Hur en temperaturgivare är uppbyggd

Utseendet på temperaturgivare är väldigt varierande på grund av att förutsättningarna ser så olika ut från applikation till applikation. Det går därför inte att säga att det finns ett standardutseende för alla temperaturgivare. Man kan däremot prata om ett standardutförande på insticksgivare som oftast utgår från en mätinsats som tillsammans med ett kopplingshuvud, halsrör och skyddsficka bildar ett komplett instrument.

Uppbyggnad av temperaturgivare

Mätinsats

Den centrala delen i en mätinsats är själva mätelementet. Mätelementen är baserade på metaller eller kombinationer av metaller vars egenskap är att inta ett givet motståndsvärde för varje given temperatur. Valet av mätelement görs utifrån de förutsättningar som råder i varje applikation. Eftersom det är små elektriska signaler som mäts är mätelementets utsignal känslig för dålig ledarisolation och elektriska störningar. För att skydda och säkerställa mätelementens prestanda monteras de i mineralisolerad kabel (förkortat MI-kabel). Den består av enkla ledare i ett tunt metallrör med hårt packat magnesiumoxid som isolering. MI-kabeln är vanligast i diametrarna 3 och 6 mm och med en anslutningsplint eller transmitter i den ena änden. Pt100 och standardiserade termoelement är de vanligaste mätelementen.

En enklare form av mätinsats är att föra ner ett trådanslutet mätelement i ett bottnat rör med termisk pasta i botten. Den termiska pastan ger en förbättrad termisk överföring i spetsen. Denna metod har dock ett begränsat användningsområde p.g.a. snävare mätområde men ger generellt god hållbarhet mot mekanisk belastning som vibrationer och chock.

I temperaturgivare utsatta för tryck eller böjbelastning skall tilledarna ges största möjliga rörelsefrihet för att därigenom förhindra överföring av belastningen.

Mätmotstånd av platina är antingen trådlindade (1) eller, såsom allt oftare är fallet, i tunnfilmsutförande (2).
Mätmotstånd av platina är antingen trådlindade (1) eller, såsom allt oftare är fallet, i tunnfilmsutförande (2).

Visste du att!
KROHNE INOR’s mätinsatser är normalt baserad på MI-kabel förutom givare med termoelement typ S, R eller B då keramikrör används för att bygga upp mätinsatsen. KROHNE INOR’s infästning av Pt100-elementet i mätinsatsen är unik. Genom att fylla upp med isolationsmaterial säkerställs god isolering och att elementet inte kan röra sig.

Uppbyggnad av mantelkabel

Kopplingshuvud

Kopplingshuvudet är till för att skydda anslutningsplinten eller omvandlaren från t.ex. fukt och damm från den omgivande miljön. När man väljer kopplingshuvud är det flera viktiga aspekter man bör ha i åtanke. En viktig faktor är materialvalet. Vanligtvis är huvudena gjutna i aluminium och pulverlackerade för att inte vara för tunga. För mätpunkter utomhus i tuffa miljöer som till havs eller ute i öken med sandstormar rekommenderas ofta kopplingshuvuden gjutna i stål. I syrahaltiga miljöer är det vanligt med plasthuvud för att undvika korrosion. Den invändiga diametern i ett kopplingshuvud är standardiserad och benämns form A eller B men det finns också en mindre typ med benämningen M.

Lockets utformning och hur det fästs på huvudet är en annan viktig aspekt när man väljer kopplingshuvud. Om man t.ex. regelbundet behöver komma åt de inre delarna väljs ofta ett huvud med ett lock som sitter fast med gångjärn. Vill man ha ett vattentätt alternativ väljer man snarare ett lock som skruvas på. I de fall där det efterfrågas display i huvudet väljs ett kopplingshuvud med fönster i locket.

Olika typer av kopplingshuvud

Angivet värde för IP-klass är vad som högst kan åstadkommas. För att nå de högre IP-klasserna krävs extra tätning mellan kopplingshuvud och halsrör och motsvarande kabelförskruvningar.

