УЗЕЛ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ СОСУДА ПОД ДАВЛЕНИЕМ
ACOUSTIC CONVERTER UNIT FOR PRESSURE VESSEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к контролю сосудов под давлением. Более конкретно, настоящее изобретение относится к выявлению неисправностей при регулировании расхода, таких как протекающие клапана, зависшие клапана, жидкая или газовая фаза или несколько фаз, связанных с регулированием расхода в сосудах под давлением.
Конденсатоотводчики широко используются во многих отраслях промышленности для удаления конденсата из паропроводов. На типичном заводе могут быть задействованы тысячи таких устройств. Конденсатоотводчик представляет собой обычно относительно низкотехнологичное устройство, которое было разработано относительно недорогим. Часто конденсатоотводчики являются полностью механическими. Добавление какой-либо электрической проводки для подачи питания или обеспечение проводного соединения будет рассматриваться непомерно дорогим, непрактичным или трудоемким.
Конденсатоотводчик обычно разрабатывается с возможностью выпуска конденсата из паропровода для того, чтобы поддерживать его работоспособность и предотвращать "простукивание" трубы. Типичный конденсатоотводчик может иметь одну или более камер и подвижный элемент, который находится в физическом контакте с конденсатом. Так как уровень конденсата увеличивается выше некоторого порога, подвижный элемент внутри конденсатоотводчика приводит в действие или иных случаях входит в зацепление с одним или более клапанами с возможностью выпуска, по меньшей мере, некоторого количества конденсата. Поскольку конденсат выходит, уровень конденсата внутри паропровода уменьшается до такой степени, что клапан закрывается.
Неисправное функционирование конденсатоотводчиков может привести к утечке пара, который теряет свою энергию, или может дать сбой в правильном удалении конденсата. Во многих случаях заводские системы управления производственными процессами не могут обнаружить неисправность, и поэтому персоналу завода неизвестно об этом в течение продолжительных периодов времени.
Другие типы устройств регулирования расхода, связанных с сосудами под давлением, такие как регулирующие клапана, диафрагмы, форсунки и заслонки подвергаются неисправностям.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Узел преобразователя включает в себя элемент акустического датчика и акустический волновод. Акустический волновод включает в себя трубу, которая имеет первый конец трубы, акустически связанный с акустическим чувствительным элементом с помощью поворотного акустического соединителя. Акустический волновод дополнительно включает в себя второй конец трубы. Второй конец трубы имеет монтажную поверхность, которая монтируется на трубопроводе для текучей среды. Узел для схемы соединен с элементом акустического датчика и обеспечивает диагностический выход, который идентифицирует утечку пара на основании принятого акустического сигнала. Настоящее изобретение также включает в себя способ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует первый вариант осуществления узла преобразователя.
Фиг. 2 иллюстрирует второй вариант осуществления узла преобразователя, смонтированного рядом с конденсатоотводчиком.
Фиг. 3 иллюстрирует третий вариант осуществления узла преобразователя.
Фиг. 4 иллюстрирует четвертый вариант осуществления узла преобразователя.
Фиг. 5A иллюстрирует участки измерения температуры на узле преобразователя.
Фиг. 5B иллюстрирует график изменения температуры для участков измерения температуры, показанных на фиг. 5А.
Фиг.6 иллюстрирует поворот главного лепестка антенны узла преобразователя.
Фиг.7А и 7В иллюстрируют крутящий момент в зависимости от температуры для поворота главного лепестка антенны.
Фиг.8 иллюстрирует схемный узел в узле преобразователя.
Фиг.9 иллюстрирует последовательность операций способа диагностики.
Фиг.10 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления поворотного акустического соединителя.
Фиг.11A иллюстрирует график изменения температурной погрешности без использования методов коррекции погрешностей.
Фиг.11B иллюстрирует график изменения температурной погрешности с использованием методов коррекции статических погрешностей.
Фиг.11С иллюстрирует график изменения температурной погрешности с использованием метода коррекции динамических погрешностей.
Фиг.12 иллюстрирует узел преобразователя, установленный на приводном регулирующем клапане, который регулирует расход текучей среды.
Фиг.13 иллюстрирует узел преобразователя, установленный на устройство регулирования расхода, который включает в себя ограничение расхода.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В вариантах осуществления, описанных ниже, узел преобразователя обнаруживает неисправности при регулировании расхода, такие как утечка газов в сосудах под давлениям, таких как клапана, конденсатоотводчики, ограничители расхода, клапаны сброса давления и т.п. В узле преобразователя используется принцип измерения звуковых волн. В некоторых вариантах осуществления используется также измерение температуры. В одном примере, когда существует низкий уровень шума, или акустический шум не обнаруживается, и температура сосуда под давлением близка к температуре насыщения пара, конденсатоотводчик работает нормально. Когда акустический шум увеличивается выше порогового уровня, и температура близка к температуре насыщения пара, узел преобразователя обнаруживает и показывает, что клапан в сосуде под давлением протекает. Когда акустический шум является высоким, а температура низкой, узел преобразователя обнаруживает и указывает на то, что клапан в сосуде под давлением находится в пусковом режиме с утечкой воздуха. Когда отсутствует акустический шум, и температура является низкой, узел преобразователя обнаруживает и показывает, что клапан в сосуде под давлением засорен, заклинен или находится в нерабочем состоянии. Однако настоящее изобретение не ограничивается примерным методом диагностики.
Узел преобразователя включает в себя элемент акустического датчика и акустический волновод. Акустический волновод позволяет отделить по теплу диагностическую схему от сосуда с высокой температурой. Акустический волновод включает в себя поворотный акустический соединитель, такой, например, как пружина или вал, например, который присоединен к акустическому датчику и включает в себя трубу, которая присоединена к поворотному акустическому соединителю, и к лапке, которая имеет монтажную поверхность, которая монтируется на трубопроводе для текучей среды, подсоединенном к сосуду под давлением. В одном варианте осуществления датчик температуры измеряет температуру во внутренней полости термокармана на лапке и имеет выходной кабель, который проходит через трубу. Полость термокармана представляет собой защитную полость в термокармане. Термокарман представляет собой защитную трубу, выполненную с возможностью закрытия термочувствительного устройства в полости и защиты термочувствительного устройства от отрицательных воздействий окружающей среды. Согласно одному варианту осуществления схемная сборка в узле преобразователя принимает данные температуры и акустического шума от датчиков и обеспечивает беспроводный выход, который обеспечивает связь с удаленным монитором.
