Mitä eroa on bimetallilämpömittarilla ja painelämpömittarilla?

Lämpötilamittaus teollisuus-, prosessi- ja koneenrakennussovelluksissa perustuu useisiin pohjimmiltaan erilaisiin fysikaalisiin periaatteisiin, ja väärän laitetyypin valinta tiettyyn sovellukseen voi johtaa huonoon tarkkuuteen, ennenaikaiseen vikaan, turvallisuusriskeihin tai tarpeettomiin kustannuksiin. Kahta yleisimmin käytettyä mekaanista lämpömittarityyppiä – bimetallilämpömittaria ja painelämpömittaria (kutsutaan myös kaasukäyttöiseksi tai täytettäväksi järjestelmälämpömittariksi) – verrataan usein suoraan, koska molemmat ovat paikallisesti luettavia, itsenäisiä instrumentteja, jotka eivät vaadi ulkoista virtalähdettä. Mutta niiden toimintaperiaatteet, rakenne, suorituskykyominaisuudet ja ihanteelliset sovellukset eroavat toisistaan ​​tärkeillä ja käytännössä mielekkäillä tavoilla. Tässä artikkelissa tarkastellaan molempia instrumenttityyppejä perusteellisesti auttaakseen insinöörejä, laitosoperaattoreita ja hankintaasiantuntijoita tekemään tietoon perustuvan valinnan.

Kuinka bimetallilämpömittari toimii

A bimetallilämpömittari toimii periaatteella differentiaalisen lämpölaajenemisen periaatteella kahden erilaisen metallin välillä, jotka ovat pysyvästi sidottu yhteen pituudellaan. Kun komposiittinauhaa kuumennetaan tai jäähdytetään, nämä kaksi metallia laajenevat tai supistuvat eri nopeuksilla - niiden lämpölaajenemiskertoimien ohjaamana - jolloin liimattu nauha kaareutuu suhteessa lämpötilan muutokseen. Käärimällä tämä bimetallinauha kierteiseksi tai spiraaliksi kelaksi ja yhdistämällä toinen pää kiinteään ankkuriin, kun taas toinen pää käyttää osoittimen mekaanisen linkin kautta, kelan pään pyörimisliike muuttuu osoittimen taipumiseksi kalibroidun asteikon poikki.

Bimetallisissa lämpömittareissa yleisimmin käytetty metallipari on Invar (nikkeli-rautaseos, jolla on erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin), joka on liitetty voimakkaasti laajenevaan metalliseokseen, kuten messinkiin, kupariin tai ruostumattomaan teräkseen. Invarin lähes nolla-laajenemisnopeus maksimoi differentiaalisen liikkeen tietyssä lämpötilamuutoksessa, mikä parantaa herkkyyttä ja skaalausta. Kierukkamainen kela on parempi kuin yksinkertainen litteä spiraali kellomittarissa, koska se mahdollistaa pidemmän bimetallielementin kompaktissa varren halkaisijassa, mikä lisää kulmakiertymistä lämpötilan muutosastetta kohti ja parantaa siten luettavuutta ja tarkkuutta.

Tunnistinelementti – kierteinen bimetallikela – on sijoitettu suojaavaan suojakuoreen tai upotusvarteen, joka työnnetään mitattavaan prosessiväliaineeseen. Varsi siirtää lämpöä väliaineesta bimetallielementtiin samalla kun se suojaa sitä suoralta kosketukselta nesteen kanssa. Varren yläosaan asennettu valitsin, joka sisältää osoittimen, asteikon ja joskus suojaikkunan, lukee lämpötilan suoraan. Sähkövirtaa, ulkoista signaalinkäsittelyä tai kaukolukulaitteita ei tarvita – koko mittaus- ja näyttöketju on mekaaninen.

