Жидкостные стеклянные термометры

В стеклянных жидкостных термометрах для определения температуры используется тепловое расширение термометрической жидкости. Расширение жидкости приводит к изменению её уровня в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры.

Стеклянные жидкостные термометры изготавливаются из специальных марок термометрического стекла и в процессе изготовления подвергаются искусственному старению и отжигу.

В качестве термометрической жидкости в стеклянных термометрах чаще всего используется ртуть, а при температурах ниже −30 °С – органические жидкости с низкой температурой замерзания (этиловый спирт, толуол, пентан). Достоинством ртути как термометрической жидкости является отсутствие смачивания стекла возможность получения её в чистом виде. Верхний предел измеряемой температуры у ртутных термометров ограничивается прочностными характеристиками стекла и может достигать 600°С.

По конструктивному исполнению термометры стеклянные жидкостные термометры делятся на термометры с вложенной шкалой и палочные.

У термометров с вложенной шкалой (рис.1,а) капилляр и шкальная пластинка герметично заключены в стеклянную защитную оболочку, припаянную к резервуару. Шкальная пластинка плотно прилегает к капилляру и крепится к нему так, чтобы могла свободно расширятся при нагревании термометра. Термометры такой конструкции получили наибольшее распространение, как наиболее удобные при измерениях.

Рис. 1. Разновидности стеклянных жидкостных термометров

Палочные термометры (рис.1,б) изготавливаются из массивных толстостенных капиллярных трубок, из которых выдувается резервуар. Шкала наносится методом травления непосредственно на части передней поверхности капиллярной трубки.

При изготовлении термометров с ограниченным интервалом температур (например от 100°С до 250°С) шкалу в неиспользуемом интервале сокращают или прерывают, создавая в капилляре расширение (рис.1,в). При этом на шкальную пластину может быть нанесена вспомогательная шкала для проверки термометра при фиксированной температуре, например, в точке таяния льда.

При работе с термометром очень важно учитывать, при каком погружении он градуировался: полном или частичном, Показания жидкостного стеклянного термометра зависят не только от температуры резервуара, но и от температуры столбика жидкости в капилляре. Термометр, при использовании которого все термометрическое вещество должно находиться в измеряемой среде, называется термометром полного погружения. Если такой термометр в процессе измерения не может быть погружен полностью, то при точных измерениях необходимо вводить поправку к показаниям термометра

где β _В – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле (для ртути β _В = 0,00016, для толуола β _В = 0,00120); n – число градусных делений, соответствующих высоте выступающего столбика жидкости; t – измеряемая температура, °С; t ₁ – температура выступающей части столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра.

Для термометров с частичным погружением на шкальной пластине обычно делается пометка, указывающая глубину погружения термометра. Такие термометры градуируются при температуре окружающей среды 20°С.

Поскольку при измерениях температура окружающей среды может меняться, то для точных измерений необходимо учитывать возникающую погрешность

где β _В – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле; n – число градусных делений, соответствующих высоте выступающего столбика жидкости; t ₂– температура выступающего столбика при градуировке, °С; t ₃ – средняя температура выступающей части столбика при эксплуатации термометра.

По назначению стеклянные жидкостные термометры делятся на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны (образцовые). Лабораторные используются в лабораторной практике при необходимости измерения температуры с высокой точностью и градуируются при полном погружении. Лабораторные термометры типа ТЛ–4 имеют диапазон измерения 50 °С при цене деления 0,1 °С.

Технические термометры (рис.1,г) градуируются при погружении только суженной хвостовой части, которая может быть прямой или угловой (под углом 90° или 120°). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.) или особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные).

Образцовые термометры типа ТР имеют небольшой диапазон измерения (4 °С при цене деления 0,01 °С), но независимо от пределов измерения имеют отметку 0. Измерения проводятся при полном погружении.

Манометрические термометры

Манометрическими называются термометры, действие которых основано на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества, находящегося в герметически замкнутой термосистеме. Схема манометрического термометра показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема манометрического термометра

Термосистема термометра состоит из термобаллона 1, капилляра 2 и упругого чувствительного элемента 3, которые образуют замкнутый герметичный объем. Упругий чувствительный элемент может быть выполнен в виде манометрической пружины, сильфона или мембраны. Термобаллон погружается в среду, температура которой измеряется. Соединительный капилляр передаёт измеряемое давление на манометрическую пружину. Один конец манометрической пружины, соединенный с капилляром, закреплен в держателе 4. Свободный конец манометрической пружины шарнирно связан поводком 5 с зубчатым сектором 6, который находится в зацеплении с трибкой 7 (шестерёнка на оси указательной стрелки). На ось трибки насажена указательная стрелка 8. Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора в разрыв поводка включают биметаллический термокомпенсатор 9. Шкала манометрического термометра проградуирована в единицах температуры.

