СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ ПОВЫШЕННОГО ПРОНИКНОВЕНИЯ В ЗОНУ ПРОЦЕССА
SYSTEM FOR MEASURING TEMPERATURE OF PROCESS FLUID MEDIUM BY MEANS OF INCREASED PENETRATION INTO PROCESS ZONE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] В обрабатывающей промышленности используют датчики технологических параметров для мониторинга технологических переменных, связанных с такими веществами, как твердые частицы, взвеси, жидкости, пары и газы на установках по обработке химикатов, целлюлозы, нефти, фармацевтических препаратов, пищи и других жидких технологических сред. Технологические переменные включают в себя давление, температуру, скорость потока, уровень, мутность, плотность, концентрацию, химический состав и другие свойства.
[0002] Датчик температуры технологической текучей среды обеспечивает выходной сигнал, относящийся к температуре технологической текучей среды. Выходной сигнал датчика температуры можно передавать по цепи управления процессом на пульт управления, или выходной сигнал можно передавать на другое технологическое устройство, вследствие чего можно осуществлять мониторинг и управление процессом.
[0003] Как правило, датчики температуры технологической текучей среды были связаны, или в них были использованы измерительные каналы, которые термически связывают датчик температуры с технологической текучей средой, но кроме того, защищают и изолируют датчик температуры от непосредственного контакта с технологической текучей средой. Измерительный канал размещают в технологической текучей среде, для обеспечения достаточного термического контакта между технологической текучей средой и расположенным в ней датчиком температуры.
[0004] Измерительные каналы обычно конструируют, с использованием относительно прочных металлических конструкций, вследствие чего измерительный канал может выдерживать множество проблем, вызванных технологической текучей средой. Такие проблемы могут выключать в себя физические проблемы, такие как протекание технологической текучей среды за пределы измерительного канала при достаточно высокой скорости; термические проблемы, такие как крайне высокие температуры; проблемы, связанные с давлением, такие как перевозка или хранение технологической текучей среды при высокой температуры; и химические проблемы, такие как проблемы, вызванные щелочными технологическими жидкими средами.
[0005] Существует множество факторов, которые усложняют работу с измерительными каналами в системах измерения технологической текучей среды. Одна проблема состоит в том, что измерительные каналы являются интрузивными и инвазивными для системы технологической текучей среды. По этой причине, измерительный канал должен простираться сквозь стенку канала для технологической среды, такого как труба, для связывания датчика температуры с технологической текучей средой. Дополнительно, для измерительных датчиков обычно требуется регулярная оценка по многим соответствующим факторам. Кроме того, измерительные каналы, как правило, повышают время отклика для измерения температуры.
[0006] Измерительные каналы используют во многих средах по различным причинам. Измерительные каналы обеспечивают надежный и эффективный проход для обеспечения термической связи размещаемого датчика температуры с технологической текучей среды. Дополнительно, измерительные каналы обеспечивают защиту для капсулы датчика от веществ, текущих по каналу для технологической среды, которые могут легко изгибать, разрушать или разъедать капсулу датчика температуры. Более того, измерительные каналы обеспечивают легкое извлечение капсулы датчика температуры для калибровки и замены, не требуя отключения процесса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Система измерения температуры технологической текучей среды включает себя измерительный канал, сконфигурированный для связи с каналом для технологической среды, и простирающийся сквозь стенку трубопровода для технологической текучей среды. Комплект датчика температуры расположен в измерительном канале и включает в себя первый термочувствительный элемент и второй термочувствительный элемент. Первый термочувствительный элемент расположен в измерительном канале рядом с удаленным концом измерительного канала. Второй термочувствительный элемент расположен на расстоянии от первого термочувствительного элемента вдоль разделителя, обладающего известной теплопроводностью. Электронная цепь датчика связана с первым и вторым термочувствительным элементом и сконфигурирована для выполнения расчета плотности теплового потока для обеспечения выходной температуры технологической текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды, связанной с измерительным каналом, в соответствии с уровнем техники.
[0009] ФИГ. 2 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
[0010] ФИГ. 3 представляет собой схематическое изображение теплопереноса, смоделированного с использованием резистивных элементов.
