Koja je razlika između bimetalnog termometra i tlačnog termometra?

Mjerenje temperature u industrijskim, procesnim i strojarskim aplikacijama oslanja se na nekoliko fundamentalno različitih fizikalnih principa, a odabir pogrešne vrste instrumenta za određenu primjenu može rezultirati slabom preciznošću, preranim kvarom, sigurnosnim opasnostima ili nepotrebnim troškovima. Dva najraširenija tipa mehaničkih termometara — bimetalni termometar i termometar za tlak (također nazvan termometar s plinskim ili punjenim sustavom) — često se izravno uspoređuju jer su oba samostalni instrumenti s lokalnim očitavanjem i koji ne zahtijevaju vanjsko napajanje. Ali njihova načela rada, konstrukcija, karakteristike izvedbe i idealne primjene razlikuju se na važne i praktično smislene načine. Ovaj članak detaljno ispituje obje vrste instrumenata kako bi pomogao inženjerima, operaterima postrojenja i stručnjacima za nabavu da naprave informirani odabir.

Kako radi bimetalni termometar

A bimetalni termometar radi na principu diferencijalne toplinske ekspanzije između dva različita metala trajno spojena duž svoje duljine. Kada se kompozitna traka grije ili hladi, dva metala se šire ili skupljaju različitim brzinama - upravljano njihovim odgovarajućim koeficijentima toplinskog širenja - uzrokujući da se spojena traka savija proporcionalno promjeni temperature. Namotavanjem ove bimetalne trake u spiralnu ili spiralnu zavojnicu i spajanjem jednog kraja na fiksno sidro, dok drugi kraj pokreće kazaljku kroz mehaničku vezu, rotacijsko kretanje kraja zavojnice pretvara se u otklon kazaljke preko kalibrirane skale.

Par metala koji se najčešće koristi u bimetalnim termometrima je Invar (legura nikla i željeza s ekstremno niskim koeficijentom toplinskog širenja) vezan za leguru visoke ekspanzije kao što je mjed, bakar ili nehrđajući čelik. Invarova stopa ekspanzije blizu nule maksimizira diferencijalno kretanje za određenu promjenu temperature, poboljšavajući osjetljivost i raspon ljestvice. Spiralni oblik zavojnice preferira se u odnosu na jednostavnu ravnu spiralu u termometrima s brojčanikom jer omogućuje dulji bimetalni element unutar kompaktnog promjera stabla, povećavajući kutnu rotaciju po stupnju promjene temperature i stoga poboljšavajući čitljivost i točnost.

Osjetni element — spiralna bimetalna zavojnica — nalazi se unutar zaštitne termorupe ili uronjene šipke koja je umetnuta u procesni medij koji se mjeri. Nosač prenosi toplinu s medija na bimetalni element dok ga štiti od izravnog kontakta s tekućinom. Glava brojčanika, koja sadrži pokazivač, skalu i ponekad zaštitni prozor, montirana je na vrhu vretena i izravno očitava temperaturu. Nije potrebno električno napajanje, vanjsko kondicioniranje signala ili oprema za daljinsko očitavanje — cijeli lanac mjerenja i indikacije je mehanički.

Kako radi termometar za tlak

Tlačni termometar - točnije opisan kao ispunjeni toplinski sustav ili termometar s tlakom pare - radi na potpuno drugačijem fizičkom principu. Zatvoreni sustav koji se sastoji od balona (osjetnog elementa), kapilarne cijevi i tlačnog elementa Bourdonove cijevi ispunjen je temperaturno osjetljivom tvari — plinom, tekućinom, parom ili kombinacijom — i hermetički zatvoren. Kada je kuglica izložena temperaturi procesa, medij za punjenje se širi (u sustavima punjenim tekućinom i plinom) ili stvara karakterističan tlak pare (u sustavima s tlakom pare), povećavajući tlak u cijelom zatvorenom sustavu. Bourdonova cijev na kraju instrumenta reagira na ovu promjenu tlaka tako što se lagano ispravlja, provlačeći pokazivač kroz mehaničku vezu da pokaže temperaturu na kalibriranoj skali.

SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) klasifikacija dijeli napunjene toplinske sustave u četiri klase na temelju medija za punjenje. Sustavi klase I koriste punjenje tekućinom (obično silikonsko ulje ili živa u naslijeđenim instrumentima), sustavi klase II koriste punjenje pod tlakom pare (mješavina tekućine i pare koja iskorištava krivulju zasićenja tekućine za punjenje), sustavi klase III koriste punjenje plinom (obično dušik), a sustavi klase V koriste živu. Svaka klasa ima različite temperaturne raspone, zahtjeve za kompenzaciju temperature okoline i karakteristike točnosti, ali sve dijele zajedničku značajku udaljene žarulje povezane kapilarom s pokaznom glavom — značajku koja omogućuje da mjerna točka i točka očitanja budu fizički razdvojene udaljenostima do nekoliko metara.

