本實(shí)用新型涉及一種熱流傳感器。

背景技術(shù)：

在許多工業(yè)應(yīng)用中，知道過(guò)程內(nèi)的溫度和熱流測(cè)量對(duì)于控制或監(jiān)測(cè)該過(guò)程是重要的。熱電偶套管是已知的儀器，其允許測(cè)量容器(諸如管道)內(nèi)的過(guò)程流體溫度。然而，當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度和過(guò)程溫度之間存在差異時(shí)，特別是對(duì)于熱電偶套管而言，熱電偶套管內(nèi)的溫度傳感器可能容易出現(xiàn)誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種熱流傳感器，以解決上述問(wèn)題至少一方面。

根據(jù)本實(shí)用新型的一方面，提供了一種熱流傳感器，其被配置為提供關(guān)于過(guò)程流體的溫度指示，其特征在于：所述熱流傳感器包括：第一電阻溫度檢測(cè)器RTD元件；第二RTD元件，其在護(hù)套內(nèi)與第一RTD元件間隔開(kāi)；以及一組引線，其包括第一子集和第二子集，其中第一子集耦合到第一RTD元件，并且第二子集耦合到第二RTD元件。

進(jìn)一步，所述熱流傳感器耦合到處理器，所述處理器被配置為基于來(lái)自第一和第二RTD元件的信號(hào)來(lái)估計(jì)過(guò)程流體的溫度。

進(jìn)一步，第一RTD元件包括面向前RTD元件。

進(jìn)一步，第一RTD元件包括背對(duì)孔R(shí)TD元件。

進(jìn)一步，引線的第一子集包括第一引線和第二引線，引線的第二子集包括第三引線和第四引線。

進(jìn)一步，所述一組引線包括六根引線。

進(jìn)一步，第一和第二RTD元件被定位在傳感器封殼內(nèi)。

進(jìn)一步，第二RTD元件通過(guò)礦物絕緣材料與第一RTD元件間隔開(kāi)。

進(jìn)一步，礦物絕緣材料包括第一礦物絕緣材料層和第二礦物絕緣材料層。

進(jìn)一步，第一和第二RTD元件之一基本上被定位在第一礦物絕緣材料層內(nèi)。

進(jìn)一步，第一和第二RTD元件之一被定位成使得其跨越第一礦物絕緣材料層和第二礦物絕緣材料層之間的界面。

進(jìn)一步，傳感器被定位成接觸過(guò)程流體的導(dǎo)管的外表面。

進(jìn)一步，第一RTD元件是朝向?qū)Ч艿耐獗砻娑ㄎ坏拿嫦蚯癛TD元件。

根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供了一種熱流傳感器，其特征在于：所述熱流傳感器包括：第一基于電阻的溫度感測(cè)元件，耦合到第一引線和第二引線；第二基于電阻的溫度感測(cè)元件，耦合到第三引線和第四引線；第二引線和第三引線之間的電耦合；以及其中第一基于電阻的溫度感測(cè)元件被配置為作為第一三引線電阻檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行操作，第二基于電阻的溫度感測(cè)元件被配置為作為第二三引線電阻檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行操作，并且其中第一和第二三引線電阻檢測(cè)系統(tǒng)被配置為獨(dú)立地檢測(cè)電阻。

進(jìn)一步，第一和第二基于電阻的溫度感測(cè)元件包括電阻溫度檢測(cè)器RTD元件。

進(jìn)一步，第一基于電阻的溫度感測(cè)元件包括面向前RTD元件。

進(jìn)一步，第二基于電阻的溫度感測(cè)元件包括背對(duì)孔感測(cè)元件。

進(jìn)一步，第一和第二基于電阻的溫度感測(cè)元件基本上被礦物絕緣材料包圍。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型提供的熱流傳感器可以減小熱流測(cè)量的誤差，獲得準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)，并擴(kuò)大溫度測(cè)量范圍。