[0011] ФИГ. 4 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
[0012] ФИГ. 5 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
[0013] ФИГ. 6 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0014] Одно конструктивное решение для использования измерительных каналов в системах измерения технологической текучей среды состоит в том, что измерительные каналы, как правило, вводят в технологическую жидкую среду с такой длиной, чтобы она составляла приблизительно одну треть от диаметра трубы, для достижения максимальной точности. Основной причиной для такого конструктивного решения является снижение или минимизация влияния на элемент датчика температуры со стороны температуры трубопровода для технологической текучей среды. Дополнительно, для достижения желаемой глубины посадки для труб с крупными диаметрами, необходимы более длинные измерительные каналы. Однако, на прочность измерительного канала все большее влияние оказывают такие факторы, как вихревой поток, столкновения материалов и гидравлические удары. Учитывая это и другие конструкционные соображения, для пользователей обычно требуются длины измерительных каналов, указанные с точностью до миллиметра, что, таким образом, требует от изготовителей измерительных каналов поддерживать значительную часть инвентаря с различными возможными длинами измерительных каналов. Измерительные каналы обычно изготавливают прочными, с использованием значительного количества материала. Притом, что такие прочные конструкции повышают долговечность измерительного канала, они могут замедлить реакцию измерительного канала на изменение рабочей температуры. В некоторых применениях, быстро изменяющаяся температура связана со сбоем в процессе, таким как выход реакции из-под контроля. В таком случае, очень важно, как можно скорее, понять, что это возникло, - чтобы к процессу можно было добавить материалы, которые замедляют реакцию. Следовательно, по меньшей мере, некоторые варианты воплощения, описанные в настоящей работе, могут снизить время отклика.
[0015] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды, связанной с измерительным каналом, в соответствии с уровнем техники. Как проиллюстрировано на ФИГ. 1, технологическая жидкая среда 100 течет по трубопроводу 102 для технологической текучей среды. Измерительный канал 104 закреплен в отверстии 106 или установлен путем внедрения сквозь стенку трубопровода 102. Как правило, измерительный канал 104 должен иметь часть с внешней резьбой, которая сцепляется с внутренней резьбой отверстия 106, с образованием прочного соединения. Однако, в некоторых воплощениях измерительный канал может быть приварен к стенке трубы или связан с ней, с использованием других устройств, таких как пара ответных фланцев и уплотнение. Тем не менее, измерительный канал 104, как правило, создают из прочного материала, такого как нержавеющая сталь, и он имеет внутреннюю камеру 108, которая подогнана по размерам таким образом, чтобы позволить комплекту 110 датчика температуры простираться вовнутрь нее. Комплект 110 датчика температуры включает в себя датчик температуры, который расположен в измерительном канале 104, для измерения температуры технологической текучей среды 100.
[0016] ФИГ. 2 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения. Система 300 измерения температуры технологической текучей среды включает в себя измерительный канал 200, связанный со стенкой трубопровода 102. Измерительный канал 200 - относительно короткий (по сравнению с измерительным каналом 104, показанный на ФИГ. 1) и механически связан непосредственно со стенкой трубы 102. Как показано на ФИГ. 2, система 300 включает в себя комплект 302 датчика температуры, который включает в себя множество температурочувствительных элементов 304, 306. Температурочувствительные элементы 304, 306 могут быть образованы из любых подходящих температурочувствительных устройств. Температурочувствительные элементы могут представлять собой любое подходящее устройство или прибор, который обладает электрической характеристикой, которая меняется с температурой. Подходящие примеры включают в себя резисторные термометры (RTD), термисторы, термопары или другие подходящие устройства. Температурочувствительные элементы 304, 306 комплекта 302 датчика, как правило, связаны с цепью передатчика 311 в корпусе 310 передатчика. Цепь передатчика (описана ниже), как правило, сконфигурирована для измерения или иного выявления электрического свойства температурочувствительных элементов 304 306 и генерирования выходного сигнала температуры технологической текучей среды, относящегося к измеренным температурам.

TM
[0017] Выходной сигнал, выходящий из системы измерения температуры технологической текучей среды, может быть направлен по контур связи процессом, такому как контур на 4-20 миллиампер, или его можно обеспечивать в цифровом виде, например, в соответствии с магистральным адресуемым дистанционным датчиком (Highway Addressable Report Transducer, HART). Другие примеры протоколов связи процесса включают в себя протокол связи Profibus-PA и сетевой протокол FOUNDATION. Кроме того, в дополнение или вместо протокола проводной связи процесса можно использовать подходящие беспроводные технологии. Одним примером подходящего протокола беспроводной связи процесса является протокол в соответствии со стандартом WirelessHART (IEC 62591).
