减少误差的非侵入式过程流体温度指示

摘要

过程流体温度估计系统包括安装组件、传感器容器、测量电路和控制器。安装组件被配置为将过程流体温度估计系统安装到过程流体管道的外表面。传感器容器具有被配置成接触过程流体管道的外表面以形成具有接触区域和气隙的界面的端部。传感器容器还具有设置在传感器容器中的至少一个温度敏感元件。测量电路耦接传感器容器，并被配置为检测至少一个温度敏感元件的随温度变化的电特性，并提供至少过程流体管道表皮温度信息。控制器耦接测量电路，并且被配置为从测量电路获取过程流体管道表皮温度信息，和获取参考温度信息。控制器被配置为获取与界面的气隙相关的热流参数，和采用利用过程流体管道表皮温度信息、参考温度信息和热流参数的热传递计算，以生成估计的过程流体温度输出。

说明书

背景技术

许多工业过程通过导管或其他管道输送过程流体。这样的过程流体可以包括液体、气体以及有时夹带的固体。这些过程流体流可以在多种工业中的任一种中找到，工业包括但不限于：卫生食品和饮料生产、水处理、高纯度制药、化学加工、碳氢燃料工业(包括碳氢化合物提取和加工)、以及利用磨料和腐蚀性浆料的液压破碎技术。

通常将温度传感器放置在温度计套筒内，然后通过管道的孔将温度计套筒插入过程流体流中。但是，这种方法可能并不总是可行的，因为过程流体可以具有很高的温度、是非常腐蚀性的，或两者兼有。另外，温度计套筒在管道中通常需要螺纹端口或其他坚固的机械安装件/密封件，并且因此必须在限定的位置处被设计到过程流体流量系统中。因此，温度计套筒尽管对于提供准确的过程流体温度是有用，但仍具有许多局限性。

最近，通过测量过程流体管道(例如，导管)的外部温度并采用热流计算来估计过程流体温度。这种外部方法被认为是非侵入式的，因为它不需要在管道中限定任何孔或端口。因此，这样的非侵入式方法可以被部署在沿着管道的几乎任何位置。

随着最近的进步已经提高了使用非侵入式技术的过程流体温度估计的准确性，已经识别出新的误差源。解决和校正这些新的误差源将提高非侵入式过程流体温度估计的准确性。

发明内容

过程流体温度估计系统包括安装组件、传感器容器、测量电路和控制器。安装组件被配置为将过程流体温度估计系统安装到过程流体管道的外表面。传感器容器具有被配置成接触过程流体管道的外表面以形成具有接触区域和气隙的界面的端部。传感器容器还具有设置在传感器容器中的至少一个温度敏感元件。测量电路耦接传感器容器，并且被配置为检测至少一个温度敏感元件的随温度变化的电特性，并且提供至少过程流体管道表皮温度信息。控制器耦接测量电路，并且被配置为：从测量电路获取过程流体管道表皮温度信息；以及获取参考温度信息。控制器被配置为：获取与界面的气隙相关的热流参数；以及采用利用过程流体管道表皮温度信息、参考温度信息和热流参数的热传递计算，以生成估计的过程流体温度输出。

提供了一种过程流体温度估计系统，该传感器容器具有传感器容器，传感器容器具有设置在该传感器容器中的多个孔。孔被配置成使得一个孔的端部比另外的孔的端部靠近传感器容器的感测端。

还提供了具有带有曲面端部的传感器容器的过程流体温度估计系统，以及提供相对于具有曲面表面的过程流体管道的非侵入式过程流体温度估计的方法。

提供该本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。该发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何缺点或所有缺点的实施方案。

附图说明

图1是本发明的实施例能够具体应用的热流测量系统的示意图。

图2是本发明的实施例能够具体应用的热流测量系统内的电路的框图。

图3A和图3B是相对于具有不同直径的过程流体管道的传感器容器界面的放大图。

图3C是示出了以管道直径为函数的由管道几何形状引起的误差的图。

图4是示出了传感器容器/管道界面的各个部分的热阻的示意图。

图5A是根据本发明的一个实施例的改进的传感器容器的一部分的示意图。

图5B是施加有封装材料的图5A所示的传感器容器的一部分的示意图。

图6是根据本发明的一个实施例的传感器容器的一部分的示意图。

图7是根据本发明的另一实施例的传感器容器的一部分的示意图。

图8是根据本发明的另一实施例的传感器容器的一部分的示意图。

图9是根据本发明的另一实施例的传感器容器的一部分的示意图。

图10是根据本发明的一个实施例的以非侵入的方式估计过程流体温度的方法的流程图。

具体实施方式

本文描述的实施例大体上利用非侵入式过程流体温度估计中的额外误差源的识别和鉴别，来提供具有增加的准确性的解决方案。已经识别出两个误差源，并且本文描述的多个实施例可以为一个源或两个源提供解决方案。

