使用具有无源传感器功能的RFID标签的无线反应器监测系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年1月11日提交的未决美国临时专利申请序列号62/616,166的权益，其整个公开内容以引用的方式并入本文中。

本发明涉及用于无线监测工艺容器如反应器内的条件的系统和方法。

背景技术：

含有催化剂的反应器容器为炼油厂和化工厂常用的。在操作这些反应器时，期望测量或监测容器内侧的工艺条件，因为此信息可帮助控制反应器容器内的反应条件。当前用于测量反应器容器内侧的条件的方法需要与传感器具有物理连接，如电气或气动连接，所述传感器将传感器测量的信息传输给外部显示器。这类测量手段的一个实例为使用热电偶来测量温度。为了使用热电偶来测量反应器容器内某个位置的温度，热电偶套管为必需的。热电偶套管通过容器壁安装，并且延伸到容器内测量温度的位置。

期望具有在反应器容器内各个位置处测量和观察工艺条件并且无线传输信息以在不同位置处进行收集的能力。我们已经提出可以使用具有传感器功能的rf识别标签来测量反应器体积内的各种环境条件并且无线传输测量的信息以进行远程收集。本领域公开各种系统，所述系统包括以某种方式与传感器器件联接的射频识别标签器件，所述传感器器件用于测量某些环境条件并且无线传输此信息。

这类器件的实例在us6,720,866中描述。此专利公开一种系统，所述系统包括具有传感器输入的射频识别(rfid)标签器件，所述传感器输入使rfid标签器件内的逻辑电路修改由rfid标签器件传输的信号。rfid标签器件为无源的，因为它没有内部电源。相反，它依赖于由激活rfid标签器件的rf标签读取器(询问器)产生的rf波供应的功率。rfid标签器件适于从传感器接收输入信号。此传感器提供这类事物如电压、电流、电阻、频率、压力、温度、加速度、振动、水分含量、气体百分比、密度、流速、光强度、声音强度、辐射、磁通量、ph或其它值的测量。传感器还提供对rfid标签器件的模拟输入信号的产生，所述rfid标签器件产生含有与传感器输入信号相关的信息的信号。rfid标签读取器或询问器读取此传感器输入信号。

us8,106,778描述射频识别(rfid)的另一种应用。此专利公开一种用于跟踪如位置、温度、湿度、压力、时间、日期和惯性测量(例如，速度和加速度)的可变条件的方法和系统。由'778专利公开的rfid系统包括能够测量rfid传感器处的条件的rfid传感器。然后，将来自传感器的可变信息存储在rfid传感器标签的rfid标签处理器的存储器中，其然后将包括代表条件的可变信息的响应信号传输到rfid读取器。

这些专利没有公开或表明关于使用具有传感器功能的rfid标签来测量反应器容器内的工艺或环境条件或者无线传输与反应器容器内的测量的条件相关的信息以另外接纳、处理和使用的任何信息。实际上，本领域技术人员将不期望rf信号能够通过含有一定体积的催化剂颗粒或烃的容器进行传输而没有rf信号的显著失真或衰减或两者。这是因为先前已经认为，含有显著浓度的催化金属的催化剂颗粒将导致在rfid标签和rf询问器穿过催化剂颗粒时传输的rf波失真或严重衰减。

然而，我们已经发明一种系统和方法，所述系统和方法提供对反应器内某个位置的环境或工艺条件的局部感测，并且通过反应器无线传输到rf波的接收器，所述rf波含有代表反应器内的测量的条件的信息。

技术实现要素：

因此，提供用于无线监测反应器容器内的工艺条件的系统。系统包含限定反应区的反应器容器。在反应区内为包含催化剂颗粒的催化剂床，并且其中在催化剂床内为rfid传感器，所述rfid传感器能够感测反应区内的反应器条件、接收询问信号并且响应于询问信号传输包括代表反应器条件的信息的rfid应答器信号。系统包括rfid读取器天线，其无线链接到rfid传感器并且能够传输询问信号并且接收响应于询问信号的rfid应答器信号。

还提供监测反应器容器内的工艺条件的方法，所述反应器容器限定反应区，在所述反应区内为包含催化剂颗粒的催化剂床。在催化剂床内为无线链接到rfid读取器天线的rfid传感器。rfid读取器天线传输询问信号，所述询问信号由rfid传感器接收。响应于询问信号，rfid传感器传输rfid应答器信号，所述rfid应答器信号包括代表反应区内的反应器条件的信息并且由rfid读取器天线接收。

附图说明

图1为代表用于无线监测反应器容器内的工艺条件的本发明系统的实施例的示意图。

图2为rfid系统的图式，所述rfid系统包括环境内的具有传感器功能的rfid标签和无线链接到具有传感器功能的rfid标签并且无连接到用于处理rf信号中含有的信息的计算机的rfid读取器/询问器。