附圖說(shuō)明

圖1A-圖1C示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的示例傳感器配置。

圖2A和圖2B示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的示例引線配置。

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的提供過(guò)程流體的溫度指示的方法的流程圖。

圖4是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的溫度測(cè)量組件的圖解視圖。

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的設(shè)備電子器件的框圖。

具體實(shí)施方式

針對(duì)現(xiàn)有工業(yè)過(guò)程溫度傳感器存在的問(wèn)題，存在一些已知的解決方案。例如，工業(yè)管道皮膚溫度傳感器可被耦合到變送器，并且可以通過(guò)推斷熱流來(lái)檢測(cè)和報(bào)告溫度測(cè)量。然而，使用管道皮膚溫度傳感器要求從過(guò)程到變送器的熱傳導(dǎo)率是已知的，這可能需要傳感器直接連接到變送器，這在過(guò)程溫度測(cè)量相對(duì)于周?chē)h(huán)境溫度升高時(shí)可能是困難的。這可能限制在過(guò)程流體溫度為高的情況下的應(yīng)用。在傳感器和變送器之間添加延伸部分在這種情況下可能有幫助。然而，由于環(huán)境影響，測(cè)量誤差可能變得更加明顯。另外，雖然絕緣會(huì)控制熱通過(guò)傳感器組件流入變送器殼體并且可以幫助降低可能引起非線性溫度分布的環(huán)境影響，但是也使得對(duì)管道和與管道的接口的檢查更加困難。

對(duì)于淺表熱電偶套管中的溫度傳感器，周?chē)h(huán)境溫度可能在感測(cè)元件中引起誤差。周?chē)h(huán)境溫度和過(guò)程溫度之間的差異可能在傳感器元件上產(chǎn)生梯度，這可能引起超過(guò)5攝氏度的測(cè)量誤差?？赡茈y以確定引入多少誤差，并且難以獲得準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)。

上述問(wèn)題的一個(gè)可能的解決方案是使用熱通量傳感器，一些熱通量傳感器當(dāng)前是可得到的。然而，當(dāng)前的熱通量傳感器是脆弱的、造價(jià)昂貴的，并且具有有限的溫度測(cè)量范圍，該有限的溫度測(cè)量范圍可能不能用于所有工業(yè)過(guò)程。期望一種熱通量傳感器，其能夠解決上述問(wèn)題，并且是魯棒的且有助于經(jīng)濟(jì)制造。本文中提出的至少一些實(shí)施例提供這樣的解決方案。

電阻溫度檢測(cè)器(RTD)是具有電阻隨溫度變化的電阻元件的溫度傳感器。RTD傳感器可以在更寬的溫度范圍上工作，提供比其他傳感器配置更好的精度、更好的可互換性和更長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

圖1A-圖1B示出了可被組合和利用來(lái)提供根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的熱通量傳感器(如圖1C所示)的當(dāng)前RTD配置。熱通量傳感器包括兩個(gè)RTD，其可以處于面向前(forward-facing)配置，如圖1A所示，或者背對(duì)孔(reverse-bore)結(jié)構(gòu)，如圖1B所示。圖1C示出了利用面向前RTD配置和背對(duì)孔配置這二者的熱通量傳感器的一個(gè)示例。

圖1A示出了包括面向前RTD傳感器的配置110，其中具有面向前RTD元件112在傳感器封殼102內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，封殼102包括被配置為保持不同引線116和RTD元件112之間的分離的礦物絕緣粉末。礦物絕緣材料可以以?xún)煞N成分存在：較不致密的礦物絕緣材料104和較致密的礦物絕緣材料106。在一個(gè)實(shí)施例中，礦物絕緣材料104和106包括礦物絕緣粉末。在一個(gè)實(shí)施例中，面向前的RTD元件112被定位在較不致密的礦物絕緣材料104內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)引線116被耦合到RTD元件112并從其延伸。在一個(gè)實(shí)施例中，一組四個(gè)引線116從RTD元件112延伸。然而，在其他實(shí)施例中，附加的或較少的引線116可以從RTD元件112延伸。

