專利名稱：流體管路狀態(tài)傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種流體管路狀態(tài)傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用來測定在管道或容器中是否有流體在流動及有無流體。
在典型的發(fā)電廠中，有許多流體管線用于輸送經過熱交換器去往和來自渦輪機的流體(如熱蒸氣)。在很多情況下，通過這些管線的流體與管道所處環(huán)境的溫度相比具有很高的溫度。
流體管道系統(tǒng)，如典型的發(fā)電廠使用的管道系統(tǒng)可能包含有流動狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)。通常，發(fā)電廠的監(jiān)測和在線診斷系統(tǒng)需要對各種管線例如排放管線和作業(yè)流體管線內的流動狀態(tài)進行檢驗。由于在整個流動路徑的內部或是外部，這些管線可以用閥門截止，所以，在這些管線內的流動可能是間歇的。
用獨立的信號確認與流動控制裝置(如隔離閥或放池閥)相關的接觸閉合是否已經產生予期的流動狀態(tài)是很有用的。一般地說，人們關心的是要確認是否存在大量的流動(如，相對大量的流體流經管道)，不存在流動或存在明顯的泄漏(如，相對的少量的流體從泄漏的閥門流出)。
診斷系統(tǒng)可能在流體管道系統(tǒng)的多個位置設置傳感元件，這種診斷系統(tǒng)可能特別昂貴。在此系統(tǒng)的傳感元件的整個安裝費用可能占整個系統(tǒng)成本的很大一部分。因此，在每個傳感部位使用便宜的傳感元件是很有意義的，這種便宜的傳感元件中可以包括熱電偶。
一些傳統(tǒng)的系統(tǒng)使用幾個不同類型的熱電偶連接設備裝置(以下稱為熱電偶組)。每個裝置具有一個在管道表面跨越一個閥門或在工作時產生顯著溫差的間距上軸向安放的熱電偶的配置。但是，這種熱電偶的軸向排列具有很多缺點。例如，得需要幾條長導線將軸向排列的熱電偶與用于測量的電子設備連接起來。另外，在這種傳統(tǒng)的系統(tǒng)中確定用于放置熱電偶組的位置所需的工程費用相對地是很高的，此外，用于處理由若干不同種類的裝置產生的信號所需的工程費用也是相對地高的，更甚的是，利用軸向排列的位于兩個軸向位置(如隔離閥的每一端)的熱電偶產生的差分信號并不能測定在流體管道中別的部位(如排泄管口)出現(xiàn)的流動阻塞。
因此，本發(fā)明的主要任務就是提供一種改進的，相對地費用較低和易于與流體管線連接安裝的用于確定管道或容器內的流動狀態(tài)的流體管線狀態(tài)傳感系統(tǒng)。
以上目的和其它的目的通過本發(fā)明的實施例得到實現(xiàn)。即采用一種相對費用較低的傳感器件的組件，包括一個棒狀的熱傳導器件，其方位相對流體管道是徑向的，并且在每個熱傳導器件上裝有二個或二個以上的熱電偶。熱傳導器件的第一端與管道的外緣接觸或者熱導通，而另一端離開管道。由于管道和熱傳導器第一端熱傳導的結果，及熱傳導器件靠近管道一端的溫度受管道內的溫度影響遠大于遠離管管的另一端，因此，沿著熱傳導器件形成一定的溫度梯度。例如靠近第一端附近的溫度相對較高，靠近第二端附近的溫度相對較低。熱電偶被沿著熱傳導器件的長度方向裝置，其中一個熱電偶比另一個更靠近管道。
從熱電偶得到的隨溫度變化的信號被送至適當計算電子儀器中去。計算電子儀器根據熱電偶輸出信號確定二個熱電偶之間的溫度差。然后，將該溫度差與已知的或予定值相比較確定出管內的流動狀態(tài)。
以下，通過以下根據附圖，對本發(fā)明的最佳實施例以舉例的方式進行描述，本發(fā)明將變得更為清楚，其中

圖1是一部分流體管道及根據本發(fā)明的一個實施例的流動狀態(tài)傳感器的透視圖。
圖2是利用了本發(fā)明的一個實施例的流體管道系統(tǒng)的一部分的示意圖。
圖3仍然是一個利用了本發(fā)明的一個實施例的流體管道系統(tǒng)的一部分的示意圖。
