專利名稱：用于壓力容器的聲學(xué)換能器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及對壓力容器的監(jiān)視。更具體地，本申請涉及流控制中的換能故障，比如泄漏閥門(leaky valve)、卡住閥門(stuck valve)、液相或氣相、或與壓力容器中的流控制相關(guān)聯(lián)的多相。
背景技術(shù)：
汽阱(steam trap)在很多工業(yè)中通常用于從蒸汽管線中移除冷凝物。在一般的工廠中，可以部署上千這種設(shè)備。汽阱一般是被設(shè)計為相對廉價的相對低級技術(shù)設(shè)備。汽阱通常是完全機(jī)械化的。添加用于供電或連線的任何電子配線將被視為成本高昂、不切實(shí)際或勞動力密集的。汽阱一般被設(shè)計為允許冷凝物從蒸汽管道中逸出，以維持效率并避免管道“震動”(knocking)。典型的汽阱可以具有一個或多個室和與冷凝物物理接觸的可移動單元。當(dāng)冷凝物的水平高過某個閾值，汽阱中的可移動單元致動或以其他方式使一個或多個閥門進(jìn)行動作，以允許至少一些冷凝物逸出。隨著冷凝物逸出，汽阱內(nèi)的冷凝物水平減少到使得閥門被關(guān)閉的程度。發(fā)生故障的汽阱可能泄漏蒸汽，其浪費(fèi)了能源或可能導(dǎo)致不能正確移除冷凝物。在很多實(shí)例中，工廠控制系統(tǒng)未檢測到故障，且因此工廠員工在較長的時間段中是不知道發(fā)生故障的。與壓力容器相關(guān)聯(lián)的其他類型的流控制設(shè)備，比如控制閥門、通氣口(orifice)、噴嘴(nozzle)以及限流器(restriction)常遭受故障。

發(fā)明內(nèi)容
一種換能器裝置包括聲學(xué)傳感器單元和聲學(xué)波導(dǎo)。所述聲學(xué)波導(dǎo)包括管，所述管具有通過可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器與所述聲學(xué)傳感器單元聲學(xué)耦合的第一管端。所述聲學(xué)波導(dǎo)還包括第二管端。所述第二管端具有能固定在流體管道上的固定面。電路裝置耦合到所述聲學(xué)傳感器單元，并基于接收到的聲學(xué)信號提供標(biāo)識蒸汽泄漏的診斷輸出。本發(fā)明還包括一種方法。


圖I示出了換能器裝置的第一實(shí)施例。圖2示出了固定在汽阱附近的換能器裝置的第二實(shí)施例。圖3示出了換能器裝置的第三實(shí)施例。圖4示出了換能器裝置的第四實(shí)施例。圖5A示出了在換能器裝置上的溫度感測位置。
圖5B示出了圖5A的溫度感測位置的溫度的圖。圖6示出了換能器裝置的主天線波瓣(lobe)的旋轉(zhuǎn)。
圖7A和7B示出了針對主天線波瓣的旋轉(zhuǎn)的作為溫度函數(shù)的扭矩。圖8示出了換能器裝置中的電路裝置。圖9示出了診斷流程圖。
圖10示出了可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器的備選實(shí)施例。圖IlA示出了在不使用誤差校正例程的情況下的溫度誤差的圖。圖IlB示出了使用靜態(tài)誤差校正例程的溫度誤差的圖。圖IlC示出了使用動態(tài)誤差校正例程的溫度誤差的圖。圖12示出了固定在控制流體流的可致動控制閥門上的換能器裝置。圖13示出了固定在包括流限制在內(nèi)的流控制設(shè)備上的換能器裝置。
具體實(shí)施例方式在下述實(shí)施例中，換能器裝置檢測流控制中的故障，比如壓力容器(比如閥門、汽阱、限流器、泄壓閥等等)中的氣體泄漏。換能器裝置使用聲學(xué)感測。在一些實(shí)施例中，也使用溫度感測。在一個示例中，當(dāng)存在低噪聲水平或未檢測到聲學(xué)噪聲，且壓力容器溫度接近蒸汽的飽和溫度時，汽阱是正常操作的。當(dāng)聲學(xué)噪聲升高到閾值水平之上，且溫度接近蒸汽的飽和溫度時，換能器裝置感測并指示壓力容器中的閥門正在泄漏。在聲學(xué)噪聲高且溫度低時，則換能器裝置感測并指示壓力容器中的閥門處于啟動條件，同時空氣正在泄漏。當(dāng)不存在聲學(xué)噪聲且溫度低時，換能器裝置感測并指示壓力容器中的閥門被塞住、堵住或未操作。然而，本發(fā)明不局限于該示例性診斷技術(shù)。換能器裝置包括聲學(xué)傳感器單元和聲學(xué)波導(dǎo)。聲學(xué)波導(dǎo)允許診斷電路在熱方面與高溫容器分離。聲學(xué)波導(dǎo)包括可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器(比如彈簧或軸)，該可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器耦合到聲學(xué)傳感器，且聲學(xué)波導(dǎo)包括耦合到可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器和底腳(foot)的管，該底腳具有固定在流體管道上的固定面，該流體管道連接到壓力容器。在一個實(shí)施例中，溫度傳感器感測底腳中的內(nèi)部熱電偶套管(thermowell)腔中的溫度，并具有通過管延伸的輸出電纜。熱電偶套管腔是熱電偶套管中受保護(hù)的腔。熱電偶套管是保護(hù)管，其被設(shè)計為在腔中封裝溫度感測設(shè)備，并保護(hù)溫度感測設(shè)備免受環(huán)境的有害影響。根據(jù)一個實(shí)施例，換能器裝置中的電子裝置從傳感器接收溫度和聲學(xué)噪聲數(shù)據(jù)，并提供耦合到遠(yuǎn)程監(jiān)視器的無線輸出。圖I示出了換能器裝置50的分解圖。換能器裝置50包括聲學(xué)傳感器單元I。根據(jù)一個實(shí)施例，聲學(xué)傳感器單兀I包括壓電式力傳感器。根據(jù)另一實(shí)施例，聲學(xué)傳感器單兀I包括電容式力傳感器。根據(jù)又一實(shí)施例，聲學(xué)傳感器單兀I包括磁力傳感器。