محفاظت و اندازه گیری دقیق سنسورهای حرارتی با ترموول

یکی از نیازهایی که مهندسان از زمان انقلاب صنعتی با آن روبرو شدند؛ اندازه‌گیری دمای آب یا بخار در سیستم‌های لوله‌کشی بود. این نیاز، به‌ویژه در صنایعی مانند نفت، گاز، شیمیایی و پتروشیمی، برای کنترل فرآیندهای صنعتی و جلوگیری از آسیب به تجهیزات بسیار حیاتی است. 

از آن زمان، ابزارهای مختلفی برای اندازه‌گیری دما در سیستم‌های صنعتی توسعه یافت، که در کنار خرید سنسور دما صنعتی اهمیت بالایی داشت. یکی از مهم‌ترین و پراستفاده‌ترین ابزارهای جانبی سنسور دما، ترموول‌ است. 

این ابزارها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که می‌توانند در برابر فشارهای بالا، دماهای شدید، خوردگی و سایر شرایط سخت مقاومت کنند و در عین حال دقت اندازه‌گیری دما را تضمین نمایند.

این تنها مقدمه‌ای بر ترموول بود و پیشنهاد می‌شود برای شناخت هر چه بیشتر این غلاف  حرارتی با آمازون ابزار همراه باشید.

ترموول چیست؟

ترموول‌ (Thermowell)، گونه ای از اتصالات ابزار دقیق و  به شکل استوانه است که برای محافظت از حسگرهای دما در فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شوند. ترموول ابزار دقیق، از یک لوله با انتهای بسته تشکیل شده و در جریان فرآیند قرار می‌گیرد.

ترموول و ترموکوپل به دلیل تشابه اسمی ممکن است یکسان بنظر برسند؛ در نتیجه پیشنهاد می‌شود مطلب ترموکوپل چیست را مطالعه کنید تا اطلاعات لازم را از این ابزار دقیق بدست بیاورید. 

حسگر دما مانند ترموکوپل، ترمومتر یا آشکارساز دمای مقاومتی (RTD) در انتهای باز لوله قرار می‌گیرد که معمولاً در هوای آزاد خارج از مخزن یا لوله‌های فرآیند و هر نوع عایق حرارتی قرار دارد. 

از نظر ترمودینامیکی، مایع موجود در فرآیند، حرارت را به دیواره ترموول منتقل می‌کند که این حرارت به حسگر دما منتقل می‌شود. واکنش حسگر به نوسانات دمایی فرآیند با افزودن ترموول کاهش می‌یابد.

 دلیل این مساله آن است که مجموعه حسگر و ترموول نسبت به یک پروب (Prob) که مستقیماً در فرآیند غوطه‌ور است، جرم اضافی دارند.

ترموول‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در صورت عدم عملکرد صحیح حسگر، بتوان آنها را بدون نیاز به تغییر در مخزن یا لوله‌کشی به راحتی تعویض کرد. 

در گذشته، طول ترموول بر اساس میزان فرو رفتن آن نسبت به قطر دیواره لوله تعیین می‌شد. اما این روش دیگر قابل قبول نیست؛ زیرا می‌تواند ترموول را در معرض خطر شکست ناشی از عدم مقاومت در برابر ارتعاشات قرار دهد. وقتی محاسبات خطای اندازه‌گیری برای نصب در لوله‌های عایق شده یا دماهای محیطی مایع مورد بررسی قرار می‌گیرد، انحراف هدایت حرارتی کمتر از یک درصد است. به شرطی که نوک ترموول ابزار دقیق، در معرض مایع قرار داشته باشد.

زمان پاسخ‌ دهی حسگر ثابت عمدتاً توسط سرعت جریان مایع تعیین می‌شود و این زمان به طور قابل توجهی از زمان پاسخ‌ دهی خود حسگر بیشتر است. این امر به دلیل جرم حرارتی نوک ترموول و ضریب انتقال حرارت بین انتقال حرارت بین مایع و ترموول است.

ترموول معمولاً از طریق  اتصال رزوه‌ای، جوش یا فلنج به جریان فرآیند، نصب می‌شود. حسگرهای دما مانند ترموکوپل، ترمومتر یا آشکارساز دمای مقاومتی (RTD)، در انتهای باز ترموول قرار می‌گیرند و معمولاً با فنر به گونه‌ای تنظیم می‌شوند که نوک خارجی حسگر دما با نوک داخلی ترموول در تماس فلزی-فلزی باشد.

استفاده از بخش‌های جوش‌خورده برای طراحی‌های بلند توصیه نمی‌شود؛ زیرا خطرات ناشی از خستگی و خوردگی وجود دارد. همچنین خرید ترمومتر و ترموول متناسب با یکدیگر، اهمیت ویژه ای دارد.