图3为代表用于测试相对于空气穿过催化剂床和穿过液态烃的rf信号的衰减的实验设备的示意图。

图4为呈现对于rf信号穿过4英尺空气、一英尺催化剂和柴油以及7英尺催化剂和柴油随在500mhz至2.5ghz的范围内的rf频率变化的rf信号的强度的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施例包括用于无线监测反应器容器内的某些条件的系统和方法两者。这些条件可包括如反应器容器内各个位置处的压力或温度的工艺或环境条件，并且这些条件可包括如蒸气和液体百分比、流速以及反应器容器内含有的或穿过所述反应器容器的流体的化学组成的参数。

与本专利申请同时提交的为三个相关的临时专利申请，其标题为：“《sp2118-使用具有已知位置的多个具有传感器功能的rfid标签对反应器条件进行无线监测和性能分析(sp2118-wirelessmonitoringandprofilingofreactorconditionsusingpluralityofsensor-enabledrfidtagshavingknownlocations)》”、“《sp2119-使用放置在已知反应器高度处的具有传感器功能的rfid标签的阵列对反应器条件进行无线监测和性能分析(sp2119-wirelessmonitoringandprofilingofreactorconditionsusingarraysofsensor-enabledrfidtagsplacedatknownreactorheights)》”和《sp2102-使用多个具有传感器功能的rfid标签和多个收发器对反应器条件进行无线监测和性能分析(sp2102-wirelessmonitoringandprofilingofreactorconditionsusingpluralityofsensor-enabledrfidtagsandmultipletransceivers)》”；分别具有序列号62/616,148；62/616,185和62/616,155。

本发明需要使用射频识别(rfid)传感器来测量或感测反应器容器的反应区内存在的一个或多个工艺条件，随后通过含有代表测量的信息的信息的rfid应答器信号将测量的信息传输到rfid读取器天线。

在本说明书中，术语rfid传感器意指包括配置有无源rfid标签或与无源rfid标签集成或可操作地连接到无源rfid标签的传感器的器件。传感器提供用于感测反应器容器内的工艺条件或参数的装置，以及用于向rfid标签提供信号输入的装置，所述信号输入含有代表特别测量的工艺条件的信息。本领域中教导的无源rfid标签包括与应答器天线联接的集成电路，以用于从rfid读取器天线接收询问信号并且传输应答器信号。

响应于接收到rfid读取器询问信号，rfid传感器将rfid应答器信号传输回到rfid读取器天线，所述rfid应答器信号包括从传感器接收的代表测量的工艺条件的信息。计算机处理接收的rfid应答器信号中含有的信息，并且提供关于测量或感测的工艺条件的输出信息。

本发明的一个特定特征在于其允许使用传感器器件来测量反应器容器内的工艺和环境条件，并且允许将含有测量的信息的rf信号通过反应器容器无线传输到连接到处理rf信号中含有的信息的读取器的rfid读取器天线。本发明提供这一点，即使传输的rf信号穿过催化剂颗粒床或填充有烃的容器或两者的组合。询问器rf信号和应答器rf信号以很小的失真或衰减穿过反应器容器内侧含有的催化剂床和烃，这防止无线监测反应器内的工艺条件。

为了测量反应器容器内的条件，将rfid传感器放置在由反应器容器限定的反应区内的位置。反应区为可为空的或含有气体或液体的体积，所述气体或液体选自任何类型的流体，包括水、烃和其它化学物质。烃的实例包括石脑油、煤油、柴油、瓦斯油和重油如渣油。通常，反应区含有催化剂颗粒床，并且它另外可与催化剂颗粒一起含有任何上述流体，优选烃流体。

反应区中的催化剂颗粒可具有工业上典型使用的任何大小和形状，包括任何形状(例如圆柱体、双叶形、三叶形和四叶形)的挤出物、球体、球、不规则聚集体、丸剂和粉末。催化剂颗粒大小可在0.1mm至200mm的范围内，但是更典型地，催化剂颗粒的大小在0.5mm至100mm或1mm至20mm的范围内，并且它们可具有任何组成。

常见的催化剂组合物包括无机氧化物组分，如二氧化硅、氧化铝、二氧化硅-氧化铝和二氧化钛。催化剂组合物可另外包含催化金属组分，如包括铬、钼、钨、铼、铁、钴、镍、钯、铂、金、银和铜的过渡金属中的任一种。不管其实际状态如何，催化剂颗粒的金属组分的浓度按金属计可高达60wt％，并且典型地，不管其实际状态如何，金属浓度按金属计在0.1至30wt％的范围内。

