Термометры

Термометры: классификация, принципы действия и применение в электротехнике и энергетике

Контроль температуры является критически важной задачей в электротехнике и энергетике. Перегрев оборудования ведет к ускоренному старению изоляции, снижению КПД, термическим деформациям и, в конечном итоге, к аварийным отказам. Термометры, как средства измерения температуры, обеспечивают безопасность, надежность и эффективность работы силовых трансформаторов, электрических машин, распределительных устройств, кабельных линий и других объектов. Выбор типа термометра определяется диапазоном измерений, требуемой точностью, условиями эксплуатации, необходимостью дистанционной передачи сигнала и интеграцией в системы АСУ ТП.

Классификация и принципы действия термометров

Термометры, применяемые в электротехнической отрасли, можно разделить на две крупные группы: контактные и бесконтактные. Контактные термометры требуют физического контакта чувствительного элемента с объектом измерения, бесконтактные измеряют тепловое излучение объекта.

Контактные термометры

1. Термометры расширения

Принцип действия основан на изменении объема или линейных размеров вещества при изменении температуры.

• Стеклянные жидкостные: Используют тепловое расширение жидкости (ртуть, органические жидкости) в стеклянном капилляре. Применяются для локального контроля в лабораторных условиях и на некоторых типах оборудования, но их использование сокращается из-за хрупкости и токсичности ртути.
• Биметаллические: Чувствительный элемент из двух металлов с разным коэффициентом линейного расширения, спаянных по всей длине. При нагреве пластина изгибается, что через механическую систему приводит к перемещению стрелки по шкале. Широко применяются для встроенного контроля температуры в силовых трансформаторах, масляных выключателях, электродвигателях. Отличаются простотой, надежностью и автономностью.
• Манометрические: Состоят из термобаллона, капилляра и трубчатой пружины (манометра). Система заполнена жидкостью, газом или парожидкостной смесью. Изменение температуры в баллоне вызывает изменение давления в системе, которое деформирует пружину и перемещает стрелку. Позволяют осуществлять дистанционный контроль на расстоянии до 60 м.

2. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Принцип действия основан на эффекте Зеебека: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает термо-ЭДС, если места спаев имеют разную температуру. Один спай (рабочий) помещается в зону измерения, второй (свободный) поддерживается при известной температуре.

• Преимущества: Широкий диапазон измерений (от -200 до +2500°C), малая инерционность, возможность измерений в точках малых размеров, прочность.
• Недостатки: Необходимость компенсации температуры свободных концов, относительно невысокая точность без калибровки, необходимость использования удлиняющих проводов из специальных материалов.

Основные типы термопар, используемые в энергетике:

Тип (МЭК)	Материалы	Диапазон, °C	Применение
K (ТХА)	Хромель-Алюмель	-200…+1200	Измерение температуры газов, жидкостей, поверхностей в котлах, турбинах, печах.
J (ТЖК)	Железо-Константан	-100…+1200	Восстановительные среды, вакуум.
T (ТМКн)	Медь-Константан	-250…+400	Криогенные измерения, низкотемпературные участки.
S (ТПП)	Платинородий (10%)-Платина	0…+1600	Высокотемпературные измерения в котлоагрегатах.

3. Термопреобразователи сопротивления (ТС)

Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления проводника или полупроводника от температуры.

• Платиновые ТС (Pt100, Pt500, Pt1000): Наиболее распространены в промышленности. Чувствительный элемент из платиновой проволоки или напыления. Обладают высокой стабильностью, воспроизводимостью и точностью. Номинальная статическая характеристика (НСХ) Pt100: R0 = 100 Ом при 0°C. Диапазон измерений: -200…+850°C.
• Медные ТС (Cu50, Cu100): Имеют линейную зависимость сопротивления от температуры. Применяются для измерения в диапазоне -50…+200°C, часто в обмотках электрических машин и трансформаторов.
• Полупроводниковые термисторы (NTC, PTC): Обладают высоким температурным коэффициентом сопротивления. Используются преимущественно в системах защиты и теплового контроля (например, позисторы для защиты обмоток электродвигателей).

ТС подключаются по 2-, 3- или 4-проводной схеме для компенсации сопротивления подводящих проводов.

4. Термометры цифровые (электронные)

Представляют собой комплекс из первичного преобразователя (термопара, ТС), вторичного электронного преобразователя (нормализатора сигнала, АЦП) и цифрового индикатора. Могут иметь выходные сигналы для связи: токовый (4-20 мА), напряжение (0-10 В), цифровой (HART, Profibus, Modbus).

