用于非侵入式确定流体温度的系统和方法与流程

本发明涉及用于非侵入式确定在管道中流体的流体温度的系统和方法。

背景技术：

1、非侵入式温度感测是在不需要穿透管道的情况下测量过程温度更安全和更简单的方法。除了需要温度测量来监控车间或优化车间性能之外，还需要精确的过程温度测量来补偿附近的其它装置中的温度非独立误差。例如，气体流量计需要气体温度的精确测量，以便通过考虑气体的密度和压缩性的变化来增加它们的精确性。典型地，用侵入式热电偶套管实现温度测量。除了灾难性故障的风险之外，热电偶套管还具有不容易预测的测量的误差。气流的复杂的流体结构相互作用和杆中通过热电偶套管到周围环境的热损失是不容易建模或计算的。不幸的是，这仍然是现有技术和最广泛使用的方法。更简单的方法是将管道用作热传感器并使用管道的表面温度和环境温度作为参考来推断真实的过程温度。在ep3537124b1中，描述了这种基于模型的测量过程。然而，这种用于从表面温度测量值预测过程温度的模型可能被压力和流量条件影响，并且可能受若干其它过程参数的影响。环境温度条件不仅影响测量的表面温度还影响从管道传递的热量，也进一步加剧了差异。这是仅仅使用传统的表面传感器而没有对环境温度进行任何补偿的主要缺点。

2、因此，由于压力和/或流量变化，非侵入式温度感测可能产生显著的偏差，对此通常没有局部传感器可用(并且影响表面温度和过程之间的差异的任何物理预测的精确度的环境条件，也影响表面温度测量本身的精确度)。这在充气管道上尤其如此，因为热导率可能强烈地取决于压力和/或流量和/或其它过程参数，即特别是管道系统和介质(液体、气体、或混合物)的参数。特别地，一些参数可以在过程车间操作期间随时间变化。这限制了非侵入式温度感测的效率和市场潜力，即使它是基于模型的，尤其是在气体应用中。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种具有改进的精确度用于非侵入式确定管道中流体温度的系统。该目的通过独立权利要求的主题来实现。另外的优选实施例从从属专利权利要求中显而易见。

2、根据本发明的一个方面，用于非侵入式确定管道中流体的流体温度的系统，包括：被设置在管道的管道表面的表面温度传感器，该表面温度传感器被配置用于确定该管道表面的表面温度；被设置在管道的外侧的参考温度传感器，该参考温度传感器被配置用于确定该管道的参考温度；数据接口，该数据接口被配置用于接收标称过程参数，其中标称过程参数与过程的标称参数相关，过程的标称参数与管道中流体相关；过程参数传感器，该过程参数传感器被配置用于确定至少一个测量的过程参数，其中该至少一个测量的过程参数与过程的测量参数相关，过程的测量参数与管道中流体相关；过程模型，该过程模型被配置用于通过使用所确定的表面温度、所确定的参考温度、所接收的标称过程参数以及至少一个测量的过程参数来确定该管道中流体的计算流体温度。

3、换句话说，通过使用测量表面温度的基于模型的校正，特别是基于各种参数，进一步优选地包括管道中的压力和/或流量，提高了对流体填充的管道的非侵入式温度测量的精确度。

4、这里使用的术语“非侵入式温度测量”涉及用于不进入管道确定流体的温度的温度传感器。在这种情况下，非侵入式温度测量涉及管道中流体的温度的测量，该管道中流体的温度的测量基于表面温度传感器和参考温度的测量，通过使用基于模型的校正来确定实际流体温度，该实际流体温度被认为是计算流体温度。这意味着不需要侵入式温度传感器来获得关于流体温度的信息。在此使用的非侵入，涉及一种感测的形式，其中没有探针穿透管道壁或伸入管道中流体的流中。

5、这里使用的术语“标称过程参数”，包括关于使用已知流体和管道运行的过程的信息，例如通过预确定或预估计。换句话说，标称过程参数是通过数据接口提供给系统的，特别是提供了具有关于管道的总体信息的过程模型，使得系统、流体和过程自行实现。标称过程参数例如被存储在数据库中并且正好通过系统被读出。备选地，标称过程参数从来自附近传感器的控制系统信息中读出。部分标称过程参数(如流体信息)也可以被作为在装置启动期间的输入数值提供。