圖1B示出了傳感器配置120，其包括傳感器封殼102內(nèi)的背對(duì)孔R(shí)TD元件114。在一個(gè)實(shí)施例中，RTD元件114可以跨過(guò)較不致密的礦物絕緣材料104和較致密的礦物絕緣材料106之間的界面，使得它部分地在較不致密的礦物絕緣材料104的層內(nèi)，并且部分在較致密的礦物絕緣材料106的層內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，RTD元件114的較大部分位于較致密的礦物絕緣材料106內(nèi)。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，RTD元件114可以基本上相等地跨在礦物絕緣材料層104和106中，或者在較不致密的礦物絕緣材料104內(nèi)具有較大部分。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器配置120包括一個(gè)或多個(gè)引線116，所述引線116耦合到RTD元件114并從RTD元件114延伸，穿過(guò)礦物絕緣材料層104和106，并從傳感器封殼102引出。如圖1A和圖1B所示，面向前傳感器配置110和背對(duì)孔傳感器配置120之間的一個(gè)顯著差別是RTD元件112和114相對(duì)于礦物絕緣材料層104和106的定位。RTD元件112和114之間的另一個(gè)差別是相對(duì)于引線116的耦合取向。

圖1C示出了根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的熱流傳感器。熱流傳感器提供與熱通量相關(guān)的直接指示。傳感器配置130包括面向前RTD元件112和背對(duì)孔R(shí)TD元件114的組合。在一個(gè)實(shí)施例中，RTD元件112面向RTD元件114。雖然混合傳感器配置130包括四個(gè)引線116，但在一個(gè)實(shí)施例中，只有引線116的子集連接到RTD元件112和114中的每一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，一組引線116的一半耦合到RTD元件112和114中的每一個(gè)。在一個(gè)實(shí)施例中，從RTD 112延伸的引線116在從傳感器封殼102引出之前從RTD 114旁邊經(jīng)過(guò)。盡管本實(shí)用新型的實(shí)施例通常將被描述為采用礦物絕緣材料，但是明顯可以想到根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例可以使用其它形式的絕緣材料，諸如陶瓷灌注。

在一個(gè)實(shí)施例中，在混合配置130中的RTD元件112基本上完全被定位在較不致密的礦物絕緣材料104內(nèi)，通過(guò)RTD元件114跨過(guò)較不致密的礦物絕緣材料104和較致密的礦物絕緣材料106之間的界面。在一個(gè)實(shí)施例中，一對(duì)引線116從RTD元件112延伸，并且第二對(duì)引線116從RTD元件114延伸。

圖2A和圖2B示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一些實(shí)施例的示例引線配置。圖2A示出了可以如何使用RTD元件112和114或耦合到一組引線的其它適當(dāng)?shù)母袦y(cè)元件以便獲得過(guò)程的溫度測(cè)量的一個(gè)示例。圖2A示出了包括第一RTD元件210和第二RTD元件220的配置200。感測(cè)元件210被配置為使用引線201、202和203提供測(cè)量，而感測(cè)元件220被配置為使用引線202、203和204。在一個(gè)實(shí)施例中，短路耦合引線202和203，并且被配置為與其他引線產(chǎn)生電阻失配，從而允許計(jì)算溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，三線系統(tǒng)對(duì)于載流路徑使用兩個(gè)引線，并且第三個(gè)引線用于評(píng)估跨越載流引線的電壓降。在一個(gè)實(shí)施例中，引線202和203之間存在的短路連接到非載流路徑。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)載流引線的長(zhǎng)度相等，例如，以抵消引線電阻。

使用混合傳感器配置，諸如圖1C中呈現(xiàn)的配置，例如，可以允許在有必要遠(yuǎn)程安裝變送器時(shí)使用熱通量傳感器。它還可以產(chǎn)生改進(jìn)的導(dǎo)熱路徑，以針對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程情況這二者利用單通道設(shè)備評(píng)估熱流。它還可以提供更魯棒的溫度傳感器配置。因此，一個(gè)傳感器配置可以提供兩個(gè)三線系統(tǒng)，用于僅利用單個(gè)傳感器封殼內(nèi)的四根引線來(lái)測(cè)量溫度。這種傳感器配置可以提供改進(jìn)的導(dǎo)熱路徑，在更寬的過(guò)程溫度范圍上具有更精確的溫度測(cè)量。