在本发明之前，科学家和工程师认为，由于催化剂颗粒上金属浓度的存在并且由于催化剂床厚度，rf信号不可在没有显著衰减或失真的情况下穿过催化剂颗粒床。此衰减将防止rf波进出收发器，并且因此不可读取。然而，本发明的特征提供将rfid传感器放置在反应区的催化剂床内，使得催化剂颗粒围绕rfid传感器。如上所述，催化剂颗粒包含无机氧化物组分或金属组分或两种组分。

本发明的反应器容器可为用本领域技术人员已知的任何合适的材料制成的任何合适的容器。在许多应用中，反应器容器通常限定含有催化剂的体积，并且将反应物或原料引入其中。在本发明的一个实施例中，反应器容器限定其中为催化剂床的反应区。反应器容器配备有提供进入反应区的流体连通的入口和用于将进料流如如上所述的烃引入反应区的装置。反应器容器还配备有提供来自反应区的流体连通的出口和用于从反应区除去流出物流如反应产物的装置。

具有传感器功能的rfid标签(在本文中也称为rfid传感器)被放置在反应区中的期望位置，以便测量局部工艺条件。此期望位置为测量特定工艺条件的点，并且从所述点将包括或携带代表测量的反应器条件的信息的rfid应答器信号无线传输到rfid读取器天线。

在本发明的一个实施例中，将rfid传感器放置在反应区的催化剂床内，使得rfid传感器被催化剂颗粒围绕。对于典型的反应器，深度和宽度的几何尺寸限定催化剂床。对于可通过深度和宽度限定的反应器，催化剂床的典型深度在0.5至20米的范围内，并且催化剂床的典型有效宽度在0.5至20米的范围内。因此，rfid传感器可被厚度高达20米的催化剂颗粒的层或包封物围绕，这需要询问和应答器信号穿过约0.5米至约20米的催化剂颗粒的床厚度。

由于具有传感器功能的rfid标签为无源的，所以rfid应答器信号为响应于接收到由rfid读取器天线传输的询问信号而传输的。如上所述，传感器与rfid标签集成，并且能够感测反应区内的一个或多个条件。rfid传感器的传感器组件可选自温度传感器、压力传感器、化学传感器、湿度传感器以及其任何组合。传感器与rfid标签集成，以提供用于感测反应器条件、接收询问信号并且响应于询问信号传输含有代表测量的反应器条件的信息的rfid应答器信号的装置。专利出版物us2013/0057390、us9,563,833、us9,412,061、us9,035,766和wo03/098175呈现具有传感器功能的rfid标签的实例。这些专利出版物以引用的方式并入本文中。

rfid读取器天线被放置在远离rfid传感器的任何位置；只要它通过能够通过向rfid传感器传输询问器信号并且从rfid传感器接收响应的应答器信号来与rfid传感器通信而与rfid传感器无线链接。

优选将rfid读取器天线定位在反应区内，因为这消除询问器信号和应答器信号穿过反应器容器的壁的需要。然而，本发明系统的另一个实施例为将rfid天线定位或放置在反应器容器的外部。rfid读取器天线与读取器连接，所述读取器向rfid读取器天线提供询问信号并且提供接收rfid应答器信号。计算机处理经由读取器提供的rfid应答器信号信息，并且显示或以其他方式提供与关于反应区内的条件的信息相关的输出。

现参考图1，其为用于无线监测反应器容器12内的工艺条件的本发明系统10的实施例的示意性表示。反应器容器12限定反应区14，其含有包含催化剂颗粒18的催化剂床16。反应器容器12配备有可操作地连接到导管24的入口喷嘴22。入口喷嘴22提供用于通过导管24进行流体连通的装置和用于将进料引入反应区14的装置。反应器容器12还配备有可操作地连接到导管28的出口喷嘴26。出口喷嘴26提供用于通过导管28进行流体连通的装置和用于从反应区14除去流出物的装置。

图1示出包括定位在反应区14内的rfid读取器天线30的本发明系统10的一个实施例。尽管附图示出rfid读取器天线30位于催化剂床16的表面32上方，但是应理解，rfid读取器天线30可放置在反应区14内的任何地方，包括在催化剂床16的催化剂颗粒的边界内并且被催化剂颗粒围绕。然而，重要的是定位rfid读取器天线30，使得其通过传输询问信号38和接纳应答器信号40而与rfid传感器36无线链接并且能够与其无线通信。

作为本发明系统10的替代实施例，rfid读取器天线30定位在反应区14和反应器容器12外部的位置处。与内部放置的rfid读取器天线一样，重要的是定位rfid读取器天线30，使得其与rfid传感器36无线链接并且能够与其无线通信，但是可将其放置在反应器容器12外部允许这样做的任何位置处。

