段接收的功率以操作系统200的各种构件。因此，在这种有线过程通信回路的实施例中，电源模块224可以提供合适的功率调节以允许整个装置由与其联接的回路驱动。在其他实施例中，当使用无线过程通信时，电源模块224 可以包括电源，例如电池和合适的调节电路。
控制器222包括如下任何合适的装置，该装置能够使用来自封壳206 内的一个或多个传感器的测量值和额外参考温度，例如壳体210内的终端温度，产生基于热流的过程流体温度估算值。在一个示例中，控制器 222是微处理器。
测量电路228联接到控制器222并提供关于从一个或多个温度传感器230获得的测量值的数字指示值。测量电路228可包括一个或多个模数转换器和/或合适的多路复用电路，合适的多路复用电路将一个或多个模数转换器连接到传感器230。另外，测量电路228可以包括适合于所采用的各种类型的温度传感器的适当的放大和/或线性化电路。
如上所述，当在管道内发生结垢102时，管道/水垢系统的热传递特性改变。可以通过多种方式检测此改变。热流测量通常依赖于过程流体和参考温度之间的已知的导热率，例如包括管壁的变送器终端。对于湍流过程流体，可以假设过程流体的横截面温度几乎相等。如果过程流体是湍流，它将包含合理的横截面温度，以提供良好的过程温度测量。具有提供校正所需要的三个可配置的参数：管壁厚度、管道材料和管道等级。这些决定了过程管道的导热率。在提前知道这些量的实施例中，它们可以在制造期间或在现场配置期间被输入控制器222。然而，由于管壁厚度、管道材料和管道等级通常不会改变，因此这些参数也可以被认为是常数，使得如果当控制器222能够使用封壳206测量管道表皮温度时，已知的过程流体温度被提供至控制器222，则可以由控制器222计算与过程管道的导热率相关的量或导热率本身。该量可以被存储并且与随后的计算进行比较以确定量是否改变。然后，这种改变被认为是潜在结垢或腐蚀的指示。
因此，控制器222可以采用诸如上述的热流计算来测量通过过程管道的热流和管道内部的参考温度。然后可以使用该比较来确定过程管道的积垢的水平或过程管道的厚度。当温度偏离规定极限(表示积垢的阈值水平)时，可以定期维护。
由于控制器222采用的热传递计算推断出管道内的过程流体温度，因此通常需要考虑管壁厚度和管道材料以获得准确的输出。管道中的结垢通常将充当过程流体和管道之间的隔热体，导致表皮温度的改变。例如，具有1％的结垢阻塞的6”碳钢管道将提供差值或误差(Tskin_error)，该差值或误差约为环境温度和输出中的过程流体温度之间的温差的2％。
图5A是根据本实用新型的实施例的基于热流的管道诊断系统的示意图。系统200被夹持到管道100并且被配置成在管道100的外直径上获得表皮温度t_skin。使用该t_skin测量值，结合变送器终端测量值，系统 200可以提供管道100内存在的过程流体温度的估算值。系统200例如根据IEC62591将其过程流体温度估算值无线地传送到控制室400。另外，过程流体温度测量传感器300也设置在管道100上并且包括热电偶套管或其他合适的传感器以测量管道100内的过程流体的温度。由变送器300 测量的温度可以通过控制室以数字方式提供给系统200。然后，系统200 可以将其估算的过程流体温度与来自系统300的数字接收的过程流体温度测量值进行比较，以便检测或以其他方式表征由结垢或管道变薄引起的漂移或误差(Tskin_error)。虽然这种漂移可以由系统200检测到，但是它也可以由过程控制系统中能够接收这种信息并提供比较的任何合适的装置来检测。因此，可以通过在控制室400中操作的装置来完成该比较和因此结垢或管道变薄的检测。
图5B是根据本实用新型的实施例的提供管道诊断的方法的流程图。方法500开始于方框502，在方框502处，获得参考过程流体温度测量值。该参考过程流体温度测量值可以由测量过程系统内的过程流体温度的另一个装置提供，或者甚至由根据本文描述的实施例的另一个基于热流的管道诊断系统提供。或者，如果过程流体温度得到良好控制，则在评估积垢时，假设的温度可用作用于温度比较的参考测量值。接下来，在方框504处，获得管道表皮测量值和参考变送器温度。从位于传感器封壳 206(如图3所示)内的一个或多个温度敏感元件获得管道表皮测量值。可以使用设置在壳体210(如图3所示)内的温度传感器测量参考变送器温度。在方框506处，将热传递计算应用于参考变送器测量值和管道表皮测量值，以便生成管道内的过程流体温度的估算值。在方框508处，计算估算值的误差量。可以通过将估算值与已知的过程流体测量值进行比较，或者通过将估算值与来自另一个基于热流的热诊断系统的单独的估算值进行比较来计算该误差。例如，如果已知管道结垢沉积物围绕管道的内直径非均匀地累积，则一个系统可以被配置为检测管道的底部内直径上的管道结垢，而第二系统可以被配置为检测顶部内直径处的结垢。因此，当不存在结垢时，两个系统将具有相同的相对较低的误差。然而，随着在其中一个表面(例如底部表面)上形成结垢，可以通过与顶部系统的测量值进行比较来检测在该系统的测量值中引起的误差。无论如何检测到误差，在方框510处，将误差或偏差与可接受的误差极限进行比较。如果误差超出极限，则建议维护512。如果偏差未超出极限，则通过将控制返回到方框502来重复系统。