在以下的描述中，本發(fā)明的實施例將與載有比流體管道所處之周圍環(huán)境溫度高的流體的流體管道系統(tǒng)結合進行討論。所述的實施例特別適用于發(fā)電廠的管道系統(tǒng)，如在火力或核力發(fā)電廠的載有蒸氣或水的管道。但是，應該明確本發(fā)明的實施例也可以應用于除發(fā)電廠以外的其它管道或容器。
圖1顯示了與流體管道一部分12連接的一個傳感器總成10。管道12由圓筒形的熱傳導材料構成，最好是金屬如鉛、鐵、銅或不銹鋼或其它合適的熱傳導材料，內部中空的部分14用于載送流體。在管道12周圍可以有一層絕熱材料16。
管道12可以是例如發(fā)電廠中的使用的流體管道系統(tǒng)的一部分。管道12載送的流體可以是通過或在各發(fā)電廠系統(tǒng)之間流動的流體，這些流體包括送往或來自渦輪機轉子的流體。
傳感器總成10包括一個與管道12熱導通的熱傳導器件18。在圖1所示的實施例中，熱傳導器件18是棒狀的并具有一個第一端20和一個第二端22。它由熱傳導材料如金屬構成。
如圖1所示，熱傳導器件18從管道12徑向延伸并穿過絕熱材料16。棒端20比端22更靠近管道，并最好與管道12的外表面緊密接觸。
熱傳導器件18通過夾箍24被連接到管道12。如下所述，使用夾箍24可以使熱傳導器件18被固定到管道12上而不需鉆孔或焊接。但是，應當看到，其它將熱傳導器件固定到管道12上的措施和方法(包括鉆孔和焊接)并不脫離本發(fā)明。
夾箍24與汽車管夾相似。包括繞住管道12的外圍的箍帶26。螺紋緊固件28與箍帶26連接，通過它可以增加和減小箍帶的直徑。此外，螺紋緊固件可以被擰開到一個位置使箍帶26能被打開并裝配到管道12上。當箍帶26被裝到管道12后，將緊固件合上或擰緊以減小箍帶26的直徑，這樣，箍帶26就能夠與管道12夾住并固定。
熱傳導器件18可以用任何合適的方法與箍帶26固定，如銅焊或熔焊。在一個實施例中;熱傳導器件18的端20穿過箍帶26上的孔后與管道12的外表面緊靠在一起。在另一實施例中，熱傳導器件18的端20固定在箍帶26外表面上。在這一實施例中，箍帶26必須用導熱材料制成，以便把熱量從管道12傳到熱傳導器件的端20。
如上所述，熱傳導器件18可以是圓棒形狀并相對于管道12徑向延伸。在熱傳導器件18上裝有第一個和第二個熱電偶結30和32(以下稱為熱電偶組)。第一熱電偶30比第二熱電偶32更靠近熱傳導器件18的端20?；蛘哒f，第二熱電偶32比第一熱電偶更靠近熱電偶器件端22。如下所述，這種布置方式的目的是使第一熱電偶30處于一個比第二熱電偶32受溫度影響更大的位置。關于這一點，應當理解的是，能取得這種予期效果的其它的熱電偶的布置方式也是可行的。
熱電偶30和32都有第一引線和第二引線。第一導線34將第一熱電偶30的第一引線與信號處理單元36連接起來。第二導線將第二熱電偶32的第一引線與信號處理單元36連接起來。第一熱電偶30的第二引線與第二熱電偶32的第二引線連接，以便將第一和第二熱電偶30和32差分地連接起來。但是，可以看到，其它將熱電偶30和32及信號處理單元36適當地連接起來的方式也是可以使用的。
如圖1所示的導線34和38是一般的金屬導線。由于熱電偶30和32是差分連接的，如圖1所示，所以導線34和38可以使用費用較低的雙股銅電纜。但是，應該認識到，將來自熱電偶30和32的信號載送到處理單元26的其它連通手段，或信號傳送裝置(如無線傳送裝置)也是可以使用的。
在熱電偶30和32及熱傳導器件18外面可以加一個外罩39，如一個帶孔的中空的圓柱形套筒從箍帶36開始罩住熱傳導器件18。圖1所示的外罩39是被分解示意的，以便能清楚地顯露熱傳導器件18及熱電偶30和32的結構。其它合適的外罩也可用來代替穿孔的中空的圓柱形結構的外罩。最好外罩39能使環(huán)境溫度與熱傳導器件18溝通，但是要盡量減小周圍空氣流對熱傳導器件18上的溫度分布的影響。另外，外罩39也能起到防止由于其它物體直接接觸而造成損壞的保護作用。同時也能阻擋臟物和灰塵在熱電偶30和32及熱傳導器件18上面或周圍聚集。
信號處理單元36包括用公知的方法評測從熱電偶30和32發(fā)出并經導線34和38傳送的溫差信號而設計的電子設備，其詳細特點下面將予說明。
