В чем разница между биметаллическим термометром и термометром давления?

Измерение температуры в промышленности, технологических процессах и машиностроении основано на нескольких фундаментально различных физических принципах, и выбор неправильного типа прибора для конкретного применения может привести к низкой точности, преждевременному выходу из строя, угрозе безопасности или ненужным затратам. Два наиболее широко распространенных типа механических термометров — биметаллический термометр и термометр давления (также называемый термометром с газовым приводом или термометром с заполненной системой) — часто сравнивают напрямую, поскольку оба являются автономными приборами с локальным считыванием, не требующими внешнего источника питания. Но их принципы работы, конструкция, эксплуатационные характеристики и идеальное применение различаются важными и практически значимыми способами. В этой статье подробно рассматриваются оба типа приборов, чтобы помочь инженерам, операторам предприятий и специалистам по закупкам сделать осознанный выбор.

Как работает биметаллический термометр

А биметаллический термометр работает по принципу дифференциального теплового расширения между двумя разнородными металлами, постоянно связанными вместе по своей длине. Когда композитная полоса нагревается или охлаждается, два металла расширяются или сжимаются с разной скоростью — в зависимости от их соответствующих коэффициентов теплового расширения — в результате чего склеенная полоса изгибается пропорционально изменению температуры. Путем намотки этой биметаллической ленты в спиральную или спиральную катушку и соединения одного конца с фиксированным анкером, в то время как другой конец приводит в действие указатель через механическую связь, вращательное движение конца катушки преобразуется в отклонение указателя по калиброванной шкале.

В биметаллических термометрах чаще всего используется инвар (сплав никеля и железа с чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения), соединенный со сплавом с высоким расширением, таким как латунь, медь или нержавеющая сталь. Почти нулевая скорость расширения инвара максимизирует дифференциальное движение при заданном изменении температуры, улучшая чувствительность и диапазон шкалы. Форма спиральной катушки предпочтительнее простой плоской спирали в циферблатных термометрах, поскольку она позволяет использовать более длинный биметаллический элемент при компактном диаметре стержня, увеличивая угол поворота на градус изменения температуры и, следовательно, улучшая читаемость и точность.

Чувствительный элемент — спиральная биметаллическая катушка — помещен в защитную защитную гильзу или погружной стержень, который вставлен в измеряемую технологическую среду. Шток передает тепло от среды к биметаллическому элементу, защищая его от прямого контакта с жидкостью. Циферблат, содержащий указатель, шкалу и иногда защитное окошко, установлен в верхней части штока и напрямую считывает температуру. Никакого электропитания, внешнего формирования сигнала или оборудования дистанционного считывания не требуется — вся цепь измерения и индикации является механической.

Как работает термометр давления

А pressure thermometer — more precisely described as a filled thermal system or vapor-pressure thermometer — operates on an entirely different physical principle. A sealed system consisting of a bulb (the sensing element), a capillary tube, and a Bourdon tube pressure element is filled with a temperature-sensitive substance — either a gas, a liquid, a vapor, or a combination — and hermetically sealed. When the bulb is exposed to the process temperature, the filling medium expands (in liquid-filled and gas-filled systems) or generates a characteristic vapor pressure (in vapor-pressure systems), increasing the pressure throughout the sealed system. The Bourdon tube at the instrument end responds to this pressure change by straightening slightly, driving a pointer through a mechanical linkage to indicate temperature on a calibrated scale.

Классификация SAMA (Ассоциация производителей научного оборудования) разделяет заполненные тепловые системы на четыре класса в зависимости от наполняющей среды. В системах класса I используется жидкий наполнитель (обычно силиконовое масло или ртуть в устаревших приборах), в системах класса II используется наполнитель под давлением пара (смесь жидкость-пар, которая использует кривую насыщения наполняющей жидкости), в системах класса III используется газовый наполнитель (обычно азот), а в системах класса V используется ртуть. Каждый класс имеет разные температурные диапазоны, требования к компенсации температуры окружающей среды и характеристики точности, но все они имеют общую особенность: удаленную лампу, соединенную капилляром с показывающей головкой, — функцию, которая позволяет физически разделить точку измерения и точку считывания на расстоянии до нескольких метров.

