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      使用熱成像的過(guò)程管道異常檢測(cè)的制作方法

      文檔序號(hào):9233016閱讀:1199來(lái)源:國(guó)知局
      使用熱成像的過(guò)程管道異常檢測(cè)的制作方法
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)過(guò)程中使用類型的過(guò)程控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的診斷。更具體地,本發(fā) 明涉及基于工業(yè)過(guò)程中的熱成像的診斷。
      【背景技術(shù)】
      [0002] 工業(yè)過(guò)程用于各種過(guò)程流體的制造和移動(dòng)。在這種設(shè)備中,管道用于在諸如容器 或其它器皿的各種位置之間輸送過(guò)程流體。管道、容器和其它類型的器皿是過(guò)程管道的示 例。
      [0003] 工業(yè)過(guò)程內(nèi)使用的運(yùn)送過(guò)程流體的各種管道可能往往會(huì)隨著時(shí)間而損壞。該損壞 的一個(gè)來(lái)源是由于暴露于過(guò)熱的溫度。這種過(guò)熱的溫度可能會(huì)造成過(guò)程中的溫度梯度,該 溫度梯度可以通過(guò)操作者在物理上行走通過(guò)攜帶手持式熱成像照相機(jī)的工業(yè)設(shè)備以獲得 紅外表面溫度測(cè)量來(lái)識(shí)別。操作者必須手動(dòng)解釋圖像信息以確定溫度是否在規(guī)定范圍外。 這耗費(fèi)時(shí)間且無(wú)法提供對(duì)過(guò)程內(nèi)的臨界點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)控。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0004] 一種用于檢測(cè)過(guò)程管道的狀態(tài)的診斷現(xiàn)場(chǎng)裝置包括紅外檢測(cè)器,所述紅外檢測(cè)器 包括多個(gè)像素,所述多個(gè)像素被構(gòu)造成從過(guò)程管道接收紅外輻射并以響應(yīng)的方式提供多個(gè) 像素輸出。多個(gè)像素中的第一像素被構(gòu)造成從過(guò)程管道上的第一位置接收紅外輻射。多個(gè) 像素中的第二像素被構(gòu)造成從過(guò)程管道上的第二位置接收紅外輻射。存儲(chǔ)器含有熱分布圖 信息,所述熱分布圖信息使來(lái)自第一像素的輸出與第一位置處的第一溫度相關(guān),并使來(lái)自 第二像素的輸出與第二位置處的第二溫度相關(guān)。微處理器根據(jù)來(lái)自第一像素和第二像素的 輸出識(shí)別過(guò)程異常。輸出電路提供指示識(shí)別的過(guò)程異常的診斷輸出。
      【附圖說(shuō)明】
      [0005] 圖1是顯示包括診斷現(xiàn)場(chǎng)裝置的工業(yè)過(guò)程的簡(jiǎn)圖;
      [0006] 圖2A是顯示過(guò)程異常的過(guò)程管道的側(cè)視熱像;
      [0007] 圖2B是圖2A的熱像中的多個(gè)切片的溫度分布圖;
      [0008] 圖3是顯示圖1的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)裝置的簡(jiǎn)化方框圖;
      [0009] 圖4是顯示與圖3中所示的現(xiàn)場(chǎng)裝置一起使用的紅外檢測(cè)器的一個(gè)示例結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn) 化示意圖;
      [0010] 圖5是顯示用于檢測(cè)過(guò)程異常的示例步驟的簡(jiǎn)化方框圖;以及
