使用温差的非侵入性过程流体流指示

摘要

过程流体流系统包括第一管道蒙皮传感器和第二管道蒙皮传感器。第一管道蒙皮传感器被设置为在过程流体导管上的第一位置处测量过程流体导管的外部温度。第二管道蒙皮传感器被设置为在过程流体导管上的第二位置处测量过程流体导管的外部温度。测量电路耦合到第一管道蒙皮传感器和第二管道蒙皮传感器。控制器耦合到测量电路，并且被配置为基于来自第一管道蒙皮传感器和第二管道蒙皮传感器的信号来识别过程流体流状况，并输出对过程流体流状况的指示。

说明书

技术领域

本公开涉及一种过程流体流系统。

背景技术

许多工业过程通过管道或其他导管传送过程流体。这种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、高纯度制药、化学加工、碳氢燃料行业，包括碳氢化合物提取和加工以及利用磨料和腐蚀性泥浆的水力压裂技术。

测量过程流体特性(例如，压力、流量或温度)通常需要使用延伸到过程流体中的测量仪器。测量仪器到过程流体的这种延伸是侵入性测量，因为其要求过程流体导管具有测量仪器穿过的孔。此外，孔必须被密封，使得过程流体不会泄漏或以其他方式逸出。此外，暴露于过程流体的测量仪器可能被高速过程流体磨损或损坏，在一些情况下，该高速过程流体可能非常磨蚀。

发明内容

过程流体流系统包括第一管道蒙皮传感器和第二管道蒙皮传感器。第一管道蒙皮传感器被设置为在过程流体导管上的第一位置处测量过程流体导管的外部温度。第二管道蒙皮传感器被设置为在过程流体导管上的第二位置处测量过程流体导管的外部温度。测量电路耦合到第一管道蒙皮传感器和第二管道蒙皮传感器。控制器耦合到测量电路，并且被配置为基于来自第一管道蒙皮传感器和第二管道蒙皮传感器的信号来识别过程流体流状况，并输出对过程流体流状况的指示。

附图说明

图1是本发明实施例特别适用于的热流测量系统的示意图。

图2是本发明实施例特别适用于的过程流体温度估计系统的示意图。

图3是根据本发明实施例的过程流体温度估计系统的示意图。

图4是示出了随着过程流体流的变化，不同管壁位置的温度随时间变化的图表。

图5是根据本发明实施例的用于估计在各种流状况下流体导管内的过程流体温度的方法的框图。

具体实施方式

本文公开的实施例通常提供重要的过程流体信息，而不需要测量仪器或传感器穿过过程流体导管。因此，本文所述的实施例通常被认为是非侵入性的，因为它们不破坏该过程。然而，基于在过程流体导管的外表面上的多个温度测量值，可以确定和提供重要的过程流体参数。示例包括对过程流体是否在导管中流动以及在某种程度上过程流体导管内的流状况的指示。此外，该过程流体流信息可以被提供给热流计算或其他合适的计算，以提供对导管内的过程流体温度的估计，该估计针对所确定的过程流体流进行调节或以其他方式补偿。尽管下面提供的许多描述将集中于这种协同作用，但是可以明确地预想到，可以通过基于多个外部温度测量值简单地提供对过程流体流的指示来实施本文所述的实施例。

通常将温度传感器放置在热套管内，然后通过导管中的孔将其插入过程流体流中。然而，如上所述，这种方法可能并不总是实用的。另外，热套管通常在导管中需要螺纹端口或其他坚固的机械安装/密封件，因此必须设计成在限定位置处的过程流体流系统。因此，尽管热套管可用于提供精确的过程流体温度，但是具有许多限制。

最近，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计过程流体温度。这种外部方法被认为是非侵入性的，因为它不需要在导管中定义任何孔或端口。因此，这种非侵入性方法实际上可以沿导管部署在任何位置。

如上所述，可以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计过程流体温度。这种系统通常在热流计算中使用管道蒙皮(外部表面)温度T

