Aktuální vydání

celé číslo

03

2019

Veletrh Amper 2019 v Brně

celé číslo

Přesné měření teploty provozního média bez nutnosti průniku do potrubí

V provozech se spojitými technologickými procesy je teplota nejčastěji měřenou provozní veličinou. Často je činitelem, který kritickým způsobem ovlivňuje efektivitu technologického procesu či kvalitu výsledného produktu. V oboru spojitých technologických procesů se teplota měří vícero způsoby, z nichž každý má svoje unikátní přednosti i nedostatky. V článku je podrobně popsána tzv. metoda tepelného toku, která odstraňuje potíže neoddělitelně provázející tradiční způsoby měření teploty provozních médií. 

Teplota provozních médií uvnitř technologických zařízení se nejčastěji měří při použití čidla teploty vloženého do teploměrové jímky. Teploměrová jímka umožňuje umístit čidlo teploty přímo v prostředí provozního média, takže je možné přesně měřit teplotu média. Současně však její použití s sebou nese mnoho složitých konstrukčních problémů a provozních rizik, především je zde nebezpečí vzniku netěsností.

Existují sice tradiční čidla k měření povrchové teploty nevyžadující průnik stěnou potrubí apod., která problémy spojenými s použitím teploměrové jímky netrpí. Avšak tato metoda má zase jiné nedostatky, především v důsledku různých nekompenzovatelných rušivých vlivů nedokáže prezentovat teplotu uvnitř masy provozního média s potřebnou správností a opakovatelností.

V článku je popsána a diskutována neinvazivní technika určování teploty provozního média založená na měření toku tepla s použitím výpočetního algoritmu (angl. heat fluxtechnology, dále metoda tepelného toku), která odstraňuje problémy provázející použití teploměrové jímky vyžadující průnik stěnou do měřeného média, přičemž má srovnatelné metrologické vlastnosti. Použitý algoritmus, vycházející ze známé tepelné vodivosti stěny potrubí, popř. nádrže, a z naměřené teploty povrchu stěny, stanovuje správně a opakovatelně teplotu média uvnitř technologického zařízení. 

Nedostatky tradičních způsobů měření teploty provozních médií

Potíže s teploměrovou jímkou

Instalace s teploměrovou jímkou je v oboru spojitých technologických procesů nejčastěji používaným způsobem měření teploty provozních médií. Jako komponenta měřicího řetězce má teploměrová jímka funkci ochranné bariéry mezi čidlem teploty a měřeným médiem. Umožňuje vložit čidlo teploty do prostředí média, kde by jinak nemuselo vždy odolat působení rozličných nepříznivých provozních podmínek, mezi nimi např. proudění způsobenému mechanickým namáháním, velkému provoznímu tlaku, korozivním či erozivním vlastnostem média atd.

Teploměrová jímka tedy umožňuje vložit čidlo teploty přímo do místa, kde je třeba měřit teplotu (obr. 1). Protože je k tomu ale nezbytně třeba proniknout stěnou technologického zařízení (potrubí, nádrže), představuje současně potenciální místo netěsnosti, a tudíž ohrožení bezpečnosti provozu.

Protože teploměrová jímka je v přímém styku s měřeným médiem, jsou na její konstrukci a způsob montáže kladeny určité požadavky. K zajištění správné funkce a provozní bezpečnosti její instalace je třeba brát v úvahu vše, co se týká provozního média: jeho tlak, teplotu, rychlost proudění, viskozitu atd. U korozivních či erozivních médií je třeba věnovat pozornost také kompatibilitě materiálu jímky. Ke kontrole dynamických vlastností teploměrových jímek se provádí výpočet jejich vlastní frekvence (podle normy ASME PTC 19.3 TW), který však uvažuje pouze jednu sadu hodnot provozních parametrů média. Jestliže se skutečné provozní hodnoty liší od hodnot použitých při výpočtu, nemusí být uvažovaná teploměrová jímka pro danou úlohu vhodná. Důsledkem takového opomenutí může být prasklina či zlom a popř. definitivní selhání teploměrové jímky z důvodu únavy jejího materiálu (obr. 2). Ke zmenšení tohoto nebezpečí se výpočet vlastní frekvence provádí pro každé měřicí místo několikrát, vždy s jinou sadou vstupních hodnot tak, aby byl pokryt celý provozní rozsah hodnot teploty, tlaku a průtoku v daném místě.

