CN209945581U - 过程流体温度估测*** - Google Patents

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Abstract

一种过程流体温度估测***，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测***安装到过程流体导的外表面上。传感器封壳具有设置在所述传感器封壳中的至少一个温度敏感元件。测量电路联接到所述传感器封壳，并且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征，并且提供传感器封壳温度信息。高温间隔件具有已知的热导率，并且被配置成介于所述过程流体导管的外表面与所述至少一个温度敏感元件之间。控制器联接到所述测量电路并且被配置成获得参考温度，并利用所述参考温度、所述传感器封壳温度信息和所述高温间隔件的已知的热导率采用热传递计算来生成估测的过程流体温度输出。

Description

过程流体温度估测***
技术领域
本实用新型涉及一种过程流体温度估测***。
背景技术
许多工业过程通过管道或其它导管输送过程流体。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任意各种行业中找到，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(包括烃提取和处理)，以及采用磨蚀性和腐蚀性浆液的水力压裂技术。
通常将温度传感器放置在热电偶套管内，然后将热电偶套管通过导管中的孔口***到过程流体流中。然而，这种方法可能并不总是实用的，因为过程流体可能具有非常高的温度、非常强的腐蚀性或两者兼而有之。另外，热电偶套管通常需要在导管中具有螺纹端口或其它坚固的机械安装/ 密封，因此必须在限定的位置设计到过程流体流***中。因此，热电偶套管虽然可用于提供准确的过程流体温度，但具有许多限制。
最近，通过测量过程流体导管(例如管道)的外部温度并采用热流计算来估测过程流体温度。这种外部方法被认为是非侵入式的，因为它不需要在导管中限定任何孔口或端口。因此，这种非侵入式方法可以部署在沿导管的几乎任何位置。然而，在某些情况下，导管的外表面温度可能超出温度传感器的正常操作范围。因此，需要扩展可以应用非侵入式过程流体温度估测技术的应用的数量。
实用新型内容
一种过程流体温度估测***，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测***安装到过程流体导的外表面上。传感器封壳具有设置在所述传感器封壳中的至少一个温度敏感元件。测量电路联接到所述传感器封壳，并且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征，并且提供传感器封壳温度信息。高温间隔件具有已知的热导率，并且被配置成介于所述过程流体导管的外表面与所述至少一个温度敏感元件之间。控制器联接到所述测量电路并且被配置成获得参考温度，并利用所述参考温度、所述传感器封壳温度信息和所述高温间隔件的已知的热导率采用热传递计算来生成估测的过程流体温度输出。
一种过程流体温度估测***，包括：热电偶套管，所述热电偶套管被配置成安装到过程流体导管并延伸到所述过程流体导管中，所述热电偶套管具有被配置成接触所述过程流体的远端；传感器封壳，所述传感器封壳具有布置在所述传感器封壳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所述传感器封壳，并且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征，并提供传感器封壳温度信息；高温间隔件，所述高温间隔件具有已知的热导率并且被配置成介于所述热电偶套管的所述远端与所述至少一个温度敏感元件之间；和联接到所述测量电路的控制器，所述控制器被配置成获得参考温度并利用所述参考温度、所述传感器封壳温度信息和所述高温间隔件的已知的热导率采用热传递计算来生成估测的过程流体温度输出。
附图说明
图1是本实用新型实施例特别适用的热流测量***的示意图。
图2是本实用新型实施例特别适用的热流测量***内的电路的框图。
图3是本实用新型实施例特别适用的传感器封壳的横截面示意图。
图4是根据本实用新型实施例的高温热流测量***的示意图。
图5是根据本实用新型另一实施例的高温热流测量***的示意图。
图6是根据本实用新型实施例的相对于所选高温***件获得热导率的方法的流程图。
图7是根据本实用新型实施例的在高温应用中提供过程流体温度测量的方法的流程图。
图8是根据本实用新型实施例的用于基于高温热通量的过程流体估测***的传感器封壳的横截面示意图。
具体实施方式