图6A是根据本实用新型的实施例的一对基于热流的管道诊断系统的示意图。如图6A所示，系统200被夹持到管道100，使得其传感器封壳位于管道100的顶部600附近。另外，系统200′定位成使得其传感器封壳设置在管道100的底部表面602附近。系统200、200′中的每一个向控制室400无线地报告其对过程流体温度的估算值。当不存在结垢或腐蚀时，系统200和200′报告的量应该实际上相同。但是，如果管道的水垢开始相对于管道100的一侧或另一侧积垢，则估算值将不再一致。以这种方式，一个系统相对于另一个系统的漂移可以被认为指示管道100内发生的在当前或将来需要维护的状况。
图6B是根据本实用新型的实施例的提供管道诊断的方法620的流程图。方法620开始于方框622，在方框622处，获得来自多个基于热流的过程流体温度估算系统(例如系统200和200′(图6A中所示))的表皮测量值。接下来，在方框624处，获得两个表皮测量值之间的差值。可以以多种方式比较这些差值，以便识别估算值中的结垢或趋势。例如，可以简单地比较值本身之间的差值，如方框626所示。此外，可以比较关于每个表皮测量值的统计数据。例如，可以在系统200和系统200′之间比较在限定的时间段内每个表皮测量值的改变和/或标准偏差。以这种方式，一个表皮温度传感器测量值相对于另一个表皮温度传感器测量值的额外噪声或变化的指示可以表示腐蚀或水垢沉积物。另外，如方框630 所示，可以使用用于比较两个表皮温度测量值之间的差值的任何其他合适的技术。接下来，在方框632处，确定表皮测量值之间的差值是否超出所选极限。如果是，则建议维护，如在方框634处所示。当建议进行这种维护时，可以将过程通信发送给负责人，例如过程操作员，以指示管道维护到期或将很快到期。另外，合适的信号器，例如听觉/视觉信号器可以在每个相应的基于热流的诊断系统和/或在控制室400内的合适装置上接合。
图6C是根据本实用新型另一实施例的基于热流的管道诊断系统的示意图。系统650类似于系统200，但是包括额外的传感器封壳652，在图 6C所示的示例中，额外的传感器封壳652与传感器封壳206径向相反定位。传感器封壳652电联接到壳体210内的电路。在图6C示出的示例中，该电联接通过导体654示意性地示出。然而，在实践中，这种互连通常以挠性电路或其他合适的导体的形式提供，导体安装到管道夹具202的各个部分或以其他方式固定到管道夹具202的各个部分。系统650提供了关于图6A和6B描述的成单个装置的系统的优点。另外，虽然图6C 中示出了一对传感器封壳，但是明确地预期额外的传感器封壳可以联接到管道夹具202以提供额外的测量位置和/或传感器保真度。此外，这种额外传感器可以线性地分布在环绕管道的全部或一部分的包裹物内。该包裹物可以联接到管道以识别温度的差值或温差。在一点或另一点处的测量噪声的相对漂移或增加/减少可以指示积垢或变薄。
图7是结合了本实用新型的各方面的热电偶套管的横截面示意图，热电偶套管检测关于热电偶套管壁的腐蚀/积垢。热电偶套管700通过孔 704安装到管道702，热电偶套管700包括温度传感器706，温度传感器 706设置在热电偶套管的远端中并且被配置为感测在管道702内流动的过程流体的温度。可以看出，由于其在过程流体流中的位置，热电偶套管700在其上游侧累积了水垢沉积物710(注意过程流体流动方向由箭头 712指示)。根据本实用新型的一个实施例，热电偶套管700包括两个额外的温度传感器714、716，其与具有彼此径向相反的一对传感器封壳 206、652的系统650(图6C中所示)非常相似。因此，热电偶套管的内部可以被认为类似于过程流体管道，并且来自各个传感器的测量值可以用于腐蚀/沉积物诊断。
