熱電偶套管中的振動(dòng)檢測(cè)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種傳感器系統(tǒng)包括過(guò)程換能器、無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器和過(guò)程變送器。所述過(guò)程換能器設(shè)置在熱電偶套管內(nèi)并且配置用于產(chǎn)生第一傳感器信號(hào)。所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管的振動(dòng)的第二傳感器信號(hào)。所述過(guò)程變送器配置用于接收、處理和發(fā)送所述第一和第二傳感器信號(hào)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】熱電偶套管中的振動(dòng)檢測(cè)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型通常涉及過(guò)程傳感器系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的流體傳感器的熱電偶套管傳感器外殼。

【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)過(guò)程變送器和傳感器組件用于感測(cè)流經(jīng)導(dǎo)管或者包含在容器內(nèi)的過(guò)程流體的各種特性，并且將與那些過(guò)程特性有關(guān)的信息發(fā)送至距所述過(guò)程測(cè)量位置遠(yuǎn)程設(shè)置的控制、監(jiān)測(cè)和/或安全系統(tǒng)。每一個(gè)過(guò)程變送器均可以連接至一個(gè)或者多個(gè)傳感器和/或致動(dòng)器(actuator)組件。傳感器組件可以感測(cè)許多過(guò)程參數(shù)，包括壓力、溫度、pH值或者流速。過(guò)程變送器典型地是經(jīng)由傳感器導(dǎo)線電連接的傳感器組件，所述傳感器導(dǎo)線用于發(fā)送基于電流或者電壓的模擬傳感器輸出信號(hào)，所述模擬傳感器輸出信號(hào)反映(reflecting)至少一個(gè)這種過(guò)程參數(shù)。每一個(gè)變送器都讀取這些傳感器輸出信號(hào)，并且將它們轉(zhuǎn)換成所述過(guò)程參數(shù)的測(cè)量結(jié)果。最后，所述變送器將所述信息發(fā)送至所述控制系統(tǒng)。
[0003]用于感測(cè)過(guò)程流體溫度和溫度變化的傳感器組件通常包括至少一個(gè)包封在延伸進(jìn)入所述流體流的熱電偶套管中的溫度傳感器。熱電偶套管設(shè)計(jì)用于與過(guò)程流體物理接觸，并且遮蔽所述溫度傳感器免受由與所述流體直接接觸所造成的物理?yè)p傷(例如沖擊、腐蝕等)，同時(shí)有效地傳導(dǎo)所述流體與所述溫度傳感器之間的熱量。熱電偶套管可靠性在過(guò)程監(jiān)測(cè)中是至關(guān)重要的，因?yàn)橐呀?jīng)破裂或者損壞的熱電偶套管會(huì)允許有害過(guò)程流體的泄漏，并且使精密和/或昂貴的傳感器暴露于過(guò)程流體。嚴(yán)重的熱電偶套管損傷會(huì)使熱電偶套管脫離(detach)，可能對(duì)下游設(shè)備造成進(jìn)一步損壞。
[0004]振動(dòng)是損壞熱電偶套管和所封閉的溫度傳感器的主要原因，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)衰減和預(yù)防對(duì)過(guò)程流體中傳感器組件的持續(xù)操作是關(guān)鍵的。過(guò)程流在熱電偶套管上的撞擊(impingement)經(jīng)由潤(rùn)流在所述過(guò)程流體中造成瑞流(turbulence)。這種瑞流具有由多個(gè)因素確定的特征喚醒頻率fw，所述因素包括所述熱電偶套管的幾何尺寸和所述過(guò)程流體的條件和流速。當(dāng)喚醒頻率fw接近所述熱電偶套管的自然諧振頻率f；時(shí)，渦流會(huì)造成有害的熱電偶套管振動(dòng)。因此，經(jīng)常利用預(yù)計(jì)的喚醒頻率fw設(shè)計(jì)熱電偶套管，以避免fw = f；諧振條件。然而，在熱電偶套管的生命周期內(nèi)，過(guò)程條件的變化會(huì)造成fw和/或f；的移動(dòng)，增加了諧振條件的可能性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是監(jiān)測(cè)熱電耦套管的可靠性，并且實(shí)現(xiàn)振動(dòng)衰減和預(yù)防。
[0006]本發(fā)明涉及包括過(guò)程換能器、無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器和過(guò)程變送器的傳感器系統(tǒng)。所述過(guò)程換能器設(shè)置在熱電偶套管內(nèi)并且配置用于產(chǎn)生第一傳感器信號(hào)。所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管振動(dòng)的第二傳感器信號(hào)。所述過(guò)程變送器配置用于接收、處理和發(fā)送所述第一和第二傳感器信號(hào)。