在工作狀態(tài)下，流經管道12的中空部分14的流體可能是間歇的，其溫度比管道12及傳感器總成10附近的溫度要高。
當流體流經管道12時，流體的熱量透過管壁傳到熱傳導器件18的端20，并沿著熱傳導器件18傳導到其另一端22。由于端20比端22更靠近熱源(流體及管道12)，通過熱傳導器件18傳導的熱量就會在熱傳導器件18沿長度方向形成一定的溫度梯度(相對于管道12是徑向的)。也就是說，在端20將出現(xiàn)相對較高的溫度，在端22將出現(xiàn)相對較低的溫度。在端20與22之間的熱傳導器件18上沿著端20到22的方向溫度越來越低。
由于上述的對第一和第二熱電偶30和32的布置，第一熱電偶30比第二熱電偶32處于溫度梯度較高的區(qū)域。結果，第一個熱電偶30將比第二個熱電偶32更大程度地被熱源(流體及管道12)加熱。
因此，當流體流經管道12時;在第一與第二熱電偶30和32之間將產生溫度差，當大量的熱(與周圍環(huán)境溫度相比)的流體流經管道12時(如管道12上游的閥門廣開)，相對大量的熱量將透過管壁產生，并且在相對外短的時間內，在第一與第二熱電偶30和32之間將出現(xiàn)相對大的穩(wěn)定的溫差。然而，當小量的流體流經管道口時(如管道上游的閥門關閉但有泄漏)，相對小量的熱量將透過管壁口進行熱傳導，在相對長的時間內在第一和第二熱電偶30和32之間，將出現(xiàn)一個相當小的穩(wěn)定的溫差，當沒有流體經管道12時(例如，上游閥門關閉且無泄漏或上游管道出現(xiàn)阻塞)，在第一及第二熱電偶30和32之間將出現(xiàn)一個非常小的穩(wěn)態(tài)溫差。
導線34和38傳輸的信號代表熱電偶30和32之間的溫差。信號處理單元36中的信號分析電子設備可以采用邏輯分析的方法，分析通過導線34和38傳輸的信號，如下所述，以一種公知的方式確定出第一及第二熱電偶30和32之間的溫差，以及管道12內的流動狀態(tài)。
圖2和圖3顯示了利用本發(fā)明實施例的管道系統(tǒng)的一部分。每個圖中都示出以具有閥門42及排放管44的流體管道40。在排放管44上還有一個排放閥46。
參見圖2，與結合圖1描述的傳感器總成相似的傳感器總成10被裝置在排放管44上。排放閥46處于傳感器總成10及管道40之間。
在圖3的實施例中，一個與圖1中描述的傳感器總成相似的傳感器總成10被裝設在排放管44上并處于排放閥及管道40之間。另一個同樣與圖1中描述的傳感器總成相似的傳感器總成48被設置在管道40上。圖3中的排放管44在閥門42和傳感器總成48之間從管道40分出。
處理單元36可包括有邏輯分析裝置(未示出)或公知的可編程的處理器(未示出)用于分析通過導線34和38送來的信號，或計算由信號分析裝置測定的溫差。這些設備被設計成或編程為可以去確定管道12(圖1)或管道40和44(圖2及圖3)中出現(xiàn)的流動狀態(tài)。例如，這里用δT表示由導線34和38傳送的信號大小的穩(wěn)定的差值，而TA、TB、TC、TD和TE是事先設定的或予定的信號差值，處理單元30以公知的方式，設計成為或編程為可以去進行下列判斷1.出現(xiàn)大量流動狀態(tài);條件是穩(wěn)態(tài)δT＞TA(這種狀態(tài)對應于閥門廣為打開的情況，如圖2中的排放閥46廣為打開時);
2.小流量(或閥門泄漏)狀態(tài);TB＜δT＜TC;
3.無流動狀態(tài)(或管道阻塞)TD＜δT＜TE(這種狀態(tài)對應于閥門關閉，如圖3中排放，閥46關閉的情況);
這里的比較值(TA-TE)是以予期的流動狀態(tài)為根據選取的，以便處理單元36只能順從予期的流動狀態(tài)有效地進行監(jiān)測。
處理單元36在分析從熱電偶30和32發(fā)出的信號時也可以利用系統(tǒng)的狀態(tài)信息。例如，可以利用所希望的閥門狀態(tài)信息，與熱電偶30和32發(fā)出的信息結合，以確定閥門是否工作在所希望的狀態(tài)，或確定在特定的管道中的流動狀態(tài)是否是所希望的。所希望的閥門狀態(tài)信息可以通過一個輸入裝置(未示出)提供給處理單元30，技術人員已將信息人工地輸入到該裝置中。所希望的閥門狀態(tài)信息也可以由閥門控制裝置(未示出)，閥門運動傳感器(未示出)，閥門控制軟件(未示出)或類似裝置給出。作為輸入裝置，閥門控制裝置，閥門運動傳感器，和閥門控制軟件都是此技術領域公知的，為了簡化本公開，在此不再贅述。
