Cách chọn thermowell chính xác cho hệ thống cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ được lắp đặt vào trong một thermowell để bảo vệ tránh khỏi các điều kiện môi trường ảnh hưởng xấu đến thành phần cảm biến.

Hình 1. Các loại thermowell phổ biến trong hệ thống cảm biến nhiệt độ

1. Tổng quan về thermowell

Cảm biến nhiệt độ hiếm khi được đưa trực tiếp vào quá trình công nghiệp, trừ những trường hợp đặc biệt. Chúng được lắp đặt vào một thermowell để tách chúng khỏi các điều kiện vận hành gây hại tiềm ẩn do áp lực dòng chảy, áp suất cao và các hiệu ứng hóa học ăn mòn.

Thermowell là các ống kim loại khép kín được lắp vào các đường ống hoặc bể chứa và trở thành một bộ phận không tách rời với áp suất của đường ống hoặc bể chứa.

Thermowell cho phép loại bỏ cảm biến khỏi quá trình để hiệu chỉnh hoặc thay thế nhanh chóng và dễ dàng mà không yêu cầu tắt máy hay rút nước của đường ống hoặc bể chứa.

Để chọn thermowell phù hợp, phải xác định các điều kiện vận hành, vì chúng sẽ ảnh hưởng đến các quyết định liên quan đến vật liệu cấu tạo, thiết kế vỏ, độ dài chèn và yêu cầu về độ trễ.

Thermowell thường được chế tạo từ phôi thẳng của nhiều loại vật liệu và có thể được phủ bằng các vật liệu khác để bảo vệ chống ăn mòn.

Thermowells được phân loại theo kết nối của chúng với quá trình. Ví dụ, thermowell có ren được gắn vào đường ống; thermowell hàn socket được hàn vào một tấm hàn và thermowell hàn được hàn trực tiếp vào đường ống hoặc bể chứa; thermowell mặt bích được gắn vào một mặt bích tương ứng trên đường ống hoặc bể chứa.

Thermowell cũng được phân loại theo thiết kế thân. Thân của thermowell có thể thẳng với đường kính không đổi, giảm dần từ đầu đến cuối, hoặc giảm từng bước. Chúng có sẵn với kết nối ren, hàn hoặc mặt bích. Xem hình 2.

Hình 2. Thermowell có nhiều thiết kế thân với các kết nối khác nhau

2. Tiêu chí lựa chọn

Đối với các kỹ sư mới ra trường hoặc thiếu kinh nghiệm thì có thể khó khăn để lựa chọn hệ thống đo nhiệt độ thích hợp cho một ứng dụng. Để thiết kế một hệ thống đo nhiệt độ đáng tin cậy cho từng ứng dụng, cần phải trả lời một loạt các câu hỏi để hiểu sâu hơn về ứng dụng sao cho có thể lựa chọn tốt nhất các thành phần của hệ thống bao gồm thermowell, cảm biến và thiết bị điều chỉnh tín hiệu.

Để thiết kế hệ thống đo nhiệt độ cần xem xét các yêu cầu về vật lý và hiệu suất đầu tiên, sau đó là các điều kiện hoạt động trong khi khởi động, trạng thái ổn định, và các điều kiện bất thường tiềm ẩn. Một số ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao nhất trong khi những ứng dụng khác chỉ theo dõi các xu hướng, do đó việc lựa chọn các thành phần có thể là khác nhau.

Để chọn thermowell phù hợp, phải xác định các điều kiện vận hành vì chúng sẽ ảnh hưởng đến các quyết định liên quan đến vật liệu cấu tạo, thiết kế vỏ, chiều dài chèn và yêu cầu về độ trễ.

Xem xét quá trình P&ID (Sơ đồ Đường ống và Thiết bị - Piping and Instrument Diagram), khảo sát vị trí để đảm bảo rằng các bản vẽ là chính xác và để hình dung vị trí gắn kết, và tham vấn với các kỹ sư cơ khí, môi trường và quản lý dự án sẽ tìm được câu trả lời cho những câu hỏi như:

• Quá trình này là gì?

• Dòng quá trình là gì? (Khí, lỏng, hơi hoặc hạt)

• Áp suất vận hành là gì? Áp suất tối đa bao nhiêu?

• Mức lưu chất bình thường, tối đa và tối thiểu là bao nhiêu?

• Đo đạc trong đường ống hay bình chứa?

• Đường ống hoặc bình chứa đầy hay chỉ một phần?

• Phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh điểm đo là bao nhiêu?

• Vị trí đo ở đâu? Ở mặt đất hay trên cao?

• Có nên để người vận hành xem một màn hình hiển thị giá trị tại chỗ không?

• Là để theo dõi xu hướng nhiệt độ hay giá trị được kiểm soát thực tế?

• Phạm vi nhiệt độ là gì? Điểm kiểm soát là gì? Nhiệt độ tối đa của nó? Nhiệt độ tối thiểu của nó?

• Yêu cầu về độ chính xác điều khiển là gì? Ví dụ như kiểm soát nhiệt độ lò có thể chấp nhận sai số ±10 °C trong khi quá trình sản xuất dược phẩm có thể cần ±0.25 °C hoặc tốt hơn.

• Yêu cầu tốc độ đáp ứng thay đổi nhiệt độ là gì?

• Các tiêu chuẩn kỹ thuật nhà máy để lắp đặt là gì?

• Cần phải tuân thủ những chính sách và thủ tục hướng dẫn cấp cơ sở hoặc nhà máy khác?

• Các thông số vật lý là gì? Vật liệu đường ống dẫn, độ dày và đường kính lớp cách nhiệt, cách điện...