圖2B示出了根據(jù)本實(shí)用新型的另一實(shí)施例的備選引線配置250。在一個(gè)實(shí)施例中，引線配置250包括礦物絕緣材料內(nèi)的六個(gè)引線，使得第一感測(cè)元件260和第二感測(cè)270可以作為雙四線RTD測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行操作。在一個(gè)實(shí)施例中，雙四線RTD測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)在兩個(gè)引線(例如，如圖2B所示的引線253和254)之間創(chuàng)建短路來(lái)配置。在一個(gè)實(shí)施例中，配置250可能需要雙通道溫度變送器，因?yàn)榇嬖诙嘤谒母B接線。

圖3示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的測(cè)量關(guān)于過(guò)程的熱通量的一個(gè)示例方法。方法300在具有上述諸如圖1C所示的傳感器配置之類(lèi)的傳感器配置和/或諸如圖2A-2B所示的引線配置之類(lèi)的引線配置的情況下可以是有用的。另外，方法300在具有其它適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋渲煤推渌€配置的情況下也可以是有用的。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括將傳感器定位為與過(guò)程容器壁的外表面接觸，其中過(guò)程流體被包含在過(guò)程容器內(nèi)。

在框310中，從第一RTD感測(cè)元件接收指示。在一個(gè)實(shí)施例中，從諸如圖2A所示的且如框312所指示的四線系統(tǒng)的三線子組合接收指示。在另一個(gè)實(shí)施例中，從諸如圖2B所示的且如框316所指示的6線系統(tǒng)的三線子組合接收指示。在另一個(gè)實(shí)施例中，從如框314所指示的六線系統(tǒng)的四線子組合接收指示。

在框320中，從第二RTD感測(cè)元件接收指示。在一個(gè)實(shí)施例中，從諸如圖2A所示的且如框322所指示的四線系統(tǒng)的三線子組合接收指示。在另一個(gè)實(shí)施例中，從諸如圖2B所示的且如框324所指示的6線系統(tǒng)的三線子組合接收指示。在另一個(gè)實(shí)施例中，從如框326所指示的六線系統(tǒng)的四線子組合接收指示。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一指示由混合傳感器配置的面向前RTD元件生成，而第二指示由背對(duì)孔R(shí)TD元件生成。然而，在另一個(gè)示例中，首先從背對(duì)孔R(shí)TD元件接收指示，其次從面向前RTD元件接收指示。

在框330中，基于第一和第二指示執(zhí)行熱通量計(jì)算。在框340中，基于計(jì)算的熱通量估計(jì)過(guò)程流體溫度。

在框350中，提供對(duì)過(guò)程流體溫度的指示。在一個(gè)實(shí)施例中，該指示可以包括例如過(guò)程的狀態(tài)，諸如“過(guò)熱”或“在可接受的范圍內(nèi)”。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供數(shù)值溫度，例如以華氏度、攝氏度或開(kāi)爾文溫度為單位。在另一個(gè)實(shí)施例中，該指示可以以如框352所指示的可聽(tīng)警報(bào)的形式提供，例如針對(duì)高于或低于期望范圍的溫度提供閃光，或者可以如框354所指示的作為視覺(jué)輸出來(lái)提供。例如，可以在靠近或遠(yuǎn)離傳感器變送器的屏幕上提供溫度的指示。該指示還可以直接被提供給分離的計(jì)算設(shè)備，該計(jì)算設(shè)備可以靠近或遠(yuǎn)離溫度傳感器。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供指示包括在沿著過(guò)程流的測(cè)量點(diǎn)附近(例如耦合到傳感器的屏幕或視聽(tīng)警報(bào)機(jī)構(gòu))顯示溫度。

在一個(gè)實(shí)施例中，提供指示還包括存儲(chǔ)測(cè)量的溫度，如框356所指示。存儲(chǔ)一些或所有檢測(cè)到的過(guò)程溫度可以允許生成附加分析，諸如過(guò)程流內(nèi)的隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。存儲(chǔ)所提供的指示可以包括：本地存儲(chǔ)，例如在微伏表的存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)；或遠(yuǎn)程存儲(chǔ)，例如將檢測(cè)到的溫度或檢測(cè)到的電阻失配發(fā)送到遠(yuǎn)程存儲(chǔ)介質(zhì)。

