Термоманометры
Термоманометры: принцип действия, классификация и применение в энергетике
Термоманометр (термоманометрический преобразователь) – это измерительный прибор, предназначенный для одновременного или раздельного контроля двух ключевых параметров рабочей среды: температуры и давления. В энергетической отрасли, где процессы генерации, транспортировки и распределения энергии напрямую зависят от точного поддержания термодинамических параметров, данные устройства являются критически важным элементом систем контроля и автоматизации технологических процессов (АСУ ТП). Конструктивно термоманометр представляет собой комбинацию измерительных элементов: манометрического (чувствительного к давлению) и термометрического (чувствительного к температуре), интегрированных в общий корпус или измерительный блок с единым или раздельными выходными сигналами.
Принцип действия и конструктивные особенности
Принцип действия прибора основан на независимом преобразовании каждого измеряемого параметра в унифицированный выходной сигнал или показание на шкале.
- Измерение давления чаще всего реализуется с помощью следующих типов чувствительных элементов:
- Трубчатая пружина (пружинный манометр): изогнутая трубка эллиптического сечения, которая деформируется под действием давления. Деформация через механическую передачу преобразуется в перемещение стрелки по шкале.
- Мембранный элемент: круглая мембрана, которая прогибается под давлением. Прогиб либо механически передается на стрелку, либо преобразуется в электрический сигнал с помощью тензорезисторов, наклеенных на мембрану.
- Сильфонный элемент: оседе-сильфонная система, обладающая большей чувствительностью по сравнению с мембраной, применяется для измерения малых давлений и разрежений.
- Измерение температуры осуществляется одним из двух основных способов:
- Биметаллический элемент: используется в показывающих приборах. Состоит из двух сваренных металлических пластин с разным коэффициентом теплового расширения. При нагреве элемент изгибается, и это движение через систему рычагов приводит в движение стрелку на шкале температуры.
- Термопара или термосопротивление (RTD): используются в датчиках с электрическим выходным сигналом. Чувствительный элемент (сплав Pt100, Pt1000 для RTD или спай двух разнородных проводников для термопары) помещается в защитную гильзу (погружную часть) и соединяется с измерительным преобразователем, который генерирует стандартный сигнал (4-20 мА, 0-10 В) или цифровой протокол (HART, Profibus PA).
- Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и котельные: Контроль давления и температуры пара на выходе из парогенератора, в промперегреве, на входе в турбину. Мониторинг параметров питательной воды, конденсата, теплоносителя в сетевых контурах. Обеспечение безопасности и эффективности цикла Ренкина.
- Атомные электростанции (АЭС): Контроль параметров в первом и втором контурах, системах охлаждения. Применяются приборы с повышенными требованиями к надежности, радиационной стойкости и сейсмостойкости.
- Газотурбинные и парогазовые установки (ГТУ, ПГУ): Измерение давления и температуры газа перед турбиной, температуры выхлопных газов, параметров воздуха на входе в компрессор. Критически важны для управления процессом горения и предотвращения помпажа.
- Гидроэлектростанции (ГЭС): Контроль давления в системах смазки и регулирования гидроагрегатов, в системах техводоснабжения.
- Тепловые сети: Контроль параметров теплоносителя (температуры и давления) в подающем и обратном трубопроводах на тепловых пунктах (ИТП, ЦТП). Позволяют соблюдать температурный график и выявлять потери.
- Системы хранения энергии и компрессорные станции: Мониторинг давления и температуры в резервуарах, баллонах, воздухосборниках.
- Выбор диапазонов: Рабочее значение параметра должно находиться в средней трети шкалы (для аналоговых приборов) или диапазона измерения (для электронных) для минимизации погрешности.
- Выбор материалов: Материалы мембраны, гильзы, корпуса (сталь 12Х18Н10Т, Hastelloy, Monel) должны быть химически стойкими к измеряемой среде (пар, агрессивные газы, масло).
- Условия эксплуатации: При высоких вибрациях (насосы, компрессоры) выбирают приборы с заполненным глицерином корпусом и мембранными разделителями. Во взрывоопасных зонах – исполнение с маркировкой Exia, Exd.
