热套管振动感测的制作方法

1.本发明总体上涉及过程传感器系统，并且更具体地涉及用于工业过程监测系统中的流体传感器的热套管传感器壳体。


背景技术：

2.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。这些过程流体可以在多种行业中的任何一种行业中找到，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。
3.工业过程发送器和传感器组件用于感测流经导管或容纳在容器中的过程流体的各种特性，并向远离过程测量位置的控制、监测和/或安全系统发送有关那些过程特性的信息。传感器组件可以感测各种过程参数，包括压力、温度、ph或流速。过程发送器通常是经由传感器导线电连接的传感器组件，该传感器导线用于发送反映至少一个这种过程参数的基于电流或电压的模拟传感器输出信号。每个发送器读取这些传感器输出信号，并将它们转换为过程参数的测量值。最后，发送器向控制系统发送信息。
4.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。当插入到过程流体中时，热套管可能受到由过程流体流的变化状况施加的动态应力。为了帮助设计，通常对热套管安装执行唤醒频率计算，以防止热套管暴露于最终会因振动而导致疲劳的过程状况下。然而，这种方法可能并不总是可行的，因为过程特性或热套管结构会随着时间变化，从而导致过早失效。因此，热套管在用于为温度传感器提供过程密封的同时，具有许多限制。


技术实现要素：

5.提供了一种过程流体温度测量系统。过程流体温度测量系统包括热套管，该热套管被配置为耦合到过程流体导管并延伸穿过该过程流体导管的壁。过程流体温度测量系统还包括布置在热套管内的温度传感器组件，该温度传感器组件包括传感器囊，该传感器囊具有布置在其中的至少一个温度敏感元件。温度传感器组件还包括耦合到传感器囊的振动传感器，该振动传感器被配置为响应于所检测到的振动而产生振动信号。过程流体温度测量系统还包括发送器电路，该发送器电路耦合到振动传感器并被配置为接收振动信号并基于所接收到的振动信号产生输出。
附图说明
6.图1是本发明实施例特别适用于的过程流体温度测量系统的图解视图。
7.图2是本发明实施例特别适用于的过程流体温度测量系统的壳体内的电路框图。
8.图3是根据本发明实施例的温度传感器组件的图解视图。
9.图4a
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图4b示出了根据本发明实施例的用于图1的过程流体温度测量系统的振动
传感器的示意图。
10.图5是示出了随过程流体流的速度变化的热套管尖端位移的图表。
11.图6a
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图6f示出了根据本发明实施例的振动传感器的信号输出在各种过程流体流速下的一系列频域图。
具体实施方式
12.如上所述，可以对热套管安装执行唤醒频率计算以辅助其设计。通常进行这些计算，以防止热套管暴露于最终会因振动而导致疲劳的过程状况下。这种系统通常利用过程状况标准，其中，在根据变化的过程流体流计算唤醒频率时，将典型的过程状况加载到计算中。
13.上述唤醒频率计算通常基于热套管安装内的过程状况不随时间变化的假设。然而，过程特性或热套管结构中变化可以随时间发生，从而导致计算错误和/或过早失效。另外，当过程状况变化时，可能会在过程流体内产生涡流。如果在过程流体中产生的涡流很大，则会使热套管安装的组件疲劳和/或断裂。例如，如果所产生的涡流达到涡流脱落频率(即，能够对热套管造成潜在损坏的频率水平)，则热套管可能会疲劳，从而导致永久性损坏。此外，如果涡流达到热套管的固有频率，则热套管可能严重疲劳到可能发生破裂的程度。固有频率可以特定于所采用的热套管的特定类型，因此可以是范围广泛的不同振动频率。另外，在一些情况下，涡流的幅度在足以导致损坏热套管安装组件的水平。
14.由于导管内存在高温状况，因此在热套管内实现传感器以感测振动是困难的。理想情况下，振动传感器应安装在发送器壳体中，该发送器壳体附接到热套管，以允许更大的测量灵活性。然而，在许多应用中，发送器是从热套管远程安装的。