[0018] Как показано на ФИГ. 2, температурочувствительный элемент 304 расположен рядом с дальним 305 концом измерительного канала 200, а температурочувствительный элемент 306 расположен на расстоянии от температурочувствительного элемента 304 вдоль комплекта 302 датчика, через элемент 308, обладающий известной или относительно постоянной теплопроводностью. При помещении более одного температурочувствительного элемента в комплект 302 датчика в различных местоположениях, разделенных разделителем 308, электронные устройства 311 в корпусе 310 передатчика могут использовать измерение плотности теплового потока для оценки температуры технологической текучей среды 100. Как показано на ФИГ. 2, температурочувствительные элементы 304 и 306 разделены в температурной капсуле 302 разделителем 308 и расположены в местоположениях, на которые, в значительной степени влияет, как температура стенки трубы, так и температура технологической текучей среды. В соответствии с целями настоящей работы, «разделитель» представляет собой любую физическую структуру или средство, которое управляет или задает расстояние и теплопроводность между двумя элементами. Следовательно, разделитель может быть образован из твердого тела, порошка, такой как порошок оксида марганца, или даже из воздушного зазора. Любое изменение на элементе 306 датчика температуры также будет влиять на температуру на температурочувствительном элементе 304, и наоборот. С учетом этой корреляции, расчет плотности теплового потока можно упростить до того, что показано на ФИГ. 3. Тогда как на ФИГ. 2 показан измерительный канал 200, простирающийся в трубопровод 102 для технологической текучей среды, следует отметить, что измерение плотности теплового потока может быть эффективно выполнено для вариантов воплощения, где измерительный канал не выступает в технологический аппарат или вообще в трубопровод.
twell
snsr
adapter
twell/
snsr
[0019] ФИГ. 3 представляет собой схематическое изображение теплопереноса, смоделированного с использованием резистивных элементов. В частности, тепло технологической текучей среды 100, показанной в узловой точке 350, течет в узловую точку S2 на температурочувствительном элементе 304 через тепловое полное сопротивление измерительного канала, как схематически указано на R 352. Затем, тепло течет вдоль разделительного элемента 308 в узловую точку S1, где температура измеряется температурочувствительным элементом 306. Тепловое полное сопротивление через разделитель 308 смоделировано схематически как R354. Наконец, тепло в узловой точке S1 может течь в или из стенки трубы 102, указанной в узловой точке 356. Тепловое полное сопротивление от узловой точки S1 до узловой точки 356 стенки трубы схематически проиллюстрировано как R358. С учетом этих величин, температура технологической текучей среды равна температуре, измеренной на температурочувствительно элементе 304 плюс разность между температурой, измеренной на элементе 304 и 306, умноженной на RR.
[0020] ФИГ. 4 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды, показанной на ФИГ. 2 и 3. В частности, комплект 302 датчика включает в себя температурочувствительные элементы 304, 306, которые разделены разделителем 308. Каждый из температурочувствительных элементов 304, 306 связан в рабочем состоянии с измерительной схемой 320 в корпусе 310 передатчика. Измерительная схема 320, как правило, включает в себя любое подходящее расположение электрических цепей, которые способны сцепляться с каждым из температурочувствительных элементов 304 и 306, для измерения его температурочувствительного электрического свойства. Измерительная схема 320 может включать в себя один или более аналогово-цифровых преобразователей, а также подходящую схему переключения, такую как мультиплексер. Дополнительно, измерительная схема 320 также может включать в себя любую подходящую цепь линеаризации и/или усиления. Измерительная схема 320, как правило, обеспечивает цифровую индикацию электрических свойств температурочувствительных элементов 304, 306 для контроллера 322. В одном варианте воплощения, контроллер 322 может представлять собой микропроцессор или микроконтроллер, или любую другую подходящую схему, которая способна принимать цифровые сигналы от измерительной схемы 320 и выполнять расчет плотности теплового потока, описанный применительно к ФИГ. 3. Дополнительно, как показано на ФИГ. 4, контроллер 322 связан с модулем 324 связи.

TM

TM
[0021] Модуль 324 связи позволяет системе измерения температуры передавать выходной сигнал температуры технологической текучей среды по контуру связи процесса. Как было изложено выше, подходящие примеры протоколов контур связи процесса включают в себя протокол на 4-20 миллиампер, HART, сетевой протокол FOUNDATION и WirelessHART (IEC 62591). Система 300 измерения температуры технологической текучей среды также включает в себя модуль 326 источника электропитания, который подает электропитание всем компонентам системы, как указано на стрелке 328. В вариантах воплощения, где система измерения температуры технологической текучей среды связана с проводным контуром связи процесса, таким как контур HART или сегмент связи процесса с сетевым протоколом FOUNDATION, модуль 326 электропитания может включать в себя подходящую схему для согласования с электропитанием, принимаемым с контура, для управления различными компонентами системы 300. Следовательно, в таких вариантах воплощения проводного контура связи модуль 326 источника электропитания может обеспечить подходящее согласование электропитания, для энергоснабжения всего устройства, на которое электропитание подается с контура, с которым оно связано. В других вариантах воплощения, при использовании беспроводной связи процесса, модуль 326 источника электропитания может включать в себя такой источник электропитания, как батарея и подходящая согласующая цепь.