- Монтажные особенности:
- Для измерения температуры пара и других газов гильза должна погружаться в поток на глубину не менее 50-70 мм.
- При монтаже в трубопровод с высокой температурой среды (>100°C) необходимо использование радиационных гильз или монтажных бобышек для снижения тепловой нагрузки на преобразователь.
- Подключение по давлению осуществляется через запорный вентиль (игольчатый клапан) и трехходовой кран для проведения поверки, продувки импульсной линии или отключения прибора.
- Импульсные линии (для удаленного монтажа) должны прокладываться с уклоном для предотвращения скопления конденсата или газовых пробок.
- 0.6) / 100 = ±0.06 МПа.
- 1.0) / 100 = ±0.1 МПа.
Конструктивно термоманометры делятся на два основных типа: показывающие (местного монтажа) и датчики с унифицированным выходным сигналом (дистанционные). В показывающих приборах оба измерительных элемента механически связаны со стрелками, перемещающимися по общей или раздельным шкалам на лицевой панели. Датчики с выходным сигналом содержат электронный модуль (преобразователь), который оцифровывает показания и передает их в систему управления.
Классификация и технические характеристики
Термоманометры классифицируются по ряду ключевых признаков, определяющих их область применения.
Таблица 1. Классификация термоманометров
| Критерий классификации | Типы | Краткое описание и применение |
|---|---|---|
| По принципу действия (измерение давления) | Деформационные (пружинные, мембранные, сильфонные) | Механическое преобразование деформации в показание. Надежны, не требуют питания для показаний. |
| С тензометрическим преобразованием | Деформация мембраны измеряется тензорезисторами. Высокая точность, электрический выходной сигнал. | |
| По принципу действия (измерение температуры) | Биметаллические | Механический принцип. Применяются в недорогих показывающих моделях. |
| Электронные (RTD, термопара) | Высокая точность, дистанционная передача, совместимость с АСУ ТП. | |
| По типу выходной информации | Показывающие (дискретные) | Визуальное считывание показаний со шкалы на месте установки. |
| Сигнализирующие | Имеют контактные группы для управления внешними устройствами при достижении уставок. | |
| С унифицированным аналоговым/цифровым выходом | Передача сигнала 4-20 мА, 0-10 В или по цифровому протоколу (HART, Foundation Fieldbus) на контроллер. | |
| По виду измеряемого давления | Для избыточного давления (манометры) | Наиболее распространенный тип. Давление отсчитывается от атмосферного. |
| Для абсолютного давления | Отсчет от вакуума. Важны для процессов дистилляции, вакуумных систем. | |
| По условиям эксплуатации | Общепромышленные, взрывозащищенные (Ex), коррозионностойкие, виброустойчивые | Исполнение корпуса, материалов и электрических цепей под конкретную среду (взрывоопасная зона, агрессивные пары, высокие вибрации). |
Таблица 2. Основные технические характеристики
| Параметр | Типичные значения/варианты | Комментарий |
|---|---|---|
| Диапазон измерения давления | От -0.1 МПа (вакуум) до 100 МПа и более | Выбирается с запасом в 1.5 раза выше рабочего давления. |
| Диапазон измерения температуры | От -50 °C до +600 °C (для биметалла до +400 °C) | Зависит от типа сенсора. RTD Pt100: обычно -200…+600°C. |
| Класс точности по давлению | 0.1; 0.25; 0.6; 1.0; 1.6; 2.5 | Для энергетики обычно требуются приборы класса 0.6-1.0. |
| Класс точности по температуре | ±1.0 °C; ±1.5% от диапазона и т.д. | Для электронных датчиков на базе Pt100 класс А: ±(0.15+0.002*|t|). |
| Выходной сигнал | Механическая шкала; 4-20 мА (2-проводная схема); цифровой протокол | Сигнал 4-20 мА – отраслевой стандарт для аналоговой передачи. |
| Защита оболочки (IP/IEC) | IP54, IP65, IP67 | IP65 – защита от струй воды, пыленепроницаемость. |
| Присоединение по давлению | Резьбовое (G, M, NPT, SAE), фланцевое | Метрическая резьба M20x1.5 – распространенный стандарт. |
| Длина погружной части (гильзы) | От 50 до 1000 мм | Должна обеспечивать погружение в среду на достаточную глубину для корректного измерения. |
Области применения в энергетике
Термоманометры являются неотъемлемой частью систем мониторинга и управления на всех типах энергетических объектов.