在渦輪機系統(tǒng)中，如發(fā)電機系統(tǒng)中，處理單元36在分析熱電偶30和32發(fā)出的信號時，也可以利用渦輪機的負荷信息或者是作業(yè)流體溫度信息。例如，予定值TA-TE可取決于渦輪機的瞬態(tài)負荷及作業(yè)流體的溫度。渦輪機負荷信息及作業(yè)流體溫度信息可以通過本技術領域公知的適當的傳感裝置(未示出)得到。
處理單元36還可以包括用于計算δT的變化率的公知的手段，以獲得傳導器位置的外部熱傳導系數的大小的信息。由于外部的熱傳導系數大小取決于傳感器處的管內的流體的流速，所以，處理單元36通過熱電偶30和32發(fā)送的信號可以測定管內的流速。
以上所描述的狀態(tài)測定方法僅僅是處理單元36作出的確定方法和方式的舉例。其它分析從熱電偶30和32發(fā)出的依賴于溫度的信號的方法也是可行的。
雖然以上是針對本發(fā)明特定的實施例進行描述時，應當理解為可以進行許多修改而并不脫離本發(fā)明的精神。例如，在熱傳導器件18上可使用二個以上的熱電偶，用于給出器件18上的更詳細的代表溫度梯度的信號，或者獲得冗余的信號以提高安全性及準確性。
權利要求
1.一種流動狀態(tài)傳感器，用于檢測流體輸送管道(12)的流動狀態(tài)，其特征在于，包括一個與管道(12)熱導通的熱傳導器件(18)，所述的熱傳導器件(18)具有相對管道內流體橫向相隔開的第一和第二位置，以及與所述第一位置和第二位置熱導通的第一和第二熱電偶結。
2.根據權利要求1所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的熱傳導器件(18)具有一第三位置(20)，所述的第三位置與管道(12)接觸，其中所述的第一位置比所述的第二位置更靠近所述的第三位置(20)。
3.在用于輸送流體的具有管道(12)的管道系統(tǒng)中，流體的溫度比管道(12)附近的環(huán)境溫度高，其特征在于，該改進包括一個流動狀態(tài)傳感器，包括具有第一及第二位置的熱傳導器件(18)，所述熱傳導器件(18)以熱導通安裝在管道(12)上，并當管道(12)輸送流體時，從所述的第一到第二位置形成一個溫度梯度;與所述第一及第二位置熱導通的第一及第二熱電偶結(30、32)。
4.根據權利要求3的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的熱傳導器件(18)由導熱材料制成的基本上圓柱形的棒體(18)構成。
5.根據權利要求4的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述棒體(18)具有一個與管道(12)接觸的第一端(20)和一個與管道(12)有一定距離的第二端(22)，其中，當管道(12)輸送流體時，熱量通過管道(12)傳導至所述棒體(18)的第一端(20)。
6.根據權利要求5的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的第一位置比所述的第二位置更接近于所述的第一端(29)。
7.根據權利要求4所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的棒體(18)被大體上相對于管道(12)徑向延伸安置。
8.根據權利要求3的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的第一及第二熱電偶結(30，32)被置于所述的熱傳導器件(18)的所述的第一及第二位置。
9.根據權利要求3所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的流動狀態(tài)傳感器進一步包括一個將所述熱傳導器件(18)與管道(12)固定的夾箍，通過它，熱傳導器件(18)被固定在管道(12)上。
