背景技術(shù)：

過程工業(yè)采用過程變量變送器來監(jiān)測與化學(xué)制品、紙漿、汽油、藥物、食物和其他流體過程工廠中的例如固體、漿料、液體、蒸汽和氣體的物質(zhì)相關(guān)聯(lián)的過程變量。過程變量包括壓力、溫度、流量、液位、濁度、密度、濃度、化學(xué)組成以及其他屬性。

過程流體溫度變送器提供與過程流體溫度相關(guān)的輸出。溫度變送器輸出可以通過過程控制環(huán)路傳送至控制室，或者可以將該輸出傳送至另一過程設(shè)備，使得可以監(jiān)測并控制該過程。

傳統(tǒng)地，過程流體溫度變送器與熱電偶套管耦接或采用熱電偶套管，熱電偶套管提供了與過程流體熱通信的溫度傳感器，否則保護(hù)溫度傳感器不與過程流體直接接觸。熱電偶套管位于過程流體內(nèi)，以確保過程流體與熱電偶套管內(nèi)布置的溫度傳感器之間的實(shí)質(zhì)熱接觸。典型地，使用相對(duì)魯棒的金屬結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)熱電偶套管，使得熱電偶套管可以經(jīng)受過程流體帶來的許多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)可以包括物理挑戰(zhàn)，例如過程流體以相對(duì)高的速率流過熱電偶套管；熱挑戰(zhàn)，例如特別高的溫度；壓力挑戰(zhàn)，例如過程流體以高壓傳送或存儲(chǔ)；以及化學(xué)挑戰(zhàn)，例如由腐蝕性過程流體帶來的那些化學(xué)挑戰(zhàn)。此外，熱電偶套管可能很難設(shè)計(jì)到過程安裝中。這種熱電偶套管需要過程侵入，其中熱電偶套管被安裝至或擴(kuò)展到例如箱或管的過程容器中。必須對(duì)該過程侵入本身仔細(xì)設(shè)計(jì)并控制，使得過程流體不在侵入點(diǎn)處從容器中泄漏。

存在可以折衷熱電偶套管的結(jié)構(gòu)完整性的多種因素。在一些情況下，并不能完全考慮所有因素，并且熱電偶套管有時(shí)彎折或甚至損壞，因此使得過程安裝停滯很長的時(shí)段。這是非常不希望的。對(duì)于一些應(yīng)用，熱電偶套管只是無法在沒有潛在損壞的情況下使用。在這些應(yīng)用中，使用非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)會(huì)是有益的，或者甚至是會(huì)需要使用非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)。使用這種系統(tǒng)，管夾傳感器被用于將溫度傳感器與過程容器(例如管)耦接。盡管這種非侵入式過程流體溫度計(jì)算提供了不需要過程侵入、也不會(huì)使熱電偶套管直接經(jīng)受過程流體的益處，但是存在折衷。具體地，非侵入式溫度計(jì)算系統(tǒng)在檢測過程流體溫度方面通沒有延伸至過程流體中并直接測量溫度的熱電偶套管精確。

提供可以更精確地反映過程流體溫度的非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)將會(huì)降低這種系統(tǒng)的用戶所需的一些折衷，并且還可能在不期望或不可能使用熱電偶套管的情況下提供更精確的溫度計(jì)算和過程控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)，包括：第一溫度傳感器，被布置為測量過程流體管道的外部溫度。所述過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)具有桿部分，該桿部分具有已知熱阻抗。第二溫度傳感器與所述第一溫度傳感器間隔所述桿部分。測量電路與所述第一和第二溫度傳感器耦接。微處理器與所述測量電路耦接，以從所述測量電路接收溫度信息，并使用熱通量計(jì)算來提供對(duì)過程流體管道內(nèi)的過程流體溫度的估計(jì)。

附圖說明

圖1是示出與非侵入式溫度計(jì)算系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的誤差的過程流體溫度對(duì)比管夾溫度的圖表。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的與過程流體容器耦接的非侵入式溫度計(jì)算系統(tǒng)的示意圖。

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的流經(jīng)非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)的熱的示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)的框圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的估計(jì)非侵入式溫度測量系統(tǒng)中的過程流體溫度的方法的流程圖。