В зависимости от термометрического вещества, которым заполняется термосистема, манометрические термометры делятся на жидкостные, газовые и конденсационные.

Жидкостные манометрические термометры применяются для измерения температур от –50 до 300 °С. Вся термосистема манометрического термометра заполнена термометрической жидкостью. При повышении температуры объем жидкости увеличивается пропорционально разности величин теплового расширения жидкости и резервуара, что приводит к изменению давления в термосистеме.

Изменение давления жидкостных манометрических термометров при изменении температуры от t_Н до t_К определяется по формуле

 

 

где β_Ж – коэффициент объемного расширения жидкости; α – коэффициент линейного расширения материала термобаллона; V_T – объем термобаллона; V – объем жидкости, заполняющей термосистему.

Шкала жидкостных манометрических термометров практически равномерна.

Для уменьшения влияния температуры окружающей среды на жидкость внутри капилляра и манометрической пружины объем термобаллона увеличивают по сравнению с объемом манометрической пружины и капилляра. Термосистему заполняют специальной кремнийорганической жидкостью ПМС. Для низких измеряемых температур применяется жидкость ПМС-5, при высоких – жидкость ПМС-10.

Жидкостные манометрические термометры градуируются так, чтобы термобаллон и манометрическая пружина находились на одном уровне. Если при эксплуатации термобаллон расположен выше или ниже манометрической пружины, то возникает дополнительная гидростатическая погрешность из-за влияния столба жидкости в капилляре. Для ограничения гидростатической погрешности длину капилляра в жидкостных манометрических термометрах уменьшают до 10 метров.

Газовые манометрические термометры применяются для измерения температур от–200 до 600 °С.Термосистема газовых манометрических термометров заполняется гелием (при низких измеряемых температурах), азотом (при средних температурах) или аргоном (при высоких температурах). Изменение давления в термосистеме при изменении температуры термобаллона от t_Н до t_К определяется по формуле

 

 

где β – температурный коэффициент расширения газа β = 0,00366 K^{– 1}; α – коэффициент линейного расширения материала термобаллона; р_Н – начальное давление в термосистеме, соответствующее температуре t_Н.

Из уравнения видно, что шкала газового манометрического термометра будет линейной. В действительности зависимость между давлением в термосистеме и измеряемой температурой несколько отклоняется от линейной из-за разницы температур газа термобаллоне и в остальной системе. Для уменьшения этого влияния максимально увеличивают отношение внутреннего объема термобаллона к объему остальной части термосистемы, что позволяет пренебречь влиянием температуры окружающей среды на показания термометра.

Термосистема газовых манометрических термометров заполняется газом под высоким начальным давлением, поэтому влиянием барометрического давления на показания прибора также можно пренебречь.

Конденсационные манометрические термометры применяются для измерения температур в диапазоне от –25 до 300 °С. В отличие от жидкостных манометрических термометров термобаллон только частично заполнен легкокипящей жидкостью, а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Давление в термосистеме конденсационного манометрического термометра будет равно давлению насыщенного пара рабочей жидкости при температуре, равной температуре термобаллона. Зависимость давления насыщенного пара от температуры нелинейная и однозначная вплоть до критической температуры.

В качестве термометрических жидкостей используется фреон-22 (при низких температурах), хлористый метил, хлористый этил, ацетон, толуол (в порядке возрастания измеряемых температур). Термобаллон заполняется жидкостью так, чтобы при нижнем значении измеряемой температуры он был заполнен примерно на 70 %, а при верхнем значении измеряемой температуры жидкость ещё оставалась. Конец капиллярной трубки на некоторую глубину погружается в жидкость.

Поскольку давление в термосистеме зависит только от температуры термобаллона, на показания прибора не будет оказывать влияние температура окружающей среды. Влияние барометрического давления может иметь место в начальной части шкалы, когда давление в термосистеме невелико. В остальных случаях влиянием барометрического давления можно пренебречь. При разнице уровней расположения термобаллона и манометрической пружины будет присутствовать гидростатическая погрешность. Для уменьшения этой погрешности длина капилляра в конденсационных манометрических термометрах не должна превышать 25 метров.

В таблице 1 приведены характеристики показывающих манометрических термометров.

 

Таблица 1 Технические характеристики манометрических термометров   Обозначение Тип Интервал применения, °С Класс точности Диаметр термобаллона, мм Длина термобаллона, мм Глубина погружения термобаллона, мм Длина капилляра, м ТГП-100М1 Газовый −50…600 1 или 1,5 20 или 30   От 160 до 500 0т 1,6 до 60 ТГП-100М1 Конден-сационный −25…300 1 или 1,5     От 125 до 400 0т 1,6 до 25 ТЖП-100 Жидкостный −50…300 1 или 1,5     От 80 до 400 0т 1,6 до 10

Для жидкостных термометров предельная основная погрешность устанавливается для последних двух третей температурной шкалы, а на первой трети не регламентируется.