使用熱成像的過程管道異常檢測的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)過程中使用類型的過程控制和監(jiān)測系統(tǒng)的診斷。更具體地，本發(fā) 明涉及基于工業(yè)過程中的熱成像的診斷。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)過程用于各種過程流體的制造和移動。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程流體。管道、容器和其它類型的器皿是過程管道的示 例。
[0003] 工業(yè)過程內(nèi)使用的運送過程流體的各種管道可能往往會隨著時間而損壞。該損壞 的一個來源是由于暴露于過熱的溫度。這種過熱的溫度可能會造成過程中的溫度梯度，該 溫度梯度可以通過操作者在物理上行走通過攜帶手持式熱成像照相機的工業(yè)設(shè)備以獲得 紅外表面溫度測量來識別。操作者必須手動解釋圖像信息以確定溫度是否在規(guī)定范圍外。 這耗費時間且無法提供對過程內(nèi)的臨界點的連續(xù)監(jiān)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 一種用于檢測過程管道的狀態(tài)的診斷現(xiàn)場裝置包括紅外檢測器，所述紅外檢測器 包括多個像素，所述多個像素被構(gòu)造成從過程管道接收紅外輻射并以響應(yīng)的方式提供多個 像素輸出。多個像素中的第一像素被構(gòu)造成從過程管道上的第一位置接收紅外輻射。多個 像素中的第二像素被構(gòu)造成從過程管道上的第二位置接收紅外輻射。存儲器含有熱分布圖 信息，所述熱分布圖信息使來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)來自第一像素和第二像素的 輸出識別過程異常。輸出電路提供指示識別的過程異常的診斷輸出。
【附圖說明】
[0005] 圖1是顯示包括診斷現(xiàn)場裝置的工業(yè)過程的簡圖；
[0006] 圖2A是顯示過程異常的過程管道的側(cè)視熱像；
[0007] 圖2B是圖2A的熱像中的多個切片的溫度分布圖；
[0008] 圖3是顯示圖1的過程現(xiàn)場裝置的簡化方框圖；
[0009] 圖4是顯示與圖3中所示的現(xiàn)場裝置一起使用的紅外檢測器的一個示例結(jié)構(gòu)的簡 化示意圖；
[0010] 圖5是顯示用于檢測過程異常的示例步驟的簡化方框圖；以及
[0011] 圖6是顯示與圖3中所示的現(xiàn)場裝置一起使用的紅外檢測器的另一個示例結(jié)構(gòu)的 簡化示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 如【背景技術(shù)】部分中所述，過程管道的紅外表面測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工業(yè)設(shè)備。操作者使用熱成像裝置從過程中的臨界點手動收集數(shù) 據(jù)。如果這些臨界點無法持續(xù)監(jiān)測，則溫度可能會超過用于制造管道的材料的極限，從而造 成故障，使得設(shè)備過早停止運轉(zhuǎn)。如以下更詳細地說明，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)過程的部件物理上耦合的溫度傳感器來識別工業(yè)過程中使 用的過程管道中的異常。這允許自動化監(jiān)測過程且不需要操作者物理檢查過程。在一個示 例性實施例中，紅外陣列用于獲得工業(yè)過程的熱像。診斷電路通過監(jiān)測熱像執(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)明的一個實施例的包括過程診斷裝置12的工業(yè)過程10的 簡圖。裝置12可以為諸如獨立式裝置或過程變量傳送器或控制器的任何類型的過程裝置。 裝置12耦合到雙線過程控制回路18上的另一個位置，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的電流來調(diào)制的HART?通信協(xié)議、FieldBus或Profibus通信協(xié)議等 等，包括無線通信技術(shù)。無線通信技術(shù)的一個示例為基于IEC62591的無線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現(xiàn)回路18?？刂剖?6包括下面更 詳細說明的可選的顯示器19。
[0014] 如圖1中所示，過程裝置12包括被構(gòu)造成例如從管道32接收紅外輻射104的紅 外檢測器100。檢測器100可以包括紅外熱成像照相機。管道32被顯示為罐，但也可以包 括承載過程流體的任何容器，包括過程管道。檢測器100可以包括紅外傳感器陣列。如以 下更詳細地說明，過程裝置12能夠通過監(jiān)測紅外輻射104檢測管道32中的異常。
[0015] 圖2A是管道32的側(cè)視熱像圖并顯示過程流體的流動。圖2A還顯示管道32的過 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源造成的。例如，流動中的熱對象可以靠 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，過程中的熱源可能會影響管道 等。雖然異常40被顯示為升高溫度區(qū)域，但是過程異常還可以通過識別局部冷卻來檢測。 檢測到的異?？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中所示的紅外檢測器100來檢測以監(jiān)測管道32上的熱點或冷點。