圖6a和6b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例分別示出非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)的校正后的溫度和補(bǔ)償誤差的圖表。

具體實(shí)施方式

如以上所闡述的，選擇非侵入式溫度計(jì)算系統(tǒng)通常需要精度的折衷。圖1是過程流體溫度對(duì)比管夾溫度的圖表，示出了非侵入式溫度計(jì)算系統(tǒng)隨過程流體溫度改變的誤差。圖表的左軸示出了過程流體溫度和管夾溫度，而右軸示出了誤差，均以攝氏度為單位。在初始時(shí)間，過程流體溫度和管夾溫度分別處于約25攝氏度，并且誤差約為0攝氏度。隨著過程流體溫度增加，管夾溫度也增加，但是以較低的速率增加。附加地，隨著過程流體溫度改變，管夾也改變，但不是十分匹配過程流體溫度。這產(chǎn)生了大約在14至16攝氏度之間波動(dòng)的誤差。這指示管夾溫度是比過程流體溫度低大約14至16度的讀數(shù)。

圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非侵入式過程流體計(jì)算系統(tǒng)的示意視圖。系統(tǒng)100被示為與過程流體容器102耦接，過程流體容器102在所示的示例中是管或管道。這樣，系統(tǒng)100包括夾具104，夾具104環(huán)繞管102的外表面固定。盡管圖2中示出的實(shí)施例采用螺紋緊固件來環(huán)繞管102固定夾具104，但可以采用任意合適的夾持機(jī)制。夾具104包括與管102的外表面直接熱接觸放置的溫度傳感器(圖3中所示)。該溫度傳感器與在外殼108內(nèi)布置的電子器件電耦接，使得外殼108內(nèi)的電子器件可以測量管102的溫度。系統(tǒng)100還包括將夾具104與外殼108耦接的桿部分110。桿部分110從夾具104向外殼108傳導(dǎo)熱。然而，選擇用于制造桿110的材料、桿110的長度和/或包括桿110的材料的厚度可以被設(shè)計(jì)為提供桿110的特定熱阻抗。如本文所闡述的，熱阻抗被定義為例如桿110的結(jié)構(gòu)對(duì)抗熱流的程度。熱阻抗可以通常被認(rèn)為是熱導(dǎo)的倒數(shù)。由于可以在相當(dāng)高的溫度提供一些過程流體管102，桿110具有較高熱阻抗以保護(hù)外殼108內(nèi)的電子器件免受這種升高的溫度會(huì)是有益的。

根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，在距離管102特定距離處設(shè)置附加溫度傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，在外殼108內(nèi)布置附加溫度傳感器。然而，可以實(shí)踐本發(fā)明的如下實(shí)施例：其中在桿110內(nèi)的固定位置內(nèi)設(shè)置附加溫度傳感器。如以下更詳細(xì)闡述的，感測管102的表面溫度和來自附加溫度傳感器的間隔溫度可以提供熱流的指示。此外，由于例如風(fēng)寒和周圍溫度之類的環(huán)境效應(yīng)可以影響隨著熱流經(jīng)桿110由桿110帶走的熱的程度，本發(fā)明的至少一些實(shí)施例包括圖2中模型中所示的熱絕緣。如參考符號(hào)112所示，可以環(huán)繞管102和夾具104設(shè)置該熱絕緣。此外，在一個(gè)實(shí)施例中，熱管絕緣可以從管夾104在兩個(gè)方向上(上游和下游)延伸最小距離。在一個(gè)實(shí)施例中，該最小距離是至少6英寸。附加地，如參考符號(hào)114所示，可以環(huán)繞桿部分110設(shè)置熱絕緣。針對(duì)采用絕緣112和/或114的實(shí)施例，絕緣應(yīng)當(dāng)至少為1/2英寸厚，并且優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)被選為減小或潛在地消除任何外部熱吸收。例如，理想情況下熱絕緣的外表面可以是白色的或反光的。

