НЕИНВАЗИВНАЯ ИНДИКАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ СО СНИЖЕННОЙ ПОГРЕШНОСТЬЮ Российский патент 2022 года по МПК G01K1/14 G01K13/02 G01N25/18 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Во многих промышленных процессах технологические среды транспортируются по трубопроводам или другим каналам. Такие технологические среды могут включать в себя жидкости, газы, а иногда и увлеченные твердые частицы. Эти потоки технологических сред можно встретить в любой из множества отраслей промышленности, включая, без ограничений, производство гигиенических продуктов питания и напитков, обработку воды, изготовление фармацевтических препаратов высокой чистоты, химическую обработку, индустрию углеводородного топлива, включая экстракцию и обработку углеводородов, а также технологии гидравлического разрыва пласта, с использованием абразивных и коррозионных шламов.

[0002] Обычно датчик температуры помещают в чехол термопары, который затем вводят в поток технологической среды через отверстие в канале. Однако, этот способ может быть не всегда практически выгодным в том, что технологическая среда может иметь очень высокую температуру, быть очень коррозионной, или то и другое. Дополнительно, для чехлов для термопар, как правило, требуется резьбовое отверстие или другое надежное механическое крепление/уплотнение в канале, и таким образом, они должны быть встроены в систему потока технологической среды в заданном местоположении. Следовательно, чехлы для термопар, будучи полезными для обеспечения точных температур технологической среды, имеют ряд ограничений.

[0003] В последнее время, температуру технологической среды оценивали путем измерения внешней температуры канала технологической среды, такого как трубопровод, и использования расчета теплового потока. Этот внешний подход считается неинвазивным, поскольку он не требует каких отверстий или проходов в канале. Следовательно, такие неинтрузивные подходы могут быть развернуты практически в любом местоположении вдоль канала.

[0004] Поскольку недавние достижения повысили точность оценки температур технологической среды с использованием неинвазивных технологий, были идентифицированы новые источники погрешностей. Поиск и корректировка этих новых источников погрешностей должны повысить точность неинвазивной оценки температуры технологической среды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Система оценки температуры технологической среды включает в себя сборочный узел, капсулу датчика, цепь измерения и контроллер. Сборочный узел сконфигурирован для прикрепления системы оценки температуры технологической среды к внешней поверхности канала для технологической среды. Капсула датчика имеет конец, сконфигурированный для контакта с внешней поверхностью канала для технологической среды, с образованием устройства сопряжения, имеющего область контакта и воздушный зазор. Капсула датчика также имеет, по меньшей мере, один расположенный в ней термочувствительный элемент. Цепь измерения связана с капсулой датчика и сконфигурирована для выявления электрической характеристики, по меньшей мере, одного термочувствительного элемента, которая изменяется с температурой, и подачи, по меньшей мере, на канал для технологической среды информации о температуре обшивки. Контроллер связан с цепью измерения и сконфигурирован для получения информации о температуре обшивки канала для технологической среды от цепи измерения и для получения информации об эталонной температуре. Контроллер сконфигурирован для получения параметра теплового потока, относящегося к воздушному зазору устройства сопряжения и для использования расчета теплопереноса с помощью информации о температуре обшивки канала для технологической среды, информации об эталонной температуре и параметра теплового потока, для генерирования оценочных выходных данных по температуре технологической среды.

[0006] Система оценки температуры технологической среды обеспечена капсулой датчика с множество расположенных в ней отверстий. Отверстия сконфигурированы так, чтобы конец одного отверстия находился ближе к чувствительному концу капсулы датчика, чем конец другого отверстия.

[0007] Система оценки температуры технологической среды с помощью капсулы датчика, имеющей искривленный конец, также обеспечена, наряду со способом обеспечения неинвазивной оценки температуры технологической среды в отношении канала для технологической среды, имеющего искривленную поверхность.

[0008] Данный раздел «Сущность изобретения» представлена для введения выбора концепций в упрощенной форме, которые будут описаны ниже в разделе «Подробное описание». Данный раздел «Сущность изобретения» не предназначен ни для определения ключевых или основных признаков заявленного предмета изобретения, ни для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета изобретения. Заявленный предмет изобретения не ограничен воплощениями, которые устраняет какие-либо или все недостатки, отмеченные в работах согласно уровню техники.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение системы измерения теплового потока, при которой варианты воплощения настоящего изобретения особо применимы.

[0010] ФИГ. 2 представляет собой блок-схему цепи в системе измерения теплового потока, при которой варианты воплощения настоящего изобретения особо применимы.

[0011] ФИГ. 3A и 3B представляют собой увеличенные изображения устройства сопряжения капсулы датчика применительно к каналам для технологической среды с различными диаметрами.

[0012] ФИГ. 3C представляет собой технологическую карту, иллюстрирующую погрешность, вызванную геометрией канала в зависимости от диаметра канала.