6、优选地，流体温度是指众所周知的流体的平均或整体温度，如例如bergman等人在“fundamentals of heat and mass transfer”2011，第7版，8.2.1节中所定义的。在侵入式温度传感器的情况下，侵入式温度传感器将探针延伸到管道中、到管道的中心以测量中心流体温度，该中心流体温度也仅是平均温度的近似值。通过根据本发明的过程模型提供的估计流体温度涉及管道中平均或整体流体温度的估计。

7、这里使用的术语“计算流体温度”涉及由过程模型计算的流体温度的估计。换句话说，代替用侵入式传感器直接测量流体温度，过程模型提供了计算流体温度，该计算流体温度比用非侵入式传感器测量所说的流体温度更精确。

8、传感器，即表面温度传感器、参考温度传感器和过程参数传感器被连接到公共电子单元，在该公共电子单元内，实现了信号和过程模型的处理、实现计算流体温度的确定，也称为校正算法。

9、优选地，流体是气体。

10、优选地，流体是压缩性流体。

11、优选地，管道参数，也被称为管道参数集，包括：管道直径、管道的壁厚、侵入式温度测量从管道的管道壁的标称距离、管道壁的过程数据、管道壁的材料数据和/或管道的隔热。管道壁的处理数据优选地包括管道的材料特性，如导热性和/或热容量。管道壁的过程数据潜在的受到该过程的影响。换句话说，管道的材料特性可能取决于温度或其它过程参数。

12、通常，过程参数的标称值的集合对于液体的良好测量通常是足够的，但是对于气体可能不能提供足够精确的结果。对于气体，压力和流量差异导致与热模型相关的一些参数的偏差，包括例如努赛尔数(nuβelt数)、静态热导率、黏度等，并且导致计算流体温度的偏差。这些偏差在许多情况下非常大。因此，关于压力或流量的附加信息将是必要的。

13、因此，通过使用测量表面温度的基于模型的校正，特别是基于各种参数，进一步优选地包括管道中压力和/或流量(或换句话说，流体速度)，对流体填充的管道的非侵入式温度测量的精确度得到了提高。

14、在优选实施例中，过程模型被配置用于通过使用至少一个测量的过程参数来确定流体的努赛尔数，其中努赛尔数取决于流体的普朗特数和流体的雷诺数，其中普朗特数和雷诺数各自取决于至少一个测量的过程参数，并且用于通过使用确定的流体的努赛尔数来确定计算流体温度。

15、如从文献中众所周知的，在流体和管道壁之间的热阻可以正式地描述为假想的热边界层的阻力。边界层被定义为边界表面的附近的流体区域，其中流量和/或热场在很大程度上受到与边界的相互作用的影响(参见例如bergman等人的“fundamentals of heat andmass transfer”，2011年，第7版)。通常，实际不使用出现的边界层的实际厚度。与之相反，管道直径d被认为是层的尺度，并且努赛尔数和雷诺数的定义适用于这个尺度固定。

16、流体边界层(在流体和管道壁之间的层)的热阻与管道表面温度和流体温度的差异特别相关。关于管道流中的边界层的几何扩展，通常不是严格定义的。然而，其热阻(或逆热导率)通常被定义为连接(或分离)内壁温度和在管道中流动的介质的平均(整体)温度的热阻。

17、热阻取决于流体密度，并且因此取决于压力，还取决于管道中的流体速度。

18、管道流体动力学中流体边界层的热阻可以用努赛尔数nu来描述。它被定义为跨越流体边界层的对流热传导与纯传导热传导的比率。

19、在许多情况下，nu首先取决于流体的材料数据，特别是普朗特数pr，特别是根据等式1。

20、等式1：

21、

22、其中，v是流体的运动黏度，α是流体的热扩散率，η是流体的动态黏度，λ是流体的热导率，cp是流体的比热容，并且ρ是流体的密度。

23、普朗特数是动量与热扩散常数的比率。它通常是温度和压力的函数，但是对于气体中0.1bar-10bar的压力，它仅仅由气体的绝热(等熵)指数决定。对于感兴趣的流体，pr可以根据需要以形式：pr＝pr(t，p)完全地确定。