[0016] 異態(tài)檢測可以通過許多技術(shù)。例如，可以獲悉管道32由于過程動態(tài)和固有溫度變 化產(chǎn)生的正常溫度特性。如果熱檢測器100為熱成像裝置，則管道32的熱像可以以觀察數(shù) 據(jù)中的相對趨勢的像素水平被監(jiān)測以識別表面異常。如果成組的像素具有與熱像中的其它 像素有關(guān)隨著時間逐漸變化的特性，則可以檢測到異常。警報可以隨同指示管道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] 熱像的評價可以以許多方式來執(zhí)行。例如，可以監(jiān)測圖像的單獨切片。"切片"為 由多于一個的像素組成的熱像的一部分的一個示例。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。每一個切片的平均溫度可以根據(jù)構(gòu)成切片的像 素來確定。圖2B是沿管道32的長度獲得的熱像中的各個切片相對于溫度的曲線圖。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。分布圖可以通過利用理論循環(huán)被標(biāo)準(zhǔn)化以說明正常過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量的溫度分布圖減去以說明這種變化。
[0018] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的過程裝置12的簡化方框圖。過程裝置12可以 被構(gòu)造成獨立診斷裝置或者過程變量傳送器或控制器。裝置12包括根據(jù)存儲器26中存儲 的指令以由時鐘28確定的速率操作的微處理器24。通信電路（1/0)30用于在過程控制回 路18上進行通信。在一些實施例中，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的紅外檢測器100。紅外檢測器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還顯示可選的過程變量接口元件20和接口電路 22。接口元件20可以為過程變量傳感器或控制器。
[0020] 檢測器100被布置成從圖1所示的過程管道32接收紅外輻射104。檢測的紅外 輻射形成過程管道32的熱像或紅外圖像。所述圖像由與管道32中的不同區(qū)域相對應(yīng)的多 個分部或部分形成。紅外檢測器100優(yōu)選地具有方向性，并且如在下面更詳細地說明包括 多個單獨的紅外傳感器（"像素"）。這些傳感器可以為單獨的獨立元件或者可以被制造成 單個裝置。來自紅外檢測器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] 在一個示例性結(jié)構(gòu)中，紅外檢測器100由至少兩個單獨的紅外傳感器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形成的兩個像素的紅外（或者熱）圖像。這兩個像素中的每一個與紅外圖像的分 部或者一部分相對應(yīng)并感測來自過程管道32上的兩個位置106AU06B的紅外輻射。位置 106AU06B為管道32的多個部分或"切片"的示例。如上所述，每一個像素可以觀察管道32 的圖像的一部分或者"切片"。圖4是僅由兩個像素形成的圖像的示例。然而，一個典型實 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可選的 紅外透鏡、過濾器或其它元件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實現(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)類型的紅外感測技術(shù)。示例包括 紅外感測二極管、電荷耦合裝置（CCD)、互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)裝置或者其它裝置。 在圖4的實施例中，顯示兩個單獨的傳感器。然而，傳感器可以形成為一維或二維陣列或矩 陣。因此，可以僅使用兩個單獨的紅外傳感器獲得捕獲的熱像且每一個傳感器與圖像內(nèi)的 分部或區(qū)域相對應(yīng)，或者可以使用大量單獨的傳感器以形成更大的矩陣或陣列來形成捕獲 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的特性以及檢測器100與過程管道32之間的間距和相對方 位。來自傳感器120A、120B的輸出被提供到處理電路102。例如，處理電路102可以將來自 傳感器120AU20B的輸出數(shù)字化并將數(shù)字信號提供到微處理器24。
[0023] 圖5是顯示根據(jù)一個示例性實施例的由圖3所示的微處理器24執(zhí)行的步驟的簡 化方框圖。圖150中顯示的步驟可以在存儲器26中存儲的程序指令中被實施。所述過程 以方框152開始。在方框154處，來自管道32的多個部分的紅外輻射104使用檢測器100 被收集、通過處理電路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)的信息在過程的正常操作期間作為用于過程管道32的熱分