Care este diferența dintre un termometru bimetal și un termometru de presiune?

Măsurarea temperaturii în aplicații industriale, de proces și de inginerie mecanică se bazează pe mai multe principii fizice fundamental diferite, iar alegerea unui tip greșit de instrument pentru o anumită aplicație poate duce la o precizie slabă, defecțiuni premature, pericole de siguranță sau costuri inutile. Două dintre cele mai răspândite tipuri de termometre mecanice - termometrul bimetal și termometrul de presiune (numit și termometru acționat cu gaz sau cu sistem umplut) - sunt adesea comparate direct, deoarece ambele sunt instrumente autonome, cu citire locală, care nu necesită alimentare externă. Dar principiile lor de funcționare, construcția, caracteristicile de performanță și aplicațiile ideale diferă în moduri importante și semnificative practic. Acest articol examinează în profunzime ambele tipuri de instrumente pentru a ajuta inginerii, operatorii de instalații și specialiștii în achiziții să facă o selecție informată.

Cum funcționează un termometru bimetal

A termometru bimetal funcționează pe principiul dilatației termice diferențiale între două metale diferite legate permanent împreună pe lungimea lor. Când banda compozită este încălzită sau răcită, cele două metale se extind sau se contractă la viteze diferite - guvernate de coeficienții lor respectivi de dilatare termică - determinând banda lipită să se curbeze proporțional cu schimbarea temperaturii. Prin înfășurarea acestei benzi bimetalice într-o bobină elicoidală sau spirală și conectând un capăt la o ancoră fixă ​​în timp ce celălalt capăt conduce un indicator printr-o legătură mecanică, mișcarea de rotație a capătului bobinei este transpusă într-o deviere a indicatorului pe o scară calibrată.

Perechea de metal cel mai frecvent utilizată în termometrele bimetalice este Invar (un aliaj de nichel-fier cu un coeficient de dilatare termică extrem de scăzut) legat de un aliaj cu expansiune mare, cum ar fi alama, cuprul sau oțelul inoxidabil. Rata de expansiune aproape de zero a lui Invar maximizează mișcarea diferențială pentru o anumită schimbare de temperatură, îmbunătățind sensibilitatea și scalarea. Forma bobinei elicoidale este preferată față de o spirală plată simplă în termometrele cu cadran, deoarece permite un element bimetal mai lung într-un diametru compact al tijei, crescând rotația unghiulară pe gradul de schimbare a temperaturii și, prin urmare, îmbunătățind lizibilitatea și precizia.

Elementul de detectare - bobina elicoidală bimetală - este găzduit într-un godeu termic de protecție sau o tijă de imersie care este introdusă în mediul de proces care se măsoară. Tija transmite căldura de la mediu la elementul bimetal, protejând-o în același timp de contactul direct cu fluidul. Capul cadranului, care conține indicatorul, scara și uneori o fereastră de protecție, este montat în partea de sus a tijei și citește direct temperatura. Nu este necesară alimentarea electrică, condiționarea semnalului extern sau echipamentul de citire la distanță - întregul lanț de măsurare și indicare este mecanic.

Cum funcționează un termometru de presiune

Un termometru de presiune - mai precis descris ca sistem termic umplut sau termometru cu presiune de vapori - funcționează pe un principiu fizic complet diferit. Un sistem etanș format dintr-un bec (elementul senzor), un tub capilar și un element de presiune al tubului Bourdon este umplut cu o substanță sensibilă la temperatură - fie un gaz, un lichid, un vapori sau o combinație - și etanșat ermetic. Atunci când becul este expus la temperatura procesului, mediul de umplere se dilată (în sistemele cu lichid și cu gaz) sau generează o presiune de vapori caracteristică (în sistemele cu presiune de vapori), crescând presiunea în întregul sistem etanș. Tubul Bourdon de la capătul instrumentului răspunde la această schimbare de presiune îndreptându-se ușor, conducând un indicator printr-o legătură mecanică pentru a indica temperatura pe o scară calibrată.

Clasificarea SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) împarte sistemele termice umplute în patru clase în funcție de mediul de umplere. Sistemele de clasa I folosesc o umplere cu lichid (de obicei ulei de silicon sau mercur în instrumentele vechi), sistemele de clasa II folosesc o umplere cu presiune de vapori (un amestec lichid-vapori care exploatează curba de saturație a fluidului de umplere), sistemele de clasa III folosesc o umplere cu gaz (de obicei azot), iar sistemele de clasa V folosesc mercur. Fiecare clasă are diferite intervale de temperatură, cerințe de compensare a temperaturii ambiante și caracteristici de precizie, dar toate au caracteristica comună a unui bec de la distanță conectat printr-un capilar la capul indicator - o caracteristică care permite ca punctul de măsurare și punctul de citire să fie separate fizic la distanțe de până la câțiva metri.