15.图1是本发明实施例特别适用于的过程流体温度测量系统的图解视图。如图所示，系统100通常包括热套管102，该热套管被配置为耦合到过程流体导管104并延伸穿过过程流体导管的壁106。热套管102还被配置为接触过程流体导管104内的过程流体108，以获得过程流体的测量值，例如，温度。热套管102具有通常布置在其中的温度传感器组件110。温度传感器组件110包括传感器囊112。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、大小和配置。传感器囊112通常包括一个或多个温度敏感元件(未示出)，例如，电阻温度设备(rtd)或热电偶。传感器囊112内的传感器电连接到壳体116内的发送器电路114，该发送器电路114被配置为从传感器囊112获得一个或多个温度测量值。如图所示，在一个实施例中，传感器囊112经由测量导线130电连接到发送器电路114，该测量导线130可以包括两条或更多条导体电缆。另外，如图所示，发送器电路114经由示出为线缆的传输回路118电连接到控制室124内的主机系统。备选地，传输回路118可以是两条或更多条线缆、光纤电缆或无线链路。
16.温度传感器组件110还包括耦合到传感器囊112的振动传感器120。振动传感器120通常被配置为响应于过程流体的状况来感测热套管102的振动，并且响应于所检测到的振动而产生振动信号。例如，如果在工艺流体内产生涡流并且涡流引起热套管的振动，则振动传感器120被配置为感测该振动并产生指示热套管振动的振动信号。如图1所示，在一个实施例中，振动传感器120布置在传感器囊112上并位于热套管102的底部。通过将振动传感器120布置在热套管102的底部，可以在由于振动而可能发生断裂的点处感测热套管102的振
动。备选地，振动传感器120可以放置在热套管的其他位置，以便可以检测到振动。此外，虽然在图1中示出了振动传感器120被布置在传感器囊112中，但是在其他实施例中，振动传感器120可以被嵌入在热套管内并被布置在传感器囊附近。
17.图2是本发明实施例特别适用于的过程流体温度测量系统200的壳体216内的电路框图。系统200与系统100(图1所示)具有一些相似性，并且相似的组件被相似地编号。系统200还可以包括其他项目，如框236所示。系统200包括耦合到控制器224的通信电路222。通信电路222可以是能够传达与过程流体温度和/或热套管(例如，热套管102(如图1所示))的振动有关的信息的任何合适的电路。通信电路222允许过程流体温度测量系统200在过程通信回路或段(例如，传输回路118(图1所示))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
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20毫安协议、高速公路可寻址远程传感器协议、foundation
tm
现场总线协议和wirelesshart协议(iec 62591)。通信电路222还允许温度传感器组件210内的振动传感器220响应于热套管振动通过过程通信回路或段(例如，传输回路118和/或测量导线130)传送振动信号。
18.系统200还包括电源模块226，电源模块226向系统200的所有组件提供电源，如箭头228所示。在系统200耦合到诸如回路或foundation
tm
现场总线段之类的有线过程通信回路的实施例中，电源模块226可以包括合适的电路，用于调节从回路或段接收的功率以操作系统200的各种组件。因此，在这种有线过程通信回路实施例中，电源模块226可以提供合适的功率调节，以允许整个设备由与其耦合的回路供电。在其他实施例中，当使用无线过程通信时，电源模块226可以包括电源，例如，电池和合适的调节电路。
19.控制器224可通信地耦合到通信电路222，并且包括能够使用来自传感器囊212内的传感器的测量值产生温度输出的任何合适的布置。在一个示例中，控制器224是微处理器。另外，控制器224包括能够产生指示从振动传感器220检测和测量的热套管振动(例如，满足热套管的固有频率的振动)的振动输出的任何合适的布置。可以将输出提供给控制室，例如，控制室124(图1所示)。备选地或附加地，可以将输出提供给操作员、机器或其他设备。在一个实施例中，输出是指示热套管振动的视觉输出。然而，在其他实施例中，输出可以是听觉输出。
20.测量电路230耦合到控制器224，并提供关于从传感器232和振动传感器220获得的测量值的数字指示。测量电路230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振动传感器220。另外，测量电路230可以包括可以适合于所采用的各种类型的振动传感二器和其他传感二器的合适的放大和/或线性化电路。