第一误差源是在从第一温度测量点到第二温度测量点的热流路径中的可变性。第二温度测量点通常位于过程流体估计系统本身的电子器件壳体内，并且因此从管道表面传感器(即，测量过程流体管道的表皮温度的传感器)到(例如，位于电子器件壳体内的)参考温度传感器的热流必须被严格地控制。这意味着系统必须被安装成始终与过程流体管道外表面相距相同的距离。该种要求可以排除非侵入式过程流体温度估计的一些潜在应用，诸如远程安装应用和高温应用。另外，从过程流体管道到电子器件壳体的主要热路径总体上通过传感器护套。这使得测量对环境条件变化高度敏感，并且可能需要用户在传感器周围安装隔离物。这可能会限制系统的准确性，并为最终用户带来额外的成本和劳动。

通常第二误差源被认为是由传感器容器的相对平坦的端部接触曲面过程流体管道(诸如导管)引起的。平坦的表面与曲面过程流体管道之间的气隙依赖于过程流体管道的曲率而变化。可以理解，为了提供一种适用于大范围的直径的解决方案，解决这种误差源也很重要。

图1是本发明的实施例能够具体应用的热流测量系统的示意图。系统200总体上包括导管夹部分202，该导管夹部分202被配置为围绕管道或导管100夹持。导管夹202可以具有一个或多个夹耳204，以便允许该夹部分202被定位并被夹持到导管100。导管夹202可以用铰接部分代替夹耳204中的一个夹耳，使得可以导管夹202被打开以被定位在导管上，然后通过夹耳204而被关闭且固定。虽然关于图1所示的夹具是特别有益的，但是根据本文的实施例，可以使用用于将系统200围绕导管的外部表面牢固定位的任何合适的机械布置。

系统200包括热流传感器容器206，该热流传感器容器206被弹簧208施加力而抵靠导管100的外径116。术语“容器”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形状、尺寸和配置。尽管示出了弹簧208，但是本领域技术人员将理解，可以使用各种技术来驱使传感器容器206与导管100的外径116接触。传感器容器206一般包括一个或多个温度敏感元件，例如电阻式温度装置(RTD)。容器206内的传感器电连接到壳体210内的发射器电路，该发射器电路被配置为获得来自传感器容器206的一个或多个温度测量结果，并且基于来自传感器容器206的测量结果和参考温度来计算过程流体温度的估计值，参考温度例如是在壳体210内测量的温度、或容器206的传感器中的一个传感器内测量的温度、或以其他方式提供给壳体210内的电路的温度。

在一个示例中，基本热流计算可以简化为：

T

在该等式中，T

图2是本发明的实施例能够具体应用的热流测量系统200的壳体210内的电路的框图。系统200包括耦接控制器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传递输出的过程流体温度。过程通信回路协议的合适示例包括4-20毫安协议、高速公路可寻址远程转换器

热流测量系统200还包括动力供应模块224，该动力供应模块224如箭头226所指示地向系统200的所有部件提供动力。在热流测量系统200耦接有线过程通信回路(例如，

控制器222包括能够使用来自容器206内的(一个或多个)传感器的测量结果和附加的参考温度来生成基于热流的过程流体温度估计值的任何合适的布置，附加参考温度例如是壳体210内的终端温度、或来自设置在容器206内的第二温度传感器的温度测量结果。在一些应用中，参考温度可以是已知的，或者针对良好的控制器过程或周围环境(例如，系统位于气候受控的设施内)被估计。在一个示例中，控制器222是微处理器。控制器222以通信的方式耦接通信电路220。

测量电路228耦接控制器222，并且提供关于从一个或多个温度传感器230获得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将一个或多个模数转换器与传感器230连接。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合适的放大和/或线性化电路。