24、在感兴趣的情况下，nu的第二要素是雷诺数re。re由流体的材料数据和过程参数确定，如等式2概述：

25、等式2：

26、

27、其中v是流体速度，也称为流量或流速，d是管道的特征线性尺寸，特别是管道直径。

28、由于re取决于流体密度ρ，因此在气体的情况下它取决于压力p。η也可以是压力相关的。以类似的方式，对于给定的压力，流体的密度保持相对恒定，但是流量变化有影响。

29、总的来说，nu定义为如等式3中概述：

30、等式3：

31、nu＝nu(re，pr)＝nu(re(...，p，v)，pr(...，p))

32、因此，流体压力p和/或流体速度v的知识将有助于增加re、pr和nu的计算精确度。

33、如在ep3537124b1中所详细描述的：对于过程温度tm，以上提到的考虑得到公式，其中tm是至少以下变量的函数：

34、等式4：

35、tm＝f[tsurface，treference，

36、rbl(p，v，ν，λ，ρ，η，cp，d)，

37、rw(d，dwi，λwi)，

38、rf(dinsulationi，入insulationi，h)]

39、这里，rbl是邻近内管道壁表面的介质边界层的逆传导率(单位：m2k/w)。

40、ru是管道壁的逆传导率，包括可能的内侧和外侧涂层，具有厚度以及材料的热导率

41、rf是隔热层(如果有的话)和外侧对流边界层的逆传导率。

42、而在ep3537124b1中，设置和模型被用于确定tm，公开了tm被侵入地测量时的设置，以便确定等式4中的其它变量之一。

43、根据本发明，如果除了等式4的右侧自变量中的一个之外的所有自变量都是已知的或者可以被估计(这将是参数pn)，则可以通过对等式4表达式求逆来计算剩余的一个未知变量(pc)。在根据隐函数定理的非常一般的正则条件下，至少局部地在自变量的空间中这是可能的，隐函数定理从经典分析(如a.n.kolmogorov，s.v.fomin，“elements of thetheory of functions and functional analysis”，1-2章，martino精品图书，2012)中众所周知。

44、本发明还将被理解为包括当存在比等式4中明确示出的影响因素更多的影响因素的情况(例如，在其中管道的进入长度l和粗糙度或摩擦因素(见ep3537124b1)或其他变量可能起作用的复杂流动情况下)。然后，基本过程和学习保持相同。

45、在系统中，p和/或v的测量值或p和/或v的一些其它估计值可用于随后的三个无量纲变量的计算，从而确定流体温度的精确计算。优选地，在压力可以是恒定的情况下，实时流量(例如测量流量)的估计或知识也是必要的，或者在多变量dp测量中，压力和流量的知识对于流体温度的精确计算是有价值的。

46、该概念还可以扩展到配备有至少一个侵入式温度测量点的流体箱罐或容器中压力的测量。

47、在优选实施例中，过程模型被配置用于通过使用计算流体温度来确定校正的至少一个测量的过程参数，并且通过使用确定的表面温度、确定的参考温度、接收的标称过程参数和校正的至少一个测量的过程参数来确定校正的计算流体温度。

48、使用计算流体温度，过程模型能够开始校正过程参数传感器的测量数值的循环。由于压力/速度和流体温度之间的关系，测量的过程参数用于增强确定计算流体温度的精确度。计算流体温度基本上是经校正的流体温度，该流体温度由非侵入式流体温度传感器(换言之，非侵入式表面温度传感器)测量。计算了计算流体温度之后，所述计算流体温度可以通过应用压力/速度和流体温度之间的相同关系以确定校正的测量的过程参数。尽管过程参数传感器为测量的过程参数提供了非常精确的值，但是由于传感的本质，过程参数传感器还留有校正的空间。在另一步骤中，校正的测量的过程参数可因此用于再次校正计算流体温度，确定校正的计算流体温度。可以重复该循环直到获得满意的结果，特别是直到校正的测量的过程参数和测量的过程参数之间的差异在预定阈值之下，或者直到校正的计算流体温度和计算流体温度之间的差异在预定阈值之下。

49、在优选实施例中，至少一个测量的过程参数包括：测量的流体压力、测量的流体速度、测量的流体黏度、测量的流体成分、和/或测量流体热导率。

50、换句话说，至少一个测量过程参数包括标称过程参数中任一个的测量值。因此，至少一个测量的过程参数提供了比其它情况下可用的相应标称过程参数更准确的关于过程的信息。

