Термометры биметаллические (БТ): устройство, принцип действия, классификация и применение в электротехнике и энергетике

Термометры биметаллические (общепринятое обозначение – БТ) представляют собой класс показывающих приборов для непосредственного измерения температуры поверхностей (в основном, трубопроводов, корпусов оборудования, стенок аппаратов) и жидких сред в различных отраслях промышленности. Их ключевое преимущество – полная автономность, отсутствие необходимости в источнике питания, внешних линиях связи или дополнительных преобразователях, что обеспечивает высокую надежность, простоту монтажа и эксплуатации. В электротехнической и кабельной продукции, а также в смежных областях энергетики они нашли широчайшее применение для контроля теплового состояния оборудования.

Принцип действия и конструктивное исполнение

Работа биметаллического термометра основана на физическом явлении различия коэффициентов линейного температурного расширения (КТЛР) у двух прочно соединенных между собой металлических пластин или лент. Эта сборка называется биметаллическим элементом. При изменении температуры такой элемент изгибается в сторону материала с меньшим КТЛР. Величина изгиба пропорциональна изменению температуры.

Конструктивно термометр БТ состоит из следующих основных узлов:

• Чувствительный биметаллический элемент: Выполнен в виде спирали или плоской спирали (геликоида) для увеличения рабочей длины и, следовательно, точности и угла поворота. Изготавливается из пар материалов, например: инвар (малый КТЛР) и немагнитная сталь или специальные сплавы на основе никеля.
• Стрелочный механизм: Преобразует механическое перемещение конца биметаллической спирали в угловое движение стрелки.
• Цилиндрический корпус (гильза): Защищает внутренний механизм от внешних воздействий. Имеет резьбу для монтажа в подготовленное отверстие или в thermowell (гильзу).
• Циферблат (шкала): Градуируется в градусах Цельсия (°C), реже – в Фаренгейтах (°F). Шкала может быть круговой (на 270° или 300°) или секторной.
• Задняя крышка (уплотнительное кольцо): Обеспечивает герметичность корпуса.
• Крепежная гайка (штуцер): Для фиксации прибора на объекте измерения. Стандартные резьбы: M16x1.5, G½, ½»NPT.

Классификация и технические характеристики

Биметаллические термометры классифицируются по ряду ключевых параметров, определяющих область их применения.

1. По типу исполнения (конструкции)

• Осевые (осевого действия): Ось чувствительного элемента совпадает с осью присоединительного штуцера. Стрелка движется перпендикулярно оси монтажа. Применяются, когда точка монтажа расположена соосно с контролируемой зоной.
• Радиальные (радиального действия): Ось чувствительного элемента расположена под углом 90° к оси присоединительного штуцера. Стрелка движется параллельно оси монтажа. Наиболее распространенный тип, удобный для считывания показаний при боковом расположении прибора.
• Универсальные (с регулируемым углом наклона): Корпус с циферблатом может поворачиваться относительно штуцера, что позволяет выбрать оптимальный угол для визуализации показаний после монтажа.

2. По классу точности

Класс точности определяет максимально допустимую основную приведенную погрешность в процентах от диапазона измерения.

• Класс 1,0: Высокая точность (±1% от диапазона).
• Класс 1,5: Наиболее распространенный класс для промышленного применения.
• Класс 2,5: Применяется для задач, не требующих высокой точности.

Пример: Для термометра с диапазоном 0-150°C, класс точности 1,5 означает допустимую погрешность ±2,25°C.

3. По диапазону измеряемых температур

Диапазоны стандартизированы. Выбор зависит от рабочей температуры контролируемого объекта.

Диапазон измерения, °C	Типичная область применения в энергетике
-40…+60	Контроль температуры в помещениях КРУ, щитовых, кабельных тоннелях.
0…+50	Контроль температуры масла в расширительных баках трансформаторов (верхние слои).
0…+100	Контроль температуры подшипников электродвигателей, корпусов редукторов, теплоносителя в системах охлаждения.
0…+150	Контроль температуры на выводах силового оборудования, нагревательных элементов, паропроводов низкого давления.
0…+200, 0…+300	Контроль температуры пара, перегретого теплоносителя, дымовых газов (с применением защитных гильз).
0…+400	Контроль температуры в котельных установках, турбинном оборудовании.

