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浅谈关于化学工厂中的大多数过程温度测量依赖于热电偶套管三个关键元素

来源:发表时间:2019-05-09


      化学工厂中的大多数过程温度测量依赖于热电偶套管三个关键元素:提供过程控制的热电偶套管; 传感器,用于测量并将其转换为电信号; 以及将传感器信号转换为强大的通信协议(如4-20-mA,HART或Foundation Fieldbus)的发送器。这些元素必须协同工作,以提供安全,准确和可重复的读数。
      该过程的性质决定了三者中每一个的复杂程度。所以,让金莎娱乐官方网站的小编分别看看它们。
热电偶套管
      这种设备(图1)在技术上通常看起来最简单。然而,通常情况下,它实际上是最大的问题。这些源于机械问题。因此,让咱们来看看热套管的工作原理。


热电偶
图1.单位有多种形状和尺寸可供选择。
      大多数应用需要热套管,因为将温度传感器直接插入过程通常是不实际的。传感器通常装在不锈钢护套中,理想情况下它相对较薄,以确保快速响应。此外,维护技术人员可能需要将传感器从其底座上拆下; 如果这是一个持续的过程,他们希翼能够做到这一点,而不会失去产品遏制。
      这些情况要求将热电偶套管永久地安装在管道或容器壁上; 有时它会拧到位,但通常是焊接的。因此,热电偶套管成为产品安全壳的一部分,但仍允许在不中断生产的情况下移除传感器。
      对于频繁关闭(例如批处理操作)的进程,不间断的包容方面并不重要。在这些情况下,热电偶套管可以永久地连接到容器上,或者,热电偶套管,传感器和发射器可以是单个可拆卸组件。
      根据所需的持久性程度和过程的严重程度,有多种方法可以安装热电偶套管(图2)。与任何工艺设备一样,高温,高压和产品侵蚀性通常需要特殊材料和更坚固的结构。
      许多应用不会使热套管受到负担。例如,热电偶套管延伸到反应器中,其中化学物质是良性的并且流体运动最小化通常可以毫无问题地运行,只要设备的任何其他部分。


热电偶套管安装
图2.各种方法适用于连接热电偶套管。
      热套管 - 或者实际上对于任何其他工艺设备 - 的挑战在于它是否直接插入到移动流的路径中。在大多数情况下,热电偶套管垂直于流动,因此在两侧形成涡流并产生能够在热电偶套管中引起振动的高压区域和低压区域。有时,振动是可以忍受的,但在某些情况下,它们会造成严重的伤害,导致疲劳失效。
阻止困难
了解问题的严重程度和正确应对挑战需要在设计热套管安装时遵循以下三个关键步骤:
      1.利用已知的工艺参数,产品设计,最佳实践和计算来预防问题。这些一起工作确保了热套管足够坚固,能够承受它将面临的无故障条件。
      2.通过修改设备或过程本身来抑制过程中振动的形成。
      3.如果可能的话,完全不需要热套管,将过程泄漏和热套管故障的风险降低到零。
咱们来看看在设计应用程序时如何使用这三个步骤。
      首先为特定工艺选择合适的形状,结构材料和连接方法。指定正确的厚度,长度和轮廓(图3)以承受应力并实现可容忍的响应时间。您可以获得各种形状和尺寸的热电偶套管,以及承受各种应力所需的壁厚。
      大多数热电偶套管是直的圆柱形,具有平行的侧面。这种设计很强大,但在尖端具有最多的材料,减慢了响应时间。台阶设计在底部最厚,强度更高,尖端更薄,以获得更好的响应。它总体上牺牲了一些强度,但减少了管道中的阻力。锥形轮廓提供折衷 - 保持强度和改善响应,但增加阻力。做出最佳选择可能是一项挑战。
      幸运的是,美国机械工程师协会编制了公式 - 在其热套管标准(PTC 19.3 TW-2016)中概述 - 可用于计算预期应力的程度,从而消除了大量的猜测。这一系列复杂的计算需要了解有关特定工艺条件的许多细节,但可以提供成功的良好预测。该标准涵盖四个测试标准:
      频率限制 - 热电偶套管的自然内联和横向共振频率必须与涡旋脱落频率不一致。
      动态应力极限 - 动态应力不得超过允许的疲劳应力极限。
      静态应力极限 - 稳态应力不得超过最大允许工作应力。
      压力 - 外部压力不得大于尖端,柄部和法兰的额定压力。
      这些计算是可靠的。但是,他们假设您已经牢牢掌握了所有过程参数,并且可以运行您在现实世界中可能遇到的任何组合的数字。如果您的过程稳定并且往往始终以相同的水平运行,那么练习可能是可控的。另一方面,如果条件趋于改变,那么热套管的寿命也会改变。


热电偶套管轮廓
      图3.特定流程和响应时间要求将确定最合适的配置文件。
振动问题
      流动和振动之间的关系不是线性的。大多数应用都表现出振动最小的流动条件。希翼这些发生在理想的生产水平 - 但你不能指望这一点。不幸的是,检测热电偶套管以检测振动还不是一种选择。