[0013] ФИГ. 4 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее тепловое сопротивление различных частей устройства сопряжения капсула датчика/канал.

[0014] ФИГ. 5A представляет собой схематическое изображение части усовершенствованной капсулы датчика в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

[0015] ФИГ. 5B представляет собой схематическое изображение части капсулы датчика, показанной на ФИГ. 5A с примененным герметизирующим материалом.

[0016] ФИГ. 6 представляет собой схематическое изображение части капсулы датчика в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

[0017] ФИГ. 7 представляет собой схематическое изображение части капсулы датчика в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения.

[0018] ФИГ. 8 представляет собой схематическое изображение части капсулы датчика в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения.

[0019] ФИГ. 9 представляет собой схематическое изображение части капсулы датчика в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения.

[0020] ФИГ. 10 представляет собой схему последовательности операций способа неинвазивной оценки температуры технологической среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0021] В вариантах воплощения, описанных в настоящей работе, как правило, используют идентификацию и оценку дополнительных источников погрешности в неинвазивной оценке температуры технологической среды, для обеспечения решений с повышенной точностью. Были идентифицированы два источника погрешности, а различные варианты воплощения, описанные в настоящей работе, могут обеспечить решения для одного или обоих источников.

[0022] Первый источник погрешности состоит в изменчивости в пути теплового потока от первой точки измерения температуры до второй точки измерения температуры. Часто вторая точка измерения температуры находится внутри самого корпуса для электронных устройств системы оценки технологической среды, и, таким образом, тепловой поток от датчика поверхности канала (т.е., датчика, измеряющего температуру обшивки канала для технологической среды) до датчика эталонной температуры (например, расположенного внутри корпуса для электронных устройств) необходимо жестко контролировать. Это означает, что система всегда должна быть закреплена на одинаковом расстоянии от внешней поверхности канала для технологической среды. Это требование может исключить некоторые возможные применения для неинвазивной оценки температуры технологической среды, такие как удаленный монтаж и высокотемпературные применения. Дополнительно, первичный путь тепла от канала для технологической среды к корпусу для электронных устройств, как правило, проходит через кожух датчика. Это делает измерение сильно подверженным изменению условий окружающей среды и может потребовать от пользователя установить изоляцию вокруг датчика. Это может ограничить точность системы и потребовать дополнительных расходов и труба для конечного пользователя.

[0023] Считается, что второй источник погрешности, как правило, вызван относительно плоским концом капсулы датчика, контактирующим с искривленным каналом для технологической среды, таким как трубопровод. Это воздушный зазор между плоской поверхностью и искривленным каналом для технологической среды изменяется, в зависимости от кривизны канала для технологической среды. Как можно понять, для обеспечения решения, применимого с широким диапазоном диаметров, также важно установить этот источник погрешности.

[0024] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение системы измерения теплового потока, при которой варианты воплощения настоящего изобретения особо применимы. Система 200, как правило, включает в себя часть 202 хомута трубопровода, которая сконфигурирована для зажима вокруг канала или трубопровода 100. Хомут 202 трубопровода может иметь один или более зажимных держателей 204, для обеспечения размещения и прижатия части 202 хомута к трубопроводу 100. Хомут 202 трубопровода может заменить один из зажимных держателей 204 на шарнирную часть, вследствие чего хомут 202 трубопровода можно размыкать, чтобы его можно было устанавливать на трубопроводе, а затем замыкать и закреплять зажимным держателем 204. Тогда как хомут, проиллюстрированный применительно к ФИГ. 1, является особо пригодным, в соответствии с вариантами воплощения, описанными в настоящей работе, можно использовать любое подходящее механическое устройство для надежного размещения системы 200 вокруг внешней поверхности трубопровода.

[0025] Система 200 включает в себя капсулу 206 датчика теплового потока, который прижат к внешнему 116 диаметру трубопровода 100 пружиной 208. Термин «капсула» не подразумевает никакой конкретной структуры или формы и, таким образом, может быть образована в различных формах, размерах и конфигурациях. Тогда как проиллюстрирована пружина 208, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что можно использовать различные технологии для приведения капсулы 206 датчика в контакт с внешним 116 диаметром канала 100. Капсула 206 датчика, как правило, включает в себя один или более термочувствительных элементов, таких как резистивные термометры (РТ). Датчики в капсуле 206 электрически соединены с цепью передатчика в корпусе 210, который сконфигурирован для получения одного или более измерений температуры от капсулы 206 датчика и расчета оценки температуры технологической среды, исходя из измерений, полученных от капсулы 206 датчика, и эталонной температуры, такой как температура, измеренная в корпусе 210, или от одной из капсул 206 датчиков, или иным способом, обеспеченным для цепи в корпусе 210.

[0026] В одном примере, основной расчет теплового потока можно упростить, с получением уравнения:

T_{скорректированная}=T_{обшивка}+(T_{обшивка}-T_{эталонная})*(R_{трубопровод}/R_датчик).