4. По диаметру корпуса (циферблата)

Определяет удобство считывания показаний с расстояния.

• 63 мм (реже 50 мм): Компактные приборы для щитов, шкафов, тесных мест.
• 100 мм: Наиболее распространенный размер для общего промышленного применения.
• 150 мм, 160 мм: Приборы для дистанционного считывания (устанавливаются на высоте, на удаленных трубопроводах).
• 250 мм: Для особо ответственных точек, где требуется контроль с большого расстояния.

5. По материалу корпуса и исполнению

• Корпус: Сталь обычная, нержавеющая сталь (AISI 304, 316), алюминий, пластик (для некоррозионных сред).
• Крышка (окно): Пластик, закаленное стекло, триплекс.
• Исполнение: Обычное, взрывозащищенное (Ex d, Ex ia), коррозионностойкое, виброустойчивое, погодозащищенное (IP55, IP65).

Монтаж и эксплуатация. Критические аспекты для энергетики

Правильный монтаж – залог долговечной и точной работы термометра БТ.

• Глубина погружения (длина погружаемой части, L): Должна соответствовать реальной глубине погружения в среду или гильзу. Нельзя допускать, чтобы чувствительный элемент находился в зоне температурного градиента. Стандартные длины: 50, 100, 150, 200, 250 мм и более.
• Использование защитной гильзы (thermowell): На агрессивных, высокоскоростных или высоконапорных средах (пар, химические жидкости) термометр всегда должен устанавливаться в отдельную гильзу. Это защищает чувствительный элемент от коррозии, эрозии и гидравлических ударов. Гильза изготавливается из стойких материалов (нержавеющая сталь, сталь с покрытием) и герметично вваривается в трубопровод.
• Монтаж на трубопровод: Чувствительный элемент должен быть направлен навстречу потоку среды или, как минимум, перпендикулярно ему для обеспечения лучшего теплового контакта. Установка против потока не рекомендуется.
• Теплопередача: Для уменьшения погрешности от охлаждения/нагрева через штуцер в условиях высоких или низких температур окружающей среды рекомендуется использовать изолирующие втулки или удлинители.
• Механические воздействия: Запрещается использовать корпус термометра в качестве рычага для затяжки. Затяжка производится только за шестигранник штуцера ключом соответствующего размера.

Области применения в электротехнике и энергетике

• Силовые трансформаторы и реакторы: Контроль температуры верхних слоев масла (термометры на крышке бака) и температуры активной части (термометры с выносным биметаллическим элементом, подключенным к термосигнализаторам).
• Электродвигатели и генераторы: Контроль температуры подшипников (радиальные и осевые термометры, встраиваемые в корпус подшипникового щита), температура охлаждающего воздуха или газа (водорода).
• Силовые кабельные линии и соединения: Контроль температуры на кабельных муфтах (среднего и высокого напряжения), в точках перехода через стены, в кабельных лотках и тоннелях для предотвращения перегрева и оценки состояния нагрузки.
• Распределительные устройства (КРУ, КСО): Контроль температуры на контактных соединениях шин, выводов выключателей, разъединителей. Раннее обнаружение перегрева позволяет предотвратить аварию.
• Системы охлаждения и теплообменники: Контроль температуры теплоносителя на входе и выходе, температура масла в системах смазки турбоагрегатов.
• Котельное и турбинное оборудование: Контроль температуры пара, питательной воды, подшипников турбин.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами термометров