مشخصات فنی ترموول

برای شناخت و انتخاب ترموول ابزار دقیق مناسب، باید مشخصات فنی آن را درک کنیم.

ابعاد پایه ترموول (Q)

پارامتر "Q" در ترموول، ضخیم‌ترین بخش ترموول است که در سمت کنترل دما و نزدیک به اتصال فرآیند یا فلنج قرار دارد. ابعاد Q ترموول به اندازه سوراخ داخلی ترموول و همچنین اندازه اتصال فرآیند بستگی دارد.

طول غوطه‌وری ترموول (U)

طول‌های غوطه‌وری ترموول معمولاً به نام طول "U" شناخته می‌شوند. طول U فاصله‌ای است که از پایه اتصال فرآیند تا نوک ترموول اندازه‌گیری می‌شود. این طول نشان‌دهنده میزان ترموول است که واقعاً در فرآیند اندازه‌گیری قرار دارد.

اندازه سوراخ ترموول

اندازه سوراخ به قطر داخلی ترموول گفته می‌شود. اندازه‌های معمول سوراخ ترموول‌ها شامل ۰.۲۶۰ اینچ و ۰.۳۸۵ اینچ است. این اندازه‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که بتوانند حسگرهایی با قطر ۰.۲۵ یا ۰.۳۸ اینچ را در خود جای دهند.

طول امتداد عایق ترموول (T)

نماد "T" در ترموول به امتداد عایق آن اشاره دارد. این امتداد یا طول، از سر سرد اتصال فرآیند شروع شده و معمولاً به طول شش ضلعی ترموول افزوده می‌شود. به‌طور معمول، طول T اجازه می‌دهد که پروب و ترموول از طریق عایق یا دیوارها کشیده شوند.

در جدول زیر، فرم اختصاری مشخصات ترموول و اصطلاحات لاتین آن طبق استاندارد ASME PTC 19.3 TW آورده شده است:

انواع ترموول

ترموول ها را بر اساس چندین دیدگاه می‌توان تقسیم بندی کرد. مرسوم ترین روش های تقسیم بندی انواع ترموول ها به شرح زیر است:

• انواع ترموول بر اساس اتصالات 

• انواع ترموول بر اساس جنس

در ادامه با هریک از این تقسیم بندی ها، بیشتر آشنا می‌شویم.

اتصالات ترموول

 انواع ترموول بر اساس شیوه نصب به شرح زیر است:

ترموول فلنجی (Flanged Thermowell)

ترموول فلنجی، به کمک فلنج به لوله یا مخزن متصل می‌شود. فلنج در انتهای ترموول قرار دارد و برای نصب‌های صنعتی و کاربردهای با فشار بالا مناسب است.

ترموول رزوه‌ ای (Threaded Thermowell)

 در ترموول رزوه ای ، ترموول به‌وسیله رزوه به اتصال فرآیند متصل می‌شود. این نوع برای نصب‌های سریع و آسان کاربرد دارد و معمولاً در کاربردهای کم‌فشار استفاده می‌شود.

ترموول جوشی (Welded Thermowell)

 این نوع ترموول به‌وسیله جوش به سیستم لوله‌کشی یا مخزن متصل می‌شود. ترموول جوشی برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا دارند، مانند سیستم‌های با فشار و دمای بالا، طراحی شده است.

ترموول با اتصالات بهداشتی (Sanitary Thermowell)

 این نوع ترموول‌ها برای استفاده در صنایع غذایی و دارویی طراحی شده‌اند که نیاز به استانداردهای بهداشتی دارند. ترموول‌های بهداشتی معمولاً از مواد استنلس استیل ساخته شده و به‌وسیله اتصالات بهداشتی به سیستم وصل می‌شوند.

چهار نوع بالا به نسبت پرکاربردتر از انواع ترموول های دیگر هستند. با این حال، انواع دیگری از اتصالات ترموول هم وجود دارند:

ترموول سوزنی (Bayonet Thermowell)

ترموول سوزنی، نوعی روش نصب است که در آن ترموول به‌صورت سوزنی به سیستم وصل می‌شود. این نوع نصب برای کاربردهایی که نیاز به تعویض سریع حسگر دما دارند؛ بسیار مناسب است و در شرایطی که حساسیت به زمان بالا است استفاده می‌شود.

ترموول فشاری با واشر (  Weldless Thermowells and O'Ring)

این نوع ترموول‌ها از واشر یا اورینگ برای ایجاد اتصال آب‌بندی استفاده می‌کنند. اتصال فشاری در شرایطی که نیاز به جلوگیری از نشتی یا تماس با مواد خورنده است؛ کاربرد دارد و در سیستم‌های حساس به‌ویژه در صنایع شیمیایی استفاده می‌شود.