图3A和图3B是传感器容器206分别接触不同的过程流体管道100、300时的示意图。为了说明由不同的曲率引起的气隙变化，示出了两种过程流体管道100和300。传感器容器206被示出为在该传感器容器中容纳RTD元件302。传感器容器206具有与过程流体管道接触的相对平坦的下表面304。如图所示，当平坦的表面304接触大直径的过程流体管道100时，在过程流体管道100与平坦的表面304之间形成相对小的气隙306。然而，如图3B所示，当使用较小直径的过程流体管道300时，过程流体管道的较高的曲率在平坦的表面304与较小直径的过程流体管道300之间形成较大的气隙308。两个界面之间的热传导包含很小的界面气隙，该界面气隙构成需要校正的重要部分。被校正的温度估计值由以下所列等式提供：

T

在上述等式中，气隙热阻被包含在R

图3C是示出了以管道直径为函数的由管道几何形状引起的误差的图。可以看出，对于较小的直径，由几何形状引起的误差可以显着上升。根据本发明的一个实施例，控制器222(如图2所示)设置有导管直径的指示，根据该指示过程流体温度估计系统将被使用。然后，导管直径被用于访问误差映射或补偿曲线，以识别用于对正在被使用的特定管道的气隙热阻进行建模的合适参数。可以设定对于各种直径范围合适的默认值，例如将默认的导管直径设定为2英寸或3英寸。但是，最终用户可以在订购过程中指定较小的导管直径，以及获取已经具有用于补偿曲线的指定的导管直径的系统。可替代地，导管直径可以经由使用通信电路220的过程通信而被传递到控制器222，或者可以经由用户界面(未示出)而被手动地输入。使用这种补偿曲线或查找表，非侵入式过程流体温度估计系统可以自动地校正传感器容器与过程流体管道表面之间的几何偏差。

随着导管直径的减小，气隙呈指数地增加，因此对于小直径的管道来说需要更多的校正。补偿曲线基于通常由用户配置的导管直径来提供热阻参数(R

图4是示出了传感器容器/过程流体管道界面中的各种热阻参数的示意图。图4所示的图相对于图3A所示的图被明显地放大。还包括小的界面气隙(R

如上所述，提供可以基于过程流体管道的直径而改变的R

使用非侵入式技术的过程流体温度估计的另一误差源是：从过程流体管道表皮温度测量到参考温度测量，热流的潜在可变性。根据本文所描述的另一实施例，通过提供设置在同一传感器容器内并且沿着热流路径彼此间隔开的两个温度传感器，该热流可变性基本上被最小化或至少被控制。

图5A是根据本发明的一个实施例的采用参差布置的孔的过程流体温度估计系统的改进的传感器容器的示意图。如本文所用的，“参差布置的孔”是指两个孔距过程流体管道的外表面具有不同距离，并且这两个孔在至少一个另外的维度上(例如，沿着管道轴线和/或在垂直于管道轴线的方向上)具有偏移。传感器容器406采用机加工的末端408，多个感测元件410和412安装在该机加工的末端408中。感测元件410和412优选地是RTD并且连接到延伸穿过传感器容器406的长度的导线，以耦接测量电路228(如图2所示)。使用机械或化学(即，结合)技术感测元件410、412被保持在传感器容器406内的适当位置。然后可以将盖焊接到管上以密封末端。机加工的末端在元件410和412之间提供精确且一致的传感器间距。这些机加工的部分相对容易地检查，并且通过允许使插入这些机加工的部分中的传感器触底，提高了组装的一致性。由于当元件与表面之间的间距直接影响测量时会产生误差，因此这消除了在传感器容器内元件安装不一致的潜在问题。附加地或可替代地，传感器容器的部分可以被3D打印，以便于生产更复杂的特征，例如方孔。

用于末端408的材料可以显着地变化。可以使用具有高热导率的材料(例如，铜和银)来改善热传递，然而有意地选择具有低热导率的材料可以允许元件410和412之间的间距小得多，并因此降低了总体成本。末端408也可以被改变以匹配导管和夹具材料，从而消除电腐蚀问题。当传感器容器的部件的材料发生变化时，可以将部件的尺寸和热导率存储在查找表或补偿曲线中，以便准确地估计过程流体的温度。因此，每种材料会具有不同的热特性，并且会影响过程流体温度的估计，并且这些变化可以被容纳在计算的R