Ключевые структурные и эксплуатационные различия

Хотя оба прибора обеспечивают локальное механическое измерение температуры без внешнего питания, их внутренняя конструкция создает значительные эксплуатационные различия, которые напрямую влияют на их пригодность для различных применений.

Расположение чувствительного элемента и дистанционное считывание

В биметаллическом термометре чувствительный элемент (биметаллическая катушка) расположен внутри стержня прибора, непосредственно под головкой шкалы. Поэтому шкала должна располагаться в точке измерения или очень близко к ней — обычно в пределах нескольких сантиметров от технологического присоединения. Это ограничивает использование биметаллических термометров приложениями, в которых прямой доступ к точке измерения для снятия показаний практичен и безопасен. Напротив, термометр давления отделяет колбу (чувствительный элемент) от показывающей головки посредством капиллярной трубки, которую можно провести вокруг препятствий, сквозь стены или на значительные расстояния. Возможность удаленного считывания делает термометры давления незаменимыми в приложениях, где точка измерения физически недоступна, в опасных местах, на большой высоте или где персонал не должен приближаться к процессу во время работы.

Время ответа

Биметаллические термометры имеют относительно медленный тепловой отклик по сравнению с другими типами датчиков температуры, поскольку тепло должно передаваться от технологической жидкости через стенку защитной гильзы в биметаллический элемент, прежде чем показания изменятся. Время отклика обычно находится в диапазоне 30–120 секунд и достигает 90 % ступенчатого изменения температуры процесса, в зависимости от диаметра штока, материала защитной гильзы и скорости технологической жидкости. Термометры давления с большими колбами, погруженными непосредственно в технологическую жидкость, имеют несколько более быстрый отклик для систем, заполненных жидкостью, хотя капилляр вносит небольшую дополнительную задержку. Ни один из типов приборов не подходит для приложений, требующих быстрого отслеживания температуры — электронные датчики, такие как термопары или термометры сопротивления с тонкостенными защитными гильзами, работают намного быстрее.

Аmbient Temperature Compensation

А significant practical difference between the two instrument types is their sensitivity to ambient temperature at the instrument head. Bimetal thermometers, because their entire sensing element is at the process temperature, are not significantly affected by ambient temperature changes at the dial — the bimetal coil responds only to the temperature at the stem, not the temperature of the surrounding air at the dial. Pressure thermometers, particularly liquid-filled (Class I) and gas-filled (Class III) systems, are sensitive to ambient temperature changes because the filling medium in the capillary and Bourdon tube is also affected by ambient temperature, not just the temperature at the bulb. This effect is managed through compensation devices — bimetallic compensators built into the movement mechanism — but residual ambient temperature error can be a meaningful source of inaccuracy in environments with wide ambient temperature swings.

Аccuracy and Calibration Comparison

Типичные области применения биметаллических термометров

Биметаллические термометры являются наиболее широко используемыми термометрами с локальным отсчетом в общепромышленных и технологических приложениях, а их сочетание простоты, низкой стоимости, прочности и легкости установки делает их выбором по умолчанию для очень широкого спектра задач по контролю температуры.

• ОВиК и строительные услуги: Мониторинг температуры подачи и обратки в контурах отопления и охлаждения, теплообменниках приточно-вытяжных установок, системах охлажденной воды, а также в подающих и возвратных линиях котла. Компактный стержень и регулируемая ориентация шкалы стандартного биметаллического термометра позволяют легко устанавливать его на трубы размером от ½ дюйма и выше.
• Промышленные трубопроводы и сосуды: Мониторинг температуры технологической жидкости на входах насосов, соединениях теплообменников, выходах резервуаров для хранения и точках смешивания на предприятиях пищевой, химической и фармацевтической промышленности. Биметаллические термометры санитарного класса с гигиеническими технологическими соединениями являются стандартом при производстве продуктов питания и напитков.
• Мониторинг компрессоров и оборудования: Мониторинг температуры масла, температуры нагнетания и температуры охлаждающей воды в компрессорах, насосах и редукторах. Биметаллические термометры с жидкостным циферблатом предпочтительнее использовать в машинах с высокой вибрацией, поскольку наполнитель из глицерина или силикона гасит колебания указателя и снижает механический износ механизма.
• Мониторинг коммунальных услуг: Системы распределения пара, линии сжатого воздуха, контуры градирен и трубопроводы общего назначения, где температура контролируется для оперативной осведомленности, а не для точного управления процессом. Биметаллические термометры в таких местах зачастую являются наиболее экономичным и удобным в обслуживании вариантом.

