Jaka jest różnica między termometrem bimetalicznym a termometrem ciśnieniowym?

Pomiar temperatury w zastosowaniach przemysłowych, procesowych i inżynierii mechanicznej opiera się na kilku zasadniczo różnych zasadach fizycznych, a wybór niewłaściwego typu przyrządu do danego zastosowania może skutkować słabą dokładnością, przedwczesną awarią, zagrożeniem bezpieczeństwa lub niepotrzebnymi kosztami. Dwa z najpowszechniej stosowanych typów termometrów mechanicznych — termometr bimetaliczny i termometr ciśnieniowy (zwany także termometrem uruchamianym gazem lub termometrem z wypełnieniem) — są często porównywane bezpośrednio, ponieważ oba są samodzielnymi przyrządami z odczytem lokalnym i nie wymagają zewnętrznego zasilania. Jednak ich zasady działania, konstrukcja, właściwości użytkowe i idealne zastosowania różnią się w istotny i praktyczny sposób. W tym artykule szczegółowo omówiono oba typy przyrządów, aby pomóc inżynierom, operatorom instalacji i specjalistom ds. zaopatrzenia w dokonaniu świadomego wyboru.

Jak działa termometr bimetaliczny

A termometr bimetaliczny działa na zasadzie różnicowej rozszerzalności cieplnej pomiędzy dwoma różnymi metalami trwale połączonymi ze sobą na całej długości. Kiedy taśma kompozytowa jest podgrzewana lub chłodzona, oba metale rozszerzają się lub kurczą z różną szybkością – regulowaną przez ich odpowiednie współczynniki rozszerzalności cieplnej – powodując zakrzywienie łączonej taśmy proporcjonalnie do zmiany temperatury. Przez nawinięcie tego paska bimetalicznego w spiralną lub spiralną cewkę i podłączenie jednego końca do nieruchomej kotwy, podczas gdy drugi koniec napędza wskazówkę przez mechaniczne połączenie, ruch obrotowy końca cewki przekłada się na odchylenie wskazówki na skalibrowanej skali.

Najczęściej stosowaną parą metali w termometrach bimetalicznych jest Invar (stop niklu i żelaza o wyjątkowo niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej) połączony ze stopem o dużej rozszerzalności, takim jak mosiądz, miedź lub stal nierdzewna. Niemal zerowy współczynnik rozszerzalności Invaru maksymalizuje ruch różnicowy dla danej zmiany temperatury, poprawiając czułość i zakres skali. W termometrach tarczowych preferowana jest spiralna cewka zamiast prostej płaskiej spirali, ponieważ umożliwia zastosowanie dłuższego elementu bimetalicznego w ramach zwartej średnicy trzpienia, zwiększając obrót kątowy na stopień zmiany temperatury, a tym samym poprawiając czytelność i dokładność.

Element czujnikowy — spiralna cewka bimetaliczna — jest umieszczony w ochronnej osłonie termometrycznej lub trzpieniu zanurzeniowym, który jest wkładany do mierzonego medium procesowego. Trzpień przenosi ciepło z medium na element bimetaliczny, chroniąc go jednocześnie przed bezpośrednim kontaktem z cieczą. Głowica zegarowa zawierająca wskazówkę, skalę, a czasami okienko ochronne, jest zamontowana na górze trzonka i bezpośrednio odczytuje temperaturę. Nie jest wymagane żadne zasilanie elektryczne, zewnętrzne kondycjonowanie sygnału ani sprzęt do zdalnego odczytu — cały łańcuch pomiarów i wskazań jest mechaniczny.

Jak działa termometr ciśnieniowy

Termometr ciśnieniowy – dokładniej określany jako wypełniony system termiczny lub termometr ciśnieniowy pary – działa na zupełnie innej zasadzie fizycznej. Uszczelniony system składający się z bańki (elementu czujnikowego), rurki kapilarnej i elementu ciśnieniowego w postaci rurki Bourdona jest wypełniony substancją wrażliwą na temperaturę — ​​gazem, cieczą, parą lub ich kombinacją — i hermetycznie zamknięty. Gdy bańka jest wystawiona na działanie temperatury procesu, medium wypełniające rozszerza się (w układach wypełnionych cieczą i gazem) lub wytwarza charakterystyczne ciśnienie pary (w układach parociśnieniowych), zwiększając ciśnienie w całym zamkniętym układzie. Rurka Bourdona na końcu instrumentu reaguje na tę zmianę ciśnienia, lekko się prostując i przesuwając wskazówkę przez mechaniczne połączenie, aby wskazać temperaturę na skalibrowanej skali.

