Термометры расширения.

Для измерения температур в лабораторных условиях и промышленной практике ши­роко применяют стеклянные жидкостные термометры, являющиеся самым старым видом термометров. Их характеризует достаточно высокая точность, невысокая стоимость, простота эксплуатации. Принцип действия термометра основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Зафиксировать изменение положения верхней границы столбика жидкости возможно вследствие различия коэффициентов объемного теплового расширения жидкости и стекла. Из-за увеличения объема резервуара видимое изменение объема жидкости ниже действительного.

Наиболее широко в качестве термометрической жидкости используется ртуть. Применяют также органические заполни­тели: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан и т. п. В табл.3 приведены температурные пределы некоторых, термометрических жидкостей и их средние коэффициенты расширения. Наибольшее распространение получили термометры со ртутным заполнением, так как ртуть обладает наилучшими свойствами: находится в жидком состоянии в широком диапазоне температур (верхний предел может быть доведен до 1200 °С с помощью увеличения давления в капилляре и применения для изготовления термометра плавленого кварца); не смачивает стекла, что позво­ляет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0, 1 мм) и обеспечить высокую точность измерения (ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют доверительную, погрешность ε = 2σ = 0, 002 ÷ 0, 2 °С). Из табл. 3 видно, что ртуть имеет в 6—8 раз меньший коэффициент объемного расширения, чем другие заполнители. Это снижает чувствительность ртутных термометров. Однако для термометров, градуированных при не­полном погружении, погрешности из-за выступающего столбика будут в 6—8 раз меньше, чем у нертутных (при прочих равных условиях измерения).

Таблица 3

Параметры термометрических веществ для стеклянных термометров.

Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью и вредностью в экс­плуатации и производстве. Вследствие смачивания стекла, термо­метры с органическими термометрическими жидкостями имеют меньшую точность отсчета.

Стеклянные жидкостные термометры конструктивно делятся на палочные и с вложенной шкалой. Шкала у палочных термометров наносится непосредственно на толстостенный капилляр, а у термометров со вложенной шкалой - на прямоугольную стеклянную пластину молочного цвета, нахо­дящуюся сзади капилляра. Несмотря на большую инерционность, термометры со вложенной шкалой получили широкое распростра­нение, так как более удобны для применения. (рис 1.3). Стеклянные термометры (рис.1.3) в зависимости от назначения и области применения делятся на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические, термометры для сельского хозяйства.

Лабораторные термометры обеспечивают контроль в интер­вале температур 0—500 °С, который разбит на 4 диапазона, что позволяет получить погрешность измерении (с учетом введения поправок), не превышающую ±0, 01°С (0—60°С), ±0.02 °С (55—155 °С), ±0, 05 °С (140—300 °С) и ±0, 1 °С (300-500 °С).

В качестве технических применяют только термометры со вло­женной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и уг­ловые. Ртутное модификаций заполнение обеспечивает измерение температур от —30 до +600 °С, органические заполнители от —90 до +30 °С и от —60 до +200 °С. Имеется значительное число термометров в зависимости от предела измерения, длины нижней (от 66 до 2000 мм) и верхней (240 — 260 мм) частей. Допускаемая погрешность равна цене деления технического термометра. При стационарной эксплуатации в различных точках технологиче­ских агрегатов термометры устанавливаются в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации температуры в лабораторных и промышленных установках разработаны специальные электроконтактные технические тер­мометры двух типов:

1) с постоянными впаянными контактами обеспечивающими замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее за­данных температурах;

2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с по­мощью магнита) и вторым непод­вижным контактом, впаянным в капилляр, что обеспечивает за­мыкание и размыкание электри­ческой цепи при любом значении выбранной шкалы термометра. Пе­ремещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи меж­ду контактами, к которым подво­дится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка, на которых не должна превышать 0, 5 мА при напряжении не более 0, 3 В.

По методу градуировки и уста­новки при измерении жидкостные термометры подразделяются на два типа:

1) градуируемые и эксплуатируемые при полном погружении, т. е. при погружении термометра в измеряемую среду до отсчитываемого деления;

2) градуируемые и эксплуатируемые при заданной глубине погружения, т. е. нижняя часть термометра, погружается в измеряемую среду до отметки, указанной на корпусе прибора.

В процессе измерения температур стеклянными жидкостными термометрами появляются погрешности, обусловленные рядом причин. Это ошибки, вносимые наблюдателем; возникающие вслед­ствие дефектов термометра (возгонка термометрической жидкости, разрывы столбика жидкости, смещение шкальной пластинки и т. п.), а также возникающие при нормальной эксплуатации (погрешность в нанесении отметок шкалы, нелинейная температурная зависимость изменения объемов термометрической жидко­сти и стеклянной оболочки) и при отклонении условий эксплуа­тации от нормальных.

Несколько подробнее остановимся на последних. Величину их можно уменьшить введением поправок, учитывающих условия измерения.

Рассмотрим случай, когда термометр, градуированный при полном погружении, невозможно погрузить в измеряемую среду (или термостат) до отсчитываемого деления шкалы. Таким образом, часть столбика термометрической жидкости выступает над уровнем среды и имеет другую температуру. Среднюю температуру выступающего столбика измеряют, с помощью небольшого дополнительного палочного термометра, резервуар которого кре­пится к корпусу основного измерителя в середине столбика и изолируется асбестовым шнуром.

Для исключения погрешности вводят поправку на выступающий столбик Δ t, определяемую по формуле

Δ t=nβ (t–t_в.с) (3.4)

где n — число градусов на выступающем столбике, °С;

β — коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле, 1/К;

t — температура, показываемая основным термометром, °С;

t_в.с — средняя температура выступающего столбика, °С.

Пример.

Лабораторный стеклянный ртутный термометр, погруженный в измеряемую среду до отметки 150°С, показывает температуру 280 °С. Темпе­ратура выступающего столбика равна 30 °С. Коэффициент видимого объемного теплового расширения ртути в стекле (β = 0, 00016 1/К (см. табл. 3). Поправка на выступающий столбик составит

Δ t = n β (t – t_в.с)=130·0.0016(280+3.12)=3, 12° С.

Действительное значение температуры равно 280 + 3, 12 = 283, 12 °С.

При эксплуатации термометра с заданной глубиной погружения может возникнуть ошибка вследствие того, что температура его выступающей части t_в' значительно отличается от температуры t_в при его градуировке (обычно равной 20°С). Поправка вычисляется по формуле

Δ t₁=mβ (t_в–t_в'), (3.5)

где m — число градусов, отсчитываемое по термометру, при нормальной глубине погружения, °С;

β - коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле, 1/К.

Поверка жидкостных стеклянных термометров проводится в термостатах с помощью образцовых термометров более высокого класса точности.

Биметаллические термометры.

Твердые тела в различной степени изменяют свои линейные размеры при изменении их температуры. Данное свойство, положено в основу принципа действия биметаллических и дилатометрических термометров.

В основном металлы и их сплавы относятся к материалам с вы­соким температурным коэффициентом линейного расширения. Для латуни он равен (18, 3 — 23, 6) · 10^-6 1/°С, для никелевой стали 20 · 10^-6 °C^-1.

В то же время сплав инвар имеет низкий коэффициент линей­ного расширения (0, 9 · 10^-6 1/°С), так же как и плавленый кварц (0, 55 · 10^-6 1/°С)

На рис. 3.2 представлена схема биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2.