Uvedené požadavky ve svém souhrnu zvyšují obtížnost návrhu teploměrové jímky, jejíž konstrukce může navíc, při změně parametrů měřeného média, rovněž vyžadovat změny. Technickou specifikaci (dříku) teploměrové jímky určují zejména:

  • příčný profil,
  • hloubka ponoru,
  • druh materiálu,
  • typ provozního připojení,
  • délka nástavby,
  • tloušťka dna,
  • vnitřní průměr.

Další problémy s teploměrovými jímkami vyvstávají při měření teploty médií v potrubích malých světlostí. Při hloubce ponoru jímky menší než desetinásobek průměru jejího konce v potrubí je totiž měření teploty média zatíženo chybou vlivem odvodu tepla dříkem (tj. chyba při měření teploty způsobená výměnou tepla s okolním prostředím a dalšími vnějšími tepelnými zdroji cestou vedení tepla). Uvedený potřebný poměr délky ponoru k průměru konce dříku často nelze v potrubí malých světlostí zajistit. K vyvarování se chyby vlivem odvodu tepla by např. teploměrová jímka se zakončením o průměru 0,5" vyžadovala hloubku ponoru 5" (tj. 127 mm). Je zřejmé, že dosáhnout potřebného ponoru v potrubí o světlosti menší než 5" je krajně obtížné. Potřebného ponoru teploměrové jímky je v potrubích malých světlostí možné dosáhnout instalací jímky do kolena potrubí, k tomu ovšem pokaždé nemusí být vhodné podmínky.

A kromě toho, protože teploměrová jímka je v přímém styku s měřeným médiem, jakákoliv potřeba vizuální kontroly, nové montáže nebo výměny jímky vyžaduje přerušení provozu technologického zařízení. 

Potíže při určování teploty média s použitím tradiční techniky měření teploty povrchu

Uspořádání řetězce pro určování teploty média využívající měření teploty povrchu potrubí (obr. 3) eliminuje mnohé z nedostatků vlastních měřicímu řetězci s teploměrovou jímkou, zejména se obejde bez přímého styku s měřeným médiem. Protože vlastní místo, kde se měří, se nachází na vnější straně potrubí, vně média, není zde nebezpečí fyzického poškození měřicího zařízení působením interních provozních podmínek nebo vytváření potenciálních netěsností. Oproti použití teploměrové jímky také nevzniká potřeba výpočtů vlastní frekvence i další komplikované požadavky na konstrukci.

Ovšem přestože tradiční technika měření teploty povrchu potrubí odstraňuje mnohé z konstrukčních i provozních nedostatků spjatých s použitím teploměrové jímky, není z pohledu správného určení teploty média v mnoha případech schopna nabídnout metrologické vlastnosti srovnatelné s vlastnostmi měřicího řetězce s jímkou. Je-li třeba znát teplotu uvnitř provozního média, technika založená na měření teploty povrchu často selhává, protože nedokáže prezentovat vnitřní teplotu média s potřebnou správností a opakovatelností.

Naměřené údaje teploty povrchu potrubí mohou být významně ovlivňovány okolním prostředím, což vede k nepředvídatelným výsledkům měření a komplikuje jakékoliv snahy o určení závislosti mezi teplotou naměřenou na povrchu potrubí a skutečnou teplotou provozního média. Jde totiž o závislost, která velmi výrazně závisí na rozdílu mezi teplotou okolního prostředí a teplotou média v potrubí. Například prostá jednotná korekce údaje povrchové teploty, uplatňovaná za účelem kompenzovat předpokládaný pokles teploty ve stěně potrubí nebo nádoby, ztrácí při změnách teploty jak média, tak i okolního prostředí svou validitu. Čidlo povrchové teploty a jeho příslušenství mohou působit jako pohlcovač tepla, absorbující teplo buď z provozního média, nebo z okolního prostředí, a způsobovat tak chyby v měření obdobné chybám v důsledku odvodu tepla dříkem teploměrové jímky běžným u instalací jímek do potrubí s malými průřezy.