圖4是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的溫度測(cè)量組件的示意圖。在一個(gè)實(shí)施例中，組件400包括耦合到過(guò)程容器壁410的傳感器組件430。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合器是管夾420。傳感器430可以具有延伸到變送器440的一個(gè)或多個(gè)引線450，所述變送器440可以本地連接到傳感器組件或遠(yuǎn)離傳感器組件。變送器440可以被配置為執(zhí)行熱通量計(jì)算，例如上述方法300的計(jì)算。

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的電子器件的示意圖。在一個(gè)實(shí)施例中，電子器件500可以被容納在電子器件殼體514內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，電子殼體514可以包括圖4的變送器440。在另一個(gè)實(shí)施例中，電子器件500中的至少一些形成傳感器組件的一部分，諸如圖2和3的那些。在一個(gè)實(shí)施例中，電子設(shè)備500包括處理器550、第一A/D轉(zhuǎn)換器552、第二A/D轉(zhuǎn)換器554和存儲(chǔ)器556。在一個(gè)實(shí)施例中，處理器550是數(shù)字微處理器。在一個(gè)實(shí)施例中，存儲(chǔ)器556包括電耦合到處理器550的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，電子設(shè)備500可以通過(guò)本地操作員接口566被本地可訪問(wèn)，所述本地操作員接口566可以例如顯示溫度或設(shè)備狀態(tài)。

處理器550通過(guò)在第一A/D轉(zhuǎn)換器552和一個(gè)或多個(gè)傳感器引線538之間的耦合來(lái)連接到溫度傳感器，例如傳感器組件430。在一個(gè)實(shí)施例中，第一A/D轉(zhuǎn)換器552被配置為接收來(lái)自第一傳感器組件的模擬電信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為用于處理器550的數(shù)字信號(hào)。第二A/D轉(zhuǎn)換器554將處理器550連接到第二傳感器組件。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二傳感器組件包括RTD傳感器，諸如圖1A-圖1C中呈現(xiàn)的RTD元件。第二A/D轉(zhuǎn)換器554電連接到傳感器線542，以將來(lái)自感測(cè)設(shè)備430的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于處理器550的數(shù)字信號(hào)。

在一個(gè)實(shí)施例中，電氣殼體514還可以包括通信接口558。通信接口558提供電子器件500與控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)562之間的通信。電子器件500可以將計(jì)算得到的諸如圖4所示的過(guò)程410之類(lèi)的過(guò)程內(nèi)的過(guò)程流體的溫度傳送到控制系統(tǒng)562。溫度測(cè)量組件510與控制系統(tǒng)562之間的通信可以通過(guò)任何合適的無(wú)線或硬線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，通信可以由雙線環(huán)路上的模擬電流來(lái)表示，其范圍從4到20mA。備選地，可以使用HART數(shù)字協(xié)議在雙線環(huán)路上或使用諸如Foundation現(xiàn)場(chǎng)總線之類(lèi)的數(shù)字協(xié)議在通信總線上以數(shù)字形式傳送通信。通信接口558可選地可以包括無(wú)線通信電路564，無(wú)線通信電路564用于通過(guò)使用諸如無(wú)線HART(IEC 62591)之類(lèi)的無(wú)線協(xié)議的無(wú)線傳輸來(lái)進(jìn)行通信。此外，與控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)562的通信可以是直接的或通過(guò)任意數(shù)量的中間設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)(例如無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(未示出))。通信接口558可以幫助管理并控制去向和來(lái)自溫度測(cè)量組件500的通信。例如，控制或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)562可以通過(guò)通信接口558提供溫度測(cè)量組件500的配置，其包括輸入或選擇基本結(jié)構(gòu)參數(shù)、過(guò)程容器壁參數(shù)，或選擇針對(duì)特定應(yīng)用的熱傳遞模型。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，可以做出形式和細(xì)節(jié)上的改變。