Глава вторая. Измерение температуры

2-2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

Физическое свойство тел изменять свой объем в зависи­мости от нагрева широко используется для измерения температуры. На этом принципе основано устройство жидкостных стеклянных и дилатометрических термомет­ров, которые появились очень давно и послужили для создания первых температурных шкал.

а) Основные свойства жидкостных термометров

В жидкостных термометрах, построенных на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре, в качестве рабочих веществ используются ртуть и органи­ческие жидкости - этиловый спирт, толуол и др. Наибо­лее широкое применение получили ртутные термометры, имеющие по сравнению с термометрами, заполненными органическими жидкостями, существенные преимущества: большой диапазон измерения температуры, при котором ртуть остается жидкой, несмачиваемость стекла ртутью, возможность заполнения термометра химически чистой ртутью из-за легкости ее получения и пр. При нормальном атмосферном давлении ртуть находится в жидком состоя­нии при температурах от -39 °С (точка замерзания) до 357 °С (точка кипения) и имеет средний температурный коэффициент объемного расширения 0.18·10^-3K^-1 .

Термометры с органическими жидкостями¹ (¹ ГОСТ 9177-59. Термометры стеклянные жидкостные (нертутные).) в боль­шинстве своем пригодны лишь для измерения низких тем­ператур в пределах -190 -100 °С. Основным достоин­ством их является высокий коэффициент объемного расши­рения жидкости, равный в среднем 1.13·10^-3K^-1 , т.е. почти в 6 раз больший, чем у ртути.

Жидкостные термометры, изготовляемые из стекла, являются местными показывающими приборами. Они состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, присоединенной к резервуару и закрытой с противополож­ного конца, шкалы и защитной оболочки. Приращение в капилляре термометра столбика жидкости ∆h (мм) при нагреве резервуара от температуры t₁ до t₂ определяется по формуле:

где V₁ - объем жидкости в резервуаре при температуре t₁ мм³;
α_ж и α_с - средние температурные коэффициенты объ­емного расширения жидкости и стекла, K^-1 ;
d - внутренний диаметр капилляра, мм.

Разность средних температурных коэффициентов α_ж и α_с в уравнении (2-3) называется средним температурным коэффициентом видимого расширения α_в жидкости в стекле, т. е.

б) Устройство ртутных термометров

Ртутные термометры благодаря своей про­стоте, сравнительно высокой точности измерения, неслож­ности обращения и дешевизне имеют весьма большое распространение и применяются для измерения температур в пределах от -35 °С до +650 °С ^1. (¹ ГОСТ 2045-71. Термометры ртутные стеклянные .)

Конечный предел измерения, ограничиваемый темпе­ратурой размягчения стеклянной оболочки термометра, достигается при помощи искусственного повышения точки кипения ртути С этой целью у термометров для измерения высоких температур пространство капилляра над ртутью, из которого предварительно удален воздух, заполняется инертным газом при давлении свыше 2 МПа. Термометры с верхним пределом шкалы до 100 °С иногда газом не запол­няются, и капилляр их находится под вакуумметрическим давлением.

Для изготовления термометров применяется специаль­ное термометрическое стекло, обладающее небольшим тем­пературным коэффициентом, примерно равным 0,02 · 10^-3K^-1 , что дает коэффициент видимого расширения ртути в стекле около 0.18·10^-3K^-1 .

Согласно выражению (2-3) чувствительность ртутных термометров зависит от размеров резервуара и капилляра. Чем больше резервуар и меньше внутреннее сечение капил­ляра, тем заметнее изменение высоты ртутного столбика, т. е. тем более чувствителен термометр и меньше цена деления его шкалы. Однако большой размер резервуара увеличивает инерционность прибора, что снижает качество последнего при измерении переменной температуры.

Основная погрешность ртутных термометров зависит от диапазона показаний и цены деления шкалы, с увеличе­нием которых она возрастает.

Вследствие небольшого отклонения видимого коэффи­циента расширения ртути в стекле при изменении темпе­ратуры ртутные термометры имеют почти равномерную шкалу.

