用于測量過程溫度的熱電偶套管組件的制作方法
【專利摘要】一種用于測量過程溫度的熱電偶套管組件包括伸長的熱電偶套管，其具有近端和遠端?？自跓犭娕继坠鼙粯嬙鞛檠由爝M過程流體中的情況下在兩端之間延伸。紅外傳感器探測通過熱電偶套管的孔來自遠端的紅外輻射，并響應地提供傳感器輸出。提供如下構造：在該構造中，紅外傳感器從孔的壁接收的紅外輻射被減少和/或從孔的遠端接收的輻射被增加。
【專利說明】
用于測量過程溫度的熱電偶套管組件
技術領域
[0001] 本申請涉及用于溫度傳感器的熱電偶套管。更具體地，本申請涉及利用紅外傳感 器測量在這樣的熱電偶套管中的溫度。
【背景技術】
[0002] 工業(yè)過程傳感器和變送器被用于探測流過導管或被容納在容器中的流體的多種 特性。該變送器探測例如壓差、管路壓力、溫度和pH值的過程參數(shù)。
[0003] -種類型的溫度傳感器利用基于熱電偶或阻抗的溫度檢測器，該溫度檢測器通常 被已知為熱電偶套管的金屬或陶瓷護套保護。該傳感器被連接至變送器中的電子電路，該 變送器讀取該傳感器的信號并將其轉換為溫度讀數(shù)。變送器傳送該讀數(shù)至遠程接收器，例 如控制、監(jiān)視和/或安全系統(tǒng)。溫度值可通過不同類型的信號和媒介傳送。其可被轉換為例 如4-20mA的模擬標準值或通過數(shù)字協(xié)議轉換，該數(shù)字協(xié)議例如為HART?、現(xiàn)場總線 (Fieldbus)、Profibus、設備網、網絡通訊協(xié)議(Modbus)、以太網等。傳送媒介可為電線、光 纖、紅外線或RF。
[0004] 紅外傳感器還已知用于探測溫度。 【實用新型內容】
[0005] -種用于測量過程溫度的熱電偶套管組件包括伸長的熱電偶套管，其具有近端和 遠端?？自跓犭娕继坠鼙粯嬙鞛檠由爝M過程流體中的情況下在兩端之間延伸。紅外傳感器 探測通過熱電偶套管的孔來自遠端的紅外輻射，并響應地提供傳感器輸出。提供如下構造： 在該構造中，紅外傳感器從孔的壁接收的紅外輻射被減少和/或從孔的遠端接收的輻射被 增加。
[0006] 根據一個方面，提供一種用于測量過程溫度的熱電偶套管組件，包括：伸長的熱 電偶套管，該伸長的熱電偶套管具有近端、遠端和孔，該孔在所述近端和所述遠端之間延 伸，并且熱電偶套管被構造為延伸進過程流體中；紅外傳感器，所述紅外傳感器被構造為探 測通過所述熱電偶套管的孔來自所述遠端的紅外輻射并且響應地提供與過程溫度有關的 傳感器輸出。所述紅外傳感器從所述孔的側壁接收的紅外輻射被減少。
[0007] 進一步地，所述熱電偶套管組件包括位于所述熱電偶套管的孔中的輻射屏蔽部， 以減少所述傳感器從所述孔的側壁接收的紅外輻射。
[0008] 其中，所述輻射屏蔽部包括低輻射率涂層，該低輻射率涂層被涂敷至所述熱電偶 套管的孔的側壁的至少一部分。
[0009] 其中所述熱電偶套管的孔的側壁被拋光以減少輻射發(fā)射。
[0010] 其中所述輻射屏蔽部包括薄壁管，該薄壁管延伸穿過所述伸長的熱電偶套管的孔 以減少所述紅外傳感器從所述熱電偶套管的孔的側壁接收的紅外輻射。
[0011] 其中所述輻射屏蔽部包括靠近所述紅外傳感器定位的紅外光導。
[0012] 其中所述紅外光導由低輻射率材料制成。
[0013] 進一步地，所述熱電偶套管組件包括紅外透鏡，該紅外透鏡被構造為聚焦所述紅 外傳感器從所述伸長的熱電偶套管的遠端接收的紅外輻射。
[0014] 進一步地，所述熱電偶套管組件包括紅外光導，該紅外光導被構造為聚焦所述紅 外傳感器從所述伸長的熱電偶套管的遠端接收的紅外輻射。
[0015] 其中所述紅外傳感器包括紅外攝像機。