Бесконтактные термометры (пирометры)

Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта в инфракрасном диапазоне. Позволяют измерять температуру движущихся объектов, объектов под высоким напряжением, труднодоступных точек без физического контакта.

• Яркостные: Сравнивают яркость излучения объекта с яркостью эталонного источника.
• Радиационные: Измеряют полную энергию излучения объекта.
• Цветовые (мультиспектральные): Сравнивают энергию излучения на разных длинах волн.

Ключевые параметры: оптическое разрешение (показатель визирования), диапазон спектральной чувствительности, эмиссионность (степень черноты) объекта.

Применение в электротехнике и энергетике

1. Силовые трансформаторы и реакторы

• Верхних слоев масла (ТВМ): Биметаллические или манометрические термометры со шкалой до 120-150°C. Устанавливаются на крышке бака.
• Точечные измерения: Термопреобразователи сопротивления (Pt100), встроенные в медные или алюминиевые гильзы, размещаются в наиболее нагретых точках обмотки (система TOT — Temperature On-line Transformer). Данные передаются на устройство тепловой защиты и мониторинга.
• Тепловизионный контроль: Пирометры и тепловизоры для периодического контроля нагрева контактных соединений, баков, радиаторов при эксплуатации под нагрузкой.

2. Электрические машины (двигатели, генераторы)

• Встроенные датчики: В обмотки статора и ротора (через щеточный аппарат) внедряются термопреобразователи сопротивления (Pt100 или Cu10) или терморезисторы (PTC). Они подключаются к реле тепловой защиты, отключающему машину при превышении установленной температуры.
• Контроль подшипников: Термопары типа K или ТС, устанавливаемые в непосредственной близости от тел качения, для контроля смазки и предотвращения заклинивания.

3. Распределительные устройства и высоковольные выключатели

• Контактные соединения шин и кабельных наконечников: Постоянный контроль с помощью беспроводных датчиков температуры с передачей данных по радиоканалу или периодический контроль тепловизорами.
• Комплектные распределительные устройства (КРУ): Системы непрерывного мониторинга температуры с использованием оптоволоконных датчиков или матриц беспроводных датчиков, интегрированные в систему Smart Grid.
• Выключатели: Контроль температуры контактов и дугогасительной среды.

4. Кабельные линии

• Распределенный контроль температуры по длине кабеля (DTS): Используется оптоволоконный кабель, выполняющий роль чувствительного элемента. На основе эффекта комбинационного (рамановского) рассеяния света определяется температура вдоль всей трассы с точностью до метра. Критически важно для кабелей в туннелях, коллекторах, для определения точек перегрузки.
• Точечный контроль в муфтах и концевой арматуре: Установка термопар или ТС в местах соединений для мониторинга состояния контактов.

Критерии выбора термометра для электротехнических применений

Критерий	Вопросы для выбора	Рекомендуемые типы
Диапазон измерений	Минимальная и максимальная ожидаемая температура?	Биметалл: -70…+600°C. ТС Pt100: -200…+850°C. Термопара K: до +1200°C. Пирометр: от -50 до +3000°C.
Точность и стабильность	Требуется ли высокая точность или долгосрочная стабильность?	Высшая точность: платиновые ТС класса AA, A. Для средних условий: термопары. Для трендов: биметалл.
Условия эксплуатации	Взрывоопасная зона, вибрация, влажность, ЭМ помехи?	Исполнение взрывозащищенное (Ex), виброустойчивые сенсоры, герметичные корпуса (IP67), экранированные провода.
Тип выходного сигнала	Нужен ли локальный указатель, аналоговый или цифровой сигнал для АСУ ТП?	Локальный: биметалл, манометрический. Для АСУ: ТС/термопара с преобразователем 4-20 мА или цифровым выходом.
Время отклика	Как быстро нужно отслеживать изменения температуры?	Малые постоянные времени: термопары в миниатюрных чехлах, поверхностные датчики. Для медленных процессов подойдут ТС в гильзах.
Объект измерения	Поверхность, жидкость, газ, внутренняя точка, движущийся объект?	Поверхность: контактные датчики с плоским сенсором или пирометры. Внутренняя точка: погружные гильзы. Движущийся объект/под напряжением: только пирометр.

Монтаж и эксплуатационные особенности

Правильный монтаж определяет точность и надежность измерения.