[0027] В этом уравнении, T_{обшивки} представляет собой измеренную температуру внешней поверхности канала. Дополнительно, T_{эталонная} представляет собой вторую температуру, полученную применительно к местоположению, имеющему фиксированное полное тепловое сопротивление (R_датчик), исходя из температуры датчика, который измеряет T_{обшивки}. R_{трубопровода} представляет собой полное тепловое сопротивление канала и может быть получено вручную, при получении информации о трубопроводе и информации о толщине стенки трубопровода. Дополнительно, или в качестве альтернативы, параметр, относящийся к R_{трубопровода}, можно определить в ходе калибровки и сохранить для последующего использования. Следовательно, используя подходящий расчет теплового потока, такой как расчет, описанный выше, цепь в корпусе 210 может рассчитывать оценку для температуры технологической среды (T_{скорректированная}) и передавать данные о такой температуре технологической среды на подходящий устройства и/или пульт управления. В примере, проиллюстрированном на ФИГ. 1, такая информация может передаваться по беспроводной связи через антенну 212.

[0028] ФИГ. 2 представляет собой блок-схему цепи в корпусе 210 системы 200 измерения теплового потока, при которой варианты воплощения настоящего изобретения особо применимы. Система 200 включает в себя цепь 220 связи, связанную с контроллером 222. Цепь 220 связи может представлять собой любую подходящую цепь, которая способна передавать информацию об оценочной температуре технологической среды. Цепь 220 связи позволяет системе 200 измерения теплового потока передавать выходные данные о температуре технологической среды по контуру или сегмент обмена информацией между процессами. Подходящие примеры протоколов контура обмена информацией между процессами включают в себя протокол на 4-20 мА, протокол магистрального адресуемого дистанционного преобразователя (HART®), сетевой протокол FOUNDATION™ Fieldbus и протокол беспроводной связи HART (IEC 62591).

[0029] Система 200 измерения теплового потока также включает в себя модуль 224 источника электропитания, который подает электропитание на все компоненты системы 200, как указано стрелкой 226. В вариантах воплощения, где система 200 измерения теплового потока связана с проводным контуром обмена информацией между процессами, таким как контур HART® или сегмент промышленной сети FOUNDATION™ Fieldbus, модуль 224 электропитания может включать в себя подходящую цепь для управления электропитанием, полученным от контура или сегмента для управления различными компонентами системы 200. В таких вариантах воплощения проводного контура обмена информацией между процессами, модуль 224 источника электропитания может обеспечивать подходящее управление параметрами электропитания, позволяющее всему устройству 200 получать электропитание от контура, к которому оно подключено. В других вариантах воплощения, когда используется беспроводной обмен информацией между процессами, модуль 224 источника электропитания может включать в себя такой источник электропитания, как батарея и подходящая цепь управления параметрами электропитания.

[0030] Контроллер 222 включает в себя любую подходящую компоновку, которая способна генерировать оценку температуры технологической среды на основе теплового потока с использованием измерений от датчика (датчиков) в капсуле 206 и дополнительной эталонной температуры, такой как конечная температура в корпусе 210, или измерение температуры от второго датчика температуры, расположенного в капсуле 206. В некоторых применениях, эталонная температура может быть известна или оценена для процесса, контролируемого контроллером в скважине, или процесса в окружающей среде (например, система расположена в помещении с контролируемым климатом). В одном примере, контроллер 222 представляет собой микропроцессор. Контроллер 222 связан, с возможностью передачи информации, с цепью 220 связи.

[0031] Цепь 228 измерения связана с контроллером 222 и обеспечивает цифровую индикацию об измерениях, полученных от одного или более датчиков 230 температуры. Цепь 228 измерения может включать в себя один или более аналогово-цифровых преобразователей и/или подходящую мультиплексную цепь для устройства сопряжения одного или более аналогово-цифровых преобразователей с датчиками 230. Дополнительно, цепь 228 измерения может включать в себя подходящую цепь усиления и/или спрямления, что может подходить для различных типы используемых датчиков температуры.

[0032] ФИГ. 3A и 3B представляют собой схематические изображения капсулы 206 датчика, когда она находится в контакте, соответственно, с различными каналами 100, 300 для технологической среды. Для иллюстрации изменений воздушного зазора, вызванного различной кривизной, показано два канала 100 и 300 для технологической среды. Показано, что капсула 206 датчика содержит внутри РТ-элемент 302. Капсула 206 датчика имеет относительно плоскую нижнюю 304 поверхность, которая находится в контакте с каналом для технологической среды. Как показано, когда плоская 304 поверхность находится в контакте с каналом 100 для технологической среды крупного диаметра, между каналом 100 для технологической среды и плоской 304 поверхностью образуется относительно мелкий воздушный зазор 306. Однако, как показано на ФИГ. 3B, при использовании канала 300 для технологической среды меньшего диаметра, более высокая кривизна канала для технологической среды порождает более крупный воздушный зазор 308 между плоской поверхностью 304 и каналом 300 для технологической среды меньшего диаметра. Теплопроводность между двумя границами раздела содержит небольшой межфазный воздушный зазор, который составляет значительную часть требуемой коррекции. Скорректированная оценка температуры обеспечена уравнением, приведенным ниже;

T_{скорректированная}=T_{датчика}+(T_{датчика}-T_{эталонная})*(R_{трубопровода}+R_другие)/(R_{датчика}).

