Ein Thermoelement ist ein Temperaturmessgerät, das einem Prozess ausgesetzt wird, um dessen Temperatur zu bestimmen. Eine Schutzhülse ist eine Struktur, die die Thermoelement- (oder RTD-) Sonde umgibt und sie vor Einflüssen des Prozesses wie Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeiten oder ätzenden oder zersetzenden Materialien schützt. Schutzhülsen werden auch verwendet, um die Integrität der Druckgrenzen in Systemen aufrechtzuerhalten.
Schutzrohre werden verwendet, um Temperatursensoren wie Thermoelemente, Thermistoren und Bimetallthermometer vor Schäden durch übermäßigen Druck, Materialgeschwindigkeit und Korrosion zu schützen. Sie erhöhen auch die Lebensdauer des Sensors, ermöglichen den Austausch des Sensors ohne Entleeren des Systems und verringern die Wahrscheinlichkeit einer Verunreinigung. Schutzrohre für Hochdruckanwendungen werden in der Regel aus Stangenmaterial gefertigt, um ihre Integrität zu gewährleisten. Kleinere Schutzrohre für den Einsatz in Niederdruckumgebungen können aus Rohren hergestellt werden, deren eines Ende verschweißt ist.
Arten von Schutzrohren
Schutzrohre werden nach der Konstruktion des Schafts kategorisiert. Ein gerades Schutzrohr hat über die gesamte Einbaulänge den gleichen Durchmesser und bietet Schutz vor Korrosion und Erosion. Stufenförmige Schutzrohre haben in der Regel einen Durchmesser von ¾" am oberen Ende, der sich in der Nähe der Spitze auf ½" verringert. Die reduzierte Oberfläche ermöglicht gleichmäßigere Geschwindigkeiten und eine schnellere Temperaturreaktion für Messgeräte. Konische Schutzrohre haben einen Durchmesser, der über die Einführlänge allmählich abnimmt. Sie bieten eine hervorragende Festigkeit sowie schnelle Ansprechzeiten auf Temperaturänderungen. Konische Schutzrohre werden am häufigsten in Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten eingesetzt. Fallstudien zu geraden und konischen Schutzrohren, die in Erdgasleitungen verwendet werden, ergaben, dass gerade Thermoelemente bei Strömungsvibrationen vorzeitig versagten.
Thermowell mit Muffenschweißanschluss 
Hochleistungs-Gewindeschutzrohr 
Standard-Thermohülse mit Gewinde Anschlusstyp
Thermohülsen können über verschiedene Anschlusstypen an einen RTD-, Thermistor- oder Thermoelementkopf angeschlossen werden. Zu den gängigsten gehören:
- Gewinde-Tauchhülse
- Einschweißung
- Muffenschweißung
- O-Ring
- Flansch
Gewindeanschlüsse bestehen aus Materialien, die geschweißt oder gelötet werden können und zusätzliche Festigkeit bieten. In Prozessen, in denen Verunreinigungen durch Gewinde vermieden werden müssen, wie beispielsweise in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, werden häufig Einschweißanschlüsse verwendet. O-Ring-Verbindungen verwenden einen O-Ring, um das Innere einer an einen Tank geschweißten Hülse abzudichten. Die doppelte Schweißkonstruktion des ANSI B16.5-Flansch-Tauchhülsenanschlusses dichtet offene Verbindungen sowohl innen als auch außen ab, um zu verhindern, dass korrosive Substanzen in Spalten eindringen.