На фиг.1 показан в разобранном виде узел 50 преобразователя. Узел 50 преобразователя включает в себя элемент 1 акустического датчика. Согласно одному варианту осуществления элемент 1 акустического датчика включает в себя пьезоэлектрический датчик усилия. Согласно другому варианту осуществления элемент 1 акустического датчика включает в себя емкостной датчик усилия. Согласно еще одному варианту осуществления элемент 1 акустического датчика включает в себя магнитный датчик усилия.
Узел 50 преобразователя включает в себя акустический волновод 4. Акустический волновод включает в себя пружину 4А, которая присоединена с возможностью поворота к элементу 1 акустического датчика. Акустический волновод 4 включает в себя трубу 4В, которая имеет первый конец 7 трубы, присоединенный к пружине 4А.
Акустический волновод 4 включает в себя лапку 4С, которая обеспечивает область соединения, которая присоединена ко второму концу 9 трубы 4В. Лапка 4С включает в себя монтажную поверхность 11, которая устанавливается в контакте с трубопроводом для текучей среды (на фиг. 1 не показано).
Акустический волновод 4 обеспечивает связь акустического колебания от монтажной поверхности 11 лапки 4С с элементом 1 акустического датчика. Специалистам в данной области техники будет понятно, что трубу 4В и лапку 4С можно выполнить из одной трубы, и в этом случае отсутствует соединение между трубой 4В и лапкой 4С. Согласно одному варианту осуществления акустическое колебание измеряют в диапазоне 30 кГц-50 кГц.
Согласно одному варианту осуществления труба 4B имеет отрезок, расположенный между элементом 1 акустического датчика и лапкой 4C и имеющий расстояние, которое обеспечивает тепловую изоляцию. Высокая температура на лапке 4С, которая обычно фиксируется на одной линии на рабочем сосуде, уменьшается вдоль длины трубы 4В таким образом, чтобы элемент 1 акустического датчика имел более низкую температуру, которая близка к температуре окружающего воздуха. Труба 4В является полой, как показано, что уменьшает теплопроводность вдоль длины трубы 4В.
Согласно одному варианту осуществления, пружина 4А прилегает к элементу 1 акустического датчика с помощью изолирующего колпачка 13, который обеспечивает соединение с возможностью поворота между пружиной 4А и элементом 1 акустического датчика. Изолирующий колпачок 13 связывает акустическое (звуковое) колебание от пружины 4А с элементом 1 акустического датчика. Изолирующий колпачок 13 позиционирует пружину 4А в положение, где она оказывает усилие на элемент 1 акустического датчика.
Согласно одному варианту осуществления, изолирующий колпачок 13 выполнен из электроизоляционного материала и имеет такие размеры, чтобы обеспечить достаточное электрически безопасное расстояние и пути тока утечки между элементом 1 акустического датчика и электропроводящей пружиной 4А для обеспечения электроизоляции. Согласно другому варианту осуществления, пружина 4А находится под электрическим потенциалом трубы, и элемент 1 акустического датчика находится под потенциалом электронной схемы, и изолирующий колпачок 13 обеспечивает гальваническую развязку, чтобы гарантировать выполнение требований по искробезопасности для цепей узла 50 преобразователя.
Согласно одному варианту осуществления, узел 50 преобразователя включает с себя монтажный фланец 23 корпуса для электроники, который крепится к трубе 4В, и который включает в себя резьбовой участок 21 фланца, прилегающий к первому концу 7 трубы. В этом варианте осуществления монтажный фланец 23 корпуса для электроники используется для установки корпуса 2 для электроники, прилегающего к первому концу 7 трубы. Согласно другому варианту осуществления, узел 50 преобразователя включает в себя адаптер 22 опоры датчика. Адаптер 22 опоры датчика включает в себя печатную плату 26, которая вставляется в пазы адаптера 22 для крепления. В этом варианте осуществления элемент 1 акустического датчика монтируется на печатной плате для обеспечения механической опоры и электрического соединения. Адаптер 22 опоры датчика имеет резьбовое соединение с резьбой 21А, которое входит в зацепление с резьбой 21. При обеспечении резьбового соединения, пружина 4А оказывает увеличивающиеся усилия на элемент 1 акустического датчика и сжимает пружину 4А, устраняя свободный ход и мертвый ход в акустическом волноводе 4.
Электрические проводники 30 элемента 1 акустического датчика обеспечивают вывод акустической энергии, который является электрическим и который связан с электроникой. Вывод акустической энергии по электрическим проводникам 30 является полезным для диагностического тестирования конденсатоотводчиков и других технологических сосудов для текучих сред.
Согласно одному варианту осуществления, труба 4В включает в себя металлическую трубу, имеющую внешний диаметр менее чем 11 миллиметров. Согласно другому варианту осуществления, труба 4В включает в себя толщину стенки трубы менее чем 2,0 миллиметра.
Узел 50 преобразователя включает в себя корпус 20 для электроники и крышку 5 корпуса. Уплотнительное кольцо 6 обеспечивает уплотнение между корпусом 2 для электроники и крышкой 5.
