Temperatursensorelemente für Labor- und Industrieanwendungen sollten üblicherweise durch eine Ummantelung oder ein Gehäuse geschützt werden. Eine große Auswahl an Montagearmaturen und Zubehör erleichtert die Installation im Prozess und ermöglicht die bequeme Verbindung mit Messgeräten.
Konstruktion
Industrieller Temperaturfühler
Die Abbildung der Baugruppe ist für Pt100- und Thermoelementsensoren identisch. Das Schutzrohr bzw. die Ummantelung beherbergt das Thermoelement bzw. den Pt100 entweder direkt oder indirekt über einen Einsatz. Zusätzlich kann eine Thermohülse zum Einbau des Fühlers in den Prozess oder die Anwendung verwendet werden.
Sensoreinsätze sind eine Einheit, bestehend aus Sensor und Anschlusssockel. Der Sensor befindet sich in einem Edelstahl-Einsatzrohr (üblicherweise mit 6 oder 8 mm Durchmesser) und wird anschließend in das Schutzrohr eingesetzt. Eine gute Ummantelung mit Kontakt zwischen Einsatzspitze und Mantelende ist für eine gute Wärmeübertragung unerlässlich. Ein Federkontakt im Anschlusssockel sorgt für diesen Kontakt. Diese Anordnung ermöglicht einen einfachen Sensoraustausch bei Bedarf. Bei mineralisolierten Thermoelementen oder Pt100 ist der Sensor integraler Bestandteil des Einsatzrohrs.
Ist kein Sensoreinsatz vorgesehen, wird der Sensor direkt in der Sonde untergebracht und durch ein geeignetes Isoliermaterial elektrisch und/oder thermisch von der Mantelwand isoliert. Der Nachteil besteht darin, dass bei einem erforderlichen Austausch die gesamte Baugruppe ausgetauscht werden muss. Ein Temperaturtransmitter kann am Anschlusssockel montiert werden, um einen kompletten Sensor- und Signalaufbereitungseinsatz zu erhalten. Schutzrohre oder Schutzhülsen sorgen dafür, dass der Prozess beim Sensoraustausch nicht gestört wird. Schutzrohre schützen den Sensor zudem vor aggressiven Medien und gewährleisten die physische Prozessintegrität bei Sensordemontage, wenn der Sensor über ein Gewinde oder einen Flansch dauerhaft im Prozess integriert ist.
Anschlussköpfe
Es gibt viele verschiedene Anschlussköpfe, die den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen gerecht werden. Die Varianten variieren in Größe, Material, Einbausituation, Medienbeständigkeit, Feuer- und Explosionsschutz usw. Ein Klemmenblock im Kopf ermöglicht den Anschluss von Verlängerungskabeln. Für den Schraub- oder Lötanschluss werden verschiedene Materialien verwendet, darunter Kupfer, plattiertes Messing usw.
Alternative Kündigung
Alternativ zum Anschlusskopf gibt es Verlängerungskabel, die direkt aus den Sonden herausführen, sowie Stecker und Buchsen an Sonde und Anschlussenden. Dadurch können Kosten gespart werden, wenn kein Kopf benötigt wird. Allerdings kann die Robustheit insgesamt etwas eingeschränkt sein, insbesondere wenn ein direktes Verlängerungskabel verwendet wird.
Scheidenmaterial
Das Mantelmaterial reicht von Weichstahl und Edelstahl über feuerfeste Oxide (Keramik) bis hin zu einer Vielzahl exotischer Materialien, darunter seltene Metalle. Die Wahl des Mantels hängt von der Betriebstemperatur, den Medieneigenschaften, der Haltbarkeit und weiteren Faktoren ab, einschließlich der Materialabhängigkeit zum Sensortyp.
Schutzrohre
Achtung: Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Metallrohre sollte die Mindesteinstecklänge mehr als das Fünfundzwanzigfache ihres Gesamtdurchmessers betragen, um Wärmeleitungsfehler auszuschließen.