Ključne strukturne i operativne razlike

Dok oba instrumenta isporučuju lokalno mehaničko očitavanje temperature bez vanjskog napajanja, njihova unutarnja konstrukcija stvara značajne operativne razlike koje izravno utječu na njihovu prikladnost za različite primjene.

Lokacija osjetnog elementa i daljinsko očitavanje

U bimetalnom termometru, osjetni element (bimetalna zavojnica) nalazi se unutar drške instrumenta, neposredno ispod glave brojčanika. Brojčanik stoga mora biti postavljen na ili vrlo blizu točke mjerenja - obično unutar nekoliko centimetara od procesnog priključka. Ovo ograničava bimetalne termometre na primjene gdje je izravan pristup mjernoj točki za očitanje praktičan i siguran. Nasuprot tome, tlačni termometar odvaja bulb (osjetljivi element) od pokazne glave preko kapilarne cijevi koja se može usmjeriti oko prepreka, kroz zidove ili preko značajnih udaljenosti. Ova mogućnost daljinskog očitanja čini tlačne termometre ključnima u primjenama gdje je mjerna točka fizički nedostupna, na opasnom mjestu, na visokoj nadmorskoj visini ili gdje se osoblje ne smije približavati procesu tijekom rada.

Vrijeme odziva

Bimetalni termometri imaju relativno spor toplinski odziv u usporedbi s drugim tipovima temperaturnih senzora jer toplina mora proći iz procesne tekućine kroz stijenku zaštitne komore i u bimetalni element prije nego što se pokazivanje promijeni. Vremena odziva obično su u rasponu od 30–120 sekundi za postizanje 90% koraka promjene temperature procesa, ovisno o promjeru stabla, materijalu zaštitnog otvora i brzini procesne tekućine. Tlačni termometri s velikim žaruljama uronjenim izravno u procesnu tekućinu imaju nešto brži odziv za sustave punjene tekućinom, iako kapilara unosi malo dodatno kašnjenje. Nijedan tip instrumenta nije prikladan za aplikacije koje zahtijevaju brzo praćenje temperature — elektronički senzori kao što su termoelementi ili RTD-ovi s tankostjejnim termoulošcima daleko su brži.

Kompenzacija temperature okoline

Značajna praktična razlika između dvije vrste instrumenata je njihova osjetljivost na temperaturu okoline na glavi instrumenta. Bimetalni termometri, budući da je njihov cijeli osjetni element na temperaturi procesa, nisu značajno pod utjecajem promjena temperature okoline na brojčaniku — bimetalna zavojnica reagira samo na temperaturu na dršci, a ne na temperaturu okolnog zraka na brojčaniku. Tlačni termometri, posebno sustavi punjeni tekućinom (klasa I) i plinom (klasa III), osjetljivi su na promjene temperature okoline jer na medij za punjenje u kapilari i Bourdonovoj cijevi također utječe temperatura okoline, a ne samo temperatura na žarulji. Ovim se učinkom upravlja putem kompenzacijskih uređaja — bimetalnih kompenzatora ugrađenih u mehanizam za kretanje — ali pogreška zaostale temperature okoline može biti značajan izvor netočnosti u okruženjima sa velikim promjenama temperature okoline.

Usporedba točnosti i kalibracije

Tipične primjene bimetalnih termometara

Bimetalni termometri najčešće su korišteni termometri za lokalno očitavanje u općoj industrijskoj i procesnoj primjeni, a njihova kombinacija jednostavnosti, niske cijene, robusnosti i lakoće ugradnje čini ih zadanim izborom za vrlo širok raspon zadataka praćenja temperature.

• HVAC i građevinske usluge: Praćenje temperature dovoda i povrata u krugovima grijanja i hlađenja, izmjenjivačima jedinica za obradu zraka, sustavima rashlađene vode i polaznim i povratnim vodovima kotla. Kompaktna osovina i podesiva orijentacija brojčanika standardnog bimetalnog termometra olakšavaju ugradnju u cijevi veličine od ½ inča naviše.
• Industrijski cjevovodi i posude: Praćenje temperature procesne tekućine na ulazima pumpi, spojevima izmjenjivača topline, izlazima spremnika za skladištenje i točkama miješanja u prehrambenim, kemijskim i farmaceutskim postrojenjima. Bimetalni termometri sanitarne kvalitete s higijenskim procesnim priključcima standard su u preradi hrane i pića.
• Nadzor kompresora i strojeva: Praćenje temperature ulja, temperature ispuštanja i temperature rashladne vode na kompresorima, pumpama i mjenjačima. Bimetalni termometri s brojčanikom punjeni tekućinom poželjni su u primjenama strojeva s visokim vibracijama jer glicerinsko ili silikonsko punjenje prigušuje oscilacije kazaljke i smanjuje mehaničko trošenje mehanizma.
• Nadzor komunalnih usluga: Sustavi za distribuciju pare, vodovi komprimiranog zraka, krugovi rashladnih tornjeva i opći cjevovodi gdje se temperatura prati radi svjesnosti o radu, a ne radi precizne kontrole procesa. Bimetalni termometri na ovim mjestima često su najisplativija opcija koju je moguće održavati.

