УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕИНТРУЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
DEVICE FOR NON-INTRUSIVE MEASURING THE TEMPERATURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к устройствам измерения температуры для применения в промышленных процессах. В частности, изобретение относится к устройствам измерения температуры для неинтрузивного измерения температуры технологического процесса.
Уровень техники
Устройства для неинтрузивного измерения температуры в промышленных технологических процессах могут быть использованы для измерения температуры технологической текучей среды в емкости (сосуде) без необходимости проникновения сквозь стенку технологической емкости. Устройство для неинтрузивного измерения температуры осуществляет измерение температуры стенки емкости снаружи. Такое устройство может включать в себя датчик температуры и конструкцию, выполненную с возможностью позиционирования конца температурно-чувствительного элемента датчика температуры на наружной поверхности стенки емкости. Когда температура технологической текучей среды изменяется, температура стенки емкости также будет изменяться. Температура стенки емкости будет также изменяться в ответ на внешние условия, такие как солнечное освещение, ветер или дождь. Изоляция вокруг конца чувствительного элемента обеспечивает некоторое экранирование наружной поверхности от изменения внешних условий. Однако точность неинтрузивного измерения температуры технологического процесса страдает в той степени, в какой свойства изоляции отличаются от идеальных.
Раскрытие изобретения
В одном своем аспекте настоящее изобретение представляет устройство датчиков температуры для использования со стенкой технологической емкости, содержащее опорную конструкцию, первый датчик температуры, второй датчик температуры и процессор. Опорная конструкция содержит первую поверхность, выполненную с возможностью образования зоны контакта с участком наружной поверхности стенки технологической емкости, и вторую поверхность, отстоящую от первой поверхности. Первый датчик температуры проходит через опорную конструкцию в зоне контакта для измерения температуры наружной поверхности стенки технологической емкости. Второй датчик температуры на второй поверхности опорной конструкции служит для измерения температуры второй поверхности опорной конструкции. Процессор соединен с первым датчиком температуры и вторым датчиком температуры и выполнен с возможностью определения значения температуры внутренней поверхности стенки технологической емкости как функции измеренной температуры наружной поверхности стенки технологической емкости, измеренной температуры второй поверхности опорной конструкции, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости
В другом своем аспекте настоящее изобретение представляет систему измерения температуры для использования со стенкой технологической емкости, содержащую устройство датчиков температуры и электронный блок, соединенный с устройством датчиков температуры. Устройство датчиков температуры включает опорную конструкцию, первый датчик температуры и второй датчик температуры. Опорная конструкция содержит первую поверхность, выполненную с возможностью образования зоны контакта с участком наружной поверхности стенки технологической емкости, и вторую поверхность, отстоящую от первой поверхности. Первый датчик температуры проходит через опорную конструкцию в зоне контакта для измерения температуры наружной поверхности стенки технологической емкости. Второй датчик температуры находится на второй поверхности опорной конструкции для измерения температуры второй поверхности опорной конструкции. Электронный блок содержит процессор и интерфейс связи. Процессор соединен с первым датчиком температуры и вторым датчиком температуры и выполнен с возможностью определения значения температуры внутренней поверхности стенки технологической емкости как функции измеренной температуры наружной поверхности стенки технологической емкости, измеренной температуры второй поверхности опорной конструкции, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости. Интерфейс связи выполнен с возможностью передачи значения температуры внутренней поверхности стенки технологической емкости в систему управления или контроля.
В еще одном своем аспекте настоящее изобретение представляет способ неинтрузивного определения значения температуры внутренней поверхности стенки технологической емкости. Способ включает покрытие участка наружной поверхности стенки технологической емкости посредством опорной конструкции. Способ включает измерение температуры наружной поверхности стенки технологической емкости и измерение температуры поверхности опорной конструкции, причем указанная поверхность обращена в сторону от стенки технологической емкости. Способ также включает определение значения температуры внутренней поверхности стенки технологической емкости на основе измеренной температуры наружной поверхности стенки технологической емкости, измеренной температуры поверхности опорной конструкции, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 в виде боковой проекции изображает устройство измерения температуры, соответствующее настоящему изобретению, в котором опорной конструкцией является трубный хомут.