換能器裝置50包括聲學(xué)波導(dǎo)4。聲學(xué)波導(dǎo)4包括可旋轉(zhuǎn)地耦合到聲學(xué)傳感器單元I的彈簧4A。聲學(xué)波導(dǎo)4包括管4B，管4B具有耦合到彈簧4A的第一管端7。聲學(xué)波導(dǎo)4包括底腳4C，其提供耦合到管4B的第二管端9的耦合區(qū)域。底腳4C包括可與流體導(dǎo)管(圖I中未示出)固定接觸的固定面11。聲學(xué)波導(dǎo)4將來自底腳4C的固定面11的聲學(xué)震動稱合到聲學(xué)傳感器單兀I。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以由單一管來形成管4B和底腳4C，且在該情況下，在管4B和底腳4C之間沒有接合點(diǎn)。根據(jù)一個實(shí)施例，在30kHz到50kHz的范圍中感測聲學(xué)震動。根據(jù)一個實(shí)施例，管4B具有將聲學(xué)傳感器單元I與底腳4C隔開一定距離的長度，以提供熱絕緣。一般夾在過程容器的管線上的底腳4C處的高溫沿著管4B的長度衰減，使得聲學(xué)傳感器單元I具有接近周圍環(huán)境空氣的溫度的較低溫度。如圖所示，管4B是中空的，這減少了沿著管4B的長度的熱傳導(dǎo)。根據(jù)一個實(shí)施例，用絕緣帽13將彈簧4A定位在聲學(xué)傳感器單元I附近，絕緣帽13提供了彈簧4A與聲學(xué)傳感器單元I之間的可旋轉(zhuǎn)接合點(diǎn)。絕緣帽13將來自彈簧4A的聲學(xué)震動耦合到聲學(xué)傳感器單元I。絕緣帽13將彈簧4A定位在對聲學(xué)傳感器單元I施加力的位置上。根據(jù)一個實(shí)施例，絕緣帽13由電子絕緣材料形成，且其尺寸在傳感器單元I與導(dǎo)電彈簧4A之間提供了充足的電氣間隙(electrical clearance)和爬電距離(creepagedistance)，以確保電子絕緣。根據(jù)另一實(shí)施例，彈簧4A處于管道電勢，且傳感器單元I處 于電子電路電勢，且絕緣帽13提供電流隔離(galvanic isolation)，以確保滿足針對換能器裝置50中的電路的固有安全要求。根據(jù)一個實(shí)施例，換能器裝置50包括固定在管4B上的電子外殼固定凸緣23，其包括與第一管端7相鄰的帶螺紋的凸緣部分21。在該實(shí)施例中，電子外殼固定凸緣23用于將電子外殼2固定在第一管端7附近。根據(jù)另一實(shí)施例，換能器裝置50包括傳感器支撐適配器22。傳感器支撐適配器22包括印刷配線板26，該印刷配線板26滑入適配器22的槽內(nèi)以進(jìn)行固定。在該實(shí)施例中，將聲學(xué)傳感器單元I固定在印刷配線板上以獲得機(jī)械支撐和電連接。將傳感器支撐適配器22與螺紋21A擰上，螺紋21A與螺紋21嚙合。隨著螺紋嚙合的推進(jìn)，彈簧4A在聲學(xué)傳感器單元I上施加增加的力，并壓縮彈簧4A，從而消除了聲學(xué)波導(dǎo)4中的空轉(zhuǎn)(free play)或空動(lost motion)。聲學(xué)傳感器單元I的電導(dǎo)線(lead)30提供電的聲學(xué)能量輸出，耦合到電子裝置。電導(dǎo)線30上的聲學(xué)能量輸出對于汽阱和其他過程流體容器的診斷測試是有用的。根據(jù)一個實(shí)施例，管4B包括金屬管，該金屬管具有小于11毫米的外徑。根據(jù)另一實(shí)施例，管4B包括厚度小于2. 0毫米的管壁。換能器裝置50包括電子外殼2和外殼蓋子5。0形環(huán)6在電子外殼2和蓋子5之間提供密封。電子外殼2包括具有圓錐頂點(diǎn)12的截頭圓錐體的內(nèi)表面8、10，該圓錐頂點(diǎn)12對于兩個截頭圓錐體的內(nèi)表面8、10是公共的。電子外殼固定凸緣23的截頭圓錐體外表面14組裝在截頭圓錐體內(nèi)表面10的附近。換能器裝置50包括具有截頭圓錐體外表面18的截頭圓錐體墊圈(washer) 16，將該截頭圓錐體外表面18組裝在截頭圓錐體內(nèi)表面8的附近。將彈簧墊圈(也被稱作Belleville墊圈)20定位在截頭圓錐體墊圈16的上面。將傳感器支撐適配器22的螺紋21A擰到電子外殼固定凸緣23的螺紋21上，壓縮彈簧墊圈20。具有公共頂點(diǎn)12的截頭圓錐體表面8、10、14、18的布置提供了外殼2與凸緣23之間的連接，即使在外殼2和管4B由具有不同溫度膨脹系數(shù)的材料形成的情況下，也維持了穩(wěn)定的間隔。電子裝置24通過蓋子5提供了無線通信。電池27向電子裝置24供電。電子裝置24包括具有聲學(xué)信號水平的已存儲的閾值。已存儲的閾值存儲在非易失性存儲器中，且可通過無線通信來調(diào)整。將聲學(xué)信號水平的實(shí)時水平與相應(yīng)的存儲閾值進(jìn)行比較，以實(shí)時執(zhí)行診斷判定。電子裝置50還包括已存儲的號碼或名稱，其被無線發(fā)送以標(biāo)識數(shù)據(jù)或診斷判定的源。根據(jù)一個實(shí)施例，外殼2支撐電連接器32，以連接到外部溫度傳感器(圖I中未示出)。在該實(shí)施例中，電子裝置24基于聲學(xué)信號水平以及外部溫度來做出判定。根據(jù)另一實(shí)施例，該電子裝置包括可通過蓋子5中的窗口看到的數(shù)字顯示器3。