Kuinka painelämpömittari toimii

Painelämpömittari - tarkemmin kuvattuna täytettynä lämpöjärjestelmänä tai höyrynpainelämpömittarina - toimii täysin erilaisella fysikaalisella periaatteella. Suljettu järjestelmä, joka koostuu sipulista (anturielementistä), kapillaariputkesta ja Bourdon-putken paine-elementistä, täytetään lämpötilaherkällä aineella - joko kaasulla, nesteellä, höyryllä tai yhdistelmällä - ja suljetaan hermeettisesti. Kun polttimo altistuu prosessilämpötilalle, täyttöväliaine laajenee (nestetäytteisissä ja kaasutäytteisissä järjestelmissä) tai muodostaa ominaisen höyrynpaineen (höyrynpainejärjestelmissä), mikä lisää painetta koko suljetussa järjestelmässä. Instrumentin päässä oleva Bourdon-putki reagoi tähän paineen muutokseen oikaisemalla hieman ja ajamalla osoittimen mekaanisen linkin läpi osoittamaan lämpötilaa kalibroidulla asteikolla.

SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) -luokitus jakaa täytetyt lämpöjärjestelmät neljään luokkaan täyttöväliaineen perusteella. Luokan I järjestelmät käyttävät nestetäyttöä (tyypillisesti silikoniöljyä tai elohopeaa vanhoissa laitteissa), luokan II järjestelmät käyttävät höyrynpainetäyttöä (neste-höyryseos, joka hyödyntää täyttönesteen kyllästyskäyrää), luokan III järjestelmät käyttävät kaasutäyttöä (tyypillisesti typpeä) ja luokan V järjestelmät käyttävät elohopeaa. Jokaisella luokalla on erilaiset lämpötila-alueet, ympäristön lämpötilan kompensointivaatimukset ja tarkkuusominaisuudet, mutta niillä kaikilla on yhteinen piirre: etäpolttimo, joka on kytketty kapillaarilla osoitinpäähän – ominaisuus, jonka avulla mittauspiste ja lukupiste voidaan erottaa fyysisesti toisistaan ​​jopa useiden metrien etäisyyksillä.

Tärkeimmät rakenteelliset ja toiminnalliset erot

Vaikka molemmat instrumentit antavat paikallisen mekaanisen lämpötilalukeman ilman ulkoista virtaa, niiden sisäinen rakenne luo merkittäviä toiminnallisia eroja, jotka vaikuttavat suoraan niiden soveltuvuuteen eri sovelluksiin.

Tunnistinelementin sijainti ja kaukolukeminen

Bimetallilämpömittarissa anturielementti (bimetallikela) sijaitsee instrumentin varren sisällä, suoraan valitsinpään alapuolella. Sen vuoksi valitsin on sijoitettava mittauspisteeseen tai hyvin lähelle mittauspistettä – tyypillisesti muutaman senttimetrin sisällä prosessiliitännästä. Tämä rajoittaa bimetallilämpömittarit sovelluksiin, joissa suora pääsy mittauspisteeseen lukemista varten on käytännöllistä ja turvallista. Sitä vastoin painelämpömittari erottaa sipulin (anturielementin) osoitinpäästä kapillaariputken kautta, joka voidaan ohjata esteiden, seinien läpi tai merkittävien etäisyyksien yli. Tämä etälukuominaisuus tekee painelämpömittareista välttämättömiä sovelluksissa, joissa mittauspisteeseen ei ole fyysisesti pääsyä, vaarallisessa paikassa, korkealla tai joissa henkilöstö ei saa lähestyä prosessia käytön aikana.

Vastausaika

Bimetallisilla lämpömittareilla on suhteellisen hidas lämpövaste verrattuna muihin lämpötila-anturityyppeihin, koska lämmön on johdettava prosessinesteestä suojakuoren seinämän läpi bimetallielementtiin ennen kuin näyttö muuttuu. Vasteajat ovat tyypillisesti välillä 30–120 sekuntia, jotta saavutetaan 90 % prosessin lämpötilan askelmuutoksesta, riippuen varren halkaisijasta, suojakotelon materiaalista ja prosessinesteen nopeudesta. Painelämpömittarit, joissa on suoraan prosessinesteeseen upotetut suuret sipulit, reagoivat jonkin verran nopeammin nestetäytteisissä järjestelmissä, vaikka kapillaari aiheuttaa pienen ylimääräisen viiveen. Kumpikaan instrumenttityyppi ei sovellu sovelluksiin, jotka vaativat nopeaa lämpötilan seurantaa – elektroniset anturit, kuten termoparit tai ohutseinämäisillä suojakuorilla varustetut RTD:t, ovat paljon nopeampia.

