Sự khác biệt giữa nhiệt kế lưỡng kim và nhiệt kế áp suất là gì?

Đo nhiệt độ trong các ứng dụng công nghiệp, quy trình và kỹ thuật cơ khí dựa trên một số nguyên tắc vật lý cơ bản khác nhau và việc chọn sai loại thiết bị cho một ứng dụng nhất định có thể dẫn đến độ chính xác kém, hỏng hóc sớm, nguy hiểm về an toàn hoặc chi phí không cần thiết. Hai trong số các loại nhiệt kế cơ học được triển khai rộng rãi nhất - nhiệt kế lưỡng kim và nhiệt kế áp suất (còn gọi là nhiệt kế hệ thống dẫn động bằng khí hoặc hệ thống chứa đầy) - thường được so sánh trực tiếp vì cả hai đều là dụng cụ độc lập, đọc cục bộ và không cần nguồn điện bên ngoài. Nhưng nguyên tắc hoạt động, kết cấu, đặc tính hiệu suất và ứng dụng lý tưởng của chúng khác nhau ở những điểm quan trọng và có ý nghĩa thực tế. Bài viết này xem xét chuyên sâu cả hai loại công cụ để giúp các kỹ sư, người vận hành nhà máy và chuyên gia thu mua đưa ra lựa chọn sáng suốt.

Nhiệt kế lưỡng kim hoạt động như thế nào

A nhiệt kế lưỡng kim hoạt động theo nguyên lý giãn nở nhiệt khác nhau giữa hai kim loại khác nhau liên kết vĩnh viễn với nhau dọc theo chiều dài của chúng. Khi dải composite được làm nóng hoặc làm mát, hai kim loại giãn nở hoặc co lại ở các tốc độ khác nhau - bị chi phối bởi hệ số giãn nở nhiệt tương ứng của chúng - làm cho dải liên kết cong theo sự thay đổi nhiệt độ. Bằng cách cuộn dải lưỡng kim này thành một cuộn dây xoắn ốc hoặc xoắn ốc và nối một đầu với một neo cố định trong khi đầu kia điều khiển con trỏ thông qua một liên kết cơ học, chuyển động quay của đầu cuộn dây được chuyển thành độ lệch của con trỏ trên thang đo đã hiệu chỉnh.

Cặp kim loại được sử dụng phổ biến nhất trong nhiệt kế lưỡng kim là Invar (hợp kim sắt-niken có hệ số giãn nở nhiệt cực thấp) được liên kết với hợp kim có độ giãn nở cao như đồng thau, đồng hoặc thép không gỉ. Tốc độ giãn nở gần như bằng 0 của Invar tối đa hóa chuyển động vi sai đối với một sự thay đổi nhiệt độ nhất định, cải thiện độ nhạy và phạm vi tỷ lệ. Dạng cuộn xoắn ốc được ưa thích hơn dạng xoắn ốc phẳng đơn giản trong nhiệt kế quay số vì nó cho phép phần tử lưỡng kim dài hơn trong đường kính thân nhỏ gọn, tăng góc quay trên mỗi độ thay đổi nhiệt độ và do đó cải thiện khả năng đọc và độ chính xác.

Bộ phận cảm biến - cuộn dây lưỡng kim xoắn ốc - được đặt trong một giếng nhiệt bảo vệ hoặc thân ngâm được đưa vào môi trường xử lý đang được đo. Thân truyền nhiệt từ môi trường đến phần tử lưỡng kim đồng thời bảo vệ nó khỏi tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng. Đầu quay số, chứa con trỏ, thang đo và đôi khi là cửa sổ bảo vệ, được gắn ở đầu thân và đọc nhiệt độ trực tiếp. Không cần nguồn điện, điều hòa tín hiệu bên ngoài hoặc thiết bị đọc từ xa - toàn bộ chuỗi đo lường và chỉ báo đều là cơ khí.