Фиг. 2 в сечении изображает часть конструкции с фиг. 1.
Фиг. 3 изображает блок-схему электроники конструкции с фиг. 1.
Фиг. 4 в сечении изображает часть другой конструкции устройства измерения температуры, соответствующего настоящему изобретению, в котором опорной конструкцией является плоская пластина.
Осуществление изобретения
Фиг. 1 представляет вид сбоку устройства измерения температуры, которое реализует настоящее изобретение. Фиг. 1 изображает устройство 10 измерения температуры, содержащее устройство 12 датчиков температуры, электронный блок 14 и трубу 16 датчиков. Устройство 10 измерения температуры прикреплено к стенке 18 технологической емкости для измерения температуры, связанной с технологической текучей средой Р, содержащейся за стенкой 18 технологической емкости. В варианте осуществления, изображенном на фиг. 1, стенка 18 технологической емкости образует трубу с внутренним радиусом R. У стенки 18 технологической емкости имеется наружная поверхность 20 и внутренняя поверхность 22, при этом стенка технологической емкости имеет толщину Tw. Устройство 12 датчиков температуры содержит опорную конструкцию 24. Опорная конструкция 24 может представлять собой изогнутую пластину, такую как трубный хомут, как показано на фигуре. Устройство 12 датчиков температуры прикреплено к стенке 18 технологической емкости на наружной поверхности 20 посредством опорной конструкции 24. Труба 16 датчиков соединяет электронный блок 14 с устройством 12 датчиков температуры в области опорной конструкции 24.
B
На фиг. 2 представлено поперечное сечение участка конструкции, изображенной на фиг. 1. Как показано на фиг. 2, опорная конструкция 24 содержит первую поверхность 26 и вторую поверхность 28, которая отстоит от первой поверхности 26 на величину толщины T опорной конструкции. Первая поверхность 26 выполнена с возможностью нахождения в физическом контакте с участком наружной поверхности 20 стенки 18 технологической емкости, образуя зону 30 контакта. Устройство 12 датчиков температуры дополнительно содержит первый датчик 32 температуры и второй датчик 34 температуры. Первый датчик температуры 32 содержит температурно-чувствительный элемент 36 и провода 38 датчика. Второй датчик 34 температуры содержит температурно-чувствительный элемент 40 и провода 42 датчика. Температурно-чувствительный элемент 36 и температурно-чувствительный элемент 40 могут представлять собой, например, термопару, термистор, инфракрасный датчик, или резистивный детектор температуры (RTD, Resistance Temperature Detector), содержащий тонкопленочные или проволочные элементы. Труба 16 датчиков является пустотелой и образует корпус для первого датчика 32 температуры и второго датчика 34 температуры. Провода 38 датчика проходят через трубу 16 датчиков, чтобы соединить температурно-чувствительный элемент 36 с электроникой в электронном блоке 14 согласно фиг. 3. Аналогично, провода 42 датчика проходят через трубу 16 датчиков, чтобы соединить температурно-чувствительный элемент 40 с электроникой в электронном блоке 14.
w
w
В
В
В
Первый датчик 32 температуры проходит сквозь опорную конструкцию 24 в зоне 30 контакта, так что первый датчик 32 температуры находится в физическом контакте с наружной поверхностью 20 стенки 18 технологической емкости. Будучи расположенным таким образом, первый датчик 32 температуры измеряет температуру θ наружной поверхности 20 путем формирования аналогового электрического сигнала между проводами 38 датчика, так что сигнал изменяется в ответ на изменения температуры θ наружной поверхности 20 регистрируемые температурно-чувствительным элементом 36. Второй датчик 34 температуры находится в физическом контакте со второй поверхностью 28 опорной конструкции 24, чтобы измерять температуру θ второй поверхности 28. Второй датчик 34 температуры измеряет температуру θ второй поверхности 28 путем формирования аналогового электрического сигнала между проводами 42 датчика, так что сигнал изменяется в ответ на изменения температуры θ второй поверхности 28, регистрируемые температурно-чувствительным элементом 40.