Корпус 2 для электроники включает в себя внутренние поверхности 8, 10 в форме усеченного конуса, которые имеют вершину 12 конуса, которая является общей для обеих внутренних поверхностей 8, 10 в форме усеченного конуса. Внешняя поверхность 14 в форме усеченного конуса монтажного фланца 23 корпуса для электроники устанавливается рядом с внутренней поверхностью 10 в форме усеченного конуса. Узел 50 преобразователя включает в себя шайбу 16 в форме усеченного конуса, которая имеет внешнюю поверхность 18 в форме усеченного конуса, которая устанавливается рядом с внутренней поверхностью 8 в форме усеченного конуса. Пружинная шайба (которая также называется тарельчатой шайбой) 20 располагается на верхней части шайбы 16 в форме усеченного конуса. Резьба 21А адаптера 22 опоры датчика накручивается на резьбу 21 монтажного фланца 23 корпуса для электроники, содержащего пружинную шайбу 20. Размещение поверхностей 8, 10, 14, 18 в форме усеченного конуса, имеющих общую вершину 12, обеспечивает соединение между корпусом 2 и монтажным фланцем 23, которое поддерживает стабильное размещение даже в том случае, когда корпус 2 и труба 4В выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширения.
Узел 24 электроники обеспечивает беспроводную связь через крышку 5. Аккумулятор 27 обеспечивает питание узла 24 электроники. Узел 24 электроники включает в себя сохраненные пороги уровня акустических сигналов. Сохраненные пороги хранятся в энергонезависимой памяти и не регулируются по беспроводной связи. Уровни реального времени уровня акустического сигнала сравниваются с соответствующими сохраненными порогами для того, чтобы выполнить принятие диагностического решения в реальном времени. Узел 30 электроники также включает сохраненный идентификационный номер или имя, которое передается беспроводным способом для идентификации источника данных или диагностического решения.
Согласно одному варианту осуществления, корпус 2 поддерживает электрический разъем 32 для присоединения к внешнему датчику температуры (на фиг. 1 не показан). В этом варианте осуществления узел 24 электроники принимает решения, основанные как на уровне акустического сигнала, так и внешней температуре. Согласно другому варианту осуществления, узел электроники включает в себя цифровой дисплей 3, который видно через окно в крышке 5.
На фиг. 2 изображен узел 100 преобразователя, который прикреплен к пароконденсатной линии 150, по которой подается пароконденсатная смесь 151 в конденсатоотводчик 152. Один или более хомутов 154 обеспечивает крепление лапки 102 узла 100 преобразователя к пароконденсатной линии 150. Хомут или хомуты 154 могут представлять собой обжимные хомуты, щипцы-зажимы, зажимные скобы или другие известные типы зажимов. Как показано на фиг. 2, лапка 102 имеет вогнутую круглую поверхность, которая зажимается в контакте с выпуклой круглой внешней поверхностью пароконденсатной линией 150.
Отрезок 156 трубопровода между лапкой 102 и конденсатоотводчиком 152 выполнен коротким для того, чтобы температура лапки 102 отражала температуру пароконденсатной смеси 151. Конденсат 160 отделяется от пара и сливается из конденсатоотводчика 152. Датчик 103 температуры находится внутри лапки 102 в термокармане. Отрезок 156 трубопровода является достаточно коротким, поэтому акустический шум, создаваемый потоком текучей среды, проходящей через клапан 158 в конденсатоотводчике 152, легко соединяется с низким затуханием вдоль пароконденсатной линии 150, проходящей от клапана 158 до лапки 102. Лапка 102 узла 100 преобразователя находится в тепловой и акустической связи с конденсатоотводчиком 152 для измерения рабочих характеристик конденсатоотводчика 156 и диагностических испытаний конденсатоотводчика 156, таких как обнаружение утечек, забивание и пусковой режим.
Конденсатоотводчик 152 присоединен к пароконденсатной линии 150. Согласно одному варианту осуществления, пароконденсатная линия 150 осуществляет передачу пара от источника пара (не показанного на фиг. 2) к устройству/потребителю пара (не показанному на фиг. 2). Конденсат в пароконденсатной линии 150 отводится в конденсатоотводчик 152. Сохраняемый конденсат 164 накапливается внутри конденсатоотводчика 152 до тех пор, пока не накопится достаточного количества сохраняемого конденсата 164 для подъема поплавка 156 и открытия клапана 158. При открытии клапана 158 конденсат 164 протекает в сливную линию 168 (которая показана стрелкой 160) до тех пор, пока поплавок 166 не опустится и не закроет клапан 158 с некоторым количеством сохраняемого конденсата 164, который все еще присутствует в конденсатоотводчике 152. Размещение поплавка 166, клапана 158 и сохраняемого конденсата 164 удерживает пара в конденсатоотводчике 152, обеспечивая при этом слив избыточного количества конденсата. При правильном функционировании конденсатоотводчик 152 выполняет полезную функцию слива нежелательного избыточного количества конденсата в пароконденсатной линии 150, предотвращая при этом потери пара (и связанные с этим потери энергии), через конденсатоотводчик 152. Когда конденсатоотводчик 152 неисправен, могут возникать большие потери энергии, конденсатные пробки в пароконденсатной линии 150 или другие проблемы.
Лапка 102 узла 100 преобразователя присоединена к трубе 104 с помощью сварки 106. Труба 104 имеет отрезок 108 трубы. Труба 104 присоединена к монтажному фланцу 110 корпуса для электроники с помощью сварки 112. Согласно одному варианту осуществления труба 104 имеет, как показано, круглое поперечное сечение и форму цилиндра. Согласно другому аспекту труба 104 имеет, в общем, прямоугольное поперечное сечение. Крепежный фланец 110 корпуса для электроники поддерживает корпус 114 для электроники. Корпус 114 для электроники содержит в себе элемент 116 акустического датчика. Элемент 116 акустического датчика акустически связан с концом 118 трубы 104 с помощью пружины 120. Электронный блок 122 подсоединен с помощью проводов 124 к элементу 116 акустического датчика и датчика 103 температуры. Электронный блок 122 обеспечивает связь с использованием сигналов 126 беспроводной связи, например, со станцией 128 дистанционного контроля. Крышка 130 корпуса является прозрачной для сигналов 126 беспроводной связи. Согласно одному варианту осуществления, крышка 130 корпуса включает в себя термопластичную смолу. Аккумулятор 132 обеспечивает питание электронного блока 122.
