CN102472671A - 热电偶套管振动频率诊断 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种装置和方法，其通过检测定位在过程流体流动通道中的热电偶套管的振动频率，并基于检测到的振动频率提供诊断输出，以监测工业过程系统中的温度测量点的情况。该装置包括温度测量点，其具有热电偶套管、振动传感器、温度传感器和变送器。振动传感器固定地连接到热电偶套管，并且温度传感器定位在热电偶套管的孔腔的内部。变送器电连接到温度传感器和振动传感器。

Description

热电偶套管振动频率诊断

技术领域

本发明涉及一种热电偶套管，特别地，涉及热电偶套管振动。

背景技术

热电偶套管用在过程控制工业中以容纳温度传感器。热电偶套管通常是长的圆筒形管，在一端处密封，在另一端处开口。温度传感器插入热电偶套管的开口端中，并且热电偶套管插入过程流体中。这种布置允许温度传感器在没有直接暴露到过程流体的情况下测量过程流体的温度。当过程流体对温度传感器是危险时，这可以帮助保护温度传感器。

在许多应用中，热电偶套管插入到过程中，其中过程流体在热电偶套管上并围绕热电偶套管流动。这可能会导致湍流、漩涡和旋涡，其可能导致热电偶套管振动。在某些情况下，这种振动可以导致热电偶套管以其固有频率振荡。在热电偶套管的固有频率处的振荡可能导致热电偶套管由于疲劳而出现故障，最终破裂甚至断开。这种故障可能导致温度传感器出现故障，并且整个过程需要停机。在一些过程中，过程屏蔽物中的诸如热电偶套管断裂之类的任何破裂可能会导致火灾、环境损害或其他危险情况。

发明内容

本发明包括方法和装置两者。本发明的一个实施例是用于监测工业过程系统中的温度测量点的情况的方法。定位在过程流体流动通道中的热电偶套管的振动频率被检测。根据振动频率提供诊断输出。

本发明的另一个实施例是温度测量点，包括热电偶套管、振动传感器、温度传感器和变送器。振动传感器固定地连接到热电偶套管，温度传感器定位在热电偶套管的孔腔内。变送器电连接到温度传感器和振动传感器两者。

然而，本发明的另一个实施例是变送器，包括第一接线端、第二接线端、微处理器和通信电路。第一接线端被配置以电连接到温度传感器，并且第二接线端被配置以电连接到振动传感器。微处理器电连接到第一接线端和第二接线端中的每一个。微处理器被编程，以基于从第一接线端接收到的数据计算温度值，基于从第二接线端接收到的数据计算振动频率，比较振动频率和目标频率，并且基于振动频率与目标频率的比较产生热电偶套管的诊断输出。通信电路电连接到微处理器并且被编程以将温度值和诊断输出传送到用户界面。

本发明的另一实施例是包括热电偶套管和振动传感器的组件。热电偶套管包括配置以将热电偶套管连接到过程隔板的连接部。热电偶套管具有位于连接部的过程侧的第一热电偶套管表面和位于连接部的非过程侧的第二热电偶套管表面。振动传感器固定地连接到第二热电偶套管表面。

附图说明

图1A是温度测量点的剖切正视图。

图1B是图1A的温度测量点的可替换实施例的局部剖切正视图。

图1C是图1B的温度测量点的可替换实施例的正视图。

图2是沿图1A的截面2-2的顶部剖视图。

图3是图1B的温度测量点的热电偶套管的正视图。

图4是图1A的温度测量点的框图。

图5是监测图1A的温度测量点的情况的方法的流程图。

图6是监测图1A的温度测量点的情况的另一种方法的流程图。

具体实施方式

大体上，本发明包括在过程中测量热电偶套管振动频率和将该频率与热电偶套管的固有频率进行比较的方法和装置。这可以由电连接到固定连接到热电偶套管的加速计的变送器执行。如果发现热电偶套管在其固有频率附近振动，则可以发出警报，向用户发出热电偶套管故障可能迫近的信号。

图1A是温度测量点10的剖视图。根据一个实施例，温度测量点10包括变送器12(其包括壳体14、壳体孔18、变送器电路20、温度传感器接线端22和振动传感器接线端24)、温度传感器26(其包括保护管27、温度传感器尖端28和温度传感器导线30)、振动传感器32(其包括振动传感器导线34)、热电偶套管接头36(其包括装配外部38和装配通道40)、热电偶套管42(其包括近端44、远端46、热电偶套管外表面48、热电偶套管孔腔50和过程连接部52)、以及过程流动通道54(其包括过程孔56)。