上面描述的过程流体温度估计通常基于这样的假设，即导管内表面的温度指示流过导管的整个过程流体横截面。尽管该假设对于流过填充的导管的湍流过程流体通常是准确的，但在一些过程流体流状况下，该假设并不那么准确。例如，如果过程流体流为层流或部分湍流，则该假设不正确，并且可能降低过程流体温度估计的准确性。此外，如果过程流体导管没有完全充满，或者如果过程流体没有流过导管，则温度估计准确性也会受到影响。

图1是本发明实施例特别适用于的过程流体温度估计系统的示意图。如图所示，系统200通常包括被配置为围绕导管或管道100夹紧的管夹部分202。管夹202可以具有一个或多个夹耳204，以允许将夹具部分202定位并夹在管道100上。管夹202可以用铰链部分代替夹耳204之一，使得可以将管夹202打开以定位在管道上，然后通过夹耳204关闭并固定。尽管参照图1所示的夹具特别有用，但是根据本文所述的实施例，可以使用用于将系统200围绕管道的外表面牢固地定位的任何合适的机械装置。

系统200包括热流传感器囊206或合适的表面传感器，该表面传感器被弹簧208推压在管道100的外径116上。术语“囊”并不旨在表示任何特定的结构或形状，因此可以形成为各种形状、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的是，可以使用各种技术来促使传感器囊206与外径116连续接触。传感器囊206通常包括一个或多个温度敏感元件，例如，电阻温度设备(RTD)或热电偶。囊206内的传感器电连接到壳体210内的变送器电路，该变送器电路被配置为从传感器囊206获得一个或多个温度测量值，并基于来自传感器囊206的测量值和参考温度(例如，在壳体210内测量的温度)来计算过程流体温度的估计值，或以其他方式提供给壳体210内的电路。

在一个示例中，基本热流计算可以被简化为：

T

在该等式中，T

R

图2是本发明实施例特别适用于的热流测量系统200的壳体210内的电路框图。系统200包括耦合到控制器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、高速公路可寻址远程传感器

热流测量系统200还包括电源模块224，电源模块224向系统200的所有组件提供电源，如箭头226所示。在热流测量系统200耦合到诸如

控制器222包括能够使用来自囊206内的传感器的测量值和诸如壳体210内的终端温度之类的附加参考温度来生成基于热流的过程流体温度估计的任何合适的装置。在一个示例中，控制器222是微处理器。控制器222通信地耦合到通信电路220。

测量电路228耦合到控制器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。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接口连接到温度传感器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合适的放大和/或线性化电路。

温度传感器230示例性地包括终端温度传感器232、电子设备温度传感器234，并且还可以包括其他项，如框236所示。电子设备温度传感器234耦合到系统200的电子电路，并被用于确定电子设备的温度。通常，电子设备温度传感器234用于保护电子电路免于过热。例如，当电子设备达到特定温度时，将打开风扇以降低该温度。在一个实施例中，电子设备温度传感器234感测参考温度。

图3是根据本发明实施例的过程流体温度估计系统的示意图。系统300与系统200(图1所示)具有一些相似性，并且相似的组件被相似地编号。具体地，系统300包括传感器囊306，其经由弹簧或其他合适的机械元件308被促使与管道100的外表面接触。另外，传感器囊306电耦合到壳体310内的电子设备，以生成过程流体估计。然而，如图3所示，三个附加温度传感器囊320、322和324位于围绕管道100的不同径向位置，并通过夹具302与其耦合。在所示的示例中，四个传感器囊(306、320、322和324)以大约90°的间隔布置。因此，温度传感器囊306定位在管道100的顶表面上，而温度传感器囊324定位在管道100的底表面上。类似地，传感器囊320定位在管道100的一侧，而传感器囊322与传感器囊320基本上径向相对地定位。每个传感器囊使用有线通信(未示出)或无线通信经由相应的连接头(例如，连接头326、328和330)电耦合到变送器壳体310内的测量电路。可以理解，每个传感器囊在其各自的位置处测量管道蒙皮温度，并且可以用于生成对管道100与各个传感器囊的安装位置相对应的内表面的温度估计。编程或以其他方式配置布置在变送器壳体310内的电子设备的控制器222，以基于在不同位置处的内表面温度的各种估计之间的差异来确定过程流体流状况。另外，如上面参照图1和图2所示，参考温度指示可以由布置在变送器壳体310内的参考温度传感器提供，或者可以经由过程通信(例如，通过天线312)或通过耦合到附加温度传感器传送。在一个实施例中，温度传感器靠近终端连接布置在变送器壳体310内，并耦合到测量电路228。