圖2示出了被固定到蒸汽/冷凝物管線150上的換能器裝置100，該蒸汽/冷凝物管線150將冷凝物/蒸汽混合物151傳輸至汽阱152。一個或多個夾(clamp) 154將換能器裝置100的底腳102固定到蒸汽/冷凝物管線150上。夾154可以是軟管夾、鎖定鉗、C形夾或其他已知類型的夾子。如圖2所示，底腳102具有凹入的圓形表面，將其與蒸汽/冷凝物管線150的凸起圓形外表面接觸夾合。將在底腳102和汽阱152之間的管道長度156保持很短，使得底腳102處的溫度表示冷凝物/蒸汽混合物151的溫度。將冷凝物160與蒸汽分離，且將冷凝物160從汽阱152中放出(discharge)。將溫度傳感器103封裝于熱電偶套管腔中的底腳102內(nèi)。管道長度156足夠短，使得通過汽阱152中的閥門158的流體流所產(chǎn)生的聲學(xué)噪聲容易地以低衰減從閥門158沿著蒸汽/冷凝物管線150耦合到底腳102。換能器裝置100的底腳102與汽阱152進(jìn)行熱和聲學(xué)通信，以對汽阱152的性能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且用于汽阱152的診斷測試，比如檢測泄漏、塞住以及啟動條件。汽阱152耦合到蒸汽/冷凝物管線150上。根據(jù)一個實(shí)施例，蒸汽/冷凝物管線150從蒸汽源(圖2未示出)向蒸汽使用設(shè)備(圖2中未示出)傳送蒸汽。蒸汽/冷凝物管線150中的冷凝物漏入汽阱152。已存儲的冷凝物164在汽阱152中累積，直到已累積了充足量的已存儲的冷凝物164，以升高漂浮物166并打開閥門158。在閥門158打開時，冷凝物164流入排水管線168 (如箭頭160所示)，直到漂浮物166下沉并關(guān)閉閥門158，同時一些已存儲的冷凝物164依然存在在汽阱152中。漂浮物166、閥門158、以及已存儲的冷凝物164的布置圈閉(trap) 了汽阱152中的蒸汽，同時允許排掉過多的冷凝物。當(dāng)正確工作時，汽阱152執(zhí)行將蒸汽/冷凝物管線150中的不需要的過量冷凝物排掉的有用功能，同時避免蒸汽通過汽阱152而損耗(以及相關(guān)聯(lián)的能量損耗)。當(dāng)汽阱152發(fā)生故障時，可能存在大量的能量損耗、蒸汽/冷凝物管線150被冷凝物塞住、或其他問題。換能器裝置100的底腳102通過焊接點(diǎn)106附在管104上。管104具有管長108。通過焊接點(diǎn)112將管104焊接到電子外殼固定凸緣110上。根據(jù)一個實(shí)施例，管104具有如圖所示的圓形圓柱體橫截面。根據(jù)另一方面，管104具有一般是矩形的橫截面。電子外殼固定凸緣110支撐電子外殼114。電子外殼114封裝了聲學(xué)傳感器單兀116。聲學(xué)傳感器單元116通過彈簧120聲學(xué)耦合到管道104的端118上。電子裝置122通過導(dǎo)線124耦合到聲學(xué)傳感器單元116和溫度傳感器103上。電子裝置122使用無線通信信號126與例如遠(yuǎn)程監(jiān)視臺128通信。外殼蓋子130對于無線通信信號126是透明的。根據(jù)一個實(shí)施例，外殼蓋子130包括熱塑樹脂。電池132向電子裝置122供電。底腳102、管104以及彈簧120作為聲學(xué)波導(dǎo)，將聲學(xué)震動或聲學(xué)信號從蒸汽/冷凝物管線150的固定面(在底腳102處)耦合到聲學(xué)傳感器單元116。根據(jù)一個實(shí)施例，聲學(xué)傳感器單元116檢測到的聲學(xué)震動在30kHz到50kHz的范圍內(nèi)。由于通過閥門158的氣流，而使得聲學(xué)震動源自汽阱152，特別是源自閥門158處。在泄漏的閥門的情況下，通過閥門158的氣流可以是蒸汽，且在啟動條件的情況下，可以是空氣或蒸汽。電子裝置122處理來自傳感器103、116的聲學(xué)和溫度數(shù)據(jù)，以計算與汽阱152的功能相關(guān)的診斷信息。根據(jù)一個實(shí)施例，在安裝時將底腳102、夾154以及蒸汽/冷凝物管線150包在熱絕緣中，以減少汽阱152與溫度傳感器103之間的溫差。下面通過圖3所示的示例來更詳細(xì)地描述換能器裝置100的操作。圖3示出了換能器裝置200。換能器裝置200包括聲學(xué)傳感器單元202。根據(jù)一個實(shí)施例，聲學(xué)傳感器單兀202包括壓電式力傳感器。根據(jù)另一實(shí)施例，聲學(xué)傳感器單兀202包括電容式力傳感器。根據(jù)又一實(shí)施例，聲學(xué)傳感器單兀202包括磁力傳感器。換能器裝置202包括聲學(xué)波導(dǎo)204。聲學(xué)波導(dǎo)204包括可旋轉(zhuǎn)地耦合到聲學(xué)傳感器單元202上的彈簧204A。聲學(xué)波導(dǎo)204包括管204B，管204B具有耦合到彈簧204A的第一管端206。聲學(xué)波導(dǎo)204包括底腳204C，其提供了耦合到管204B的第二管端210上的耦合區(qū) 域。底腳204C包括可與流體管道212固定接觸的固定面208。底腳204C包括與固定面208相鄰的內(nèi)部熱電偶套管腔214。將溫度傳感器216置于熱電偶套管腔214中，并感測內(nèi)部熱電偶套管腔214中的溫度?？梢杂么罅繉?dǎo)熱灌封化合物215來填充熱電偶套管腔214中的空間。根據(jù)一個實(shí)施例，灌封化合物215包括由Pittsburgh, Pennsylvania 15238 USA的Sauereisen Cements Company出售的針對高溫的無機(jī)陶瓷膠合劑的薄層。導(dǎo)熱化合物215在溫度傳感器216與流體管道212之間提供了良好熱耦合。溫度傳感器216連接到輸出電纜218，輸出電纜218貫穿管204B和第一管端206。根據(jù)一個實(shí)施例，溫度傳感器216包括熱敏電阻。根據(jù)另一實(shí)施例，溫度傳感器216包括熱電偶結(jié)(thermocouple junction)。聲學(xué)波導(dǎo)204將來自底腳204C的固定面208的聲學(xué)震動耦合到聲學(xué)傳感器單元202。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，管204B和底腳204C可以由單一管形成，且在該情況下，在管204B與底腳204C之間沒有接合點(diǎn)。根據(jù)一個實(shí)施例，在30kHz到50kHz的范圍中感測聲學(xué)震動。根據(jù)一個實(shí)施例，管204B具有將聲學(xué)傳感器單元202與底腳204C隔開一定距離的長度，以提供熱絕緣。