Na obr. 4 je na příkladu s použitím počítačového modelu ukázáno, jak se může z potrubí směrem k hlavě jímky s převodníkem šířit teplo a tím se měnit teplota komponent sestavy snímače teploty povrchu potrubí. Jde o nelineární závislost, kterou lze jen těžko postihnout prostou konstantní korekcí. Obalením měřicího řetězce tepelnou izolací je možné minimalizovat nelineární složku toku tepla a v sestavě od čidla po převodník snímače teploty povrchu podpořit vznik toku tepla s jednorozměrným profilem. Tato linearizace toku tepla sice neodstraní všechny chyby provázející měření teploty povrchu, ale nabízí cestu k minimalizaci vlivu změn teploty okolního či vnitřního prostředí jednoduchým použitím prosté korekce.

Oproti obr. 4, ukazujícímu odvod ztrátového tepla ze sestavy pro měření teploty povrchu potrubí do okolí volným prouděním, ukazuje obr. 5 situaci při proudění nuceném.

Na obr. 6 jsou porovnány údaje naměřené na přívodu vody při použití odporového čidla teploty uloženého v teploměrové jímce a snímače teploty povrchu potrubí, který je opatřen tepelnou izolací. Při daném experimentu byla udržována poměrně stálá teplota okolního prostředí, v rozmezí 27 až 29 °C, zatímco teplota provozního média vzrostla v několika krocích ze 40 na 80 °C. S narůstajícím rozdílem mezi teplotou provozního média a teplotou okolního prostředí vzrostl rozdíl mezi údajem vnořeného teploměru a údajem snímače teploty povrchu potrubí postupně z 1 K na téměř 5 K.

V opačném sledu lze totéž chování pozorovat při změnách teploty okolního prostředí (obr. 7), kdy při stejném uspořádání experimentu klesala teplota okolního prostředí postupně z +80 až pod –40 °C. Zde s rostoucím rozdílem mezi teplotou provozního média a teplotou okolního prostředí vzrostl rozdíl mezi údaji instalovaných měřicích řetězů ze 2 K opět až na téměř 5 K.

Graf na obr. 8 se vrací k prvnímu z experimentů (graf na obr. 6) a zobrazuje jako proměnnou rozdíl mezi teplotou naměřenou v provozním médiu a naměřenou teplotou povrchu potrubí. Přesvědčivě ukazuje, že s rostoucí teplotou média chyba, definovaná jako rozdíl mezi teplotou média a teplotou povrchu potrubí, roste. Najít určitý a v praxi použitelný vztah mezi údaji obou dotyčných typů řetězců pro měření teploty je tudíž velmi obtížné, neboť zde jako proměnné vystupují teplota média, teplota okolí a tepelná vodivost příslušných komponent měřicího řetězce. 

Metoda tepelného toku: konec problémů s teploměrovými jímkami i tradičním měřením teploty povrchu potrubí


Vložením naměřených hodnot teploty okolního prostředí a teploty povrchu potrubí z obr. 6 do výpočtového algoritmu beroucího v úvahu tepelnou vodivost je možné vypočítat teplotu provozního média v potrubí. Takto stanovená tzv. vypočítaná teplota je na obr. 9 porovnána s teplotou naměřenou přímo v médiu s tím závěrem, že vypočítané teploty média se téměř shodují s teplotami naměřenými.

Obdobně je na obr. 10 porovnána vypočítaná teplota s teplotou naměřenou pro příklad na obr. 7. Vypočítané hodnoty teploty jsou opět ve velmi těsném sledu s teplotami naměřenými v médiu.

Předpokládejme ustálené vedení tepla a zanedbatelný vliv odvodu tepla do okolí prouděním, čehož se dosahuje vhodnou tepelnou izolací. Pak lze na stěnu potrubí a sestavu čidla teploty povrchu potrubí nahlížet jako na sadu za sebou uspořádaných vrstev materiálu, každé se svou vlastní tepelnou vodivostí, jak ukazuje obr. 11, kde:

q je tepelný tok,

Ta měřená teplota okolního prostředí (ambient),

x1  tloušťka sestavy čidla,

k1  tepelná vodivost sestavy čidla,

Ts měřená teplota povrchu potrubí (sensor),

x2  tloušťka stěny potrubí,

k2  tepelná vodivost stěny potrubí,

Tp vypočítaná teplota média (process).