通过将两个或更多个传感器囊放置在围绕管道或导管100的不同位置处，系统300可以确定过程流体是否适当地流动，以精确估计要提供的过程流体的温度。另外，本文描述的实施例还可以确定过程流体导管100是否仅被部分填充，和/或过程流体是否流过过程流体导管100。这些附加指示可以由系统300本地提供(例如，经由本地显示器)，或者可以例如通过天线312经由过程通信将它们传送到远程设备。

在一些实施例中，在确定传感器特性意味着什么之前，了解各种传感器囊的安装方向是非常重要的。换句话说，在变送器壳体310内的控制器222必须了解传感器囊306布置在过程流体导管100的顶部，以及必须了解传感器囊324布置在过程流体导管100的底侧。类似地，控制器还必须了解传感器囊320和传感器囊322布置在过程流体导管的相对侧。利用该信息，控制器222可以生成指示和/或针对变化的过程流体流状况进行校正，以提供更精确的过程流体温度估计。以下是流状况的示例，以及控制器222可以识别它们的方式。

如果跨过程流体(process fluid)的梯度(gradient)在顶部传感器处产生最高温度，而在底部温度传感器产生最低温度，并且两侧传感器提供基本相同的指示，则控制器222可以确定没有过程流体流过过程流体导管100。这是因为过程流体与过程流体导管的所有内表面接触，并且由于流体不流动，所以较热的流体将移动到过程流体导管的顶部，而较冷的流体将保留在底部。当出现这种情况时，控制器222可以提供相对于过程流体没有流状况的指示。另外，可以通过对顶部传感器和底部传感器进行平均并将该估计值与两个侧面传感器提供的估计值相比较来提供过程流体温度的平均值。在该示例中，控制器222可以提供对过程流体温度的估计，以及对过程流体不流动的附加指示。

如果底部传感器和侧面传感器都提供几乎相等的温度，但是顶部传感器(传感器囊306)处于周围环境与侧面传感器和底部传感器的值之间的温度，则控制器222可以指示填充了大于50％的过程流体导管。另外，当这种情况发生时，控制器222可以仅基于侧面传感器囊和底部传感器囊的值来提供对过程流体温度的估计，并且可以附加地提供导管被填充大于50％但小于100％的指示。

如果顶部传感器和侧面传感器的测量的温度在环境温度和底部传感器的温度之间，但是顶部传感器的值最接近于环境温度，则控制器222可以指示过程流体导管被填充小于50％充满。另外，可以仅基于来自底部传感器囊324的温度来提供对过程流体温度的指示，并且控制器222可以提供导管100被填充小于50％充满的指示。

如果顶部传感器和侧面传感器处于基本相同的温度，但是底部传感器囊324记录了不同的值，则控制器222可以确定在过程流体导管的底部内表面上存在某种材料。这种材料的示例可以包括水分、沉积物等。在这种情况下，可以仅基于顶部传感器和侧面传感器来提供过程流体温度估计，并且控制器222可以提供在导管100的底部内表面中检测到材料的附加指示。

图4是示出了随着过程流体流的变化，不同管壁位置的温度随时间变化的图表。图4中所示的数据说明了过程流体不流动时的状况。数据示出了侧面安装的传感器(如附图标记400所示)与来自底部安装的传感器的数据(如附图标记402所示)之间的差异。在时间t