减少振动
      图4.新的热电偶套管设计促进了两侧涡流的形成,大大减少了振动。
      在实际情况中,流程设计者通常会根据已知或至少预期的一组过程条件进行一些计算。这些计算将确定所需的配置文件类型。然后设计师通常会使用安全系数来增强整体强度; 虽然谨慎,但这可以增加响应时间。添加延伸到管道外部的厚壁部分也可以形成散热器,从而降低热电偶套管与传感器相互作用的温度。因此,热套管永远不会反映真实的过程温度,读数趋于低。
      另一种方法是安装不垂直于流动的热电偶套管 - 例如,在弯头中,使热电偶套管向下延伸到下游管道的中间并与流动同轴。使用45°T形接头将热电偶套管定位成更靠近流动轴线是另一种选择。如果管道允许这些修改,它们可以减少与尾流脱落相关的问题。
      通常可以抑制源处的振动。这通常涉及使用设计用于避免正常尾流脱落问题的热电偶套管轮廓。圆柱形,阶梯形和锥形热电偶套管基本上都是圆形的,允许沿整个长度形成涡流。艾默生专利的扭曲方形设计(图4)破坏了长涡的形成,并允许它们在两侧形成,因此它们倾向于相互平衡和抵消。结果是振动小得多 - 在某些情况下降低了90%。
这种类型的热电偶套管在插入时不依赖于特定的方向,并且减少了对过厚的热电偶套管和大直径工艺穿透的需要。此外,它在各种操作参数范围内都是有效且合适的,并且不需要厚的热电偶套管,这会对响应时间产生不利影响。
一个不同的选择
      工艺条件 - 例如小管道尺寸,高流速或腐蚀性流体 - 可能使得使用热套管不切实际。幸运的是,一项相对较新的技术消除了对热电偶套管的需求。它使用安装在管道外部的传感器,并根据通过墙壁传递的热量来推断过程温度。在根据管道的热导率特性(包括材料和厚度)以及环境温度计算适当的调整之后,表面安装的传感器可以准确读取管壁附近的流体温度。任何计划使用此值的人都应确定管道内流体中温度分层的程度。
      由于许多化工厂的工艺都在外面,因此可重复且准确的表面读数需要动态补偿,因此需要至少一个额外的传感器来监测环境条件。现在可以使用这种多传感器表面测量方法; 罗斯蒙特X-well技术(图5)考虑了管道的导热系数,以及连续监测接线端子温度,以校正表面读数。传感器力学
      许多文章(例如,“ 选择最合适的温度传感器 ”)和其他参考文献讨论了如何选择热电偶和电阻温度检测器(RTD)作为温度传感器。因此,在此,咱们将简要先容传感器和热套管的相互作用。
如上所述,传感器元件本身通常封装在不锈钢护套中。(存在各种裸线热电偶,但在化学工厂中很少见。)      因此,热量必须通过热电偶套管和护套传递,以使传感器元件达到整个工艺温度。两者之间的任何间隙都会减慢传热速度 - 因此,良好的金属与金属接触的紧密配合至关重要。


表面贴装选项
      图5.复杂的计算可以实现精确的测量,同时无需使用热套管。
      一些传感器和热电偶套管组合有效地匹配,旨在精确匹配以实现最佳热传递。其他方法使用通用组件; 安装人员可以紧密匹配两个直径。当然,在这些紧公差的情况下,热套管的任何变形都会使插入和移除变得困难。一种解决方案是使用更宽松的配合,但通过添加弹簧来驱动传感器抵靠热电偶套管的底部进行补偿。热电偶套管底部的少量硅油也有助于促进热传递。
传输信号
      在大多数应用中,变送器通过HART或基金会现场总线等数字信号将温度传感器输出转换为4-20mA。一些用户更喜欢将热电偶或RTD直接连接到控制系统输入。但是,这会使安装变得复杂并且会影响性能 - 例如:
      从传感器到输入卡的电缆必须与传感器匹配。安装不同类型的传感器需要更换电缆。
      同样,输入卡必须与传感器匹配。有些卡允许多种选择,但仅适用于温度传感器。
      来自热电偶或RTD的微弱信号不能长距离发送,并且可能会受到电气干扰引起的问题。
在传感器附近添加一个简单的温度变送器可以解决所有这些问题:
      带有HART或基金会现场总线信号的4-20mA电流更加稳定,可以发送更长的距离。
      无需特殊布线或特殊输入卡。
      大多数变送器适用于各种热电偶和RTD类型,因此在需要时更换传感器非常容易。
      多路复用发射器可以捕获多个传感器的数据,并将这些数据发送回一根电缆。
      智能变送器可以收集和发送诊断,校准和其他数据。
      发射器也是一种选择。它们消除了布线和控制系统输入的需求,这可能是供不应求的。这些智能变送器具有内置电池模块,可以运行多年而无需任何维护。
      虽然所有这些功能都很有用,但最重要的可能是变送器的智能,传感器/变送器成为能够将诊断信息发送到过程自动化系统的智能仪器。当温度传感器遭受机械劣化或接线和端接问题时,它们会出现明显的迹象。发射器可以发现这些并在它们升级到故障之前引起对初期问题的注意。
一个成功的组合
      所有这些元素协同工作以产生准确可靠的温度信息,同时使过程中出现最少的问题并避免不必要的维护。通过周到的设计和元件选择,您可以在各种具有挑战性的应用中实现可靠的温度测量,并确保长期无故障的使用寿命。

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