Ртутные термометры изготовляются двух видов: с вло­женной шкалой и палочные (рис. 2-1)

Термометр с вложенной шкалой имеет заполненный ртутью резервуар 1, капиллярную трубку 2, циферблат 3 из молочного стекла со шкалой и наружную цилиндрическую оболочку 4, в которой укреплены капил­ляр и циферблат. Наружная оболочка с одного конца плотно закрыта, а с другого - припаяна к резервуару.

Палочный термометр состоит из резерву­ара 1, соединенного с толстостенным капилляром 2 наружным диаметром 6-8 мм. Шкала термометра нанесена непосредственно на поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. Палочные термометры являются более точными по сравнению с термометрами с вложенной шкалой.

В обоих видах термометров капилляр за верхней отмет­кой шкалы имеет запасный объем, предохраняющий при­бор от повреждения при перегреве.

По назначению ртутные термометры разделяются на промышленные (технические), лабораторные и образ­цовые.

Технические ртутные термометры изготовляются с вложенной шкалой и по форме нижней (хвостовой) части с резервуаром бывают прямые типа А (рис. 2-2, а) и угловые типа Б, изогнутые под углом 90° в сторону, противоположную шкале¹. (¹ ГОСТ 2823-73. Термометры стеклянные технические. ).

При измерении температуры нижняя часть технических термометров полностью опускается в измеряемую среду, т. е. глубина погружения их является постоянной.

Нижняя часть термометров, в зависимости от условий измерения, имеет длину 60 -1600 мм (высокоградусных – 120 - 400 мм) - для типа А и 110 - 1050 мм (высокогра­дусных - 130 -370 мм) - для типа Б. Диаметр этой части термометров равен 8 - 9 мм. Оболочка термометров, в кото­рой заключен циферблат, выполняется длиной 110, 160 или 220 и диаметром 18 мм. Большой диаметр капилляра у этих приборов делает столбик ртути более заметным, что облегчает отсчет показаний. Основная погрешность термо­метров не превышает цены деления шкалы.

Общая характеристика технических ртутных термомет­ров указана в табл. 2-2 ¹. (¹ Термометры № 9-11 называются высокоградусными.) .

Лабораторные ртутные термометры типа ТЛ изготовляются палочными или с вложенной шка­лой ^2. (² ГОСТ 215-73. Термометры ртутные стеклянные лабораторные. )

В зависимости от цены деления шкалы и габаритов они делятся на пять типов, причем каждый термометр опре­деленного типа имеет порядковый номер. Длина термомет­ров 160 - 530 и наружный диаметр 5 - 11 мм. Большинство их выпускается с безнулевой шкалой (рис. 2-2, б), начи­нающейся не с отметки 0 °С, которая наносится внизу на небольшой дополнительной шкале, предназначенной толь­ко для поверки прибора, а с более высокой температуры. В промежутке между нулевым делением и началом шкалы капилляр имеет расширение, в которое при измерении входит объем ртути, отвечающий изменению температуры от нуля до начального значения шкалы.

Характеристики лабораторных ртутных термометров типа ТЛ даны в табл. 2-3,

а основные погрешности - в табл. 2-4.

Образцовые ртутные термометры де­лятся на два разряда. Термометры 1-го разряда бывают только палочными, а 2-го - палочными и с вложенной шкалой. Образцовые термометры выполняются с нормаль­ной или безнулевой шкалой. Посредством термометров 1-го разряда производится поверка термометров 2-го разряда, которые применяются для поверки и градуировки технических и лабораторных термометров.

Недостатками ртутных термометров являются их хрупкость, невозможность дистанционной передачи и авто­матической записи показаний, большая инерционность и трудность отсчета из-за нечеткости шкалы и плохой види­мости ртути в капилляре. Все это в значительной мере ограничивает их применение, оставляя за ними главным образом область местного контроля и лабораторные изме­рения.

