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 Δt, определяемую по формуле
|
|
Δt=nβ(t–tв.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;
tв.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
Δt = n β(t – tв.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 tв' значительно отличается от температуры tв при его градуировке (обычно равной 20°С). Поправка вычисляется по формуле
Δt1=mβ(tв–tв'), (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.
|
|