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熱電偶套管中的振動檢測的制作方法
【專利摘要】一種傳感器系統(tǒng)包括過程換能器、無動力振動傳感器和過程變送器。所述過程換能器設(shè)置在熱電偶套管內(nèi)并且配置用于產(chǎn)生第一傳感器信號。所述無動力振動傳感器配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管的振動的第二傳感器信號。所述過程變送器配置用于接收、處理和發(fā)送所述第一和第二傳感器信號。
【專利說明】熱電偶套管中的振動檢測

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及過程傳感器系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于工業(yè)過程監(jiān)測系統(tǒng)中的流體傳感器的熱電偶套管傳感器外殼。

【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)過程變送器和傳感器組件用于感測流經(jīng)導(dǎo)管或者包含在容器內(nèi)的過程流體的各種特性，并且將與那些過程特性有關(guān)的信息發(fā)送至距所述過程測量位置遠程設(shè)置的控制、監(jiān)測和/或安全系統(tǒng)。每一個過程變送器均可以連接至一個或者多個傳感器和/或致動器(actuator)組件。傳感器組件可以感測許多過程參數(shù)，包括壓力、溫度、pH值或者流速。過程變送器典型地是經(jīng)由傳感器導(dǎo)線電連接的傳感器組件，所述傳感器導(dǎo)線用于發(fā)送基于電流或者電壓的模擬傳感器輸出信號，所述模擬傳感器輸出信號反映(reflecting)至少一個這種過程參數(shù)。每一個變送器都讀取這些傳感器輸出信號，并且將它們轉(zhuǎn)換成所述過程參數(shù)的測量結(jié)果。最后，所述變送器將所述信息發(fā)送至所述控制系統(tǒng)。
[0003]用于感測過程流體溫度和溫度變化的傳感器組件通常包括至少一個包封在延伸進入所述流體流的熱電偶套管中的溫度傳感器。熱電偶套管設(shè)計用于與過程流體物理接觸，并且遮蔽所述溫度傳感器免受由與所述流體直接接觸所造成的物理損傷(例如沖擊、腐蝕等)，同時有效地傳導(dǎo)所述流體與所述溫度傳感器之間的熱量。熱電偶套管可靠性在過程監(jiān)測中是至關(guān)重要的，因為已經(jīng)破裂或者損壞的熱電偶套管會允許有害過程流體的泄漏，并且使精密和/或昂貴的傳感器暴露于過程流體。嚴重的熱電偶套管損傷會使熱電偶套管脫離(detach)，可能對下游設(shè)備造成進一步損壞。
[0004]振動是損壞熱電偶套管和所封閉的溫度傳感器的主要原因，實現(xiàn)振動衰減和預(yù)防對過程流體中傳感器組件的持續(xù)操作是關(guān)鍵的。過程流在熱電偶套管上的撞擊(impingement)經(jīng)由潤流在所述過程流體中造成瑞流(turbulence)。這種瑞流具有由多個因素確定的特征喚醒頻率fw，所述因素包括所述熱電偶套管的幾何尺寸和所述過程流體的條件和流速。當喚醒頻率fw接近所述熱電偶套管的自然諧振頻率f；時，渦流會造成有害的熱電偶套管振動。因此，經(jīng)常利用預(yù)計的喚醒頻率fw設(shè)計熱電偶套管，以避免fw=f；諧振條件。然而，在熱電偶套管的生命周期內(nèi)，過程條件的變化會造成fw和/或f；的移動，增加了諧振條件的可能性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及包括過程換能器、無動力振動傳感器和過程變送器的傳感器系統(tǒng)。所述過程換能器設(shè)置在熱電偶套管內(nèi)并且配置用于產(chǎn)生第一傳感器信號。所述無動力振動傳感器配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管振動的第二傳感器信號。所述過程變送器配置用于接收、處理和發(fā)送所述第一和第二傳感器信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是根據(jù)本發(fā)明的過程監(jiān)測或者控制系統(tǒng)的簡化圖。
[0007]圖2是用于圖1的過程監(jiān)測和控制系統(tǒng)的能量采集振動換能器的電路圖。
[0008]圖3是電壓對頻率的曲線，闡釋了在圖2的能量采集振動傳感器的諧振頻率下振動的效果。

【具體實施方式】
[0009]圖1是過程系統(tǒng)10 (用于監(jiān)測和/或激勵工業(yè)流體過程的系統(tǒng))的一個實施例的簡化剖視圖。在所描述的實施例中，過程系統(tǒng)10包括過程變送器12、過程管線14(具有凸緣連接16)、熱電偶套管18、過程換能器20、延伸件22、振動傳感器24和控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26。