Ympäristön lämpötilan kompensointi

Merkittävä käytännön ero näiden kahden instrumenttityypin välillä on niiden herkkyys ympäristön lämpötilalle instrumentin päässä. Bimetallilämpömittarit, koska niiden koko anturielementti on prosessilämpötilassa, eivät merkittävästi vaikuta ympäristön lämpötilan vaihteluihin kellotaulussa - bimetallikela reagoi vain varren lämpötilaan, ei ympäröivän ilman lämpötilaan kellotaulussa. Painelämpömittarit, erityisesti nestetäytteiset (luokka I) ja kaasutäytteiset (luokka III) järjestelmät, ovat herkkiä ympäristön lämpötilan muutoksille, koska kapillaarin ja Bourdon-putken täyttöväliaineeseen vaikuttaa myös ympäristön lämpötila, ei vain sipulin lämpötila. Tätä vaikutusta hallitaan kompensointilaitteilla – liikemekanismiin sisäänrakennetuilla bimetallikompensoijilla – mutta jäännösympäristön lämpötilavirhe voi olla merkittävä epätarkkuuden lähde ympäristöissä, joissa ympäristön lämpötilan vaihtelut ovat suuret.

Tarkkuus ja kalibrointi vertailu

Tyypillisiä bimetallilämpömittareiden sovelluksia

Bimetallilämpömittarit ovat yleisimmin käytetty paikallislukulämpömittari yleisissä teollisissa ja prosessisovelluksissa, ja niiden yksinkertaisuuden, alhaisten kustannusten, kestävyyden ja asennuksen helppouden yhdistelmä tekee niistä oletusvalinnan erittäin laajaan lämpötilanvalvontatehtäviin.

• LVI- ja talopalvelut: Meno- ja paluulämpötilojen valvonta lämmitys- ja jäähdytyspiireissä, ilmankäsittelykoneiden patterien, jäähdytysvesijärjestelmien sekä kattilan meno- ja paluulinjojen yhteydessä. Tavallisen bimetallilämpömittarin kompaktin varren ja säädettävän valitsin suunnan ansiosta se on helppo asentaa putkiin, joiden koko on ½ tuumaa ylöspäin.
• Teolliset putkistot ja astiat: Prosessinesteen lämpötilan valvonta pumpun tuloaukoissa, lämmönvaihtimen liitännöissä, varastosäiliön ulostuloissa ja sekoituspisteissä elintarvike-, kemian- ja lääketehtaissa. Terveysluokan bimetallilämpömittarit, joissa on hygieeniset prosessiliitännät, ovat vakiona elintarvikkeiden ja juomien valmistuksessa.
• Kompressorien ja koneiden valvonta: Öljyn lämpötilan, poistolämpötilan ja jäähdytysveden lämpötilan valvonta kompressoreissa, pumpuissa ja vaihteistoissa. Nestetäytteiset bimetallilämpömittarit ovat suositeltavia korkeavärähtelevissä koneissa, koska glyseriini- tai silikonitäyte vaimentaa osoittimen värähtelyä ja vähentää liikkeen mekaanista kulumista.
• Käyttövalvonta: Höyrynjakelujärjestelmät, paineilmalinjat, jäähdytystornipiirit ja yleiset putkistot, joissa lämpötilaa valvotaan toimintatietoisuuden vuoksi eikä tarkan prosessin ohjauksen vuoksi. Bimetallilämpömittarit näissä paikoissa ovat usein kustannustehokkain ja huollettavin vaihtoehto.

Painetermometrien tyypilliset sovellukset

Painelämpömittarit ovat kapeampi, mutta tärkeä käyttökohde, jonka määrittää ensisijaisesti tarve kauko-indikoinnille – lämpötilan lukeminen prosessin mittauspisteestä fyysisesti erillään olevassa paikassa – ja vaatimus täysin mekaanisesta, itsenäisestä instrumentista paikoissa, joissa elektroniset anturit eivät ole käytännöllisiä tai sallittuja.

