Термометры измерительные

Термометры измерительные: классификация, принципы действия, применение и выбор в электроэнергетике

Измерительные термометры являются критически важным классом приборов в электроэнергетике, обеспечивающим контроль теплового состояния оборудования, диагностику неисправностей, управление технологическими процессами и безопасность. Точный мониторинг температуры позволяет предотвратить перегрев силовых трансформаторов, электрических машин, кабельных линий, шинных соединений и силовой электроники, что напрямую влияет на надежность, эффективность и срок службы энергообъектов.

Классификация измерительных термометров по принципу действия

Все термометры можно разделить на две фундаментальные группы: контактные и бесконтактные. В электроэнергетике находят применение обе, но в разных сферах.

1. Контактные термометры

Требуют физического контакта чувствительного элемента с объектом измерения.

• Термометры расширения (механические):
  • Жидкостные стеклянные (например, ртутные, спиртовые). Принцип действия основан на тепловом расширении жидкости в капилляре. В современной энергетике используются ограниченно из-за хрупкости и токсичности (ртуть), но служат эталонными приборами для поверки.
  • Манометрические (газовые, жидкостные, конденсационные). Действуют на основе зависимости давления газа или жидкости в замкнутом объеме от температуры. Часто применяются в качестве термосигнализаторов и указателей температуры масла в трансформаторах (ТММ – манометрический термометр). Сильфонный механизм преобразует изменение давления в угловое перемещение указателя.
  • Биметаллические. Принцип действия основан на разном коэффициенте теплового расширения двух сваренных металлических пластин. При нагреве пластина изгибается, что приводит к перемещению стрелки. Широко используются в простых и надежных указателях температуры на кожухах оборудования, в тепловых реле защиты двигателей.
• Термоэлектрические преобразователи (термопары):

  Действуют на основе эффекта Зеебека: в замкнутой цепи из двух разнородных проводников возникает термо-ЭДС, если места спаев имеют разную температуру. Один спай (рабочий) помещается в зону измерения, другой (свободный) поддерживается при известной температуре. Основные преимущества: широкий диапазон измерений (до +1800°C), малая инерционность, возможность создания миниатюрных чувствительных элементов. Недостатки: необходимость компенсации температуры свободных концов, относительно низкая точность без калибровки, необходимость использования удлиняющих (компенсационных) проводов.

  Типы термопар, используемые в энергетике:

  • Тип K (хромель-алюмель): Наиболее распространенная. Диапазон от -200 до +1200°C. Применяется для измерения температуры газов, металлов в неагрессивных средах.
  • Тип J (железо-константан): Диапазон от -100 до +1200°C. Высокая чувствительность, но подвержена коррозии. Используется в вакуумных и восстановительных средах.
  • Тип S (платинородий-платина): Диапазон от 0 до +1600°C. Высокая стабильность и точность. Применяется для высокотемпературных измерений, например, в исследовательских установках.
• Термопреобразователи сопротивления (ТС):

  Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления проводника или полупроводника от температуры. Наиболее точные и стабильные контактные датчики для диапазона от -200 до +800°C.

  • Платиновые (Pt100, Pt500, Pt1000): Наиболее распространены. Pt100 имеет сопротивление 100 Ом при 0°C. Отличаются высокой линейностью, стабильностью и воспроизводимостью. Стандарт для точных измерений в энергетике (обмотки генераторов и двигателей, теплоносители).
  • Медные (Cu50, Cu100): Линейная характеристика, но меньший диапазон (от -50 до +200°C) и подверженность окислению. Применяются для измерения температуры обмоток электрических машин.
  • Полупроводниковые (термисторы): Обладают высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), что обеспечивает высокую чувствительность. Бывают NTC (сопротивление уменьшается с нагревом) и PTC (сопротивление растет). Используются в системах тепловой защиты и в качестве датчиков температуры внутри электронных блоков.

2. Бесконтактные термометры (пирометры)

Измеряют температуру по интенсивности теплового излучения объекта в инфракрасном (ИК) диапазоне. Принципиально важны для энергетики, так как позволяют контролировать температуру объектов под высоким напряжением без нарушения их электрической изоляции и на расстоянии.

