Prozesstemperaturen in Rohrleitungen nicht-invasiv messen

Es ist häufig herausfordernd, in Rohrleitungen die Temperatur zu messen. Schutzrohre, die in Rohrleitungen installiert werden, sind die gängigste Lösung, um die Prozesstemperatur zu bestimmen. Diese sind jedoch mit erheblichen Design-, Engineering-, Installations- und Wartungskosten verbunden. Im Vergleich dazu misst die Rosemount-X-well-Technologie von Emerson die Prozesstemperatur ohne ein Schutzrohr ebenso genau – und der Prozess muss für die Installation nicht heruntergefahren werden.

Schutzrohre

Schutzrohre werden in vielen verschiedenen Anwendungen wie Rohrleitungen, Wärmetauschern und Bohrlochköpfen in unterschiedlichen Industrien eingesetzt. Sie funktionieren als Barriere zwischen einem Prozessmedium und dem Fühler eines Temperaturmesssystems. Schutzrohre werden sorgfältig für bestimmte Bedingungen von Rohren und Prozessmedien konzipiert, um beispielsweise Korrosion oder Abrieb zu vermeiden. Um sicherzustellen, dass Schutzrohre diesen Bedingungen standhalten, führt ein Ingenieur normalerweise Wirbelfrequenz-Berechnungen durch.

Schutzrohre können aufgrund möglicher Leckagestellen sowie ihrer komplexen und zeitaufwendigen Auslegung und Installation problematisch sein. Zudem sind sie bei kleinen Leitungsgrößen nicht praktikabel und erfordern bei diesen Anwendungen oft erhebliche Änderungen an den Rohrleitungen. Um die Schutzrohre zu installieren, muss der Prozess abgeschaltet werden, was die Gesamtkosten über den Lebenszyklus in die Höhe treibt und den Durchsatz reduziert.

Für kleine Leitungsgrößen eignet sich die Rosemount-X-well-Technologie, da sie nicht-intrusiv ist und dadurch kein Rohranschluss erforderlich ist. Im direkten Vergleich hat diese neue Technologie eine ähnliche oder teilweise sogar bessere Leistung gezeigt, da ein Wärmeleitungsfehler des Schutzrohrschafts bei diesen Anwendungen mit kleinen Leitungsgrößen stärker ins Gewicht fällt.

Herkömmliche Oberflächenmessung

Mit den Temperaturmessungen an der Rohrleitungsoberfläche entfallen viele der mit Schutzrohren verbundenen Probleme, da sie nicht direkt mit dem Prozess in Berührung kommen müssen. Allerdings erreicht dieser Ansatz nicht die Messleistung einer intrusiven Schutzrohrinstallation.

Wenn eine genaue Temperaturmessung erforderlich ist, ist die Oberflächen-Temperaturmessung des Mediums im Inneren der Rohrleitung oft nicht präzise oder wiederholbar. Schwankende Umgebungstemperaturen können eine Oberflächenmessung erheblich beeinflussen und zu einem unvorhersehbaren Ergebnis führen.
Versuche, die Oberflächentemperatur zur Prozesstemperatur in Beziehung zu setzen, können ebenfalls problematisch sein. Sogar wenn die Oberflächen-Temperaturmessung durchgängig aufgrund eines erwarteten Temperaturabfalls durch eine Rohrleitung oder eine Behälterwand korrigiert wird, wird sie ungültig, wenn sich die Prozess- oder die Umgebungstemperatur ändern. Der Oberflächensensor und die damit verbundene Montage-Baugruppe können als „Kühlkörper“ dienen und Wärme entweder vom Prozess oder der äußeren Umgebung absorbieren. Die entstehenden Ungenauigkeiten ähneln denen von Wärmeleitungsfehlern in Schutzrohrinstallationen mit kleinen Leitungsgrößen.

Rohrleitungseigenschaften nutzen

Die Rosemount-X-well-Technologie nutzt die gemessenen Umgebungs- und Rohrleitungstemperaturen zusammen mit den Rohrleitungseigenschaften, die der Benutzer eingibt, um die Prozesstemperatur mit einem Wärmeleitfähigkeitsalgorithmus zu berechnen, den Emerson entwickelt hat.

Ohne Prozessanschluss entfallen mögliche Leckagestellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Oberflächen-Temperaturmessungen nutzt diese Messtechnologie sowohl die Oberflächen- als auch die Umgebungstemperatur, um die Prozesstemperatur zu bestimmen. Somit kann das Gerät Wärmeverluste von der Rohrleitung an die Umgebung berücksichtigen.