Лапка 102, труба 104 и пружина 120 действуют как акустический волновод, который передает акустическое колебание или акустический сигнал от монтажной поверхности на пароконденсатной линии 150 (на лапке 102) к элементу 116 акустического датчика. Согласно одному варианту осуществления, акустические колебания, регистрируемые элементом 116 акустического датчика, находятся в диапазоне 30 кГц-50 кГц. Акустические колебания появляются в конденсатоотводчике 152, в частности, на клапане 158 из-за газа, протекающего через клапан 158. Поток газа, протекающий через клапан 158, может представлять собой пар в случае протекающего клапана и может представлять собой воздух или пар в пусковом режиме. Электронный блок 122 обрабатывает акустические данные и данные температуры, поступающие от датчиков 103, 116 для вычисления диагностической информации, относящейся к функционированию конденсатоотводчика 156. Согласно одному варианту осуществления лапка 102, хомут 154 и пароконденсатная линия 150 оборачивается тепловой изоляцией во время установки для уменьшения разности температуры между конденсатоотводчиком 152 и датчиком 103 температуры. Работа узла 100 преобразователя описана более подробно ниже посредством примера, иллюстрированного на фиг. 3.
На фиг. 3 изображен узел 200 преобразователя. Узел 200 преобразователя включает в себя элемент 202 акустического датчика. Согласно одному варианту осуществления, элемент 202 акустического датчика включает в себя пьезоэлектрический датчик усилия. Согласно другому варианту осуществления, элемент 202 акустического датчика включает в себя емкостной датчик усилия. Согласно еще одному варианту осуществления, элемент 202 акустического датчика включает в себя магнитный датчик усилия.
Узел 200 преобразователя включает в себя акустический волновод 204. Акустический волновод 204 включает в себя пружину 204А, которая подсоединена с возможностью поворота к элементу 202 акустического датчика. Акустический волновод 204 включает в себя трубу 204В, которая имеет первый конец 206 трубы, подсоединенный к пружине 204А.
Акустический волновод 204 включает в себя лапку 204С, которая обеспечивает область связи, которая связана со вторым концом 210 трубы 204В. Лапка 204С включает в себя монтажную поверхность 208, которая монтируется с возможностью контакта с трубопроводом 212 для текучей среды. Лапка 204С включает в себя внутренний термокарман 214, прилегающий к монтажной поверхности 208. Датчик 216 температуры расположен в термокармане 214 и измеряет температуру во внутреннем термокармане 214. Пространство в термокармане 214 может быть заполнено некоторым количеством теплопроводящего герметизирующего компаунда 215. Согласно одному варианту осуществления герметизирующий компаунд 215 включает в себя тонкий слой неорганического керамического цемента, выдерживающего высокие температуры, который поставляется компанией Сауерейсен Цементс Компани Питсбург, штат Пенсильвания, 15238, США (Sauereisen Cements Company of Pittsburgh, Pennsylvania 15238 USA). Теплопроводящий герметизирующий компаунд 215 обеспечивает хорошую тепловую связь между датчиком 216 температуры и трубопроводом 212 для текучей среды. Датчик 216 температуры подсоединен к выходному кабелю 218, который проходит через трубу 204В и первый конец 206 трубы. Согласно одному варианту осуществления, датчик 216 температуры включает в себя терморезистор. Согласно другому варианту осуществления, датчик 216 температуры включает в себя термопару.
Акустический волновод 204 передает акустическое колебание от монтажной поверхности 208 лапки 204С к элементу 202 акустического датчика. Специалистам в данной области техники будет понятно, что трубу 204В и лапку 204С можно выполнить в виде одной трубы, и в этом случае будет отсутствовать место соединения между трубой 204В и лапкой 204С. Согласно одному варианту осуществления, акустическое колебание обнаруживается в диапазоне 30 кГц-50 кГц.
Согласно одному варианту осуществления труба 204B имеет отрезок, расположенный между элементом 202 акустического датчика и лапкой 204C и имеющий расстояние, которое обеспечивает тепловую изоляцию. Высокая температура на лапке 204С, которая обычно прикрепляется к сливной линии конденсатоотводчика, уменьшается вдоль отрезка трубы 204В, поэтому элемент 202 акустического датчика имеет более низкую температуру, которая близка к температуре окружающего воздуха. Труба 204В является полой, как показано, что уменьшает теплопроводность вдоль отрезка трубы 204В.
Согласно одному варианту осуществления, пружина 204А прилегает к элементу 202 акустического датчика с помощью изолирующего колпачка 220, который обеспечивает соединение с возможностью поворота между пружиной 204А и элементом 202 акустического датчика. Изолирующий колпачок 220 обеспечивает передачу акустического колебания от пружины 204А к элементу 202 акустического датчика. Изолирующий колпачок 220 позиционирует пружину 204А в положение, где она оказывает усилие на элемент 202 акустического датчика. Согласно одному варианту осуществления, изолирующий колпачок 220 выполнен из электроизоляционного материала и имеет такие размеры, которые обеспечивают электрически безопасное расстояние и пути тока утечки между элементом 202 акустического датчика и электропроводящей пружиной 204 для обеспечения электроизоляции. Согласно другому варианту осуществления, пружина 204А находится под электрическим потенциалом трубы, и элемент 202 акустического датчика находится под потенциалом электронной схемы, и изолирующий колпачок 220 обеспечивает гальваническую развязку для того, чтобы гарантировать выполнение требований по искробезопасности для цепей узла 200 преобразователя.
Согласно одному варианту осуществления, узел 200 преобразователя включает с себя монтажный фланец 223 корпуса для электроники, который монтируется на трубе 204В и который включает в себя резьбовой участок 224 фланца, прилегающий к первому концу 206 трубы. В этом варианте осуществления монтажный фланец 233 корпуса для электроники используется для монтажа корпуса для электроники (не показанного на фиг. 3) рядом с первым концом 206 трубы.
