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        溫度測量中除了使用熱套管外還有哪些替代測量技術

        發布時間:2019-08-01 09:02:21來源:


              熱套管可能是一個設計和維護問題,但最近的創新減少了一些長期存在的問題,而替代測量技術可以完全消除它們的問題,看看哪種方法最適合您?
              在過程儀表領域,溫度測量帶來了獨特的挑戰,因為需要一個熱電偶套管來保護溫度測量傳感器免受惡劣工藝條件的影響。這導致傳感器從其應該測量的過程中移除,經常影響響應時間和準確度。
              熱電阻(電阻溫度檢測器)最通常由帶有引線的鉑元件構成,其被封裝在不銹鋼護套中以機械地和電氣地保護它。熱電偶通常更具機械強度,但仍需要高度保護。在任何一種情況下,來自過程的熱量必須流過保護部件和任何內部絕緣,以達到傳感器和周圍過程之間的平衡溫度。
              這種熱流需要時間并且在實際過程溫度變化與自動化系統識別之間產生滯后。傳感器本身的相對較小的外殼(通常直徑為5至7mm)很少安裝,使得它看到直接的過程接觸。大多數工藝使用熱電偶套管(見圖1)來隔離傳感器組件,使其可以在沒有直接接觸的情況下延伸到工藝過程中。
        不同的熱套管長度允許傳感器放置在過程中的關鍵點。
              熱電偶套管通過容器或管壁安裝,以延伸到過程流體中,達到所需的溫度測量點(見圖2)。傳感器從過程外部插入熱電偶套管,因此無需關閉即可訪問。熱電偶套管暴露在過程流體中,因此熱量通過其壁傳遞并最終傳導到護套和傳感器本身。最終達到平衡,然后傳感器提供代表過程流體溫度的讀數。
              如果過程流體溫度發生變化,新溫度必須通過所有這些層。根據應用程序的不同,這可能需要幾秒到幾分鐘。很少有工藝經歷突然的溫度階躍變化,因此這種安排適用于大多數實際應用。
        熱套管選擇的權衡
              過程工程師通常會指定需要采取溫度讀數的位置。例如,傳感器需要放置在從反應器出來的管道中,并從管道中心讀取。因此,熱電偶套管插入長度需要是管道內徑的一半。過程工程師還將確定在正常操作中溫度可能變化的程度和速度,以及測量點需要多快地將更改傳達給自動化系統。如果需要在很短的時間內識別出運動,則熱套管需要薄壁才能將熱量快速傳導到傳感器。同時,熱壁必須足夠厚以承受任何機械應力和壓力而不會扭曲或失效。當然,熱電偶套管必須由能夠承受化學和溫度環境的適當材料制成,通常與插入管道或容器的材料相同。
              可以使用各種方法安裝熱電偶套管。一旦就位,可以插入傳感器而無需關閉過程。熱套管安裝程序將從四種常見選項中選擇一種連接方法以適應這種情況(參見圖3):
              螺紋熱電偶套管螺紋連接到工藝管道或容器中,這樣可以在必要時輕松安裝和拆卸。雖然這是最常用的安裝方法,但它具有最低的額定壓力,并且螺紋連接易于泄漏。
              焊接式熱電偶套管永久焊接在工藝管道或容器上,用于高速流動,高溫和/或高壓應用。雖然可靠且防漏,但難以移除并且需要將熱電偶套管切割出系統。
              法蘭式熱電偶套管用螺栓固定在配合法蘭上,或用定位焊接在工藝管道或容器上。它們用于腐蝕性環境,高流體速度,高溫和/或高壓的應用中。
              范石熱套管或搭接接頭熱電偶套管安裝在配合法蘭和搭接法蘭之間。這些熱電偶套管允許使用不同的材料來使熱電偶套管與工藝接觸并與覆蓋的凸緣接觸,這可以節省材料和制造成本。
        流體流動是最大的挑戰
              如果正確指定和安裝的熱電偶套管位于流體大部分靜止的位置,例如在某些容器中,它可以具有較長的使用壽命。當熱電偶套管插入移動流體時會出現問題,這是最常見的應用類型。熱電偶套管通常垂直于流動安裝,因此流體會在寬邊處撞擊。因此,它會產生局部阻塞并導致流體阻力。
