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重点讲解关于温度传感器在流程制造中的应用技术

来源:发表时间:2019-05-07


      流程制造通常需要温度测量。这些范围包括查找管道或容器内的流体(液体或气体)的温度,以及确定设备表面的热度。接触或非接触方法都可以提供读数。那么,让大家来看看它们以及它们的适当用途。
      直接测量需要将温度传感器浸入介质中,允许热量通过热电偶套管或其他组件流到传感元件。用于工厂直接测量的最常见温度传感器是热电偶(TC)和电阻温度检测器(RTD)。各种参考文献和文章,例如“ 选择最合适的温度传感器 ”,比较和对比这两种技术。出于本讨论的目的,大家将它们混为一谈,简单地将它们称为温度传感器。
      通常,这些温度传感器由不锈钢护套保护,并永久地安装在热电偶套管中,以从过程中获得特定的测量值。最合适的位置和安装取决于应用。来自传感器的信号可以传送到本地显示器,自动化系统或两者。
      另一种方法涉及接触但不直接与流体本身接触。相反,它测量管道的表面温度并推断其内部的流体有多热。
      大多数非接触式测量方法通过使用光学器件和检测器的组合分析表面抛出的红外(IR)辐射来确定温度,以在感兴趣的区域上进行归零。根据其复杂程度,设备可以在很远的距离或非常小且难以接近的区域读取读数。便携式设备非常常见,可用于各种应用。但是,传感器也可以永久安装,并将数据发送到工厂自动化系统。


热电偶
图1.这些配件有各种形状和尺寸,可插入工艺管道和容器中。
非接触式测量有许多吸引人的地方:
      读取数据可以非常快速,有效地瞬间完成。
      它可以测量导热性差的表面。
      不会发生被测表面的损坏或污染。
      主体可以移动。
      石灰或水泥厂中的回转窑是理想的应用示例。非接触式仪器可以监测热端的外护套,以观察耐火衬里的劣化。它可以在窑运动时从安全距离完成。
当然,有一些限制:
      非接触式技术无法直接测量液体和气体温度。
      某些物质具有特殊的发射率特性,可能导致测量结果不正确。
      高度抛光和光亮的表面可能难以获得准确的读数。
      空气污染物可能会阻碍视线,特别是长距离。
现在,让大家看看接触和非接触测量方法如何适用于特定情况。
直接测量流体
      这种方法可能是化学工厂中最常见的。它使用传感器来测量液体或气体的温度 - 使传感器在过程中达到所需的点是必要的,但不一定容易。该方法具有侵入性; 它需要将传感器插入产品流中,通常使用热电偶套管(图1)。在设计热套管安装时,由于各种原因,机械问题成为最成问题的元件。
      首先,热套管直接暴露在该过程中,因此是较大的过程控制策略的一部分。如果工艺液体或气体具有腐蚀性或磨蚀性,则热套管必须能够承受介质的侵蚀性; 其结构材料必须符合或超过管道和其他湿润设备的规格。热电偶套管还必须承受过程压力和温度; 这需要使用适当的材料横截面和安装技术,以确保无泄漏服务,避免污染或环境事故。
      其次,热套管插入点确定在该过程中进行实际测量的位置。为了获得被认为是关键的管道或反应器内某些特定位置的读数,热套管必须延伸到该点。但是,这可能会造成问题。例如,机械或工艺限制可能使在反应器底部获得关键温度测量变得复杂。它们可能需要从几英尺远的一侧安装热电偶套管,导致长的无支撑结构可能引起问题。
      第三,机械问题在很大程度上决定了测量的响应时间。如果该过程经历快速温度波动,则热套管可显着影响传感器看到差异的速度。厚的热电偶套管壁降低了传感器识别温度变化的速度,但由于结构原因可能是必要的。
      最后,热电偶套管面临由流体运动引起的应力。它突然变成一股流动的水流,形成交替的压力细胞,称为漩涡。热电偶套管经历涡旋引起的振动。如果涡流的频率与热套管的固有频率匹配,则所产生的左右移动最终可能导致热套管疲劳失效。如果这些振动没有得到缓解并且热套管的强度不足以长期承受它们,它就会破裂,从而导致过程开放。


抑振设计
      图2.这种扭曲方形的热电偶套管破坏了正常的脱落特性并减少了机械应力。
      在设计安装时,需要仔细考虑了解问题的严重程度并应对这些挑战。使用已知的工艺参数,产品设计,最佳实践和热套管计算可确保特定的热套管足够坚固,以承受其面临的无故障条件。另一种方法是通过改变热套管的形状来抑制过程中形成的破坏性振动(图2)。将传统的圆形轮廓替换为硬角方形,像膛线一样扭曲,破坏长涡形成。较短的涡流倾向于相互平衡,减少振动。
直接测量表面
      随着进步已经解决了传统的局限性,这种选择正变得越来越流行 虽然表面温度本身可能很重要,但更常见的是表面测量可以作为另一方面的代表。例如,大家可以测量管道的温度,以确定流过它的流体有多热。这种方法有效,因为热量通过墙壁传导到外面; 因此,以最大化热传递的方式直接安装在表面上的传感器可以推断出流体温度。
      将传感器安装在管道外部并根据通过壁传递的热量来推断工艺温度,这消除了对热电偶套管的需求 - 以及与之相关的所有复杂性。它还可以获得温度读数,其中安装温度探头和热电偶套管是不可行的,例如在小型管道中。
      如果正确完成,这种表面贴装方法可以提供准确的读数。传感器必须与管壁牢固,直接接触并完全绝缘。此外,必须适当考虑管道的导热特性,包括材料和厚度。您还必须考虑环境温度条件,因为更改条件会严重影响读数的准确性。
      最近有望扩展表面温度测量适用性的一项发展是罗斯蒙特X-well技术(图3)。它旨在使用RTD直接测量表面温度。其信号处理能力可以校正并补偿传热和环境条件的影响,从而实现精确的过程温度测量,无需任何入侵或穿透过程。
      该装置通过简单的管夹组件安装,然后绝缘。将管道材料和壁厚输入变送器,以便计算热流并推断管道内的过程温度。该装置还使用变送器外壳内的环境温度读数来补偿不断变化的环境条件。


表面测量
图3.设备使用一系列复杂的计算将表面温度转换为精确的过程值。
非接触式测量
      如前所述,该选项不允许直接读取液体和气体温度。相反,非接触技术最适用于具有已知IR发射率特性的固体表面。操作员可以通过扫描外部来测量复杂的热量分布,例如反应堆中的温度分层或电动机的绕组(图4)。传感设备可以提供点读数或伪彩色表示,以捕获设备各级之间的温度变化。
      这种测量可以是固体的特定温度,例如从传送带上的窑中出来的水泥熟料,或者可以代表容器或管道的内容物。传感装置可以永久安装或便携。
      如果用于代理测量,了解推断的内部测量的准确性非常重要。这并不是说设备本身不准确。相反,您必须知道给定传感器的特性,才能将管道外部的87°C读数正确转换为内部流体的温度。就像安装在同一位置的未受保护的直接测量传感器一样,您必须根据管道的导热系数,厚度,环境条件等来校正测量值。


手持式红外传感器
      图4.通过估算固体表面的温度,这样的单元通常可以提供有价值的见解。

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