Nhiệt kế áp suất hoạt động như thế nào

Nhiệt kế áp suất - được mô tả chính xác hơn là hệ thống nhiệt đầy hoặc nhiệt kế áp suất hơi - hoạt động theo nguyên tắc vật lý hoàn toàn khác. Một hệ thống kín bao gồm một bóng đèn (bộ phận cảm biến), ống mao dẫn và bộ phận áp suất ống Bourdon chứa đầy chất nhạy cảm với nhiệt độ - khí, chất lỏng, hơi hoặc kết hợp - và được bịt kín. Khi bóng đèn tiếp xúc với nhiệt độ của quá trình, môi trường làm đầy sẽ nở ra (trong hệ thống chứa đầy chất lỏng và chứa đầy khí) hoặc tạo ra áp suất hơi đặc trưng (trong hệ thống áp suất hơi), làm tăng áp suất trong toàn bộ hệ thống kín. Ống Bourdon ở đầu thiết bị phản ứng với sự thay đổi áp suất này bằng cách duỗi thẳng một chút, đưa con trỏ qua một liên kết cơ học để biểu thị nhiệt độ trên thang đo đã hiệu chuẩn.

Phân loại SAMA (Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị khoa học) chia hệ thống nhiệt được nạp đầy thành bốn loại dựa trên môi trường làm đầy. Hệ thống loại I sử dụng chất làm đầy chất lỏng (thường là dầu silicon hoặc thủy ngân trong các thiết bị cũ), hệ thống Loại II sử dụng chất làm đầy áp suất hơi (hỗn hợp hơi-lỏng khai thác đường cong bão hòa của chất lỏng làm đầy), hệ thống Loại III sử dụng chất làm đầy khí (thường là nitơ) và hệ thống Loại V sử dụng thủy ngân. Mỗi loại có phạm vi nhiệt độ khác nhau, yêu cầu bù nhiệt độ môi trường và đặc tính chính xác, nhưng tất cả đều có chung đặc điểm là bóng đèn từ xa được kết nối bằng mao quản với đầu chỉ báo — một tính năng cho phép điểm đo và điểm đọc được tách biệt về mặt vật lý bằng khoảng cách lên đến vài mét.

Sự khác biệt chính về cấu trúc và hoạt động

Mặc dù cả hai thiết bị đều cung cấp khả năng đọc nhiệt độ cơ học cục bộ mà không cần nguồn điện bên ngoài, nhưng cấu trúc bên trong của chúng tạo ra sự khác biệt đáng kể trong vận hành ảnh hưởng trực tiếp đến sự phù hợp của chúng đối với các ứng dụng khác nhau.

Vị trí phần tử cảm biến và đọc từ xa

Trong nhiệt kế lưỡng kim, bộ phận cảm biến (cuộn dây lưỡng kim) nằm trong thân thiết bị, ngay bên dưới đầu quay số. Do đó, mặt số phải được đặt ở hoặc rất gần điểm đo - thường cách kết nối quy trình vài cm. Điều này giới hạn nhiệt kế lưỡng kim ở những ứng dụng mà việc truy cập trực tiếp vào điểm đo để đọc là thực tế và an toàn. Ngược lại, nhiệt kế áp suất tách bóng đèn (bộ phận cảm biến) khỏi đầu chỉ báo thông qua một ống mao dẫn có thể đi vòng quanh chướng ngại vật, xuyên tường hoặc qua những khoảng cách đáng kể. Khả năng đọc từ xa này làm cho nhiệt kế áp suất trở nên cần thiết trong các ứng dụng mà điểm đo không thể tiếp cận được, ở vị trí nguy hiểm, ở độ cao hoặc nơi nhân viên không được tiếp cận quy trình trong khi vận hành.

Thời gian đáp ứng

Nhiệt kế lưỡng kim có phản ứng nhiệt tương đối chậm so với các loại cảm biến nhiệt độ khác vì nhiệt phải dẫn từ chất lỏng xử lý qua thành giếng nhiệt và vào phần tử lưỡng kim trước khi chỉ báo thay đổi. Thời gian phản hồi thường nằm trong khoảng 30–120 giây để đạt tới 90% mức thay đổi nhiệt độ của quy trình, tùy thuộc vào đường kính thân, vật liệu giếng nhiệt và tốc độ chất lỏng xử lý. Nhiệt kế áp suất có bầu lớn được nhúng trực tiếp vào chất lỏng xử lý có phản ứng nhanh hơn một chút đối với các hệ thống chứa đầy chất lỏng, mặc dù mao quản tạo ra một độ trễ bổ sung nhỏ. Cả hai loại thiết bị đều không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu theo dõi nhiệt độ nhanh - các cảm biến điện tử như cặp nhiệt điện hoặc RTD có giếng nhiệt thành mỏng nhanh hơn nhiều.

