تفاوت بین دماسنج دو فلزی و دماسنج فشاری چیست؟

اندازه‌گیری دما در کاربردهای صنعتی، فرآیندی و مهندسی مکانیک بر چندین اصل فیزیکی کاملاً متفاوت متکی است و انتخاب نوع ابزار اشتباه برای یک کاربرد معین می‌تواند منجر به دقت ضعیف، خرابی زودرس، خطرات ایمنی یا هزینه‌های غیرضروری شود. دو نوع از پرکاربردترین دماسنج‌های مکانیکی - دماسنج دو فلزی و دماسنج فشاری (که دماسنج با گاز فعال یا سیستم پر نیز نامیده می‌شود) - اغلب مستقیماً با هم مقایسه می‌شوند، زیرا هر دو ابزارهای محلی و مستقلی هستند که نیازی به منبع تغذیه خارجی ندارند. اما اصول عملیاتی، ساخت و ساز، ویژگی های عملکرد و کاربردهای ایده آل آنها از جنبه های مهم و عملاً معنی دار متفاوت است. این مقاله هر دو نوع ابزار را به طور عمیق مورد بررسی قرار می دهد تا به مهندسان، اپراتورهای کارخانه و متخصصان تدارکات کمک کند تا انتخابی آگاهانه داشته باشند.

دماسنج دو فلزی چگونه کار می کند

الف دماسنج دو فلزی بر اساس اصل انبساط حرارتی دیفرانسیل بین دو فلز غیرمشابه که به طور دائم در طول آنها به یکدیگر متصل شده اند عمل می کند. When the composite strip is heated or cooled, the two metals expand or contract at different rates — governed by their respective coefficients of thermal expansion — causing the bonded strip to curve in proportion to the temperature change. با پیچاندن این نوار دو فلزی به یک سیم پیچ مارپیچ یا مارپیچ و اتصال یک سر آن به یک لنگر ثابت در حالی که انتهای دیگر یک اشاره گر را از طریق یک اتصال مکانیکی به حرکت در می آورد، حرکت چرخشی انتهای سیم پیچ به یک انحراف اشاره گر در یک مقیاس مدرج تبدیل می شود.

جفت فلزی که بیشتر در دماسنج های دو فلزی استفاده می شود، Invar (آلیاژ نیکل-آهن با ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین) است که به آلیاژی با انبساط بالا مانند برنج، مس یا فولاد ضد زنگ متصل می شود. نرخ انبساط نزدیک به صفر Invar حرکت دیفرانسیل را برای یک تغییر دما به حداکثر می‌رساند و حساسیت و گستره مقیاس را بهبود می‌بخشد. شکل سیم پیچ مارپیچی نسبت به یک مارپیچ ساده در دماسنج های صفحه ای ترجیح داده می شود زیرا به عنصر دو فلزی طولانی تری در قطر ساقه فشرده اجازه می دهد، چرخش زاویه ای را در هر درجه تغییر دما افزایش می دهد و بنابراین خوانایی و دقت را بهبود می بخشد.

عنصر حسگر - سیم پیچ دو فلزی مارپیچی - در داخل یک ترموول محافظ یا ساقه غوطه وری قرار می گیرد که در محیط فرآیند اندازه گیری شده قرار می گیرد. ساقه گرما را از محیط به عنصر دو فلزی منتقل می کند در حالی که از تماس مستقیم با سیال محافظت می کند. سر صفحه شامل نشانگر، مقیاس، و گاهی اوقات یک پنجره محافظ، در بالای ساقه نصب شده و دما را مستقیماً می خواند. هیچ نیروی الکتریکی، تهویه سیگنال خارجی یا تجهیزات بازخوانی از راه دور مورد نیاز نیست - کل زنجیره اندازه گیری و نشانگر مکانیکی است.