然而，在一个示例中，使用单个均质材料块来安装元件410和412，并且因此可以容易地进行对感测元件410和412之间的热流的校正。例如，感测元件410可以被认为是表皮温度传感器，并且感测元件412可以被看作参考温度传感器。被测量的温度的差异将与通过均质材料块的热流的大小以及均质材料块的热导率相关。增加元件410和412的放置的精度允许减小元件410和412之间的间隔，从而减小传感器容器406的整体尺寸。相信这将改善跨元件410和412的热梯度的线性，并使响应受外部影响的影响更小。在一个示例中，优选的是，温度敏感元件410和412是RTD，因为通常认为这样的装置比诸如热电偶之类的其他类型的温度敏感元件具有更高的准确性和可重复性。

图5B示出了传感器容器406的已经被施加了环氧树脂或一些其他合适的封装物414的一部分。环氧树脂414确保了温度敏感元件410和412在它们各自的孔内保持固定，并且还有助于在每个单独的温度敏感元件的引线附接到温度敏感元件的情况下提供应力消除。因此，机加工的末端和感测元件可以被预先内置到金属容器中，并且带有线。这可以允许在制造期间进行后期定制，以将传感器构建为最终长度，同时维持测量的一致性。

图6是传感器容器的一部分的示意图，其提供了用于多个温度敏感元件的参差布置的孔以及用于匹配所选择的过程流体管道的曲率的曲面端部。从这个意义上说，可以认为图6所示的实施例解决两种误差源。通过给端部502提供与过程流体管道的曲率相匹配的曲率，端部502与过程流体管道之间的气隙被最小化。此外，使用机加工技术在孔504和506之间提供参差布置，为将要安装在孔504和506中的温度传感器(例如，元件410和412)提供了高度可靠的定位技术。由于必须在定购过程期间选择表面502的曲率，因此图6中所示的实施例并不特别适合于对过程流体管道直径进行更改却不需要全新的传感器容器500的最终用户。

图7是根据本发明的另一实施例的传感器容器的一部分的示意图。相比于图5A、图5B和图6所示的实施例，传感器容器600包括更远离平坦的表面606(即，热端)终止的孔602和604。将孔602和604更远离表面606终止可以减少高温暴露于敏感元件，这可以为更高温度的应用提供额外的优点。

图8示出了根据本发明的另一实施例的传感器容器的另一部分。具体而言，传感器容器体700包括直径大于或等于管704的机加工的末端702，以便为孔706、708内的感测元件提供更多的空间。根据诸如焊接之类的任何合适的技术，将末端702被附接到管704。

图9是根据本发明的另一实施例的传感器容器800的一部分的示意图。传感器容器800包括插入件802，该插入件802被成形为包括孔804、806。孔804、806的尺寸被设置为接收温度敏感元件，例如元件410、412(在图5A中示出的)。另外，插入件802的壁可以逐渐减小远离管的侧壁810，以提供与周围环境更好的隔离。

图10是根据本发明的实施例的以非侵入的方式估计过程流体温度的方法的流程图。方法900从框902开始，在框902处，最终用户提供管道曲率的指示。如框904所示，可以以与过程流体温度估计系统通信的形式(例如，与用户界面交互和/或过程通信)提供这种指示。可替代地，可以在获取过程流体温度系统期间将该指示提供给制造商，以使得在将该系统被交付给最终用户时管道的曲率已经被输入到该系统中，如框906所示。如框908所示，可以通过最终用户订购系统来设定该曲率，该系统的传感器容器的曲率与管道的曲率相匹配。

在框910处，将过程流体估计系统安装在过程流体管道上。接下来，在框912处，获得或计算R

接下来，在框918处，系统获得过程流体管道的表皮温度。在框920处，测量参考温度。参考温度可以从耦接位于系统的电子器件壳体内的终端的温度传感器获得，或者可以从附加的温度敏感元件获得，该附加的温度敏感元件位于传感器容器内但是被定位成使得在表皮温度传感器与参考温度传感器之间存在已知的热阻抗，诸如图5至图9所示。

在框922处，控制器222(图2所示)使用所测量的表皮温度、参考温度和R

如上所述，已经阐述了本发明的多个实施例，所述多个实施例为非侵入式过程流体温度估计系统中的多个误差源提供多种解决方案。实施例可以包括上述解决方案的任意组合。尽管已经参考优选的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。