[0010]過程管線14承載用于工業(yè)過程的過程流F。過程管線14例如可以是配置用于承載流體(諸如油漿、粘性制造材料、氣體或者液體)的管子(tube)或管道(duct)。過程管線14包括至少一個凸緣連接16，便于凸緣安裝設(shè)備的連接，以測量過程流F的至少一個特性，諸如溫度、流速、壓力或者PH值。在所闡釋的實施例中，凸緣連接16給熱電偶套管18和過程換能器20提供附著點(attachment point)，并且提供過程管線中的孔，熱電偶套管18和過程換能器20可以通過所述孔延伸進入過程流體F。過程流體F例如可以包括損壞或者其他不利于過程換能器20操作的化學(xué)品或者顆粒。
[0011]熱電偶套管18是在過程流體F內(nèi)過程換能器20周圍的保護體。熱電偶套管18例如可以是中空的錐形鞘，固定至凸緣連接16并且通過凸緣連接16設(shè)置進入過程流體F。熱電偶套管18由具有較高熱導(dǎo)率的材料(諸如黃銅、鋼或銅)形成，以便將熱量從過程流體F有效地傳導(dǎo)至過程換能器20。熱電偶套管18具有由其幾何尺寸和結(jié)構(gòu)確定的特征自然諧振頻率fr。
[0012]在所描述的實施例中，過程換能器20是包覆在熱電偶套管18中的溫度傳感器探針，并且能夠產(chǎn)生過程信號，所述過程信號反映靠近凸緣連接16的過程流體F的溫度或者溫度變化的至少之一。過程換能器20例如可以是熱電偶、電阻式溫度檢測器或者熱敏電阻器。熱電偶套管18使過程換能器20免受過程流體F，防止損傷并且增大過程換能器20的預(yù)期壽命。熱電偶套管18還利用凸緣連接16形成流體密封，從而防止過程換能器20附近過程流體F的泄漏。熱電偶套管18例如可以是螺栓固定或者夾緊至凸緣連接16。在一些實施例中，過程系統(tǒng)10可以包括設(shè)置在熱電偶套管18和凸緣連接16之間用于改進流體密封的附加密封部件(墊圈、O型環(huán)等)。
[0013]過程變送器12是信號處理和/或發(fā)送裝置，接收和處理來自過程換能器20的信號以產(chǎn)生過程流體F的參數(shù)的至少一個測量結(jié)果。過程變送器12例如可以是邏輯功能裝置，配置用于從接收自過程換能器20的電信號中提取過程測量結(jié)果。過程變送器12還可以包括診斷或者故障報告部件，并且可以包括持久存儲器以存儲與過程流體F有關(guān)的測量、控制和診斷數(shù)據(jù)。
[0014]在所描述的實施例中，過程換能器20經(jīng)由延伸件22連接至過程變送器12。正如所描述的，延伸件22是支撐過程變送器12的剛性聯(lián)接(rigid coupling)并且承載將過程變送器12連接至過程換能器20的信號線。盡管示出了將過程變送器12與過程換能器20間隔開地安裝在延伸件22上，但是過程系統(tǒng)10的一些實施例可以利用直接安裝至過程管線14、凸緣連接16或過程換能器20的或者遠程安裝的過程變送器。過程變送器12可以包括內(nèi)部電源，和/或從外部電網(wǎng)連接或者能量采集裝置接收功率。此外，如下參考圖2和3更詳細描述的，過程變送器12可以從振動傳感器24接收補充功率。
[0015]振動傳感器24是一種帶有可調(diào)諧振動能量收集器的振動-電壓換能器，所述可調(diào)諧振動能量收集器具有與熱電偶套管18的諧振頻率f；緊密匹配的自然諧振頻率fs。在一些實施例中，例如可以通過改變這種振動能量收集器的振動臂的尖端質(zhì)量或者臂長在制造期間調(diào)諧振動傳感器24的自然諧振頻率fs。在其他實施例中，振動傳感器24的自然諧振頻率fs可以是可配置調(diào)諧的，例如在過程系統(tǒng)10中的安裝位置。盡管將振動傳感器24描述為定位于延伸件22上，但是過程系統(tǒng)10的替代實施例可以包括定位于其他位置的振動傳感器24，例如直接安裝至熱電偶套管18、過程換能器20或者過程變送器12。通常，振動傳感器24定位于靠近熱電偶套管18，使得來自熱電偶套管18的渦流產(chǎn)生來自振動傳感器24的輸出電壓，如下參考圖2和3所述。由振動傳感器24所產(chǎn)生電壓的幅度對應(yīng)于近似fw至fs。因為自然諧振頻率fs與f；緊密匹配，振動傳感器24的電壓輸出幅度構(gòu)成了傳感器信號，將近似fw反映為熱電偶套管18的諧振條件。延伸件22例如可以承載將這個傳感器信號從振動傳感器24發(fā)送至過程變送器12的信號線。
[0016]過程變送器12與控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26 (在控制或者監(jiān)測站的中央處理、數(shù)據(jù)歸檔和/或監(jiān)測系統(tǒng))通信，所述控制或者監(jiān)測站會監(jiān)視多個過程變送器12。過程變送器12將過程測量結(jié)果發(fā)送至控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26，包括從過程換能器20獲得的溫度測量結(jié)果和從振動傳感器24獲得的振動測量結(jié)果。這些過程測量結(jié)果例如可以是由過程變送器12產(chǎn)生的來自過程換能器20和振動傳感器24的原始電壓和/或電流信號的數(shù)字化副本(counterpart)。