• Яркостные (оптические) пирометры: Сравнивают яркость излучения объекта с яркостью эталонной нити (пирометр с исчезающей нитью) или используют фотодетектор.
• Радиационные пирометры: Измеряют полную энергию излучения объекта. Чувствительный элемент (термобатарея) нагревается излучением, и его температура пропорциональна мощности падающего потока.
• Спектральные (цветовые) пирометры: Определяют температуру по отношению интенсивностей излучения на двух разных длинах волн. Менее зависят от коэффициента излучения (эмиссионной способности) поверхности объекта.

Ключевой параметр пирометра – коэффициент излучения (ε), который необходимо корректно задавать для материала объекта (полированная медь, окисленная сталь, изоляция кабеля и т.д.). Современные пирометры и тепловизоры позволяют проводить термографическое обследование электроустановок для выявления перегретых соединений, дисбаланса фаз, дефектов изоляции.

Конструктивное исполнение и способы монтажа в энергетике

Конструкция термометра определяется местом его установки и условиями эксплуатации.

Таблица 1. Конструктивное исполнение и применение термометров в электроэнергетике

Тип исполнения	Описание	Типичные точки установки	Примеры приборов
Погружные (штифтовые)	Чувствительный элемент помещается в гильзу (гильза термометрическая), заполненную теплопроводящей пастой, которая погружается в среду (масло, вода, расплав солей).	Масляные системы силовых трансформаторов, теплоносители в котлах и теплообменниках, технологические трубопроводы.	Термопреобразователи сопротивления Pt100 в защитной гильзе из нержавеющей стали, биметаллические термометры с погружной гильзой.
Накладные (поверхностные)	Датчик крепится к плоской или цилиндрической поверхности объекта (часто с теплопроводящей пастой или клеем) и изолируется от окружающей среды.	Корпуса электродвигателей и подшипников, внешние стенки трубопроводов, шинные соединения распределительных устройств (РУ).	Термопреобразователи сопротивления в корпусе с крепежным фланцем, термопары с пружинным креплением, термометры контактные переносные.
Воздушные (для измерения температуры газа/воздуха)	Имеют открытый или перфорированный кожух для свободного обтекания чувствительного элемента потоком газа.	Воздух в машинных залах, температура газов в турбинах, вентиляционные каналы, системы охлаждения.	Термопреобразователи сопротивления в открытом исполнении, термопары с защитным чехлом.
Бесконтактные (дистанционные)	Не требуют физического контакта. Устанавливаются стационарно для непрерывного контроля или используются как переносные приборы для диагностики.	Высоковольтные соединения в РУ и на ЛЭП, контакты выключателей, изоляторы, кабельные муфты, распределительные щиты под напряжением.	Стационарные инфракрасные датчики температуры, переносные пирометры и тепловизоры.

Системы контроля и регулирования температуры

В энергетике термометры редко работают как самостоятельные указатели. Они интегрируются в системы:

• Сигнализации: При достижении уставки температуры срабатывает реле или формируется дискретный сигнал для АСУ ТП (Аварийная, Предупредительная). Пример: термореле в электродвигателе (биметаллическое или на основе термопреобразователя).
• Регулирования: Аналоговый сигнал от ТС (например, 4-20 мА) поступает на контроллер, который управляет исполнительным механизмом (нагревателем, вентилятором, заслонкой). Пример: система поддержания температуры масла в трансформаторе.
• Сбора данных (SCADA): Множество датчиков через преобразователи или непосредственно подключаются к системе телеметрии для централизованного мониторинга состояния энергообъекта.

Критерии выбора измерительного термометра для электротехнических применений

1. Диапазон измерений: Должен с запасом перекрывать рабочие и аварийные температуры объекта.
2. Точность и класс допуска: Определяется требованиями технологического процесса. Для платиновых ТС: класс AA (0.1°C), A (0.15°C), B (0.3°C), C (0.6°C). Для термопар – стандартные или специальные допуски.
3. Время реакции (инерционность): Зависит от массы и конструкции чувствительного элемента. Для контроля быстрых процессов требуются малоинерционные датчики (тонкопленочные Pt100, термопары без гильзы).
4. Условия эксплуатации:
   • Механические воздействия (вибрация, удары).
   • Взрывоопасная среда (требуется исполнение Ex).
   • Агрессивные среды (определяет материал гильзы и корпуса – нержавеющая сталь, инконель, тантал).
   • Электрические помехи (необходимость экранирования сигнальных цепей).
5. Тип выходного сигнала: Аналоговый (сопротивление, милливольты, ток 4-20 мА), цифровой (например, по протоколу Modbus, HART), дискретный (реле). Определяет совместимость с системой управления.
6. Степень защиты корпуса (IP): Для наружной установки – не ниже IP65, для помещений с повышенной влажностью – IP54 и выше.