Критерий	Биметаллический термометр (БТ)	Манометрический термометр	Электронный термометр (с датчиком Pt100, термопарой)
Принцип действия	Механический (биметалл)	Механический (давление жидкости/газа)	Электрический (изменение сопротивления/ТЭДС)
Питание	Не требуется	Не требуется	Требуется
Точность	Средняя (1.0-2.5%)	Средняя/низкая	Высокая (0.1-0.5%)
Дистанционная передача	Нет (только локальная индикация)	Возможна по капилляру (ограниченно)	Да, на любое расстояние
Стоимость	Низкая	Средняя	Средняя/высокая (с учетом вторичного прибора)
Надежность	Очень высокая, не боится вибрации (в разумных пределах), ЭМП	Средняя, капилляр уязвим к повреждениям	Зависит от электроники, чувствительна к ЭМП, влажности
Основное применение	Локальный визуальный контроль на трубопроводах, корпусах, где не требуется дистанционная передача.	Локальный и дистанционный (недалеко) контроль, часто в холодильных установках.	Точный контроль, регулирование, дистанционная передача в АСУ ТП.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Можно ли использовать биметаллический термометр для измерения температуры масла в трансформаторе без гильзы?

Нет, категорически не рекомендуется. Термометр должен устанавливаться в штатную гильзу (карман) на крышке трансформатора, предусмотренную конструкцией. Это обеспечивает правильную теплопередачу, возможность замены прибора без остановки трансформатора и слива масла, а также защиту от вибраций.

2. Что делать, если стрелка термометра не возвращается к нулю после извлечения из среды?

Это может свидетельствовать о необратимой деформации (остаточной деформации) биметаллического элемента из-за перегрева за пределы верхнего предела шкалы или механического удара. Такой термометр подлежит замене. Калибровке и ремонту в полевых условиях он не подлежит.

3. Как выбрать длину погружаемой части (L)?

Длина погружаемой части должна быть не менее, чем глубина погружения в контролируемую среду или защитную гильзу. Оптимально – равна ей. Если термометр с короткой гильзой установить в глубокий карман, он будет измерять температуру не основной среды, а воздуха в верхней части кармана, что приведет к значительной погрешности.

4. В чем разница между термометром БТ и ТБ?

ТБ – это, как правило, обозначение технического биметаллического термометра. По сути, это одно и то же. Иногда под ТБ понимают более простые модели, а под БТ – приборы с корпусом из нержавеющей стали и улучшенными характеристиками, но строгого стандарта здесь нет. Важно ориентироваться на технические характеристики, а не на буквенное обозначение.

5. Можно ли устанавливать биметаллический термометр на вибрирующий трубопровод?

Да, но следует выбирать модели в виброустойчивом исполнении, которые имеют дополнительное демпфирование в механизме или усиленную конструкцию. Длительное воздействие сильной вибрации может привести к износу осей стрелочного механизма и преждевременному выходу прибора из строя.

6. Как часто требуется поверка биметаллических термометров?

Межповерочный интервал (МПИ) устанавливается для приборов, используемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений (ГРОЕИ). Обычно МПИ составляет 2-4 года. Для внутреннего технологического контроля на предприятии периодичность может устанавливаться внутренними документами (например, раз в 2 года). Поверка осуществляется сравнением с эталонным термометром в жидкостных термостатах.

7. Почему показания термометра, установленного на паропроводе, могут «отставать» от реальной температуры?

Это связано с инерционностью системы. Основные причины: наличие воздушного зазора между гильзой термометра и защитным чехлом (thermowell), плохой тепловой контакт, слишком массивный thermowell, а также собственная инерционность биметаллического элемента. Для динамичных процессов контроля лучше подходят электронные датчики с малой постоянной времени.

Заключение

Биметаллические термометры типа БТ остаются незаменимым инструментом для надежного, простого и наглядного локального контроля температуры в электроэнергетике и смежных отраслях. Их выбор должен основываться на тщательном анализе условий эксплуатации: диапазона температур, давления среды, необходимости дистанционной передачи, условий видимости и вибрации. Правильный монтаж с использованием защитных гильз на ответственных участках гарантирует длительный срок службы и достоверность показаний, что напрямую влияет на безопасность и безаварийность работы энергетического оборудования.