盡管過程系統(tǒng)10只闡釋了連接至控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26的單一過程變送器12，但是過程系統(tǒng)10的一些實施例可以包括共享公共控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26的多個過程變送器12。類似地，盡管將過程變送器描述為只附屬于一個振動傳感器24和一個過程換能器20，過程系統(tǒng)10的替代實施例可以包括與單一過程變送器12通信的多個換能器和/或振動收集器。圖1闡釋了過程變送器12和控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26之間的有線連接。然而，更普遍地，過程變送器12可以經(jīng)由多線電纜、光纜或者無線連接與控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26通信。在一些實施例中，過程變送器12可以經(jīng)由在無線HART協(xié)議或者類似的發(fā)送/接收協(xié)議上工作的無線連接與控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26通信。除了所述過程和振動測量結(jié)果，過程變送器12可以給控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26提供診斷或者日志信息和故障警報。類似地，控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26可以給過程變送器12發(fā)出數(shù)據(jù)、復(fù)位或校準請求，或者其他指令。
[0017]過程管線14輸送過程流體F通過熱電偶套管18，所述熱電偶套管包封過程換能器20并且使其不與過程流體F直接接觸，同時使過程換能器20與過程流體F間接熱接觸。當過程流體F經(jīng)過熱電偶套管18周圍時，熱電偶套管18在過程流體F上的撞擊引起熱電偶套管18的湍流下游。這種渦流產(chǎn)生具有如上所述的特征喚醒頻率fw的湍流。通過對熱電偶套管20為18)和振動傳感器24的諧振頻率進行匹配，過程系統(tǒng)10允許振動傳感器24產(chǎn)生湍流過程流體F和熱電偶套管20之間諧振的測量結(jié)果，從而能夠使過程變送器12和/或控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26識別何時熱電偶套管20經(jīng)歷或者接近對應(yīng)于的潛在損壞諧振條件。以這種方式，過程系統(tǒng)10能夠在熱電偶套管20完全失效之前檢測熱電偶套管20中的故障。
[0018]圖2是振動傳感器24的示意圖，所述振動傳感器包括振動能量收集器100(具有信號電壓O、整流器102 (具有二極管D1、D2、D3和D4)、平滑濾波器104 (具有電容器C)、分壓器(具有電阻R1和R2)和輸出終端108 (具有輸出電壓Vwt)。通常，輸出與振動成正比的任何無動力裝置可以代替振動能量收集器100。如上參考圖2所述，選擇或者調(diào)諧振動能量收集器100使得振動能量收集器100的諧振頻率fs與熱電偶套管18的諧振頻率f；緊密匹配。例如可以根據(jù)ASME PTC19.3TW或者類似的工業(yè)標準計算或者經(jīng)驗地測試諧振頻率f；。如本領(lǐng)域中眾所周知的，例如可以通過改變振動能量收集器100內(nèi)的振動探針的尖端質(zhì)量或者臂長來完成調(diào)諧。振動能量收集器100產(chǎn)生具有與振動傳感器26處的機械振動相對應(yīng)的周期和幅度的交變電流(AC)。振動收集器100用作具有信號電壓Vs的交流電壓源。整流器102、平滑濾波器104和分壓器106 —起構(gòu)成信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備，以根據(jù)信號電壓Vs產(chǎn)生輸出電壓V-。整流器102對信號電壓Vs進行整流以產(chǎn)生直流(DC)信號。將整流器102描述為具有四個二極管DpD2、D3和D4的全波四橋整流器。盡管所描述的實施例是簡單和成本有效的，但是可以等效地使用其他類型的整流器，包括半波整流器和晶體管全波整流器。振動傳感器24的一些實施例可以避開整流器102，并且替代地對由能量收集器100產(chǎn)生的AC信號進行快速采樣。平滑濾波器104從整流器102的直流輸出中去除瞬變。在所描述的實施例中，平滑濾波器104包括單個連接至地的電容器C。分壓器106對所得到的平滑直流信號進行縮放，以在輸出終端108處產(chǎn)生標準化的輸出電壓信號V-。這個輸出電壓信號Vrat例如可以由過程變送器12 (參見圖1，如上所述)數(shù)字化，以產(chǎn)生在熱電偶套管18附近諧振的數(shù)字測量結(jié)果，或者可以以模擬方式處理。在一些替代的實施例中，Vwt或者Vs可以與來自換能器20的過程傳感器信號進行耦合，從而允許在過程變送器12的單個端子處接收到所述組合信號并且數(shù)字地去耦。