一般被夾到汽阱排水管線上的底腳204C處的高溫沿著管204B的長度衰減，使得聲學(xué)傳感器單元202具有接近周圍環(huán)境空氣的溫度的較低溫度。如圖所示，管204B是中空的，這減少了沿著管204B的長度的熱傳導(dǎo)。根據(jù)一個實(shí)施例，用絕緣帽220將彈簧204A定位在聲學(xué)傳感器單元202附近，絕緣帽220在彈簧204A與聲學(xué)傳感器單元202之間提供了可旋轉(zhuǎn)接合點(diǎn)。絕緣帽220將來自彈簧204A的聲學(xué)震動耦合到聲學(xué)傳感器單元202。絕緣帽220將彈簧204A定位在對聲學(xué)傳感器單元202施加力的位置上。根據(jù)一個實(shí)施例，絕緣帽220由電絕緣材料形成，且其尺寸在傳感器單元202與導(dǎo)電彈簧204A之間提供了充足的電氣間隙和爬電距離，以確保電子絕緣。根據(jù)另一實(shí)施例，彈簧204A處于管道電勢，且傳感器單元202處于電子電路電勢，且絕緣帽220提供電流隔離，以確保滿足針對換能器裝置200中的電路的固有安全要求。根據(jù)一個實(shí)施例，換能器裝置200包括固定在管204B上的電子外殼固定凸緣223，其包括與第一管端206相鄰的帶螺紋的凸緣部分224。在該實(shí)施例中，電子外殼固定凸緣223用于將電子外殼(圖3中未示出)固定在第一管端206附近。根據(jù)另一實(shí)施例，換能器裝置200包括傳感器支撐適配器222。傳感器支撐適配器222包括印刷配線板226，該印刷配線板226滑入適配器222的槽228內(nèi)以進(jìn)行固定。在該實(shí)施例中，將聲學(xué)傳感器單元202固定在印刷配線板上以獲得機(jī)械支撐和電連接。將傳感器支撐適配器222與螺紋221擰上，螺紋221與具有螺紋的凸緣部分224嚙合。
聲學(xué)傳感器單元202的電導(dǎo)線230和溫度傳感器216的輸出電纜218提供了聲學(xué)能量和溫度輸出，并耦合到電子裝置(圖3未示出)。溫度和聲學(xué)能量輸出對于汽阱和其他過程流體容器的診斷測試是有用的。傳感器支撐適配器222包括帶有螺紋的支撐端225，支撐端225具有與帶有螺紋的凸緣部分224嚙合的螺紋221。隨著螺紋嚙合的推進(jìn)，彈簧204A在聲學(xué)傳感器單元202上施加增加的力，并壓縮彈簧204A，從而消除了聲學(xué)波導(dǎo)204中的空轉(zhuǎn)或空動。
根據(jù)一個實(shí)施例，管204B包括金屬管，該金屬管具有小于11毫米的外徑。根據(jù)另一實(shí)施例，管204B包括厚度小于2. 0毫米的管壁。下面結(jié)合圖4所示的示例來更詳細(xì)地描述換能器裝置200的組裝和操作。圖4示出了換能器裝置300的分解圖。如圖3所示，換能器裝置300包括波導(dǎo)，該波導(dǎo)包括彈簧204A、管204B以及底腳204C。如圖3所示，換能器裝置300包括聲學(xué)傳感器單元202、傳感器支撐適配器222、以及電子外殼固定凸緣223。針對對圖3和圖4共同的組件的組裝和功能的描述，可以參考圖3和對圖3的描述。換能器裝置300包括電子外殼302和外殼蓋子304。0形環(huán)306在電子外殼302與蓋子304之間提供密封。電子外殼302包括具有圓錐頂點(diǎn)312的截頭圓錐體內(nèi)表面308、310，該圓錐頂點(diǎn)312對于兩個截頭圓錐體內(nèi)表面308、310是公共的。電子外殼固定凸緣223的截頭圓錐體外表面314組裝在截頭圓錐體內(nèi)表面310的附近。換能器裝置300包括具有截頭圓錐體外表面318的截頭圓錐體墊圈316，將該截頭圓錐體外表面318組裝在截頭圓錐體內(nèi)表面308的附近。將彈簧墊圈(也被稱作Belleville墊圈)320定位在截頭圓錐體墊圈316的上面。將傳感器支撐適配器222擰到電子外殼固定凸緣223的螺紋322上，壓縮彈簧墊圈320。具有公共頂點(diǎn)312的截頭圓錐體表面308、310、314、318的布置在外殼302與凸緣223之間提供了連接，即使在外殼302和管204B由具有不同溫度膨脹系數(shù)的材料形成的情況下，也維持了穩(wěn)定的間隔。電子裝置324通過蓋子304提供了無線通信。在其他方面中，換能器裝置300類似于圖2中的換能器裝置100。電池326向電子裝置324供電。電子裝置324包括溫度和聲學(xué)信號水平的已存儲的閾值。已存儲的閾值存儲在非易失性存儲器中，且可通過無線通信來調(diào)整。將溫度和聲學(xué)信號水平的實(shí)時水平與相應(yīng)的存儲閾值進(jìn)行比較，以執(zhí)行診斷判定，通過無線通信來發(fā)送實(shí)時溫度和水平數(shù)據(jù)、判定或二者同時。電子裝置324還包括已存儲的標(biāo)識號碼或名稱，將其無線發(fā)送以標(biāo)識數(shù)據(jù)或診斷判定的源。電子裝置324包括可通過蓋子304中的窗口看到的數(shù)字顯示器303。圖5A示出了在換能器裝置400上的溫度感測位置。換能器裝置400包括通過夾子404、406固定到冷凝物排水管道402上的底腳408。在正常操作期間，冷凝物排水管道402傳送已加熱的冷凝物。熱從冷凝物排水管道402通過換能器裝置400流到具有較低溫度的周圍環(huán)境中。因此，在換能器裝置400中存在溫度梯度。溫度梯度的有利之處在于其為電子裝置(比如圖2中的裝置122)提供了較低的操作溫度。溫度梯度的問題在于難以發(fā)現(xiàn)換能器裝置400上滿足以下條件的位置在該位置上放置溫度傳感器以獲得溫度讀數(shù)，通過該溫度讀數(shù)可以準(zhǔn)確地推斷冷凝物排水管道的溫度。為了在設(shè)計測試期間測量溫度，在由底腳408的趾端(toe end)附近的趾部所指示的位置處的夾子404下壓縮熱電偶結(jié)。在底腳408的踵端(heel end)由踵部指示的位置處，在夾子406之下壓縮熱電偶結(jié)。對來自趾夾404下的熱電偶結(jié)的讀數(shù)進(jìn)行平均，以提供如圖5B所示的記錄的趾部溫度讀數(shù)。