Hvad er forskellen mellem et bimetaltermometer og et tryktermometer?

Temperaturmåling i industri-, proces- og maskintekniske applikationer bygger på flere fundamentalt forskellige fysiske principper, og valg af den forkerte instrumenttype til en given applikation kan resultere i dårlig nøjagtighed, for tidlig fejl, sikkerhedsrisici eller unødvendige omkostninger. To af de mest udbredte mekaniske termometertyper - bimetaltermometeret og tryktermometeret (også kaldet et gasaktiveret eller fyldt systemtermometer) - sammenlignes ofte direkte, fordi begge er lokalt læsende, selvstændige instrumenter, der ikke kræver nogen ekstern strømforsyning. Men deres driftsprincipper, konstruktion, ydelseskarakteristika og ideelle applikationer adskiller sig på vigtige og praktisk meningsfulde måder. Denne artikel undersøger begge instrumenttyper i dybden for at hjælpe ingeniører, fabriksoperatører og indkøbsspecialister med at foretage et informeret valg.

Sådan fungerer et bimetaltermometer

A bimetal termometer fungerer efter princippet om differentiel termisk udvidelse mellem to forskellige metaller, der er permanent bundet sammen langs deres længde. Når kompositstrimlen opvarmes eller afkøles, udvider eller trækker de to metaller sig sammen med forskellige hastigheder - styret af deres respektive termiske ekspansionskoefficienter - hvilket får den bundne strimmel til at krumme i forhold til temperaturændringen. Ved at vikle denne bimetalstrimmel ind i en spiral- eller spiralspole og forbinde den ene ende med et fast anker, mens den anden ende driver en viser gennem en mekanisk forbindelse, omsættes spolendens rotationsbevægelse til en viserafbøjning over en kalibreret skala.

Den metalparring, der oftest anvendes i bimetaltermometre, er Invar (en nikkel-jernlegering med en ekstremt lav termisk udvidelseskoefficient) bundet til en højekspansionslegering såsom messing, kobber eller rustfrit stål. Invars ekspansionshastighed nær nul maksimerer differensbevægelsen for en given temperaturændring, hvilket forbedrer følsomheden og skalaen. Den spiralformede spoleform foretrækkes frem for en simpel flad spiral i skivetermometre, fordi den tillader et længere bimetalelement inden for en kompakt skaftdiameter, hvilket øger vinkelrotationen pr. grad af temperaturændring og derfor forbedrer læsbarheden og nøjagtigheden.

Føleelementet - den spiralformede bimetalspole - er anbragt i en beskyttende termobrønd eller nedsænkningsstamme, der indsættes i procesmediet, der måles. Stilken overfører varme fra mediet til bimetalelementet, mens det beskytter det mod direkte kontakt med væsken. Skivehovedet, der indeholder viseren, skalaen og nogle gange et beskyttende vindue, er monteret på toppen af ​​stilken og aflæser temperaturen direkte. Ingen elektrisk strøm, ekstern signalbehandling eller fjernudlæsningsudstyr er påkrævet - hele måle- og indikationskæden er mekanisk.

Sådan fungerer et tryktermometer

Et tryktermometer - mere præcist beskrevet som et fyldt termisk system eller damptryktermometer - fungerer efter et helt andet fysisk princip. Et forseglet system bestående af en pære (føleelementet), et kapillarrør og et Bourdon rørtrykelement er fyldt med et temperaturfølsomt stof - enten en gas, en væske, en damp eller en kombination - og hermetisk forseglet. Når pæren udsættes for procestemperaturen, udvider påfyldningsmediet sig (i væskefyldte og gasfyldte systemer) eller genererer et karakteristisk damptryk (i damptryksystemer), hvilket øger trykket i hele det forseglede system. Bourdon-røret ved instrumentenden reagerer på denne trykændring ved at rette sig let ud, og driver en pegepind gennem en mekanisk forbindelse for at angive temperatur på en kalibreret skala.

SAMA (Scientific Apparatus Makers Association) klassifikationen opdeler fyldte termiske systemer i fire klasser baseret på påfyldningsmediet. Klasse I-systemer bruger en væskefyldning (typisk silikoneolie eller kviksølv i ældre instrumenter), Klasse II-systemer bruger en damptrykfyldning (en væske-dampblanding, der udnytter mætningskurven for påfyldningsvæsken), Klasse III-systemer bruger en gaspåfyldning (typisk nitrogen), og Klasse V-systemer bruger kviksølv. Hver klasse har forskellige temperaturområder, krav til kompensation for omgivende temperatur og nøjagtighedskarakteristika, men alle deler det fælles træk ved en fjernpære, der er forbundet med en kapillar til indikeringshovedet - en funktion, der gør det muligt at adskille målepunktet og aflæsningspunktet fysisk med afstande på op til flere meter.