将rfid传感器36放置在反应区14内的期望位置处提供对在围绕rfid传感器36的包封物附近或其内的工艺条件的测量。图1描绘rfid传感器36，其位于催化剂床16内并且因此催化剂颗粒18的体积或层围绕它。这导致需要询问信号38和应答器信号40穿过高达20米或更多米(这取决于rfid传感器36在催化剂床16内的位置)的装填催化剂颗粒的厚度，以与rfid读取器天线30通信。

rfid读取器天线30通过电缆42可操作地连接到读取器44。读取器44提供用于向rfid读取器天线30提供询问信号38的装置和用于从rfid读取器天线30接收应答器信号40的装置。计算机46和读取器44通过提供用于在读取器44和计算机46之间进行通信的装置的电缆48一起配置。计算机46提供用于处理来自rfid读取器天线30的应答器信号40并且用于提供与测量的反应器条件相关的输出信息50的装置，以供显示或存储在存储器中。

图2呈现与rfid系统10的某些其它元件相关的rfid传感器36的放大细节图式。rfid传感器36包含无源rfid标签54，其包括提供通过连接60从传感器58接收的输入信息的存储和处理的集成电路56。

集成电路56可操作地连接到rfid标签天线62，其提供用于传输rfid应答器信号40的装置，所述rfid应答器信号40携带代表周围环境或包封物64中或者靠近或接近rfid传感器36的反应器条件的信息。rfid标签天线62还能够接收由rfid读取器天线30传输的询问信号38。rfid读取器天线30通过电缆42可操作地连接到读取器44。

rfid标签54配置有传感器58或与其集成，使得传感器58能够通过连接60向rfid标签54的集成电路56提供传感器输入信号。传感器58能够通过使用元件66或能够经由处理器68向集成电路56提供代表测量的工艺或环境条件的模拟或数字输入的任何其它合适的感测装置来感测或检测其周围环境64内的工艺或环境条件。集成电路56响应于经由连接60提供的传感器输入信号，提供对rfid应答器信号40的调制，使得其包括或携带代表在周围环境64内测量的环境条件的信息。周围环境64内含有催化剂颗粒18。

以下实例说明本发明的某些特征，但并不旨在以任何方式限制本发明。

实例

在此实例中描述的实验的目的为确定传输的rf信号穿过含金属催化剂颗粒的催化剂床并且以最小的衰减或失真被接收的能力。

实验中使用两个测试容器。一个容器装配有12英寸直径×10英尺高的pvc管，并且第二容器装配有12英寸直径×10英尺高的管子表号40(壁厚0.406英寸)的碳钢管。将rf接收器板(天线)放置在容器的底部。将rf传输器板(天线)放置在具有提升引导件的容器内，所述提升引导件用于将rf传输器天线升高和降低到容器内的预定位置。这允许在传输器和接收器天线之间放置预定深度的催化剂床。容器填充有可商购的加氢处理的1/8英寸挤出物催化剂颗粒，其含有镍和钼催化金属组分以形成催化剂床。

使用空容器进行一系列测试，以获得rf信号穿过空气的基线数据，并且然后获得rf信号穿过干燥催化剂床和填充有液体柴油烃的催化剂床的不透明度数据。在催化剂床高度从一英尺递增到高达催化剂床的8英尺深度时进行测量。定向高增益天线和宽带低增益天线用于在500mhz至5ghz的频率范围内传输rf信号。

图3呈现代表用于进行实验的设备设置的图式。示出测试系统310。测试系统310包括管312，其限定容器314和其中含有具有床高度320的催化剂床318的体积316。催化剂床318包括包含其中掺入一定浓度的镍和钼催化金属组分的氧化铝挤出物的催化剂颗粒床。在整个测试中，床高度320为变化的。

将rf接收器板或天线324放置在容器314的底部并且在催化剂床318下方。天线324接收由放置在催化剂床318的顶表面328上方或附近的rf传输器板或天线326传输的rf信号。rf传输器天线326可操作地连接到传输电缆330，并且提供传输在500mhz至5ghz的范围内的各种频率的rf信号。这些rf信号穿过催化剂床318，并且由rf接收器天线324收集或接收。rf接收器天线可操作地连接到接收器电缆332，并且提供接收由rf传输器天线326传输并且穿过催化剂床318的rf信号。

图4呈现比较4英尺空气下的rf信号损失与穿过填充有液体柴油烃的一英尺催化剂床和穿过填充有液体柴油烃的7英尺催化剂床后的rf信号强度的曲线图。

图4中呈现的结果意外地示出，rf信号可通过催化剂床传输并且由接收器天线接收，而其强度相对于通过空气的强度没有显著衰减或降低。图4的曲线图中呈现的数据表明，接收的rf信号强度与通过露天传输的rf信号的强度非常接近。这是意外的；因为，以前认为，rf信号将受到催化剂床、催化剂颗粒的金属组分和容器内的液体烃的负面影响或失真和减弱。这将导致防止或显著抑制rf信号横穿催化剂床并且由rf接收器天线接纳。