ترموول چیست و چه کاربردی دارد؟

ترموول یک تجهیزی است که برای حفاظت از سنسورهای دما به دلیل قطر کوچک سنسورها استفاده می‌شود. این روش در اندازه‌گیری دقیق دما مورد استفاده قرار می‌گیرد و باعث جلوگیری از تخریب سریع سنسورها می‌شود.

بطور کلی، ترموول یک لوله مقاومتی است که سنسور دما درون آن قرار می‌گیرد. این لوله معمولاً از جنس فلزی مانند استنلس استیل ساخته می‌شود و قادر است دمای فرآیند را به‌طور مستقیم از سنسور دما به دستگاه اندازه‌گیری منتقل کند.

عملکرد ترموول به این صورت است که لوله حفاظتی دما، سنسور را از سیال جدا می‌کند. در نتیجه، سنسور دما تحت تأثیر مستقیم جریان فرآیند قرار نمی‌گیرد و از تخریب سریع جلوگیری می‌کند. به علاوه، ترموول قادر است از جریان فرآیندی که ممکن است دارای اثرات غیرمطلوب بر روی سنسور دما باشد، جداسازی ایجاد کند.

انواع ترموول از نظر شکل ظاهری

انواع ترموول از لحاظ شکل ظاهری به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

1. ترموول صاف (straight thermowell):

در این نوع ترموول، قسمت غوطه‌وری ترموول در تمام طول آن یکسان است و دارای حفاظت خوبی در برابر سرعت زیاد سیال  می‌باشد ولی باعث ایجاد افت فشار بیشتر و در نتیجه جریان های گردابی بیشتر می شود. 

2. ترموول مخروطی (tapered thermowell):

در ترموول مخروطی، به محض نزدیک شدن به نوک انتهایی ترموول، قطر آن کاهش می‌یابد. این نوع ترموول‌ها در مواردی که سرعت عبور سیال بسیار بالا باشد، استفاده می‌شوند. به‌طور معمول، ترموول مخروطی برای سیالات مایع با سرعت بیشتر از 5 متر بر ثانیه و سیالات گازی با سرعت بیشتر از 15 متر بر ثانیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است این روش نسبت به حالت صاف باعث ایجاد جریان گردابی کمتر و در نتیجه  افت فشار کمتری می شود.

3. ترموول پله‌ای (stepped thermowell):

ترموول پله‌ای دارای کمترین قطر در قسمت نوک غوطه‌وری است و باعث ایجاد پاسخ زمانی سریع می‌شود. در ترموول پله‌ای، قطر ترموول در طول آن به شکل پله‌ای تغییر می‌کند. این نوع روش در جاهایی که سرعت سیال مدنظر نیست بکار می رود.

انواع ترموول از لحاظ روش نصب

ترموول در واقع یک اتصال استوانه‌ای است که برای محافظت از سنسور دما نصب می‌شود. ترموول دارای یک انتهای بسته و یک انتهای باز است. انتهای بسته ترموول در جریان فرایند قرار می‌گیرد، در حالی که حسگر دما که می‌تواند یک ترموکوپل، سنسور مقاومتی یا دماسنج باشد، درون انتهای باز ترموول قرار می‌گیرد.

علاوه بر این، سنسورهای دما معمولاً توسط فنر به ترموول نصب می‌شوند تا اتصال محکمی بین سنسور و ترموول ایجاد شود. انتهای باز ترموول معمولاً در هوای آزاد خارج از لوله‌کشی فرایند قرار می‌گیرد. این طراحی به این معنی است که در صورت خرابی سنسور، می‌توان آن را به راحتی و بدون نیاز به تخلیه مخزن یا لوله تعویض کرد. با توجه به این توضیحات در ادامه انواع ترموول‌ها از لحاظ روش نصب بر روی مخزن یا پایپ را ارائه می دهیم.

1. ترموول اتصال رزوه‌ای یا دنده‌ای (Threaded or Screwed Thermowell):

در این نوع ترموول، قسمت پایه‌ای ترموول دارای رزوه یا دنده است که به داخل یک لوله یا تجهیزات دیگر با استفاده از پیچ و مهره متصل می‌شود. و در جاهای بکار می رود که فشار سیال پایین است.

2. ترموول اتصال فلنجی (Flanged Thermowell):

در این نوع ترموول، قسمت پایه‌ای ترموول دارای فلنج است که به داخل یک فلنج واقع در لوله یا تجهیزات دیگر متصل می‌شود. این مدل از ترمول برای فشارهایی که دارای کلاس بالاتر از 300 می باشند بکار می رود.

3. ترموول اتصال جوشی (Weld-in Thermowell):

در این نوع ترموول، قسمت پایه‌ای ترموول به لوله یا تجهیزات دیگر با استفاده از روش جوشکاری متصل می‌شود. این روش نصب شامل جوشکاری ترموول به سطح لوله یا تجهیزات با استفاده از روش‌های جوشکاری مناسب است.