      [0011] 圖6是顯示與圖3中所示的現(xiàn)場(chǎng)裝置一起使用的紅外檢測(cè)器的另一個(gè)示例結(jié)構(gòu)的 簡(jiǎn)化示意圖。
      【具體實(shí)施方式】
      [0012] 如【背景技術(shù)】部分中所述,過(guò)程管道的紅外表面測(cè)量通常需要操作者攜帶手持式熱 成像裝置物理上行走通過(guò)工業(yè)設(shè)備。操作者使用熱成像裝置從過(guò)程中的臨界點(diǎn)手動(dòng)收集數(shù) 據(jù)。如果這些臨界點(diǎn)無(wú)法持續(xù)監(jiān)測(cè),則溫度可能會(huì)超過(guò)用于制造管道的材料的極限,從而造 成故障,使得設(shè)備過(guò)早停止運(yùn)轉(zhuǎn)。如以下更詳細(xì)地說(shuō)明,設(shè)置診斷裝置,所述診斷裝置可以 根據(jù)熱成像而不是采用與工業(yè)過(guò)程的部件物理上耦合的溫度傳感器來(lái)識(shí)別工業(yè)過(guò)程中使 用的過(guò)程管道中的異常。這允許自動(dòng)化監(jiān)測(cè)過(guò)程且不需要操作者物理檢查過(guò)程。在一個(gè)示 例性實(shí)施例中,紅外陣列用于獲得工業(yè)過(guò)程的熱像。診斷電路通過(guò)監(jiān)測(cè)熱像執(zhí)行診斷。熱 像的變化可以與故障管道相關(guān)聯(lián)。
      [0013] 圖1是顯示示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括過(guò)程診斷裝置12的工業(yè)過(guò)程10的 簡(jiǎn)圖。裝置12可以為諸如獨(dú)立式裝置或過(guò)程變量傳送器或控制器的任何類型的過(guò)程裝置。 裝置12耦合到雙線過(guò)程控制回路18上的另一個(gè)位置,例如處理控制室16。例如,回路18 可以包括還可以用于給連接到回路18的裝置供電的4-20mA的電流回路。數(shù)據(jù)可以根據(jù)任 何適當(dāng)?shù)膮f(xié)議在回路上輸送,所述協(xié)議例如為在4mA與20mA之間變化的模擬電流水平、數(shù) 字信息根據(jù)4-20mA的電流來(lái)調(diào)制的HART?通信協(xié)議、FieldBus或Profibus通信協(xié)議等 等,包括無(wú)線通信技術(shù)。無(wú)線通信技術(shù)的一個(gè)示例為基于IEC62591的無(wú)線HART?通信協(xié) 議。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、光纖連接或其它通信信道也可以用于實(shí)現(xiàn)回路18??刂剖?6包括下面更 詳細(xì)說(shuō)明的可選的顯示器19。
      [0014] 如圖1中所示,過(guò)程裝置12包括被構(gòu)造成例如從管道32接收紅外輻射104的紅 外檢測(cè)器100。檢測(cè)器100可以包括紅外熱成像照相機(jī)。管道32被顯示為罐,但也可以包 括承載過(guò)程流體的任何容器,包括過(guò)程管道。檢測(cè)器100可以包括紅外傳感器陣列。如以 下更詳細(xì)地說(shuō)明,過(guò)程裝置12能夠通過(guò)監(jiān)測(cè)紅外輻射104檢測(cè)管道32中的異常。
      [0015] 圖2A是管道32的側(cè)視熱像圖并顯示過(guò)程流體的流動(dòng)。圖2A還顯示管道32的過(guò) 程管道表層溫度42的異常40。異常40由圖中的較暗區(qū)域顯示,該區(qū)域指示與周圍區(qū)域相 比更高的溫度。該局部加熱區(qū)域可能是由于許多來(lái)源造成的。例如,流動(dòng)中的熱對(duì)象可以靠 近管道壁定位,管道壁可以很薄并具有損失的結(jié)構(gòu)完整性,過(guò)程中的熱源可能會(huì)影響管道 等。雖然異常40被顯示為升高溫度區(qū)域,但是過(guò)程異常還可以通過(guò)識(shí)別局部冷卻來(lái)檢測(cè)。 檢測(cè)到的異??梢员砻骷磳l(fā)生的故障,或者可以表明已經(jīng)出現(xiàn)故障。異常40可以使用圖 1中所示的紅外檢測(cè)器100來(lái)檢測(cè)以監(jiān)測(cè)管道32上的熱點(diǎn)或冷點(diǎn)。