如上所述，已经通过测量过程流体导管(例如管道)的外部温度并采用热流计算来估测过程流体温度。这种***通常在热流计算中使用管道表皮(外表面)温度Tskin和参考温度(例如变送器端子温度)及热阻抗值来推断或以其它方式估测导管内的过程流体温度。该特征通常要求已知从过程流体到变送器端子的热导率，因此要求传感器通常连接到过程流体温度变送器。虽然一些热通量传感器对于使用热电偶技术的高温应用可以是有效的，但已经发现，电阻温度装置(RTD)元件一般地比热电偶技术提供更高准确性和精度，但在相对受限的温度范围上存在折衷。在理想情况下，管道表皮温度通过被放置为尽可能靠近外部管道表面的温度敏感元件测量。这种紧密联接通过减少由温度敏感元件和过程流体之间的最小热阻抗引起的时间常数，允许提高对过程流体温度变化的灵敏度。
虽然，与热电偶相比，RTD温度元件在基于热通量的计算***中提供良好的稳定性和精度，但它们的热操作范围会是受限的。特别地，使用基于薄膜RTD技术的RTD的、基于热通量的传感器与热电偶相比提供可接受的稳定性和精度。另外，RTD传感器封壳结构还可以容纳有允许从传感器端头到传感器元件的改进导热性的材料。这些材料一般地需要传感器封壳的操作范围小于近似300℃。但是，人们相信，存在将基于RTD的热通量传感器技术提供给扩展到且包括650℃的应用的需要，该温度极大超过薄膜RTD技术的操作温度范围。例如，焦化装置排气管可在约600℃的温度下操作。在本示例中，材料速度非常大，使得其能够在热电偶套管设置在弯头中时切割热电偶套管。这样的构造需要预防性维护以检查和替换热电偶套管。如果基于热通量的非侵入式方法可扩展至本申请，则检查和替换热电偶套管的预防性维护可取消，因为没有结构会延伸到焦化装置排气管中。
本文所述实施例一般以扩展可提供非侵入式过程流体测量的应用范围的方式来利用薄膜RTD技术的有利稳定性和精度。一般地，具有已知热导率的间隔件或***件将温度传感器封壳与过程流体导管的外表面分隔开。该间隔件或***件具有与过程流体导管的外表面直接接触的第一表面(热侧面)。间隔件或***件还具有相反表面(冷侧面)，间隔件或***件的相反表面(冷侧面)通过具有已知热导率的材料、与过程流体导管的外表面间隔开已知距离。以这种方法，***件的冷侧面的温度测量可用于在基于热通量的非侵入式应用中提供过程流体温度的准确且可靠的指示。另外，由于在冷侧面测量温度测量，则测量温度小于外部导管的表面的测量温度。由此，虽然外部导管的温度可能相当高，诸如为650℃或以上，但冷侧面温度可以保持在有利的基于薄膜RTD的传感器的操作范围中，诸如300℃。在热通量计算中，除了参考温度和间隔件/***件的热导率，还采用冷侧面温度测量，来提供过程流体温度的估测，如稍后更详细说明的。
图1是本实用新型实施例特别适用的热流测量***的示意图。如图所示，***200通常包括管道夹具部分202，管道夹具部分202被配置成夹持在导管或管道100周围。管道夹具202可具有一个或更多个夹具耳部204，以便允许夹具部分202被安置并夹持到管道100。管道夹具202可以用铰链部分替换夹具耳部204中的一个，使得管道夹具202可以打开以安置在管道上且然后闭合，并由夹具耳部204固定。虽然关于图1所示的夹具特别有用，但根据本文描述的实施例，可以使用用于将***200牢固地安置在管道的外表面附近的任何合适的机械布置。
***200包括热流传感器封壳206，弹簧208推进传感器封壳206抵靠管道100的外径116。术语“封壳”并不意欲暗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，可以使用各种技术促使传感器封壳206与外径116 连续接触。传感器封壳206通常包括一个或更多个温度敏感元件，例如电阻温度装置(RTD)。封壳206内的传感器被电连接到壳体210内的变送器电路，该变送器电路被配置成从传感器封壳206获得一个或更多个温度测量值，并基于来自传感器封壳206的测量值和参考温度来计算过程流体温度的估测值，所述参考温度例如是在壳体210内测量的温度，或以其它方式提供给壳体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是相对于距测量Tskin的温度传感器具有固定热阻抗(Rsensor)的位置获得的第二温度。Rpipe是导管的热阻抗，并可以通过获取管道材料信息、管道壁厚度信息而手动地获得。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测值(Tcorrected)，并将关于这种过程流体温度的指示传送给合适的装置和/或控制室。
图2是本实用新型实施例特别适用的热流测量***200的壳体210内的电路的框图。***200包括联接到控制器222的通信电路220。通信电路220可以是能够传送关于估测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***200在过程通信回路或段上传送过程流体温度输出。过程通信回路协议的合适示例包括4-20毫安协议、高速可寻址远程传感器
