由于热电偶套管位于过程环境和温度传感器之间，所以在大多数工业过程中，它对于精确、可靠和安全的温度测量至关重要。然而，选择正确的热电偶套管即困难又富有挑战。但是一旦你了解了选择依据，那么问题就会引刃而解控制工程网版权所有，实现温度测量系统的最佳性能也并非难事了。不仅如此，合理的选择还能够确保更长的服役时间、维护的便利性和过程完整性。
        为什么需要热电偶套管？
        温度传感器很少直接置于工业过程中。它们通常都被置于热电偶套管中，用来将其与流体张力、高压和腐蚀化学作用等有潜在伤害可能的过程条件隔离开来。热电偶套管是一根尾部密封的金属管，安装到过程容器或者管路中，与容器或者管路形成一体的气密结构。有了热电偶套管，在校准和替换时传感器就能够从过程环境中快速简单地抽出，无需停止过程也无需排空管路和容器中的过程介质。
        然而，这些好处的前提条件是热电偶套管选得对、安装得也对。热电偶套管通常定型并不明确，所以经常会发生机械尺寸不匹配的情况。它们会由于金属疲劳产生焊接处断裂、过高的弯折应力、过高压力、腐蚀或者磨损。热电偶套管选择得不对或者安装的不对也会导致温度测量失准。
        选择的步骤
        热电偶套管的合理选择包括多个需要根据具体应用场合来决定的参数，明确了这些参数才能够构建最优的温度测量。在为项目应用选择最佳设计的时候，必须对如下性能指标和过程条件进行考量。
        1.连接类型——热电偶套管是按照其与过程的连接类型来分类的。最常见的连接类型是螺纹、承插焊接和法兰连接。每一种连接类型都包含保护管部分或延长管部分CONTROL ENGINEERING China版权所有，插入过程环节的保护管可以是恒定直径控制工程网版权所有，也可以是从入口点到终端的锥形结构，还可以是部分锥形或者阶梯状结构（见图1）。

图1 选择合适的安装方法首先就要明确过程条件和可维护性。本文所有图片来源：Emerson Process Management

        螺纹热电偶护套通过螺纹旋入过程管线或者储罐，安装容易，拆除也容易。虽然这是一种最为常见的安装方法，但是它却是三个安装选择中压力等级最低的一种安装方案。螺纹连接也较容易发生泄漏，因此对于有毒、易爆或者腐蚀性材料的并不推荐使用这种连接方法。
        焊接热电偶套管是一种将热电偶套管永久性地焊接到过程管线或者储罐上的方法。相应地，套管移除时需要将其从系统中切除。焊接安装方法具有最高的压力等级，适用于那些较高流体速度、高温度或者具有极高压力的过程介质。在要求防止泄漏的应用场合推荐使用焊接方式。
        法兰热电偶套管使用螺栓将热电偶套管与已经焊接在过程管线或储罐上的匹配法兰连接在一起。他们提供较高的压力等级、便于安装且更换简便。法兰热电偶套管通常被应用于腐蚀性、高流速、高温度或者高压力的过程环境中。
        范斯通（Vanstone）连接/活套热电偶套管安装在对接法兰和活套法兰之间。这种热电偶套管允许使用不同材料的热电偶套管与过程介质和配套法兰接触，这节省了材料和生产加工成本。对于腐蚀性应用来说它们是不错的选择，因为没有焊点所以也就没有焊点腐蚀的问题。
        2.类型选择——第二个需要考虑的是热电偶套管类型。主要关注你的压力和流速需求。热电偶套管最为常见的加工方法是使用不同材料的棒料加工，外壳可能会涂覆其他材料以防侵蚀腐蚀。另一种类型是管状设计CONTROL ENGINEERING China版权所有，这种设计也被称为保护管。
        每一种类型都各有利弊。棒料热电偶套管能够比保护管热电偶套管承受更高的压力和更快速的介质流速。它们具有更多的材质选择，安装方式也灵活多变能够适应不同的过程压力需求。相反，管状热电偶保护管的压力等级更低，可选材料也更少。对于温度超过1200°C的应用场合，它们的材质通常是特种合金，例如铬镍铁合金。对于温度高达1800°C的应用场合，保护管材质是陶瓷。
        3.结构材质——针对给定应用选择热电偶套管的一个重要考量方面就是结构材质。选择了错误的材质通常会导致过早损坏。
        虽然热电偶套管的材质选择有很多种，但是最常用的还是316不锈钢、304不锈钢、蒙乃尔铜镍合金、铬镍铁合金和哈司特镍合金。还有一些其他特种合金用于极端用于极端应用场合。
        三个主要因素影响材质选择：
        ■ 热电偶套管对于与其接触的过程介质的化学兼容性；
        ■ 温度极限；
        ■ 与过程管线材质的兼容性，以确保实现牢固、耐腐蚀的焊接和连接。
        值得注意的是，热电偶套管最好参照过程管线或者容器的设计标准，以确保结构和材料的兼容性。
        热电偶套管的保护管型式
        保护管或者延长管是热电偶套管的一部分，这部分插入到过程管线中。常见的保护管型式是直型、阶梯式和锥形（见图2）。