Diferențele structurale și operaționale cheie

În timp ce ambele instrumente oferă o citire locală a temperaturii mecanice fără alimentare externă, construcția lor internă creează diferențe operaționale semnificative care afectează direct adecvarea lor pentru diferite aplicații.

Locația elementului de detectare și citirea de la distanță

Într-un termometru bimetal, elementul senzor (bobina bimetal) este situat în tija instrumentului, direct sub capul cadranului. Prin urmare, cadranul trebuie să fie poziționat la sau foarte aproape de punctul de măsurare - de obicei la câțiva centimetri de conexiunea la proces. Acest lucru limitează termometrele bimetalice la aplicațiile în care accesul direct la punctul de măsurare pentru citire este practic și sigur. În schimb, un termometru de presiune separă becul (elementul senzor) de capul indicator printr-un tub capilar care poate fi direcționat în jurul obstacolelor, prin pereți sau pe distanțe semnificative. Această capacitate de citire de la distanță face ca termometrele de presiune să fie esențiale în aplicațiile în care punctul de măsurare este inaccesibil fizic, într-o locație periculoasă, la înălțime mare sau în care personalul nu trebuie să se apropie de proces în timpul funcționării.

Timp de răspuns

Termometrele bimetalice au un răspuns termic relativ lent în comparație cu alte tipuri de senzori de temperatură, deoarece căldura trebuie să conducă din fluidul de proces prin peretele godeului termoizolant și în elementul bimetal înainte ca indicația să se schimbe. Timpii de răspuns sunt în mod obișnuit în intervalul de 30-120 de secunde pentru a atinge 90% dintr-o schimbare de treaptă a temperaturii procesului, în funcție de diametrul tijei, materialul godeului termopan și viteza fluidului de proces. Termometrele de presiune cu becuri mari scufundate direct în fluidul de proces au un răspuns ceva mai rapid pentru sistemele umplute cu lichid, deși capilarul introduce un mic decalaj suplimentar. Niciunul dintre tipurile de instrument nu este adecvat pentru aplicațiile care necesită urmărirea rapidă a temperaturii - senzorii electronici, cum ar fi termocuplurile sau RTD-urile cu sonde termice cu pereți subțiri sunt mult mai rapizi.

Compensarea temperaturii ambientale

O diferență practică semnificativă între cele două tipuri de instrumente este sensibilitatea lor la temperatura ambientală la capul instrumentului. Termometrele bimetalice, deoarece întregul lor element de detectare se află la temperatura procesului, nu sunt afectate semnificativ de schimbările de temperatură ambientală la cadran - bobina bimetală răspunde numai la temperatura de la tijă, nu la temperatura aerului înconjurător la cadran. Termometrele de presiune, în special sistemele umplute cu lichid (Clasa I) și cu gaz (Clasa III), sunt sensibile la schimbările de temperatură ambiantă, deoarece mediul de umplere din capilar și tubul Bourdon este, de asemenea, afectat de temperatura ambiantă, nu doar de temperatura la bulb. Acest efect este gestionat prin dispozitive de compensare – compensatoare bimetalice încorporate în mecanismul de mișcare – dar eroarea reziduală a temperaturii ambientale poate fi o sursă semnificativă de inexactitate în medii cu variații mari de temperatură ambientală.

Comparație de precizie și calibrare

Aplicații tipice pentru termometre bimetalice

Termometrele bimetalice sunt cel mai utilizat termometru cu citire locală în aplicațiile industriale și de proces generale, iar combinația lor de simplitate, cost redus, robustețe și ușurință de instalare le face alegerea implicită pentru o gamă foarte largă de sarcini de monitorizare a temperaturii.

• Servicii HVAC și clădiri: Monitorizarea temperaturilor de alimentare și retur în circuitele de încălzire și răcire, serpentinele unității de tratare a aerului, sistemele de apă răcită și liniile de tur și retur al cazanului. Tija compactă și orientarea reglabilă a cadranului a unui termometru bimetal standard îl fac ușor de instalat în țevi de dimensiuni de la ½ inch în sus.
• Conducte și nave industriale: Monitorizarea temperaturii fluidului de proces la admisiile pompelor, conexiunile schimbătorului de căldură, ieșirile rezervoarelor de stocare și punctele de amestec în fabricile de procesare a produselor alimentare, chimice și farmaceutice. Termometrele bimetalice de calitate sanitară cu conexiuni de proces igienice sunt standard în procesarea alimentelor și a băuturilor.
• Monitorizarea compresoarelor și mașinilor: Monitorizarea temperaturii uleiului, a temperaturii de refulare și a temperaturii apei de răcire la compresoare, pompe și cutii de viteze. Termometrele bimetalice cu cadran umplute cu lichid sunt preferate în aplicațiile de mașini cu vibrații ridicate, deoarece umplutura cu glicerină sau silicon atenuează oscilația indicatorului și reduce uzura mecanică a mișcării.
• Monitorizarea utilitatilor: Sisteme de distribuție a aburului, linii de aer comprimat, circuite turn de răcire și conducte generale de utilități unde temperatura este monitorizată pentru conștientizarea operațională, mai degrabă decât pentru controlul precis al procesului. Termometrele bimetalice din aceste locații sunt adesea cea mai rentabilă și mai ușor de întreținut opțiunea.