Se vårt utbud av kopplingshuvuden

Halsrör

Halsrör används främst för att distansera kopplingshuvudet från processen, antingen för att det blir för varmt p.g.a. av hög processtemperatur eller för att få inkopplingspunkten utanför isoleringen runt tank eller rör. Halsrör vill man att i de flesta fall ska vara tunnväggiga metallrör för att minimera den termiska shuntningen längs med röret. Halsrören får dock inte göras för långa eftersom vibrationer från processen kan knäcka dem, speciellt vid användning av tunga kopplingshuvud.

Längd på halsrör
HL = Halsrörslängd
Uppvärmning i kopplingshuvud

1. Processtemperatur +220°C
2. Processtemperatur +400°C
3. Processtemperatur +570°C
4. Temperatur i kopplingshuvuddet
5. Längd på halsröret

OBS! Diagrammet visar endast temperaturökningen. Omgivningstemperaturen måste läggas till detta.

Processanslutning

Den enklaste infästningen av temperaturgivare fås då skyddsrör spänns fast i processen med hjälp av en klämförskruvning se fig. 1 nedan. Fördelen är man kan justera instickslängden i efterhand och minimera antalet längder i lager. Vill man kunna justera instickslängden så väljer man tätning med PTFE eller fiber, vill man klara höga tryck så väljer man tätning med skärring i stål (vars läge inte kan justeras i efterhand)

Olika typer av processanslutningar

Genom att svetsa fast en gängad svetsstos, fig 1 & 2 ovan, kan givaren skruvas fast i processen. För inskruvningsgivare, fig 2, måste man bestämma instickslängd i förväg. Normalt används gängor enligt ISO 228 G1/2 eller ASME B1.20.1 1/2 -14 NPT för inskruvningsgivare. Andra gängor kan naturligtvis levereras.

Ett alternativ är flänsförband som bultas mot en motfläns, fig 3.

Vid riktigt höga tryck svetsas skyddsfickan direkt in i tanken/röret eller via en svetsstos, fig 4. Detta medför dock en hel del arbete vid eventuellt byte.

När det gäller egenfrekvensberäkningar är instickslängden beräknat från fästpunkten dvs flänsen/bussningen och neråt och alltså inte bara den del som sticker in i röret och exponeras för flödet.

Skyddsrör/Skyddsficka

Mätinsatsen ensam är fullt tillräcklig om det är lufttemperatur som ska mätas. Om det däremot är aggressiva gaser eller vätskor, snabba flöden eller höga tryck behöver vi skydda insatsen med ett skyddsrör eller skyddsficka. Vad som styr utformningen av skyddsröret/skyddsfickan är förutsättningar som råder vid mätpunkten.

Nedan är några exempel på vad som styr valet av skyddsrör/skyddsficka:

Skyddsrörsförluster

Skyddsrörsförluster uppstår när skyddsröret förbinder en varm zon med en kallare zon. Metall som har en god termisk ledningsförmåga kommer att leda ut värmen via röret och kyla mätspetsen. Det leder till att givaren kommer att visa ett för lågt värde. Detta fel blir större desto kortare skyddsrör vi använder. För att minska mätfelet bör man därför använda en tillräckligt lång instickslängd. Instickslängder på minst 10x spetsens diameter brukar normalt vara tillräckligt.

Skyddsrörsförluster uppstår när skyddsröret förbinder en varm zon med en kallare zon.
Skyddsrörsförluster uppstår när skyddsröret förbinder en varm zon med en kallare zon.

Smalare processrör

Vid de fall där processrören är smalare än önskad instickslängd kan man använda ett T-rör, vilket möjliggör längre instick i huvudflödet än om man väljer vinkelrät montering på processröret. Det gör att det kan användas tunnare rör för givarens skyddsrör vilket minskar den termiska ledningsförmågan längs med skyddsröret.