Figure DEST_PATH_GDA0002233957960000051
协议、FOUNDATIONTM现场总线协议和 WirelessHART协议(IEC 62591)。
热流测量***200还包括电源模块224，其如箭头226所示向***200 的所有部件提供电力。在热流测量***200联接到有线过程通信回路(例如
Figure DEST_PATH_GDA0002233957960000052
回路或FOUNDATIONTM现场总线段)的实施例中，电源模块 224可以包括合适的电路以调节从所述回路或段接收的电力，以使***200 的各种部件运行。因此，在这种有线过程通信回路的实施例中，电源模块 224可以提供合适的电力调节，以允许整个设备由其联接到的回路供电。在其它实施例中，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包括能够使用来自封壳206内的传感器的测量值和附加参考温度(例如壳体210内的端子温度)生成基于热流的过程流体温度估测值的任何合适的布置。在一个示例中，控制器222是微处理器。控制器222 通信地联接到通信电路220。
测量电路228联接到控制器222并提供关于从一个或更多个温度传感器230获得的测量值的数字指示。测量电路228可包括一个或更多个模数转换器和/或将一个或更多个模数转换器与传感器230连接的合适的多路复用电路。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。
图3是本实用新型实施例特别适用的传感器封壳的示意图。传感器封壳206通常包括圆柱形侧壁250，其中端盖252连接到侧壁250。在一个示例中，端盖252由银形成。一个或更多个RTD元件254设置在端盖252 附近，并且经由热油脂256与端盖252热连通。导体258将RTD元件254 电联接到壳体210内的测量电路。在一个实施例中，按照薄膜RTD技术形成元件254。通常认为薄膜RTD非常坚固且通常低成本。薄膜元件通常以如下方式制造：用非常薄(例如.0001英寸)的温度敏感金属(例如铂) 形成的膜来涂覆小陶瓷芯片；然后，在金属膜中激光切割或化学或化学蚀刻为电阻路径。
图4是根据本实用新型实施例的用于高温应用的基于热通量的过程流体温度估测***的示意图。***300示出为采用如上关于图3描述的传感器封壳206，传感器封壳206被推进抵靠高温***件302。***件302穿过管道夹具202中的孔口，并且具有与管道100的外径接触的热侧面304。传感器封壳206支承抵靠且接触高温***件302的冷侧面306。随着热从导管100流过高温***件302，将在热侧面304和冷侧面306之间形成温度梯度。通过高温***件302的给定的已知的热导率，冷侧面306的温度准确关联于热侧面304的温度。
以上提出的基本热流方程变形为包括在***件302上产生的梯度，其中ThotEnd是测量***件302的冷侧面306的传感器封壳的热端，如下式：
Tcorrected＝(ThotEnd+(ThotEnd–Treference)((Rpipe+Rstandoff)/Rsensor))
传感器封壳206可位于高温***件302上或者被压接到高温***件 302，高温***件302用于从热过程流体导管100到传感器封壳206的端头传导热。***件可由被选择来对极热表面提供不同水平热阻抗的一种或多种材料制成。
图5是根据本实用新型另一实施例的用于高温应用的非侵入式过程流体测量***的示意图。图5与图4所示的的实施例有许多相似性，并且相似部件以类似方式编号。图5所示的实施例和图4所示的实施例之间的主要区别在于，高温***件306已被移除，替代地，RTD传感器封壳206支承抵靠部分地或完全地围绕导管100延伸的导管套筒310。但是，类似高温***件306，导管套筒310包括直接支承抵靠导管100的外径116的高温侧面312。导管套筒310还包括与热侧面312分隔开的冷侧面314。导管套筒310的热导率和厚度是已知的，或者以其它方式获得，由此，冷侧面314的温度准确关联于热侧面312的温度。因此，通过传感器封壳206 获得的测量可用于准确估测导管100内的过程流体的温度，虽然传感器封壳206暴露的实际温度小于过程流体导管100的外径116的温度。以这种方法，高准确度、稳定且良好稳定性的传感器的优点可扩展至诸如焦化装置排气管的更高温应用。