Vigtigste strukturelle og operationelle forskelle

Mens begge instrumenter leverer en lokal mekanisk temperaturaflæsning uden ekstern strøm, skaber deres interne konstruktion betydelige driftsforskelle, der direkte påvirker deres egnethed til forskellige applikationer.

Placering af sensorelementer og fjernaflæsning

I et bimetaltermometer er følerelementet (bimetalspolen) placeret inde i instrumentstangen, direkte under drejehovedet. Skiven skal derfor placeres ved eller meget tæt på målepunktet - typisk inden for et par centimeter fra procesforbindelsen. Dette begrænser bimetaltermometre til applikationer, hvor direkte adgang til målepunktet for aflæsning er praktisk og sikker. I modsætning hertil adskiller et tryktermometer pæren (føleelementet) fra indikeringshovedet via et kapillarrør, der kan føres rundt om forhindringer, gennem vægge eller over betydelige afstande. Denne fjernaflæsningsevne gør tryktermometre essentielle i applikationer, hvor målepunktet er fysisk utilgængeligt, på et farligt sted, i høj højde, eller hvor personalet ikke må nærme sig processen under drift.

Svartid

Bimetaltermometre har en relativt langsom termisk respons sammenlignet med andre temperatursensortyper, fordi varme skal ledes fra procesvæsken gennem termobrøndens væg og ind i bimetalelementet, før indikationen ændres. Responstider er typisk i intervallet 30-120 sekunder for at nå 90 % af en trinændring i procestemperatur, afhængigt af spindeldiameter, termobrøndmateriale og procesvæskehastighed. Tryktermometre med store pærer nedsænket direkte i procesvæsken har noget hurtigere respons for væskefyldte systemer, selvom kapillæren introducerer en lille ekstra forsinkelse. Ingen af ​​instrumenttyperne er egnede til applikationer, der kræver hurtig temperatursporing - elektroniske sensorer såsom termoelementer eller RTD'er med tyndvæggede termobrønde er langt hurtigere.

Omgivelsestemperaturkompensation

En væsentlig praktisk forskel mellem de to instrumenttyper er deres følsomhed over for omgivende temperatur ved instrumenthovedet. Bimetaltermometre, fordi hele deres følerelement er ved procestemperaturen, påvirkes ikke væsentligt af ændringer i omgivelsestemperaturen ved skiven - bimetalspolen reagerer kun på temperaturen ved stilken, ikke temperaturen af ​​den omgivende luft ved skiven. Tryktermometre, især væskefyldte (Klasse I) og gasfyldte (Klasse III) systemer, er følsomme over for ændringer i omgivelsernes temperatur, fordi påfyldningsmediet i kapillarrøret og Bourdonrøret også påvirkes af omgivelsestemperaturen, ikke kun temperaturen ved pæren. Denne effekt styres gennem kompensationsenheder - bimetalliske kompensatorer indbygget i bevægelsesmekanismen - men resterende omgivende temperaturfejl kan være en meningsfuld kilde til unøjagtighed i miljøer med store udsving i omgivelsestemperaturen.

Nøjagtighed og kalibreringssammenligning

Typiske anvendelser for bimetal termometre

Bimetaltermometre er det mest udbredte termometer til lokalaflæsning i generelle industri- og procesapplikationer, og deres kombination af enkelhed, lave omkostninger, robusthed og nem installation gør dem til standardvalget til en meget bred vifte af temperaturovervågningsopgaver.

• VVS og bygningsydelser: Overvågning af fremløbs- og returtemperaturer i varme- og kølekredsløb, aggregatspoler, kølevandssystemer og kedelfremløbs- og returledninger. Den kompakte frempind og justerbare skiveorientering af et standard bimetaltermometer gør det nemt at installere i rørstørrelser fra ½ tomme opad.
• Industrielt rør og fartøjer: Overvågning af procesvæsketemperatur ved pumpeindløb, varmevekslerforbindelser, lagertankudløb og blandepunkter i fødevareforarbejdnings-, kemiske og farmaceutiske anlæg. Bimetaltermometre af sanitær kvalitet med hygiejniske procesforbindelser er standard i fødevare- og drikkevareforarbejdning.
• Kompressor- og maskinovervågning: Overvågning af olietemperatur, afgangstemperatur og kølevandstemperatur på kompressorer, pumper og gearkasser. Væskefyldte dial-bimetaltermometre foretrækkes i højvibrerende maskiner, fordi glycerin- eller silikonefyldet dæmper viseroscillation og reducerer mekanisk slid på bevægelsen.
• Forsyningsovervågning: Dampdistributionssystemer, trykluftledninger, køletårnskredsløb og generelle rørledninger, hvor temperaturen overvåges for driftsbevidsthed frem for præcis processtyring. Bimetaltermometre på disse steder er ofte den mest omkostningseffektive og vedligeholdelsesvenlige løsning.