        該模型說明了渦流如何從熱套管分離。
              當流體流過圓形熱電偶套管時,兩側都會形成高壓和低壓渦流。這些渦流首先從一側分離,然后從另一側分離,以交替的方式分離(見圖4)。這種現象通常稱為渦旋脫落。由交替渦流引起的壓差產生渦激振動(VIV),導致應力并引起橫向和軸向偏轉,最終可導致斷裂。就像熱電偶套管垂直于流動上下拉動一樣。
              振蕩的頻率被稱為喚醒頻率并受流體速度的影響。它不是線性關系,因此振動不一定隨著速度的增加而增加。隨著流體速度的變化,VIV將在不同的點上增加和退縮,因此在某些情況下安裝可以相對安全地運行。
              當尾流頻率對應于熱電偶套管的固有頻率時,會發生最壞的情況,從而產生潛在的暴力VIV。如果動態應力超過熱電偶的最大允許工作應力極限,它將屈服于疲勞并失效。熱套管制造商應提供熱套管計算以預測熱套管失效的可能性。在美國機械工程師學會(ASME)提供了一種用于計算所需的尺寸熱電偶套管是足夠強以在給定應用令人滿意地工作的方法在這里。
              這種計算取決于一組靜態過程條件,而在大多數現實情況下并非如此。傳統的解決方案是使熱電偶套管的長度與工藝可以接受的一樣短,并且盡可能地插入,但這會增加捕獲溫度變化的時間滯后并影響精度。另一種方法是找到能夠抑制VIV形成的特征。
        修改熱套管幾何體以減少VIV
              圓柱形,階梯式和錐形熱電偶套管基本上都是圓形的 - 因此它們具有相似的VIV特性,允許沿整個長度形成渦流。一種新設計(見圖5)破壞了長渦的形成,并允許它們在兩側形成,因此它們傾向于相互平衡和抵消。結果遠遠少于VIV,在某些情況下減少了90%。
              像這樣的螺旋幾何形狀已經成功地用于風堆和深海立管以解決類似的問題。插入時不依賴于特定的方向,并且減少了對過厚的熱電偶套管和大直徑工藝穿透的需要。而且,它在各種操作參數范圍內都是有效且合適的。
        從表面溫度讀數推斷過程溫度
              由于所有溫度讀數都取決于熱電偶套管和傳感器護套的導熱系數,為什么不將傳感器安裝在管道外部,并根據通過墻壁傳遞的熱量來推斷工藝溫度?這消除了對熱電偶套管的需求,并且如果進行適當的調整則提供準確的讀數:
              -表面讀數將反映外壁附近的流體,這可能與管道的中心不同。
              -必須考慮管道的導熱特性,包括材料和厚度。
              -環境溫度條件必須包含在計算中。
              如果傳感器可以與管壁牢固地直接接觸并且完全絕緣,則有時可以從傳感器輸出推斷出可用的讀數。然而,改變環境溫度條件將顯著影響讀數的準確性,導致尋求更好的解決方案。新技術(見圖6)旨在測量表面溫度,并校正和補償傳熱和環境條件效應,從而實現精確的過程溫度測量,而無需對過程進行任何侵入或穿透。該裝置使用簡單的管夾組件安裝,然后絕緣。將管道材料和壁厚輸入變送器,以便計算熱流并推斷管道內的過程溫度。該裝置還使用在變送器外殼內部的環境溫度讀數來考慮環境條件的變化。
        這種方法有很多優點:
              -它可以在沒有過程滲透的情況下安裝,因此不需要關閉。
              -它適用于管道直徑對于熱電偶套管而言太小的情況。
              -由于沒有部件被潤濕,因此不需要特殊材料。
              -如有必要,可將組件移動到不同的測量點。
              -有線和無線選項使安裝變得簡單。
              與任何表面溫度測量一樣,新技術受到相同的時間滯后和近壁內讀取特性的影響,但其優勢往往超過這些限制。任何溫度測量應用都將是一種妥協,但現在越來越多的選項使選擇變得更加容易。

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