Выбор и монтаж термоманометров
Корректный выбор и монтаж определяют долговечность и точность работы прибора.
Поверка и техническое обслуживание
Термоманометры, используемые в коммерческом учете или для контроля безопасности, подлежат периодической поверке. Межповерочный интервал (МПИ) обычно составляет 1-2 года для электронных и 2-4 года для показывающих приборов. Поверка осуществляется с помощью эталонных комплексов давления и температуры (прецизионных калибраторов, термостатов). Обслуживание включает визуальный осмотр на предмет коррозии, проверку целостности импульсных линий, контроль нулевых показаний (для приборов с возможностью «сброса на ноль»). При работе в условиях пульсаций и вибраций необходимо регулярно проверять механические соединения на герметичность.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем основное преимущество комбинированного термоманометра перед раздельными датчиками давления и температуры?
Основное преимущество – сокращение точек врезки в трубопровод или аппарат, что повышает надежность системы (меньше потенциальных мест утечек), снижает стоимость монтажа и упрощает обслуживание. Кроме того, обеспечивается пространственное совпадение точек отбора параметров, что важно для точного определения состояния среды в конкретной точке.
Как правильно выбрать длину погружной части (гильзы) термопреобразователя?
Длина погружной части (монтажная длина) выбирается исходя из условий монтажа так, чтобы чувствительный элемент находился в середине потока измеряемой среды. Минимальная глубина погружения должна быть не менее 10-15 диаметров гильзы. Необходимо учитывать толщину тепловой изоляции трубопровода и размеры монтажной арматуры (бобышки, защитной гильзы). Стандартные длины: 50, 100, 150, 200, 250, 300 мм и более.
Что такое «радиационная гильза» и когда ее необходимо применять?
Радиационная (или экранирующая) гильза – это дополнительная конструктивная деталь, устанавливаемая между термопреобразователем и средой с высокой температурой (чаще всего пар >400°C). Она представляет собой полый цилиндр с фланцевым или резьбовым присоединением, который принимает на себя основной тепловой поток, защищая резьбовое соединение самого датчика и его электронный модуль от перегрева, тем самым продлевая срок службы прибора.
Чем отличается класс точности 0.6 от 1.0 на практике?
Класс точности указывает на допустимую приведенную погрешность в процентах от диапазона измерения. Для прибора с диапазоном давления 0-10 МПа:
Класс 0.6: допустимая погрешность = (10 МПа
Класс 1.0: допустимая погрешность = (10 МПа
Таким образом, прибор класса 0.6 в данном примере потенциально более чем в 1.5 раза точнее. Выбор класса обосновывается требованиями технологического регламента.
Можно ли заменить вышедший из строя показывающий термоманометр на датчик с выходным сигналом 4-20 мА?
Да, такая замена технически возможна и часто проводится в рамках модернизации систем контроля. Однако необходимо предусмотреть:
1) Установку нового датчика с соответствующими диапазонами и присоединительными размерами.
2) Подвод питания 24 В постоянного тока для датчика (для 2-проводной схемы 4-20 мА).
3) Подключение выходных сигналов к существующей системе АСУ ТП через соответствующий аналоговый вход контроллера или вторичный регистрирующий прибор.
4) Возможную необходимость перепрограммирования контроллера или SCADA-системы для корректного отображения значений.
Как бороться с засорением импульсной линии при измерении давления загрязненных сред (например, мазута)?
В таких случаях применяют разделительные устройства (мембранные разделители). Измеряемая среда воздействует на эластичную мембрану разделителя, а за мембраной находится заполняющая жидкость (силиконовое масло, глицерин), которая передает давление на чувствительный элемент манометра. Таким образом, импульсная линия и сам датчик контактируют только с чистым заполнителем. Также эффективна периодическая продувка импульсной линии чистым агентом (пар, воздух, азот) через специальные обводные краны.