[0033] В вышеуказанном уравнении, в параметр R_другие включено тепловое сопротивление воздушного зазора.

[0034] ФИГ. 3C представляет технологическую карту, иллюстрирующую погрешность, вызванную геометрией канала в зависимости от диаметра канала. Как видно, для меньших диаметров, погрешность, вызванная геометрией, может значительно повышаться. В соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения, контроллер 222 (показанный на ФИГ. 2) обеспечен индикацией диаметра трубопровода, при которой будет использоваться система оценки температуры технологической среды. Диаметр трубопровода затем используют для доступа к карте погрешностей или к кривой замещения, для идентификации подходящего параметра, который моделирует тепловое сопротивление воздушного зазора для конкретного используемого канала. Можно задать значение по умолчанию, которое подходит для широкого диапазона диаметров, например, задать диаметр трубопровода по умолчанию, равный 2 или 3 дюймам. Однако, конечный пользователь может указать меньший диаметр трубопровода при заказе и приемке системы, уже имеющей указанный диаметр трубопровода для кривой замещения. В качестве альтернативы, данные диаметра трубопровода можно передавать на контроллер 222 путем обмена информацией между процессами с использованием цепи 220 связи, или вводить вручную через пользовательский интерфейс (не показан). При использовании такой кривой замещения или справочной таблицы, неинвазивная система оценки температуры технологической среды может автоматически корректировать разницу в геометрии между капсулой датчика и поверхностью канала для технологической среды.

[0035] При снижении диаметра трубопровода, воздушный зазор возрастает экспоненциально, что требует большей поправки на каналы мелким диаметром. Кривая замещения обеспечивает параметр теплового сопротивления (R_другие), исходя из диаметра трубопровода, который обычно конфигурирует пользователь. Расчет компенсации, изложенный выше, затем позволяет подходящим образом отрегулировать коррекционное соотношение, для обеспечения более точного вывода данных. Дополнительные варианты конфигурации, которые можно передавать на контроллер 222 или вводить через пользовательский интерфейс, могут указывать на то, установлен ли датчик перпендикулярно к выбранной геометрической форме, например, трубопровода, плоской поверхности, и т.д.

[0036] ФИГ. 4 представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее различные параметры теплового сопротивления в устройстве сопряжения капсула датчика/канал для технологической среды. Схема, показанная на ФИГ. 4, значительно увеличена, по сравнению с диаграммой, показанной на ФИГ. 3A. Также задействован небольшой межфазный воздушный зазор (R_{воздуха}). Хотя R_{воздуха} кажется небольшим, эта величина вносит самый большой вклад в полное тепловое сопротивление. В одном примере, значения для различных параметров изложены в Таблице ниже.

Параметр Описание Длина (м) Теплопроводность Тепловое сопротивление R_выч Термопаста 0,0023 3,5 0,000657143 R_{аргумент} Серебряная торцевая заглушка 0,00170016 429 3,96308ˑ10^-6 R_воздух Межфазный воздушный зазор 0,00005 0,026 0,001923077 R_другие R_выч+R_{аргумент}+R_воздух

[0037] Как изложено выше, ввод параметра R_другие, который является изменяемым, в зависимости от диаметра канала для технологической среды, значительно повышает точность расчета оценки температуры технологической среды, изложенного выше. Дополнительно, повышенная точность может быть еще обеспечена, если предусмотрены изменения в материале торцевой заглушки (например, несколько отличной от серебряной), пока карта кривой замещения, обеспеченной для контроллера 222, включает в себя индикацию теплопроводности и длины для выбранной торцевой заглушки. То же можно сделать и для изменений длины и состава термопасты. Дополнительно, явно предполагается, что если используется диаметр, который явно не соответствует заданному параметру R_воздух, варианты воплощения, описанные в настоящей работе, могут интерполировать между двумя ближайшими точками на графике.

[0038] Другой источник погрешности в оценке температуры технологической среды с использованием неинвазивных технологий состоит в возможной изменчивости теплового потока от точки измерения температуры обшивки канала для технологической среды до точки измерения эталонной температуры. В соответствии с другим вариантом воплощения, описанным в настоящей работе, это изменчивость теплового потока сведена почти к минимуму или, по меньшей мере, регулируется за счет обеспечения двух датчиков температуры, расположенных в одной и той же капсуле датчика и отстоящих друг от друга вдоль пути теплового потока.