對來自踵夾406下的熱電偶結(jié)的讀數(shù)進(jìn)行平均，以提供如圖5B所示的記錄的踵部溫度讀數(shù)。將兩個熱電偶結(jié)附在處于由PIPE所指示位置處的冷凝物排水管道402上。對來自位于管道位置處的熱電偶結(jié)的讀數(shù)進(jìn)行平均，以提供如圖5B所指示的管道溫度讀數(shù)。作為換能器裝置400的一部分的傳感器提供了圖5B中的傳感器溫度讀數(shù)。圖5B示出了在設(shè)計測試期間的圖5A的溫度感測位置的溫度的圖。如圖5B所示，在時間零處開始加熱冷凝物排水管道。在從時間零開始的大約100分鐘之后，記錄溫度穩(wěn)定。在從時間零開始的大約115分鐘之后，將底腳408和冷凝物排水管道402的相鄰部分用熱絕緣物包裹。在從時間零開始的大約200分鐘之后，記錄溫度再次穩(wěn)定。通過觀察圖5B可以看到，在位置趾部處記錄的溫度最接近管道溫度?；谶@些結(jié)果，將在換能器裝置400中使用的溫度傳感器(比如圖3中的溫度傳感器216)有利地置于底腳408的趾端附近，以提供對溫度讀數(shù)的增強(qiáng)的準(zhǔn)確性。基于這些測試結(jié)果，可以在底腳408和相鄰的冷凝物排水管道402上包裹熱絕緣物，以減少在管道和傳感器之間的溫差，從而增強(qiáng)如圖5B所示的溫度測量準(zhǔn)確性。根據(jù)一個實(shí)施例，如下面結(jié)合圖9更詳細(xì)描述的對傳感器的溫度讀數(shù)中剩余的溫度誤差進(jìn)行電子校正。圖6示出了換能器裝置504的主天線波瓣502的旋轉(zhuǎn)。換能器裝置504包括電子外殼506 (類似于圖4中的電子外殼302)以及電子裝置508 (類似于圖4中的電子裝置324)。通過固定螺絲510、512將電子裝置508固定到電子外殼506上。如箭頭514所示，電子外殼506 (以及所附的電子裝置508)是可旋轉(zhuǎn)的。電子裝置508上的定向天線516產(chǎn)生主天線波瓣502。該定向天線516還可以產(chǎn)生沒那么凸出的天線波瓣。電子外殼506的旋轉(zhuǎn)使得主天線波瓣502旋轉(zhuǎn)，允許操作者將主天線波瓣502對準(zhǔn)遠(yuǎn)程監(jiān)視臺522的天線520。如上面圖4所示，電子外殼302在截頭圓錐體承載表面314、318上可旋轉(zhuǎn)。彈簧墊圈320提供了對截頭圓錐體承載表面314、318的壓縮力。根據(jù)一個實(shí)施例，將電子數(shù)據(jù)顯示器303固定在電子裝置324上?？尚D(zhuǎn)截頭圓錐體承載表面314、318可以旋轉(zhuǎn)，以便將電子數(shù)據(jù)顯示器303定向到方便現(xiàn)場服務(wù)人員讀取的優(yōu)選方向。顯示器303的可旋轉(zhuǎn)性克服了以下問題其中，可以在固定位置上安裝電子數(shù)據(jù)顯示器，使得不將電子數(shù)據(jù)顯示器定向?yàn)橛糜诜奖阕x取。正常地，在水平定向上安裝管204B(圖3-4)，以避免熱從汽阱對流向電子裝置。可以通過旋轉(zhuǎn)電子外殼302，將固定在電路板上的電子數(shù)據(jù)顯示器303定向?yàn)橛糜谡_讀取。根據(jù)一個方面，在電子裝置324上將電子數(shù)據(jù)顯示器303相對于電子裝置324上的天線進(jìn)行定向，使得將天線優(yōu)選地定向用于在將顯示器303正確定向用于讀取時進(jìn)行發(fā)送和接收。一般地，將顯示器303定向?yàn)橛糜谟删S護(hù)人員從左至右水平讀取英文字母和數(shù)字。
圖7A和7B示出了針對主天線波瓣502的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)所需的作為溫度函數(shù)的扭矩。扭矩受到彈簧墊圈320的壓縮力的控制，以提供在8至22尺磅(foot pound)范圍中的扭矩。根據(jù)一個方面，彈簧墊圈320提供的可調(diào)的受控壓縮力結(jié)合對作為旋轉(zhuǎn)滑動表面的截頭圓錐體承載表面308、310、314、316的使用提供了也是可調(diào)的期望受控扭矩。扭矩范圍(順時針和逆時針方向的扭矩范圍)足夠高，使得震動將不改變主天線波瓣502的方向。扭矩范圍充分低(順時針和逆時針方向的扭矩范圍)使得可以容易地由手來旋轉(zhuǎn)主天線波瓣502。扭矩范圍在-40攝氏度到+80攝氏度的溫度范圍上是充分穩(wěn)定的，因?yàn)槭褂昧私仡^圓錐體承載表面308、310以及彈簧墊圈320。
圖8示出了在換能器裝置(比如圖4中的換能器裝置300或圖I中的換能器裝置50)中使用的電路裝置700。電路裝置700耦合到提供溫度數(shù)據(jù)的溫度傳感器702，以及耦合到提供聲學(xué)數(shù)據(jù)的聲學(xué)傳感器單元704。根據(jù)圖I所示的一個實(shí)施例，溫度傳感器704是外部的。根據(jù)圖3所示的另一個實(shí)施例，溫度傳感器704是換能器裝置的一部分。電路裝置700耦合到向電路裝置700供電的電池706。電路裝置700包括用于與耦合到監(jiān)視臺712的天線710進(jìn)行通信的天線708。根據(jù)一個方面，天線708包括定向天線。根據(jù)另一方面，天線708包括在印刷電路板上的印刷導(dǎo)體的圖案。電路裝置包括處理器電路720。根據(jù)一個方面，處理器電路720如下面結(jié)合圖9的邏輯流程圖更詳細(xì)描述的一樣進(jìn)行判定。處理器電路向通信電路722提供判定輸出。通信電路722根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議對判定和已存儲的標(biāo)識數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并使用天線708來發(fā)送判定和標(biāo)識數(shù)據(jù)。在非易失性存儲電路724中存儲用于作出判定的閾值設(shè)置和電路裝置700的標(biāo)識號碼。