非侵入性的温度测量

TILO MERLIN, ANDREAS DECKER, JÖRG GEBHARDT, CHRISTIAN JOHANSSON -温度和压力是流程工业中最常见的测量方法。大约一半的温度测量是为了监控目的，以确保产品质量，工厂安全和提高过程效率。几乎没有不需要测量温度的化学过程。由于产量高、技术进步和竞争激烈，合适的常规温度测量仪器已经广泛可用，而且随着时间的推移，它们变得更便宜。然而，这些设备中的大多数都具有很强的干扰性。ABB的非侵入式、无线和能源自主温度传感器现在正在改变工业温度传感的外观，这在Absolut公司位于瑞典的伏特加酒厂最近的试点安装中得到了证明。

温度测量技术进步的全盛时期发生在19世纪。托马斯·约翰·塞贝克(热电效应，1820年)和卡尔·威廉·西门子(铂电阻温度计，1871年)是两位最杰出的人物。ABB在工业温度测量方面的活动可以追溯到1881年，当时Wilhelm Siebert在他位于德国哈瑙的家族卷烟厂熔化铂，并将材料制成电线。尽管经过不断的改进，主要的设计——带有一个测量装置，由一个强大的温度计套管和一个连接头保护，不受工艺介质的影响——多年来变化不大，今天的许多设备都是基于这些早期的发现。

1978年，ABB(当时的德固赛)引入了一个关键的改进，实施了一个电子发射机连接头内部。这将测量电路和传感器元件结合在一起——即使在恶劣的环境中也能工作——从而减少了对长传感器线的需求，因为长传感器线对电磁干扰很敏感，会影响传感器的精度并引入信号噪声。这一重大创新为今天的分布式智能传感器铺平了道路，这些传感器将标准化和线性化的测量值提供给中央控制系统^［1］．

近40年过去了，ABB再次对温度传感器进行了改革，通过引入无线通信和能量收集电源，使温度传感器能够自给自足，利用过程和周围环境之间的温度梯度为仪器提供能量。这两种技术结合在了全自动温度仪中TSP300-W系列。ABB的这项创新是温度传感领域的一个重要里程碑，也是过程自动化中无线通信的推动因素。

然而，工业测温设备还有一个缺点，那就是温度计套管。

1.安装在传感器头内部的第一发射机(TR01)

2.第一台全自动温度仪TSP331-W

热电偶套管

温度计套管保护敏感的测量装置免受管道、锅炉和容器内的热、化学侵蚀、磨蚀或加压流的影响。然而，热阱抑制流动，导致压力下降，并在热阱下游产生低压涡旋。这就是所谓的涡流脱落，它会导致温度计套管振动。当涡旋脱落率与总成的固有频率相匹配时，会发生共振，动弯曲应力大幅增加。

就工厂安全而言，温度计套管是温度仪器最重要的部分:在高流速和压力下，设计不当的温度计套管很容易破裂。因此，ASME(美国机械工程师协会)等组织制定了标准，以帮助工程师选择合适的设计。然而，对于不适用该标准的应用，工程师应全权负责形状、长度、直径、涂层和界面类型的正确设计。总之，这导致了变体数量的大幅增加——导致更高的成本、库存水平和物流努力。

除了安全问题外，温度计套管还阻碍了整个过程:它减少了管道的有效截面，并且它所造成的压降可能会导致泵功率消耗增加。它还会对管道清洗造成障碍。由于污染风险增加，食品、饮料和制药厂不愿使用温度计套管。在棕地装置中，在安装侵入性装置之前，工厂必须关闭，管道必须排空。温度计套管对测量本身也有不利的影响，因为它们引入了介质和传感器之间的温度下降和延迟。最后，它们通常是最难安装和最昂贵的部分，因为它们经常需要焊接。

2010年，为了应对这些挑战，ASME更新了其温度计套管计算的基本标准^［2］，从而产生更大直径、更坚固材料和更短长度的耐磨温度计套管。欧洲杯足球竞彩这些变化只会使上述度量的缺点变得更糟。

3.温度计套管通常用于重型石油和天然气应用

4.交替的旋涡脱落-旋涡出现在热阱的一边，然后是另一边。在风中飘扬的旗帜上也能看到这种效果。

5.TSP341-W无创测温

非侵入性方法

使用非侵入式温度测量可以消除对温度计套管的需求。非侵入性器械使管道和血管不受影响，有许多优点:

• 管子和容器的外壳没有被穿透。
• 安装时不需要排空管道。
• 现场不需要焊接，危险区域不需要特殊许可。
• 消除了污染的可能性。

这些优点带来了相当大的后果:测量点现在很容易安装，因此可以临时使用——例如，在新工艺的安装和测试期间，或者如果生产中存在问题，用于根本原因分析。一旦达到了令人满意的情况，测量位置的数量就可以减少到经济上和技术上合适的长期值。

6整个设备

界面到目标表面

6.在优化前的典型设定温度场的有限元结果

为什么以前没有使用无创方法?