Tipične primjene tlačnih termometara

Tlačni termometri zauzimaju užu, ali važnu nišu primjene definiranu primarno potrebom za daljinskim pokazivanjem — očitavanjem temperature na mjestu fizički odvojenom od točke mjerenja procesa — i zahtjevom za potpuno mehaničkim, samostalnim instrumentom na mjestima gdje elektronički senzori nisu praktični ili dopušteni.

• Kotlovi i posude pod pritiskom: Praćenje temperature pare, temperature napojne vode i temperature dimnih plinova na mjestima koja nisu sigurno ili praktično dostupna za izravno očitavanje. Žarulja se postavlja na mjernu točku, a pokazna glava nalazi se na lokalnoj ploči ili upravljačkoj ploči na sigurnoj udaljenosti.
• Rashladni i kriogeni sustavi: Tlačni termometri punjeni plinom (klasa III) i termometri s tlakom pare (klasa II) koriste se u rashladnim postrojenjima, hladnjačama i sustavima ukapljenog plina gdje su temperature daleko ispod raspona standardnih bimetalnih instrumenata. Mogućnost specificiranja niskotemperaturnih punjenja proširuje raspon mjerenja do -200°C i niže.
• Objekti za proizvodnju nafte i plina: Daljinsko očitavanje temperatura na ušću bušotine, temperatura separatora i izlaznih temperatura izmjenjivača topline na lokacijama u procesnim područjima klasificiranim kao opasne zone, gdje je uklanjanje bilo kakvih električnih komponenti sigurnosni zahtjev. Potpuno mehanički tlačni termometar bez električnih dijelova siguran je u eksplozivnim atmosferama.
• Pomorske i offshore aplikacije: Praćenje temperature u strojarnici na brodovima i offshore platformama, gdje se cijeni otpornost na koroziju, mehanička robusnost i nedostatak električne energije. Tlačni termometri od nehrđajućeg čelika s kapilarama od Monela ili Hastelloya namijenjeni su najkorozivnijim morskim okruženjima.

Odabir između bimetalnog i tlačnog termometra: okvir za odlučivanje

Izbor između bimetalnog termometra i tlačnog termometra rijetko je dvosmislen kada su zahtjevi primjene jasno definirani. Sljedeća logika odlučivanja pokriva najčešće razlikovne čimbenike:

• Ako točka očitanja mora biti udaljena od točke mjerenja: Odaberite termometar za tlak. Bimetalni instrumenti ne mogu odvojiti svoje senzorske i pokazne funkcije. Udaljenost između žarulje i glave, usmjeravanje kapilare i potrebna duljina kapilare trebaju biti navedeni u fazi naručivanja.
• Ako primjena uključuje visoke vibracije: Oba su tipa dostupna u verzijama otpornim na vibracije (bimetalni brojčanici punjeni tekućinom; termometri s Bourdonovom cijevi s glicerinskim punjenjem). Tlačni termometri sa svojom većom masom Bourdonovih elemenata općenito su robusniji u dugotrajnim okruženjima s visokim vibracijama od bimetalnih instrumenata.
• Ako temperatura okoline na glavi instrumenta jako varira: Odaberite bimetalni termometar na čije očitanje ne utječe temperatura okoline na brojčaniku ili navedite termometar za tlak pare klase II ako je potrebno i daljinsko očitavanje. Izbjegavajte nekompenzirane termometre klase I punjene tekućinom u okruženjima s velikim promjenama temperature okoline.
• Ako je temperatura mjerenja ispod -70°C: Tlačni termometar s kriogenim punjenjem jedina je praktična mehanička opcija. Bimetalni instrumenti ne mogu pouzdano raditi na temperaturama ispod približno -70°C zbog krtosti i gubitka diferencijalne ekspanzije kod bimetalnih legura na vrlo niskim temperaturama.
• Ako su cijena i jednostavnost primarni kriteriji za jednostavnu primjenu nadzora cjevovoda: Odaberite bimetalni termometar. Jeftiniji je, lakše ga je instalirati i zamijeniti i jednostavnije ga je kalibrirati na terenu od tlačnog termometra. Za veliku većinu zadataka općeg industrijskog nadzora temperature u rasponu od -70°C do 400°C na dostupnim mjernim točkama, bimetalni termometar ostaje najpraktičniji i najisplativiji izbor.