• Có bất kỳ chướng ngại vật nào trong vị trí lắp đã định?

• Có các cân nhắc về chất nổ, mài mòn hoặc ăn mòn trong quá trình này? Hoặc trong môi trường xung quanh?

• Tần số và mức độ nghiêm trọng của rung động đường ống / bình chứa? (thông thường và lớn nhất)

• Nhiệt độ thay đổi nhanh như thế nào trong quá trình hoạt động bình thường? Và trong tình trạng hư hỏng thì như thế nào?

• Có sự tính trước có nhiễu sóng điện từ (EMI), sóng radio (RFI) đáng kể trong phạm vi đo lường từ máy bơm, động cơ, anten vô tuyến, máy hàn,... không?

• Đây có phải là một phần đo lường của một hệ thống an toàn?

Sau khi thu thập câu trả lời cho các câu hỏi trên, chúng ta có thông tin đầy đủ để có thể đưa ra các quyết định sáng suốt về việc lựa chọn thermowell cho hệ thống cảm biến nhiệt độ cụ thể.

Hình 3. Hình ảnh thực tế lắp đặt hệ thống cảm biến nhiệt độ có thermowell

3. Xác định hư hỏng thermowell

Thermowell hư hỏng thường có liên quan với một hoặc nhiều điều sau đây: lực kéo của dòng lưu chất cao, áp suất tĩnh quá mức, nhiệt độ cao, ăn mòn và rung động gây ra bởi chất lỏng.

* Rung

Hầu hết các hư hỏng của thermowell là do rung động gây ra bởi dòng lưu chất trong đường ống. Xem hình 4.

Hình 4. Ví dụ về một hư hỏng thermowell

Khi chất lỏng chảy qua thermowell đặt trong đường ống hoặc ống dẫn, các xoáy nước hình thành ở cả hai bên thermowell. Các xoáy này tách ra, trước tiên từ một phía, và sau đó từ các phía khác trong một mô hình xen kẽ. Hiện tượng này được gọi là lốc xoáy, đường xoáy Von Karman hoặc luồng dòng chảy. Áp suất chênh lệch do các xoáy xen kẽ tạo ra lực xen kẽ trên vỏ dẫn đến các áp suất gây ra xáo trộn chéo ngang. Ngoài ra, còn có các lực khác được tạo ra dọc trục hoặc song song của dòng chảy. Xem hình 5, hình 6.

Hình 5. Đường xoáy Von Karman biểu diễn độ lệch và hướng xuyên ngang

Tần suất chảy của các xoáy này được gọi là tần số rung động xoáy (hay fs) - là một hàm của đường kính thermowell, vận tốc chất lỏng, số Reynolds.

Mỗi thiết kế thermowell có tần số tự nhiên được gọi là fn phụ thuộc vào hình dạng, chiều dài và vật liệu cấu tạo.

Khi tần số rung động xoáy gần với tần số tự nhiên của thermowell, thermowell sẽ dao động cộng hưởng và có thể làm gãy thermowell.

Rõ ràng là lực xoáy phải được tính đến khi lựa chọn thermowell đủ sức và độ cứng để chịu được các điều kiện làm việc, và thường là thermowell được chọn sao cho tần số xoáy luôn ≤ 80% tần số tự nhiên. Hoặc theo toán học như một tỷ số, trong đó fs ÷ fn ≤ 0.8. Đối với dòng chảy của chất lỏng với tỉ số fs ÷ fn từ 0.4 đến 0.5, lực dọc trục là một yếu tố quan trọng cần quan tâm.

Theo hình học của thiết kế của nó, thermowell bước có tần số tự nhiên cao hơn thiết kế thẳng hoặc giảm dần với cùng một đường kính gốc, do đó sẽ tạo ra sự khác biệt lớn hơn giữa tần số rung động xoáy fs và tần số tự nhiên của thermowell fn (tỷ lệ fs ÷ fn thấp hơn), dẫn đến ít cơ hội dao động cộng hưởng dẫn đến hư hỏng thermowell.

Hình 6. Đường xoáy trong hệ thống cảm biến nhiệt độ

Tần số báo động là một yếu tố quyết định trong việc chọn thermowell cho một ứng dụng tốc độ cao. Hầu hết các nhà sản xuất đều có một công cụ phần mềm để phân tích các hiệu ứng tần số báo động dự báo xác suất hư hỏng của thermowell. Công cụ này là một sự trợ giúp tuyệt vời cho sự lựa chọn phù hợp thermowell để đáp ứng các ứng dụng này.

Cảm ơn các bạn đã đọc bài chia sẻ. Mong nhận được sự góp ý của các bạn.

Chúc bạn thành công!

Chịu trách nhiệm nội dung

Đoàn Hữu Thắng

Kỹ sư Điện công nghiệp

Chủ đề liên quan:
Cách lựa chọn bộ chuyển đổi thích hợp cho hệ thống cảm biến nhiệt độ

Bộ chuyển đổi (transmitter) tiếp nhận một loạt các tín hiệu đo lường từ cảm biến nhiệt độ, xử lý chúng, và cung cấp một tín hiệu đầu ra mạnh mẽ.


Cách tính toán độ chính xác của toàn bộ hệ thống cảm biến nhiệt độ

Độ chính xác của một hệ thống cảm biến nhiệt độ là mức độ gần của giá trị đo với giá trị thực tế của nhiệt độ đó.


Xác định chiều dài chèn thermowell của cảm biến nhiệt độ

Thermowell của cảm biến nhiệt độ được xác định để thích ứng với độ dày của đường ống hoặc các cân nhắc khác như áp suất vận hành, thời gian đáp ứng.