[0039] ФИГ. 5A представляет собой схематическое изображение усовершенствованной капсулы датчика с использованием системы оценки температуры технологической среды с отверстиями, расположенными в шахматном порядке, в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения. В целях настоящей работы, «отверстия в шахматном порядке» означает, что два отверстия имеют различные расстояния от внешней поверхности канала для технологической среды, и что они также имеют смещение, по меньшей мере, по одному другому параметру (например, вдоль оси канала, и/или в направлении, перпендикулярном к оси канала). В капсуле 406 датчика использован приточенный кончик 408, в который устанавливают несколько чувствительных элементов 410 и 412. Является предпочтительным, чтобы чувствительные элементы 410 и 412 представляли собой РТ и были соединены с проводами, проходящими по всей длине капсулы 406 датчика так, чтобы они были связаны с цепью 228 измерения (показанной на ФИГ. 2). Чувствительные элементы 410, 412 удерживаются на месте в капсуле 406 датчика с использованием механических, либо химических (т.е., образования химических связей) технологий. К трубке затем можно приварить колпачок, для герметизации кончика. Приточенный кончик обеспечивает точное и постоянное расстояние между элементами 410 и 412 в датчике. Эти приточенные детали можно относительно легко контролировать и повышать согласованность сборки, позволяя вставленным в них датчикам опускаться до дна. Это устраняет возможные проблемы, связанные с неправильным монтажом элемента в капсуле датчика, поскольку, когда расстояние между элементами и поверхностью непосредственно влияет на измерения, погрешность может возрастать. Дополнительно или в качестве альтернативы, части капсулы датчика могут быть напечатаны на 3D-принтере, для облегчения изготовления более сложных элементов, таких как квадратные отверстия.

[0040] Материалы, используемые для кончика 408, могут существенно различаться. Материалы с высокой теплопроводностью, такие как медь и серебро, можно использовать для повышения теплопереноса, но выбор материала с намеренно низкой теплопроводностью может позволить уменьшить расстояние между элементами 410 и 412 и, таким образом, снизить общую стоимость. Кончик 408 также можно изменять так, чтобы он подходил к материалу трубопровода и хомута, для устранения проблем, связанных с электрохимической коррозией. Поскольку материал компонента капсулы датчика меняется, размер и теплопроводность компонента можно сохранить в справочной таблице или на кривой замещения, для получения точной оценки температуры технологической среды. Следовательно, каждый материал может обладать различными термическими свойствами и может влиять на оценку температуры технологической среды, и такие различия могут быть учтены в параметре расчета R_другие.

[0041] Однако, в одном примере для крепежа элементов 410 и 412 используют один блок из однородного материала, и, таким образом, можно легче сделать поправки на тепловой поток между чувствительными элементами 410 и 412. Например, чувствительным элементом 410 можно считать датчик температуры обшивки, а чувствительным элементом 412 можно считать датчик эталонной температуры. Разница в измеренных температурах будет относиться к величине теплового потока через блок однородного материала и к его теплопроводности. Повышение точности размещения элементов 410 и 412 позволяет снижать расстояние между элементами 410 и 412, со снижением, таким образом, общего размера капсулы 406 датчика. Считается, что это повысит линейность градиента тепла через элементы 410 и 412 и породит отклик, менее подверженный внешним влияниям. В одном примере является предпочтительным, чтобы термочувствительные 410 и 412 элементы представляли собой РТ, поскольку считается, что такие устройства, как правило, имеют более высокую точность и воспроизводимость, чем другие типы термочувствительных элементов, таких как термопары.

[0042] ФИГ. 5B показывает часть капсулы 406 датчика, где была нанесена эпоксидная смола или любой другой подходящий герметик 414. Эпоксидная смола 414 обеспечивает, чтобы термочувствительные 410 и 412 элементы оставались закрепленными в их соответствующих отверстиях, а также способствует обеспечению снятия напряжения там, где выводы каждого отдельного термочувствительного элемента прикреплены к термочувствительному элементу. Следовательно, приточенный кончик и чувствительные элементы могут быть предварительно встроены в металлическую капсулу с проводами. Это может способствовать более поздней настройке оборудования в ходе изготовления, для встраивания датчика в конечную длину, при поддержании согласованности измерений.

[0043] ФИГ. 6 представляет собой схематическое изображение части капсулы датчика, в которой имеются отверстия, расположенные в шахматном порядке, для нескольких термочувствительных элементов, а также искривленный конец, соответствующий кривизне выбранного канала для технологической среды. В этом смысле, вариант воплощения, проиллюстрированный на ФИГ. 6, можно рассматривать как устраняющий оба источника погрешности. При придании кривизны концу 502, совпадающей с кривизной канала для технологической среды, воздушный зазор между концом 502 и каналом для технологической среды минимизируется. Дополнительно, обеспечение шахматного порядка между отверстиями 504 и 506 с использованием технологий механической обработки обеспечивает очень надежную технологию размещения для устанавливаемых в них датчиков температуры, таких как элементы 410 и 412. Поскольку кривизну поверхности 502 необходимо выбрать в процессе заказа оборудования, вариант воплощения, показанный на ФИГ. 6, не очень подходит для внесения конечным пользователем изменений в диаметры канала для технологической среды, без требований наличия совсем новой капсулы 500 датчика.