图6是根据本实用新型实施例的获得并存储高温***件的热导率的方法的流程图。方法400在方框402处开始，在方框402处选择特定高温***件。如以上提出的，可以基于***件将暴露到的特定操作温度来形成和提供***件。这样的设计考虑可包括所选材料的类型(诸如高温不锈钢或陶瓷)以及***件的长度和横截面积和/或形状。例如，两英寸高温***件可允许接触温度(接触导管外径的热侧面的温度)为650℃，同时冷侧面 (接触传感器封壳的侧面)测量近似300℃。一旦已经选择高温***件，则对热流计算必需的是获得***件的热导率。在制造商提供高温***件的示例中，该信息可随同产品一起提供。例如，该信息可写在产品封装上或写在产品标签上。这些是如在方框406处指示的制造商指定热导率的示例。另一方式的热导率可以是在方框404处经由校准或测试408提供。在这种校准中，已知的温度被施加到高温***件的一个侧面(诸如热侧面)，并且在冷侧面上测量温度。基于两个测量温度和周围温度之间的差，可以计算高温***件的热导率，然后存储以用于热流计算。在另一示例中，也预期可通过例如经由过程通信或本地操作员输入接收已知的过程流体温度的指示并且然后使控制器222基于高温热***件的冷侧面的测量温度求出或以其它方式计算热导率，来校准非侵入式热流计算。另外，在***件的选择中，也明确预期高温***件可提供相对长的长度，并且可以被切割成允许设定准确的热导率的长度。不管怎样，在方框410处，高温***件或间隔件的热导率被存储以用于***的操作期间稍后使用。
图7是根据本实用新型实施例的基于热流估测和提供过程流体温度的方法的流程图。方法500在方框502处开始，在方框502处，从高温***件的冷侧面测量温度。高温***件的热侧面直接联接到过程流体导管(诸如管道100)的外径。接着，在方框504处，获得高温***件的存储的热导率。可以通过访问***的控制器222的本地存储器或者通过与外部装置(诸如过程控制器)通信以接收高温***件的热导率的指示信息来实施这一步骤。接着，在任选的方框506处，获得参考温度。在一个实施例中，该参考温度可以以各种方式获得。例如，如在方框508处指示的，可以经由接收指示参考温度的过程通信来获得所述参考温度。替代地，在方框510 处，通过***测量参考温度。在一示例中，该测量是在壳体210的位置处(如在端子块处)的温度测量。但是，该测量可以从相对于过程流体导管 100的外径116具有相对固定的热关系的任何位置处获得。经由该固定的热布置，从过程流体导管到参考温度位置的热流是固定的，且由此遵循上述的热流计算。最后，对于具有相对充分了解的热***的应用，参考温度可以如在方框512处指示的那样被估测。例如，如果过程流体导管位于设施的环境受控的内部，则环境的标称温度(诸如70华氏度)可用于估测的参考温度。
在方框514处，***件的测量的冷侧面温度、***件的热导率和参考温度被应用于如上提出的热流计算，以计算过程流体温度的估测。最后，在方框516处，将估测的过程流体温度输出。在一示例中，输出在依照过程通信协议的过程通信回路上传送，诸如以上提出的。
图8是根据本实用新型实施例的用于基于高温热通量的过程流体估测***的传感器封壳的横截面示意图。传感器封壳550与传感器封壳206(关于图3所述的)有一些相似性，并且相似部件以类似方式编号。类似于传感器封壳206，传感器封壳550包括圆柱形侧壁250，圆柱形侧壁250联接到可由银或不锈钢形成的端盖252。另外，传感器封壳550还采用基于薄膜RTD的元件254。但是，传感器封壳550不具有设置在热油脂256内的薄膜RTD元件254。替代地，高温热***件552设置在传感器封壳550 内，并且具有经由热油脂256热联接到端部252的热端554。另外，RTD 传感器254设置在高温***件552的冷端556内或邻近冷端556。由此，实施例550类似于图3和图4所示的实施例，差异在于高温***件(图4 所示的302)设置在传感器封壳550本身内。
虽然已经参考优选实施例描述了本实用新型，但本领域技术人员将认识到，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行许多变化。例如，虽然已经关于非侵入式过程流体估测***描述了本实用新型，但是本领域技术人员将理解，本实用新型的一些方面可应用于因延伸到导管中而被认为是侵入式的热电偶套管。例如，高温***件可放入标准热电偶套管内，并用于将诸如RTD或热电偶的温度敏感元件与热电偶套管主体的表面隔开。提供介于温度敏感元件与热电偶套管之间的这种材料一般地与标准热电偶套管设计相反，标准热电偶套管设计目的在于使温度敏感元件与热电偶套管主体尽可能近的热接触。热电偶套管内测量的温度仍将应用于校正算法，诸如热流算法，以估测接触热电偶套管的材料的温度。另外，或替代地，热电偶套管主体可由阻热材料制成，以允许高温测量。