Bù nhiệt độ môi trường xung quanh

Sự khác biệt thực tế đáng kể giữa hai loại thiết bị là độ nhạy của chúng với nhiệt độ môi trường ở đầu thiết bị. Nhiệt kế lưỡng kim, vì toàn bộ phần tử cảm biến của chúng ở nhiệt độ xử lý, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự thay đổi nhiệt độ môi trường ở mặt số - cuộn dây lưỡng kim chỉ phản ứng với nhiệt độ ở thân chứ không phải nhiệt độ của không khí xung quanh ở mặt số. Nhiệt kế áp suất, đặc biệt là hệ thống chứa đầy chất lỏng (Loại I) và chứa đầy khí (Loại III), rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ môi trường vì môi trường làm đầy trong ống mao quản và ống Bourdon cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, không chỉ nhiệt độ ở bóng đèn. Hiệu ứng này được quản lý thông qua các thiết bị bù - bộ bù lưỡng kim được tích hợp trong cơ chế chuyển động - nhưng lỗi nhiệt độ xung quanh còn lại có thể là nguồn gây ra sự thiếu chính xác đáng kể trong môi trường có dao động nhiệt độ xung quanh rộng.

So sánh độ chính xác và hiệu chuẩn

Các ứng dụng điển hình cho nhiệt kế lưỡng kim

Nhiệt kế lưỡng kim là nhiệt kế đọc cục bộ được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng công nghiệp và quy trình nói chung, và sự kết hợp giữa tính đơn giản, chi phí thấp, độ chắc chắn và dễ lắp đặt khiến chúng trở thành lựa chọn mặc định cho phạm vi nhiệm vụ giám sát nhiệt độ rất rộng.

• Dịch vụ HVAC và xây dựng: Giám sát nhiệt độ cung cấp và quay trở lại trong mạch sưởi ấm và làm mát, cuộn dây của bộ xử lý không khí, hệ thống nước lạnh, dòng chảy và đường hồi của nồi hơi. Thân nhỏ gọn và hướng quay số có thể điều chỉnh của nhiệt kế lưỡng kim tiêu chuẩn giúp dễ dàng lắp đặt ở các kích cỡ ống từ ½ inch trở lên.
• Đường ống và tàu công nghiệp: Giám sát nhiệt độ chất lỏng của quy trình tại các đầu vào của máy bơm, các đầu nối bộ trao đổi nhiệt, đầu ra của bể chứa và các điểm trộn trong các nhà máy chế biến thực phẩm, hóa chất và dược phẩm. Nhiệt kế lưỡng kim cấp vệ sinh có kết nối quy trình vệ sinh là tiêu chuẩn trong chế biến thực phẩm và đồ uống.
• Giám sát máy nén và máy móc: Giám sát nhiệt độ dầu, nhiệt độ xả và nhiệt độ nước làm mát trên máy nén, máy bơm và hộp số. Nhiệt kế lưỡng kim mặt số chứa đầy chất lỏng được ưa chuộng hơn trong các ứng dụng máy móc có độ rung cao vì chất làm đầy bằng glycerin hoặc silicone làm giảm dao động của con trỏ và giảm mài mòn cơ học khi chuyển động.
• Giám sát tiện ích: Hệ thống phân phối hơi nước, đường khí nén, mạch tháp giải nhiệt và hệ thống đường ống tiện ích chung nơi nhiệt độ được theo dõi để nhận biết vận hành thay vì kiểm soát quy trình chính xác. Nhiệt kế lưỡng kim ở những vị trí này thường là lựa chọn tiết kiệm chi phí và dễ bảo trì nhất.

Ứng dụng điển hình cho nhiệt kế áp suất

Nhiệt kế áp suất chiếm một vị trí ứng dụng hẹp hơn nhưng quan trọng được xác định chủ yếu bởi nhu cầu chỉ báo từ xa - nhiệt độ đọc ở một vị trí tách biệt về mặt vật lý với điểm đo quy trình - và yêu cầu về một thiết bị cơ khí hoàn toàn, khép kín ở những vị trí mà cảm biến điện tử không thực tế hoặc không được phép.