[0016] 進一步地，所述熱電偶套管組件包括輸入/輸出電路，該輸入/輸出電路被配置為 基于來自于所述紅外傳感器的傳感器輸出提供與過程流體的溫度相關的溫度輸出。
[0017] 根據另一方面，提供一種用于測量過程溫度的熱電偶套管組件，包括:伸長的熱電 偶套管，該伸長的熱電偶套管具有近端、遠端和孔，該孔在所述近端和所述遠端之間延伸， 并且熱電偶套管被構造為延伸進過程流體中；紅外傳感器，所述紅外傳感器被構造為探測 通過所述熱電偶套管的孔來自所述遠端的紅外輻射并且響應地提供與過程溫度有關的傳 感器輸出；和聚焦機構，所述聚焦機構被構造成減少所述紅外傳感器從所述孔的側壁接收 的紅外輻射量和/或增加所述紅外傳感器從所述伸長的熱電偶套管的遠端接收的輻射量。
[0018] 其中所述聚焦機構包括位于所述熱電偶套管的孔中的輻射屏蔽部。
[0019] 其中所述輻射屏蔽部包括低輻射率涂層，該低輻射率涂層被涂敷所述熱電偶套管 的孔的側壁的至少一部分。
[0020] 其中所述熱電偶套管的孔的側壁的至少一部分被拋光以減少輻射發(fā)射。
[0021] 其中所述輻射屏蔽部包括薄壁管，該薄壁管延伸穿過所述伸長的熱電偶套管的孔 以減少所述紅外傳感器從所述熱電偶套管的孔的側壁接收的紅外輻射。
[0022] 其中所述聚焦機構包括靠近所述紅外傳感器定位的紅外光導。
[0023] 其中所述紅外光導由低輻射率材料制成。
[0024] 其中所述聚焦機構包括紅外透鏡，該紅外透鏡被構造為聚焦所述紅外傳感器從所 述伸長的熱電偶套管的遠端接收的紅外輻射。
[0025]其中所述紅外傳感器包括紅外攝像機。
[0026] 進一步地，所述熱電偶套管組件包括輸入/輸出電路，該輸入/輸出電路被配置為 基于來自于所述紅外傳感器的傳感器輸出提供與過程流體的溫度相關的溫度輸出。
[0027] 技術方案和摘要被提供以以簡要的形式介紹發(fā)明構思的節(jié)選，該發(fā)明構思將在下 面的【具體實施方式】中進一步描述。技術方案和摘要的目的不在于確定要求保護的主題的關 鍵特征或必要特征，也不在于用于幫助確定要求保護的主題的范圍。
【附圖說明】
[0028] 圖1為示出了包括結合到過程容器上并與過程控制室通信的熱電偶套管組件的溫 度變送器的透視圖。
[0029] 圖2為圖1的熱電偶套管組件的前部平面圖。
[0030] 圖3為示出了顯示了接收來自圖2的熱電偶套管的紅外輻射的紅外傳感器和用于 給過程溫度提供輸出的關聯(lián)電路的溫度傳感器的簡化示意圖。
[0031] 圖4為圖示了光斑尺寸相對于紅外傳感器的距離的圖形。
[0032] 圖5為圖2的熱電偶套管的側剖視圖，其示出了由于圖4所示的光斑尺寸所導致的 溫度測量的誤差源。
[0033] 圖6為包括位于熱電偶套管的孔的內壁上的涂層的熱電偶套管的側剖視圖。
[0034] 圖7為圖示了延伸穿過熱電偶套管的孔的管的熱電偶套管的側剖視圖。
[0035] 圖8為圖示了靠近紅外傳感器的聚焦機構的波導的熱電偶套管近端的側剖視圖。
【具體實施方式】
[0036] 圖1示出了過程控制系統(tǒng)10的簡化圖，該過程控制系統(tǒng)10包括變送器(或傳感器） 12和通過傳送回路16連接的控制室設備14,該傳送回路16可為兩路或更多路電纜、或光纜、 或無線連接。在本實施例中，變送器12測量溫度。變送器12包括熱電偶套管組件20,該熱電 偶套管組件20安裝在過程管線18上，并且通過回路16提供輸出，該輸出代表管線18中的過 程流體的被測量溫度。變送器12可為溫度變送器、可為包括定位在傳感器外殼內的變送器 電子部件的傳感裝置、或可為直接或通過獨立的變送器與控制室設備14通信的傳感裝置。 [0037] 變送器12以模擬和/或數(shù)字形式傳送溫度信息至控制室設備14。