[0044] ФИГ. 7 представляет собой схематическое изображение части капсулы датчика в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения. Капсула 600 датчика включает в себя отверстия 602 и 604, заканчивающиеся дальше от плоской поверхности 606 (т.е., от горячего конца), чем варианты воплощения, показанные на ФИГ. 5A, 5B, и 6. Концевые отверстия 602 и 604, заканчивающиеся дальше от поверхности 606, могут снизить воздействия высокой температуры на чувствительные элементы, что может дать дополнительные преимущества для более высокотемпературных применений.

[0045] ФИГ. 8 иллюстрирует другую часть капсулы датчика в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения. В частности, капсула 700 датчика включает в себя приточенный кончик 702 с диаметром, большим или равным диаметру трубы 704, для обеспечения большего пространства для чувствительных элементов в отверстиях 706, 708. Кончик 702 прикреплен к трубе 704 в соответствии с любыми подходящими технологиями, такими как сварка.

[0046] ФИГ. 9 представляет собой схематическое изображение части капсулы 800 датчика в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения. Капсула 800 датчика включает в себя вкладыш 802, который образован так, что включает в себя отверстия 804, 806. Отверстия 804, 806 подобраны по размерам для приема термочувствительных элементов, таких как элементы 410, 412 (показанные на ФИГ. 5A). Дополнительно, стенки вкладыша 802 могут быть сужены по направлению от боковой 810 стенки трубы, для обеспечения большей изоляций от условий окружающей среды.

[0047] ФИГ. 10 представляет собой схему последовательности операций способа неинвазивной оценки температуры технологической среды в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения. Способ 900 начинается в блоке 902, где конечный пользователь обеспечивает индикацию кривизны канала. Такая индикация может быть обеспечена в форме связи (например, обмена информацией между процессами и/или взаимодействия с пользовательским интерфейсом) с системой оценки температуры технологической среды, как указано на блоке 904. В качестве альтернативы, индикация может быть предоставлена изготовителю при получении данных от системы измерения температуры технологической среды, так что данные о кривизне канала уже были введены в систему, при ее поставке конечному пользователю, как указано на блоке 906. Кривизна также может быть задана конечным пользователем, заказывающим систему с капсулой датчика, имеющей кривизну, совпадающей с кривизной канала, как указано на блоке 908.

[0048] На блоке 910, систему оценки технологической среды устанавливают на канал для технологической среды. Затем, на блоке 912 получают или рассчитывают параметр R_другие. Следует отметить, что для вариантов воплощения, которые не имеют капсулу датчика с искривленным концом, совпадающим с кривизной канала, параметр R_другие будет иметь значение, на которое влияет параметр R_{воздуха}, исходя из диаметра канала для технологической среды, как указано на блоке 914. Как изложено выше, параметр R_другие можно получить из справочной таблицы, исходя из выбранной кривизны канала. Дополнительно, из справочной таблицы можно получить другие переменные теплового потока, такие как толщина торцевой заглушки и/или материал. Кроме того, также можно получить информацию о тепловом потоке в термопасте. Эти и другие факторы, которые влияют на параметр R_другие, схематически указаны под номером ссылки 916.

[0049] Затем, на блоке 918, система получает температуру обшивки канала для технологической среды. На блоке 920 измеряется эталонная температура. Эталонную температуру можно получить из датчика температуры, связанного с выводом, расположенным внутри корпуса для электронных устройств системы, или ее можно получить из дополнительного термочувствительного элемента, расположенного в капсуле датчика, но расположенного таким образом, чтобы между датчиком температуры обшивки и датчиком эталонной температуры, таким как показанный на ФИГ. 5-9, существовало известное полное тепловое сопротивление.

[0050] На блоке 922, контроллер 222 (показанный на ФИГ. 2) выполняет расчет теплового потока с использованием измеренной температуры обшивки, эталонной температуры и параметра R_другие. В вариантах воплощения, где капсула датчика имеет искривленный конец, который совпадает с кривизной канала для технологической среды, параметр R_другие может не включать в себя значение для R_{воздуха}. Однако, в таких случаях, параметр R_другие может еще моделировать другие характеристики теплового потока, такого как тепловой поток через искривленную заглушку, а также через конкретную используемую термопасту. На блоке 924 в качестве выходных данных представлена оценка температуры технологической среды, исходя из расчета теплового потока, выполненного на блоке 922. Затем, способ 900 повторяется с возвращением к блоку 918, для получения другой температуры обшивки.