Klasyfikacja SAMA (Stowarzyszenie Producentów Aparatury Naukowej) dzieli napełnione systemy termiczne na cztery klasy w zależności od środka wypełniającego. Systemy klasy I wykorzystują wypełnienie płynne (zazwyczaj olej silikonowy lub rtęć w starszych instrumentach), systemy klasy II wykorzystują wypełnienie pod ciśnieniem pary (mieszanina cieczy i pary, która wykorzystuje krzywą nasycenia płynu wypełniającego), systemy klasy III wykorzystują wypełnienie gazem (zazwyczaj azotem), a systemy klasy V wykorzystują rtęć. Każda klasa ma inne zakresy temperatur, wymagania dotyczące kompensacji temperatury otoczenia i charakterystykę dokładności, ale wszystkie mają wspólną cechę: odległą żarówkę połączoną kapilarą z głowicą wskazującą — cechę, która umożliwia fizyczne oddzielenie punktu pomiarowego od punktu odczytu na odległość do kilku metrów.

Kluczowe różnice strukturalne i operacyjne

Chociaż oba przyrządy zapewniają lokalny mechaniczny odczyt temperatury bez zasilania zewnętrznego, ich wewnętrzna konstrukcja powoduje znaczne różnice operacyjne, które bezpośrednio wpływają na ich przydatność do różnych zastosowań.

Lokalizacja elementu czujnikowego i zdalny odczyt

W termometrze bimetalicznym element pomiarowy (cewka bimetaliczna) znajduje się w trzonku instrumentu, bezpośrednio pod głowicą zegara. Dlatego tarcza musi być umieszczona w punkcie pomiaru lub bardzo blisko niego – zazwyczaj w odległości kilku centymetrów od przyłącza procesowego. Ogranicza to termometry bimetaliczne do zastosowań, w których bezpośredni dostęp do punktu pomiarowego w celu odczytu jest praktyczny i bezpieczny. Natomiast termometr ciśnieniowy oddziela bańkę (element czujnikowy) od głowicy wskazującej za pomocą rurki kapilarnej, którą można poprowadzić wokół przeszkód, przez ściany lub na znaczne odległości. Możliwość zdalnego odczytu sprawia, że ​​termometry ciśnieniowe są niezbędne w zastosowaniach, w których punkt pomiarowy jest fizycznie niedostępny, w niebezpiecznym miejscu, na dużych wysokościach lub gdzie personel nie może zbliżać się do procesu podczas pracy.

Czas reakcji

Termometry bimetaliczne mają stosunkowo powolną reakcję termiczną w porównaniu do innych typów czujników temperatury, ponieważ ciepło musi przewodzić z płynu procesowego przez ściankę osłony termometrycznej i do elementu bimetalicznego, zanim zmieni się wskazanie. Czasy reakcji zazwyczaj mieszczą się w zakresie 30–120 sekund, aby osiągnąć 90% skokowej zmiany temperatury procesu, w zależności od średnicy trzpienia, materiału osłony termometrycznej i prędkości płynu procesowego. Termometry ciśnieniowe z dużymi gruszkami zanurzonymi bezpośrednio w płynie procesowym mają nieco szybszą reakcję w przypadku systemów wypełnionych cieczą, chociaż kapilara wprowadza niewielkie dodatkowe opóźnienie. Żaden typ przyrządu nie jest odpowiedni do zastosowań wymagających szybkiego śledzenia temperatury — czujniki elektroniczne, takie jak termopary lub czujniki RTD z cienkościennymi osłonami termometrycznymi, są znacznie szybsze.