例如，傳感器/變 送器12可通過將回路16中流動的回路電流控制在4-20mA之間傳送代表被測量溫度的模擬 信號。此外，變送器12可將與被測量溫度、被測量的次級過程參數(shù)、或診斷數(shù)據相關的數(shù)字 信號傳送至控制室14。通過回路16傳送數(shù)字信息可以例如利用高速通道可定址遠程轉換器 (丨丨AK'r)協(xié)議傳送?？商娲兀瑴囟刃畔⒁约按渭墱y量和診斷信息可利用例如FF現(xiàn)場總線、 Prof ibus、Modbus等全數(shù)字協(xié)議通過變送器12被傳送至控制室14。進一步地，回路可采用各 種無線通信技術，例如依照IEC 62591的無線傳 HART?通信協(xié)議。還可以利用標準以太網、 光纖連接、或其他通信通道。在一個構造中，回路16還被用于提供一些或所有電力至變送器 12。變送器12提供用于測量過程溫度的熱電偶套管系統(tǒng)。
[0038]圖2為結合至圖1所示的變送器12的熱電偶套管20的主視透視圖。熱電偶套管20安 裝在法蘭22上，并且延伸進入過程管線18中，并且包括具有密封的遠端的中空管。熱電偶套 管20可由任何合適的材料形成，該材料包括金屬、塑料、陶瓷、復合材料及其組合。
[0039]如圖2所示，紅外（IR)點式傳感器24安裝在熱電偶套管20的近端，并且被引導以接 收來自熱電偶套管20遠端的輻射。接線26被用于連接紅外傳感器24至紅外電子設備25上。 [0040]依照普朗克定律，穿過熱電偶套管20的孔的內壁將發(fā)射與該壁的溫度有關的輻 射。紅外傳感器24設置為探測依照普朗克定律發(fā)射的輻射并相應地提供傳感器輸出。該傳 感器輸出可與熱電偶套管20的溫度有關并提供對過程管線18中輸送的過程流體的溫度的 間接測量。紅外傳感器24可包括光纖，其被構造為沿著熱電偶套管20的孔使傳感器聚焦。 [0041]圖3為簡化的方框圖，示出了根據一個示例性構造的變送器12的紅外電子設備25。 如圖4所示，紅外傳感器24的輸出被提供給放大器48并通過A/D轉換器50數(shù)字化。微處理器 52或其他控制器接收數(shù)字化的信號并依照存儲在存儲器54中的指令運行。通信能力由輸 入/輸出（I/O)電路56提供，該輸入/輸出電路56用于通過過程控制回路16通信。電源58被提 供用于給變送器12的電路提供電力。電源可為例如電池的內部電源，并且可由包括通過過 程控制回路16接收的電力的外部電源提供。
[0042] 在運行期間，微處理器52接收代表來自傳感器24的輸出的數(shù)字化信號。微處理器 52可依照普朗克定律關聯(lián)該數(shù)字化的信號和過程流體的溫度。溫度相關信息可利用輸入/ 輸出電路56在過程控制回路16上傳送。
[0043]如上所討論的，紅外傳感器24被設置為接收來自熱電偶套管20遠端的紅外輻射。 圖4為熱電偶套管20內的紅外輻射的發(fā)射圖案的圖示。如圖4所示，紅外傳感器24定位在熱 電偶套管20的近端70處。來自熱電偶套管的遠端72的紅外輻射被傳感器24在近端70處接 收。然而，傳感器24不僅接收來自點源的輻射?？纱娴?，它接收來自如圖4中光斑74A和74B 所示的光斑或區(qū)域的輻射。該光斑為具有圓錐形的橫截面，與傳感器24對齊。如圖4所示，光 斑尺寸根據離傳感器24的距離增加而增加。這允許一些來自熱電偶套管20的壁的紅外輻射 被紅外傳感器24接收。來自熱電偶套管20的壁的輻射可能不是過程流體的溫度的精確指示 并且因此可能導致過程溫度測量的誤差。