Типичные области применения термометров давления

Термометры давления занимают более узкую, но важную нишу применения, определяемую, прежде всего, необходимостью удаленной индикации — считывания температуры в месте, физически отделенном от точки измерения технологического процесса — и потребностью в полностью механическом, автономном приборе в местах, где использование электронных датчиков нецелесообразно или недопустимо.

• Котлы и сосуды под давлением: Мониторинг температуры пара, температуры питательной воды и температуры дымовых газов в местах, которые безопасно или практически недоступны для прямого считывания. Лампа устанавливается в точке измерения, а индикаторная головка располагается на локальном пульте или щите управления на безопасном расстоянии.
• Холодильные и криогенные системы: Газонаполненные (Класс III) и паровые (Класс II) термометры давления используются в холодильных установках, холодильных складах и системах сжиженного газа, где температуры значительно ниже диапазона стандартных биметаллических приборов. Возможность задания низкотемпературного заполнения расширяет диапазон измерений до −200°C и ниже.
• Объекты добычи нефти и газа: Дистанционное считывание температуры на устье скважины, температуры сепаратора и температуры на выходе теплообменника в местах технологических зон, классифицированных как опасные зоны, где удаление любых электрических компонентов является требованием безопасности. Полностью механический термометр давления без электрических частей по своей природе безопасен во взрывоопасных средах.
• Морские и морские применения: Мониторинг температуры в машинном отделении на судах и морских платформах, где ценятся коррозионная стойкость, механическая прочность и отсутствие требований к электропитанию. Полностью изготовленные из нержавеющей стали термометры давления с капиллярами из монеля или хастеллоя предназначены для работы в наиболее агрессивных морских средах.

Выбор между биметаллическим термометром и термометром давления: основа принятия решения

Выбор между биметаллическим термометром и термометром давления редко бывает неоднозначным, если четко определены требования к применению. Следующая логика принятия решений охватывает наиболее распространенные дифференцирующие факторы:

• Если точка считывания должна быть удалена от точки измерения: Выберите термометр давления. Биметаллические приборы не могут разделить свои функции измерения и индикации. Расстояние между колбой и головкой, прокладка капилляра и необходимая длина капилляра должны быть указаны на этапе заказа.
• Если применение связано с высокой вибрацией: Оба типа доступны в виброустойчивом исполнении (биметаллические циферблаты с жидкостным наполнением; термометры давления с трубкой Бурдона и глицериновым наполнением). Термометры давления с элементами Бурдона большей массы, как правило, более устойчивы в условиях постоянной высокой вибрации, чем биметаллические приборы.
• Если температура окружающей среды на головке прибора сильно различается: Выберите биметаллический термометр, показания которого не зависят от температуры окружающей среды на циферблате, или выберите термометр давления паров класса II, если также требуется дистанционное считывание. Избегайте использования некомпенсированных жидкостных термометров давления класса I в средах с большими колебаниями температуры окружающей среды.
• Если температура измерения ниже −70°C: А pressure thermometer with a cryogenic fill is the only practical mechanical option. Bimetal instruments cannot reliably operate at temperatures below approximately −70°C due to brittleness and loss of differential expansion in very low temperature bimetal alloys.
• Если стоимость и простота являются основными критериями для простого приложения для мониторинга трубопроводов: Выбирайте биметаллический термометр. Он дешевле, его легче устанавливать и заменять, а также проще калибровать в полевых условиях, чем термометр давления. Для подавляющего большинства общепромышленных задач по мониторингу температуры в диапазоне от -70°C до 400°C в доступных точках измерения биметаллический термометр остается наиболее практичным и экономичным выбором.