壳体14包围变送器12的包括变送器电路20的内部部件。变送器12还包括温度传感器接线端22，温度传感器接线端22通过温度传感器导线30电连接到温度传感器26。温度传感器26可以是几乎任何温度传感装置，如热电偶或电阻式温度检测器(RTD)。温度传感器26可以由长的圆筒形保护管27包围。变送器12还包括振动传感器接线端24，振动传感器接线端24通过振动传感器导线34电连接到振动传感器32。振动传感器32可以是几乎任何振动传感装置，如加速计或频闪观测装置。温度传感器导线30和振动传感器导线34都可以分别地包括多根电线，用于形成到在温度传感器接线端22和振动传感器接线端24中的每一个处的多个节点的多个电连接。

热电偶套管接头36具有装配外部38，装配外部38用于在其顶部处连接到壳体孔18，并且用于在其底部处连接到热电偶套管42。热电偶套管接头36还具有装配通道40，装配通道40的大小允许从中通过温度传感器26和振动传感器导线34。

套管42可以是长的大致圆筒形容器或者管，具有孔腔50，孔腔50在近端44处开口并在远端46处封闭。在图示实施例中，热电偶套管42在近端44附近具有较宽直径并在远端46附近具有较窄直径。热电偶套管42具有位于热电偶套管外表面48上的用于连接到工业生产过程的过程连接部52。在图示实施例中，过程连接部52是外表面48上的螺纹区域，用于拧入过程流体通道54的过程孔56中。过程连接部52密封工业过程，以使过程流体不从热电偶套管42的过程侧流动到热电偶套管42的非过程侧。热电偶套管42的过程侧包含暴露到过程流体的部分。热电偶套管42的非过程侧包括热电偶套管42的所有与过程流体隔开的部分，如外部表面48和孔腔50。孔腔50的尺寸允许温度传感器头28的插入，从而温度传感器尖端26靠近远端46。在图示实施例中，振动传感器32在孔腔50内在近端44附近固定地连接到热电偶套管42。在其他实施例中，振动传感器32可以在与危险过程流体隔离的几乎任何位置处固定地连接到热电偶套管42，如在管孔腔50内部在远端46附近。传统热电偶套管的孔腔可以进行修改以包括用于振动传感器32和温度传感器26两者的空间。

热电偶套管42可以通过过程孔56插入过程流动通道54，以使远端46处于过程流体流动路径中。在图示实施例中，过程流动通道54是管。在可替换实施例中，过程流体通道54可以是过程流体在热电偶套管上流动的几乎任何结构，如流体在其中被混合的罐。

图1B是图1A的温度测量点的可替换实施例的局部剖切正视图。图1B的温度测量点10’类似于图1A的温度测量点10，除了变送器12’、热电偶套管接头36’和热电偶套管42’具有与变送器12、热电偶套管接头36和热电偶套管42不同的结构。与图1A的壳体14相比，变送器12’具有用于壳体14’的可替换结构。与用于图1A的热电偶套管接头36的单件相对比，热电偶套管接头36’是三件式接头。

与图1A的热电偶套管42相比，热电偶套管42’也具有可替换结构。1A。热电偶套管42’具有过程连接部52’，过程连接部52’包括在近端44’和远端46’之间焊接到外表面48’的法兰。在外表面48’上没有螺纹区域。替换地，通过将过程连接部52’螺栓连接或焊接到过程流体通道54(未显示在图1B中)而连接热电偶套管42’。振动传感器32再次在内孔腔50’内固定地连接到热电偶套管42’。尽管存在配置差异，但温度测量点10’的功能类似于图1A的温度测量点10。在其他实施例中，热电偶套管42’可以具有其他形状和结构，只要振动传感器32可以被适当地连接。

图1C是图1B的温度测量点10’的可替换实施例的正视图。图1C的温度测量点10”类似于图1B的温度测量点10’，除了振动传感器32连接到外表面48’，而不是孔腔50’内侧。在所示实施例中，振动传感器32连接到近端44’和过程连接部52’之间的外表面48’。在其他实施例中，振动传感器32可以在与危险过程流体隔开的几乎任何位置处固定地连接到热电偶套管42’，如连接到过程连接部52’。还在图示实施例中，振动传感器导线34定位在热电偶套管接头36’的外部，而不是如图1B中定位在热电偶套管接头36’的内部。尽管存在配置差异，温度测量点10”功能类似于图1A的温度测量点10和图1B的温度测量点10’。