Kompensacja temperatury otoczenia

Istotną praktyczną różnicą pomiędzy tymi dwoma typami instrumentów jest ich wrażliwość na temperaturę otoczenia na głowicy instrumentu. Termometry bimetaliczne, ponieważ cały ich element pomiarowy ma temperaturę procesu, nie są w istotny sposób podatne na zmiany temperatury otoczenia na tarczy — cewka bimetaliczna reaguje tylko na temperaturę na trzpieniu, a nie na temperaturę otaczającego powietrza na tarczy. Termometry ciśnieniowe, zwłaszcza systemy wypełnione cieczą (klasa I) i gazem (klasa III), są wrażliwe na zmiany temperatury otoczenia, ponieważ na czynnik wypełniający w kapilarze i rurce Bourdona wpływa również temperatura otoczenia, a nie tylko temperatura bańki. Efekt ten jest zarządzany za pomocą urządzeń kompensacyjnych — kompensatorów bimetalicznych wbudowanych w mechanizm ruchu — ale błąd resztkowej temperatury otoczenia może być znaczącym źródłem niedokładności w środowiskach o dużych wahaniach temperatury otoczenia.

Dokładność i porównanie kalibracji

Typowe zastosowania termometrów bimetalicznych

Termometry bimetaliczne są najczęściej stosowanymi termometrami z odczytem lokalnym w ogólnych zastosowaniach przemysłowych i procesowych, a ich połączenie prostoty, niskich kosztów, wytrzymałości i łatwości instalacji sprawia, że są one domyślnym wyborem do bardzo szerokiego zakresu zadań związanych z monitorowaniem temperatury.

• Usługi HVAC i budowlane: Monitorowanie temperatur zasilania i powrotu w obiegach grzewczych i chłodzących, wężownicach central wentylacyjnych, systemach wody lodowej oraz przewodach zasilających i powrotnych kotła. Kompaktowy trzpień i regulowane ustawienie tarczy standardowego termometru bimetalicznego ułatwiają instalację na rurach o średnicy od ½ cala wzwyż.
• Rurociągi i zbiorniki przemysłowe: Monitorowanie temperatury płynu procesowego na wlotach pomp, połączeniach wymienników ciepła, wylotach zbiorników magazynujących i punktach mieszania w zakładach przetwórstwa spożywczego, chemicznego i farmaceutycznego. Termometry bimetaliczne klasy sanitarnej z higienicznymi przyłączami procesowymi są standardem w przetwórstwie żywności i napojów.
• Monitorowanie sprężarek i maszyn: Monitorowanie temperatury oleju, temperatury tłoczenia i temperatury wody chłodzącej w sprężarkach, pompach i skrzyniach biegów. Termometry bimetaliczne z tarczą wypełnioną cieczą są preferowane w zastosowaniach maszynowych charakteryzujących się wysokimi wibracjami, ponieważ wypełnienie glicerynowe lub silikonowe tłumi oscylacje wskazówki i zmniejsza zużycie mechaniczne mechanizmu.
• Monitorowanie mediów: Systemy dystrybucji pary, linie sprężonego powietrza, obwody wież chłodniczych i rurociągi mediów ogólnych, w których monitoruje się temperaturę w celu zapewnienia świadomości operacyjnej, a nie precyzyjnej kontroli procesu. Termometry bimetaliczne stosowane w tych lokalizacjach są często najbardziej opłacalną i najłatwiejszą w utrzymaniu opcją.

Typowe zastosowania termometrów ciśnieniowych

Termometry ciśnieniowe zajmują węższą, ale ważną niszę zastosowań, określoną przede wszystkim potrzebą zdalnego wskazania – odczytu temperatury w miejscu fizycznie oddzielonym od punktu pomiaru procesu – oraz wymogiem stosowania w pełni mechanicznego, samodzielnego przyrządu w miejscach, gdzie czujniki elektroniczne są niepraktyczne lub niedozwolone.