[0051] Как изложено выше, было изложено множество вариантов воплощения настоящего изобретения, которые предоставляют различные решения для нескольких источников погрешности в неинвазивных системах оценки температуры технологической среды. Варианты воплощения могут включать в себя любое сочетание вышеизложенных решений. Хотя настоящее изобретение было описано применительно к предпочтительным вариантам воплощения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что по форме и по деталям могут быть сделаны изменения, без отступления от сущности и объема изобретения.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры технологической среды. Система оценки температуры технологической среды включает в себя сборочный узел, капсулу датчика, цепь измерения и контроллер. Сборочный узел сконфигурирован для прикрепления системы оценки температуры технологической среды к внешней поверхности канала для технологической среды. Капсула датчика имеет конец, который сконфигурирован для контакта с внешней поверхностью канала для технологической среды, с образованием устройства сопряжения, имеющего область контакта и воздушный зазор. Капсула датчика также имеет по меньшей мере один расположенный в ней термочувствительный элемент. Цепь измерения связана с капсулой датчика и сконфигурирована для выявления электрической характеристики по меньшей мере одного термочувствительного элемента, которая изменяется с температурой, и подачи, по меньшей мере, на канал для технологической среды информации о температуре обшивки. Контроллер связан с цепью измерения и сконфигурирован для получения информации о температуре обшивки канала для технологической среды от цепи измерения и для получения информации об эталонной температуре. Контроллер сконфигурирован для получения параметра теплового потока, относящегося к воздушному зазору устройства сопряжения, и для использования расчета теплопереноса с помощью информации о температуре обшивки канала для технологической среды, информации об эталонной температуре и параметра теплового потока, для генерирования оценочных выходных данных по температуре технологической среды. Технический результат – обеспечение точных температур технологической среды. 4 н. и 17.з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Система оценки температуры технологической среды, содержащая:

- сборочный узел, сконфигурированный для прикрепления системы оценки температуры технологической среды к внешней поверхности канала для технологической среды;

- капсулу датчика, имеющую конец, сконфигурированный для контакта с внешней поверхностью канала для технологической среды, с образованием устройства сопряжения, имеющего область контакта и воздушный зазор, причем капсула датчика имеет по меньшей мере один расположенный в ней термочувствительный элемент;

- цепь измерения, связанную с капсулой датчика и чувствительным элементом эталонной температуры в капсуле датчика, причем цепь измерения сконфигурирована для выявления электрической характеристики по меньшей мере одного термочувствительного элемента, которая изменяется с температурой, и подачи, по меньшей мере, на канал для технологической среды информации о температуре обшивки;

- контроллер, связанный с цепью измерения, причем контроллер сконфигурирован для:

- получения информации о температуре обшивки канала для технологической среды от цепи измерения;

- получения информации об эталонной температуре с использованием цепи измерения;

- получения параметра теплового потока, относящегося к воздушному зазору устройства сопряжения; и

- использования расчета теплопереноса с помощью информации о температуре обшивки канала для технологической среды, информации об эталонной температуре и параметра теплового потока для генерирования оценочных выходных данных по температуре технологической среды.

2. Система оценки температуры технологической среды по п. 1, в которой капсула датчика имеет плоский конец, а внешняя поверхность канала для технологической среды искривлена и в которой воздушный зазор расположен между плоским концом и искривленной внешней поверхностью канала для технологической среды.

3. Система оценки температуры технологической среды по п. 1, в которой цепь измерения связана с термочувствительным элементом, расположенным в корпусе для электронных устройств системы оценки температуры технологической среды.

4. Система оценки температуры технологической среды по п. 1, в которой каждый из эталонного термочувствительного элемента и термочувствительного элемента обшивки расположен в соответствующих механически обработанных отверстиях в капсуле датчика.

5. Система оценки температуры технологической среды по п. 4, в которой каждый из эталонного термочувствительного элемента и термочувствительного элемента обшивки представляет собой резистивное термочувствительное устройство.

6. Система оценки температуры технологической среды по п. 5, в которой механически обработанные отверстия представляют собой отверстия, расположенные в шахматном порядке.

7. Система оценки температуры технологической среды по п. 6, в которой каждый из эталонного термочувствительного элемента и термочувствительного элемента обшивки расположен внутри термопасты либо эпоксидной смолы в своем соответствующем отверстии из группы отверстий, расположенных в шахматном порядке.

8. Система оценки температуры технологической среды по п. 7, в которой контроллер дополнительно сконфигурирован для получения второго параметра теплового потока, относящегося к термопасте, и выполнения расчета теплового потока с использованием информации о температуре обшивки, информации об эталонной температуре и параметров теплового потока для генерирования оценочных выходных данных по температуре технологической среды.