根據(jù)一個方面，非易失性存儲電路724包括EEPROM存儲器。作為調(diào)試(commissioning)或啟動操作的一部分，監(jiān)視臺712向電路裝置700發(fā)送閾值設(shè)置，以存儲在非易失性存儲電路724中。圖9示出了診斷流程圖，該診斷流程圖示出了可以由圖8的處理器電路720所執(zhí)行的判定的示例。處理開始于開始(START)802，并沿著線804繼續(xù)進(jìn)行到行動框801。在行動框801，執(zhí)行可選的溫度誤差校正算法。在可選的溫度誤差校正算法完成之后，處理沿著線803繼續(xù)進(jìn)行到判定框806。根據(jù)一個實(shí)施例，行動框801中的溫度誤差校正算法執(zhí)行靜態(tài)誤差校正程序Tpc = Tff+(KX (Tff-Tc))其中Trc表示已校正的管道溫度；Tff表不傳感器溫度；Tc表示電路板溫度；以及K表示通過測試確定的靜態(tài)校正系數(shù)。根據(jù)另一實(shí)施例，行動框801中的溫度誤差校正算法執(zhí)行動態(tài)誤差校正程序
Tpc = Tw + (K X (Tw -Tc)) + Mx d(Tw -Tc)——~—
dt其中Trc表示已校正的管道溫度；Tff表示傳感器溫度；Tc表示電路板溫度；
K表示通過測試確定的靜態(tài)校正系數(shù)；M表示通過測試確定的動態(tài)校正系數(shù)；以及d/dt表示數(shù)學(xué)微分。在判定框806，將溫度數(shù)據(jù)與存儲的溫度閾值進(jìn)行比較。如果溫度高于存儲的溫度閾值，則處理沿著線808繼續(xù)進(jìn)行到判定框810。如果溫度低于存儲的溫度閾值，則處理沿著線812繼續(xù)進(jìn)行到判定框814。在判定框814，如果聲學(xué)噪聲高于存儲的聲學(xué)噪聲閾值，則處理沿著線816繼續(xù)進(jìn)行到行動框818。在行動框818，記錄判定所監(jiān)視的設(shè)備處于啟動條件或泄漏空氣。如果聲學(xué)噪聲低于存儲的聲學(xué)噪聲閾值，則處理沿著線820繼續(xù)進(jìn)行到行動框822。在行動框822，記錄判定所監(jiān)視的設(shè)備被堵住或未操作。在判定框810，如果聲學(xué)噪聲高于存儲的聲學(xué)噪聲閾值，則處理沿著線830繼續(xù)進(jìn)行到行動框832。在行動框832，記錄判定所監(jiān)視的設(shè)備正在泄漏蒸汽。如果聲學(xué)噪聲低于存儲的聲學(xué)噪聲閾值，則處理沿著線834繼續(xù)進(jìn)行到行動框836。在行動框836，記錄判定所監(jiān)視的設(shè)備正在正常操作。在行動框840，將來自行動框818、822、832或836的最近的判定發(fā)送到通信電路，以用于與標(biāo)識號碼一起進(jìn)行無線發(fā)送。在發(fā)送之后，處理沿著線842繼續(xù)進(jìn)行至行動框844。在行動框844，重置框832、836、818、822中的判定，且處理返回至開始802。圖10示出了可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器900的備選實(shí)施例?？尚D(zhuǎn)聲學(xué)耦合器900包括中心軸902和插槽904。中心軸902具有與聲學(xué)傳感器單元908聲學(xué)耦合的第一軸端906。中心軸902具有耦合到插槽904的第二軸端910。第一軸端906與插槽904之間的中心軸的長度是充分長的，以許可中心軸902的撓曲(flexing)，以允許中心軸902與插槽904之間的小的未對準(zhǔn)。插槽904具有錐形開口 912，以允許小的未對準(zhǔn)。根據(jù)一個實(shí)施例，將插槽904通過固定器環(huán)916、918固定在管914中的恰當(dāng)位置上。根據(jù)另一實(shí)施例，插槽904的錐形開口 912逐漸變細(xì)，以干涉配合(interference fit)中心軸902。插槽904接觸中心軸902，以提供管914與中心軸902之間的聲學(xué)耦合。根據(jù)一個方面，插槽904由彈性材料形成，以提供接觸。根據(jù)另一方面，插槽904由ProfessionalPlastics Inc.，F(xiàn)ullerton, CA，USA 92831出售的熱穩(wěn)定型6聚酰胺形成。中心軸902與插槽904之間的夾持接合點(diǎn)(gripping joint)是可旋轉(zhuǎn)的。根據(jù)一個方面，插槽904包括一個或多個輻射狀開口 920，通過該開口 920，可以將溫度傳感器的電導(dǎo)線922擰入。圖IlA示出了在不使用誤差校正例程的情況下的示例性溫度誤差的圖。如圖IlA所示，在未使用絕緣的情況下，未補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)溫度誤差是大約12攝氏度，且在使用絕緣的情況下，是大約7攝氏度。未補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)溫度誤差的范圍高至在不使用絕緣的情況下的大約14度和在使用絕緣情況下的7度。