انواع ترموول بر اساس جنس (Thermowell Material)

ترموول‌ ها بر اساس جنس مواد تشکیل دهنده آنها، به چند نوع مختلف تقسیم می‌شوند که هرکدام برای شرایط خاصی مناسب هستند. انواع ترموول بر اساس جنسیت را با هم بررسی می‌کنیم:

ترموول استنلس استیل (Stainless Steel Thermowell)

این نوع ترموول از استنلس استیل ساخته شده است که برای مقاومت در برابر خوردگی و شرایط دمایی بالا بسیار مناسب است. ترموول‌های استنلس استیل در صنایع مختلفی مانند صنایع شیمیایی و پتروشیمی به‌خوبی عمل می‌کنند.

ترموول کربن استیل (Carbon Steel Thermowell)

ترموول‌های کربن استیل به‌طور معمول در محیط‌های غیر خورنده و دماهای متوسط استفاده می‌شوند. این نوع ترموول از لحاظ هزینه به‌صرفه‌تر است اما مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارد و برای شرایطی که نیاز به مقاومت بالا در برابر خوردگی نیست مناسب است.

ترموول  آلومینیومی (Aluminum Thermowell)

ترموول‌های آلومینیومی معمولاً در صنایع سبک و برای کاربردهایی که نیاز به وزن کم دارند استفاده می‌شوند. این ترموول‌ها معمولاً در دماهای پایین‌تر و شرایطی که مقاومت کمتری در برابر خوردگی نیاز است مناسب هستند.

ترموول تیتانیومی (Titanium Thermowell)

ترموول‌های تیتانیومی به‌خاطر مقاومت بالا در برابر خوردگی و دماهای بالا بسیار پرکاربرد هستند. این ترموول‌ها معمولاً در صنایع خاص مانند صنایع دریایی و صنایع شیمیایی که با مواد خورنده مواجه هستند، استفاده می‌شوند.

ترموول برنز (Bronze Thermowell)

ترموول‌های برنزی معمولاً برای شرایط دمایی و محیط‌های خورنده ملایم تا متوسط استفاده می‌شوند. این نوع ترموول‌ها در صنایع مختلف مانند نفت و گاز کاربرد دارند و مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند.

ترموول سیلیکونی (Silicon Thermowell)

این نوع ترموول برای محیط‌هایی که نیاز به مقاومت در برابر دماهای بسیار بالا دارند مناسب است. ترموول‌های سیلیکونی معمولاً در صنایع خاصی مانند صنایع الکترونیکی یا شیشه‌سازی به‌کار می‌روند.

ترموول سرامیکی (Ceramic Thermowell)

ترموول‌ سرامیکی، برای دماهای بسیار بالا و شرایط سخت طراحی شده‌ است. ترموول سرامیکی، معمولا در صنایعی مانند فولاد یا شیشه‌سازی، که دماهای بالاتر از حد معمول را دارند، استفاده می‌شود.

انتخاب صحیح جنس ترموول، بستگی به نوع کاربرد، شرایط محیطی، و الزامات فرآیندهای صنعتی مختلف دارد.

فاکتورهای مهم برای خرید بهترین ترموول

برای انتخاب بهترین ترموول، باید چندین فاکتور مهم را در نظر گرفت تا ترموول ابزار دقیق مناسب با نیازهای خاص فرآیند انتخاب شود. در ادامه، پنج فاکتور کلیدی برای انتخاب بهترین ترموول آورده شده است تا بهترین نتیجه را از ترموول برای محافظت از سنسورهای دما در اتوماسیون صنعتی داشته باشید:

شاید سوال باشد اتوماسیون صنعتی چیست؛ با مطالعه این مطلب می‌توانید  اطلاعات لازم را کسب کنید.

1. متریال ترموول (Thermowell Material)

جنس یا متریال ترموول باید با محیط فرآیند و شرایط کاری سازگار باشد. ترموول‌ها معمولاً از مواد مختلفی مانند استنلس استیل، کربن استیل، تیتانیوم، برنز یا سرامیک ساخته می‌شوند. انتخاب متریال ترموول مناسب، بستگی به عواملی مانند دما، فشار، و نوع مایع یا گاز در فرآیند دارد.

پرکاربردترین ترموول‌ها از متریال زیر تشکیل شده‌اند:

• استنلس استیل برای محیط‌های خورنده و دمای بالا مناسب است.

• کربن استیل برای کاربردهای با فشار و دمای متوسط استفاده می‌شود.

• تیتانیوم برای محیط‌های خورنده شدید و دماهای بالا انتخاب می‌شود.