S použitím Fourierova zákona, popisujícího vedení tepla, může být vypočítán tepelný tok a při jeho znalosti určena teplota média v potrubí. Pro jednorozměrný tepelný tok se Fourierův zákon zjednoduší na 

          vzorec (1) 

a pro toky tepla jednotlivými vrstvami materiálu, tj. stěnou potrubí a sestavou čidla, se po dosazení do (1) získají vztahy   

           vzorec (2)

V daném případě lze oprávněně předpokládat, že jednorozměrný tok tepla soustavou tvořenou stěnou potrubí a přilehlou sestavou čidla teploty povrchu je konstantní, tedy qčidlo = qpotrubí, a tudíž 

           vzorec (3) 

Teplotu okolního prostředí Ta a teplotu povrchu potrubí Ts je možné měřit a naměřené údaje použít k výpočtu teploty Tp provozního média. Z rovnosti (3) vyplývá pro výpočet Tp vztah 

           vzorec (4)

 Inovace v oboru měření teploty přihlášená k patentové ochraně odstraňuje nedostatky tradičních metod měření teploty provozního média založených na využití teploměrové jímky nebo na měření teploty povrchu potrubí tím, že do převodníku zpracovávajícího signál čidla teploty povrchu potrubí umisťuje funkci výpočtu provozní teploty média. Vložení daného algoritmu přímo do převodníku teploty pro uživatele znamená značné zjednodušení postupu při výpočtu provozní teploty média. 

Faktory ovlivňující výkonnost metody

Celkovou výkonnost inovované metody měření teploty provozního média cestou měření teploty povrchu potrubí lze definovat parametry obdobnými parametrům používaným při hodnocení výkonnosti standardního řetězce pro měření teploty (tj. vlivy digitálního provedení převodníku a teploty okolního prostředí, přesnost čidla atd.). Při výpočtu teploty provozního média z údaje teploty povrchu potrubí s použitím shora odvozeného tzv. algoritmu tepelné vodivosti (4) je však mj. třeba navíc přihlížet k jedné specifické dílčí komponentě nejistoty závislé na rozdílu mezi teplotou okolního prostředí a teplotou provozního média. Touto dodatečnou komponentou nejistoty je tzv. vliv teploty provozního média (Process Temperature Effect – PTE), u něhož provedené zkoušky prokázaly, že je menší než 1 % rozdílu mezi teplotou okolního prostředí a teplotou média. Zdrojem dané nejistoty jsou nedokonalosti ve styku čidla teploty s povrchem potrubí. Není-li v přímém kontaktu s povrchem potrubí veškerá činná plocha čidla teploty, vzniká chyba, jejíž část je brána v úvahu a zahrnuta ve specifikaci PTE. To ovšem neplatí pro mimořádně nerovné nebo špinavé povrchy, u nichž jsou chyby větší a v PTE nepostižené. Překážkami bránícími dokonalému kontaktu obou povrchů, potrubí a čidla, jsou např. jamky či jiné tvarové vady vnějšího povrchu potrubí. Použití pomocných tepelně vodivých materiálů ke zlepšení kontaktu mezi povrchy čidla a potrubí se nedoporučuje, neboť tím by do celé sestavy vstoupil nový materiál s tepelnými vlastnosti nezahrnutými do výpočtového algoritmu, což by mělo za následek dodatečnou chybu.

Má-li inovovaná metoda správně fungovat, je dále třeba věnovat pozornost dostatečnému promísení měřeného média a umístění čidla teploty povrchu potrubí. Médium musí v potrubí dostatečně proudit tak, aby se v něm vyvinul konstantní teplotní příčný profil. Není-li tomu tak, mohou se v potrubí vytvořit velké teplotní gradienty. Také je důležité, aby čidlo teploty povrchu potrubí bylo instalováno v místě, kde je stěna potrubí v kontaktu s měřeným médiem (tj. je-li potrubí zaplněno jen z poloviny, musí být čidlo ukotveno na potrubí na dolní polovině jeho profilu).

Popisovaná nová metoda měření funguje nejlépe v podmínkách ustálených stavů. Při rychlé změně teploty provozního média či okolního prostředí může být korekční zásah opožděn v důsledku přechodových charakteristik jak použitých čidel teploty samotných, tak také zpoždění při průchodu tepla stěnou potrubí nebo nádoby.