Фиг. 3 схематически изображает электронику для варианта осуществления, изображенного на фиг. 1 и 2. На фиг. 3 показано, что электронный блок 14 содержит процессор 50, первый аналого-цифровой (А/Ц) преобразователь 52, второй А/Ц преобразователь 54 и память 56. Процессором 50 предпочтительно представляет собой цифровой микропроцессор. Первый А/Ц преобразователь 52 и второй А/Ц преобразователь 54 являются аналого-цифровыми преобразователями. Память 56 представляет собой цифровое устройство хранения данных, электрически соединенное с процессором 50. Процессор 50 соединен с первым датчиком 32 температуры посредством первого А/Ц преобразователя 52. Первый А/Ц преобразователь 52 электрически соединен с проводами 38 датчика, чтобы преобразовывать аналоговый электрический сигнал от чувствительного элемента 36 в цифровой сигнал для процессора 50. Второй А/Ц преобразователь 54 соединяет процессор 50 со вторым датчиком 34 температуры. Второй А/Ц преобразователь 54 электрически соединен с проводами 42 датчика, чтобы преобразовывать аналоговый электрический сигнал от чувствительного элемента 40 в цифровой сигнал для процессора 50.
B
B
Память 56 содержит параметры опорной конструкции и параметры стенки технологической емкости. Параметры опорной конструкции представляют собой физические характеристики опорной конструкции 24, и могут включать, например, значение теплопроводности K опорной конструкции 24 и толщину T опорной конструкции. Параметры опорной конструкции могут быть сохранены в памяти 56 в процессе изготовления устройства 10 измерения температуры. В альтернативном варианте параметры опорной конструкции могут быть сохранены в памяти 56 в процессе настройки конфигурации устройства 10 измерения температуры, что будет рассмотрено ниже.
w
w
Параметры стенки технологической емкости представляют собой физические характеристики стенки 18 технологической емкости и включают, например, значение теплопроводности K стенки 18 технологической емкости и толщину T стенки технологической емкости. Параметры стенки технологической емкости могут быть сохранены в памяти 56 в процессе изготовления устройства 10 измерения температуры. Однако, поскольку маловероятно, что в момент изготовления технологическая емкость, к которой будет прикреплено устройство 10 измерения температуры, уже известна, параметры стенки технологической емкости могут быть сохранены в памяти 56 в процессе настройки конфигурации устройства 10 измерения температуры, что будет рассмотрено ниже. Дополнительно или как вариант, в памяти 56 может быть сохранено множество наборов параметров стенки технологической емкости, и можно выбирать требуемый набор параметров из памяти 56, когда производится настройка конфигурации устройства 10 измерения температуры для дальнейшего использования.
Р
w
В
В соответствии с законом теплопроводности Фурье, тепловой поток через опорную конструкцию 24 должен быть таким же, что и поток через стенку 18 технологической емкости. При этом условии температура θ внутренней поверхности 22 стенки 18 технологической емкости может быть определена исходя из измеренной температуры θ наружной поверхности 20 и измеренной температуры θ второй поверхности 28.
Р
w
В
w
В
Р
w
В
Р
Р
Р
Если совместно рассмотреть фиг. 1, 2 и 3, то устройство 10 измерения температуры прикреплено к стенке 18 технологической емкости для определения температуры θ внутренней поверхности 22 стенки 18 технологической емкости неинтрузивным способом. Устройство 12 датчиков температуры установлено так, что первая поверхность 26 опорной конструкции 24 покрывает участок наружной поверхности 20, образуя зону 30 контакта. Датчик 32 температуры измеряет температуру θ наружной поверхности 20, датчик 34 температуры измеряет температуру θ второй поверхности 28 опорной конструкции 24, которая обращена в сторону от стенки 18 технологической емкости. Процессор 50 принимает измеренную температуру θ наружной поверхности 20 в виде цифровых сигналов от первого А/Ц преобразователя 52 и принимает измеренную температуру θ второй поверхности 28 в виде цифровых сигналов от второго А/Ц преобразователя 54. Процессор 50 получает параметры опорной конструкции и параметры стенки технологической емкости из памяти 56. Путем использования модели теплопередачи, такой как закон теплопроводности Фурье, процессор 50 выполнен с возможностью определения температуры θ на основе измеренной температуры θ наружной поверхности 20, измеренной температуры θ второй поверхности 28, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости. Температура θ представляет собой значение температуры внутренней поверхности 22 стенки 18 технологической емкости. Температура θ также представляет собой оценку температуры технологической текучей среды Р за стенкой 18 технологической емкости. В условиях турбулентного течения температура θ может служить очень точной оценкой температуры технологической текучей среды Р благодаря сравнительно однородному распределению температур по сечению трубы, которая определена стенкой 18 технологической емкости.