ساختار ترموول

با توجه به استاندارد ASME PTC 19.3 TW، قسمت‌های مختلف ترموول به شرح زیر هستند: 

1. B: قطر داخلی ترموول (Bore Diameter): این قسمت قطر داخلی استوانه ترموول را نشان می‌دهد. قطر داخلی ترموول معمولاً با اندازه‌گیری قطر داخلی لوله یا تجهیزاتی که ترموول در آن نصب می‌شود، تطابق دارد.

2. E: ضخامت نوک ترموول (Tip Thickness): این قسمت ضخامت نوک ترموول را نشان می‌دهد. ضخامت نوک ترموول برای محافظت از سنسور دما در شرایط فرایندی مختلف باید مناسب باشد.

3. Q: قطر پایه (Shank Diameter): قطر قسمت پایه ترموول را نشان می‌دهد. این قسمت ترموول است که به لوله یا تجهیزات دیگر متصل می‌شود.

4. S: عمق داخلی ترموول (Insertion Length): این قسمت عمق داخلی ترموول را نشان می‌دهد، به عبارت دیگر طول استوانه ترموول.

5. T: طول الحاقی (Extension Length): این قسمت طول الحاقی ترموول را نشان می‌دهد. طول الحاقی به ترموول اضافه می‌شود تا به سنسور دما دسترسی آسان‌تری داشته باشد.

6. U: طول فرو رفتگی (Immersion Length): این قسمت طول قسمت فرو رفته ترموول را نشان می‌دهد. قسمت فرو رفته ترموول در جریان فرایند قرار می‌گیرد و به سنسور دما اجازه می‌دهد در دمای محیط فرایند قرار بگیرد و دقت بیشتری در اندازه‌گیری دما داشته باشد.

7. V: قطر نوک ترموول (Tip Diameter): این قسمت قطر نوک ترموول را نشان می‌دهد. قطر نوک ترموول بسته به نوع سنسور دما و نیازهای فرایند متغیر است.

 
طول ترموولدر طراحی ترموول، طول آن باید با دقت مورد بررسی قرار گیرد و به نیازهای فرآیند و شرایط محیطی مرتبط با آن منطبق باشد. در واقع، طول ترموول به عوامل زیر بستگی دارد:

۱. نوع فرآیند: در فرآیندهایی که سرعت جریان مایع بالا و تشدید صوتی وجود دارد، طول ترموول باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در این حالت، استفاده از ترموول‌های طویل ممکن است به عواملی مانند تشدید صوتی، افت فشار و ضربه‌های جریانی منجر شود که ممکن است به آسیب و خرابی ترموول و سنسور دما منجر شود.

۲. خواص مایع: خواص فیزیکی مایع مانند لزوجت و چگالی نیز بر طول ترموول تأثیر می‌گذارند. در صورتی که مایع دارای خواصی باشد که می‌تواند باعث ایجاد مشکلات مانند تراکم جریان در طول ترموول شود، طول ترموول باید به طور متناسب با این خواص تعیین شود.

۳. مقاومت مکانیکی ترموول: ترموول باید قادر باشد در برابر فشار و انواع نیروهای مکانیکی مقاومت کند. در نتیجه، طول ترموول باید به گونه‌ای تعیین شود که بتواند با شرایط مکانیکی مرتبط با فرآیند سازگاری داشته باشد.

جنس ترموول

مواد استفاده شده در ساخت ترموول ها بستگی به شرایط کاری، خواص مورد نیاز و محیط فرآیند دارد. در ادامه لیستی از مواد استفاده شده در ساخت ترموول ها آورده شده است:

1. استنلس استیل: استنلس استیل به عنوان یکی از مواد پرکاربرد در ساخت ترموول ها استفاده می شود. این ماده دارای مقاومت خوب در برابر خوردگی و مقاومت مکانیکی مناسب است.

2. کروم-مولیبدن استیل: این ماده نیز در شرایطی که خوردگی و عوامل شیمیایی قوی تر وجود دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. کروم-مولیبدن استیل دارای مقاومت بهتر در برابر خوردگی و حرارت بالا است.

3. سیلیکون برنز: سیلیکون برنز به عنوان یک ماده با مقاومت خوب در برابر خوردگی و حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده برای شرایط خاصی مانند تماس با مایعات خاص یا در دماهای بالا مناسب است.

4. مونل: مونل یک آلیاژ نیکل-کبالت است که دارای مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی و حرارت است. این ماده در شرایطی که نیاز به مقاومت فوق‌العاده در برابر خوردگی و حرارت داریم، استفاده می‌شود.