V porovnání s metodou vnořené teploměrové jímky může měření teploty média prostřednictvím teploty povrchu potrubí vykazovat delší dobu odezvy. Doby odezvy při tomto porovnávání závisejí na mnoha faktorech, z nich významnou roli hrají především:

  • materiál trubky (nádoby),
  • tloušťka stěny trubky,
  • druh média,
  • rychlost proudění,
  • rozdíl teplot okolí a měřeného média,
  • materiál a provedení teploměrové jímky,
  • typ čidla teploty,
  • pracovní takt převodníku teploty.

Ukázka přechodových charakteristik získaných při interních ověřovacích zkouškách je na obr. 12.

Výsledky získané při ověřovacích zkouškách dále ukazují, že metoda výpočtu teploty média z teploty povrchu potrubí poskytuje u potrubí malých průměrů lepší výsledky než standardní měřicí sestava s teploměrovou jímkou, a to v důsledku chyby měření vlivem odvodu tepla dříkem jímky. Na obr. 13 je ukázáno chování teploměrové jímky vyrobené z austenitické korozivzdorné oceli typu 316 v porovnání s výsledkem poskytnutým nechráněným odporovým čidlem teploty vloženým do potrubí a výpočtem teploty provozního média z měřené teploty povrchu potrubí.

Zda bude výpočetní algoritmus správně fungovat, závisí také na vlastnostech stěny potrubí nebo nádoby. Algoritmus při své činnosti vychází z předem pevně dané sady hodnot určitých parametrů potrubí, a dojde-li ke změně oproti zakomponovaným předpokladům, bude výsledek výpočtu nesprávný. V praxi vrstva kotelního kamene na stěnách či jiné usazeniny uvnitř potrubí zhorší tepelnou vodivost stěny potrubí s negativním vlivem na správnost výpočtu teploty média. Podobně ovlivní správnost výpočtu nahromadění nečistot na vnějším povrchu potrubí (v místě instalace čidla teploty povrchu) nebo zeslabení stěny potrubí. 

Možnosti využití

Inovovaná metoda určování teploty média v potrubí z měřené teploty povrchu potrubí je použitelná v mnoha oborech, ve většině úloh týkajících se potrubí a potrubních sítí, typicky zejména v těchto případech:

  • sledování produktovodů apod.,
  • provoz potrubí malých průměrů,
  • modernizační projekty,
  • potrubí vyžadující časté čištění,
  • velmi rychle proudící provozní média,
  • splašky a tekutiny s velkým podílem tuhých částic,
  • procesy čištění na místě v provozu (CIP),
  • provozní tekutiny s velkou viskozitou,
  • zvlášť agresivní média vyžadující exotické potrubní materiály.

Pro svou za určitých podmínek prodlouženou dobu odezvy není tato inovovaná metoda v současnosti vhodná k použití v bezpečnostních obvodech, v úlohách vyžadujících rychlé řízení a k bilančním měřením. 

Podpora inovované neinvazivní metody určování teploty média technikou značky Rosemount

Shora v textu jsou shrnuty problémy provázející určování teploty provozních médií při použití teploměrových jímek a cestou měření teploty povrchu potrubí. Je pojednáno o nové tzv. metodě tepelného toku, o způsobu, jakým tato uvedené problémy odstraňuje, o jejích metrologických vlastnostech včetně časové odezvy a o vlivu teploty okolního prostředí a jsou uvedeny vhodné oblasti použití nové metody v průmyslu.

Společnost Emerson™ nabízí jako nástroj k eliminaci problémů vlastních teploměrovým jímkám nebo tradiční metodě založené na měření teploty povrchu techniku označenou jako Rosemount™ X-well™ Technology (stručně X-well) jako neinvazivní metodu umožňující přesně a opakovatelně určit teplotu provozního média v potrubí nebo nádobě.

Nástroj X-well je k dispozici ve dvou konfiguracích. Základem je vždy čidlo teploty určené k upnutí na povrch potrubí Rosemount 0085 Pipe Clamp Sensor, připojené buď k bezdrátovému převodníku teploty Rosemount 648 Wireless Temperature Transmitter, nebo k převodníku teploty Rosemount 3144P HART® Transmitter, komunikujícímu přes rozhraní HART. Čidlo teploty a vybraný převodník spolupracují na výpočtu teploty provozního média podle algoritmu tepelné vodivosti uloženého v převodníku. Nástroj X-well pracuje tak, že měří teplotu povrchu potrubí a teplotu svorkovnice a tuto informaci kombinuje se známými (popř. předpokládanými) hodnotami tepelné vodivosti sestavy čidla teploty povrchu a provozního potrubí.