[0007]本實(shí)用新型提出了一種傳感器系統(tǒng)，包括:
[0008]過(guò)程換能器，設(shè)置在熱電偶套管內(nèi)并且配置用于產(chǎn)生第一傳感器信號(hào)；
[0009]無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器，配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管的振動(dòng)的第二傳感器信號(hào)；以及
[0010]過(guò)程變送器，配置用于接收、處理和發(fā)送所述第一和第二傳感器信號(hào)。
[0011]優(yōu)選地，所述過(guò)程換能器是溫度傳感器，并且所述第一傳感器信號(hào)是溫度信號(hào)。
[0012]優(yōu)選地，所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器包括振動(dòng)能量收集器和信號(hào)處理電子設(shè)備。
[0013]優(yōu)選地，所述振動(dòng)能量收集器和所述熱電偶套管具有相同的諧振頻率。
[0014]優(yōu)選地，所述信號(hào)處理電子設(shè)備包括整流器、平滑濾波器和分壓器。
[0015]優(yōu)選地，所述傳感器系統(tǒng)還包括控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述過(guò)程變送器將所述第一和第二傳感器信號(hào)發(fā)送至所述控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0016]本實(shí)用新型還提出了一種用于監(jiān)測(cè)過(guò)程流體的過(guò)程系統(tǒng)，所述過(guò)程系統(tǒng)包括:
[0017]熱電偶套管，延伸進(jìn)入所述過(guò)程流體中；
[0018]過(guò)程換能器，包覆在所述熱電偶套管中，并且配置用于產(chǎn)生反映所述過(guò)程流體的特性的過(guò)程信號(hào)；
[0019]無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器，位于所述熱電偶套管附近，并且配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管附近的振動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)；以及
[0020]過(guò)程變送器，配置用于接收和處理所述過(guò)程信號(hào)和所述振動(dòng)信號(hào)。
[0021]優(yōu)選地，所述過(guò)程換能器是溫度傳感器，并且所述過(guò)程流體的特性是過(guò)程流體中的溫度或者過(guò)程流體中的溫度變化。
[0022]優(yōu)選地，所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器包括:
[0023]振動(dòng)能量收集器，配置用于根據(jù)所述熱電偶套管附近的振動(dòng)產(chǎn)生交變電流；以及
[0024]信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備，配置用于根據(jù)所述交變電流產(chǎn)生輸出信號(hào)。
[0025]優(yōu)選地，所述信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括全波整流器以將所述交變電流轉(zhuǎn)換成直流電流。
[0026]優(yōu)選地，所述信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括電容器以平滑瞬變信號(hào)。
[0027]優(yōu)選地，所述信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括由多個(gè)電阻器構(gòu)成的分壓器以縮放所述輸出信號(hào)。
[0028]優(yōu)選地，所述過(guò)程系統(tǒng)還包括與所述過(guò)程變送器通信的控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以分別基于所述過(guò)程信號(hào)和所述振動(dòng)信號(hào)接收過(guò)程和振動(dòng)測(cè)量結(jié)果。
[0029]優(yōu)選地，在所述過(guò)程系統(tǒng)中，將所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器固定至從所述過(guò)程換能器延伸至所述過(guò)程變送器的剛性連接。
[0030]優(yōu)選地，在所述過(guò)程系統(tǒng)中，所述熱電偶套管延伸穿過(guò)承載所述過(guò)程流體的過(guò)程管線。