9. Система оценки температуры технологической среды, содержащая:

- сборочный узел, сконфигурированный для прикрепления системы оценки температуры технологической среды к искривленной внешней поверхности канала для технологической среды;

- капсулу датчика, имеющую искривленный конец, сконфигурированный для контакта с искривленной внешней поверхностью канала для технологической среды, причем капсула датчика имеет по меньшей мере один расположенный в ней термочувствительный элемент;

- цепь измерения, связанную с капсулой датчика и чувствительным элементом эталонной температуры в капсуле датчика, причем цепь измерения сконфигурирована для выявления электрической характеристики по меньшей мере одного термочувствительного элемента, которая изменяется с температурой, и подачи, по меньшей мере, на канал для технологической среды информации о температуре обшивки;

- контроллер, связанный с цепью измерения, причем контроллер сконфигурирован для:

- получения информации о температуре обшивки канала для технологической среды от цепи измерения;

- получения информации об эталонной температуре и

- использования расчета теплопереноса с помощью информации о температуре обшивки канала для технологической среды и информации об эталонной температуре для генерирования оценочных выходных данных по температуре технологической среды.

10. Система оценки температуры технологической среды по п. 9, в которой информацию об эталонной температуре получают с помощью контроллера с использованием цепи измерения.

11. Система оценки температуры технологической среды по п. 9, в которой каждый из эталонного термочувствительного элемента и термочувствительного элемента обшивки расположен в соответствующих механически обработанных отверстиях в капсуле датчика.

12. Система оценки температуры технологической среды по п. 11, в которой механически обработанные отверстия представляют собой отверстия, расположенные в шахматном порядке.

13. Система оценки температуры технологической среды по п. 9, в которой контроллер дополнительно сконфигурирован для получения параметра теплового потока, относящегося к капсуле датчика, и выполнения расчета теплового потока с использованием информации о температуре обшивки канала для технологической среды, информации об эталонной температуре и параметра теплового потока.

14. Система оценки температуры технологической среды по п. 13, в которой параметр теплового потока относится к торцевой заглушке капсулы датчика.

15. Система оценки температуры технологической среды по п. 13, в которой параметр теплового потока относится к термопасте, расположенной в капсуле датчика.

16. Способ обеспечения неинвазивной оценки температуры технологической среды в отношении канала для технологической среды, имеющего искривленную поверхность, причем способ содержит:

- прием данных замера кривизны канала для технологической среды;

- соединение капсулы датчика с искривленной внешней поверхностью канала для технологической среды;

- получение температуры обшивки канала для технологической среды;

- получение эталонной температуры от местоположения, имеющее фиксированное полное тепловое сопротивление от местоположения, где была получена температура обшивки канала для технологической среды; и

- использование расчета теплового потока с использованием температуры обшивки канала для технологической среды и эталонной температуры, для обеспечения оценки температуры технологической среды, которая по меньшей мере частично компенсирует погрешность, вызванную кривизной канала для технологической среды.

17. Способ по п. 16, в котором прием данных замера кривизны канала для технологической среды включает в себя сохранение информации, относящейся к кривизне канала для технологической среды, в системе оценки технологической среды.

18. Способ по п. 16, в котором прием данных замера кривизны канала для технологической среды включает в себя выбор капсулы датчика, имеющей искривленный конец, который почти совпадает с кривизной искривленной поверхности канала для технологической среды.

19. Система оценки температуры технологической среды, содержащая:

- сборочный узел, сконфигурированный для прикрепления системы оценки температуры технологической среды к искривленной внешней поверхности канала для технологической среды;

- капсулу датчика, имеющую конец, сконфигурированный для контакта с искривленной внешней поверхностью канала для технологической среды, причем капсула датчика включает в себя первый термочувствительный элемент, расположенный вблизи конца первого отверстия в капсуле датчика, и второй термочувствительный элемент, расположенный вблизи конца второго отверстия в капсуле датчика, причем расстояние между концом первого отверстия и концом капсулы датчика меньше, чем расстояние между концом второго отверстия и концом капсулы датчика;

- цепь измерения, связанную с первым и вторым термочувствительными элементами и сконфигурированную для выявления электрической характеристики каждого из первого и второго термочувствительного элемента, которая изменяется с температурой, и подачи, по меньшей мере, на канал для технологической среды информации о температуре обшивки и информации об эталонной температуре;

- контроллер, связанный с цепью измерения, причем контроллер сконфигурирован для:

- получения информации о температуре обшивки канала для технологической среды и информации об эталонной температуре от цепи измерения и

- использования расчета теплопереноса с помощью информации о температуре обшивки канала для технологической среды и информации об эталонной температуре для генерирования оценочных выходных данных по температуре технологической среды.

20. Система оценки температуры технологической среды по п. 19, дополнительно содержащая вкладыш, расположенный в капсуле датчика, причем вкладыш имеет первое и второе отверстия.

21. Система оценки температуры технологической среды по п. 20, в которой вкладыш включает в себя стенку, которая сужена по направлению от боковой стенки капсулы датчика, для изоляции первого и второго термочувствительных элементов от условий окружающей среды.