圖IlB示出了在使用靜態(tài)誤差校正例程的情況下的示例性溫度誤差的圖。如圖IlB所示，在未使用絕緣的情況下，靜態(tài)補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)溫度誤差是大約3攝氏度，且在使用絕緣的情況下，是大約-2攝氏度。靜態(tài)補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)溫度誤差的范圍高至在不使用絕緣的情況下的大約12度和在使用絕緣情況下的-2度。圖IlC示出了在使用動態(tài)誤差校正例程的情況下的溫度誤差的圖。如圖IlC所示，在未使用絕緣的情況下，動態(tài)補(bǔ)償?shù)撵o態(tài)溫度誤差是大約2攝氏度，且在使用絕緣的情況下，是大約-2. 5攝氏度。動態(tài)補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)溫度誤差的范圍高至在不使用絕緣的情況下的大約-2度和在使用絕緣情況下的-2. 5度。圖11A、B、C中的數(shù)據(jù)示出了靜態(tài)和動態(tài)補(bǔ)償可以顯著減少溫度測量誤差。根據(jù)一個方面，可由在安裝地點(diǎn)處的維護(hù)人員來調(diào)整溫度補(bǔ)償，以適應(yīng)在安裝中絕緣的使用或未使用。圖12示出了耦合到可致動控制閥門960的出口上的換能器裝置950?？刂崎y門960包括閥門底座961和可相對于閥門底座961移動的閥門塞962。根據(jù)一個實(shí)施例，在名義上關(guān)閉控制閥門960，但是存在通過閥門底座961和閥門塞962之間的密封的泄漏時，該泄漏產(chǎn)生由換能器裝置950感測并診斷的聲學(xué)噪聲。根據(jù)另一實(shí)施例，在控制閥門960正常操作液體流，但是用空氣取而代之地填充閥門，且空氣流過閥門960時，氣流產(chǎn)生聲學(xué)噪 聲，且該聲學(xué)噪聲由換能器裝置950感測并診斷。圖13示出了固定到流控制裝置980上的換能器裝置970，流控制裝置980包括限流器981。根據(jù)一個方面，過程冷卻系統(tǒng)的高壓側(cè)向包括如圖所示的毛細(xì)管在內(nèi)的限流器981提供了流體冷卻劑984。隨著流體冷卻劑984沿著限流器981流向過程冷卻系統(tǒng)的低壓側(cè)986，流體冷卻劑984的壓力下降，且冷卻劑汽化為氣體，其逸出限流器981，進(jìn)入低壓側(cè)986，從而提供冷卻。在過程冷卻系統(tǒng)泄漏冷卻劑，且氣體(而不是流體)流經(jīng)限流器981的事件中，產(chǎn)生聲學(xué)噪聲。根據(jù)一個方面，換能器裝置970感測相關(guān)聯(lián)的聲學(xué)噪聲，并診斷冷卻劑的損耗。根據(jù)另一方面，在限流器981堵塞的事件中，與流體流相關(guān)聯(lián)的正常噪聲消失，且換能器裝置970診斷限流器981的堵塞?？梢詫D1-13中所示的各個方面恰當(dāng)?shù)亟Y(jié)合。根據(jù)一個實(shí)施例，聲學(xué)傳感器202包括壓電單元，該壓電單元包括壓電晶體碟，該壓電晶體碟固定在金屬罐中，同時該壓電晶體碟的力敏感面面向彈簧204A，如圖所示。壓電晶體碟作為震動膜(diaphragm)，且從彈簧204A、周圍的空氣或二者同時接收聲音。彈簧204A的壓縮維持了彈簧204A與壓電晶體碟之間的接觸。聲學(xué)傳感器202和彈簧204A提供了對聲學(xué)信號的濾波。根據(jù)一個實(shí)施例，電子裝置324中的電路被調(diào)諧為由彈簧204A和聲學(xué)傳感器202提供的濾波的諧振頻率范圍。盡管圖2-4中示出了線圈彈簧，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以使用其他形狀(比如圖10所示的軸)來傳導(dǎo)聲學(xué)信號，并維持與聲學(xué)傳感器單元的接觸。應(yīng)當(dāng)理解，盡管已在前面的說明中闡述了本發(fā)明的各種實(shí)施例的多個方面，本公開內(nèi)容僅是示意性的，且可以在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下對形式和細(xì)節(jié)作出改變。本發(fā)明不局限于本文所示的特定換能器裝置，且可應(yīng)用于其他換能器裝置以及其他壓力容器。
權(quán)利要求
1.一種用于診斷來自壓力容器的聲學(xué)噪聲的換能器裝置，包括 聲學(xué)傳感器單元； 聲學(xué)波導(dǎo)，所述聲學(xué)波導(dǎo)包括可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器，耦合到所述聲學(xué)傳感器單元；管，所述管具有耦合到所述可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器的第一管端以及能夠聲學(xué)耦合到流體管道的第二管端；以及 電路裝置，耦合到所述聲學(xué)傳感器單元，所述電路裝置提供診斷輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的換能器裝置，其中，所述第二管端具有與所述流體導(dǎo)管相鄰的內(nèi)部熱電偶套管腔，以及所述換能器裝置包括 溫度傳感器，感測所述內(nèi)部熱電偶套管腔中的溫度，并具有通過所述管和所述第一管端延伸到所述電路裝置的輸出電纜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器裝置，其中，所述電路裝置包括靜態(tài)溫度補(bǔ)償。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器裝置，其中，所述電路裝置包括動態(tài)溫度補(bǔ)償。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的換能器裝置，其中，所述溫度傳感器是從熱敏電阻器和熱電偶結(jié)的組中選擇的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的換能器裝置，還包括 電子外殼，能夠相對于所述聲學(xué)波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)；以及 電子數(shù)據(jù)顯示器，被布置在所述電子外殼上，并且所述電子數(shù)據(jù)顯示器能夠通過所述電子外殼的旋轉(zhuǎn)來對準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的換能器裝置，還包括在所述電子外殼和所述聲學(xué)波導(dǎo)上的截頭圓錐體表面，所述截頭圓錐體表面能夠彼此相對旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的換能器裝置，還包括彈簧墊圈，所述彈簧墊圈壓縮所述截頭圓錐體表面，以控制所述截頭圓錐體表面彼此相對旋轉(zhuǎn)時的扭矩。