在图1A、1B、1C的每个实施例中，振动传感器32可以通过焊接、螺栓连接固定到热电偶套管42或热电偶套管42’，或通过足够稳固地固定振动传感器以精确地检测热电偶套管42或热电偶套管42’的振动频率的几乎任何方法固定到热电偶套管42或热电偶套管42’。在另一个实施例中，只要振动传感器32被定位为精确地检测热电偶套管42或热电偶套管42’的振动频率，振动传感器32不需要直接地固定到热电偶套管42或热电偶套管42’。

图2是图1A的热电偶套管42的沿截面2-2的顶部剖视图。在图示实施例中，热电偶套管42浸入沿从左到右的方向流动的过程流体中。朝向热电偶套管42流动的过程流体由热电偶套管外表面48在热电偶套管42附近改变方向。这种情况可能在热电偶套管42下游形成涡流、漩涡和湍流58。某些湍流58可能会导致热电偶套管42振动。

图3是处于过程流动通道54中的热电偶套管42’的正视图。如果过程流体流动形成使热电偶套管42’在其固有频率处或附近振动的湍流，则热电偶套管42’会以相对高的幅度来回振荡。振荡箭头59显示热电偶套管42的振荡方向。为了清楚起见，在图1C中振荡幅度被放大。尽管如此，在固有频率处或附近的热电偶套管振荡可能会导致灾难性热电偶套管故障。由湍流引起的热电偶套管42的振动通常在近端44附近比在远端46了附近具有更大的振幅；然而，这种振动的频率可以在两端处几乎相同。因此，由安装在近端44附近的振动传感器32测得的振动频率可以代表在远端46处的振动频率。振动传感器32然后可以发送振动频率信号到变送器12(在图3中未显示)。

图4是温度测量点10的框图，包括变送器12的多个部件。变送器12包括第一信道60、第二信道62、多路复用器64、模数(A/D)转换器66、微处理器68、本地操作者界面(LOI)70和通信电路72。温度传感器接线端22将温度传感器26连接至第一信道60；并且振动传感器接线端24将振动传感器32连接到第二信道62。多路复用器64接收来自第一信道60和第二信道62的模拟信号，并且在单线上将信号输出到A/D转换器66。

A/D转换66将从复用器64接收的模拟信号转换成数字信号，并且传输数字信号到微处理器68。微处理器68可以用固件或软件编程，用于操作变送器12。固件可以包括用于根据从A/D转换器66接收的数字信号计算温度值和振动频率的测量编程。微处理器68可以电连接到LOI 70，并且具有用于与操作者(或用户)通信的装置描述软件。LOI 70允许操作者监视和控制温度测量点10的操作。在一个实施例中，LOI 70可以包括用于显示来自微处理器68的信息的液晶显示(LCD)屏和用于将信息输入微处理器68的一组按钮。LOI 70可以直接位于变送器12上。微处理器68也可以通过通信电路72连接到远程用户界面74。变送器12可以通过无线或有线连接而连接到远程用户界面74，并且用诸如

或Foundation^TM Fieldbus之类的标准通信协议进行通信。优选地，远程用户界面74也可以允许用户监视和控制温度测量点10的操作。在一个实施例中，远程用户界面74可以是手持装置。在另一个实施例中，远程用户界面74远程定位的控制室，控制室接收来自变送器12的振动和温度信息。这允许用户在控制室中监视温度测量点10处以及在其他温度测量点处的温度和振动数据。用于传递信息到变送器18和从变送器18接收信息的许多功能可以LOI 70或远程用户界面74或两者执行。此处为简单起见，将LOI 70和远程用户界面74统称为用户界面。在其他实施例中，温度测量点10可以包括比图示实施例多的传感器、接线端和信道。

图5是监测工业过程系统中的温度测量点10的情况的方法的流程图。首先，热电偶套管42安装在适合用于测试其固有频率的测试夹具中(步骤100)。一个合适的测试夹具可以将热电偶套管42相对牢固地保持在过程连接部52处，同时允许远端46保持自由。然后确定热电偶套管42的固有频率(步骤102)。固有频率可以通过各种计算方法或经验平均确定，如用锤在远端46附近击打热电偶套管42，并用固定地安装到热电偶套管42的振动传感器32测量振动。一旦确定热电偶套管42的固有频率，则随后可以通过用户界面(如LOI 70或远程用户界面74)将固有频率值输入到变送器12(步骤104)。固有频率值也可以被铭刻在热电偶套管42上，将来为安装人员或用户提供参考。