51、在优选实施例中，标称过程参数包括至少一个标称管道参数和至少一个标称流体参数，其中至少一个标称管道参数包括管道的几何形状和/或管道的材料，其中至少一个标称流体参数包括流体的标称流体黏度、流体的标称流体热导率、流体的标称流体压力、和/或流体的标称流体速度。

52、在优选实施例中，过程参数传感器包括侵入式过程参数传感器。

53、侵入式过程参数传感器通常比非侵入式过程参数传感器更划算。

54、在优选实施例中，过程参数传感器包括非侵入式过程参数传感器。

55、如果使用非侵入式压力传感器，通常它将测量相对于初始安装状态的压力的变化，需要初始零点校准。

56、非侵入式过程参数传感器不需要将过程关闭以被提供给管道。

57、在优选实施例中，过程参数传感器包括集成的非侵入式过程参数传感器，其中非侵入式过程参数传感器集成在表面温度传感器中。

58、在优选实施例中，表面温度传感器包括夹持系统，该夹持系统被配置用于将该表面温度传感器附接到管道的管道表面上，其中集成的非侵入式过程参数传感器被集成在该夹持系统中。

59、在优选实施例中，集成的非侵入式过程参数传感器通过夹持系统的夹持条上的应变仪、夹持系统中的张力传感器、或在夹持系统和管道表面之间的压缩力传感器，被集成在夹持系统中。

60、可以想到将非侵入式压力测量集成在围绕管道的夹具中的几种选择，所有这些都依赖于量化夹具中的压力效应(力变化)。

61、例如，将圆周应变仪应用于夹具表面。如果已知管道的几何形状和材料特性，则产生的应变足够好地跟随管道应变以允许压力变化的计算。夹持条和管道之间的传递函数可以基于两者的弹性系数来量化。

62、备选地，通过例如在夹具的紧固部件中应用张力传感器元件(例如具有应变仪的螺栓，或集成的力传感器)来测量夹具中的张力。备选地，在夹具下方(在夹具和管道之间)应用压缩力传感器元件并测量该力的变化。在最后两种情况下，压力变化可以从力信号以及管道和夹具的弹性参数中计算出。

63、在优选实施例中，过程参数传感器包括压差流量传感器，该压差流量传感器被配置用于确定测量的流体压力和测量的流体速度。

64、因此，过程模型具有测量流体压力和测量流体速度。由于流体温度和压力以及速度之间的关系，过程模型能够以改进的精确度确定计算流体温度，而只使用单个侵入式传感器用于过程参数的测量。

65、在优选的实施例中，过程模型被配置用于选择性地考虑至少一个测量的过程参数，其中选择是基于与过程模型的计算的所要求的精确度有关或者与至少一个测量的过程参数的精确度有关的用户输入，和/或基于管道内的压力。

66、优选地，过程模型被配置为在管道中压力水平低的情况下接通对测量的过程参数输入的请求，并且在测量的过程参数变得与计算流体温度的计算无关的情况下关闭对足够大的压力水平的请求。

67、进一步优选地，作为用于考虑测量的过程参数的决定的参数，或者作为用于经由数据接口通过过程模型请求测量的过程参数的决定的参数，系统可具有用于过程模型的计算所需的精确度或者用于测量的过程参数的所需精确度。

68、根据本发明的另一方面，用于管道中流体的流体温度的非侵入式测量的方法，包括以下步骤：通过表面温度传感器确定管道的表面温度，其中表面温度传感器被设置在管道的管道表面处。通过参考温度传感器确定管道的参考温度，其中参考温度传感器被设置在管道的外侧。通过数据接口接收标称过程参数，其中标称过程参数涉及与管道中流体相关的过程的标称参数。通过过程参数传感器确定至少一个测量的过程参数，其中至少一个测量的过程参数与过程的测量参数相关，过程的测量参数与管道中流体相关。由过程模型通过使用测量的表面温度、测量的参考温度、接收的标称过程参数和至少一个测量的过程参数，来确定管道中流体的计算流体温度，。

69、根据本发明的另一个方面，计算机程序包括指令，当该程序由计算机执行时，该指令使计算机执行如本文所述的方法的步骤。

70、根据本发明的另一个方面，计算机可读介质包括指令，当该指令由计算机执行时，该指令使得计算机执行如本文所使用的方法的步骤。