Термометры манометрические: принцип действия, конструкция, применение и выбор

Термометры манометрические (термоманометры) — это класс контрольно-измерительных приборов, предназначенных для измерения температуры посредством измерения давления жидкости или газа в замкнутой термосистеме. Они относятся к приборам дистанционного измерения и широко применяются в энергетике, системах отопления, вентиляции и кондиционирования, на промышленных предприятиях для контроля технологических процессов в диапазонах, где использование электронных средств нецелесообразно или невозможно из-за условий эксплуатации (высокие температуры, вибрации, взрывоопасные зоны, отсутствие электропитания).

Принцип действия и физические основы

Принцип действия манометрического термометра основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от его температуры. Прибор состоит из трех основных элементов: термобаллона (чувствительного элемента), капиллярной трубки и манометрической измерительной головки (пружинного или мембранного преобразователя). Все элементы образуют герметичную систему, заполненную рабочим веществом.

При изменении температуры термобаллона, находящегося в точке измерения, изменяется давление рабочего вещества во всей системе. Это изменение давления через капилляр передается на упругий чувствительный элемент (трубчатую пружину, сильфон или мембрану) в измерительной головке. Упругий элемент деформируется, и его движение через передаточный механизм преобразуется в угловое перемещение стрелки, указывающей на шкале значение измеряемой температуры.

Классификация и типы манометрических термометров

Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам.

1. По типу рабочего вещества и принципу заполнения системы:

• Газовые (манометрические): Система заполнена инертным газом (обычно азотом). Работа основана на законе Гей-Люссака (p/T = const при V=const). Имеют практически линейную шкалу, большой диапазон измерений (от -100 до +600 °C и выше). На показания может влиять изменение атмосферного давления и температура окружающей среды вдоль капилляра.
• Жидкостные: Система полностью заполнена жидкостью (кремнийорганические жидкости, ксилол, метанол). Работа основана на тепловом расширении жидкости. Обладают высокой чувствительностью. Показания зависят от разности температур термобаллона и измерительной головки, так как жидкость из капилляра и пружины также подвержена тепловому воздействию.
• Конденсационные (паровые): Система заполнена низкокипящей жидкостью (пропан, хлористый метил, ацетон) частично. Измерение основано на зависимости давления насыщенных паров этой жидкости от температуры. Давление в системе определяется температурой конца термобаллона (фазового перехода жидкость-пар). Шкала нелинейна (градуирована по закону Клапейрона-Клаузиуса), расширена в области низких температур. Показания практически не зависят от температуры окружающей среды и атмосферного давления. Чувствительный элемент должен находиться выше термобаллона по вертикали.

2. По конструкции измерительной головки:

• С трубчатой пружиной (типа Бурдона): Наиболее распространенный тип. Изменение давления приводит к деформации согнутой трубки эллиптического сечения.
• С мембранной коробкой (сильфоном): Применяется для измерения малых давлений, обладает большей чувствительностью по сравнению с пружиной Бурдона.
• С мембраной: Используется в специальных исполнениях, например, для агрессивных сред.

3. По типу показывающего устройства:

• Показывающие (аналоговые): Со стрелочным указателем.
• Показывающие с контактной группой (сигнализирующие): Имеют одну или две уставки для замыкания/размыкания электрических цепей управления или сигнализации.
• Самопишущие (регистрирующие): С записью показаний на диаграммную ленту.

Конструктивные особенности и компоненты

Термобаллон

Изготавливается из материалов, стойких к измеряемой среде и рабочему давлению: нержавеющая сталь, латунь, медь, сталь 20. Форма и размеры (длина, диаметр) выбираются исходя из условий монтажа, необходимой инерционности и глубины погружения. Для повышения прочности в газовых термометрах может применяться двойной баллон.