10.根據權利要求9所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的夾箍(24)包括箍帶(26)，箍在管道(12)的表面并具有一定的直徑，以及一個裝置(28)，用于緊縮所述箍帶(26)的直徑。
11.根據權利要求3的流動傳感器，其特征在于，所述的第一及第二熱電偶結(30、32)各自輸出一個大小取決于所述的第一及第二位置溫度的信號，其特征還在于，所述的傳感器還進一步包括計算裝置36，并與所述的第一及第二熱電偶結(30、32)可工作地連接，用于計算來自于所述的第一及第二熱電偶結(30、32)的信號。
12.根據權利要求11所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，用不多于一根的導線(34)將所述的第一熱電偶結(30)與所述的計算裝置(36)連接，及用不多于一根的導線(38)將所述的第二熱電偶結(32)與所述的計算裝置(36)連接。
13.根據權利要求3的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的第一及第一熱電偶結(30、32)各自具有一個第一及第二引線，并且所述的第一熱電偶結(30)的第一引線與所述的第二熱電偶結(32)的第一引線電氣連接。
14.根據權利要求13所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于所述的傳感器進一步包括一個信號處理器(36)，并與所述的第一及第二熱電偶結(30、32)的第二引線電氣連接。
15.根據權利要求14所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的第一及第二熱電偶結(30、32)在所述的第二導線上提供隨溫度變化的信號，所述的信號處理器(36)包括用于計算由所述第二導線提供的信號以確定所述的第一及第二位置之間的溫差的裝置。
16.根據權利要求15的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的信號處理器(36)進一步包括用于計算所述第一及第二位置的溫差變化率的裝置。
17.根據權利要求14所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的傳感器進一步包括一個輸入裝置，與所述信號處理器(36)可工作地連接，用于向所述的信號處理器輸入期望的狀態(tài)數據。
18.根據權利要求3所述的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的傳感器進一步包括一個設置在所述熱傳導器件(18)附近的外罩(39)，防止周圍空氣流，臟物，灰塵及質量大到足以對所述熱電偶結(30、32)及熱傳導器件(18)造成損害的物體中至少一種接觸所述熱傳導器件(18)。
19.根據權利要求18的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的外罩(39)由一個中空的部件(39)構成，罩在所述的熱傳導器件(18)上。
20.根據權利要求19的流動狀態(tài)傳感器，其特征在于，所述的中空的部件(39)為一個帶孔的大體上為圓柱形的部件(39)。
全文摘要
一種傳感器總成，由與流體管道徑向安放的棒狀熱傳導器件，兩個或以上裝設在熱傳導器件之上的熱電偶構成。導熱器件的第一端與管道表面接觸或熱導通，而第二端與管道離開。熱量從管道傳遞至第一端，并在導熱器件上形成靠近第一端溫度相對較高第二端溫度相對較低的溫度梯度。熱電偶沿熱傳導器件裝設，其中一個更接近管道。熱電偶的信號送至計算電子設備中以確定熱電偶的溫差，與已知的或預置的值比較，確定管道流動狀態(tài)。
文檔編號F22B37/38GK1056742SQ9110076
公開日1991年12月4日 申請日期1991年2月6日 優(yōu)先權日1990年2月7日
發(fā)明者瑟吉·P·巴彤 申請人:西屋電氣公司