揭开了热电偶选择的神秘面纱

由于它位于过程和温度传感器之间，因此在大多数工业过程中，热电偶套管对于精确，可靠和安全的温度测量至关重要。然而，选择合适的热电偶套管既是一个谜，也是一个挑战。一旦您了解了选择标准，就可以解决这个谜，从而使您的温度测量系统具有最佳性能。它还确保了较长的使用寿命、易于维护和过程完整性。

为什么需要一个热电偶套管

温度传感器很少直接插入到工业过程中。它们安装在热电偶套管中，使其免受流体诱发应力、高压和腐蚀性化学效应等潜在破坏性工艺条件的影响。热电偶套管是安装在工艺容器或管道中的封闭式金属管，成为结构的耐压组成部分。它们允许传感器从过程中快速轻松地拆卸，以进行校准或更换，而无需关闭过程和可能的管道或容器排水。

然而，只有选择并安装正确的热电偶套管，才能体验到这些好处。温度计套管通常没有正确指定，导致严重的机械故障。它们可能由于疲劳、过度弯曲应力、过度压力、腐蚀或侵蚀而导致焊缝开裂而失效。不良的热电偶选择和放置也会导致温度测量不准确。

选择步骤

适当的热电偶选择包括几个变量，必须根据最佳温度测量的应用适当指定。在为应用程序选择最佳设计时，必须考虑各种性能标准和工艺条件。

1.连接类型-温度计套管根据其与工艺的连接进行分类。最常见的类型是螺纹，插座焊接和法兰。每一个都有一个延伸到工艺中的杆或柄，可以是直的，直径恒定，从入口点到尖端一直呈锥形，部分呈锥形，或呈阶梯状(见图1)。

• 螺纹温度计套管螺纹连接到工艺管道或储罐中，在必要时易于安装和拆卸。虽然这是最常用的方法，但它的额定压力是三种方法中最低的。螺纹连接也容易泄漏，因此不建议用于有毒，易爆或腐蚀性材料的应用。
• 焊接热套管永久焊接到工艺管道或储罐上。因此，移除是困难的，需要将热电偶套管从系统中切割出来。焊接具有最高的额定压力，通常用于高速流动，高温或极高压的应用中。在需要防泄漏密封的地方，它们是必要的。
• 法兰式温度计套管用螺栓连接到焊接在工艺管道或储罐上的配套法兰上。它们提供高额定压力，安装方便，更换简单。法兰式温度计套管用于腐蚀性环境，高速，高温或高压的应用。
• 范斯通/搭接温度计套管安装在配合法兰和搭接法兰之间。这些热电偶套管允许使用不同材料的热电偶套管接触的过程和覆盖法兰，这可以节省材料和制造成本。它们是腐蚀性应用的良好选择，并且由于这种设计中没有焊接，因此消除了焊缝腐蚀。

2.风格选择-第二个要考虑的是热电偶风格。需要考虑的关键因素是压力和流量要求。热电偶套管通常由各种材料的棒材加工而成，并可涂覆其他材料以防止侵蚀或腐蚀。另一种风格是管状设计，也称为保护管。

每种风格都有优点和缺点。Barstock温度计套管可以承受比保护管更高的压力和更快的流速。它们有更多的材料选择，可以以各种方式安装，以满足不同的工艺压力要求。相比之下，管状温度计套管的额定压力要低得多，材料的选择也有限。对于高达1200°C的温度，它们通常由铬镍铁合金制成。对于高达1800°C的高温，保护管是陶瓷的。

3.结构材料-在选择任何给定应用的热电偶套管时，结构材料是一个重要的考虑因素。使用错误的材料常常导致过早失效。

虽然有很多选择的热电偶材料，最常用的是316不锈钢，304不锈钢，蒙乃尔，因科乃尔和哈氏合金。也有一些特殊的合金用于非常苛刻的应用。

影响材料选择的三个主要因素:

• 与热电偶将要接触的工艺介质的化学相容性
• 温度限制，以及
• 与工艺管道材料兼容，确保焊缝和连接处坚固、无腐蚀。

这里需要提醒用户的是，重要的是热电偶要符合管道或容器的设计规格，以确保结构和材料的兼容性。

选择热电偶阀杆剖面

阀杆或阀柄是插入工艺管道的热电偶套管的一部分。常见的阀杆外形有直线型、阶梯式和锥形(见图2)。

选择茎型时要考虑的因素包括:

• 过程的压力
• 要求的测量响应速度
• 流体在井上的阻力，和
• 旋涡脱落引起的振动效应。

直型温度计套管沿整个浸入长度具有相同的直径。与具有相同根径的其他井类型相比，它们向过程介质呈现最大的剖面，因此具有最大的阻力。大的尖端直径也增加了更多的热量，这减慢了测量组件的热响应。然而，这种型材具有最好的机械强度性能。

阶梯型热电偶套管有两个直段，在尖端的直段直径较小。对于与直型热电偶管相同的根直径，这种设计在流动过程中暴露的剖面更少，因此由于尖端质量更低，阻力更小，响应时间更快。

锥形型热电偶套管的外径从根部到尖端均匀减小。对于相同的根直径，这个轮廓代表了直线和阶梯配置之间的一个很好的折衷。它的阻力比直井小，但通常比阶梯式井大。此外，响应时间将比直线类型快，比步进类型慢。锥形茎的两种一般形式是均匀的(从根到尖逐渐变细)和非均匀的(直的部分接着变细的部分)。因为它的轮廓形状，这是一个很好的折衷的力量之间的其他两种风格。它是高速流体应用的常见选择，在这些应用中，流体力通常太大，无法使用阶梯井，锥形设计比直线型具有更快的响应速度，从而提供了强度和响应因子的最佳平衡。

失败的因素

热电偶套管失效通常与以下一种或多种因素有关:高阻力、过大静压、高温、腐蚀和流体诱发振动。

大多数热电偶失效是由流体诱发振动引起的。当流体流过插入管道的热电偶时，在热电偶的两侧会形成高压和低压涡流。这些漩涡首先从一侧分离，然后以交替的模式从另一侧分离(见图3)。

这种现象通常被称为涡流脱落。交替涡流产生的压差会对热电偶产生交替作用力，从而产生应力，导致横向和轴向偏转，最终导致破裂。振荡的频率称为尾迹频率。热电偶套管制造商应提供热电偶套管计算来预测热电偶套管失效的概率。热电偶计算的最佳标准是ASME PTC 19.3TW-2010。

响应时间考虑事项

与使用热电偶时测量系统的慢得多的响应相比，传感器本身的响应速度几乎是立即的。热电偶的质量远远超过传感器的质量，将永远是测量响应的主要因素。

为了优化温度测量的整体响应时间和精度，有许多因素与选择合适的传感器和热电偶组件及其正确安装有关。在线参考资料中提到的手册中提供了许多建议。艾默生还提供了一个免费的在线工具，用于进行初步的热电偶计算。

选得好，效果就好

为您的温度测量系统选择合适的温度计套管有许多考虑因素。像任何有效的仪器部署一样，系统设计工程师必须在项目开始时收集所有可用的过程信息和性能期望。对于具有最佳性能和最低拥有成本的系统，设计工程师不仅必须使用这些信息来选择合适的热电偶，还必须使用合适的传感器和变送器。每个组件的选择都遵循一个类似的路径，即做出明智的选择。

Danjin Zulic是艾默生过程管理公司的温度营销工程师。

关键概念:

• 一旦选定了特定的传感器技术，第二个关键选择是热电套管配置。
• 热电偶套管成为过程设备的永久组成部分，为传感器提供安装和保护。
• 有效的热电偶提供快速响应，使用寿命长，并最大限度地减少过程中断。

在线

罗斯蒙特提供了一个免费的在线工具，初步的热电偶计算www.rosemount.com/ThermowellCalc

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