21.温度传感器组件210示例性地包括传感器囊212、振动传感器220，并且还可以包括其他项目，如框234所示。振动传感器220耦合到系统200的电子电路，并用于响应于过程流体内的过程状况来感测热套管振动，并响应于所检测到的热套管的振动而产生振动信号。例如，如果由导管内的过程流体产生的涡流满足特定频率或幅度，则产生振动信号并将其传送到系统200的电子电路，以基于指示振动的振动信号产生输出。在一个实施例中，仅当热套管振动满足频率阈值时才产生振动信号。频率阈值可以包括指示热套管振动的广泛的频率信号。例如，频率阈值可以是涡流脱落频率，即，能够对热套管造成潜在损坏的频率水平。备选地或附加地，频率阈值可以是振动下的热套管的固有频率，或者可以是能够由振动
传感器220检测到的备选振动频率。
22.图3是根据本发明实施例的温度传感器组件的图解视图。组件310与温度传感器组件110(图1所示)具有一些相似性，并且相似的组件被相似地编号。特别地，温度传感器组件310包括传感器囊312，其经由适配器322被推压在过程流体温度测量系统的外表面上。如图3所示，适配器322是螺纹适配器。然而，在备选实施例中，适配器322可以是弹簧适配器或其他合适的机械元件。另外，传感器囊312电耦合到过程流体温度测量系统的电子电路，以便产生指示过程流体温度和/或所检测到的振动的输出。传感器囊312经由测量导线330电耦合到电子电路。
23.传感器组件310包括一个或多个温度传感器元件324，例如，一个或多个电阻温度器件(rtd)。温度传感器元件324耦合到传感器囊312，传感器囊312被配置为获得过程流体导管内的一个或多个温度测量值。一个或多个温度测量值作为信号响应地向过程流体温度测量系统(未显示)的电子电路发送，以作为温度测量输出产生。
24.温度传感器组件310中还包括振动传感器320。振动传感器320耦合到传感器囊312，并且被配置为响应于所检测到的热套管的振动而产生振动信号。如图3所示，振动传感器320布置在靠近传感器囊底部并因此靠近热套管底部的传感器囊312上。然而，在其他实施例中，振动传感器可以布置在传感器囊312的不同区域上，或者布置在接近传感器囊312的热套管内。备选地，振动传感器320可以嵌入在热套管的可以检测到振动的其他位置。例如，振动传感器320可以在电子电路耦合到适配器322的安装中放置在壳体(未示出)中。
25.通过将振动传感器320放置在热套管的底部(多数振动应力位于该位置，并且该位置很可能发生破裂)，振动传感器320可以感测可能对热套管造成潜在损坏的某些振动频率和幅度，例如，导管内过程流体产生的涡流脱落频率。响应于所检测到的振动，振动传感器320可以提供振动信号以用于提供输出。另外，本文描述的实施例还可以感测热套管的不同振动频率，例如当振动等于热套管的固有频率或备选频率时。在一个实施例中，仅当所检测到的振动满足频率阈值时才产生振动信号。
26.振动传感器320还被配置为感测对应于正常过程流体流的初始频率下的振动。当过程状况改变并引起热套管的明显振动时，振动传感器320检测指示振动的更高谐波频率下的振动。以此方式，振动传感器320可以感测第一频率下的振动，并感测对应于热套管振动的更高谐波频率下的振动，该更高谐波频率指示不同的振动状态。例如，在一个实施例中，所检测到的更高谐波频率可以对应于振动状态从直列方向到横向方向的变化。当振动状态经历指示热套管振动的该转变时，振动传感器320可以检测到横向方向的转变并产生振动信号作为响应。
27.振动传感器320被配置为在测量导线330上产生指示所检测到的振动的振动信号。在一个实施例中，振动传感器320包括压电材料，例如，压电膜。当在过程流体温度测量系统内发生热套管的振动时，压电材料将响应于在振动下热套管而产生应力，从而使其受到激励，并以所检测到的振动频率沿测量导线330耦合噪声。与所检测到的振动的频率相对应的信号又被电子电路(未示出)接收以产生指示振动的输出。
28.在另一实施例中，振动传感器320包括摩擦电机构，例如，摩擦电线。当在过程流体温度测量系统内发生热套管的振动时，摩擦电机构内包含的两个绝缘体将响应地相互摩擦，从而产生电荷。随着热套管的振动在幅度和/或频率上的增加，两个绝缘体移动的速率
增加，从而产生足以产生指示所检测到的振动的信号的更高电荷量。
29.图4a
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图4b示出了根据本发明实施例的用于图1的过程流体温度测量系统的振动传感器的示意图。如图4a