• Kattilat ja paineastiat: Höyryn lämpötilan, syöttöveden lämpötilan ja savukaasujen lämpötilan valvonta paikoissa, joihin ei ole turvallista tai käytännössä mahdollista päästä suoraan lukemaan. Polttimo asennetaan mittauspisteeseen ja osoitinpää sijaitsee paikallisella paneelilla tai ohjauskortilla turvallisen etäisyyden päässä.
• Jäähdytys- ja kryogeeniset järjestelmät: Kaasutäytteisiä (luokka III) ja höyrynpaineisia (luokka II) painelämpömittareita käytetään jäähdytyslaitoksissa, kylmävarastoissa ja nestekaasujärjestelmissä, joissa lämpötilat ovat selvästi tavallisten bimetalliinstrumenttien alueen alapuolella. Mahdollisuus määrittää matalan lämpötilan täyttöjä laajentaa mittausalueen -200 °C:seen tai sen alle.
• Öljyn ja kaasun tuotantolaitokset: Kaivon pään lämpötilojen, erottimen lämpötilojen ja lämmönvaihtimen lähtölämpötilojen etälukeminen vaarallisiksi vyöhykkeiksi luokiteltujen prosessialueiden paikoissa, joissa sähkökomponenttien eliminointi on turvallisuusvaatimus. Täysmekaaninen painelämpömittari, jossa ei ole sähköisiä osia, on luonnostaan ​​turvallinen räjähdysvaarallisissa tiloissa.
• Meri- ja offshore-sovellukset: Konehuoneen lämpötilan valvonta laivoilla ja offshore-lautoilla, joissa korroosionkestävyys, mekaaninen kestävyys ja sähkötehovaatimusten puuttuminen ovat kaikki arvostettuja. Täysin ruostumattomasta teräksestä valmistetut painelämpömittarit Monel- tai Hastelloy-kapillaareilla on tarkoitettu kaikkein syövyttävimpiin meriympäristöihin.

Valinta bimetalli- ja painelämpömittarin välillä: Päätöskehys

Valinta bimetallilämpömittarin ja painelämpömittarin välillä on harvoin epäselvä, kun käyttövaatimukset on määritelty selkeästi. Seuraava päätöslogiikka kattaa yleisimmät erottavat tekijät:

• Jos lukupisteen on oltava kaukana mittauspisteestä: Valitse painelämpömittari. Bimetalliset instrumentit eivät voi erottaa tunnistus- ja näyttötoimintojaan. Lampun ja pään välinen etäisyys, kapillaarin reititys ja tarvittava kapillaarin pituus tulee määrittää tilausvaiheessa.
• Jos sovellukseen liittyy voimakasta tärinää: Molempia tyyppejä on saatavana tärinää kestävinä versioina (nestetäytteiset bimetallimittarit; Bourdon-putkipainelämpömittarit glyseriinitäytteellä). Painelämpömittarit, joissa on suurempi massa Bourdon-elementtejä, ovat yleensä kestävämpiä jatkuvassa tärinäolosuhteissa kuin bimetalliset instrumentit.
• Jos ympäristön lämpötila instrumentin päässä vaihtelee suuresti: Valitse bimetallilämpömittari, jonka lukemaan ympäristön lämpötila ei vaikuta kellotaulussa, tai määritä luokan II höyrynpainelämpömittari, jos tarvitaan myös etäluenta. Vältä kompensoimattomia luokan I nestetäytteisiä painelämpömittareita ympäristöissä, joissa ympäristön lämpötilan vaihtelut ovat suuret.
• Jos mittauslämpötila on alle -70°C: Painelämpömittari kryogeenisellä täytteellä on ainoa käytännöllinen mekaaninen vaihtoehto. Bimetalliset instrumentit eivät voi toimia luotettavasti alle -70 °C:n lämpötiloissa, koska bimetalliseokset ovat hauraita ja laajenemiserot heikkenevät erittäin alhaisissa lämpötiloissa.
• Jos kustannukset ja yksinkertaisuus ovat yksinkertaisen putkiston valvontasovelluksen ensisijaiset kriteerit: Valitse bimetallilämpömittari. Se on halvempi, helpompi asentaa ja vaihtaa ja yksinkertaisempi kalibroida kentällä kuin painelämpömittari. Suurimpaan osaan teollisuuden yleisistä lämpötilanvalvontatehtävistä -70 °C - 400 °C saavutettavissa olevissa mittauspisteissä, bimetallilämpömittari on edelleen käytännöllisin ja kustannustehokkain valinta.