Tekst og illustrasjoner: Rita Refvik, Endress+Hauser AS
Som beskrevet i foregående artikler i serien (Back to basics og termoelementer), er temperaturmåling i utgangspunktet basert på enkle prinsipper og gammel kunnskap.
Men stadig tøffere krav gjør at både produksjon og valg av løsninger blir viktigere for pålitelige målinger.
Flere deler
Først litt om selve sammensetningen av et termometer: Sensoren – RTD (Pt100 sensor) eller TC (Termoelementet) – er beskyttet av MgO-pulver inne i en metallkappe og utgjør sammen med lommen, halsen, hodet og transmitteren et komplett temperaturinstrument/termometer.
Husk at sensoren sitter helt i enden av elementet. Lommen er termometerets beskyttelse mot prosessen, og kan ha varierende utførelser. To hovedformer er standard; rørutførelse eller barstock.
Ved rørutførelse er utgangspunktet et standard, sømløst rør som sveises igjen i enden, i henhold til DIN 43772. Disse brukes i vanlig prosessindustri, med relativt lave trykk.
Barstock tar utgangspunkt i en stang, der hullet dreies med en «Gun drill»-maskin med høy presisjon. Utvendig kan tuppen dreies ned for raskere responstid. Utgaver for svært høye trykk finnes også, for eksempel en såkalt «forged» versjon, der hele lommen med flens er smidd av ett stykke metall. Det er viktig at elementet har god kontakt med bunnen i lommen, slik at man oppnår god varmeoverføring til sensoren. Dette sikres ved en fjærbelastet montering av sensorelementet. For å øke varmeoverføringen til sensoren fyller man varmepasta i lommen.
Lommen kan kastes
Selvfølgelig kan en temperaturmåler også brukes uten lomme. Dette gjelder blant annet applikasjoner:
- Som krever meget rask responstid.
- Der mediet ikke er spesielt korrosivt.
- Har begrenset mekanisk stress.
- Og der elementet kan skiftes under drift.
I de fleste tilfellene er det likevel hensiktsmessig å bruke en lomme. I tillegg til mekanisk beskyttelse, kan selve RTD-en eller TC-en feile. Og med en lomme kan innstikket enkelt skiftes ut. Kalibrering ved fastsatte intervaller blir også lettere.
Velg termolomme
Termolommer leveres i ulike materialer, helt avhengig av hva de skal tåle av temperatur, trykk, korrosjon og slipende medier. De kan også leveres med forskjellige typer belegg, for å øke mekanisk styrke og hindre at medier kladder på lommen.
I helt enkle applikasjoner brukes gjerne SS316. Andre materialer som kan brukes, er: C22.8, 13CrMo4-5, Hastelloy C, Titan, Duplex, Super Duplex, Inconel, 446/1.4749 og keramiske materialer.
Riktig responstid
Hvor rask trenger måleren å være? Å måle temperaturendringer er ofte en treg affære. Både fordi det som oftest tar tid å endre temperaturen, og fordi denne endringen også skal skje i termometerets masse - for å bli oppfattet av føleren! Og i lagertanker og mange andre applikasjoner er det helt ok!
Men skal man kontrollere termiske reaksjoner, eller en prosess der temperaturen endrer seg raskt, må responstiden på måleren være god.
Responstiden er den tiden det tar for termometeret å oppfatte temperaturendringen i mediet. T50 og T90 er tiden det tar før henholdsvis 50 og 90 prosent av temperaturendringen i mediet er oppfattet. Den er definert i standard IEC 60751, og tiden er målt i vannbad med en hastighet på 0,4 m/s.
Det er viktig å huske på at responstiden er en helt annen under andre forhold. Den er ikke bare avhengig av termometerets masse, men også av type medie, dets varmekapasitet, trykk, densitet, fuktighet og hastighet. Responstid i luft er ikke definert i noen standard og kan derfor ikke oppgis mot kjente verdier.
Må tåle omgivelsene
For å sikre lengst mulig levetid på lommen, må materialet og typen tåle det mediet den skal stå i, både med hensyn til temperatur og trykk, men også i forhold til mediets slipende og korrosive egenskaper.
I tillegg må det tas hensyn til mediets hastighet. I rør med høye hastigheter kan man få problemer med svingninger, og lommen kan knekke. En lomme som står i et rør kan sammenlignes med en bropilar. Vannet som renner i elven vil skape vortex-virvler etter pilaren, og pilarene selv utsettes for en vekselsvis kraft, kjent som Von Karmann effekten. Frekvensen er avhengig av vannets hastighet, Reynolds nummer og pilarens dimensjon. Massen i bropilaren er stor nok til å dempe effekten av disse vibrasjonene, og de vil ikke være kritiske.
Går vi tilbake til lommen, vet vi at den har sin egenfrekvens; resonans - avhengig av lengde, materiale og tykkelse. Dersom hastigheten er høy nok, vil frekvensen den utsettes for bli for høy i forhold til lommens egenfrekvens. Massen i lommen er ikke stor nok til å dempe kraften den utsettes for, og når svingningene nærmer seg egenfrekvensen vil svingningene i lommen øke til den ryker.
Stesskalkulasjon
Det finnes beregninger som kan avdekke dette, såkalt stresskalkulasjon, og oftest brukt er ASME PTC 9.3. Forholdet mellom egenfrekvensen og vortex-frekvensen må aldri overstige 0,8.
Kritiske parametre som designtrykk, designtemperatur, densitet, hastighet samt data for selve lommen legges inn og man vil da se om tiltak må settes inn. Dette kan være å øke tykkelsen på lommen, redusere innstikkslengden, eller sette på en støttekrave, som flytter stresspunktet på lommen fra overgangen til flens til rørveggen - der støttekraven slutter.