[0019]Vtjut不是熱電偶套管18處振動幅度的直接測量。相反，由于f；~fs,振動能量收集器100將傾向于使熱電偶套管18的諧振條件處信號電壓Vs(以及對應(yīng)的輸出電壓Vwt)最大。因此，振動傳感器24的Vwt提供熱電偶套管18的振動頻率(主要由于具有喚醒頻率fw的渦流)和熱電偶套管諧振頻率f；之間的接近程度測量。當fw遠離f；時，Vout較小，并且存在很小的熱電偶套管18和過程流體F的湍流之間有害諧振的風(fēng)險。當fw接近f；時，Vout相對較大，對應(yīng)于熱電偶套管18中增加的諧振和增加的振動。因此，Vrat的較大數(shù)值對應(yīng)于熱電偶套管18的潛在有害諧振條件。下面參考圖3更加詳細地討論了這種關(guān)系。
[0020]如圖2所公開的，振動傳感器24包括具有相對簡單布線的無動力傳感器。因為振動能量收集器100產(chǎn)生交流電壓信號，所述交流電壓信號反映了直接來自振動傳感器24的機械振動的振動幅度，不需要補充的電壓源來運行振動傳感器24。在一些實施例中，來自振動能量收集器100的附加功率可以路由至過程變送器12和/或用于給指示諧振條件的視頻或者音頻指示供電。
[0021]圖3描述了輸出電壓Vtjut根據(jù)喚醒頻率fw變化的示例性圖表。如上參考圖2所述，輸出電壓Vwt在4(振動能量收集器100的諧振頻率)處最大。調(diào)諧或者選擇振動能量收集器100使得fs~fr。因此，Vwt在fw=fs~fr處或者附近達到最大值，對應(yīng)于熱電偶套管18的諧振條件，很可能在熱電偶套管18中產(chǎn)生有害振動。圖3闡釋了與諧振頻率f；有關(guān)的諧振范圍Λ?；。諧振范圍Λ?；對應(yīng)于足夠接近f；以造成熱電偶套管18中有害振動的喚醒頻率fw的頻帶。在諧振范圍Λ fr內(nèi)感測的振動頻率產(chǎn)生輸出電壓Vwt ^ Vr (諧振閾值電壓)。過程變送器12和/或控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26例如可以標記(flag)熱電偶套管18用于替換或者當U時發(fā)出警報，特別是如果? 一段較長時間時?？梢愿鶕?jù)機器公差、fs至f；的調(diào)諧精度和f；的估計精度選擇諧振閾值電壓V-在替代實施例中，過程變送器12和/或控制或者監(jiān)測系統(tǒng)26可以在不與任何諧振閾值電壓\進行比較的情況下記錄輸出電壓Vrat。
[0022]振動傳感器24提供了一種緊湊并且廉價的裝置，用于在部件失效之前檢測熱電偶套管18的潛在有害諧振條件。為了便于分發(fā)和安裝，可以對熱電偶套管進行編碼和/或與對應(yīng)的具有匹配諧振頻率(fs~f；)的振動傳感器一起出售，允許終端用戶選擇適用于每一個熱電偶套管18的振動傳感器24，而不是個人調(diào)諧振動傳感器24。振動傳感器24不抽取(draw)外部電源，因此不需要來自過程變電器18的電源或者單獨的電源。在一些實施例中，振動傳感器24可以替代電源給過程變送器12供電，補充或者替代來自其他來源的功率。
[0023]盡管已經(jīng)參考示例實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以做出各種變化，并且可以用等同物替代其元件。此外，可以做出許多修改，以便在不背離本發(fā)明本質(zhì)范圍的情況下使特定的情況或者材料適應(yīng)于本發(fā)明的教義。因此，目的在于本發(fā)明不限于所公開的特定實施例，而是本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實施例。
【權(quán)利要求】
1.一種傳感器系統(tǒng),包括: 過程換能器，設(shè)置在熱電偶套管內(nèi)并且配置用于產(chǎn)生第一傳感器信號； 無動力振動傳感器，配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管的振動的第二傳感器信號；以及 過程變送器，配置用于接收、處理和發(fā)送所述第一和第二傳感器信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述過程換能器設(shè)置用于感測過程流體的參數(shù)，并且其中所述第一傳感器信號反映所述過程流體的參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述過程換能器是溫度傳感器，并且所述第一傳感器信號是溫度信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述過程流體在所述熱電偶套管上的撞擊造成所述熱電偶套管的振動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述無動力振動傳感器包括振動能量收集器和信號處理電子設(shè)備。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述振動能量收集器和所述熱電偶套管具有相同的諧振頻率。