图2 选择热电偶型式就是在强度和响应时间两者之间找到一个平衡点。增加金属用量能够增加耐久性但是会降低响应速度。

        选择保护管型式时需要考虑的因素包括：
        ■ 过程压力；
        ■ 所需的测量响应速度；
        ■ 流体在保护管插入点的阻力；
        ■ 涡流震颤效应。
        直型热电偶套管的整个插入长度都具有相同的直径。由于其插入过程介质中的体积最大，所以相比于具有同样根部直径的其他型式保护管具有更大的流体阻力。较大的末端直径也具有更高的热阻，所以降低了温度测量的响应速度。但是，这种型式的保护管具有最高的机械强度。
        阶梯式的热电偶套管由两段直壁组成，在末端段的直逼直径更小。相比于具有同样根部直径的直型热电偶套管，这种设计暴露于流体介质中的体积更小，因此流体阻力也更小，且由于使用了更少的末端导体，所以响应更加快速。
        锥形热电偶套管的直径从根部到末端逐渐减小。对于同样的根部直径，这种型式的热电偶套管在直型式和阶梯式两者之间做了平衡。流体阻力比直型管要小，但是比阶梯式要大。同样的，响应时间比直型管快但是比阶梯式管慢。锥形管热电偶套管具有两种类型，一种是统一锥度（从根部至末端统一锥度），另一种是非统一锥度（根部是直型末端是锥形）。由于其外形结构的特点，它的强度也在其他两种型式之间取得了平衡。对于高速流体应用场合通常采用锥形热电偶套管，因为这种应用条件下的流体阻力对于阶梯式热电偶套管来说过大，而锥形管设计的响应时间又比直型管要快，因此它在强度和响应速度上达到了最佳平衡。
        故障考量
        热电偶套管损坏经常源自如下原因：高流体阻力、过高的静态压力、高温、腐蚀和流体激振。
        大多数热电偶套管损坏是由流体激振引起的。当流体流经插入到管线中的热电偶套管时，会在两边产生高压和低压漩涡，这些漩涡会发生分离，一开始从一边向另一边，然后以交互的方式从反方向发散（见图3）。

图3 由流体激振导致的金属疲劳会最终损坏热电偶套管。

        这种现象一般被称为漩涡脱落。这种交互的漩涡会产生差压，在热电偶套管上产生交变力，在横向和轴向上产生应力，最终会造成热电偶套管的损坏。振动频率就是所谓的唤醒频率，热电偶套管生产厂商应该提供热电偶套管计算以预防热电偶失效的可能。关于热电偶套管计算的最佳标准是ASME PTC 19.3TW-2010。
        响应时间考量
        在使用热电偶套管时，相比于响应速度较慢的测量系统来说，传感器本身的响应速度几乎是瞬时的。热电偶套管的质量远远超过了传感器的质量控制工程网版权所有，所以对于测量响应速度，热电偶套管的性能占据主导地位。
        关于选择合适的传感器和热电偶套管组件以及它们的安装方式有很多因素，最终目的都是实现最佳的整体响应时间和测温精度。
        适合的才是最好的
        为你的温度测量系统选择合适的热电偶套管需要做很多方面的考量。与其他仪表的有效应用类似，系统设计工程师必须在项目之初就搜集所有相关的过程信息和性能预期。要想搭建同时具备最佳性能和最低成本的系统，设计工程师就必须使用这些信息来选择合适的热电偶套管以及合适的传感器和变送器。每一种组件的选择都有规律可循。