• Термометрические гильзы: Обязательны для ТС и термопар при измерении температуры жидкостей и газов под давлением. Материал гильзы (нержавеющая сталь, инконель) должен быть химически стойким к среде. Для ускорения отклика используют гильзы с залитым теплопроводным материалом.
• Контакт поверхностных датчиков: Плоскость датчика должна плотно прилегать к поверхности. Используется теплопроводная паста для уменьшения теплового сопротивления. Место установки должно быть защищено от прямого обдува и теплового излучения посторонних источников.
• Компенсация длины проводов: Для термопар необходимо применение удлинительных или компенсационных проводов соответствующего типа. Для 2-проводной схемы включения ТС требуется калибровка с учетом сопротивления линии.
• Поверка и калибровка: Периодическая поверка эталонными термометрами в контрольных точках (например, при 0°C в тающем льду и при 100°C в кипящей воде) необходима для поддержания метрологических характеристик. Встроенные в ответственное оборудование датчики должны проходить поверку с установленной регламентом периодичностью.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается термопара от термопреобразователя сопротивления (RTD)?

Термопара генерирует напряжение (термо-ЭДС) за счет разности температур двух спаев разнородных металлов. Термопреобразователь сопротивления (RTD, ТС) изменяет свое электрическое сопротивление при изменении температуры. ТС (особенно платиновые) generally обеспечивают более высокую точность и стабильность в среднем диапазоне температур (-200…+600°C), но имеют большие размеры и более высокую стоимость. Термопары прочнее, работают при более высоких температурах, имеют меньший размер чувствительного элемента, но требуют компенсации температуры свободных концов и менее точны.

Как правильно выбрать тип термопары (K, J, S и т.д.) для электротехнического применения?

Выбор определяется диапазоном температур, средой и требуемой точностью. Для большинства задач в энергетике (газы, поверхности, неагрессивные жидкости) до 1200°C применяется тип K (хромель-алюмель) как универсальный и недорогой. Для восстановительных или вакуумных сред может подойти тип J. Для высокоточных измерений в окислительной атмосфере при высоких температурах (например, в котельных установках) используют типы S или R. Тип T (медь-константан) оптимален для криогенных и низкотемпературных измерений.

Почему для измерения температуры обмотки трансформатора часто используют Pt100, а не термопару?

Платиновый ТС Pt100 обеспечивает более высокую точность и стабильность в диапазоне рабочих температур обмотки трансформатора (до 150-200°C). Его сигнал (сопротивление) легче и точнее измерить на расстоянии, он менее подвержен влиянию помех. Термопара в данном случае даст менее точный результат из-за необходимости точной компенсации температуры свободных концов, которая может находиться далеко от точки измерения.

Что такое «оптическое разрешение» у пирометра и почему оно важно для энергетиков?

Оптическое разрешение, или показатель визирования (D:S), определяет соотношение расстояния до объекта (D) к диаметру измеряемого пятна (S). Например, разрешение 10:1 означает, что с расстояния 10 метров пирометр измеряет температуру пятна диаметром 1 метр. Для точечного контроля температуры контакта на шине или соединения в КРУ необходимо высокое разрешение (например, 50:1 или 100:1), чтобы исключить влияние фона от соседних холодных или горячих объектов. Низкое разрешение приведет к усреднению показаний и невозможности выявить локальный перегрев.

Как осуществляется защита электродвигателей от перегрева с помощью термометров?

Используются две основные схемы. 1) Встроенные датчики PTC (позисторы): Несколько датчиков, включенных последовательно, встраиваются в обмотки статора. При превышении критической температуры сопротивление датчиков резко возрастает, что вызывает срабатывание реле, отключающего двигатель. 2) Термопреобразователи сопротивления (Pt100): По три датчика на фазу встраиваются в обмотки. Их сопротивления измеряются специальным монитором температуры, который выдает сигнал предупреждения и отключения, а также может передавать данные в SCADA-систему. Вторая схема более информативна и позволяет отслеживать тренд температуры.

Каковы преимущества распределенных систем измерения температуры на основе оптоволокна (DTS) для кабельных линий?

Основные преимущества: непрерывный профиль температуры по всей длине линии (десятки километров) с пространственным разрешением около 1 метра; отсутствие электрических компонентов в зоне измерения, что обеспечивает безопасность и устойчивость к ЭМП; долговечность и коррозионная стойкость оптического волокна; возможность раннего обнаружения локальных перегревов в местах повреждения, внешних воздействий или перегрузки, что позволяет перейти от планово-предупредительного ремонта к ремонту по фактическому состоянию.

Нужно ли калибровать биметаллические термометры на трансформаторах?

Да, периодическая поверка/калибровка встроенных биметаллических указателей температуры необходима. Со временем механические свойства биметаллической спирали могут меняться из-за вибрации и постоянного термического циклирования, что приводит к погрешности. Поверка осуществляется сравнением показаний с эталонным термометром в контрольных точках (например, при рабочей температуре масла). Многие современные биметаллические термометры имеют возможность внешней корректировки показаний.