• ترموول سرامیکی برای صنایعی که دماهای بالاتر از حد معمول را دارند، مانند صنایع فولاد یا شیشه‌سازی، مناسب است.

2. طول ترموول (Thermowell Length)

طول ترموول، که به‌طور معمول به‌عنوان طول غوطه‌وری یا "U" شناخته می‌شود؛ باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که نوک ترموول در معرض جریان فرآیند قرار گیرد. طول ترموول تاثیر زیادی بر دقت و زمان پاسخ‌دهی حسگر دما دارد. ترموول باید به اندازه کافی در داخل فرآیند فرو رود تا از تاثیرات نوسانات دما و تغییرات سریع جلوگیری کند.

3. نوع نصب (Installation Type)

نحوه نصب ترموول به فرآیند و سیستم لوله‌کشی یا مخزن بستگی دارد. انتخاب یکی از اتصالات ترموول مناسب، مانند رزوه‌ای، جوشی، فلنجی یا فشاری، بر اساس نوع سیستم و شرایط فرآیند بسیار مهم است.

• ترموول فلنجی برای نصب‌های با فشار بالا و در صنایع سنگین.

• رزوه‌ای برای نصب‌های ساده و سریع.

• جوشی برای اتصال مقاوم‌تر در شرایط دما و فشار بالا.

4. اندازه سوراخ ترموول (Bore Size)

اندازه سوراخ داخلی ترموول باید با قطر حسگر دما هماهنگ باشد. انتخاب صحیح اندازه سوراخ بر دقت اندازه‌گیری و واکنش حسگر به تغییرات دما تأثیر می‌گذارد. به‌طور معمول، سوراخ‌های ۰.۲۶۰ اینچ و ۰.۳۸۵ اینچ برای حسگرهای دما با قطرهای مشابه انتخاب می‌شوند.

5. مقاومت به خوردگی و شرایط محیطی (Corrosion Resistance and Environmental Conditions)

ترموول باید در برابر شرایط محیطی سخت مانند فشار، دما و مواد خورنده مقاوم باشد. برای انتخاب ترموول مناسب، باید توجه داشت که در کدام محیط‌های شیمیایی، دریایی یا صنعتی قرار خواهد گرفت و  اینکه آیا در معرض خوردگی، ارتعاشات یا شرایط شدید دمایی است ؟

• برای محیط‌های خورنده مانند صنایع شیمیایی، مواد مقاوم به خوردگی مانند استنلس استیل یا تیتانیوم انتخاب می‌شوند.

• برای دماهای بسیار بالا، انتخاب مواد خاصی که قادر به تحمل دماهای شدید باشند؛ مثل ترموول سرامیکی،  ضروری است.

نتیجه گیری

انتخاب بهترین ترموول برای هر فرآیند صنعتی به عوامل مختلفی بستگی دارد که باید به‌دقت بررسی شوند. جنس ترموول، طول مناسب، نوع نصب، اندازه سوراخ و مقاومت آن در برابر خوردگی و شرایط محیطی، پنج فاکتور کلیدی هستند که نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد صحیح و طول عمر ترموول دارند. 

هر کدام از این فاکتورها بسته به شرایط خاص فرآیند می‌توانند متفاوت باشند و باید به‌طور همزمان مدنظر قرار گیرند.

شما می‌توانید جهت استعلام قیمت ترموول و دیگر اتصالات ابزار دقیق به سایت آمازون ابزار مراجعه فرمایید.

سوالات پر تکرار

1. چرا از ترموول استفاده می‌کنیم؟

ترموول از سنسور در برابر تماس مستقیم با سیال فرآیندی محافظت می‌کند، عمر مفید سنسور را افزایش می‌دهد و امکان تعویض سنسور را بدون نیاز به توقف سیستم فراهم می‌سازد.

2. نشانه‌های خرابی ترموول چیست؟

• وجود ترک یا خوردگی روی بدنه ترموول

• مشاهده ناپایداری در خواندن دما

• افزایش ارتعاش یا ایجاد صدا در محل نصب

3. چگونه می‌توان از خرابی ترموول جلوگیری کرد؟

• انتخاب جنس مناسب بر اساس شرایط محیطی فرآیند

• انجام محاسبات فرکانس وِیک برای کاربردهای با جریان سیال بالا

• استفاده از روش‌های نصب صحیح برای کاهش تنش‌های مکانیکی

4. محاسبه فرکانس وِیک (Wake Frequency Calculation) چیست و چرا مهم است؟

محاسبه فرکانس وِیک (WFC) میزان خطر خرابی ترموول ناشی از ارتعاشات جریان سیال را تعیین می‌کند. این محاسبه ترموول، اطمینان می‌دهد که طراحی ترموول قادر به تحمل نیروهای ایجاد شده توسط جریان سیال است.