Montering av givare med T-rör
Montering av givare med T-rör

Svarstider

En del applikationer ställer också krav på hur snabbt temperaturgivaren måste svara på temperaturförändringar. Svarstider mäts i hur lång tid det tar för temperaturen att nå 50 % eller 90 % av temperaturförändringen. Eftersom mätelementet mäter sin egen temperatur så beror svarstiden på hur mycket massa som behöver värmas upp kring mätelementet. Desto mer massa, desto längre svarstid. Alltså skall man försöka göra skyddsrören så smala som möjligt. I de fall där mekaniska belastning inte tillåter det bör man se till att den termiska ledningsförmågan mellan element och media är optimal. Bäst effekt får man genom att minimera luftspalten mellan insatsen och skyddsröret.

Svarstider för temperaturgivare
Svarstid för temperaturgivare vid temperaturförändring

Visste du att!

Med KROHNE INOR’s speciella konstruktion med anpassningshylsa i skyddsrörets spets minimeras luftspalten mellan insats och skyddsrörets väggar så en snabbare svarstid kan uppnås. I vätskor kan svarstiden till och med halveras.

Konstruktionen med anpassningshylsan medför även att vibrationståligheten förbättras avsevärt. Mätinsatsen förhindras effektivt att slå mot skyddsrörets innerväggar och risken för brott i givarens ledningar minimeras. Givarens livslängd förlängs och mätsäkerheten höjs.

Skyddsrör med anpassningshylsa
1) Industristandard, 2) KROHNE INOR standard

Mekanisk belastning

Skyddsröret utsätts för olika slitage beroende på applikation. Tryck, vibrationer, böjning och blästring är några av de vanligaste mekaniska belastningarna temperaturgivare utsätts för.

Tryck och böjning

Mätmotstånd, utsatta för tryck eller böjning, ändrar motståndsvärdet mer eller mindre beroende på konstruktionen. Förändringen blir större ju fastare förbindningen mellan motståndsmetallen och dess stomme är. En temperaturgivare måste därför konstrueras så att belastningar inte överförs till mätmotståndet.

Mekanisk belastning på givare i process

Vibrationer

Kraftiga vibrationer kan leda till avbrott på interna ledare, skyddsrör och halsrör. I skaksäkra motståndsgivare måste därför de interna ledarna ges minsta möjliga rörelsefrihet.

Givarbrott - T.ex. bruten ledare
Givarbrott - På grund av bruten ledare

Svängningar

När en vätska eller en gas passerar ett skyddsrör bryts flödet och skapar virvlar runt röret. Detta leder till ett pulserande undertryck som böjer röret tills dess rörets elasticitet drar det tillbaka och det skapas en svängning. Om svängningens frekvens är samma som skyddsrörets egenfrekvens kommer rörspetsen att svänga så kraftigt att röret till sist går av. Även om skyddsröret inte knäcks kan detta påverka mätelementet temporärt eller permanent.

Det finns två olika standarder för hur egenfrekvensen beräknas, DIN 43772 och ASME 19.3, varav den sista är den vanligast förekommande. Ett sätt att minska effekten av flödet är att sätta skyddsfickan i en rörböj så att spetsen pekar mot flödet. Om det inte går kan den monteras i vinkel mot flödet. Att välja kortare längd eller ändra diameter och form kan även det ge positiva resultat. KROHNE INOR har de senaste verktygen för att beräkna om skyddsfickans dimensioner är tillräcklig för applikationen och kan ge rekommendationer hur fickan skall utformas för att klara dessa påfrestningar.

Böjning av temperaturgivare

Blästring

Blästring är vanligt förekommande i rökkanaler med höga flöden. Hårda partiklar träffar ytan på skyddsfickan vilket slipar ner ytan så att den till sist får hål. Detta går att minimera genom att välja ett slitstarkare material för skyddsfickan eller genom att belägga ytan på skyddsfickan med ett slitstarkt ytskikt.

Hög temperatur

Glödskal bildas när metall utsätts för hög temperatur i syrerik miljö. Ett oxidskikt som spricker och till sist flagnar av vilket försvagar skyddsröret. Detta åtgärdas enklast genom att välja en skyddsficka av högtemperaturstål eller av keramiskt material.