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的換能器裝置，其中，所述第二管端形成能夠固定在所述流體管道上的底腳。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的換能器裝置，其中，所述聲學(xué)傳感器單元是從壓電式力傳感器、電容式力傳感器以及磁力傳感器的組中選擇的。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的換能器裝置，其中，所述聲學(xué)波導(dǎo)將來自所述固定面的聲學(xué)震動耦合到所述聲學(xué)傳感器單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的換能器裝置，其中，所述聲學(xué)震動在30kHz到50kHz的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的換能器裝置，還包括絕緣帽，所述絕緣帽將來自所述可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器的聲學(xué)震動耦合到所述聲學(xué)傳感器單元，所述絕緣帽提供所述可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器與所述聲學(xué)傳感器單元之間的可旋轉(zhuǎn)接合點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的換能器裝置，還包括電子外殼固定凸緣，所述電子外殼固定凸緣固定在所述管上，并且包括鄰近所述第一管端的具有螺紋的凸緣部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的換能器裝置，還包括聲學(xué)傳感器支撐適配器，所述聲學(xué)傳感器支撐適配器支撐所述聲學(xué)傳感器單元，并且包括與所述具有螺紋的凸緣部分嚙合的具有螺紋的支撐端。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的換能器裝置，其中，所述管包括金屬管，所述金屬管的外徑小于11毫米。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的換能器裝置，其中，所述管包括厚度小于2.O毫米的管壁。
18.—種感測流體導(dǎo)管處的聲學(xué)能量的方法，包括 提供聲學(xué)傳感器單元； 將可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器的第一端耦合到所述聲學(xué)傳感器單元； 將管的第一端耦合到所述可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器的第二端； 使底腳成形，以包括能夠固定在所述流體導(dǎo)管上的固定面； 將所述底腳耦合到所述管的第二端；以及 提供表示所述聲學(xué)能量的第一電子輸出。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括 使所述底腳成形，以包括鄰近所述固定面的內(nèi)部熱電偶套管腔；以及 感測所述內(nèi)部熱電偶套管腔中的溫度，并提供表示溫度的第二電子輸出。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述管和所述可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器形成聲學(xué)波導(dǎo)，所述聲學(xué)波導(dǎo)將來自所述固定面的聲學(xué)震動耦合到所述聲學(xué)傳感器單元。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，利用所述聲學(xué)傳感器單元在30kHz到50kHz的范圍中感測所述聲學(xué)震動。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，將所述可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器通過絕緣帽耦合到所述聲學(xué)傳感器單元，所述絕緣帽形成所述可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器與所述聲學(xué)傳感器單元之間的可旋轉(zhuǎn)接合點(diǎn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，將所述聲學(xué)傳感器單元固定到聲學(xué)固定凸緣，并擰入所述固定凸緣。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，固定包括螺紋端的電子外殼支撐適配器，所述螺紋端與所述固定凸緣的螺紋嚙合。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，形成金屬管。
全文摘要
一種用于壓力容器的聲學(xué)換能器裝置包括聲學(xué)傳感器單元以及聲學(xué)波導(dǎo)。所述聲學(xué)波導(dǎo)包括可旋轉(zhuǎn)聲學(xué)耦合器、管、以及底腳。所述底腳具有可固定在流體導(dǎo)管上的固定面。電路裝置耦合到聲學(xué)傳感器單元，并提供診斷輸出。
文檔編號H04R23/00GK102638754SQ20111030382
公開日2012年8月15日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月14日
發(fā)明者洛厄爾·A·克萊文 申請人:羅斯蒙德公司