Согласно другому варианту осуществления, узел 200 преобразователя включает в себя адаптер 222 опоры датчика. Адаптер 222 опоры датчика включает в себя печатную плату 226, которая вставляется в пазы 228 адаптера 222 для монтажа. В этом варианте осуществления элемент 202 акустического датчика монтируется на печатной плате для обеспечения механической опоры и электрического соединения. Адаптер 222 опоры датчика присоединяется с помощью резьбы 221, которая входит в зацепление с резьбовым участком 224 фланца.
Электрические провода 230 элемента 202 акустического датчика и выходной кабель 218 датчика 216 температуры обеспечивают передачу выходных сигналов, связанных с акустической энергией и температурой, и соединение с электронной схемой (непоказанной на фиг. 3). Выходные сигналы температуры и акустической энергии полезны для диагностического тестирования конденсатоотводчиков и других технологических сосудов для текучих сред. Адаптер 22 опоры датчика включает в себя резьбовой опорный конец 225 с резьбой 221, который входит в зацепление с резьбовым участком 224 фланца. При завинчивании пружина 204А оказывает возрастающее усилие на элемент 202 акустического датчика, пружина 204А сжимается, и в акустическом волноводе 204 устраняется свободный ход или мертвый ход.
Согласно одному варианту осуществления, труба 204В включает в себя металлическую трубу, имеющую внешний диаметр менее чем 11 миллиметров. Согласно другому варианту осуществления труба 204В включает в себя толщину стенки трубы менее чем 2,0 миллиметра. Ниже приведено более подробное описание операций сборки и работа узла 200 преобразователя в связи с примером, иллюстрированным на фиг. 4.
На фиг. 4 показан покомпонентный вид узла 300 преобразователя. Узел 300 преобразователя включает в себя волновод, который включает в себя волновод, который включает в себя пружину 204, трубу 204В и лапку 204С, как показано на фиг. 3. Узел 300 преобразователя включает в себя элемент 202 акустического датчика, адаптер 222 опоры датчика и монтажный фланец 223 корпуса для электроники, как показано на фиг. 3. Можно сделать ссылку на фиг. 3 и описание фиг. 3 для описания сборки и функционирования компонентов, которые являются общими на фиг. 3 и фиг. 4. Узел 300 преобразователя включает в себя корпус 32 для электроники и крышку 304 корпуса. Уплотнительное кольцо 306 обеспечивает уплотнение между корпусом 302 для электроники и крышкой 304.
Корпус 302 для электроники включает в себя внутренние поверхности 308, 310 в форме усеченного конуса, которые имеют вершину 312 конуса, которая является общей для обеих внутренних поверхностей 308, 310 в форме усеченного конуса. Внешняя поверхность 314 в форме усеченного конуса монтажного фланца 223 корпуса для электроники монтируется с возможностью прилегания к внутренней поверхности 310 в форме усеченного конуса. Узел 300 преобразователя включает в себя шайбу 316 в форме усеченного конуса, которая имеет внешнюю поверхность 318 в форме усеченного конуса, которая устанавливается рядом с внутренней поверхностью 308 в форме усеченного конуса. Пружинная шайба (которая также называется тарельчатой шайбой) 320 располагается на верхней части шайбы 16 в форме усеченного конуса. Адаптер 222 опоры датчика навинчивается на резьбу 322 монтажного фланца 223 корпуса для электроники, сжимая при этом пружинную шайбу 320. Размещение поверхностей 308, 310, 314, 318 в форме усеченного конуса, имеющих общую вершину 312, обеспечивает соединение между корпусом 302 и фланцем 223, которое поддерживает стабильное размещение даже в том случае, когда корпус 302 и труба 204В выполнены из материалов с различными температурными коэффициентами расширения.
Узел 324 для электроники обеспечивает беспроводную связь через крышку 304. В остальном узел 300 преобразователя аналогичен узлу 100 преобразователя, показанному на фиг. 2. Аккумулятор 326 обеспечивает питание электронного блока 324. Электронный блок 324 включает в себя сохраненные пороговые значения температуры и уровня акустического сигнала. Сохраненные пороговые значения хранятся в энергонезависимой памяти и регулируются с помощью беспроводной связи. Уровни в реальном времени температуры и уровня акустического сигнала сравниваются с соответствующими сохраненными пороговыми значениями для того, чтобы выполнить процедуру принятия диагностического решения относительно данных температуры и уровня в реальном времени, принять решение или передать эти данные с помощью беспроводной связи. Электронный блок 324 также включает в себя сохраненный идентификационный номер или имя, которое передается беспроводным способом для идентификации источника данных или диагностического решения. Электронный блок 324 включает в себя цифровой дисплей 303, который видно через окошко в крышке 304.
На фиг. 5А изображены участки измерения температуры на узле 400 преобразователя. Узел 400 преобразователя включает в себя лапку 408, прикрепленную к трубе 402 для слива конденсата с помощью хомутов 404, 406. Во время нормальной работы труба 402 для слива конденсата несет в себе нагретый конденсат. Тепло от трубы 402 для слива конденсата передается через узел 400 преобразователя в окружающую среду, которая имеет более низкую температуру. Таким образом, в узле 400 преобразователя имеется градиент температур. Градиент температур выгоден тем, что он обеспечивает более низкую рабочую температуру для электронного блока (такого как блок 122 на фиг. 2). Градиент температур становится проблематичным в том, что он становится трудным для нахождения местоположения на узле 400 преобразователя, где можно установить датчик температуры для получения показания температуры, из которого можно сделать точный вывод относительно температуры трубы для слива конденсата.
В целях измерения значения температуры во время испытания конструкции, термопары сжимаются под хомутом 404 на участках, показанных надписью "НОСОК" рядом с концом носка лапки 408. Термопары сжимаются под хомутом 406 на участках, показанных надписью "ПЯТКА" на конце пятки лапки 408.