[0044]圖5更詳細地示出熱電偶套管20的圖形。如圖5所示，熱電偶套管20包括伸長的孔 74,孔74穿過它在近端70和遠端72之間延伸?？?4被熱電偶套管20的壁76圍繞。如圖5所示， 熱電偶套管20可被安裝件78可螺紋連接地接收，安裝件78承載紅外傳感器24。類似地，熱電 偶套管20包括螺紋80,螺紋80可被用于通過法蘭22將熱電偶套管20安裝至過程管線18。 [0045]圖5還示出了圓錐的陰影區(qū)84,其示出了圖4中的沿著皮托管20的長度從近端70到 遠端72投射的光斑尺寸。如圖5所示，陰影區(qū)84延伸超過熱電偶套管20的孔74的壁76。該陰 影區(qū)指示相對于從遠端72所接收的輻射量從壁76所接收的輻射的相對量。其可能導致溫度 測量的誤差。通常，由于近端70和遠端72之間的溫差，所以最接近于熱電偶套管20的近端70 的壁76的一部分貢獻更多的溫度測量的誤差。在各種方面中，提供如下技術:該技術增加從 孔的遠端接收的紅外輻射的量并且減少傳感器24的來自孔74的壁76的紅外輻射接收量。 [0046]各種技術可被應用以減少傳感器24從孔74的壁76接收的輻射量，尤其從近端70。 例如，圖6為熱電偶套管20的剖視圖，其示出了其中薄涂層90被涂覆在孔74的內壁76上的構 造。涂層90具有低輻射率材料，其應用于或以其他方式粘附在孔74的壁76上。示例性的低輻 射率涂層包括產生近似鏡面拋光的材料，例如鉻鍍層。涂層可以覆蓋壁76的全部或僅僅一 部分。
[0047]減少來自孔74的壁76的紅外輻射的發(fā)射的另一個示例性的技術是拋光或以其他 方式使壁76的表面光滑。這減小了壁76的表面面積，并且因此減少了從壁76發(fā)射的紅外輻 射量。圖7示出了相關的構造，在該構造中，薄壁管92被容納在孔74中，從而覆蓋側壁76。管 92可由低輻射率材料形成或可以是被拋光管或電鍍管。中空藍寶石管也可被采用以減少從 壁76發(fā)射的到達傳感器24的紅外輻射量。管92用作輻射屏蔽，從而阻擋來自壁76的紅外輻 射到達傳感器24。圖8為熱電偶套管20的近端70的剖視圖，其示出了相關的示例性的實施 例，在該實施例中，紅外屏蔽部或光導100靠近傳感器24設置。屏蔽部100可以具有與圖7所 示的管92相同的材料。屏蔽部100可以作為將來自熱電偶套管20的遠端72的輻射聚焦在傳 感器12上的聚焦機構運行。例如，如果屏蔽部100具有反射紅外輻射的材料，那么其可像鏡 子一樣被用于根據需要聚焦輻射。
[0048]上述概念為聚焦機構的各種各樣的示例，該聚焦機構運行以增加從熱電偶套管 20的遠端72接收的輻射量和/或減少從熱電偶套管20的孔74的側壁76接收的輻射量。該聚 焦機構可以絕對值運行，或可提供從遠端72接收的輻射量相對于壁76的相對增加量。其他 示例性的聚焦機構包括熱透鏡或朝向熱電偶套管20的遠端72聚焦傳感器24的其他基于光 學的技術。例如，具有較小的距離與光斑尺寸比率的微調鏡片，例如在500mm的距離下小于 6_的光斑尺寸。提供聚焦機構的另一個示例性的構造是利用紅外攝像機來實現(xiàn)傳感器24。 在這樣的構造中，聚焦在遠端72上的紅外攝像機的像素可被用于溫度測量，同時從壁76接 收紅外輻射的那些像素可以根據需要被忽略或看重。
[0049]盡管已經參照優(yōu)選實施例描述了本實用新型，但是本領域技術人員將理解，在不 背離本實用新型的精神和范圍的情況下可以在形式和細節(jié)上作出改變。
【主權項】
