非侵入式温度测量

Tilo Merlin，Andreas Decker，JörgGebhardt，Christian Johansson - 温度和压力是过程行业中最常见的测量。大约一半的温度测量用于监测目的，以确保产品质量，植物安全性并提高工艺效率。几乎没有任何化学过程，其中不需要温度测量。合适的传统温度测量仪器广泛可用，由于高生产量，技术进步和竞争，它们随着时间的推移变得更便宜。但是，大多数这些设备都可以非常侵入。ABB的非侵入性，无线和能量 - 自主温度传感器现在正在改变工业温度传感的面孔，正如瑞典的绝对公司伏特加酿酒厂的最近飞行员安装所示。

技术进步在温度测量的鼎盛时期发生在19世纪。托马斯·约翰·塞贝克（热电效应，1820）和卡尔·威廉西门子（铂电阻温度计，1871）是两个最突出的数字。ABB在工业温度测量活动可以追溯到1881年，当威廉·西伯特融化在德国哈瑙他家的雪茄卷帘机厂铂和形成的材料进入电线。虽然经过不断的改进，主要的设计 - 具有测量插图，由一个强大的热电偶和连接头免受过程介质 - 小改变了多年来和许多当今的设备都是基于这些早期的发现。

1978年通过ABB（当时Degussa）在1978年推出了一个关键改进，实施了电子发射器在连接头内。这将测量电路和传感器元件组合起来即使在恶劣环境中也能够降低对长传感器线的需要，这往往对电磁干扰敏感，从而影响传感器精度并引入信号噪声。这项主要创新为当今的分布式智能传感器铺平了道路，该传感器将标准化和线性化测量值提供给中央控制系统^[1]。

近40年来，和ABB现已彻底改变了温度传感器再次，使其自给自足通过引入无线通信以及从该过程中和其周围之间的温度梯度馈送仪器的能量收获电源。这两种技术走到一起，完全自主温度仪表TSP300-W系列。该ABB创新是温度传感的重要里程碑和过程自动化中无线通信的推动者。

然而，工业温度测量装置的一个剩余缺点是热电偶套管。

1。用于安装在传感器头内的第一变送器（TR01）

2。第一次自主温度仪器TSP331-W

热电偶套管

热电偶套管保护从热，化学侵蚀，磨蚀或加压内部管道，锅炉和容器流中的敏感的测量插图。然而，热电偶套管抑制流动，引起压力下降，以及创建低压涡流热电偶套管的下游。这就是所谓的涡旋脱落，并可能导致将热电偶套管振动。如果涡旋脱落率的组件的自然频率相匹配时，谐振发生和动态弯曲应力基本上增加。

在植物安全方面，热电偶套是温度仪器最重要的部分：在高流量速度和压力下，无当设计的热电偶套可以容易地突发。因此，标准由Asme（美国机械工程师协会）等组织开发，以帮助工程师选择合适的设计。但是，对于标准不适用的应用，工程师对形状，长度，直径，涂层和界面类型的适当设计具有全部责任。完全，这导致了大量扩大的变种 - 导致更高的成本，库存水平和物流努力。

除了安全问题外，一个热电偶电阻会阻碍这个过程：它减少了有效的管道横截面，压力下降可能导致泵浦功耗更高。它还产生了管道清洁的障碍。由于污染风险增加，食品，饮料和制药厂不愿使用热电偶套管。在布朗菲尔德安装中，工厂必须关闭，管道在安装侵入式设备之前清空。热电偶套管对测量本身具有有害影响，因为它们在培养基和传感器之间引入温度下降和延迟。最后，它们通常是最困难而昂贵的部分，因为它们经常需要焊接。

2010年，为应对一些这些挑战，ASME更新了其基本标准热电偶套管计算^[2]，导致更加硬磨的热电偶，具有较大直径，更强的材料和较短的长度。亚博网站下载这些变化仅用于使上述测量缺点更糟。

3.热电偶通常用于重型石油和天然气的应用

4.交替的涡旋脱落 - 涡流发生在热电偶套管的一侧，那么其他。效果也看见了一个旗帜在风中飘动。

5。TSP341-W非侵入式温度测量

非侵入方法

通过使用非侵入性温度测量，可以除去对热电偶套管的需求。非侵入性仪器留下管道和船舶不受影响，有许多优势：

• 管道和血管的壳体不会被渗透。
• 有没有需要排空管道安装。
• 现场无需焊接，不需要特殊允许危险区域。
• 淘汰了污染的可能性。

这些优点具有相当大的修改：测量点现在易于安装，因此可以在临时基础上使用 - 例如，在设置和测试新过程期间，或者如果在生产中存在问题，则用于根本原因分析。一旦达到令人满意的情况，就可以在经济和技术上适当的长期价值减少测量位置的数量。

6A整个设备

6b界面接口

6。优化前典型设置中温度场的有限元结果

为什么会有非侵入性方法没有被使用过吗？

为什么有非侵入性技术尚未在广大的温度测量装置的使用至今几个原因。

以获得一种非侵入性的温度测量的最简单的方法是将现有的仪器连接到一个管道或容器的表面，而不是将其引入一个热电偶套管。然而，温度传感器然后进一步从工艺介质中除去，使得响应时间会减少，并在环境条件会对测量更大的影响力。