دماسنج فشار چگونه کار می کند

الف pressure thermometer — more precisely described as a filled thermal system or vapor-pressure thermometer — operates on an entirely different physical principle. A sealed system consisting of a bulb (the sensing element), a capillary tube, and a Bourdon tube pressure element is filled with a temperature-sensitive substance — either a gas, a liquid, a vapor, or a combination — and hermetically sealed. When the bulb is exposed to the process temperature, the filling medium expands (in liquid-filled and gas-filled systems) or generates a characteristic vapor pressure (in vapor-pressure systems), increasing the pressure throughout the sealed system. The Bourdon tube at the instrument end responds to this pressure change by straightening slightly, driving a pointer through a mechanical linkage to indicate temperature on a calibrated scale.

طبقه بندی SAMA (انجمن سازندگان دستگاه های علمی) سیستم های حرارتی پر شده را بر اساس محیط پرکننده به چهار دسته تقسیم می کند. سیستم‌های کلاس I از پرکننده مایع (معمولاً روغن سیلیکون یا جیوه در ابزارهای قدیمی)، سیستم‌های کلاس II از پرکننده فشار بخار (مخلوط بخار مایع که از منحنی اشباع سیال پرکننده استفاده می‌کند)، سیستم‌های کلاس III از پرکننده گاز (معمولاً نیتروژن) و سیستم‌های کلاس V از جیوه استفاده می‌کنند. هر کلاس دارای محدوده‌های دمایی متفاوت، الزامات جبران دمای محیط و ویژگی‌های دقت است، اما همگی ویژگی مشترک یک لامپ از راه دور متصل به سر نشانگر را دارند - ویژگی که اجازه می‌دهد نقطه اندازه‌گیری و نقطه خواندن به صورت فیزیکی با فواصل تا چند متر از هم جدا شوند.

تفاوت های کلیدی ساختاری و عملیاتی

در حالی که هر دو ابزار یک دمای مکانیکی محلی را بدون نیروی خارجی ارائه می دهند، ساختار داخلی آنها تفاوت های عملیاتی قابل توجهی ایجاد می کند که به طور مستقیم بر مناسب بودن آنها برای کاربردهای مختلف تأثیر می گذارد.

سنجش مکان عنصر و خواندن از راه دور

در یک دماسنج دو فلزی، عنصر حسگر (سیم پیچ دو فلزی) در داخل ساقه ابزار، مستقیماً زیر سر صفحه قرار دارد. بنابراین صفحه کلید باید در نقطه اندازه گیری یا بسیار نزدیک به آن قرار گیرد - معمولاً در چند سانتی متری اتصال فرآیند. این امر دماسنج های دو فلزی را به کاربردهایی محدود می کند که دسترسی مستقیم به نقطه اندازه گیری برای خواندن عملی و ایمن است. در مقابل، یک دماسنج فشار، لامپ (عنصر حسگر) را از طریق یک لوله مویین که می تواند در اطراف موانع، از طریق دیوارها یا در فواصل قابل توجهی حرکت کند، از سر نشانگر جدا می کند. این قابلیت خواندن از راه دور، دماسنج‌های فشار را در کاربردهایی که نقطه اندازه‌گیری از نظر فیزیکی غیرقابل دسترس است، در مکان‌های خطرناک، در ارتفاعات بالا، یا جایی که پرسنل نباید در حین کار به فرآیند نزدیک شوند، ضروری می‌سازد.

زمان پاسخگویی

دماسنج های دو فلزی در مقایسه با سایر انواع سنسور دما پاسخ حرارتی نسبتاً آهسته ای دارند زیرا قبل از تغییر نشانگر، گرما باید از سیال فرآیند از طریق دیواره ترموول و به عنصر دو فلزی هدایت شود. زمان پاسخ معمولاً در محدوده 30 تا 120 ثانیه است تا به 90٪ تغییر مرحله در دمای فرآیند برسد، بسته به قطر ساقه، مواد ترموول و سرعت سیال فرآیند. دماسنج‌های فشاری با لامپ‌های بزرگ که مستقیماً در سیال فرآیند غوطه‌ور شده‌اند، تا حدودی سریع‌تر برای سیستم‌های پر از مایع واکنش نشان می‌دهند، هرچند که مویرگی یک تاخیر اضافی کوچک ایجاد می‌کند. هیچ‌کدام از این ابزارها برای کاربردهایی که نیاز به ردیابی سریع دما دارند، مناسب نیستند - سنسورهای الکترونیکی مانند ترموکوپل یا RTD با ترموول‌های دیواره نازک بسیار سریع‌تر هستند.