[0031]本實(shí)用新型的有益效果在于:熱電偶套管包封過(guò)程換能器并且使其不與過(guò)程流體F直接接觸，同時(shí)使過(guò)程換能器與過(guò)程流體間接熱接觸，通過(guò)對(duì)熱電偶套管和振動(dòng)傳感器的諧振頻率進(jìn)行匹配，過(guò)程系統(tǒng)允許振動(dòng)傳感器產(chǎn)生湍流過(guò)程流體和熱電偶套管之間諧振的測(cè)量結(jié)果，從而能夠使過(guò)程變送器和/或控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別何時(shí)熱電偶套管經(jīng)歷或者接近潛在損壞諧振條件。以這種方式，過(guò)程系統(tǒng)能夠在熱電偶套管完全失效之前檢測(cè)熱電偶套管中的故障；還提供了一種緊湊并且廉價(jià)的裝置，用于在部件失效之前檢測(cè)熱電偶套管的潛在有害諧振條件。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是根據(jù)本發(fā)明的過(guò)程監(jiān)測(cè)或者控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。
[0033]圖2是用于圖1的過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的能量采集振動(dòng)換能器的電路圖。
[0034]圖3是電壓對(duì)頻率的曲線，闡釋了在圖2的能量采集振動(dòng)傳感器的諧振頻率下振動(dòng)的效果。

【具體實(shí)施方式】
[0035]圖1是過(guò)程系統(tǒng)10 (用于監(jiān)測(cè)和/或激勵(lì)工業(yè)流體過(guò)程的系統(tǒng))的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖。在所描述的實(shí)施例中，過(guò)程系統(tǒng)10包括過(guò)程變送器12、過(guò)程管線14(具有凸緣連接16)、熱電偶套管18、過(guò)程換能器20、延伸件22、振動(dòng)傳感器24和控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26。
[0036]過(guò)程管線14承載用于工業(yè)過(guò)程的過(guò)程流F。過(guò)程管線14例如可以是配置用于承載流體(諸如油漿、粘性制造材料、氣體或者液體)的管子(tube)或管道(duct)。過(guò)程管線14包括至少一個(gè)凸緣連接16，便于凸緣安裝設(shè)備的連接，以測(cè)量過(guò)程流F的至少一個(gè)特性，諸如溫度、流速、壓力或者PH值。在所闡釋的實(shí)施例中，凸緣連接16給熱電偶套管18和過(guò)程換能器20提供附著點(diǎn)(attachment point)，并且提供過(guò)程管線中的孔，熱電偶套管18和過(guò)程換能器20可以通過(guò)所述孔延伸進(jìn)入過(guò)程流體F。過(guò)程流體F例如可以包括損壞或者其他不利于過(guò)程換能器20操作的化學(xué)品或者顆粒。
[0037]熱電偶套管18是在過(guò)程流體F內(nèi)過(guò)程換能器20周?chē)谋Ｗo(hù)體。熱電偶套管18例如可以是中空的錐形鞘，固定至凸緣連接16并且通過(guò)凸緣連接16設(shè)置進(jìn)入過(guò)程流體F。熱電偶套管18由具有較高熱導(dǎo)率的材料(諸如黃銅、鋼或銅)形成，以便將熱量從過(guò)程流體F有效地傳導(dǎo)至過(guò)程換能器20。熱電偶套管18具有由其幾何尺寸和結(jié)構(gòu)確定的特征自然諧振頻率fr。
[0038]在所描述的實(shí)施例中，過(guò)程換能器20是包覆在熱電偶套管18中的溫度傳感器探針，并且能夠產(chǎn)生過(guò)程信號(hào)，所述過(guò)程信號(hào)反映靠近凸緣連接16的過(guò)程流體F的溫度或者溫度變化的至少之一。過(guò)程換能器20例如可以是熱電偶、電阻式溫度檢測(cè)器或者熱敏電阻器。熱電偶套管18使過(guò)程換能器20免受過(guò)程流體F，防止損傷并且增大過(guò)程換能器20的預(yù)期壽命。熱電偶套管18還利用凸緣連接16形成流體密封，從而防止過(guò)程換能器20附近過(guò)程流體F的泄漏。熱電偶套管18例如可以是螺栓固定或者夾緊至凸緣連接16。在一些實(shí)施例中，過(guò)程系統(tǒng)10可以包括設(shè)置在熱電偶套管18和凸緣連接16之間用于改進(jìn)流體密封的附加密封部件(墊圈、O型環(huán)等)。
[0039]過(guò)程變送器12是信號(hào)處理和/或發(fā)送裝置，接收和處理來(lái)自過(guò)程換能器20的信號(hào)以產(chǎn)生過(guò)程流體F的參數(shù)的至少一個(gè)測(cè)量結(jié)果。過(guò)程變送器12例如可以是邏輯功能裝置，配置用于從接收自過(guò)程換能器20的電信號(hào)中提取過(guò)程測(cè)量結(jié)果。過(guò)程變送器12還可以包括診斷或者故障報(bào)告部件，并且可以包括持久存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)與過(guò)程流體F有關(guān)的測(cè)量、控制和診斷數(shù)據(jù)。