Р
В варианте осуществления, показанном на фиг. 3, электронный блок 14 может также содержать интерфейс 58 связи. Интерфейс 58 связи обеспечивает связь между устройством 10 измерения температуры и системой 62 управления/контроля. При таком оснащении устройство 10 измерения температуры может также быть названо передатчиком измерений температуры и может передавать температуру θ внутренней поверхности 22 стенки 18 технологической емкости в систему 62 управления или контроля. Связь между устройством 10 измерения температуры и системой 62 управления или контроля может быть осуществлена через любое подходящее беспроводное или проводное соединение. Например, связь может быть реализована посредством аналогового тока в двухпроводной петле, который изменяется в интервале от 4 до 20 мА. В ином варианте связь может осуществляться в цифровой форме по двухпроводной петле с использованием цифрового протокола HART или по шине связи с использованием цифрового протокола, такой как Foundation fieldbus. Интерфейс 58 связи может, как вариант, содержать электронную схему 64 беспроводной связи для связи путем беспроводной передачи с использованием беспроводного протокола, такого как WirelessHART (IEC 62591). Более того, связь с системой 62 управления или контроля может быть прямой или через сеть, состоящую из любого числа промежуточных устройств, например беспроводную ячеистую сеть (не показана). Интерфейс 58 связи может помочь контролировать и управлять связью в направлении устройства 10 измерения температуры и от устройства 10 измерения температуры. Например, система 62 управления или контроля может обеспечить конфигурирование устройства 10 измерения температуры, включая ввод или выбор параметров опорной конструкции, параметров стенки технологической емкости или выбор модели теплопередачи для конкретного применения посредством интерфейса 58 связи.
Р
w
В
Вариант осуществления, представленный на фиг. 3, может также содержать локальный интерфейс оператора (LOI, Local Operator Interface) 66. Локальный интерфейс 66 оператора может быть предусмотрен для отображения температуры θ внутренней поверхности 22, а также измеренной температуры θ наружной поверхности 20, измеренной температуры θ второй поверхности 28, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости. Локальный интерфейс 66 оператора может быть также предусмотрен для обеспечения возможности конфигурирования устройства 10 измерения температуры, включая ввод или выбор параметров опорной конструкции, параметров стенки технологической емкости или выбор модели теплопередачи для конкретного применения.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 1, 2 и 3, для трубы с внутренним радиусом R может быть применена следующая модель теплопередачи:
B
В
w
w
Р
w
В
Параметры опорной конструкции включают значение теплопроводности K опорной конструкции 24 и толщину Т опорной конструкции. Параметры стенки технологической емкости включают значение теплопроводности K стенки 18 технологической емкости и толщину T стенки технологической емкости. Таким образом, процессор 50 может применить модель теплопередачи согласно уравнению [1] для определения температуры θ внутренней поверхности 22 стенки 18 технологической емкости на основе измеренной температуры θ наружной поверхности 20, измеренной температуры θ второй поверхности 28, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости.
