Манометрические термометры

Термометры расширения

Построены на принципе изменения объема жидкости (жидкостные) или линейных размеров твердых тел (деформационные) при изменении температуры тела.

Действие жидкостных стеклянных термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества (ртуть, спирт и другие органические жидкости) и оболочки, в которых оно находится (термометрическое стекло или кварц). Такие термометры, как правило, используются в промышленности и в лабораторной практике для местных измерений температуры в пределах от -200 до +600 °С с высокой точностью. Цена деления, например, образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы может составлять 0.01 °С.

Изготавливаются лабораторные термометры типа ТЛ на пределы измерения от -100 до +500 °С; термометры промышленные типа ТП на пределы от -30 до +500 °С; термометры технические типа ТТ на те же пределы и др.

Основные достоинства жидкостных стеклянных термометров – простота и высокая точность измерения; недостатки – невозможность регистрации и передачи показаний на расстояние, значительна тепловая инерция, невозможность ремонта.

Работа деформационных термометров основана на различии коэффициентов линейного расширения твердых тел, из которых выполнены чувствительные элементы этих термометров. К деформационным относятся дилатометрические и биметаллические термометры, отличающиеся по конструкции.

Основаны на изменении давления газа, жидкости или парожидкостной смеси, находящихся в замкнутом объеме, при изменении температуры. Основными составляющими являются термобаллон, капиллярная трубка и манометр. Термобаллон погружается в среду с измеряемой температурой. При изменении температуры изменяется давление рабочего вещества. По капилляру это давление передается на трубчатую манометрическую пружину, от которой через передаточный механизм приводится в действие стрелка или перо прибора. В зависимости от вида рабочего (термометрического) вещества, заполняющего термосистему, манометрические термометры делятся на газовые, жидкостные и конденсационные.

В газовых манометрических термометрах ТПГ-100 в качестве рабочего вещества применяется обычно азот. Пределы измерения от -200 до +600°С. Шкала приборов равномерная.

В жидкостных манометрических термометрах ТЖП-100 термосистема заполнена силиконовыми жидкостями. Пределы измерения от -50 до 300°С. Шкала равномерная.

В конденсационных манометрических термометрах ТКП-100 рабочим веществом являются низкокипящие органические жидкости (ацетон, фреон, хлористый метил и др.). Термобаллон конденсационных термометров на 2/3 заполнен рабочей жидкостью, над которой находится образующийся из нее насыщенный пар. Пределы измерения от -20 до +300°С. Конденсационные термометры имеют неравномерную (сжатую в начале) шкалу, что обусловлено нелинейной зависимостью давления насыщенного пара от его температуры.

Манометрические термометры имеют основную погрешность измерения, вызываемую несовершенством работы трубчатой пружины и отсчетного устройства и ряд дополнительных погрешностей. Их источниками являются: изменение атмосферного давления (барометрическая погрешность); влияние температуры окружающей среды на капиллярную трубку и манометрическую пружину (температурная погрешность); воздействие гидростатического давления столбов жидкости (гидростатическая погрешность).

Достоинствами манометрических термометров всех видов являются взрыво - и пожаробезопасность, простота конструкции и обслуживания, надежность, возможность дистанционного измерения и автоматической записи температуры. К их недостаткам относятся невысокая точность измерений, большие размеры термобаллона, значительная инерционность.

Преобразователи термоэлектрические (ТЭП)

Принцип работы ТЭП состоит в следующем. Если составить замкнутую цепь из двух разнородных проводников А и В и нагреть один ее спай, то в цепи возникнет электрический ток (рис. а). Спай, погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим спаем ТЭП, второй носит название свободного. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металле свободных электронов, число которых различно для разных металлов.

Предположим, что в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении; поэтому металл А заряжается положительно, а металл В отрицательно. Электрическое поле, возникающее в месте соприкосновения проводников, препятствует этой диффузии, и когда скорость диффузии электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов. Если спаяны однородные проводники, концы которых нагреты до разных температур, то свободные электроны диффундируют из более нагретых частей проводника в мене нагретые с большей интенсивностью, чем в обратном направлении. Более нагретые концы проводников заряжаются положительно до тех пор, пока не наступает равновесное состояние за счет создания разности потенциалов, действующей в направлении, обратном тепловой диффузии электронов.

Электронная теория дает лишь физическое (качественное) объяснение термоэлектрического эффекта. Количественное определение термо – ЭДС на основании этой теории невозможно, так как число свободных электронов, приходящихся на единицу объема, не поддается количественному учету, и не известен закон их изменения с изменением температуры.

Из сказанного следует, что в простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникают 4 различные термо – ЭДС: две термо – ЭДС в местах спая проводников А и В, термо – ЭДС на конце проводника А и термо – ЭДС на конце проводника В.

Учитывая оба фактора, определяющие суммарную термо-ЭДС замкнутой цепи из двух проводников А и В, спаи которых нагреты до температур t и t₀, обходя цепь в направлении против часовой стрелки, получим

Где Е_АВ (tt₀) – суммарная ТЭДС ТЭП; е_АВ(t), е_ВА(t₀) – потенциалы, возникающие в спаях.

Если температура спаев одинакова, то термо – ЭДС в цепи равна нулю, так как в обоих случаях возникают термо – ЭДС, равные по величине и противоположно направленные. Следовательно, при t = t ₀

Откуда

Подставив последнее выражение в первое уравнение получим

(*)

Откуда следует, что термо – ЭДС представляет собой сложную функцию двух переменных величин t и t₀, т.е. температур обоих спаев.

Так как потенциалы спаев зависят от температуры, суммарная ТЭДС равна разности функций t и t₀

Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, например, полагая, что t₀ = const, т.е. f₂(t₀) = const, получим:

или .

Таким образом, если для данного ТЭП экспериментально найдена эта зависимость, то измерение неизвестной температуры сводится к определению ТЭДС ТЭП, которая невелика (от 0.01 до 0.06 мВ на 1°С), но все же достаточна для измерения прибором.

Лекция 6 Включение третьего проводника в цепь термоэлектрического