当积垢710开始形成时，从过程流体708到温度传感器716的热流将需要经过积垢710，导致温度下降。相反，从过程流体708流到温度传感器714的热不会通过任何积垢，因此不会具有导致的温度下降。因此，将来自传感器714的读数与传感器716的读数进行比较可以提供积垢/腐蚀发生的指示。注意，尽管图7中所示的例子示出了布置在距导管702 的中心大致相同的距离处的一对额外传感器714、716，但是明确地预期额外传感器可以放置在距导管702的中心不同的距离处。此外，来自温度传感器706的测量值也可用于促进腐蚀/积垢诊断。
尽管参考图7描述的实施例提供了在热电偶套管内提供额外的温度传感器以提供腐蚀/积垢诊断，但是明确地预期其中描述的技术可以应用于设置在过程流体流内的任何元件，例如但不限于，孔板、脱落杆和流量调节器。
如果过程温度被相对良好地控制并且不经常改变，则在评估积垢时，假设的温度实际上可以用作用于温度比较的参考测量值。此外，在这种情况下，热传递计算可以仅需要一个表面测量值和假设的环境温度以及参考过程流体温度测量来评估积垢。
虽然已经参照优选的实施例描述了本实用新型，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本实用新型的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。虽然已经相对于关于管道的内直径的诊断描述了本实用新型，但是这种诊断可以扩展到热电偶套管、微创热电偶套管、外部温度和绝缘裸封壳传感器。
Claims (14)
1.一种管道诊断系统，其特征在于，包括：
传感器封壳，所述传感器封壳配置成联接到管道的外表面，所述传感器封壳具有设置在其中的至少一个温度敏感元件；
测量电路，所述测量电路联接到传感器封壳并且被配置为测量所述至少一个温度敏感元件的电特性并提供所述测量的指示值；
控制器，所述控制器联接到测量电路，所述控制器被配置为获得变送器参考测量值并且利用变送器参考测量值和所述指示值进行热传递计算来生成估算的过程流体温度；并且
其中，控制器还被配置为获得过程流体温度的指示值并基于估算的过程流体温度与获得的过程流体温度的指示值的比较来提供管道诊断指示。
2.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，还包括联接到所述控制器的通信模块，所述通信模块被配置为接收表示过程流体温度的指示值的信息。
3.根据权利要求2所述的管道诊断系统，其特征在于，所述通信模块是无线通信模块。
4.根据权利要求2或3所述的管道诊断系统，其特征在于，所述控制器被配置为使用所述通信模块将所述管道诊断指示传送到远程装置。
5.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，还包括夹持组件，所述夹持组件配置成将所述传感器封壳联接到所述管道的外表面。
6.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，所述温度敏感元件是电阻温度装置。
7.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，所述变送器参考测量值是从布置在所述管道诊断系统的电子装置壳体内的温度传感器获得的。
8.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，还包括第二传感器封壳，所述第二传感器封壳联接到所述测量电路并且被配置为在相对于所述管道的不同于所述传感器封壳的径向位置处联接到所述管道的外表面。
9.根据权利要求8所述的管道诊断系统，其特征在于，所述传感器封壳和所述第二传感器封壳配置成在直径上彼此相反地联接。
10.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，所述控制器被配置为接收管壁直径、管壁材料和管道等级的指示值，以确定所述管道的导热率。
11.根据权利要求10所述的管道诊断系统，其特征在于，确定的所述管道的导热率用于执行所述热传递计算。
12.根据权利要求11所述的管道诊断系统，其特征在于，所述控制器被配置为使用过程流体温度的指示值来计算当前导热率并且将当前导热率与管道的导热率进行比较以提供管道诊断指示。
13.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，还包括第二传感器封壳，所述第二传感器封壳设置成测量所述过程流体温度并向所述控制器提供所述过程流体温度的指示值。
14.根据权利要求1所述的管道诊断系统，其特征在于，所述管道诊断指示是所述管道内的积垢或结垢中的一个。
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