[0022] ФИГ. 5 представляет собой схематическое изображение системы 390 измерения температуры технологической текучей среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Как показано на ФИГ. 5, измерительный канал 400 закреплен и простирается сквозь стенку трубы 102 в технологическую жидкую среду 100. По сравнению с расположением, показанным на ФИГ. 1, измерительный канал 400 не простирается в трубопровод для технологической текучей среды почти так же далеко, как измерительный канал 104. Часть этой разницы приходится на теплоизоляцию, которая обеспечена сальником 402. Сальник 402 сконфигурирован таким образом, чтобы он сцеплялся с внутренней поверхностью отверстия 106. Например, сальник 402 может включать в себя внешнюю резьбу, которая сцепляется с внутренней резьбой отверстия 106. Сальник 402 тогда включает в себя подходящую внутреннюю структуру, сцепляющуюся с измерительным каналом 400, для надежного и герметичного прикрепления измерительного канала 400 к стенке трубы 102. Однако, сальник 402 сконструирован из материала, который снижает теплопроводность по сравнению с материалом, из которого сконструирован измерительный канал 400. Использование сальника 402 вокруг измерительного канала 400 позволяет температуре из зоны процесса распространяться на датчик температуры, со сниженным влиянием трубопровода 102. Путем использования терморезистивного материала между стволом измерительного канала 400 и технологическим трубопроводом 102, можно снизить длину измерительного канала, при поддержании требуемой точности измерения. Терморезистивный материал может представлять собой любой подходящий органический или неорганический материал, способный выдерживать сопутствующие давления технологической текучей среды, а также придавать технологической текучей среде подходящую химическую стойкость. Примеры подходящих материалов включают в себя керамику, а также органические материалы, такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ). За счет обеспечения сальника 402 вокруг измерительного канала 400, измерительный канал 400 будет реагировать быстрее при сниженной массе, что также будет значительно снижать потребность в заботах о расчетах частоты. Кроме того, считается, что для такого «короткого» измерительного канала требуются меньшие размеры, по сравнению с существующими размерами серийно выпускаемых каналов, которые, как правило, указаны с точностью до миллиметра. Дополнительно, термоизолирующий материал, такой как уплотнительная прокладка, также может быть расположен между крепежным фланцем измерительного канала и зазором трубы.
[0023] ФИГ. 6 представляет собой схематическое изображение системы измерения температуры технологической текучей среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Система измерения температуры технологической текучей среды 500 имеет много общего с системой 390 (описана применительно к ФИГ. 5), и подобные компоненты пронумерованы одинаково. Основная разница между системой 500 и системой 390 состоит в том, что система 500 имеет комплект датчика, который имеет одиночный температурочувствительный элемент 304. Таким образом, прямо предполагается, что за счет использования теплоизолирующего сальника, такого как сальник 402, поток значительного количества тепла к/из трубопровода для технологической текучей среды может быть предотвращен за счет того, что может быть использован короткий (применительно к измерительному каналу 104) измерительный канал.
[0024] Тогда как вариант воплощения измерения плотности теплового потока, описанного применительно к ФИГ. 2-4, описан применительно к паре температурочувствительных элементов, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что в целях резервирования и/или добавления точности, в комплекте 302 датчика могут быть использованы дополнительные датчики температуры. Дополнительно, тогда как сальник 402 описан как термоизолирующий сальник, это описание приведено лишь в сравнении с материалом измерительного канала 400. Таким образом, до тех пор, пока теплопроводность сальника 402 ниже, чем теплопроводность измерительного канала 400, сальник 402 можно рассматривать в качестве термоизолирующего. Кроме того, четко предполагается, что сам по себе измерительный канал может быть сконструирован с использованием другого сплава со стороны технологического трубопровода, который обладает более высоким тепловым полным сопротивлением. Таким образом, горячий конец ствола измерительного канала может обладать высокой теплопроводностью, для распространения тепла от технологической текучей среды до элемента датчика. Более того, фланец измерительного канала может быть сконструирован, с использованием относительно низкой теплопроводности, которая связана со стволом измерительного канала, обладающего более высокой теплопроводностью, для достижения теплоизоляции, описанной в настоящей работе.