圖3是非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)的示意視圖，其中根據(jù)電氣組件對(duì)熱流建模。具體地，過程流體的溫度被示為節(jié)點(diǎn)150，并經(jīng)由圖示為電阻器154的管材料的熱阻抗(rpipe)與溫度傳感器152耦接。應(yīng)當(dāng)注意的是，也可以借助于管自身的材料和管壁厚度來獲知管材料的熱阻抗，使得可以將合適的阻抗參數(shù)輸入外殼108內(nèi)的電路中。例如，配置系統(tǒng)的用戶可以指示管由不銹鋼構(gòu)建并且為1/2英寸厚。然后，非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)的存儲(chǔ)器內(nèi)的合適的查找數(shù)據(jù)識(shí)別與所選材料和壁厚相匹配的相應(yīng)熱阻抗。此外，可以實(shí)踐如下實(shí)施例：其中只選擇管材料并且基于所選材料和所選壁厚來計(jì)算熱阻抗。無論如何，本發(fā)明的實(shí)施例一般運(yùn)用管材料的熱阻抗的知識(shí)。此外，在不能事先知曉管材料的熱阻抗的實(shí)施例中，也可以提供校準(zhǔn)操作，其中向非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)提供已知的過程流體溫度并將熱阻抗設(shè)置為校準(zhǔn)參數(shù)。

如圖3所示，熱還可以從溫度傳感器152流出桿部分110的側(cè)壁到參考符號(hào)156處所示的周圍環(huán)境中，并且該熱阻抗(r2)用參考符號(hào)158指示。如以上所闡述的，在一些實(shí)施例中，可以通過設(shè)置絕緣材料來增加從表面溫度傳感器152到周圍的熱阻抗。熱將經(jīng)由沿桿部分110的傳導(dǎo)從管102的外表面經(jīng)過桿部分110流至外殼108。在參考符號(hào)160處示意地示出了桿部分110的熱阻抗(rsensor)。最后，熱還可以經(jīng)由熱阻抗164(r1)從與外殼108內(nèi)的端子塊耦接的溫度傳感器162流到周圍環(huán)境。

當(dāng)借助于管夾104將非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)連接至過程流體管道(例如管102)時(shí)，可以測量過程流體管道的表面溫度和變送器端子溫度162二者，并在熱通量計(jì)算中使用以精確地推斷或否則近似管道102內(nèi)的過程流體溫度150。

當(dāng)過程流體溫度改變時(shí)，將影響溫度傳感器152的讀數(shù)和端子溫度傳感器162的讀數(shù)，原因在于在它們之間存在具有相對(duì)高的熱導(dǎo)的剛性機(jī)械互連(通過桿部分110的熱傳導(dǎo))。這同樣適用于周圍溫度。當(dāng)周圍溫度變化時(shí)，也將影響這兩個(gè)測量，但程度小得多。

對(duì)于緩慢改變的條件，基礎(chǔ)熱通量計(jì)算可以被簡化為：

tcorrected＝tsensor+(tsensor-tterminal)*(rpipe/rsensor)。

可以通過使用端子溫度變化率對(duì)比管道表面溫度變化率來動(dòng)態(tài)調(diào)整rsensor系數(shù)來進(jìn)一步校正非絕緣的夾具組件或快速變化的過程/環(huán)境條件。如果管道表面溫度快速變化，可以在該時(shí)間段應(yīng)用附加校正，以使時(shí)間常數(shù)最小。類似地，如果周圍溫度相對(duì)于管表面溫度快速變化，則可以應(yīng)用較少的校正。

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非侵入式過程流體溫度計(jì)算測量的示意視圖。如圖4中所示，外殼108包含微處理器250、第一a/d轉(zhuǎn)換器252、第二a/d轉(zhuǎn)換器254和存儲(chǔ)器256。第一a/d轉(zhuǎn)換器252和第二a/d轉(zhuǎn)換器254是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。盡管圖4中所示的示例采用兩個(gè)離散模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但本發(fā)明的實(shí)施例可以用單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和合適的切換電路(例如復(fù)用器)來實(shí)現(xiàn)，以將單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與多個(gè)溫度傳感器耦接。