Показания термопар, расположенных под хомутом 404, усредняются для получения зарегистрированного показания температуры "НОСКА", как показано на фиг. 5В. Показания термопар, расположенных под пяточным хомутом 46, усредняются для получения зарегистрированного показания температуры "ПЯТКИ", как показано на фиг. 5В.
Две термопары прикреплены к трубе 402 для слива конденсата в местоположениях, показанных с помощью надписи "ТРУБА". Показания термопар в местоположениях трубы усредняются для получения показания температуры "ТРУБЫ", как показано на фиг. 5В. "ДАТЧИК", который представляет собой часть узла 400 преобразователя, обеспечивает показание температуры "ДАТЧИКА", показанное на фиг. 5В.
На фиг. 5В показан график изменения температуры для участков измерения температуры фиг. 5А во время испытания конструкции. Как показано на фиг. 5В, труба для слива конденсата нагревается, начиная с нулевого отчета времени. После приблизительно 100 минут от начала отсчета времени регистрируемые температуры стабилизируются. После приблизительно 115 минут с начала отсчета времени, лапка 408 и прилегающий участок трубы 402 для слива конденсата оборачиваются термоизоляцией. После приблизительно 200 минут с начала отсчета времени регистрируемые температуры снова стабилизируются. На фиг. 5В можно увидеть, что температура, зарегистрированная на участке "НОСОК" находится ближе всего к температуре "ТРУБЫ". Основываясь на этих результатах, датчик температуры, такой как датчик 216 температуры на фиг. 3, который используется в узле 400 преобразователя, размещается преимущественно рядом с концом "НОСКА" лапки 408 для того, чтобы обеспечить повышенную точность показания температуры. Основываясь на этих результатах испытания, лапку 408 и прилегающую трубу 402 для слива конденсата можно обернуть термоизоляцией для уменьшения разности температур между показаниями "ТРУБА" и "ДАТЧИК" и повышения точности измерения температуры, как показано на фиг. 5В.
Согласно одному варианту осуществления, температурные погрешности, которые остаются в показании датчика, корректируются электронным способом, как описано более подробно ниже в связи с фиг. 9.
На фиг. 6 показан поворот главного лепестка 502 антенны узла 504 преобразователя. Узел 504 преобразователя включает в себя корпус 506 для электроники (аналогичный корпусу 302 для электроники на фиг. 4) и электронный блок 508 (аналогичный электронному блоку 324 на фиг. 4). Электронный блок 508 устанавливается на корпусе 508 для электроники с помощью крепежных винтов 510, 512. Корпус 506 для электроники (и прикрепленный к нему блок 508) имеет возможность поворота, как показано стрелкой 514. Направленная антенна 516 на электронном блоке 508 вырабатывает главный лепесток 502 антенны. Эта направленная антенна 516 может также получать менее выступающие лепестки антенны. Поворот корпуса 506 для электроники поворачивает главный лепесток 502 антенны, позволяя оператору нацелить главный лепесток 502 антенны в направлении антенны 520 в станции 522 дистанционного контроля.
Как показано выше на фиг. 4, корпус 302 для электроники имеет возможность поворота на несущих поверхностях 314, 318, имеющих форму усеченного конуса. Пружинная шайба 320 оказывает сжимающие усилия на несущие поверхности 314, 318 имеющие форму конуса. Согласно одному варианту осуществления, электронное устройство 303 отображения данных устанавливается в электронном блоке 324. Поворотные несущие поверхности 314, 318, имеющие форму конуса имеют возможность поворота с целью ориентации электронного устройства электронного устройства 303 отображения данных в предпочтительном направлении для удобного считывания обслуживающим персоналом в полевых условиях. Возможность поворота устройства 303 отображения позволяет преодолеть проблему, связанную с тем, что электронное устройство отображения данных в фиксированном положении может быть установлено так, что электронное устройство отображения данных будет находиться в неудобной для считывания ориентации.
Обычно труба 204В (фиг. 3-4) устанавливается в горизонтальной ориентации во избежание конвекционного нагрева электроники от конденсатоотводчика. Электронное устройство 303 отображения данных, установленное на монтажной плате, можно сориентировать для правильного считывания путем поворота корпуса 302 для электроники. Согласно одному аспекту, электронное устройство 303 отображения данных сориентировано на электронном блоке 324 по отношению к антенне на электронном блоке 324 таким образом, чтобы антенна была предпочтительно сориентирована для передачи и приема в случае, когда электронное устройство 303 отображения данных правильно сориентировано для считывания. Типично устройство 303 отображения сориентировано для считывания в горизонтальном направлении слева направо для считывания служебным персоналом английских букв и чисел.
.
На фиг. 7А и 7В показан крутящий момент, который требуется для поворота в зависимости от температуры с целью поворота главного лепестка 502 антенны. Крутящим моментом управляют с помощью сжимающего усилия пружинной шайбы 320, которая обеспечивает крутящий момент в диапазоне от 1,1-3,04 кгсм (8-22 футо-фунтов). Согласно одному аспекту, регулируемое, управляемое сжимающее усилие, создаваемое пружинной шайбой 320 совместно с использованием несущих поверхностей 308, 310, 314, 316 в форме усеченного конуса в качестве поворотных поверхностей скольжения, обеспечивает желательный управляемый крутящий момент, который также является регулируемым. Диапазон крутящих моментов (в обоих направлениях - по часовой стрелке и против часовой стрелки) является достаточно высоким для того, чтобы колебание не изменяло направление главного лепестка 502 антенны. Диапазон крутящих моментов является достаточно низким (в обоих направлениях - по часовой стрелке и против часовой стрелки), чтобы главный лепесток 502 антенны можно было легко поворачивать рукой. Диапазон крутящих моментов является достаточно стабильным во всем диапазоне температур от - 40 градусов Цельсия до +80 градусов Цельсия. Следствие использования несущих поверхностей 308, 310 в форме усеченного конуса и пружинной шайбы 320.