[0040]在所描述的實(shí)施例中，過(guò)程換能器20經(jīng)由延伸件22連接至過(guò)程變送器12。正如所描述的，延伸件22是支撐過(guò)程變送器12的剛性聯(lián)接(rigid coupling)并且承載將過(guò)程變送器12連接至過(guò)程換能器20的信號(hào)線。盡管示出了將過(guò)程變送器12與過(guò)程換能器20間隔開(kāi)地安裝在延伸件22上，但是過(guò)程系統(tǒng)10的一些實(shí)施例可以利用直接安裝至過(guò)程管線14、凸緣連接16或過(guò)程換能器20的或者遠(yuǎn)程安裝的過(guò)程變送器。過(guò)程變送器12可以包括內(nèi)部電源，和/或從外部電網(wǎng)連接或者能量采集裝置接收功率。此外，如下參考圖2和3更詳細(xì)描述的，過(guò)程變送器12可以從振動(dòng)傳感器24接收補(bǔ)充功率。
[0041]振動(dòng)傳感器24是一種帶有可調(diào)諧振動(dòng)能量收集器的振動(dòng)-電壓換能器，所述可調(diào)諧振動(dòng)能量收集器具有與熱電偶套管18的諧振頻率f；緊密匹配的自然諧振頻率fs。在一些實(shí)施例中，例如可以通過(guò)改變這種振動(dòng)能量收集器的振動(dòng)臂的尖端質(zhì)量或者臂長(zhǎng)在制造期間調(diào)諧振動(dòng)傳感器24的自然諧振頻率fs。在其他實(shí)施例中，振動(dòng)傳感器24的自然諧振頻率fs可以是可配置調(diào)諧的，例如在過(guò)程系統(tǒng)10中的安裝位置。盡管將振動(dòng)傳感器24描述為定位于延伸件22上，但是過(guò)程系統(tǒng)10的替代實(shí)施例可以包括定位于其他位置的振動(dòng)傳感器24，例如直接安裝至熱電偶套管18、過(guò)程換能器20或者過(guò)程變送器12。通常，振動(dòng)傳感器24定位于靠近熱電偶套管18，使得來(lái)自熱電偶套管18的渦流產(chǎn)生來(lái)自振動(dòng)傳感器24的輸出電壓，如下參考圖2和3所述。由振動(dòng)傳感器24所產(chǎn)生電壓的幅度對(duì)應(yīng)于近似fw至fs。因?yàn)樽匀恢C振頻率fs與f；緊密匹配，振動(dòng)傳感器24的電壓輸出幅度構(gòu)成了傳感器信號(hào)，將近似fw反映為熱電偶套管18的諧振條件。延伸件22例如可以承載將這個(gè)傳感器信號(hào)從振動(dòng)傳感器24發(fā)送至過(guò)程變送器12的信號(hào)線。
[0042]過(guò)程變送器12與控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26 (在控制或者監(jiān)測(cè)站的中央處理、數(shù)據(jù)歸檔和/或監(jiān)測(cè)系統(tǒng))通信，所述控制或者監(jiān)測(cè)站會(huì)監(jiān)視多個(gè)過(guò)程變送器12。過(guò)程變送器12將過(guò)程測(cè)量結(jié)果發(fā)送至控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26，包括從過(guò)程換能器20獲得的溫度測(cè)量結(jié)果和從振動(dòng)傳感器24獲得的振動(dòng)測(cè)量結(jié)果。這些過(guò)程測(cè)量結(jié)果例如可以是由過(guò)程變送器12產(chǎn)生的來(lái)自過(guò)程換能器20和振動(dòng)傳感器24的原始電壓和/或電流信號(hào)的數(shù)字化副本(counterpart)。盡管過(guò)程系統(tǒng)10只闡釋了連接至控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26的單一過(guò)程變送器12，但是過(guò)程系統(tǒng)10的一些實(shí)施例可以包括共享公共控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26的多個(gè)過(guò)程變送器12。類(lèi)似地，盡管將過(guò)程變送器描述為只附屬于一個(gè)振動(dòng)傳感器24和一個(gè)過(guò)程換能器20，過(guò)程系統(tǒng)10的替代實(shí)施例可以包括與單一過(guò)程變送器12通信的多個(gè)換能器和/或振動(dòng)收集器。圖1闡釋了過(guò)程變送器12和控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26之間的有線連接。然而，更普遍地，過(guò)程變送器12可以經(jīng)由多線電纜、光纜或者無(wú)線連接與控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26通信。在一些實(shí)施例中，過(guò)程變送器12可以經(jīng)由在無(wú)線HART協(xié)議或者類(lèi)似的發(fā)送/接收協(xié)議上工作的無(wú)線連接與控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26通信。除了所述過(guò)程和振動(dòng)測(cè)量結(jié)果，過(guò)程變送器12可以給控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26提供診斷或者日志信息和故障警報(bào)。類(lèi)似地，控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26可以給過(guò)程變送器12發(fā)出數(shù)據(jù)、復(fù)位或校準(zhǔn)請(qǐng)求，或者其他指令。
