使用热成像的过程管道异常检测的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业过程中使用类型的过程控制和监测系统的诊断。更具体地，本发 明涉及基于工业过程中的热成像的诊断。
【背景技术】
[0002] 工业过程用于各种过程流体的制造和移动。在这种设备中，管道用于在诸如容器 或其它器皿的各种位置之间输送过程流体。管道、容器和其它类型的器皿是过程管道的示 例。
[0003] 工业过程内使用的运送过程流体的各种管道可能往往会随着时间而损坏。该损坏 的一个来源是由于暴露于过热的温度。这种过热的温度可能会造成过程中的温度梯度，该 温度梯度可以通过操作者在物理上行走通过携带手持式热成像照相机的工业设备以获得 红外表面温度测量来识别。操作者必须手动解释图像信息以确定温度是否在规定范围外。 这耗费时间且无法提供对过程内的临界点的连续监控。
【发明内容】
[0004] 一种用于检测过程管道的状态的诊断现场装置包括红外检测器，所述红外检测器 包括多个像素，所述多个像素被构造成从过程管道接收红外辐射并以响应的方式提供多个 像素输出。多个像素中的第一像素被构造成从过程管道上的第一位置接收红外辐射。多个 像素中的第二像素被构造成从过程管道上的第二位置接收红外辐射。存储器含有热分布图 信息，所述热分布图信息使来自第一像素的输出与第一位置处的第一温度相关，并使来自 第二像素的输出与第二位置处的第二温度相关。微处理器根据来自第一像素和第二像素的 输出识别过程异常。输出电路提供指示识别的过程异常的诊断输出。
【附图说明】
[0005] 图1是显示包括诊断现场装置的工业过程的简图；
[0006] 图2A是显示过程异常的过程管道的侧视热像；
[0007] 图2B是图2A的热像中的多个切片的温度分布图；
[0008] 图3是显示图1的过程现场装置的简化方框图；
[0009] 图4是显示与图3中所示的现场装置一起使用的红外检测器的一个示例结构的简 化示意图；
[0010] 图5是显示用于检测过程异常的示例步骤的简化方框图；以及
[0011] 图6是显示与图3中所示的现场装置一起使用的红外检测器的另一个示例结构的 简化示意图。
【具体实施方式】
[0012] 如【背景技术】部分中所述，过程管道的红外表面测量通常需要操作者携带手持式热 成像装置物理上行走通过工业设备。操作者使用热成像装置从过程中的临界点手动收集数 据。如果这些临界点无法持续监测，则温度可能会超过用于制造管道的材料的极限，从而造 成故障，使得设备过早停止运转。如以下更详细地说明，设置诊断装置，所述诊断装置可以 根据热成像而不是采用与工业过程的部件物理上耦合的温度传感器来识别工业过程中使 用的过程管道中的异常。这允许自动化监测过程且不需要操作者物理检查过程。在一个示 例性实施例中，红外阵列用于获得工业过程的热像。诊断电路通过监测热像执行诊断。热 像的变化可以与故障管道相关联。
[0013] 图1是显示示出了本发明的一个实施例的包括过程诊断装置12的工业过程10的 简图。装置12可以为诸如独立式装置或过程变量传送器或控制器的任何类型的过程装置。 装置12耦合到双线过程控制回路18上的另一个位置，例如处理控制室16。例如，回路18 可以包括还可以用于给连接到回路18的装置供电的4-20mA的电流回路。数据可以根据任 何适当的协议在回路上输送，所述协议例如为在4mA与20mA之间变化的模拟电流水平、数 字信息根据4-20mA的电流来调制的HART?通信协议、FieldBus或Profibus通信协议等 等，包括无线通信技术。无线通信技术的一个示例为基于IEC62591的无线HART?通信协 议。标准以太网、光纤连接或其它通信信道也可以用于实现回路18。控制室16包括下面更 详细说明的可选的显示器19。
[0014] 如图1中所示，过程装置12包括被构造成例如从管道32接收红外辐射104的红 外检测器100。检测器100可以包括红外热成像照相机。管道32被显示为罐，但也可以包 括承载过程流体的任何容器，包括过程管道。检测器100可以包括红外传感器阵列。如以 下更详细地说明，过程装置12能够通过监测红外辐射104检测管道32中的异常。
[0015] 图2A是管道32的侧视热像图并显示过程流体的流动。图2A还显示管道32的过 程管道表层温度42的异常40。异常40由图中的较暗区域显示，该区域指示与周围区域相 比更高的温度。该局部加热区域可能是由于许多来源造成的。例如，流动中的热对象可以靠 近管道壁定位，管道壁可以很薄并具有损失的结构完整性，过程中的热源可能会影响管道 等。虽然异常40被显示为升高温度区域，但是过程异常还可以通过识别局部冷却来检测。 检测到的异常可以表明即将发生的故障，或者可以表明已经出现故障。异常40可以使用图 1中所示的红外检测器100来检测以监测管道32上的热点或冷点。
[0016] 异态检测可以通过许多技术。例如，可以获悉管道32由于过程动态和固有温度变 化产生的正常温度特性。如果热检测器100为热成像装置，则管道32的热像可以以观察数 据中的相对趋势的像素水平被监测以识别表面异常。如果成组的像素具有与热像中的其它 像素有关随着时间逐渐变化的特性，则可以检测到异常。警报可以随同指示管道32的表面 上何处被观察到异常40的信息一起被提供给操作者。
