Термометры из стали

Термометры из стали: конструкция, типы, применение и выбор для электротехнических и энергетических систем

Термометры, корпусные и чувствительные элементы которых изготовлены из различных марок стали, представляют собой класс контрольно-измерительных приборов, предназначенных для работы в условиях повышенных механических, химических и термических нагрузок. В электротехнике и энергетике они являются критически важными устройствами для мониторинга температуры силового оборудования, трансформаторов, электродвигателей, подшипниковых узлов, паровых и водяных контуров, а также для обеспечения пожарной безопасности. Их применение обусловлено необходимостью получения надежных данных в агрессивных средах, где приборы из латуни или алюминия недопустимы.

Материалы корпусов и чувствительных элементов

Выбор марки стали для термометра определяется условиями его эксплуатации. Основные применяемые материалы:

• Нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т (AISI 321): Наиболее распространенный материал для корпусов, гильз и капилляров. Обладает высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах, устойчивостью к межкристаллитной коррозии и хорошими механическими свойствами в диапазоне от -196 до +600°C. Применяется в системах с водой, паром, маслами, в неконцентрированных кислотных и щелочных средах.
• Нержавеющая сталь марки 08Х17Н13М2Т (AISI 316Ti): Используется в более агрессивных средах, особенно содержащих ионы хлора (морская вода, хлорированные растворы). Молибден в составе повышает стойкость к питтинговой коррозии.
• Углеродистая сталь (Сталь 20): Применяется для изготовления корпусов термометров манометрического типа (биметаллических, дилатометрических) для работы в неагрессивных средах (воздух, неагрессивные газы, сухие технологические процессы) при положительных температурах. Требует защитного покрытия (гальваническое, лакокрасочное).
• Жаростойкие стали (например, 15Х5М): Используются для термобаллонов манометрических термометров, работающих при температурах выше +600°C, например, в дымовых газах или высокотемпературных теплоносителях.

Типы стальных термометров и их принцип действия

1. Биметаллические термометры

Принцип действия основан на разнице коэффициентов теплового расширения двух прочно соединенных металлических пластин (биметаллической спирали или спирали). При нагреве спираль изгибается или раскручивается, вызывая перемещение стрелки по шкале. Корпус, шток (гильза) и присоединительная часть изготавливаются из нержавеющей стали.

• Преимущества: Простота, надежность, независимость от источника питания, устойчивость к вибрациям.
• Недостатки: Относительно невысокая точность (класс 1.0, 1.5), инерционность.
• Применение: Панельный монтаж на щитах управления, трубопроводах, тепловых пунктах, блоках трансформаторов для визуального контроля.

2. Манометрические (дилатометрические) термометры

Работают по принципу изменения давления (или объема) термометрического вещества в замкнутой системе, состоящей из термобаллона (чувствительного элемента из стали), капилляра и трубчатой пружины (манометра). При нагреве баллона давление в системе изменяется, что регистрируется манометрическим механизмом. В зависимости от заполнения системы делятся на:

• Газонаполненные: Заполнены инертным газом (азот). Имеют линейную шкалу, большой диапазон измерений (до +600°C и выше).
• Жидкостные: Заполнены жидкостью (ксилол, толуол, силикон). Высокая чувствительность.
• Конденсационные (паровые): Заполнены низкокипящей жидкостью (например, фреон). Давление определяется давлением насыщенных паров. Шкала нелинейна, но высокая чувствительность в узком диапазоне.

Все элементы системы (баллон, капилляр, корпус манометра) выполняются из нержавеющей стали для обеспечения стойкости и герметичности.

3. Термометры сопротивления (термосопротивления)

Принцип действия основан на изменении электрического сопротивления металла (обычно платины Pt100, Pt500, Pt1000 или меди Cu50) в зависимости от температуры. Чувствительный элемент (ЧЭ) помещен в защитную арматуру – гильзу (погружную гильзу) из нержавеющей стали. Гильза обеспечивает механическую защиту ЧЭ, герметизацию и оптимальный тепловой контакт со средой. Конструкция включает головку с клеммной колодкой для подключения по 2-, 3- или 4-проводной схеме. Это наиболее точные и стабильные приборы для систем автоматического контроля и управления (АСУ ТП).

4. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

Работают на основе эффекта Зеебека: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает термо-ЭДС, если места спаев имеют разную температуру. Рабочий (горячий) спай помещается в защитную арматуру из жаропрочной нержавеющей или легированной стали (гильзу). Материал гильзы выбирается исходя из верхнего предела измерений и агрессивности среды. Например, для термопар типа К (хромель-алюмель) используют гильзы из AISI 321 (до +800°C), для типа S (платина-платинородий) – из керамики или специальных сплавов. Стальная арматура защищает спай от механических повреждений и химического воздействия.

Конструктивные особенности и монтаж

Ключевым элементом большинства стальных термометров, кроме биметаллических щитовых, является погружная гильза (гильза термометра, защитная гильза, гильза термопары). Ее назначение – защита чувствительного элемента от давления, скорости потока, коррозии и обеспечение возможности замены прибора без остановки процесса (при использовании пружинной гильзы или гильзы с сальниковым уплотнением).

Таблица 1. Типы присоединения и монтажа стальных термометров

Тип присоединения	Конструктивное исполнение	Область применения	Стандарт резьбы
Радиальное	Стрелка и циферблат расположены перпендикулярно оси штока. Корпус прибора находится сбоку от точки монтажа.	Трубопроводы с верхним или боковым расположением, удобство считывания показаний.	G½, M16x1.5, M20x1.5, ½» NPT
Осевое (торцевое)	Стрелка и циферблат расположены параллельно оси штока. Корпус прибора находится над точкой монтажа.	Резервуары, аппараты, трубопроводы с нижним подводом, где требуется компактное размещение.	G½, M16x1.5, M20x1.5, ½» NPT
Фланцевое	Прибор крепится с помощью фланца (обычно стального) к ответному фланцу на аппарате или трубопроводе.	Высокое давление, агрессивные или опасные среды, большие диаметры трубопроводов и аппаратов.	Фланец DN15/20/25 PN16/40, исполнение по ГОСТ, DIN, ANSI
С помощью защитной гильзы (промышленный вариант)	Чувствительный элемент (термосопротивление, термопара) установлен в стальную гильзу, которая ввинчивается, приваривается или крепится фланцем к объекту.	Системы АСУ ТП, высокие давления и температуры, необходимость замены прибора без остановки системы.	Резьба гильзы: G½, M20x1.5, ½» NPT; Фланцы: различные

Критерии выбора стального термометра для энергетических объектов

• Диапазон измерений: Определяет тип прибора. Биметаллические: -70…+600°C. Манометрические: -60…+600°C. Термометры сопротивления Pt100: -200…+850°C (обычно -50…+500°C в гильзе). Термопары типа K: -40…+1200°C.
• Класс точности: Биметаллические: 1.0, 1.5, 2.5. Манометрические: 1.0, 1.5. Термометры сопротивления: AA, A, B, C (по МЭК 60751). Термопары: 1, 2, 3 (по стандартам).
• Длина погружной части (гильзы, штока): Должна быть достаточной для достижения чувствительным элементом середины потока измеряемой среды. Стандартные длины: 50, 100, 150, 200, 250, 300 мм и более.
• Рабочее давление среды: Определяет прочностные характеристики корпуса, толщину стенки гильзы и тип присоединения (резьбовое vs фланцевое).
• Агрессивность среды: Определяет марку стали. Для пара, воды, масел – AISI 304/321. Для хлорсодержащих сред – AISI 316/316Ti. Для высокотемпературных газов – жаропрочные стали.
• Условия эксплуатации: Наличие вибрации (предпочтение биметаллическим или приборам в бесспиртовом исполнении), взрывоопасная зона (исполнение Ex), климатическое исполнение (У, УХЛ, Т для тропиков).
• Выходной сигнал: Для визуального контроля – биметаллические и манометрические. Для передачи данных в АСУ ТП – термометры сопротивления (сигнал 4-20 мА, Pt100) или термопары (сигнал мВ, преобразованный в 4-20 мА через термопреобразователь).