[0043]過(guò)程管線14輸送過(guò)程流體F通過(guò)熱電偶套管18，所述熱電偶套管包封過(guò)程換能器20并且使其不與過(guò)程流體F直接接觸，同時(shí)使過(guò)程換能器20與過(guò)程流體F間接熱接觸。當(dāng)過(guò)程流體F經(jīng)過(guò)熱電偶套管18周?chē)鷷r(shí)，熱電偶套管18在過(guò)程流體F上的撞擊引起熱電偶套管18的湍流下游。這種渦流產(chǎn)生具有如上所述的特征喚醒頻率fw的湍流。通過(guò)對(duì)熱電偶套管20為18)和振動(dòng)傳感器24的諧振頻率進(jìn)行匹配，過(guò)程系統(tǒng)10允許振動(dòng)傳感器24產(chǎn)生湍流過(guò)程流體F和熱電偶套管20之間諧振的測(cè)量結(jié)果，從而能夠使過(guò)程變送器12和/或控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26識(shí)別何時(shí)熱電偶套管20經(jīng)歷或者接近對(duì)應(yīng)于fw = f； = fs的潛在損壞諧振條件。以這種方式，過(guò)程系統(tǒng)10能夠在熱電偶套管20完全失效之前檢測(cè)熱電偶套管20中的故障。
[0044]圖2是振動(dòng)傳感器24的示意圖，所述振動(dòng)傳感器包括振動(dòng)能量收集器100(具有信號(hào)電壓O、整流器102 (具有二極管D1、D2、D3和D4)、平滑濾波器104 (具有電容器C)、分壓器(具有電阻札和民)和輸出終端108 (具有輸出電壓Vwt)。通常，輸出與振動(dòng)成正比的任何無(wú)動(dòng)力裝置可以代替振動(dòng)能量收集器100。如上參考圖2所述，選擇或者調(diào)諧振動(dòng)能量收集器100使得振動(dòng)能量收集器100的諧振頻率fs與熱電偶套管18的諧振頻率f；緊密匹配。例如可以根據(jù)ASME PTC19.3TW或者類(lèi)似的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算或者經(jīng)驗(yàn)地測(cè)試諧振頻率f；。如本領(lǐng)域中眾所周知的，例如可以通過(guò)改變振動(dòng)能量收集器100內(nèi)的振動(dòng)探針的尖端質(zhì)量或者臂長(zhǎng)來(lái)完成調(diào)諧。振動(dòng)能量收集器100產(chǎn)生具有與振動(dòng)傳感器26處的機(jī)械振動(dòng)相對(duì)應(yīng)的周期和幅度的交變電流(AC)。振動(dòng)收集器100用作具有信號(hào)電壓Vs的交流電壓源。整流器102、平滑濾波器104和分壓器106—起構(gòu)成信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備，以根據(jù)信號(hào)電壓\產(chǎn)生輸出電壓V-。整流器102對(duì)信號(hào)電壓Vs進(jìn)行整流以產(chǎn)生直流(DC)信號(hào)。將整流器102描述為具有四個(gè)二極管Dp D2, D3和D4的全波四橋整流器。盡管所描述的實(shí)施例是簡(jiǎn)單和成本有效的，但是可以等效地使用其他類(lèi)型的整流器，包括半波整流器和晶體管全波整流器。振動(dòng)傳感器24的一些實(shí)施例可以避開(kāi)整流器102，并且替代地對(duì)由能量收集器100產(chǎn)生的AC信號(hào)進(jìn)行快速采樣。平滑濾波器104從整流器102的直流輸出中去除瞬變。在所描述的實(shí)施例中，平滑濾波器104包括單個(gè)連接至地的電容器C。分壓器106對(duì)所得到的平滑直流信號(hào)進(jìn)行縮放，以在輸出終端108處產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化的輸出電壓信號(hào)Vwt。這個(gè)輸出電壓信號(hào)Vwt例如可以由過(guò)程變送器12 (參見(jiàn)圖1，如上所述)數(shù)字化，以產(chǎn)生在熱電偶套管18附近諧振的數(shù)字測(cè)量結(jié)果，或者可以以模擬方式處理。在一些替代的實(shí)施例中，Vout或者Vs可以與來(lái)自換能器20的過(guò)程傳感器信號(hào)進(jìn)行耦合，從而允許在過(guò)程變送器12的單個(gè)端子處接收到所述組合信號(hào)并且數(shù)字地去耦。