[0017] 热像的评价可以以许多方式来执行。例如，可以监测图像的单独切片。"切片"为 由多于一个的像素组成的热像的一部分的一个示例。切片由沿管道32的表面的横截面获 得的像素构成。图2A显示示例性切片44。每一个切片的平均温度可以根据构成切片的像 素来确定。图2B是沿管道32的长度获得的热像中的各个切片相对于温度的曲线图。在该 示例中，管道32具有大致线性正常温度分布图。异常40在图2B中表现为该分布图中的非 线性区域。分布图可以通过利用理论循环被标准化以说明正常过程操作的一部分的任何变 化。正常或预期温度值可以被从测量的温度分布图减去以说明这种变化。
[0018] 图3是根据本发明的一个实施例的过程装置12的简化方框图。过程装置12可以 被构造成独立诊断装置或者过程变量传送器或控制器。装置12包括根据存储器26中存储 的指令以由时钟28确定的速率操作的微处理器24。通信电路（1/0)30用于在过程控制回 路18上进行通信。在一些实施例中，I/O电路30还将电力提供给装置12。
[0019] 图3显示连接到处理电路102的红外检测器100。红外检测器100被构造成接收 红外辐射104并输出热像。处理电路102在将图像提供到微处理器24之前提供检测的红 外图像的可选预先处理。要注意的是图2还显示可选的过程变量接口元件20和接口电路 22。接口元件20可以为过程变量传感器或控制器。
[0020] 检测器100被布置成从图1所示的过程管道32接收红外辐射104。检测的红外 辐射形成过程管道32的热像或红外图像。所述图像由与管道32中的不同区域相对应的多 个分部或部分形成。红外检测器100优选地具有方向性，并且如在下面更详细地说明包括 多个单独的红外传感器（"像素"）。这些传感器可以为单独的独立元件或者可以被制造成 单个装置。来自红外检测器100的输出被提供到图3中显示的处理电路102,所述处理电 路将已处理的输出提供给微处理器24。例如，处理电路102可以包括放大电路、减噪电路、 模-数转换器、比较电路等。来自处理电路102的输出以数字格式被提供到微处理器24。
[0021] 在一个示例性结构中，红外检测器100由至少两个单独的红外传感器120A和120B 形成，如图4中所示。在图4中，红外检测器100被构造成形成仅包括由红外传感器120A 和120B形成的两个像素的红外（或者热）图像。这两个像素中的每一个与红外图像的分 部或者一部分相对应并感测来自过程管道32上的两个位置106AU06B的红外辐射。位置 106AU06B为管道32的多个部分或"切片"的示例。如上所述，每一个像素可以观察管道32 的图像的一部分或者"切片"。图4是仅由两个像素形成的图像的示例。然而，一个典型实 施例可以使用大量像素形成图像。红外传感器120A和120B被布置成分别接收通过可选的 红外透镜、过滤器或其它元件130A，130B的红外辐射104A，104B。在图4所示的结构中，传 感器120A和120B分别利用通过电阻器122A和122B连接到地线的红外敏感晶体管132A和 132B形成。然而，本发明可以使用任何类型的热传感器来实现，包括热电堆、光电二极管或 者其它元件。晶体管132A和132B连接到正供电电压，并且根据充分的红外辐射104AU04B 的接收将输出提供到图3所示的处理电路102以"接通"晶体管132AU32B。虽然图4显示 使用晶体管实现的红外传感器，但是也可以采用任何适当类型的红外感测技术。示例包括 红外感测二极管、电荷耦合装置（CCD)、互补金属氧化物半导体（CMOS)装置或者其它装置。 在图4的实施例中，显示两个单独的传感器。然而，传感器可以形成为一维或二维阵列或矩 阵。因此，可以仅使用两个单独的红外传感器获得捕获的热像且每一个传感器与图像内的 分部或区域相对应，或者可以使用大量单独的传感器以形成更大的矩阵或阵列来形成捕获 的热像。
[0022] 在操作中，红外传感器120A和120B被引导（指向）以从管道32上的不同位置 106A和106B接收红外辐射104A和104B。位置106A、106B的具体形状和尺寸取决于传感 器120A，120B、透镜130A，130B的特性以及检测器100与过程管道32之间的间距和相对方 位。来自传感器120A、120B的输出被提供到处理电路102。例如，处理电路102可以将来自 传感器120AU20B的输出数字化并将数字信号提供到微处理器24。
[0023] 图5是显示根据一个示例性实施例的由图3所示的微处理器24执行的步骤的简 化方框图。图150中显示的步骤可以在存储器26中存储的程序指令中被实施。所述过程 以方框152开始。在方框154处，来自管道32的多个部分的红外辐射104使用检测器100 被收集、通过处理电路102被数字化并被提供到微处理器24。在方框156处，与接收到的 辐射相关的信息在过程的正常操作期间作为用于过程管道32的热分