虽然已经关于穿过管道夹具以接触导管套筒的传感器封壳一般地描述了本实用新型实施例，但明确预期的是，管道夹具本身可以设计为热阻材料并且由此不必包含用于传感器封壳穿过的孔。因此，在这样的实施例中，传感器将位于夹具表面上，并且夹具材料的热导率将形成热流计算的一部分。

Claims (14)

1.一种过程流体温度估测***，其特征在于，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测***安装到过程流体导管的外表面上；
传感器封壳，所述传感器封壳具有设置在所述传感器封壳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所述传感器封壳，并且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征，并提供传感器封壳温度信息；
高温间隔件，所述高温间隔件具有已知的热导率并且被配置成介于所述过程流体导管的外表面与所述至少一个温度敏感元件之间；和
联接到所述测量电路的控制器，所述控制器被配置成获得参考温度并利用所述参考温度、所述传感器封壳温度信息和所述高温间隔件的已知的热导率采用热传递计算来生成估测的过程流体温度输出。
2.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述至少一个温度敏感元件具有热操作界限，并且其中所述高温间隔件具有第一端，所述第一端被配置成接触表面温度超过所述至少一个温度敏感元件的所述热操作界限的表面。
3.根据权利要求2所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述至少一个温度敏感元件的所述热操作界限是约300℃。
4.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述至少一个温度敏感元件是电阻温度装置。
5.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述高温间隔件穿过所述安装组件中的孔口。
6.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述高温间隔件包括管道夹具，所述管道夹具被配置成将所述过程流体温度估测***联接到管道。
7.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述高温间隔件设置在所述传感器封壳内。
8.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，进一步包括通信电路，所述通信电路联接到所述控制器并被配置成依照过程通信回路协议通信。
9.根据权利要求8所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述通信电路被配置成以无线方式通信。
10.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述传感器封壳具有端盖，并且至少一个温度敏感元件通过选自由热油脂、矿物隔热粉末和RTV组成的组中的材料来热联接到所述端盖。
11.根据权利要求10所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述端盖由银形成。
12.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述高温间隔件由不锈钢形成。
13.根据权利要求1所述的过程流体温度估测***，其特征在于，所述高温间隔件由陶瓷形成。
14.一种过程流体温度估测***，其特征在于，包括：
热电偶套管，所述热电偶套管被配置成安装到过程流体导管并延伸到所述过程流体导管中，所述热电偶套管具有被配置成接触所述过程流体的远端；
传感器封壳，所述传感器封壳具有布置在所述传感器封壳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所述传感器封壳，并且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征，并提供传感器封壳温度信息；
高温间隔件，所述高温间隔件具有已知的热导率并且被配置成介于所述热电偶套管的所述远端与所述至少一个温度敏感元件之间；和
联接到所述测量电路的控制器，所述控制器被配置成获得参考温度并利用所述参考温度、所述传感器封壳温度信息和所述高温间隔件的已知的热导率采用热传递计算来生成估测的过程流体温度输出。
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