5. نیمل: نیمل نیز یک آلیاژ نیکل-کروم است که دارای خواص مشابه مونل است. این ماده برای شرایط کاری با دماهای بالا و خوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

6. تیتانیوم: تیتانیوم به عنوان یک ماده سبک با مقاومت بالا در برابر خوردگی و حرارت استفاده می‌شود. این ماده برای شرایط خاصی مانند محیط های خورنده و دماهای بالا مناسب است.

همچنین، در برخی شرایط خاص مانند دماهای بسیار بالا یا محیط های خاص، ممکن است از موادی مانند سرامیک یا سیلیکون کار برای ساخت ترموول استفاده شود.

در هر صورت، انتخاب جنس مناسب برای ترموول بسیار مهم است و باید با توجه به خواص فرآیند و شرایط کاری صورت گیرد. همچنین، استانداردها و راهنماهای مربوطه نیز باید در انتخاب جنس ترموول رعایت شوند.

کاربردهای ترموول

ترموولها برای کاربردهای متعددی استفاده می‌شوند، به ویژه در مواردی که نیاز به اندازه‌گیری دما و حفظ عمر مفید سنسورهای دما وجود دارد. یکی از مزایای استفاده از ترموولها این است که طول عمر سنسورهای دمایی را افزایش می‌دهند. زیرا ترموولها به عنوان میانجی حرارتی بین سنسور و محیط عمل می‌کنند و سنسور را از شرایط مستقیم محیط جدا می‌کنند. این باعث می‌شود که سنسور به تماس مستقیم با شرایط سخت محیطی، مانند فشار، رطوبت یا مواد شیمیایی، نیافتد و در نتیجه عمر مفید آن را بالا برود.

در ضمن، استفاده از ترموولها باعث می‌شود که تعمیر و نگهداری سنسورهای دمایی ساده‌تر شود. زیرا در صورت خرابی یا نیاز به تعویض سنسور، کافی است ترموول را جدا کرده و سنسور جدید را نصب کنید، بدون اینکه نیاز به تداخل با محیط عمل داشته باشید. این امر به عنوان یکی از مزایای عمده ترموولها مطرح می‌شود، زیرا کاهش نیاز به آب‌بندی مجدد روزنه نصب ترموکوپل را ممکن می‌سازد و در نتیجه هزینه و زمان مورد نیاز برای تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد.

با این حال، استفاده از ترموولها ممکن است در دقت و پاسخ سنسورها کاهشی ایجاد کند. اما خطای اندازه‌گیری توسط ترموولها به طور کلی کمتر از 1 درصد است که در بسیاری از برنامه‌های کاربردی قابل قبول است.

بنابراین، ترموولها به عنوان یک راه حل موثر برای کاهش خطرات و مشکلات مرتبط با تعمیر و نگهداری سنسورهای دمایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در مواردی مانند تانک‌های روغن، استفاده از ترموولها می‌تواند به راحتی و بدون نیاز به تداخل با محیط، تعویض سنسورها را امکان‌پذیر کند.

نتیجه گیری

ترموول یک وسیله محافظتی است که برای حفاظت از حسگر دما در برابر تأثیرات مخرب محیط فرآیند استفاده می‌شود. تمام دستگاه‌های حسگر دما، از جمله ترموکوپل، ترمیستور، RTD و غیره در برابر جریان، حرارت و فشار قابل آسیب‌پذیری هستند.

محیط‌های سخت پردازشی می‌توانند عملکرد و ساختار سنسور را تحت تأثیر قرار داده و آنها را تضعیف کنند. برخی از مواد استفاده شده در ساخت حسگرها، مانند فلزات استفاده شده در ترموکوپل، در برابر محیط‌های خورنده حساس هستند و ممکن است آسیب ببینند. 

استفاده از ترموول به عنوان یک محافظ برای حسگر دما، از انحراف در اندازه‌گیری جلوگیری می‌کند. ترموول به حسگر اجازه می‌دهد تا درون محیط فرآیند غوطه ور شده و از تأثیرات مخرب محیط، مانند جریان، حرارت و فشار، محافظت شود.

برای حفظ دقت اندازه‌گیری دما در فرآیندهای حیاتی، تمام داده‌های دما باید با استفاده از دستگاه‌های ثبت مانند کنترل‌کننده‌های دما مستندسازی شوند. همچنین، حسگرهای دما مورد استفاده در این فرآیندها باید به صورت دوره‌ای کالیبره شوند تا دقت آنها تأیید شود.

در کالیبراسیون حسگرهای دما، استفاده از کالیبراتورهای خشک بلوک پروب با کالیبراسیون قابل ردیابی NIST برای ترمیستور، ترموکوپل و RTD پیشنهاد می‌شود. همچنین، تجهیزات بدون تماس مانند دوربین‌های حرارتی و پیرومترها، کالیبراتورهای بدنه سیاه مادون قرمز را با دقت 1 درصد، اما با تکرارپذیری بالا، فراهم می‌کنند.