微處理器250經(jīng)由第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器252與第一溫度傳感器152耦接。第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器252與溫度傳感器152的線電耦接，以將來自溫度傳感器152的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用于微處理器250。溫度傳感器152和/或溫度傳感器162可以是任意合適的溫度傳感器件或組件，包括電阻溫度器件(rtd)、熱電偶、電熱調(diào)節(jié)器，或具有隨溫度變化的電特性的任意其他合適器件。第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器254將微處理器250與第二溫度傳感器162耦接。第二溫度傳感器162也可以是任意合適的溫度感測器件，但是在一個(gè)實(shí)施例中是與溫度傳感器152相同類型的溫度傳感器。第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器254與溫度傳感器162的線電耦接，并將來自第二溫度傳感器162的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)用于微處理器250。同時(shí)，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器252和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器254包括將溫度傳感器與微處理器250耦接的測量電路。

存儲(chǔ)器256是與微處理器250電耦接的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。存儲(chǔ)器256包含關(guān)于管材料和桿部分的數(shù)據(jù)以及例如熱阻抗信息的參數(shù)。桿部分的熱阻抗將在系統(tǒng)制造期間確定，并因此可以在制造期間輸入。管材料的熱阻抗可以在系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)期間選擇，或者否則可以在校準(zhǔn)或其他合適過程期間經(jīng)驗(yàn)性地確定。無論如何，存儲(chǔ)器256包含允許微處理器250根據(jù)從溫度傳感器152和162獲得的信號(hào)來估計(jì)過程流體溫度信息的參數(shù)。

存儲(chǔ)器256內(nèi)存儲(chǔ)的過程容器壁參數(shù)可以包括過程容器壁的物理特征，例如過程容器壁的kw，以及過程容器壁厚度。當(dāng)制造溫度測量組件時(shí)，可以在存儲(chǔ)器256中存儲(chǔ)過程容器壁參數(shù)。然而，如以上所闡述的，可以在組件的配置或運(yùn)轉(zhuǎn)期間或在校準(zhǔn)過程期間確定這些參數(shù)。

根據(jù)傅里葉傳導(dǎo)定律，通過桿部分110的熱通量應(yīng)當(dāng)與通過過程容器102壁的熱通量相同。在這種情況下，可以根據(jù)從溫度傳感器152獲得的信號(hào)和從端子溫度傳感器162獲得的信號(hào)來確定過程容器壁內(nèi)表面的溫度(以及過程流體溫度)。

在圖4中所示的實(shí)施例中，外殼108還可以包括通信接口258。通信接口258提供溫度測量組件與控制或監(jiān)測系統(tǒng)262之間的通信。在這樣配備的情況下，溫度測量系統(tǒng)還可以被稱為溫度測量變送器，并且可以將過程流體的溫度發(fā)送給控制或監(jiān)測系統(tǒng)252。溫度測量系統(tǒng)和控制或監(jiān)測系統(tǒng)262之間的通信可以通過任意合適的無線或硬線連接。例如，通信可以由4-20ma范圍內(nèi)的雙線環(huán)路上的模擬電流來表示。備選地，可以使用高速可尋址遠(yuǎn)程換能器()數(shù)字協(xié)議在雙線環(huán)路上或使用例如foundation^tm現(xiàn)場總線的數(shù)字協(xié)議在通信總線上傳送通信。通信接口258可以可選地或備選地包括無線通信電路264，無線通信電路264用于通過使用根據(jù)iec62591的無線hart的無線過程通信協(xié)議的無線傳輸來進(jìn)行通信。此外，與控制或監(jiān)測系統(tǒng)262的通信可以是直接的或通過任意數(shù)量中間設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)(例如無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(未示出))。

通信接口258可以幫助管理并控制去向和來自溫度測量系統(tǒng)的通信。例如，控制或監(jiān)測系統(tǒng)262可以提供溫度測量系統(tǒng)的配置，包括輸入或選擇任意合適數(shù)量的關(guān)于過程容器壁的熱阻抗等的參數(shù)。

圖4中所示的示例還可以包括本地操作者接口266。本地操作者接口266可以被提供用于顯示過程流體的估計(jì)溫度，以及由溫度傳感器152直接提供的外表面的測量溫度。附加地，本地操作者接口可以提供由溫度傳感器162測量的端子溫度的指示。此外，周圍溫度測量還可以使用附加溫度傳感器提供，并且這種測量可以可選地由本地操作者接口266來指示。本地操作者接口266可以包括允許用戶與非侵入式溫度測量系統(tǒng)交互的任意合適數(shù)量的按鈕或小鍵盤。這種交互可以包括輸入或選擇過程流體管道的材料以及過程流體管道壁的厚度。