Капиллярная трубка

Представляет собой трубку малого внутреннего диаметра (0.15-0.5 мм), защищенную гибкой металлической оплеткой (бронза, сталь) и внешним полимерным покрытием. Длина капилляра — ключевой параметр, определяющий дистанцию измерения (стандартно от 1.5 до 60 метров). Длинный капилляр увеличивает инерционность системы. Капилляр — наиболее уязвимый элемент, требует защиты от механических повреждений, резких изгибов и перепадов температур.

Измерительная головка (пружинный блок)

Корпус головки содержит упругий чувствительный элемент, передаточный механизм, шкалу и стрелку. Класс точности стандартных приборов — 1.0, 1.5, 2.5. Головки могут иметь различные диаметры корпуса (например, 100, 150, 160 мм), варианты монтажа (радиальный, осевой, на кронштейне) и степень защиты (IP54, IP65).

Технические характеристики и выбор

При выборе манометрического термометра необходимо учитывать комплекс параметров.

Сводная таблица основных характеристик и критериев выбора

Параметр	Варианты исполнения / Диапазон	Критерии выбора и примечания
Тип заполнения	Газовое, жидкостное, конденсационное	Определяется диапазоном температур, требуемой линейностью шкалы, влиянием температуры окружающей среды.
Диапазон измерения температуры	От -200 до +600 °C (зависит от типа)	Рабочий диапазон должен находиться в пределах 2/3 шкалы прибора для обеспечения наилучшей точности.
Длина капилляра (L)	1.5, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 60 м	Определяет расстояние от точки измерения до места индикации. Избегать излишнего запаса длины.
Класс точности	1.0, 1.5, 2.5	Чем меньше число, тем выше точность. Класс 1.5 является наиболее распространенным.
Диаметр корпуса головки	63, 80, 100, 150, 160 мм	Выбирается исходя из требуемой видимости и стандартов предприятия.
Материал термобаллона	Латунь, сталь 20, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т (AISI 321/304)	Определяется агрессивностью и давлением измеряемой среды. Нержавеющая сталь — универсальный выбор.
Присоединение термобаллона	Резьбовое (M16x1.5, G½, G¾, ½»NPT), фланцевое	Должно соответствовать посадочному месту на оборудовании (гильзе, патрубку).
Дополнительные функции	Контактный выход (электрическая сигнализация), запись на диаграмму	Для систем автоматического контроля и регистрации.
Климатическое исполнение	У, УХЛ, Т (по ГОСТ 15150)	Определяет условия эксплуатации по температуре и влажности окружающего воздуха.

Монтаж, эксплуатация и поверка

Правильный монтаж критически важен для точности и долговечности прибора.

• Установка термобаллона: Баллон должен полностью погружаться в измеряемую среду. При монтаже в трубопровод ось баллона должна быть направлена навстречу потоку или под углом. Для высокотемпературных сред (>150°C) рекомендуется использование защитных гильз (погружных гильз).
• Прокладка капилляра: Капилляр должен быть защищен от вибраций, механических повреждений и резких перегибов (минимальный радиус изгиба обычно не менее 30-40 мм). Не допускается натяжение капилляра. При прокладке на открытом воздухе необходима защита от УФ-излучения и осадков.
• Компенсация влияния температуры окружающей среды: Для газовых и жидкостных термометров изменение температуры капилляра и пружинного блока вносит погрешность. В современных приборах применяются биметаллические компенсаторы в измерительной головке. Для жидкостных термометров важно, чтобы температура головки была стабильна и не превышала максимально допустимую по паспорту.
• Поверка и калибровка: Манометрические термометры подлежат периодической поверке (как правило, раз в 2-4 года в зависимости от условий эксплуатации). Поверка осуществляется сравнением показаний прибора с эталонным термометром в жидкостном термостате при нескольких температурах во всем диапазоне шкалы.

Преимущества и недостатки по сравнению с другими типами термометров

Преимущества:

• Прочность, надежность и долговечность конструкции.
• Не требуют внешнего электропитания.
• Взрывобезопасны, пригодны для работы во взрывоопасных зонах.
• Устойчивость к вибрациям и электромагнитным помехам.
• Возможность дистанционного измерения (до 60 м).
• Относительно низкая стоимость.