Typiske anvendelser for tryktermometre

Tryktermometre indtager en snævrere, men vigtig anvendelsesniche, der primært er defineret af behovet for fjernindikation - aflæsning af temperatur på et sted, der er fysisk adskilt fra procesmålepunktet - og kravet om et fuldt mekanisk, selvstændigt instrument på steder, hvor elektroniske sensorer ikke er praktiske eller tilladte.

• Kedler og trykbeholdere: Overvågning af damptemperatur, fødevandstemperatur og røggastemperatur på steder, der ikke er sikkert eller praktisk tilgængelige for direkte aflæsning. Pæren er installeret ved målepunktet, og indikatorhovedet er placeret på et lokalt panel eller kontroltavle i sikker afstand.
• Køle- og kryogensystemer: Gasfyldte (Klasse III) og damptryk (Klasse II) tryktermometre bruges i køleanlæg, køleanlæg og flydende gassystemer, hvor temperaturen strækker sig langt under intervallet for standard bimetalinstrumenter. Muligheden for at specificere lavtemperaturfyldninger udvider måleområdet til -200°C og derunder.
• Olie- og gasproduktionsfaciliteter: Fjernaflæsning af brøndhovedtemperaturer, separatortemperaturer og varmevekslerudgangstemperaturer på steder i procesområder, der er klassificeret som farlige zoner, hvor eliminering af eventuelle elektriske komponenter er et sikkerhedskrav. Et fuldmekanisk tryktermometer uden elektriske dele er i sagens natur sikkert i eksplosive atmosfærer.
• Marine og offshore applikationer: Overvågning af maskinrumstemperatur på skibe og offshore platforme, hvor korrosionsbestandighed, mekanisk robusthed og fravær af elektriske strømkrav alle værdsættes. Tryktermometre i helt rustfrit stål med Monel- eller Hastelloy-kapillærer er specificeret til de mest ætsende havmiljøer.

Valg mellem et bimetal- og tryktermometer: Beslutningsramme

Valget mellem et bimetaltermometer og et tryktermometer er sjældent tvetydigt, når anvendelseskravene er klart definerede. Følgende beslutningslogik dækker de mest almindelige differentierende faktorer:

• Hvis aflæsningspunktet skal være fjernt fra målepunktet: Vælg et tryktermometer. Bimetalinstrumenter kan ikke adskille deres føle- og indikeringsfunktioner. Afstanden mellem pæren og hovedet, kapillærens føring og den nødvendige kapillarlængde bør alle specificeres ved bestilling.
• Hvis applikationen involverer høje vibrationer: Begge typer fås i vibrationsbestandige udgaver (væskefyldte bimetalskiver; Bourdon rørtryktermometre med glycerinfyld). Tryktermometre med deres større masse Bourdon-elementer er generelt mere robuste i vedvarende højvibrationsmiljøer end bimetalinstrumenter.
• Hvis den omgivende temperatur ved instrumenthovedet varierer meget: Vælg et bimetaltermometer, hvis aflæsning ikke påvirkes af omgivelsestemperaturen ved skiven, eller angiv et Klasse II damptrykstermometer, hvis fjernaflæsning også er påkrævet. Undgå ukompenserede klasse I væskefyldte tryktermometre i miljøer med store udsving i omgivelsestemperaturen.
• Hvis måletemperaturen er under -70°C: Et tryktermometer med kryogen fyldning er den eneste praktiske mekaniske mulighed. Bimetalinstrumenter kan ikke pålideligt fungere ved temperaturer under ca. -70°C på grund af skørhed og tab af differentiel udvidelse i bimetallegeringer med meget lav temperatur.
• Hvis omkostninger og enkelhed er de primære kriterier for en enkel applikation til overvågning af rørledninger: Vælg et bimetal termometer. Det er billigere, lettere at installere og udskifte og lettere at kalibrere i marken end et tryktermometer. Til langt de fleste generelle industrielle temperaturovervågningsopgaver i området -70°C til 400°C ved tilgængelige målepunkter er bimetaltermometeret fortsat det mest praktiske og omkostningseffektive valg.