      [0016] 異態(tài)檢測(cè)可以通過(guò)許多技術(shù)。例如,可以獲悉管道32由于過(guò)程動(dòng)態(tài)和固有溫度變 化產(chǎn)生的正常溫度特性。如果熱檢測(cè)器100為熱成像裝置,則管道32的熱像可以以觀察數(shù) 據(jù)中的相對(duì)趨勢(shì)的像素水平被監(jiān)測(cè)以識(shí)別表面異常。如果成組的像素具有與熱像中的其它 像素有關(guān)隨著時(shí)間逐漸變化的特性,則可以檢測(cè)到異常。警報(bào)可以隨同指示管道32的表面 上何處被觀察到異常40的信息一起被提供給操作者。
      [0017] 熱像的評(píng)價(jià)可以以許多方式來(lái)執(zhí)行。例如,可以監(jiān)測(cè)圖像的單獨(dú)切片。"切片"為 由多于一個(gè)的像素組成的熱像的一部分的一個(gè)示例。切片由沿管道32的表面的橫截面獲 得的像素構(gòu)成。圖2A顯示示例性切片44。每一個(gè)切片的平均溫度可以根據(jù)構(gòu)成切片的像 素來(lái)確定。圖2B是沿管道32的長(zhǎng)度獲得的熱像中的各個(gè)切片相對(duì)于溫度的曲線圖。在該 示例中,管道32具有大致線性正常溫度分布圖。異常40在圖2B中表現(xiàn)為該分布圖中的非 線性區(qū)域。分布圖可以通過(guò)利用理論循環(huán)被標(biāo)準(zhǔn)化以說(shuō)明正常過(guò)程操作的一部分的任何變 化。正?;蝾A(yù)期溫度值可以被從測(cè)量的溫度分布圖減去以說(shuō)明這種變化。
      [0018] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的過(guò)程裝置12的簡(jiǎn)化方框圖。過(guò)程裝置12可以 被構(gòu)造成獨(dú)立診斷裝置或者過(guò)程變量傳送器或控制器。裝置12包括根據(jù)存儲(chǔ)器26中存儲(chǔ) 的指令以由時(shí)鐘28確定的速率操作的微處理器24。通信電路(1/0)30用于在過(guò)程控制回 路18上進(jìn)行通信。在一些實(shí)施例中,I/O電路30還將電力提供給裝置12。
      [0019] 圖3顯示連接到處理電路102的紅外檢測(cè)器100。紅外檢測(cè)器100被構(gòu)造成接收 紅外輻射104并輸出熱像。處理電路102在將圖像提供到微處理器24之前提供檢測(cè)的紅 外圖像的可選預(yù)先處理。要注意的是圖2還顯示可選的過(guò)程變量接口元件20和接口電路 22。接口元件20可以為過(guò)程變量傳感器或控制器。
      [0020] 檢測(cè)器100被布置成從圖1所示的過(guò)程管道32接收紅外輻射104。檢測(cè)的紅外 輻射形成過(guò)程管道32的熱像或紅外圖像。所述圖像由與管道32中的不同區(qū)域相對(duì)應(yīng)的多 個(gè)分部或部分形成。紅外檢測(cè)器100優(yōu)選地具有方向性,并且如在下面更詳細(xì)地說(shuō)明包括 多個(gè)單獨(dú)的紅外傳感器("像素")。這些傳感器可以為單獨(dú)的獨(dú)立元件或者可以被制造成 單個(gè)裝置。來(lái)自紅外檢測(cè)器100的輸出被提供到圖3中顯示的處理電路102,所述處理電 路將已處理的輸出提供給微處理器24。例如,處理電路102可以包括放大電路、減噪電路、 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、比較電路等。來(lái)自處理電路102的輸出以數(shù)字格式被提供到微處理器24。