Nástroj Rosemount X-well Technology umožňuje přesně určit teplotu provozního média bez jakéhokoliv průniku stěnou potrubí nebo nádoby, vylučuje vznik netěsností a lze jej snadno a rychle instalovat při současném zjednodušení dlouhodobé údržby. Uživatelé nemusí projektovat, dimenzovat ani udržovat teploměrové jímky. Opadají výpočty vlastní frekvence jímek i další časové ztráty spjaté s výběrem kompatibilních materiálů a stanovením správné délky ponoru i nezbytného příčného profilu jímky.

Při použití nástroje Rosemount X-well Technology uživatelé také mohou nainstalovat řetězce k měření teploty provozního média bez přerušení technologického procesu. Nástroj X-well lze nainstalovat běžným postupem používaným při montáži snímačů instalovaných zevně na potrubí s použitím běžného příručního nářadí, aniž je nutná účast externího specialisty. Nová metoda najde uplatnění v úlohách měření teploty média v produktovodech, při provozování potrubí malých průměrů, při velmi rychle proudících provozních médiích, při práci se splašky a tekutinami s velkým podílem tuhých částic, tekutinami s velkou viskozitou a zvlášť agresivními médii, při používání procesů CIP, na zhlaví vrtů apod. v těchto oborech:

  • těžba a doprava ropy a zemního plynu,
  • chemická výroba,
  • rafinace,
  • vědy o živé přírodě (life sciences),
  • těžba surovin a zpracování kovů,
  • papírenská výroba.

Další informace o metodě Rosemount X-well Technology lze nalézt na adrese http://Emerson.com/Rosemount-Xwell.

[Achieve Accurate Process Temperature Measurement without Process Penetration. Emerson Automation Solutions white paper, August 2018.]

 

(Překlad a úprava redakce; publikováno se souhlasem Emerson Process Management, s. r. o.)

Obr. 1. Klasická montážní sestava teploměrové jímky

Obr. 2. Příklady poruch teploměrové jímky

Obr. 3. Příklady provedení čidel teploty povrchu

Obr. 4. Vizualizace volného proudění

Obr. 5. Vizualizace nuceného proudění (rychlost proudění vzduchu 2 m/s)

Obr. 6. Měnící se teplota provozního média: porovnání údajů odporového čidla teploty média vloženého v jímce a tepelně izolovaného čidla teploty povrchu potrubí (potrubí z uhlíkové oceli, 1“ SCH 40 podle ANSI/ASME)

Obr. 7. Měnící se teplota okolního prostředí: porovnání údajů tepelně izolovaného čidla teploty povrchu potrubí a odporového čidla teploty v jímce (potrubí z uhlíkové oceli, 1“ SCH 40)

Obr. 8. Chyba snímače teploty povrchu potrubí: porovnání údajů tepelně izolovaného čidla teploty povrchu potrubí a odporového čidla teploty média vloženého v jímce (potrubí z uhlíkové oceli, 1“ SCH 40; teplota okolí je konstantní)

Obr. 9. Použití korekce v případě měnící se teploty provozního média: porovnání údajů tepelně izolovaného čidla teploty povrchu potrubí a odporového čidla teploty média vloženého v jímce (potrubí z uhlíkové oceli, 1“ SCH 40)

Obr. 10. Použití korekce v případě měnící se teploty okolního prostředí: porovnání údajů tepelně izolovaného čidla teploty povrchu potrubí a odporového čidla teploty média vloženého v jímce (potrubí z uhlíkové oceli, 1“ SCH 40)

Obr. 11. Zjednodušený tok tepla stěnou potrubí a sestavou čidla teploty povrchu potrubí

Obr. 12. Odezvy na skokovou změnu teploty média o asi 30 K naměřené na zkušebním standu (voda, potrubí z uhlíkové oceli, 1“ SCH 40)

Obr. 13. Odezvy na skokovou změnu teploty média o asi 25 K naměřené na zkušebním standu (voda, potrubí z uhlíkové oceli, 1“ SCH 40)