因此，良好的非侵入性温度仪器必须具有适当的途径设计，即热量将从过程中取出到传感器，该传感器包括所有材料和所有界面，通过其传递热量。亚博网站下载如果现有（Thermowell Design）仪器可以适应，这将是有益的，因为这将显着降低开发工作，请保持变体的数量和额外的部件，并在熟悉和认证方面使客户轻松保留。

一个具有挑战性的案例

瑞典Nöbbelöv的Absolut公司得到了两个自主^[3]，无创仪温度仪器，因此它们可以探索设备的功能，而无需中断其伏特加酿酒厂中的过程。为了保持ABB侧的努力，生产适配器以将现有（Thermowell设计）仪器安装在管道上。

传感器很容易集成到现有的ABB扩展自动化系统800xA中。系统800xa自动化平台具有内置现场设备管理系统。这允许用户拥有一个涵盖操作，工程和现场设备管理的单个系统 - 包括设备配置和条件监控等功能。这种方法具有显着的效益 - 例如，工程小时减少 - 由于完整的解决方案，包括现场设备配置，在一个具有一个共同工程工作流程的一个系统中设计。另一个优点是加速调试，因为完整的信号结账可以由一个人从一个屏幕完成。

安装完成后，来自Absolut的自动化工程师报告说，能量收集功能以及无线通信工作良好。然而，测量精度和仪器的响应时间没有满足他们的期望。

如图7A所示，在测量期间沿着通过装置的路径绘制温度场。

7B用于各种设计迭代的设备上的采样温度分布

7。对相关设计参数系统搜索

改善测量

Absolut的一系列测量显示仪器及其周围的热能情况的详细图片以及将仪器连接到管道的适配器。在找出测量问题的原因之后，改进并测试了适配器的设计。还修饰了测量内部和热界面材料。亚博网站下载在最终配置中，测量误差减少到大约1 k（来自几个keelvin）。除此之外，响应时间减少了75％，使得两种性能参数均接近侵入式温度仪器。

造型

对测量点的物理理解和随后的造型和模拟热情的仿真对于到达良好的设计至关重要。有限元模拟和广泛的自动模型调整^[4]用于分析相关的设计参数。可以在模型中有效地表亚博网站下载示几何，材料和接口属性。

此外，了解传感器温度如何受测量情况的细节的影响至关重要的是，通过不同的绝缘类型或不同的流动条件。通过缀合物传热计算产生对这些影响的理解，其中沿着仪器安装仪器的管道和/或在管道上施加一些轴向均匀或空间变化绝缘的管道进行建模的热或冷流体。这些计算产生的典型温度场显示在➔8中。

在局部绝缘流体输送管的情况下，温度场变形

8B温度场在流体中的结构和速度场中的典型测量情况

8。在耦合有限元和流体动态计算的辅助中分析了共轭热传递

简易安装

新的和改进的适配器可以安装在宽范围的管道直径上;只有夹具（简单钢带）的长度必须改变，从而大大减少了变体的数量和增加的灵活性。复杂性较少，设计需要更少的加工，允许更简单的安装，这在难以到达位置特别有利。安装不需要校准或广泛的参数化。

在此之后优化，绝对公司安装了四个TSP341-W单位和测量精度和响应时间预测的改进得到了证实。

一种新的灵活性

非侵入性，无线和能量 - 自主温度测量导出了一种新的灵活性时代。随着温度测量和工程过程中的工程到系统800xa DCS现在简单，增加了高价值的应用 - 但传统上难以从成本透视中证明 - 现在很容易获得。这种应用的一个很好的例子是优化和持续改进练习或能效计划期间的过程的短期仪器。另一个例子是提供ABB的系统800xa热交换器资产监视器（HXAM） - 一种状态监测工具，可以识别热交换器性能变化和操作劣化 - 具有保证更节能的操作和维护成本的降低所需的温度输入。在大型设施中，通过提高热交换器性能，可以实现大量节能。

只有极端空间或时间梯度的应用对非侵入性传感器的性能与其侵入性对应物的性能之间的间隙的完全闭合 - 都在测量精度以及响应时间方面都构成了挑战。一个下一个逻辑步骤，一旦花了热机械选项，就是使用可以纠正测量的高级模型的算法。

参考

[1]工业温度测量，基础和实践，客户手册，ABB自动化产品，（2008）。

[2]热电偶套管，ASME标准编号。PTC 19.3 TW-2010。

[3] M. Ulrich等，在GMA / ITG“自主无线传感器，用于过程仪表，” - Fachtagung：Sensoren UND Messsysteme 2012，纽伦堡。[4] J。和Gebhardt的K.柯尼希，“用于能量自主温度传感器基于模型的发展，”在VDI / VDE机电一体化2013，德国亚琛，2013，第177-181。

[4] J。和Gebhardt的K.柯尼希，“用于能量自主温度传感器基于模型的发展，”在VDI / VDE机电一体化2013，德国亚琛，2013，第177-181。

此信息已采购，从ABB测量和分析提供的材料进行审核和调整。亚博网站下载

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