в) Установка ртутных термометров

Точность показаний ртутного термометра, как и любого прибора, измеряющего температуру, зависит от способа его установки, т. е. от правильного решения вопросов, связанных с теплообменом между измеряемым веществом, термометром и внешней средой. Эта задача сводится к двум основным требованиям: во-первых, к обеспечению наибо­лее благоприятных условий передачи тепла от измеряемой среды чувствительной части (резервуару) термометра и, во-вторых, к уменьшению по возможности отдачи тепла прибором окружающему воздуху.

Особенно большое влияние на точность измерений оказывает утечка тепла от термометра, что при жидкой изме­ряемой среде вызывается теплопроводностью частей при­бора, а при газовой и паровой — еще дополнительным обменом тепла лучеиспусканием с окружающими поверх­ностями. Кроме того, введенная в измеряемую среду чув­ствительная часть прибора в той или иной мере искажает окружающее температурное поле вследствие отвода тепла. В этих условиях измерение температуры не дает правиль­ных результатов, так как показания прибора соответствуют его собственной температуре, отличающейся от темпера­туры измеряемой среды. Неправильная установка термо­метра, дающая большую потерю тепла в окружающую среду, может привести к занижению его показаний на 10-15%.

Рассмотренные ниже способы установки ртутных термо­метров являются в основном общими для различных типов термометров.

Применяются два способа установки ртутных термо­метров: в защитных оправах (или гильзах) и без них, т. е. путем непосредственного погружения термометров в изме­ряемую среду.

Весьма распространенной является установка термо­метра в защитной гильзе (рис. 2-3),

предохраняющей его от поломки и обеспечивающей необходимую плотность соеди­нения в месте расположения прибора. Длина защитной гильзы выбирается в зависимости от требуемой глубины погружения термометра.

Для улучшения теплопередачи от гильзы к резервуару термометра образующийся в гильзе кольцевой зазор между резервуаром и ее стенкой заполняется при измере­нии температуры до 150 °С машинным маслом, а при более высокой температуре - медными опилками. Заполнение гильзы маслом или опилками производится так, чтобы в эту среду был погружен только резервуар термометра. Чрезмерное заполнение гильзы понижает точность изме­рения из-за возрастания оттока тепла и увеличивает инер­ционность прибора.

При измерении температуры в трубопроводе термометр устанавливается в положение, при котором ось трубы проходит посередине резервуара. Погружение конца тер­мометра до центра трубы, т. е. в зону наибольшей скорости потока, улучшает теплообмен между движущейся средой и прибором и уменьшает влияние на результаты измерения тепловых потерь защитной гильзы.

Наиболее правильной является установка термометра вдоль оси трубопровода на колене с восходящим потоком, так как при этом условия обтекания конца гильзы весьма благоприятны. На горизонтальном трубопроводе диамет­ром до 200 мм термометр устанавливается наклонно к оси трубы навстречу потоку. При диаметре трубопровода более 200 мм термометр может быть расположен нормально к оси трубы. На прямом вертикальном участке трубопровода с восходящим потоком термометр всегда устанавливается наклонно навстречу потоку. Устанавливать термометры на вертикальных трубопроводах с нисходящим потоком не рекомендуется.

На величину отвода тепла гильзой влияют средняя раз­ность температур между измеряемой средой и окружающим воздухом, а также конструкция и материал гильзы. Защит­ные гильзы изготовляются из металлов, плохо проводящих тепло (например, из нержавеющей стали), а размеры головки (выступающей наружу части), толщина стенки и внутренний диаметр гильзы выбираются по возможности небольшими. Выступающие части защитных гильз покрываются те­плоизоляцией.

Технические ртутные термо­метры обычно устанавливаются в защитных оправах, предохраняю­щих также и выступающую часть термометра от поломки (рис. 2-4) ¹. ( ¹ ГОСТ 3029-59. Оправы защитные для технических стеклянных термомтеров.)

Защитная оправа 1 состоит из гильзы и чехла, который имеет продольный вырез для отсчета по­казаний термометра 2. При точ­ных определениях температуры чехлы не применяются, так как значительно увеличивают погреш­ность измерения из-за оттока по ним тепла.