      [0021] 在一個(gè)示例性結(jié)構(gòu)中,紅外檢測(cè)器100由至少兩個(gè)單獨(dú)的紅外傳感器120A和120B 形成,如圖4中所示。在圖4中,紅外檢測(cè)器100被構(gòu)造成形成僅包括由紅外傳感器120A 和120B形成的兩個(gè)像素的紅外(或者熱)圖像。這兩個(gè)像素中的每一個(gè)與紅外圖像的分 部或者一部分相對(duì)應(yīng)并感測(cè)來(lái)自過(guò)程管道32上的兩個(gè)位置106AU06B的紅外輻射。位置 106AU06B為管道32的多個(gè)部分或"切片"的示例。如上所述,每一個(gè)像素可以觀察管道32 的圖像的一部分或者"切片"。圖4是僅由兩個(gè)像素形成的圖像的示例。然而,一個(gè)典型實(shí) 施例可以使用大量像素形成圖像。紅外傳感器120A和120B被布置成分別接收通過(guò)可選的 紅外透鏡、過(guò)濾器或其它元件130A,130B的紅外輻射104A,104B。在圖4所示的結(jié)構(gòu)中,傳 感器120A和120B分別利用通過(guò)電阻器122A和122B連接到地線的紅外敏感晶體管132A和 132B形成。然而,本發(fā)明可以使用任何類型的熱傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),包括熱電堆、光電二極管或 者其它元件。晶體管132A和132B連接到正供電電壓,并且根據(jù)充分的紅外輻射104AU04B 的接收將輸出提供到圖3所示的處理電路102以"接通"晶體管132AU32B。雖然圖4顯示 使用晶體管實(shí)現(xiàn)的紅外傳感器,但是也可以采用任何適當(dāng)類型的紅外感測(cè)技術(shù)。示例包括 紅外感測(cè)二極管、電荷耦合裝置(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)裝置或者其它裝置。 在圖4的實(shí)施例中,顯示兩個(gè)單獨(dú)的傳感器。然而,傳感器可以形成為一維或二維陣列或矩 陣。因此,可以僅使用兩個(gè)單獨(dú)的紅外傳感器獲得捕獲的熱像且每一個(gè)傳感器與圖像內(nèi)的 分部或區(qū)域相對(duì)應(yīng),或者可以使用大量單獨(dú)的傳感器以形成更大的矩陣或陣列來(lái)形成捕獲 的熱像。
      [0022] 在操作中,紅外傳感器120A和120B被引導(dǎo)(指向)以從管道32上的不同位置 106A和106B接收紅外輻射104A和104B。位置106A、106B的具體形狀和尺寸取決于傳感 器120A,120B、透鏡130A,130B的特性以及檢測(cè)器100與過(guò)程管道32之間的間距和相對(duì)方 位。來(lái)自傳感器120A、120B的輸出被提供到處理電路102。例如,處理電路102可以將來(lái)自 傳感器120AU20B的輸出數(shù)字化并將數(shù)字信號(hào)提供到微處理器24。
      [0023] 圖5是顯示根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的由圖3所示的微處理器24執(zhí)行的步驟的簡(jiǎn) 化方框圖。圖150中顯示的步驟可以在存儲(chǔ)器26中存儲(chǔ)的程序指令中被實(shí)施。所述過(guò)程 以方框152開(kāi)始。在方框154處,來(lái)自管道32的多個(gè)部分的紅外輻射104使用檢測(cè)器100 被收集、通過(guò)處理電路102被數(shù)字化并被提供到微處理器24。在方框156處,與接收到的 輻射相關(guān)的信息在過(guò)程的正常操作期間作為用于過(guò)程管道32的熱分
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