然后，提供过程流体在热电偶套管42周围流动(步骤106)。通常地，步骤106将包括从测试夹具上移除热电偶套管42，并且在另一个位置处将其安装在过程中。当过程流体在热电偶套管42周围流动时，热电偶套管42可能由于流体湍流而振动。随后，由振动传感器32检测热电偶套管42的振动频率(步骤108)。变送器12接收来自振动传感器32的振动信息，并且随后处理振动信息(步骤110)。振动信息的处理可以以几种方式执行。在一个实施例中，变送器12可以基于振动信息计算被检测到的振动频率。在另一个实施例中，变送器12可以计算检测到的振动频率，并将检测到的振动频率与目标频率进行比较。目标频率可以是多种频率中的一中，如在步骤104中输入的热电偶套管42的固有频率，或预定的频率极限。预定的频率迹线可以是热电偶套管42的固有频率的函数，如约0.8倍固有频率。此外，可以有两个或两个以上的预定频率极限，例如约0.8倍固有频率和约1.2倍固有频率。预定频率极限可以在制造期间被预编程到变送器12中，并且可以使用用户界面进行调节。在又一实施例中，变送器12可以进行长期振动趋势监测，以检测热电偶套管42的条件的变化或过程中的变化。

在已经处理振动信息以后，通过用户界面提供振动诊断输出(步骤112)。振动诊断输出可以采取几种形式。在一个实施例中，振动诊断输出可以包括检测到的振动频率的显示。在另一个实施例中，振动诊断输出可以包括检测到的振动频率与固有频率的比较显示。这种比较可以包括：显示检测到的振动频率和固有频率的实际数值，将检测到的振动频率显示为固有频率的百分比，或两者兼而有之。在又一实施例中，变送器12可以提供由超过预定频率极限的检测到的振动频率触发的警报或指示。在另外的实施例中，变送器12可以根据长期振动趋势监测提供迫近热电偶套管故障的警报或指示。

这些不同类型的振动诊断输出种的每一种都可以是有用的，这取决于如何处理振动信息，并且取决于用户喜好。通过提供检测到的振动频率的连续显示，无论用户何时希望监测振动频率，用户都可以这样做。最近ASME标准建议，热电偶套管的实际振动频率不超过热电偶套管的固有频率的80％。通过将检测到的振动频率与固有频率进行比较，用户可以判断该过程是否是在ASME标准内或在由用户优选的不同范围内运行。通过将实际振动数据提供给用户，允许他或她根据该信息以及他或她自己的专业知识作出决定。可替换地，只有在检测到的振动频率超过预定极限时才提供警报或指示给用户警告用户故障可能迫近的时间，同时使用户免于不得不作出判断决定。这种系统在过程使用大量热电偶套管，每个热电偶套管都可以具有不同的检测到的振动频率和不同的固有频率时是有用的。此外，在振动水平看来不会是灾难性的但随着时间的推移振动已经开始损坏热电偶套管时，基于长期振动趋势监测指示热电偶套管故障的迫近会是有帮助的。

图6是监测工业过程系统中的温度测量点10的情况的另一种方法的流程图。在开始这个方法时，温度测量点10已经安装在过程中。首先，过程流体被提供以在热电偶套管42周围流动(步骤120)。当过程流体在热电偶套管42周围流动时，热电偶套管42可能由于流体湍流而振动。热电偶套管42的振动频率然后由振动传感器32检测(步骤122)。变送器12接收来自振动传感器32的振动信息，并且随后处理振动信息(步骤124)。变送器12可以以上面关于图5中显示的方法描述的每一种方式处理振动信息。在振动信息已经被处理以后，通过用户界面提供振动诊断输出(步骤126)。变送器12可以以上面关于图5中显示的方法描述的每一种方式提供振动诊断输出。

在执行步骤122、124和126时，步骤128、130和132可以同时进行。热电偶套管42附近的过程温度由温度传感器26检测(步骤128)。变送器12接收来自温度传感器26的温度信息，并随后处理温度信息(步骤130)。变送器12根据温度信息计算检测到的过程温度。检测到的过程温度的计算方式取决于温度传感器26是否是电阻式温度检测器(RTD)、热电偶或是一些其他温度传感器。但是这样的计算是众所周知并且将不在此进一步描述。在计算检测到的过程温度以后，然后通过用户界面提供温度输出(步骤132)。温度输出可以是检测到的过程温度的视觉指示。

在图6中所示的方法中，变送器12可以同时处理温度信息并提供给用户，同时还处理和提供热电偶套管振动信息给用户。使用单个传感器以监测温度和振动两者，避免不得不添加额外的专门用于振动监测的变送器。