1. 一種用于測量過程溫度的熱電偶套管組件，包括： 伸長的熱電偶套管，該伸長的熱電偶套管具有近端、遠端和孔，該孔在所述近端和所述 遠端之間延伸，并且熱電偶套管被構造為延伸進過程流體中； 紅外傳感器，所述紅外傳感器被構造為探測通過所述熱電偶套管的孔來自所述遠端的 紅外輻射并且響應地提供與過程溫度有關的傳感器輸出;并且 其中所述紅外傳感器從所述孔的側壁接收的紅外輻射被減少。2. 權利要求1所述的熱電偶套管組件，包括位于所述熱電偶套管的孔中的輻射屏蔽部， 以減少所述傳感器從所述孔的側壁接收的紅外輻射。3. 權利要求2所述的熱電偶套管組件，其中，所述輻射屏蔽部包括低輻射率涂層，該低 輻射率涂層被涂敷至所述熱電偶套管的孔的側壁的至少一部分。4. 權利要求1所述的熱電偶套管組件，其中所述熱電偶套管的孔的側壁被拋光以減少 輻射發(fā)射。5. 權利要求2所述的熱電偶套管組件，其中所述輻射屏蔽部包括薄壁管，該薄壁管延伸 穿過所述伸長的熱電偶套管的孔以減少所述紅外傳感器從所述熱電偶套管的孔的側壁接 收的紅外輻射。6. 權利要求2所述的熱電偶套管組件，其中所述輻射屏蔽部包括靠近所述紅外傳感器 定位的紅外光導。7. 權利要求6所述的熱電偶套管組件，其中所述紅外光導由低輻射率材料制成。8. 權利要求1所述的熱電偶套管組件，包括紅外透鏡，該紅外透鏡被構造為聚焦所述紅 外傳感器從所述伸長的熱電偶套管的遠端接收的紅外輻射。9. 權利要求1所述的熱電偶套管組件，包括紅外光導，該紅外光導被構造為聚焦所述紅 外傳感器從所述伸長的熱電偶套管的遠端接收的紅外輻射。10. 權利要求1所述的熱電偶套管組件，其中所述紅外傳感器包括紅外攝像機。11. 權利要求1所述的熱電偶套管組件，包括輸入/輸出電路，該輸入/輸出電路被配置 為基于來自于所述紅外傳感器的傳感器輸出提供與過程流體的溫度相關的溫度輸出。12. -種用于測量過程溫度的熱電偶套管組件，包括： 伸長的熱電偶套管，該伸長的熱電偶套管具有近端、遠端和孔，該孔在所述近端和所述 遠端之間延伸，并且熱電偶套管被構造為延伸進過程流體中； 紅外傳感器，所述紅外傳感器被構造為探測通過所述熱電偶套管的孔來自所述遠端的 紅外輻射并且響應地提供與過程溫度有關的傳感器輸出；和 聚焦機構，所述聚焦機構被構造成減少所述紅外傳感器從所述孔的側壁接收的紅外輻 射量和/或增加所述紅外傳感器從所述伸長的熱電偶套管的遠端接收的輻射量。13. 權利要求12所述的熱電偶套管組件，其中所述聚焦機構包括位于所述熱電偶套管 的孔中的輻射屏蔽部。14. 權利要求13所述的熱電偶套管組件，其中所述輻射屏蔽部包括低輻射率涂層，該低 輻射率涂層被涂敷所述熱電偶套管的孔的側壁的至少一部分。15. 權利要求12所述的熱電偶套管組件，其中所述熱電偶套管的孔的側壁的至少一部 分被拋光以減少福射發(fā)射。16. 權利要求13所述的熱電偶套管組件，其中所述輻射屏蔽部包括薄壁管，該薄壁管延 伸穿過所述伸長的熱電偶套管的孔以減少所述紅外傳感器從所述熱電偶套管的孔的側壁 接收的紅外輻射。17. 權利要求12所述的熱電偶套管組件，其中所述聚焦機構包括靠近所述紅外傳感器 定位的紅外光導。18. 權利要求17所述的熱電偶套管組件，其中所述紅外光導由低輻射率材料制成。19. 權利要求12所述的熱電偶套管組件，其中所述聚焦機構包括紅外透鏡，該紅外透鏡 被構造為聚焦所述紅外傳感器從所述伸長的熱電偶套管的遠端接收的紅外輻射。20. 權利要求12所述的熱電偶套管組件，其中所述紅外傳感器包括紅外攝像機。21. 權利要求12所述的熱電偶套管組件，包括輸入/輸出電路，該輸入/輸出電路被配置 為基于來自于所述紅外傳感器的傳感器輸出提供與過程流體的溫度相關的溫度輸出。
【文檔編號】G01K7/06GK205562064SQ201520951399
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年11月25日
【發(fā)明人】安德魯·約翰·基茲曼, 薩沙·烏利齊·基恩蒂茲, 杰森·哈洛德·魯?shù)?
【申請人】羅斯蒙特公司