На фиг. 8 изображен схемный блок 700, который используется в узле преобразователя, таком как узел 300 преобразователя (фиг. 4) или узел 50 преобразователя (фиг. 1). Схемный блок 700 соединен с датчиком 702 температуры, который предоставляет данные температуры, и с элементом 704 акустического датчика, который предоставляет данные о температуре. Согласно одному варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 1, датчик 704 температуры является внешним. Согласно другому варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 3, датчик 704 температуры является частью узла преобразователя. Схемный блок 700 соединен с аккумулятором 706, который обеспечивает питание схемного блока 700.
Схемный блок 700 включает в себя антенну 708 для поддержания связи с антенной 710, которая соединена со станцией 712 контроля. Согласно одному аспекту, антенна 708 содержит направленную антенну. Согласно другому аспекту, антенна 708 содержит рисунок печатных проводников на печатной плате.
Схемный блок содержит схему 720 процессора. Согласно другому аспекту, схема 720 процессора принимает решения, которые описаны более подробно ниже в связи с последовательностью логических операций, показанных на фиг. 9. Схема процессора обеспечивает подачу выходных сигналов, соответствующих принятым решениям, в схему 720 связи. Схема 720 связи кодирует данные принятого решения и сохраненные идентификационные данные в соответствии со стандартным протоколом связи и передает данные принятого решения и идентификационные данные с использованием антенны 708.
Установки порогов для принятия решений и идентификационные номера для схемного блока 700 сохраняются в схеме 724 энергонезависимой памяти. Согласно одному аспекту, схема 724 энергонезависимой памяти содержит память EEPROM. В части операции ввода в эксплуатацию или запуска, станция 720 контроля передает установку порога в схемный блок 700 для сохранения в схеме 724 энергонезависимой памяти.
На фиг. 9 изображена последовательность диагностических операций, которая иллюстрирует пример решений, которые может принимать схема 720 процессора (фиг. 8). Обработка начинается на этапе 802 "НАЧАЛО" и переходит по линии 804 на этап 801 действия. На этапе 801 действия выполняют алгоритм дополнительной коррекции температурной погрешности. После завершения алгоритма дополнительной коррекции температурной погрешности, алгоритм переходит по линии 803 на этап 806 принятия решения.
Согласно одному варианту осуществления, алгоритм коррекции температурной погрешности на этапе 801 действия выполняет процедуру коррекции статических погрешностей:
PC
W
W
C
T=T+(K x (T-T)),
где:
PC
T- скорректированная температура трубы;
W
T - температура датчика;
C
T - температура схемной платы; и
K - статический поправочный коэффициент, который определяется в ходе испытаний.
Согласно одному варианту осуществления алгоритм коррекции температурных погрешностей на этапе 801 действия выполняет процедуру коррекции динамических ошибок:
PC
W
W
C
W
C
T=T+(K x (T-T))+M x d(T-T)/dt,
где:
PC
T - скорректированная температура трубы;
W
T - температура датчика;
C
T - температура схемной платы;
K - статический поправочный коэффициент, который определяется в ходе испытаний;
М - динамический поправочный коэффициент, который определяется в ходе испытаний; и
d/dt - операция математического дифференцирования.
На этапе 806 принятия решения данные температуры сравниваются с сохраненным порогом температуры. Если температура выше, чем сохраненный порог температуры, то обработка переходит по линии 808 на этап 810 принятия решения. Если температура ниже, чем сохраненный порог температуры, то обработка продолжается по линии 820 на этапе 814 принятия решения.
На этапе 814 принятия решения, если акустический шум выше, чем сохраненный порог акустического шума, то обработка продолжается по линии 816 на этапе 818 действия. На этапе 818 действия записывают решение относительно того, что контролируемое устройство находится в состоянии запуска или утечки воздуха. Если акустический шум ниже, чем сохраненный порог акустического шума, то обработка продолжается по линии 820 на этапе 820 действия. На этапе 820 действия записывают решение относительно того, что контролируемое устройство заклинено или не работает.
На этапе 810 принятия решения, если акустический шум выше, чем сохраненный порог акустического шума, то обработка продолжается по линии 830 на этапе 832 действия. На этапе 832 действия, записывают решение относительно того, что контролируемое устройство пропускает пар. Если акустический шум ниже, чем сохраненный порог акустического шум, то обработка продолжается по линии 834 на этапе 836 действия. На этапе 836 действия записывают решение относительно того, что контролируемое устройство находится в нормальном рабочем состоянии.
На этапе 840 действия передают самое последнее решение с одного из этапов 818, 822, 832 или 836 действий в схему связи для беспроводной передачи вместе с идентификационным номером. После передачи обработка продолжается по линии 842 на этапе 844 действия. На этапе 844 действия, решения, принятые на этапах 832, 836, 818, 822 сбрасываются, и обработка возвращается на начальный этап 802.
На фиг. 10 изображен альтернативный вариант осуществления поворотного акустического соединителя 900. Поворотный акустический соединитель 900 содержит центральный вал 902 и втулку 904. Центральный вал 902 имеет первый конец 906 вала, который акустически связан с элементом 908 акустического датчика. Центральный вал 902 имеет второй конец 910 вала, который связан с втулкой 904. Отрезок центрального вала между первым концом 906 вала и втулкой 904, является достаточно длинным, что позволяет изгибать центральный вал 902 для того, чтобы учитывать маленькие отклонения между центральным валом 902 и втулкой 904. Втулка 904 имеет конусное отверстие 912 для того, чтобы учитывать маленькие отклонения.
Согласно одному варианту осуществления, втулка 904 размещается и удерживается в трубе 914 с помощью стопорных колец 916, 918. Согласно другому варианту осуществления, конусное отверстие 912 втулки 904 сужается для посадки с натягом с центральным валом 902. Втулка 904 находится в контакте с центральным валом 902 для обеспечения акустической связи между трубой 904 и центральным валом 902. Согласно одному аспекту, втулка 904 выполнена из эластичного материала для обеспечения контакта. Согласно другому аспекту втулка 904 выполнена из термостабилизированного полиамида типа 6, поставляемого компанией Профешенэл Пластикс Инк, Фуллертон, СА, США 92831 (Professional Plastics Inc., Fullerton, CA, USA 92831). Зажимное соединение между центральным валом 902 и втулкой 904 имеет возможность поворота.