[0045]Vtjut不是熱電偶套管18處振動(dòng)幅度的直接測(cè)量。相反，由于f；?fs,振動(dòng)能量收集器100將傾向于使熱電偶套管18的諧振條件處信號(hào)電壓Vs(以及對(duì)應(yīng)的輸出電壓Vwt)最大。因此，振動(dòng)傳感器24的Vwt提供熱電偶套管18的振動(dòng)頻率(主要由于具有喚醒頻率fw的渦流)和熱電偶套管諧振頻率f；之間的接近程度測(cè)量。當(dāng)fw遠(yuǎn)離f；時(shí)，Vout較小，并且存在很小的熱電偶套管18和過(guò)程流體F的湍流之間有害諧振的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)fw接近f；時(shí)，Vout相對(duì)較大，對(duì)應(yīng)于熱電偶套管18中增加的諧振和增加的振動(dòng)。因此，Vrat的較大數(shù)值對(duì)應(yīng)于熱電偶套管18的潛在有害諧振條件。下面參考圖3更加詳細(xì)地討論了這種關(guān)系。
[0046]如圖2所公開(kāi)的，振動(dòng)傳感器24包括具有相對(duì)簡(jiǎn)單布線的無(wú)動(dòng)力傳感器。因?yàn)檎駝?dòng)能量收集器100產(chǎn)生交流電壓信號(hào)，所述交流電壓信號(hào)反映了直接來(lái)自振動(dòng)傳感器24的機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)幅度，不需要補(bǔ)充的電壓源來(lái)運(yùn)行振動(dòng)傳感器24。在一些實(shí)施例中，來(lái)自振動(dòng)能量收集器100的附加功率可以路由至過(guò)程變送器12和/或用于給指示諧振條件的視頻或者音頻指示供電。
[0047]圖3描述了輸出電壓Vwt根據(jù)喚醒頻率fw變化的示例性圖表。如上參考圖2所述，輸出電壓Vwt在fs(振動(dòng)能量收集器100的諧振頻率)處最大。調(diào)諧或者選擇振動(dòng)能量收集器100使得fs?fr。因此，Vtjut在fw = fs?f；處或者附近達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)于熱電偶套管18的諧振條件，很可能在熱電偶套管18中產(chǎn)生有害振動(dòng)。圖3闡釋了與諧振頻率f；有關(guān)的諧振范圍Λ?；。諧振范圍Λ?；對(duì)應(yīng)于足夠接近f；以造成熱電偶套管18中有害振動(dòng)的喚醒頻率fw的頻帶。在諧振范圍Λ fr內(nèi)感測(cè)的振動(dòng)頻率產(chǎn)生輸出電壓Vwt ^ Vr (諧振閾值電壓)。過(guò)程變送器12和/或控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26例如可以標(biāo)記(flag)熱電偶套管18用于替換或者當(dāng)Vtjut > Vr時(shí)發(fā)出警報(bào)，特別是如果Vrat > Vr 一段較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)?？梢愿鶕?jù)機(jī)器公差、fs至f；的調(diào)諧精度和f；的估計(jì)精度選擇諧振閾值電壓在替代實(shí)施例中，過(guò)程變送器12和/或控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)26可以在不與任何諧振閾值電壓\進(jìn)行比較的情況下記錄輸出電壓Vtjut。
[0048]振動(dòng)傳感器24提供了一種緊湊并且廉價(jià)的裝置，用于在部件失效之前檢測(cè)熱電偶套管18的潛在有害諧振條件。為了便于分發(fā)和安裝，可以對(duì)熱電偶套管進(jìn)行編碼和/或與對(duì)應(yīng)的具有匹配諧振頻率(fs--；)的振動(dòng)傳感器一起出售，允許終端用戶(hù)選擇適用于每一個(gè)熱電偶套管18的振動(dòng)傳感器24，而不是個(gè)人調(diào)諧振動(dòng)傳感器24。振動(dòng)傳感器24不抽取(draw)外部電源，因此不需要來(lái)自過(guò)程變電器18的電源或者單獨(dú)的電源。在一些實(shí)施例中，振動(dòng)傳感器24可以替代電源給過(guò)程變送器12供電，補(bǔ)充或者替代來(lái)自其他來(lái)源的功率。
[0049]盡管已經(jīng)參考示例實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以做出各種變化，并且可以用等同物替代其元件。此外，可以做出許多修改，以便在不背離本發(fā)明本質(zhì)范圍的情況下使特定的情況或者材料適應(yīng)于本發(fā)明的教義。因此，目的在于本發(fā)明不限于所公開(kāi)的特定實(shí)施例，而是本發(fā)明將包括落在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種傳感器系統(tǒng),包括: 過(guò)程換能器，設(shè)置在熱電偶套管內(nèi)并且配置用于產(chǎn)生第一傳感器信號(hào)； 無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器，配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管的振動(dòng)的第二傳感器信號(hào)；以及 過(guò)程變送器，配置用于接收、處理和發(fā)送所述第一和第二傳感器信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述過(guò)程換能器是溫度傳感器，并且所述第一傳感器信號(hào)是溫度信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器包括振動(dòng)能量收集器和信號(hào)處理電子設(shè)備。