Недостатки:

• Большая инерционность по сравнению с термопарами и термосопротивлениями.
• Погрешность из-за влияния температуры окружающей среды на капилляр (для газовых и жидкостных).
• Механическая уязвимость капиллярной трубки.
• Ограниченная длина капилляра.
• При повреждении системы происходит утечка рабочего вещества и прибор выходит из строя.
• Сложность ремонта в полевых условиях.

Области применения в энергетике и промышленности

• Теплоэнергетика: Контроль температуры пара, питательной воды, конденсата, мазута на ТЭЦ и в котельных.
• Системы теплоснабжения: Измерение температуры в подающем и обратном трубопроводах тепловых сетей.
• Химическая и нефтегазовая промышленность: Контроль температуры в технологических аппаратах, трубопроводах, емкостях, где недопустимо искрообразование.
• Вентиляция и кондиционирование: Измерение температуры теплоносителя в чиллерах, фанкойлах, воздухонагревателях.
• Машиностроение: Контроль температуры масла в гидравлических системах, подшипниках турбин и компрессоров.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается манометрический термометр от биметаллического?

Биметаллический термометр — это прибор местного действия, где чувствительный элемент (биметаллическая спираль или пластина) находится непосредственно в корпусе со шкалой. Он устанавливается в точке измерения. Манометрический термометр — дистанционный прибор, его чувствительный элемент (термобаллон) соединен капилляром с измерительной головкой, которая может быть удалена на десятки метров.

Как компенсируется влияние температуры окружающей среды на капилляр?

В газовых термометрах высокого класса точности иногда применяют дополнительный компенсационный капилляр и биметаллическую пластину в головке. В жидкостных термометрах полной компенсации нет, поэтому важно минимизировать перепады температуры вдоль капилляра. В конденсационных термометрах влияние температуры капилляра пренебрежимо мало, так как давление определяется только температурой конца термобаллона.

Что делать, если капилляр термометра поврежден (перегнут или порван)?

При повреждении капилляра герметичность системы нарушается, рабочее вещество улетучивается, и прибор не подлежит ремонту в условиях эксплуатации. Требуется замена всего термометра в сборе. Восстановление заправки и герметизации возможно только в специализированной мастерской при наличии оборудования, и экономически целесообразно не всегда.

Можно ли укорачивать или наращивать капиллярную трубку самостоятельно?

Нет, категорически запрещено. Любое вмешательство в герметичную систему (укорочение, наращивание, пайка) приведет к разгерметизации, изменению объема системы и, как следствие, к полной потере точности градуировки. Длина капилляра — фиксированный параметр, заданный при производстве.

Как правильно выбрать между газовым, жидкостным и конденсационным типом?

• Газовый: Для широкого диапазона температур (особенно высоких), когда важна линейность шкалы и есть возможность компенсации влияния окружающей среды.
• Жидкостный: Для средних диапазонов, где требуется высокая чувствительность, а температура окружающей среды стабильна.
• Конденсационный: Для низких и средних температур (обычно до +200°C), когда важна стабильность показаний и минимальное влияние температуры капилляра, а нелинейность шкалы допустима.

Какова инерционность манометрического термометра и от чего она зависит?

Инерционность (время реакции) складывается из инерционности термобаллона (зависит от его массы, материала и размера) и инерционности всей системы, связанной с длиной и диаметром капилляра. Типичное время установления показаний для стандартных приборов составляет от 10 секунд до нескольких минут. Для быстропротекающих процессов манометрические термометры не подходят.

Требуется ли специальный монтаж для конденсационных (паровых) термометров?

Да, критически важно. Термобаллон должен быть самой нижней точкой системы. Измерительная головка и капилляр должны располагаться выше термобаллона. Это обеспечивает конденсацию паров в капилляре и правильное функционирование системы, основанной на давлении насыщенных паров. Нарушение этого правила приведет к большим погрешностям или полной неработоспособности прибора.