尽管参照图3示出的实施例示出了多个耦合到夹持机构的传感器囊，并且每个传感器囊均耦合到相应的连接头，但是可以明确地预想到，在其他实施方式中，多个传感器点可以直接内置于夹持机构中，并且各种传感器导线可以被连线到变送器壳体310中并且直接耦合到测量电路228。另外，尽管参照图3示出的实施例总共使用四个传感器囊，但是还可以预想到，可以通过使用三个这种传感器囊(顶部传感器囊、底部传感器囊和一侧传感器囊)来辨别一些过程流体变化信息。另外，还明确地预想到，可以通过使用四个以上传感器囊来辨别附加信息。此外，还明确地预想到，多个这种系统300可以沿过程流体导管位于不同的纵向位置处，并且各个系统内的一个或两个控制器可以设置有来自另一过程流体估计系统的附加信息，使得可以分析沿流动方向的温度流变化，以确定过程流体估计系统中的附加过程流体流状况和/或校正。例如，这种信息可以指示过程流体流是湍流的、层流的或过渡流的。横截面梯度还可以用于检测对湍流条件的干扰，以及指示该流是否完全展开。诸如弯管、阀门或异径管之类的管道破裂可能破坏完全展开的湍流。精确的温度测量值(以及流测量值)通常取决于完全展开的流状况。

在采用关于过程流体导管外表面的附加温度测量的实施例中，可以确定横截面温度的线性。该线性指示可以帮助检测诸如蒸汽应用中的结垢、变稀、沉积物存在或多余的水之类的情况，甚至可以提供采取措施的指示。这一点很重要，因为在一些情况下，如果不采取措施，可能导致效率影响、压力累积、或者甚至对过程流体导管造成永久性损坏。

在一些情况下，稳态温差可能是确定可行状态所需的全部条件，但是通过监视由于温度变化而引起的定时信息，可以更好地理解结垢或变稀的程度。因此，由系统300提供的各种过程流体估计可以由外部设备存储，或者在内部存储，并且随时间变化进行分析以识别指示系统中的磨损或其他恶化的趋势。

尽管到目前为止描述的实施例总体上已经预想到了在传感器囊中使用具有电阻温度设备(RTD)的传感器囊，但是根据本发明的实施例可以使用任何合适的温度感测结构或技术。例如，诸如光纤之类的传感器方法可以提供一种技术，以提供围绕导管100的更高的温度测量点密度。

图5是根据本发明实施例的用于估计在各种流状况下流体导管内的过程流体温度的方法的框图。方法500在框502处开始，其中，在过程流体导管周围的多个位置处测量蒙皮温度。例如，如上面参照图3所述，可以在顶部、底部和侧面位置处测量蒙皮温度。接下来，在框504处，分析各种温度测量值之间的任何差异以识别特定的流状况。上面已经描述了流状况的示例以及这种流状况所生成的测量温度的差异。还明确地预想到，可以将所需的测量差异(或相等)的程度设置为用户选择的阈值，或者可以在过程流体温度估计系统的组装或构建过程中经由制造商以编程方式输入。可以基于测量温度的差异来识别的各种状况的示例包括：100％充满的、流动的过程流体导管，如附图标记506所示；以及如附图标记508所示的无流状况；如附图标记510所示，大于50％填充的流状况；如附图标记512所示，小于50％填充的流状况，并且如附图标记514所示，在过程流体导管底部内表面存在材料。可以理解的是，如果在过程流体导管周围(例如，以45°间隔隔开)设置了附加传感器囊，则也可以提供附加的过程流体导管填充水平(例如，25％和75％)。接下来，在框516处，可以提供过程流体流状况作为输出和/或可以用于调节或以其他方式补偿过程流体温度估计。如上所述，在某些情况下，过程流体温度估计可以基于来自比所有可用传感器少的传感器的数据。例如，如果少于50％填充过程导管，则过程流体估计将仅基于由底部传感器囊(图3中所示的324)感测到的蒙皮温度。相反，如果过程流体流状况指示材料(例如，沉积物)紧邻过程流体导管100的底表面布置，但过程流体导管已充满，则过程流体温度估计将基于顶部传感器囊和侧面传感器囊的测量值，并且将忽略从底部传感器囊接收的值。因此，基于所识别的过程流体流状况提供了调节后的过程流体温度估计。接下来，在框518处，系统可以可选地报告所识别的过程流体流状况。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出修改。