Поверка и калибровка

Термометры, используемые в коммерческом учете или для контроля критичных параметров, подлежат периодической поверке. Эталонными установками являются термостаты (жидкостные, солевые) и печи, создающие стабильную температуру, с которыми сравниваются показания поверяемого прибора. Для рабочих измерений проводится калибровка – определение погрешности и составление поправочной таблицы/кривой.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что надежнее для непрерывного контроля температуры обмотки двигателя: термопара или Pt100?

Для долгосрочного, стабильного и точного контроля в диапазоне до 200-300°C предпочтительнее платиновый термопреобразователь сопротивления Pt100. Он обладает лучшей стабильностью во времени, более высокой точностью и линейностью по сравнению с термопарой типа K или J. Термопара может быть выбрана при ограниченном бюджете или для измерения в более высоком диапазоне, но потребует более внимательного отношения к компенсации холодных концов и может дрейфовать.

2. Как правильно выбрать длину и материал погружной гильзы для термометра в трансформаторе?

Длина погружной части должна быть достаточной для того, чтобы чувствительный элемент находился в основном потоке масла, а не в застойной зоне. Обычно это 100-250 мм. Материал гильзы (чаще всего нержавеющая сталь AISI 304 или 316) должен быть химически стойким к трансформаторному маслу и не вызывать каталитического старения масла. Резьба или фланец для установки должны соответствовать посадочному месту на баке трансформатора (обычно это резьба G½» или NPT ½»).

3. Почему показания пирометра на одном и том же соединении могут отличаться при измерении с разных ракурсов и расстояний?

Основные причины: изменение коэффициента излучения (ε) из-за разного угла обзора и состояния поверхности; попадание в поле зрения пирометра посторонних объектов (фоновое излучение); неоднородность температуры объекта (пирометр измеряет среднюю температуру в пятне замера, размер которого растет с расстоянием). Для достоверности измерение следует проводить перпендикулярно поверхности, с минимально возможного расстояния, на чистую поверхность и с корректно заданным ε.

4. В чем разница между двух-, трех- и четырехпроводной схемой подключения термопреобразователя сопротивления?

Разница в способе компенсации сопротивления подводящих проводов.

• Двухпроводная: Простейшая, но в измеренное сопротивление включается сопротивление обеих жил кабеля. Применяется при малой длине линий или когда погрешность не критична.
• Трехпроводная: Наиболее распространена в промышленности. Позволяет компенсировать сопротивление одной из жил путем измерения сопротивления петли. Эффективна при использовании проводов одинакового сечения и длины.
• Четырехпроводная: Обеспечивает полную компенсацию сопротивления проводов, так как по одной паре проводов протекает ток, а с другой пары снимается падение напряжения непосредственно на чувствительном элементе. Используется для прецизионных измерений и при больших расстояниях.

5. Как часто необходимо проводить тепловизионное обследование электрооборудования?

Рекомендуемая периодичность: для ответственного оборудования (главные распределительные щиты, силовые трансформаторы, генераторы) – не реже 1 раза в 6 месяцев; для общего электрооборудования распределительных сетей – не реже 1 раза в год. Обследование обязательно проводится после монтажа нового оборудования, после ремонтов, связанных с разборкой токоведущих соединений, а также при резком увеличении нагрузки или изменении климатических условий (перед началом летнего максимума нагрузок).

6. Можно ли использовать обычный спиртовой термометр для технического контроля в электроустановке?

Можно, но только как вспомогательное, оценочное средство для непродолжительных измерений в безопасных, легкодоступных местах. Для штатного, непрерывного или точного контроля, а также для измерений в зонах с электромагнитными полями, вибрацией, на вращающихся частях или под напряжением такие термометры непригодны. Они хрупки, инерционны, не обеспечивают дистанционной передачи сигнала и часто не имеют необходимого класса точности и диапазона.