Flansch-Tauchhülsen Bohrungsgröße
In Prozessen, in denen mehrere Arten von Messgeräten verwendet werden, ermöglicht die Wahl einer Standardbohrungsgröße eine größere Flexibilität. So kann eine einzige Tauchhülse für ein Thermoelement, einen Widerstandsthermometer, ein Bimetall-Thermometer oder ein Prüfthermometer verwendet werden. Diese Standardbohrungsgrößen sind für die gängigsten Temperaturmessgeräte geeignet und umfassen Folgendes:
Bohrung mit 0,26" Durchmesser:
¼"-Stiel-Bimetallthermometer Thermoelemente der Größe #20 ungeschützte Flüssigkeit in Glas-Prüfthermometern andere Geräte mit einem maximalen Durchmesser von 0,25"
Bohrung mit 0,385" Durchmesser:
Thermoelemente der Größe 14 gepanzerte Flüssigkeit in Glas-Prüfthermometern andere Geräte mit einem maximalen Durchmesser von 0,35"
Materialauswahl
Die Auswahl der richtigen Materialien ist entscheidend für die Langlebigkeit eines Schutzrohrs. Bei der Festlegung des Materials sollten die Art der Chemikalie, die Temperatur und die Durchflussrate berücksichtigt werden, denen das Schutzrohr ausgesetzt sein wird. Die korrosive Wirkung von Chemikalien nimmt bei höheren Konzentrationen und Temperaturen zu. Darüber hinaus können in Flüssigkeiten suspendierte Partikel Erosion verursachen. Die folgende Liste enthält einige der am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung von Schutzrohren:
- Kohlenstoffstähle
- Chrom-/Molybdänstähle
- Muffenschweißung
- Edelstahl
- Incoloy®
- Inconel®
- Monel®
- Hastelloy®
- Haynes®-Legierung
- Titan
Kohlenstoffstähle weisen eine geringe Beständigkeit gegenüber korrosiven Substanzen auf und sind auf Anwendungen mit niedrigen Temperaturen und Drücken beschränkt. Das am häufigsten verwendete Material für Schutzrohre ist Edelstahl. Ein Edelstahl-Schutzrohr ist kostengünstig und äußerst widerstandsfähig gegenüber Hitze und Korrosion. Chrom-Molybdän-Stahl ist ein hochfester Edelstahl, der für Druckbehälter verwendet wird. Die Zugabe von Molybdän verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Die Haynes-Legierung besteht aus Kobalt, Nickel, Chrom und Wolfram. Sie wird am häufigsten für sulfidierende, aufkohlende und chlorhaltige Umgebungen verwendet.
Einbaulänge
Die Einbaulänge ist der Abstand vom Anschlusspunkt des Schutzrohrs bis zur Spitze. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen, sollte die Einbaulänge so lang sein, dass der gesamte temperaturempfindliche Teil des Messgeräts in das zu messende Medium hineinragt. Bei der Messung der Temperatur von Flüssigkeiten mit einem Temperatursensor sollte das Gerät um die Länge des temperaturempfindlichen Teils plus mindestens einen Zoll in die Lösung eintauchen. Bei Gas oder Luft sollte es um die Länge des temperaturempfindlichen Segments plus zusätzlich drei Zoll eintauchen. Der temperaturempfindliche Abschnitt eines Thermoelements oder Thermistors ist kurz, daher kann ein Schutzrohr mit einer kürzeren Einbaulänge verwendet werden. Der temperaturempfindliche Abschnitt von Bimetallthermometern, RTDs und Flüssigkeitsthermometern in Glas liegt zwischen 1 und 2 Zoll und muss für eine akzeptable Genauigkeit mindestens 2½ Zoll in die Flüssigkeit eingetaucht werden.
Fazit
Alle Temperatursensoren sind anfällig für Verschleiß durch Strömung, Hitze und Druck. Im Laufe der Zeit kann die raue Umgebung den Sensor in Bezug auf Leistung und strukturelle Integrität beeinträchtigen. Beispielsweise sind die bei der Herstellung einer Thermoelement-Sonde verwendeten Metalle anfällig für korrosive Umgebungen. Darüber hinaus hat der Thermoelementdraht einen Durchmesser von durchschnittlich 0,10 bis 0,20 Zoll und unterliegt bei längerer Hitzeeinwirkung metallurgischen Veränderungen. Schutzrohre schützen den Sensor vor den schädlichen Auswirkungen der Umgebung, um Messabweichungen zu verhindern. Alle Temperaturdaten für kritische Prozesse sollten mit Aufzeichnungsgeräten wie Temperaturreglern dokumentiert werden. Darüber hinaus sollten alle in diesen Prozessen verwendeten Temperatursensoren regelmäßig durch Kalibrierung überprüft werden, um ihre Genauigkeit zu überprüfen. Trockenblock-Sonden-Kalibratoren bieten eine NIST-rückführbare Kalibrierung für Thermistor-, Thermoelement- und RTD-Sonden. Berührungslose Geräte wie Wärmebildkameras und Pyrometer sowie Infrarot-Schwarzkörperkalibratoren bieten eine Genauigkeit von 1 Prozent, jedoch mit hoher Wiederholbarkeit. Kalibrierungen können zwar intern durchgeführt werden, ein akkreditiertes AS17025-Kalibrierlabor stellt jedoch sicher, dass die verwendeten Methoden NIST-rückführbar sind.
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