Жидкостные термометры

Если герметичный сосуд заполнить жидкостью или газом и затем нагреть его, молекулы жидкости или газа будут увеличивать давление на стенки сосуда. Измеряя это давление, и/или позволяя жидкости расширяться под постоянным давлением, мы можем определить температуру жидкости или газа.
Существует несколько классов таких систем для измерения температуры.

Системы Класса I и Класса V используют сосуд, заполнение жидкостью (класс V - ртуть). Здесь объемное расширение жидкости приводит в движение механизм указателя температуры:

 

В системе класса III вместо жидкости используется газ. В данной системе, увеличение давления с повышением температуры (согласно Закону Идеального Газа) позволяет нам определять температуру колбы:

В данных системах, весьма важно, чтобы импульсная трубка, соединяющая колбу с механизмом указателя, имела минимальный объем. В этом случае расширение газа происходит, прежде всего, из-за изменений температуры в колбе, а не из-за изменений температуры импульсной трубки. Также, важно понимать, что объем жидкости, находящийся в сильфоне (или в трубчатой пружине манометра или в блоке диафрагмы...), также подвержен расширению и сокращению из-за температурных изменений в механизме индикатора. Это означает, что показания температуры изменяются при изменении температуры механизма индикатора, что нежелательно, так как устройство предназначено для измерения температуры исключительно в колбе. Существуют различные методы компенсации этого эффекта (например, пружина из bi-металла в механизме индикатора, чтобы автоматически компенсировать температурные изменения), но это может быть и простая установка (калибровка) «на нуль» при условии, что окружающая температура в индикаторе мало изменяется.

Существенно отличается система класса II, в которой используется легколетучая комбинация жидкости/пара, чтобы произвести зависящее от температуры жидкое расширение:

Учитывая, что жидкость и пар находятся в прямом контакте друг с другом, давление в системе будет точно равным давлению насыщенного пара на границе раздела пара/жидкости, которое изменяется только от температуры жидкости в колбе. Это делает систему класса II чувствительной к температуре только в колбе, а не в других объемах системы. Из-за этого явления, система класса II не требует никакой компенсации температурных изменений в индикаторе.

Фотография пневматического температурного трансмиттера, использующего заполненную жидкостью колбу как сенсор, показана на следующей фотографии:

Этот трансмиттер производства компании Moore, модель "Nullmatic". Капиллярная трубка, соединяющая колбу с механизмом пневматического трансмиттера, защищена от повреждений металлическим спиральным рукавом. Заполненная жидкостью колба расположена на самом конце трубки из нержавеющей стали, которая устанавливается в технологический процесс:

Вместо того чтобы непосредственно приводить в действие механизм указателя температуры, приводится в действие самоуравновешивающийся пневматический механизм, чтобы на выходе прибора получить давление воздуха величиной от 3 до 15 PSI ,пропорционально температуре процесса.

Датчики температуры с заполненной жидкостью или паром колбой редко используются в промышленности непосредственно для измерения температуры. Чаще они используются как ключевые элементы (ключи), сигнализирующие о выходе температуры процесса за указанные границы. При таком применении в полной мере реализуется их преимущество перед электрическими датчиками – они не нуждаются в электрическом питании, хотя в современной промышленности это и не является, зачастую, большой проблемой.

Примером такого использования является продукция SOR Inc. Фото температурных ключей данной фирмы приведены ниже по тексту:

На следующем рисунке приведен чертеж модификации такого температурного ключа с разнесенным расположением сенсора и электрического ключа:

Колба данного прибора заполнена паром жидкости. Давление паров жидкости изменяется при изменении температуры колбы. Давление передается через приваренную диафрагму на пружину диапазона (Range Spring) и вызывает перемещение плунжера (Piston), который, в свою очередь, переключает электрические контакты, если температура процесса достигает точки уставки (Set Point).