Andere Schutzrohre sind ebenfalls erhältlich.
Notiz: Betriebs- und Maximaltemperaturen der oben genannten Röhren variieren je nach Messumgebung
Metallisches und nichtmetallisches Mantelmaterial
Die Wahl einer metallischen oder nichtmetallischen Ummantelung hängt von der Temperatur und der Prozessatmosphäre ab. Keramische (nichtmetallische) Rohre sind zwar zerbrechlich, weisen aber eine hohe chemische Beständigkeit auf und halten hohen Temperaturen (teilweise bis zu 1800 °C) stand. Metallische Rohre, meist Edelstahl, bieten mechanische Vorteile und eine höhere Wärmeleitfähigkeit; sie sind in der Regel unempfindlich gegen Thermoschocks, die bei Keramikrohren leicht zu einer Ummantelung führen können. Je nach gewählter Legierung kann eine metallische Ummantelung bei Temperaturen bis zu 1150 °C eingesetzt werden. Keramik ist überlegen, wenn hohe Reinheit erforderlich ist, um eine Verunreinigung von Sensor oder Produkt bei erhöhten Temperaturen zu vermeiden.
Keramikmantel mit Thermoelement
Trotz vergleichsweise schlechter mechanischer Eigenschaften werden Keramikrohre verwendet; ausgenommen dort, wo aus chemischen Gründen, zu hohen Temperaturen oder aus anderen Gründen Metall verwendet werden soll. Ihr Hauptanwendungsbereich liegt zwischen 1000 und 1800 °C. Sie können in direktem Kontakt mit dem Medium stehen oder als gasdichte Innenhülle dienen, um das Thermoelement vom eigentlichen metallischen Schutzrohr zu trennen. Über 1200 °C sollten sie hängend montiert werden, um Verformungen oder Brüche durch Biegespannungen zu vermeiden. Selbst Haarrisse können zur Verunreinigung des Thermoelements führen und so zu Drift oder Ausfall führen. Die Temperaturschockbeständigkeit der Keramik steigt mit ihrer Anschlussleitfähigkeit, und ihre Zugfestigkeit ist bei kleinerem Wärmeausdehnungskoeffizienten größer. Auch die Wandstärke des Materials ist wichtig; dünnwandige Rohre sind dickwandigeren vorzuziehen. Risse entstehen häufig bei zu schnellen Temperaturschwankungen beim schnellen Herausnehmen aus dem heißen Ofen.
Daher empfiehlt sich die Verwendung einer inneren und äußeren Hülle aus gasdichter Keramik. Das äußere dünnwandige Rohr schützt das innere vor Temperaturschocks durch die dazwischenliegende Luft. Dies verlängert die Lebensdauer der Baugruppe, führt jedoch zu einer langsameren Reaktion. Bei Thermoelementen aus seltenen Metallen muss die Keramik eine sehr hohe Reinheit aufweisen. Platin-Thermoelemente reagieren sehr empfindlich auf Verunreinigungen durch Fremdatome.
Schutzrohr
Schutzrohre schützen Temperaturfühler vor ungünstigen Betriebsbedingungen wie korrosiven Medien, Stößen und unter hohem Druck stehenden Gasen oder Flüssigkeiten. Ihr Einsatz ermöglicht zudem einen schnellen und einfachen Fühlerwechsel, ohne dass der Prozess geöffnet werden muss.
Thermorohre gibt es in vielen verschiedenen Formen und aus unterschiedlichen Materialien (meist Edelstahl). Je nach Installationsanforderung gibt es eine große Auswahl an Gewinde- oder Flanschanschlüssen. Sie können entweder aus dem Vollen gebohrt werden, um höchste Druckbeständigkeit zu gewährleisten, oder als Thermohülse aus Rohren und Sechskantbuchsen oder Flanschen ausgeführt sein; letztere Konstruktion ermöglicht längere Eintauchtiefen.