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图4b所示，振动传感器420示例性地包括压电材料。然而，在另一实施例中，振动传感器420可以包括摩擦电机构，或者能够检测过程流体温度测量系统内的热套管振动的其他传感器。
30.图4a具体示出了耦合到过程流体温度测量系统(未示出)的现有测量导线的振动传感器420以及电阻器422。电阻器422可以是例如电阻温度器件(rtd)。如图4a所示，利用了4线rtd。然而，在其他实施例中，电阻器422可以是3线rtd。因为过程流体导管中的温度随时间缓慢变化，所以传感器囊内的传感器所获取的温度信号几乎是直流(dc)信号。相反，由过程流体温度测量系统内的热套管检测到的振动和由振动传感器420产生的振动信号被表示为交流(ac)信号。振动传感器420和传感器囊内的传感器之间的信号产生的差异允许温度测量系统内的电子电路区分一个或多个温度传感器元件和振动传感器420两者的测量值和信号输出。以此方式，振动传感器420可以沿通常用于一个或多个温度传感器元件的现有测量导线产生振动信号。
31.图4b具体示出了耦合到过程流体温度测量系统的单独的测量导线的振动传感器420以及电阻器422。电阻器422可以是例如电阻温度器件(rtd)。在该示例中，利用了3线rtd。如图所示，单独的导线可以将振动传感器420耦合到温度测量系统(未示出)内的电子电路。因为由振动传感器420产生的振动信号通常是低幅度的，所以附加导线的使用可以用来消除振动信号受到传感器囊内的传感器产生的信号的低阻抗影响的可能性。以此方式，振动传感器420可以耦合到与用于一个或多个温度传感器元件的测量导线分开的测量导线。
32.图5是示出了随过程流体流的速度变化的热套管尖端位移的图表。图5所示的数据说明了过程流体流动时的状况。该数据示出了第一振动状态(如附图标记502所示)和第二振动状态(如附图标记504所示)之间相对于过程流体速度的差异。如图所示，随着流体速度的增加，热套管尖端的位移通常增加，这指示了振动状态的变化。例如，当过程流体流的速度达到15ft/s时，示出了振动状态从直列方向到横向方向的转换。振动状态的突然改变又显著增加了热套管尖端的位移，从而增加了热套管振动并产生更高谐波频率下的振动。因此，对应于不同振动状态的热套管振动的变化能够由振动传感器(例如，以上关于图3描述的振动传感器320)检测到。另外，虽然以15ft/s示意性地示出了振动状态的变化，但是可以明确地设想：振动状态的变化可以在变化的过程流体速度下发生，并且这种转换可以由振动传感器320检测到。
33.图6a
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图6f示出了根据本发明实施例的振动传感器的信号输出在各种过程流体流速下的一系列频域图。图6a
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图6f所示的数据说明了过程流体流以变化的流速流动时的状况。如图所示，随着流速的增加，热套管固有频率下的振动幅度增加。例如，如图6a所示，以每秒5英尺(ft/sec)的流速输出的信号通常用附图标记602指示。如图6b所示，随着流速的增加(例如增加到7ft/sec)，振动传感器的振动幅度和输出信号增加，通常由附图标记604指示。随着流速继续增加，固有频率下的振动幅度增加，并且因此振动传感器输出的信号响应性地增加。如在图6c
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图6f中通常以附图标记606
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616所示，对应于固有频率下较高振动幅度的振动传感器的输出信号随着流速的增加而增加，例如增加到10ft/sec、15ft/sec和
17ft/sec。最后，如图6f所示，在20ft/sec的流速下，所检测到的振动幅度和输出信号是最显著的，由附图标记614和616指示，分别对应于1mv和5mv。另外，虽然在该示例中使用5ft/sec、7ft/sec、10ft/sec、15ft/sec和20ft/sec的变化流速，但可以明确地想到，热套管振动的检测和振动信号输出的产生可以在不同的过程流体流速下发生。
34.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。