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)能量收集器和所述熱電偶套管具有相同的諧振頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述信號(hào)處理電子設(shè)備包括整流器、平滑濾波器和分壓器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，還包括控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述過(guò)程變送器將所述第一和第二傳感器信號(hào)發(fā)送至所述控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
7.一種用于監(jiān)測(cè)過(guò)程流體的過(guò)程系統(tǒng)，所述過(guò)程系統(tǒng)包括: 熱電偶套管，延伸進(jìn)入所述過(guò)程流體中； 過(guò)程換能器，包覆在所述熱電偶套管中，并且配置用于產(chǎn)生反映所述過(guò)程流體的特性的過(guò)程信號(hào)； 無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器，位于所述熱電偶套管附近，并且配置用于產(chǎn)生反映所述熱電偶套管附近的振動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)；以及 過(guò)程變送器，配置用于接收和處理所述過(guò)程信號(hào)和所述振動(dòng)信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過(guò)程系統(tǒng)，其中所述過(guò)程換能器是溫度傳感器，并且所述過(guò)程流體的特性是過(guò)程流體中的溫度或者過(guò)程流體中的溫度變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過(guò)程系統(tǒng)，其中所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器包括: 振動(dòng)能量收集器，配置用于根據(jù)所述熱電偶套管附近的振動(dòng)產(chǎn)生交變電流；以及 信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備，配置用于根據(jù)所述交變電流產(chǎn)生輸出信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的過(guò)程系統(tǒng)，其中所述信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括全波整流器以將所述交變電流轉(zhuǎn)換成直流電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的過(guò)程系統(tǒng)，其中所述信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括電容器以平滑瞬變信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的過(guò)程系統(tǒng)，其中所述信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備包括由多個(gè)電阻器構(gòu)成的分壓器以縮放所述輸出信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過(guò)程系統(tǒng)，還包括與所述過(guò)程變送器通信的控制或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以分別基于所述過(guò)程信號(hào)和所述振動(dòng)信號(hào)接收過(guò)程和振動(dòng)測(cè)量結(jié)果。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過(guò)程系統(tǒng)，其中將所述無(wú)動(dòng)力振動(dòng)傳感器固定至從所述過(guò)程換能器延伸至所述過(guò)程變送器的剛性連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過(guò)程系統(tǒng)，其中所述熱電偶套管延伸穿過(guò)承載所述過(guò)程流體的過(guò)程管線。
【文檔編號(hào)】G01K7/16GK203965029SQ201420117775
【公開(kāi)日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】勞倫·邁克爾·安格斯塔德, 杰森·哈洛德·魯?shù)? 申請(qǐng)人:羅斯蒙特公司