7.根據(jù)權(quán)利要求 5所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述第二傳感器信號是所述振動能量收集器的已處理輸出電壓幅度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述信號處理電子設(shè)備包括整流器、平滑濾波器和分壓器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述第二傳感器信號反映所述熱電偶套管的振動頻率和所述熱電偶套管的諧振頻率之間的接近程度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，還包括控制或者監(jiān)測系統(tǒng)，所述過程變送器將所述第一和第二傳感器信號發(fā)送至所述控制或者監(jiān)測系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述過程變送器或者所述控制或者監(jiān)測系統(tǒng)基于所述第二傳感器信號標記警報條件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述過程變送器或者所述控制或者監(jiān)測系統(tǒng)響應(yīng)于所述第二傳感器信號上升或者保持在閾值以上來標記所述警報條件。
13.一種用于監(jiān)測過程流體的過程系統(tǒng)，所述過程系統(tǒng)包括: 熱電偶套管，延伸進入所述過程流體中； 過程換能器，包覆在所述熱電偶套管中，并且配置用于產(chǎn)生反映所述過程流體的特性的過程信號； 無動力振動傳感器，位于所述熱電偶套管附近，并且配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管附近的振動的振動信號；以及 過程變送器，配置用于接收和處理所述過程信號和所述振動信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過程系統(tǒng)，其中所述過程換能器是溫度傳感器，并且所述過程流體的特性是過程流體中的溫度或者過程流體中的溫度變化。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過程系統(tǒng)，其中所述過程變送器配置用于如果所述振動信號上升或者保持在閾值以上，則標記警報條件。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過程系統(tǒng)，其中所述無動力振動傳感器包括:振動能量收集器，配置用于根據(jù)所述熱電偶套管附近的振動產(chǎn)生交變電流；以及 信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備，配置用于根據(jù)所述交變電流產(chǎn)生輸出信號。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過程系統(tǒng)，其中所述信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括全波整流器以將所述交變電流轉(zhuǎn)換成直流電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過程系統(tǒng)，其中所述信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括電容器以平滑瞬變信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過程系統(tǒng)，其中所述信號調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括由多個電阻器構(gòu)成的分壓器以縮放所述輸出信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過程系統(tǒng)，其中對所述振動能量收集器進行調(diào)諧以與所述熱電偶套管共享相同的諧振頻率。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過程系統(tǒng)，其中所述無動力振動傳感器至少部分地給所述過程變送器供電。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過程系統(tǒng)，還包括與所述過程變送器通信的控制或者監(jiān)測系統(tǒng)，以分別基于所述過程信號和所述振動信號接收過程和振動測量結(jié)果。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過程系統(tǒng)，其中將所述無動力振動傳感器固定至從所述過程換能器延伸至所述過程變送器的剛性連接。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過程系統(tǒng)，其中所述熱電偶套管延伸穿過承載所述過程流體的過程管線。
【文檔編號】G01K7/02GK104048747SQ201410095590
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】勞倫·邁克爾·安格斯塔德, 杰森·哈洛德·魯?shù)? 申請人:羅斯蒙特公司