Согласно одному аспекту, втулка 904 включает в себя одно или более радиальных отверстий 920, через которые можно привинтить электрические провода 922 датчика температуры.
На фиг. 11А изображен график изменения примерной температурной погрешности без использования процедур коррекции погрешностей. Как показано на графике на фиг. 11А, нескомпенсированные статистические температурные погрешности составляют приблизительно 12 градусов Цельсия без использования изоляции и приблизительно 7 градусов Цельсия с использованием изоляции. Нескомпенсированные динамические температурные погрешности находятся в диапазоне вплоть до приблизительно 14 градусов Цельсия без использования изоляции и 7 градусов Цельсия с использованием изоляции.
На фиг. 11В изображен график изменения примерной температурной погрешности с использованием процедуры коррекции статических погрешностей. Как показано на графике на фиг. 11В, статически компенсированные статические температурные погрешности составляют приблизительно 3 градуса Цельсия без использования изоляции и приблизительно -2 градуса Цельсия с использованием изоляции. Статически компенсированные динамические температурные погрешности находятся в диапазоне приблизительно 13 градусов Цельсия без использования изоляции и -2 градуса Цельсия с использованием изоляции.
На фиг. 11С изображен график изменения температурной погрешности с использованием процедуры коррекции динамических ошибок. Как показано на графике на фиг. 11С, динамически компенсированные статические температурные погрешности составляют приблизительно 2 градуса Цельсия без использования изоляции и приблизительно -2 градуса Цельсия с использованием изоляции. Динамически компенсированные динамические погрешности находятся в диапазоне приблизительно -2 градусов Цельсия без использования изоляции и -2,5 градуса Цельсия с использованием изоляции.
Данные на фиг. 11А, В, С иллюстрируют то, что статическая и динамическая компенсация позволяет значительно уменьшить погрешность измерения температуры. Согласно одному аспекту, компенсация температуры регулируется с помощью обслуживающего персонала в месте установки для адаптации к использованию или отсутствию использования изоляции при установке.
На фиг. 12 изображен узел 950 преобразователя, соединенный с выходом приводного регулирующего клапана 960. Регулирующий клапан 960 включает в себя седло 961 клапана и пробку 962 клапана с возможностью перемещения относительно седла 961 клапана. Согласно одному варианту осуществления, когда регулирующий клапан 960 в номинально закрытом состоянии, но существует утечка после уплотнения между седлом 961 клапана и пробкой 962 клапана, вырабатывается акустический шум за счет утечки, которая обнаруживается и диагностируется с помощью узла 950 преобразователя. Согласно другому варианту осуществления, когда регулирующий клапан 960 работает нормально с потоком жидкости, но клапан на самом деле заполнен воздухом, и воздух проходит через клапан 960, вырабатывается акустический шум с помощью воздушного потока, который обнаруживается и диагностируется с помощью узла 905 преобразователя.
На фиг. 13 изображен узел 970 преобразователя, установленный в устройстве 980 для регулирования расхода, который включает в себя ограничитель 981 потока. Согласно одному аспекту, сторона высокого давления системы технологического охлаждения подает жидкий хладагент 984 в ограничитель 981 потока, который содержит капиллярную трубку, которая показана на чертеже. Так как жидкий хладагент 984 течет вдоль ограничителя 981 потока в направлении стороны 986 низкого давления системы технологического охлаждения, давление жидкого хладагента 984 падает, и хладагент превращается в газ, когда он выходит из ограничителя 981 потока на стороне 986 низкого давления, обеспечивая при этом охлаждение. В том случае, когда система технологического охлаждения пропускает хладагент, и вместо жидкости через ограничитель 981 потока протекает газ, вырабатывается акустический шум. Согласно одному аспекту, узел 970 преобразователя измеряет ассоциированный акустический шум и диагностирует потери хладагента. Согласно другому аспекту в случае, когда ограничитель 981 потока засорен, нормальный шум, связанный с потоком жидкости пропадает, и узел 970 преобразователя диагностирует засорение ограничителя 981 потока.
Различные аспекты, показанные на фиг. 1-13, можно объединить соответствующим образом. Согласно одному варианту осуществления, акустический датчик 202 включает в себя пьезоэлектрический элемент, который включает в себя пьезоэлектрический кристаллический диск, который устанавливается в металлическом корпусе с поверхностью, чувствительной к усилию, пьезоэлектрического кристаллического диска, обращенного к пружине 204А, как показано. Пьезоэлектрический кристаллический диск действует как диафрагма и принимает звук от пружины 204А, окружающего воздуха или обоих. Сжатие пружины 204А поддерживает контакт между пружиной 204А и пьезоэлектрическим кристаллическим диском. Акустический датчик 202 и пружина 204А обеспечивает фильтрацию акустического сигнала. Согласно одному варианту осуществления схема в электронном блоке 324 настраивается на диапазон резонансных частот фильтрации, обеспечиваемый пружиной 204А и акустическим датчиком 202. Хотя на фиг. 2-4 изображена спиральная пружина, специалистам в данной области техники будет понятно, что другие формы, такие как вал, показанный на фиг. 10 можно использовать для того, чтобы проводить акустические сигналы и поддерживать контакт с элементом акустического датчика.
Понятно, что хотя многочисленные аспекты различных вариантов осуществления настоящего изобретения были изложены в вышеприведенном описании, настоящее раскрытие является только иллюстративным, и можно выполнить изменение по форме и в деталях без отклонения от объема и сущности настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается специфическими узлами преобразователя, показанными здесь, и оно применимо к другим узлам преобразователя, а также к другим сосудам под давлением.