Обслуживание, поверка и неисправности

Термометры из стали требуют периодического контроля. Биметаллические и манометрические термометры подвержены дрейфу показаний из-за остаточной деформации биметалла или изменения свойств заполняющей жидкости. Термометры сопротивления и термопары могут выходить из строя из-за разрыва цепи, увлажнения изоляции, деградации чувствительного элемента. Обязательна периодическая поверка в соответствии с регламентом технического обслуживания энергообъекта. Основные методы поверки: сравнение с эталонным термометром в термостате (жидкостной или печном) или с помощью калибратора температуры.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем стальной термометр принципиально лучше латунного?

Стальной термометр обладает существенно более высокой коррозионной стойкостью, особенно в средах с высокой влажностью, химическими парами, морской атмосферой. Он выдерживает более высокие давления и температуры, а также механические воздействия (вибрацию, удары). Латунные термометры подвержены dezincification (вымыванию цинка) в некоторых средах и имеют ограниченный температурный диапазон.

Как правильно выбрать длину погружной гильзы для трубопровода?

Длина погружной части (гильзы) должна быть такой, чтобы чувствительный элемент (биметаллическая спираль, термобаллон, ЧЭ термосопротивления) находился в центре потока измеряемой среды. Минимальная длина – не менее 1/3 диаметра трубопровода. Рекомендуемая длина – 50-70% от диаметра трубы. Для труб большого диаметра часто используют гильзы с выносным чувствительным элементом на гибком капилляре или монтируют термометр в колодец (карман).

Можно ли заменить термометр сопротивления на биметаллический в системе АСУ ТП?

Нет, прямая замена невозможна. Биметаллический термометр – это показывающий прибор с механическим выходом. Он не формирует электрический сигнал (4-20 мА, сопротивление), необходимый для контроллера АСУ ТП. Для замены потребуется установить термометр сопротивления или термопару с соответствующим преобразователем сигнала. Биметаллический прибор может быть установлен параллельно для локальной индикации.

Что означает класс точности 1.5 на биметаллическом термометре?

Класс точности 1.5 означает, что допустимая основная приведенная погрешность прибора не превышает ±1.5% от его диапазона измерений. Например, для термометра со шкалой 0…100°C допустимая погрешность составит ±1.5°C. Классы точности 1.0 и 2.5 соответствуют погрешности ±1.0% и ±2.5% соответственно.

Почему для термопар используется гильза из специальной стали, а не из обычной нержавеющей?

Гильза для термопары работает в непосредственном контакте с высокотемпературной средой и самими электродами. Материал гильзы должен быть химически инертным по отношению к материалу термоэлектродов в рабочем диапазоне температур, чтобы избежать загрязнения и изменения градуировочных характеристик. Для высоких температур (выше 1000°C) часто используются гильзы из керамики (оксид алюминия) или тугоплавких металлов.

Как бороться с вибрацией, которая быстро выводит из строя механический термометр?

Для вибрирующих объектов (насосы, компрессоры, трансформаторы) рекомендуется:

• Использовать биметаллические термометры в бесспиртовом (безжидкостном) исполнении, так как жидкость в стекле демпфирует колебания стрелки.
• Применять термометры с дополнительным демпфирующим элементом в приводе стрелки.
• Устанавливать термометры сопротивления или термопары в прочные стальные гильзы, а механический показывающий прибор выносить в менее вибрационную зону с помощью гибкого капилляра (для манометрических термометров).
• Использовать термопреобразователи с токовым выходом 4-20 мА, которые менее чувствительны к вибрации, а индикацию осуществлять через щитовой прибор.

Требуется ли термокомпенсация для капилляра манометрического термометра?

Да, изменение температуры окружающей среды вдоль капилляра влияет на давление в системе и, следовательно, на показания. Существуют конструкции с полной термокомпенсацией, где в измерительной системе имеется дополнительный биметаллический элемент, компенсирующий эти изменения. В технических характеристиках прибора всегда указывается, является ли шкала компенсированной, и допустимая температура окружающей среды для капилляра.