Aplicații tipice pentru termometre de presiune

Termometrele de presiune ocupă o nișă de aplicare mai îngustă, dar importantă, definită în primul rând de nevoia de indicare de la distanță - citirea temperaturii într-o locație separată fizic de punctul de măsurare a procesului - și cerința pentru un instrument complet mecanic, autonom, în locații în care senzorii electronici nu sunt practici sau permisi.

• Cazane și recipiente sub presiune: Monitorizarea temperaturii aburului, a apei de alimentare și a temperaturii gazelor de ardere în locații care nu sunt accesibile în siguranță sau practic pentru citire directă. Becul este instalat la punctul de măsurare, iar capul indicator este amplasat pe un panou local sau o placă de control la o distanță sigură.
• Sisteme frigorifice și criogenice: Termometrele de presiune umplute cu gaz (Clasa III) și cu presiune de vapori (Clasa II) sunt utilizate în instalațiile frigorifice, instalațiile de depozitare la rece și sistemele cu gaz lichefiat unde temperaturile se extind cu mult sub intervalul instrumentelor bimetalice standard. Capacitatea de a specifica umpleri la temperaturi scăzute extinde domeniul de măsurare la -200°C și mai jos.
• Instalatii de productie de petrol si gaze: Citirea de la distanță a temperaturilor capului de sondă, a temperaturii separatorului și a temperaturilor de ieșire a schimbătorului de căldură în locații din zonele de proces clasificate ca zone periculoase, unde eliminarea oricăror componente electrice este o cerință de siguranță. Un termometru de presiune complet mecanic, fără piese electrice, este în mod inerent sigur în atmosfere explozive.
• Aplicații marine și offshore: Monitorizarea temperaturii camerei motoarelor pe nave și platforme offshore, unde rezistența la coroziune, robustețea mecanică și absența cerințelor de energie electrică sunt toate evaluate. Termometrele de presiune din oțel inoxidabil cu capilare Monel sau Hastelloy sunt specificate pentru mediile marine cele mai corozive.

Selectarea între un termometru bimetal și un termometru de presiune: Cadrul de decizie

Alegerea dintre un termometru bimetal și un termometru de presiune este rareori ambiguă atunci când cerințele aplicației sunt clar definite. Următoarea logică de decizie acoperă cei mai comuni factori de diferențiere:

• Dacă punctul de citire trebuie să fie îndepărtat de punctul de măsurare: Alegeți un termometru de presiune. Instrumentele bimetalice nu își pot separa funcțiile de detectare și de indicare. Distanța dintre bulb și cap, traseul capilarului și lungimea necesară a capilarului trebuie specificate în etapa de comandă.
• Dacă aplicarea implică vibrații mari: Ambele tipuri sunt disponibile în versiuni rezistente la vibrații (cadrane bimetalice umplute cu lichid; termometre de presiune cu tub Bourdon cu umplutură cu glicerină). Termometrele de presiune cu elemente Bourdon de masă mai mare sunt în general mai robuste în medii susținute cu vibrații ridicate decât instrumentele bimetalice.
• Dacă temperatura ambiantă la capul instrumentului variază foarte mult: Alegeți un termometru bimetal, a cărui citire nu este afectată de temperatura ambiantă la cadran sau specificați un termometru cu presiune de vapori de clasa II dacă este necesară și citirea de la distanță. Evitați termometrele de presiune umplute cu lichid Clasa I necompensate în medii cu variații mari de temperatură ambientală.
• Dacă temperatura de măsurare este sub -70°C: Un termometru de presiune cu umplutură criogenică este singura opțiune mecanică practică. Instrumentele bimetalice nu pot funcționa în mod fiabil la temperaturi sub aproximativ -70°C din cauza fragilității și pierderii expansiunii diferențiale în aliajele bimetalice la temperaturi foarte joase.
• Dacă costul și simplitatea sunt criteriile principale pentru o aplicație simplă de monitorizare a conductelor: Alegeți un termometru bimetal. Este mai puțin costisitor, mai ușor de instalat și înlocuit și mai simplu de calibrat pe teren decât un termometru de presiune. Pentru marea majoritate a sarcinilor generale de monitorizare a temperaturii industriale în intervalul -70°C până la 400°C la punctele de măsurare accesibile, termometrul bimetal rămâne cea mai practică și cea mai rentabilă alegere.