到目前为止，非侵入式技术尚未应用于大多数温度测量装置有几个原因。

获得非侵入式温度测量的最简单方法是将现有的仪器附着在管道或容器的表面，而不是将其引入温度计套管。然而，温度传感器将进一步从工艺介质中移除，从而减少响应时间，环境条件将对测量产生更大的影响。

因此，一个好的非侵入式温度仪器必须有一个合适的设计，热量将从过程传递到传感器的路径，包括热量必须通过的所有材料和所有界面。欧洲杯足球竞彩如果现有的(温well设计)仪器能够适应，这也将是有益的，因为这将大大减少开发工作，保持变量和额外部件的数量较低，并使客户在熟悉度和认证保留方面更容易。

一个具有挑战性的情况下

瑞典Nöbbelöv的Absolut公司获得了两辆自动驾驶汽车^［3］这样他们就可以在不中断伏特加酒厂生产过程的情况下探索该设备的功能。为了降低ABB方面的工作量，生产了适配器，用于将现有(温well设计)仪器与管道的插入长度进行改变。

这些传感器很容易集成到现有的ABB扩展自动化系统800xA中。System 800xA自动化平台有一个内置的现场设备管理系统。这允许用户拥有一个涵盖操作、工程和现场设备管理的单一系统，包括设备配置和状态监控等功能。这种方法有显著的好处，例如减少了工程时间，因为完整的解决方案，包括现场设备配置，是在一个系统中设计的，具有一个通用的工程流程。另一个优点是加速调试，因为完整的信号检测可以由一个人在一个屏幕上完成。

安装完成后，the Absolut的自动化工程师报告称，能量收集功能和无线通信都运行良好。然而，仪器的测量精度和响应时间并没有达到他们的预期。

在测量过程中，沿着通过装置的路径绘制出温度场。

为不同的设计迭代采样整个设备的温度曲线

7.系统搜索相关设计参数

提高测量

在The Absolut进行的一系列测量显示了仪器及其周围以及连接仪器与管道的适配器的温度情况的详细图片。在找出测量问题的原因后，对适配器的设计进行了改进和测试。对测量镶嵌件和热界面材料进行了改进。欧洲杯足球竞彩在最后的配置中，测量误差减少到大约1k(从几个开氏度)。此外，响应时间减少了75%，这两个性能参数都接近侵入式温度仪。

建模

对测量点的物理理解，以及后续的热环境建模和模拟，对于达到良好的设计是至关重要的。有限元模拟和广泛的自动模型调整^［4］对相关设计参数进行了分析。该模型能有效地表示几欧洲杯足球竞彩何、材料和界面特性。

此外，了解传感器温度如何受测量情况的细节影响是至关重要的，例如，不同的绝缘类型或不同的流量条件。通过耦合传热计算可以理解这些影响，在耦合传热计算中，热流体或冷流体沿安装了仪器的管道流动，以及/或在管道上应用了一些轴向均质或空间变化的绝缘材料。这些计算产生的典型温度场如➔8所示。

局部绝缘流体输送管道的温度场畸变

典型测量情况下结构中的温度场和流体中的速度场

8.采用有限元耦合和流体动力学耦合的方法，对耦合传热进行了分析

安装方便

新的和改进的适配器可以安装在大范围的管道直径;只有夹子的长度(简单的钢带)必须改变，从而大大减少了变体的数量和增加灵活性。由于设计的复杂性更低，需要的加工更少，安装也更简单，这在难以到达的位置尤其有利。安装不需要校准或广泛的参数化。

经过优化后，Absolut公司安装了四个TSP341-W单元，测量精度和响应时间的预期改善得到了证实。

一个新的灵活性

非侵入式、无线和能量自主的温度测量预示着一个灵活性的新时代。随着温度测量和将其工程到System 800xA DCS的过程变得如此容易，增加高价值的应用——但传统上很难从成本角度证明——现在很容易实现。这种应用程序的一个很好的例子是在优化和持续改进活动或能源效率计划期间对过程进行短期测量。另一个例子是向ABB的System 800xA换热器资产监控器(HXAM)提供所需的温度输入，以确保更节能的运行和降低维护成本。HXAM是一种状态监控工具，可识别换热器的性能变化和运行退化。在大型设施中，通过提高换热器的性能可以实现大量的节能。

只有具有极端空间或时间梯度的应用才会对完全消除无创传感器和有创传感器之间的性能差距构成挑战——无论是在测量精度还是响应时间方面。一旦使用了热力学选项，下一步就是使用先进的基于模型的算法来修正测量结果。

参考文献

[1]工业温度测量，基础和实践，客户手册，ABB自动化产品，(2008)。

[2]温度计套管，ASME标准号PTC 19.3 tw - 2010。

[3] M. Ulrich等人，“用于过程仪表的自主无线传感器”，GMA / ITG - Fachtagung: Sensoren und Messsysteme 2012，纽伦堡。[4] J. Gebhardt和K. König，“基于模型的能源自主温度传感器开发”，VDI/VDE Mechatronik 2013，德国亚森，2013，第177-181页。

[4] J. Gebhardt和K. König，“基于模型的能源自主温度传感器开发”，VDI/VDE Mechatronik 2013，德国亚森，2013，第177-181页。

这些信息已经从ABB测量与分析公司提供的材料中获得、审查和修改。欧洲杯足球竞彩

有关此来源的更多信息，请访问ABB测量与分析。