Thermorohre übertragen Wärme auf den eingebauten Sensor und dadurch entsteht thermische Trägheit.
Temperaturänderungen im Prozess wirken sich bei vorhandenen Schutzrohren erst nach längerer Zeit auf den Sensor aus; dadurch erhöht sich die Reaktionszeit. Dieser Faktor muss bei der Spezifikation eines Schutzrohrs berücksichtigt werden; außer bei thermischem Gleichgewicht ist eine Temperaturmessung wahrscheinlich bis zu einem gewissen Grad ungenau.
Die optimale Bohrung ist ein wichtiger Parameter, da der physische Kontakt zwischen der Innenwand des Schutzrohrs und dem Fühler für die thermische Kopplung unerlässlich ist. Bei Thermoelementen mit Spitzensensor ist darauf zu achten, dass der Fühler vollständig ummantelt ist (Kontakt mit der Spitze des Schutzrohrs). Bei Pt-100-Sensoren mit Schaftsensor muss der Unterschied zwischen Fühleraußendurchmesser und Bohrung minimal gehalten werden.
Auswahl des Schutzrohrs
Materialien Der Langlebigkeitsfaktor
Die Auswahl des Materials für Schutzrohre richtet sich im Allgemeinen hauptsächlich nach der Korrosionsbeständigkeit der Schutzrohre. Die Hochglanzpolitur aller Schutzrohre aus Edelstahl und Monel sorgt für maximale Korrosionsbeständigkeit.
Außerdem sind sie in Sonderqualitäten aus rostfreiem Stahl, Chrom-Molybdän-Stahl, Siliziumbronze, Hastelloy B&C, Nickel, Titan und Monel erhältlich.
Anschluss – der Installationsfaktor
Alle Gewindebohrungen bestehen aus leicht schweißbaren oder lötbaren Materialien. Schweißen und Löten sind wichtig für die Installation, bei der eine Abdichtung erforderlich ist. Das Rohrgewinde sorgt für mechanische Festigkeit, und die Schweiß- oder Lötstelle sorgt für die Abdichtung.
Flanschbrunnen (mit Ausnahme des Van-Stone-Typs) bestehen aus einem Rohr aus Stangenmaterial, das fest mit einem hochwertigen Flansch verschweißt ist. Die Standardkonstruktion verwendet eine primäre J-Nut-Schweißung und eine saubere Kehlnaht mit abgeschrägter Nut. Diese doppelt geschweißte Konstruktion schließt die Möglichkeit von Spaltkorrosion aus, da weder innen noch außen offene Fugen sichtbar sind.
Muffenschweißschächte sind einfach zu installieren und müssen nur angeschweißt werden. Diese Schächte passen auf ASA-Standardmuffenschweißkupplungen oder Flansche.
Einstecklänge – der Genauigkeitsfaktor
Der Abstand von der Spitze der Bohrung bis zur Unterseite des Gewindes oder einer anderen Verbindung wird als Einstecklänge (bezeichnet als „U“) definiert. Für optimale Genauigkeit sollte diese Länge so groß sein, dass der gesamte temperaturempfindliche Teil des Elements in das zu messende Medium hineinragt. Ein ordnungsgemäß installiertes Element: In Flüssigkeiten sollte das Element bis zu seiner empfindlichen Länge plus 2,5 cm und in Luft oder Gasen bis zu seiner empfindlichen Länge plus 7,5 cm eingetaucht sein.
Bohrungsgröße – der Austauschbarkeitsfaktor
In fast allen Anlagen werden mehrere Arten von Temperaturmesssensoren verwendet. Die Auswahl eines Standardbohrungsdurchmessers kann für extreme Flexibilität innerhalb der Anlage sorgen. In derselben Bohrung können Thermoelemente, Widerstandsthermometer und Bimetallthermometer untergebracht werden.