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的推斷過程流體溫度的方法的流程圖。方法300在塊302處開始，在塊302處測量過程流體管道的外部溫度。如以上所闡述的，優(yōu)選地使用直接相對(duì)于過程流體管道的外徑或表面設(shè)置的溫度傳感器來測量該外部溫度。接下來，在塊304處，測量非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)的外殼內(nèi)的端子溫度。盡管本文所描述的實(shí)施例通常參照變送器端子溫度的測量，但本發(fā)明的實(shí)施例可以通過測量外殼本身的溫度或外殼內(nèi)的任意其他合適結(jié)構(gòu)的溫度來實(shí)現(xiàn)。接下來，在塊306處，將測量到的外部管道溫度和測量到的端子溫度提供給處理設(shè)施(例如外殼108內(nèi)布置的微處理器250)，使得可以例如如上所述，使用基本熱通量計(jì)算來推斷過程流體的溫度。盡管至此所描述的實(shí)施例通常關(guān)注提供外殼108內(nèi)計(jì)算的處理器(例如微處理器250)，顯然可以預(yù)想，本文所描述的實(shí)施例還可以通過從外部管道溫度傳感器和端子溫度傳感器向可以估計(jì)過程流體溫度的遠(yuǎn)端設(shè)施或處理器提供原始溫度測量來實(shí)現(xiàn)。無論如何，基本熱通量計(jì)算一般使用來自外部管道溫度傳感器和端子溫度傳感器的值提供對(duì)過程流體溫度的估計(jì)。如以上所闡述的，可以根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例應(yīng)用動(dòng)態(tài)加權(quán)308，使得可以動(dòng)態(tài)調(diào)整快速變化的條件。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過以下方式進(jìn)一步校正快速變化的過程流體溫度條件：通過端子溫度測量的變化率對(duì)比(由溫度傳感器152提供的)表面溫度測量的變化率來動(dòng)態(tài)調(diào)整存儲(chǔ)器256中存儲(chǔ)的傳感器組件參數(shù)的熱阻抗。如果表面溫度正快速改變，可以在快速改變溫度的時(shí)間段內(nèi)應(yīng)用附加校正，以使由于時(shí)間常數(shù)導(dǎo)致的誤差最小。類似地，如果周圍溫度正相對(duì)于表面溫度快速改變，則可以應(yīng)用較少的校正。

接下來，在塊310處，提供推斷出的過程流體溫度作為非侵入式過程流體溫度計(jì)算系統(tǒng)的輸出。該輸出可以被提供為如在塊312處所指示的經(jīng)由本地操作者接口的本地輸出，和/或該輸出可以被提供給如塊314處所指示的遠(yuǎn)端設(shè)備。此外，如塊316處所指示的，向遠(yuǎn)端設(shè)備提供輸出可以經(jīng)由如塊316處所指示的有線過程通信耦接，和/或可以如塊318處所指示的無線地提供。

圖6a和6b是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用通量計(jì)算的非侵入式過程流體溫度估計(jì)的結(jié)果的圖表。如圖6a中所示，在從大約12:40pm至2:45pm的時(shí)間間隔期間，管表面溫度以相對(duì)小的程度波動(dòng)。在該相同時(shí)間間隔中，端子溫度在大約27攝氏度和大約33攝氏度之間波動(dòng)。過程溫度以參考符號(hào)400示出，并被校正的溫度輸出402非常緊密地跟蹤。在圖6b中直接指示該補(bǔ)償誤差。如所示，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種能夠精確地反映在過程流體管道(例如管)內(nèi)流動(dòng)的過程流體溫度、而不需要侵入到過程流體管道本身中的非侵入式過程流體溫度計(jì)算或估計(jì)系統(tǒng)。因此，可以使用本文所描述的基于熱通量的溫度計(jì)算技術(shù)來改進(jìn)過程控制。

盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到：可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，在形式和細(xì)節(jié)方面做出改變。