الفmbient Temperature Compensation

الف significant practical difference between the two instrument types is their sensitivity to ambient temperature at the instrument head. Bimetal thermometers, because their entire sensing element is at the process temperature, are not significantly affected by ambient temperature changes at the dial — the bimetal coil responds only to the temperature at the stem, not the temperature of the surrounding air at the dial. Pressure thermometers, particularly liquid-filled (Class I) and gas-filled (Class III) systems, are sensitive to ambient temperature changes because the filling medium in the capillary and Bourdon tube is also affected by ambient temperature, not just the temperature at the bulb. This effect is managed through compensation devices — bimetallic compensators built into the movement mechanism — but residual ambient temperature error can be a meaningful source of inaccuracy in environments with wide ambient temperature swings.

الفccuracy and Calibration Comparison

کاربردهای معمول برای دماسنج های دو فلزی

دماسنج‌های دو فلزی پرمصرف‌ترین دماسنج‌های خوان محلی در کاربردهای عمومی صنعتی و فرآیندی هستند و ترکیب آن‌ها از سادگی، هزینه کم، استحکام و سهولت نصب، آنها را به انتخاب پیش‌فرض برای طیف وسیعی از وظایف نظارت بر دما تبدیل می‌کند.

• تهویه مطبوع و خدمات ساختمانی: نظارت بر دمای عرضه و برگشت در مدارهای گرمایش و سرمایش، کویل های واحد حمل هوا، سیستم های آب سرد، و خطوط جریان و برگشت دیگ بخار. ساقه فشرده و جهت صفحه قابل تنظیم دماسنج دو فلزی استاندارد نصب آن را در اندازه لوله از ½ اینچ به بالا آسان می کند.
• لوله کشی و کشتی های صنعتی: نظارت بر دمای سیال فرآیند در ورودی های پمپ، اتصالات مبدل حرارتی، خروجی مخزن ذخیره سازی و نقاط اختلاط در کارخانه های فرآوری مواد غذایی، شیمیایی و دارویی. دماسنج های دو فلزی درجه بهداشتی با اتصالات فرآیندی بهداشتی در فرآوری غذا و نوشیدنی استاندارد هستند.
• مانیتورینگ کمپرسور و ماشین آلات: نظارت بر دمای روغن، دمای تخلیه و دمای آب خنک کننده روی کمپرسورها، پمپ ها و گیربکس ها. دماسنج‌های دو فلزی صفحه‌ای پر از مایع در کاربردهای ماشین‌آلات با ارتعاش بالا ترجیح داده می‌شوند زیرا پرکننده گلیسیرین یا سیلیکون نوسان نشانگر را کاهش می‌دهد و سایش مکانیکی در حرکت را کاهش می‌دهد.
• نظارت بر تاسیسات: سیستم‌های توزیع بخار، خطوط هوای فشرده، مدارهای برج خنک‌کننده و لوله‌کشی عمومی که در آن دما برای آگاهی عملیاتی به جای کنترل دقیق فرآیند نظارت می‌شود. دماسنج های دو فلزی در این مکان ها اغلب مقرون به صرفه ترین و قابل نگهداری ترین گزینه هستند.

کاربردهای معمولی برای دماسنج های فشاری

دماسنج‌های فشاری یک جایگاه کاربردی باریک‌تر اما مهم را اشغال می‌کنند که عمدتاً با نیاز به نشان‌دهنده از راه دور - دمای خواندن در مکانی جدا از نقطه اندازه‌گیری فرآیند - و نیاز به یک ابزار کاملاً مکانیکی و مستقل در مکان‌هایی که سنسورهای الکترونیکی عملی یا مجاز نیستند، تعریف می‌شود.