• Nồi hơi và bình chịu áp lực: Giám sát nhiệt độ hơi nước, nhiệt độ nước cấp và nhiệt độ khí thải tại các vị trí không thể tiếp cận an toàn hoặc thực tế để đọc trực tiếp. Bóng đèn được lắp đặt tại điểm đo và đầu chỉ báo được đặt trên bảng điều khiển cục bộ hoặc bảng điều khiển ở khoảng cách an toàn.
• Hệ thống lạnh và đông lạnh: Nhiệt kế áp suất chứa đầy khí (Loại III) và áp suất hơi (Loại II) được sử dụng trong các nhà máy làm lạnh, kho lạnh và hệ thống khí hóa lỏng, nơi nhiệt độ mở rộng dưới phạm vi của các thiết bị lưỡng kim tiêu chuẩn. Khả năng chỉ định chất làm đầy ở nhiệt độ thấp mở rộng phạm vi đo đến −200°C trở xuống.
• Cơ sở sản xuất dầu khí: Đọc từ xa nhiệt độ đầu giếng, nhiệt độ phân tách và nhiệt độ đầu ra của bộ trao đổi nhiệt tại các vị trí trong khu vực xử lý được phân loại là khu vực nguy hiểm, nơi việc loại bỏ bất kỳ thành phần điện nào là yêu cầu an toàn. Nhiệt kế áp suất cơ học hoàn toàn không có bộ phận điện vốn rất an toàn trong môi trường dễ cháy nổ.
• Ứng dụng hàng hải và ngoài khơi: Giám sát nhiệt độ phòng máy trên tàu và giàn khoan ngoài khơi, nơi có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và không có yêu cầu về năng lượng điện đều được đánh giá cao. Nhiệt kế áp suất hoàn toàn bằng thép không gỉ với mao dẫn Monel hoặc Hastelloy được chỉ định cho môi trường biển có tính ăn mòn cao nhất.

Lựa chọn giữa nhiệt kế lưỡng kim và nhiệt kế áp suất: Khung quyết định

Việc lựa chọn giữa nhiệt kế lưỡng kim và nhiệt kế áp suất hiếm khi mơ hồ khi các yêu cầu ứng dụng được xác định rõ ràng. Logic quyết định sau đây bao gồm các yếu tố khác biệt phổ biến nhất:

• Nếu điểm đọc phải ở xa điểm đo: Chọn nhiệt kế áp suất. Dụng cụ lưỡng kim không thể tách rời chức năng cảm biến và chỉ thị của chúng. Khoảng cách giữa bóng đèn và đầu, đường đi của mao quản và chiều dài mao quản cần thiết đều phải được xác định ở giai đoạn đặt hàng.
• Nếu ứng dụng có độ rung cao: Cả hai loại đều có phiên bản chống rung (mặt số lưỡng kim chứa đầy chất lỏng; nhiệt kế áp suất ống Bourdon có chứa glycerin). Nhiệt kế áp suất có phần tử Bourdon khối lượng lớn hơn thường bền hơn trong môi trường có độ rung cao kéo dài so với các dụng cụ lưỡng kim.
• Nếu nhiệt độ môi trường ở đầu thiết bị thay đổi nhiều: Chọn một nhiệt kế lưỡng kim, có số đọc không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường ở mặt số hoặc chỉ định nhiệt kế áp suất hơi Loại II nếu cũng cần phải đọc từ xa. Tránh dùng nhiệt kế áp suất chứa đầy chất lỏng loại I không bù trong môi trường có sự dao động nhiệt độ xung quanh lớn.
• Nếu nhiệt độ đo dưới −70°C: Nhiệt kế áp suất có chất làm đầy đông lạnh là lựa chọn cơ học thực tế duy nhất. Dụng cụ lưỡng kim không thể hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ dưới khoảng −70°C do độ giòn và mất khả năng giãn nở vi sai trong hợp kim lưỡng kim ở nhiệt độ rất thấp.
• Nếu chi phí và tính đơn giản là tiêu chí chính cho ứng dụng giám sát đường ống đơn giản: Chọn nhiệt kế lưỡng kim. Nó ít tốn kém hơn, dễ lắp đặt và thay thế hơn và hiệu chỉnh tại hiện trường đơn giản hơn so với nhiệt kế áp suất. Đối với phần lớn nhiệm vụ giám sát nhiệt độ công nghiệp nói chung trong phạm vi −70°C đến 400°C tại các điểm đo có thể tiếp cận, nhiệt kế lưỡng kim vẫn là lựa chọn thiết thực và tiết kiệm chi phí nhất.