На фиг. 4 представлено поперечное сечение участка другого варианта устройства измерения температуры, который реализует настоящее изобретение, где опорная конструкция представляет собой плоскую пластину. Данный вариант осуществления изобретения может быть применен для технологической емкости с плоской стенкой, например, печи или технологического бака с плоской стороной. Данный вариант осуществления может также быть применен для трубы или круглого технологического бака с внутренним радиусом R настолько большим, что стенка технологической емкости приближается к плоской поверхности на расстоянии, которое покрывает опорная конструкция.
w
Вариант осуществления фиг. 4 идентичен вышеописанному согласно фиг. 1, 2 и 3, за исключением того, что опорная конструкция 24 в устройстве 12 датчиков температуры заменена опорной конструкцией 124, чтобы ее можно было разместить на стенке 118 технологической емкости. Стенка 118 технологической емкости представляет собой плоскую стенку, имеющую наружную поверхность 120 и внутреннюю поверхность 122, при этом стенка технологической емкости имеет толщину T'. Устройство 12 датчиков температуры прикреплено к стенке 118 технологической емкости на наружной поверхности 120 посредством опорной конструкции 124. Труба 16 датчиков соединяет электронный блок 14 (фиг. 1) с устройством 12 датчиков температуры на опорной конструкции 124.
В
w
В
Опорная конструкция 124 содержит первую поверхность 126 и вторую поверхность 128, отстоящую от первой поверхности 126 на толщину Т' опорной конструкции. Первая поверхность 126 выполнена с возможностью нахождения в физическом контакте с участком наружной поверхности 120 стенки 118 технологической емкости, образуя зону 130 контакта. Первый датчик 32 температуры проходит через опорную конструкцию 124 в зоне 130 контакта, так что первый датчик 32 температуры находится в физическом контакте с наружной поверхностью 120 стенки 118 технологической емкости. При таком расположении первый датчик 32 температуры измеряет температуру θ' наружной поверхности 120. Второй датчик 34 температуры находится в физическом контакте со второй поверхностью 128 опорной конструкции 124, чтобы измерять температуру θ' второй поверхности 128.
Р
w
В
Так же, как и случае варианта осуществления, описанного выше согласно фиг. 1, 2 и 3, процессор 50 получает параметры опорной конструкции и параметры стенки технологической емкости из памяти 56. За счет использования модели теплопередачи, такой как закон теплопроводности Фурье, процессор 50 выполнен с возможностью определения температуры θ' внутренней поверхности 122 стенки 118 технологической емкости на основе измеренной температуры θ' наружной поверхности 120, измеренной температуры θ' второй поверхности 128, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 4, для плоской поверхности может быть применена следующая модель теплопередачи:
B
В
w
w
Р
w
В
Параметры опорной конструкции включают значение теплопроводности K' опорной конструкции 124 и толщину Т' опорной конструкции. Параметры стенки технологической емкости включают значение теплопроводности K' стенки 118 технологической емкости и толщину T' стенки технологической емкости. Таким образом, процессор 50 может применить модель теплопередачи согласно уравнению [2] для определения температуры θ' внутренней поверхности 122 стенки 118 технологической емкости на основе измеренной температуры θ' наружной поверхности 120, измеренной температуры θ' второй поверхности 128, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости.
Варианты осуществления настоящего изобретения решают проблему неинтрузивного измерения температуры технологической текучей среды за стенкой емкости путем использования двух датчиков температуры, разделенных толщиной опорной конструкции, прикрепленной к стенке емкости, и процессора, выдающего значение температуры внутренней поверхности стенки емкости как функции измерений от двух датчиков температуры, параметров опорной конструкции и параметров стенки технологической емкости. Таким образом, общие действующие факторы, включая внешние условия, такие как солнечное освещение, ветер или дождь, могут быть по меньшей мере частично скомпенсированы и увеличена точность получаемых результатов измерения температуры.
Хотя изобретение было раскрыто со ссылками на примеры вариантов его осуществления, специалистам в данной области должно быть понятно, что в рамках идеи и объема изобретения в него могут быть внесены изменения и может быть произведена замена одних элементов на эквивалентные элементы. Кроме того, многие модификации могут быть сделаны, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к идеям изобретения, не выходя за рамки его объема. Поэтому предполагается, что изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми вариантами осуществления и что в него должны быть включены все варианты осуществления, которые попадают под действие пунктов прилагаемой формулы изобретения.