• بویلرها و مخازن تحت فشار: پایش دمای بخار، دمای آب تغذیه و دمای گاز دودکش در مکان‌هایی که به طور ایمن یا عملاً برای خواندن مستقیم قابل دسترسی نیستند. لامپ در نقطه اندازه گیری نصب می شود و سر نشانگر روی یک پانل محلی یا تابلو کنترل در فاصله ایمن قرار دارد.
• سیستم های برودتی و برودتی: دماسنج‌های فشار پر گاز (کلاس III) و فشار بخار (کلاس II) در کارخانه‌های تبرید، تأسیسات سردخانه‌ای و سیستم‌های گاز مایع استفاده می‌شوند که در آن دما بسیار کمتر از محدوده ابزارهای دو فلزی استاندارد است. توانایی تعیین پرهای با دمای پایین، محدوده اندازه گیری را تا -200 درجه سانتیگراد و کمتر افزایش می دهد.
• تاسیسات تولید نفت و گاز: خواندن از راه دور دمای سر چاه، دمای جداکننده و دمای خروجی مبدل حرارتی در مکان‌هایی در مناطق فرآیند طبقه‌بندی شده به عنوان مناطق خطرناک، جایی که حذف هر گونه اجزای الکتریکی یک الزام ایمنی است. یک دماسنج فشار کاملاً مکانیکی بدون قطعات الکتریکی ذاتاً در اتمسفرهای انفجاری ایمن است.
• کاربردهای دریایی و فراساحلی: نظارت بر دمای اتاق موتور در کشتی ها و سکوهای دریایی، که در آن مقاومت در برابر خوردگی، استحکام مکانیکی و عدم نیاز به توان الکتریکی، همه ارزش دارند. دماسنج های فشار تمام فولاد ضد زنگ با مویرگ های Monel یا Hastelloy برای خورنده ترین محیط های دریایی مشخص شده اند.

انتخاب بین دماسنج دو فلزی و فشاری: چارچوب تصمیم

انتخاب بین یک دماسنج دو فلزی و یک دماسنج فشاری به ندرت مبهم است زمانی که الزامات کاربرد به وضوح تعریف شده باشد. منطق تصمیم گیری زیر رایج ترین عوامل متمایزکننده را پوشش می دهد:

• اگر نقطه خواندن باید از نقطه اندازه گیری دور باشد: یک دماسنج فشاری انتخاب کنید. ابزارهای دو فلزی نمی توانند عملکردهای حسی و نشان دهنده خود را از هم جدا کنند. فاصله بین لامپ و سر، مسیر مویرگی و طول مویرگ مورد نیاز باید در مرحله سفارش مشخص شود.
• اگر برنامه شامل لرزش زیاد است: هر دو نوع در نسخه های مقاوم در برابر لرزش (شماره های دو فلزی پر از مایع، دماسنج های فشار لوله بوردون با پر گلیسیرین) موجود هستند. دماسنج‌های فشاری با عناصر بوردون جرم بزرگ‌تر معمولاً در محیط‌های با ارتعاش بالا پایدارتر از ابزارهای دو فلزی هستند.
• اگر دمای محیط در سر ابزار بسیار متفاوت است: یک دماسنج دو فلزی را انتخاب کنید که دمای محیط روی صفحه کلید بر میزان دمای آن تأثیر نمی گذارد، یا در صورت نیاز به خواندن از راه دور، دماسنج فشار بخار کلاس II را مشخص کنید. از دماسنج های فشار پر از مایع کلاس I جبران نشده در محیط هایی با نوسانات دمایی زیاد محیط اجتناب کنید.
• اگر دمای اندازه گیری زیر 70- درجه سانتیگراد باشد: الف pressure thermometer with a cryogenic fill is the only practical mechanical option. Bimetal instruments cannot reliably operate at temperatures below approximately −70°C due to brittleness and loss of differential expansion in very low temperature bimetal alloys.
• اگر هزینه و سادگی معیارهای اولیه برای برنامه نظارت مستقیم لوله کشی هستند: یک دماسنج دو فلزی انتخاب کنید. هزینه کمتری دارد، نصب و جایگزینی آن آسان‌تر است، و کالیبراسیون آن در میدان ساده‌تر از دماسنج فشاری است. برای اکثریت عمده وظایف نظارت بر دمای صنعتی عمومی در محدوده -70 درجه سانتیگراد تا 400 درجه سانتیگراد در نقاط اندازه گیری قابل دسترسی، دماسنج دو فلزی عملی ترین و مقرون به صرفه ترین انتخاب باقی می ماند.