Die Auslegung einer Rosemount-X-well-Lösung erfordert nur drei grundlegende Parameter: Rohrdurchmesser, Schedule und Rohrmaterial. Diese Werte bestimmen die Wärmeleitfähigkeit und Stärke der Rohrleitung, die beide direkt in den Wärmestrom-Algorithmus des Gerätes einfließen. Diese Technologie ist mit kabelgebundenen 4 – 20-mA-Highway-Addressable-Remote-Transducer (Hart) und Wireless-Hart Ausgängen erhältlich. Die Wireless-Technologie ermöglicht eine schnellere Inbetriebnahme und vereinfacht späte Projektänderungen.

Diese Technologie zeigt bei Anwendungen mit sehr leitfähigen Rohrmaterialien, dünnen Wandungen der Rohrleitung, Prozessen mit Flüssigkeiten und hohen Durchflussraten das beste Ansprechverhalten. Aufgrund der verglichen mit Schutzrohren unter den meisten Bedingungen geringen Ansprechzeit ist diese Technologie nicht für den Einsatz in folgenden Bedingungen vorgesehen: Anwendungen mit Sicherheitskreisen, schneller Regelung oder eichpflichtigem Verkehr. Sie eignet sich für die meisten Temperaturüberwachungsanwendungen – insbesondere profitieren Anwendungen, die kleine Rohrleitungsgrößen, hohe Durchflussraten, schwere Partikel und exotische Materialien aufweisen und häufig gereinigt werden müssen.

Leistungsfaktoren beachten

Ändern sich die Eigenschaften der Rohrleitung oder des Behälters, beeinflusst dies die Leistung des Algorithmus. Dieser basiert auf einer bestimmten Auswahl von Parametern der Rohrleitungseigenschaften, und eine entsprechende Änderung wirkt sich auf die Genauigkeit aus. Ablagerungen in der Rohrleitung behindern deren Wärmeleitfähigkeit und wirken sich negativ auf die Genauigkeit der Berechnung der Temperaturmessung aus. Ebenso beeinflussen Ablagerungen an der Rohrleitungsaußenseite, am Berührungspunkt des Sensors, und eine abnehmende Rohrleitungsstärke die Genauigkeit. Das Bedienpersonal sollte Ablagerungen an der Außenseite des Rohres entfernen, um sicherzustellen, dass der Temperaturfühler einen guten direkten Kontakt zur Rohrleitungsoberfläche hat.

Können die abnehmende Rohrleitungsstärke oder die Ablagerungen bestimmt werden, so kann der Algorithmus manuell angepasst werden, um diese Faktoren zu berücksichtigen.

Weitere Leistungsfaktoren sind die ordnungsgemäße Durchmischung des Mediums und die Position des Sensors. Das Medium muss das Rohr ausreichend durchfließen, damit die Querschnittstemperatur einheitlich ist. Ansonsten kann es zu starken Temperaturgefällen in der Rohrleitung kommen. Darüber hinaus ist es wichtig, dass der Oberflächensensor mit dem Teil der Rohrleitung in Berührung kommt, der auch das Medium im Inneren berührt. Demnach muss der Sensor in der unteren Hälfte der Rohrleitung positioniert werden, wenn die Rohrleitung halb voll ist.

Universelle Rohrleitungshalterung

Der Sensor wird in eine universelle Rohrleitungshalterung mit einer passgenauen Schellenlösung eingesetzt. Vibrationen sowie Ausdehnung oder Kontraktion der Rohrleitung durch schwankende Prozesstemperaturen können die Messintegrität von statischen Montagelösungen beeinträchtigen. Die in die universelle Rohrleitungshalterung integrierte Federbaugruppe lässt zusammen mit dem gefederten Widerstandstemperaturfühler diese Schwankungen zu und ermöglicht einen soliden Kontakt mit der Rohrleitungsaußenseite – dadurch ist die Prozesstemperaturmessung zuverlässig und genau.

Durch das universelle Design kann das Bedienpersonal einen Vorrat an Geräten für den schnellen Einsatz bereithalten, falls in eventuellen Notfällen Messungen erforderlich sind. In diesen Fällen muss nur die Rohrleitungsgröße berücksichtigt werden. Dieser Umstand wird vereinfacht, indem eine herstellerunabhängige Rohrschelle, die für Leitungsgrößen bis 60 Zoll (DN1500) geeignet ist, eingesetzt wird. Diese Ausführung beinhaltet zudem abnehmbare Spannstangen, die die schnelle Montage und Demontage ermöglichen und gleichzeitig die Form der Schelle für den späteren Einsatz bewahren.

Durch die Vereinfachung von Temperaturmessungen werden die Sicherheit erhöht und die Kosten reduziert, insbesondere bei gefährlichen Prozessen. Mit zusätzlichen Messpunkten entsteht ein umfassenderer Überblick über den Gesamtprozess, und mögliche Problemstellen werden aufgezeigt, die anderenfalls so lange unerkannt bleiben würden, bis es zu einer teuren Prozessabschaltung käme.