在可替换实施例中，监测热电偶套管振动频率可以使用与温度测量电子元件完全地隔离的电子元件。这允许用户将振动监测装置安装到过程中，而不必更换现有的温度测量变送器。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在没有偏离本发明的范围的情况下可以进行各种变化，并且可以用其等同物替代其中元件。此外，可以进行许多修改以在没有偏离本发明的本质范围的情况下使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是，本发明不限于所披露的特别实施例，而是本发明将包括落入附后权利要求的保护范围内的所有实施例。例如，变送器12内的电路可以不同于在图4中特别图示的那些。此外，上述第一和第二方法可以用不同于温度测量点10的装置进行，只要该装置与所选择的方法兼容。

Claims (22)

1.一种监测工业过程系统中的温度测量点的情况的方法，该方法包括下述步骤：

检测定位在过程流体流动通道中的热电偶套管的振动频率；

基于检测到的振动频率确定热电偶套管的情况；以及

基于检测到的振动频率提供诊断输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其中采用固定地连接到热电偶套管的振动传感器检测振动频率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中振动传感器包括加速计。

4.根据权利要求2所述的方法，其中振动传感器基本上与过程流体隔离。

5.根据权利要求1所述的方法，其中诊断输出是热电偶套管故障迫近的指示。

6.根据权利要求5所述的方法，其中热电偶套管故障迫近的指示包括检测到的振动频率与热电偶套管的固有频率的比较。

7.根据权利要求5所述的方法，其中响应于检测到的超过预定频率极限的振动频率提供热电偶套管故障迫近的指示。

8.一种监测工业过程系统中的温度测量点的情况的方法，该方法包括下述步骤：

检测定位在过程流体流动通道中的热电偶套管的振动频率；

检测邻近热电偶套管的过程流体的温度；

基于检测到的温度提供温度输出；以及

基于检测到的振动频率提供诊断输出。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，诊断输出包括下列信息中的一种：

检测到的振动频率与热电偶套管的固有频率的比较；

检测到的振动频率已经超过预定频率极限的指示；或者

热电偶套管故障迫近的指示。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，通过连接到热电偶套管的振动传感器检测振动频率。

11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

通过变送器将温度输出和诊断输出传送到控制室。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：

校准热电偶套管以确定其固有频率值；以及

在提供诊断输出之前将固有频率值输入到变送器中。

13.一种温度测量点，包括：

包括孔腔的热电偶套管；

振动传感器，固定地连接到热电偶套管；

温度传感器，定位在孔腔内部；和

变送器，电连接到温度传感器和振动传感器。

14.根据权利要求13所述的温度测量点，其中振动传感器包括加速计。

15.根据权利要求13所述的温度测量点，其中变送器被编程，以基于从温度传感器接收的数据计算温度值，基于从振动传感器接收到的数据计算振荡频率，比较振荡频率和热电偶套管的固有频率，并且基于振荡频率与固有频率的比较产生热电偶套管的诊断输出。

16.根据权利要求15所述的温度测量点，进一步包括：

与变送器通信的用户界面，其中用户界面基于来自变送器的信号产生热电偶套管故障迫近的指示。

17.一种变送器，包括：

第一接线端，电连接到温度传感器；

第二接线端，电连接到振动传感器；

微处理器，电连接到第一接线端和第二接线端，其中微处理器被编程，以基于从第一接线端接收到的数据计算温度值，基于从第二接线端接收到的数据计算振动频率，比较振动频率和目标频率，并且基于振动频率与目标频率的比较产生热电偶套管的诊断输出；和

通信电路，电连接到微处理器，其中通信电路被编程以将温度值和诊断输出传送到用户界面。

18.根据权利要求17所述的变送器，其中目标频率是作为热电偶套管的固有频率的函数的预定频率极限。

19.一种组件，包括：

热电偶套管，包括：

连接部，用于将热电偶套管连接到过程隔板；

第一热电偶套管表面，包括热电偶套管的位于连接部的过程侧的部分；和

第二热电偶套管表面，包括热电偶套管的位于连接部的非过程侧的部分；和

振动传感器，固定地连接到第二热电偶套管表面。

20.根据权利要求19所述的组件，其中热电偶套管进一步包括孔腔，并且其中振动传感器定位在孔腔内部。

21.根据权利要求19所述的组件，其中热电偶套管进一步包括孔腔，并且其中振动传感器定位在孔腔的外部。

22.根据权利要求19所述的组件，其中热电偶套管连接到过程隔板，以使第一热电偶套管表面暴露到过程流体，并且第二热电偶套管表面基本上与过程流体隔离。

Images