• Kotły i zbiorniki ciśnieniowe: Monitorowanie temperatury pary, temperatury wody zasilającej i temperatury gazów spalinowych w miejscach, które nie są bezpiecznie lub praktycznie dostępne do bezpośredniego odczytu. Żarówkę montuje się w miejscu pomiarowym, a głowicę sygnalizacyjną umieszcza się na panelu lokalnym lub tablicy sterowniczej w bezpiecznej odległości.
• Instalacje chłodnicze i kriogeniczne: Termometry ciśnieniowe wypełnione gazem (klasa III) i ciśnienia pary (klasa II) są stosowane w instalacjach chłodniczych, chłodniach i instalacjach gazu skroplonego, gdzie temperatury znacznie przekraczają zakres standardowych przyrządów bimetalicznych. Możliwość określenia wypełnień niskotemperaturowych rozszerza zakres pomiarowy do -200°C i poniżej.
• Obiekty wydobywcze ropy i gazu: Zdalny odczyt temperatur głowicy odwiertu, temperatur separatora i temperatur wylotowych z wymienników ciepła w lokalizacjach w obszarach procesowych sklasyfikowanych jako strefy niebezpieczne, gdzie eliminacja jakichkolwiek elementów elektrycznych jest wymogiem bezpieczeństwa. W pełni mechaniczny termometr ciśnieniowy, niezawierający części elektrycznych, jest z natury bezpieczny w atmosferach wybuchowych.
• Zastosowania morskie i offshore: Monitorowanie temperatury w maszynowni na statkach i platformach morskich, gdzie ceniona jest odporność na korozję, wytrzymałość mechaniczna i brak wymagań dotyczących zasilania elektrycznego. Termometry ciśnieniowe wykonane w całości ze stali nierdzewnej z kapilarami Monel lub Hastelloy są przeznaczone do stosowania w najbardziej korozyjnych środowiskach morskich.

Wybór między termometrem bimetalicznym a termometrem ciśnieniowym: ramy decyzyjne

Wybór pomiędzy termometrem bimetalicznym a termometrem ciśnieniowym rzadko jest niejednoznaczny, jeśli wymagania dotyczące zastosowania są jasno określone. Poniższa logika decyzyjna obejmuje najczęstsze czynniki różnicujące:

• Jeśli punkt odczytu musi być oddalony od punktu pomiarowego: Wybierz termometr ciśnieniowy. Przyrządy bimetaliczne nie mogą oddzielać funkcji wykrywania i wskazywania. Odległość główki od główki, sposób ułożenia kapilary oraz wymaganą długość kapilary należy określić na etapie składania zamówienia.
• Jeżeli zastosowanie wiąże się z dużymi wibracjami: Obydwa typy są dostępne w wersjach odpornych na wibracje (tarcze bimetaliczne wypełnione cieczą, termometry ciśnieniowe z rurką Bourdona z wypełnieniem glicerynowym). Termometry ciśnieniowe z elementami Bourdona o większej masie są na ogół trwalsze w środowiskach o długotrwałych wysokich wibracjach niż przyrządy bimetaliczne.
• Jeżeli temperatura otoczenia przy głowicy instrumentu znacznie się waha: Wybierz termometr bimetaliczny, na którego odczyt nie ma wpływu temperatura otoczenia na tarczy, lub wybierz termometr ciśnienia pary klasy II, jeśli wymagany jest również zdalny odczyt. Unikaj nieskompensowanych termometrów ciśnieniowych wypełnionych cieczą klasy I w środowiskach o dużych wahaniach temperatury otoczenia.
• Jeśli temperatura pomiaru jest niższa niż -70°C: Jedyną praktyczną opcją mechaniczną jest termometr ciśnieniowy z wypełnieniem kriogenicznym. Przyrządy bimetaliczne nie mogą niezawodnie pracować w temperaturach poniżej około -70°C ze względu na kruchość i utratę rozszerzalności różnicowej w stopach bimetalicznych o bardzo niskich temperaturach.
• Jeśli koszt i prostota są głównymi kryteriami prostego zastosowania do monitorowania rurociągów: Wybierz termometr bimetaliczny. Jest tańszy, łatwiejszy w instalacji i wymianie oraz prostszy w kalibracji w terenie niż termometr ciśnieniowy. W przypadku zdecydowanej większości ogólnych zadań związanych z monitorowaniem temperatury w przemyśle w zakresie od -70°C do 400°C w dostępnych punktach pomiarowych, termometr bimetaliczny pozostaje najbardziej praktycznym i opłacalnym wyborem.