Konisch oder gerade? Der Geschwindigkeitsbewertungsfaktor
Der konische Schaft bietet eine höhere Steifigkeit bei gleicher Empfindlichkeit. Das höhere Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht verleiht diesen Bohrungen eine höhere Eigenfrequenz als Bohrungen mit geradem Schaft gleicher Länge und ermöglicht so den Betrieb bei höherer Flüssigkeitsgeschwindigkeit.
Geschwindigkeitsbewertung des Brunnens
Die am Brunnen vorbeiströmende Flüssigkeit bildet einen turbulenten Nachlauf, dessen Frequenz vom Durchmesser der Flüssigkeit abhängt. Es ist wichtig, dass der Brunnen ausreichend Flüssigkeit hat, damit die Nachlauffrequenz niemals der Eigenfrequenz des Brunnens entspricht. Wenn die Eigenfrequenz des Brunnens mit der Nachlauffrequenz übereinstimmt, würde der Brunnen durch Vibrationen zerstört und in der Rohrleitung abbrechen.
Schwingungsberechnung für Stangenmaterial
Gemäß ASME PTC 19.3-Standard F /F < 0,8 wn Hier, F = 2,64 (v/b) w 2 F = (K /L ) vE/R nf Wobei F = Brunnenfrequenz w F = Eigenfrequenz, nv = Fluidgeschwindigkeit in fps, b = Durchmesser der Spitze des Thermobrunnens, K = Konstante aus Tabelle 1.4 von ASME PTC 19.3, f L = Länge des Thermobrunnens, 6 E = Elastizitätsmodul des Thermobrunnenmaterials; 28×10 psi, 3 R = spezifisches Gewicht des Metalls; 0,29 lbs/Zoll ME PTC 19.3-Standard.
Prozessanschluss
Gewindeanschluss
Parallele oder konische Gewinde ermöglichen die einfache Montage in Schweißfittings direkt im Prozess. Diese Verbindung eignet sich für Bohrlöcher mit kleinerem Durchmesser, die nicht häufig gewechselt werden.
Flanschverbindung
Eine Flanschverbindung ist vorzuziehen, wenn ein häufigerer Austausch der Bohrung erforderlich ist, beispielsweise aufgrund hoher Korrosionsraten. Der Flansch wird mit dem am Prozess montierten Gegenflansch verschraubt. Diese Technik eignet sich besser für große Rohrdurchmesser und Hochdruckanwendungen.
Schweißverbindung
Schweißverbindungen können verwendet werden, wenn der Prozess nicht korrosiv ist und keine routinemäßige Entfernung erforderlich ist. Sie erreichen eine hohe Integrität und eignen sich für Anwendungen mit hohen Temperaturen und Drücken.
Beschlag
Der Einbau von Temperatursensoren in Schutzrohre oder direkt in den Prozess erfordert die Verwendung von Messing- oder Edelstahlarmaturen. Zu den Armaturen gehören verschiedene Gewindeverbindungen, Bajonettverschlüsse (und Adapter) sowie Flansche. Einstellbare Klemmverschraubungen werden direkt am Fühler angebracht, um die erforderliche Einstecklänge im Prozess zu erreichen und die ordnungsgemäße Ummantelung des Fühlers im Schutzrohr zu gewährleisten.
Verstellbare Flansche können ebenfalls zur Sensormontage im Prozess verwendet werden. Bajonettverschlüsse ermöglichen eine schnelle Montage an geeigneten Adaptern im Prozess; diese Technik wird häufig in Kunststoffmaschinen eingesetzt.
Buchsen und Sechskantstopfen werden verwendet, wenn die Anpassung oder Entfernung weniger wichtig ist.
Die Wahl des passenden Anschlussstücks kann sich nach der erforderlichen Druckintegrität oder nach physikalischen Größenbeschränkungen richten. Klemmverschraubungen und Gewindebuchsen können mit konischem Gewinde geliefert werden, um eine druckdichte Verbindung zu gewährleisten.