Установка ртутного термомет­ра без гильзы практически исклю­чает отвод тепла от резервуара. Однако из-за влияния, оказываемого на показания термометра давлением из­меряемой среды (сжатие резервуара с выдавливанием ртути в капилляр), а также вследствие недостаточной прочности термометра и трудности уплотнения места его установки использование этого способа ограничивается областью небольших давлений. Установка ртутных термо­метров без гильзы применяется главным образом при кратковременных точных измерениях температуры среды

г) Поверка ртутных термометров

Периодическая поверка технических и лабораторных ртутных термометров производится путем сравнения их показаний с показаниями образцовых термометров 2-го разряда, а также по реперным точкам плавления льда и кипения воды ¹. (¹ Инструкция 159-60 Госстандарта СССР по проверке стеклянных жидкостных термометров.) Термометры поверяются в трех – пяти отметках шкалы, расположенных через равные интервалы.

При поверке термометров методом сравнения применяются термостаты ² (² Термостатом называется устройство, служащее для поддержания постоянной температуры находящейся в нем среды.) с электрообогревом, заполняемые дистиллированной водой (с интервалом поверки до 99 °С), минеральным маслом (до 200 °С) или селитрой (до 550 °С). Поверка положения отметок 0 и 100 °С термометра про­изводится соответственно в термостатах плавления льда и кипения воды.

Для поверки термометров служат термостаты типов ТС-15 м (водяной) и ТС-24 (водяной и масляный). Устрой­ство термостата типа ТС-24 показано на рис. 2-5.

Латунный цилиндрический сосуд 1 вместимостью 24 л помещен в металлический кожух 2, покрытый изнутри теплоизо­ляцией 3. Сосуд накрыт крышкой 4, на которой установлен электродвигатель 5, соединенный муфтой 6 с осью, приво­дящей в движение насос 7 и мешалку 8. Последняя расположена в патрубке 9, имеющем вверху окна для прохода жидкости. Насос термостата используется лишь в случае, когда требуется поддерживать постоянной температуру в каком-либо внешнем аппарате. Тогда жидкость из термо­стата подается в аппарат через штуцер 10 и возвращается через штуцер 11. При отсутствии аппарата штуцера зако­рачиваются трубкой.

Нагрев жидкости в термостате производится электро­нагревателями 12 и 13 мощностью соответственно 700 и 1300 Вт. Нагреватели помещены в защитные чехлы, закрепленные на крышке 4. По достижении заданной тем­пературы нагреватель 12 переключают на второй предел мощности, равный 175 Вт, предназначенный для автомати­ческого поддержания в термостате постоянной темпера­туры посредством ртутного контактного термометра 14 с магнитной муфтой. После этого с помощью регулируемого автотрансформатора изменяют мощность нагревателя 13 так, чтобы температура в термостате не превышала задан­ной.

Для погружения в термостат образцового и поверяемых термометров в его крышке имеется ряд отверстий. Распо­ложенный в термостате трубчатый холодильник 15 с вход­ным 16 и выходным 17 штуцерами включают в работу лишь при поддержании в термостате температуры, близкой к температуре окружающего воздуха (30 - 50 °С). Расход через холодильник охлаждающей воды от внешнего источ­ника поддерживается постоянным.

Сосуд термостата заполняется жидкостью так, чтобы ее уровень находился на минимальном расстояний от крышки. Для опорожнения сосуда служит трубка 18 с пробкой. Кожух термостата заземляют при помощи эажима 19. Для переноски термостат снабжен ручками 20 и 21.

Блок управления термостата (выключатели, переклю­чатель, реле для контактного термометра и пр.) смонтиро­ван в коробке, закрепленной сбоку кожуха (на рис. 2-5 не показан).

Термостат питается от сети переменного тока напряже­нием 220 В. При заполнении сосуда водой поддержание заданной температуры производится в пределах 30 - 99 °С, а при заполнении маслом - в пределах 100 - 200 °С. Точность поддержания температуры ±0,05 °С. Время ра­зогрева термостата до максимальной температуры при за­полнении водой 90, маслом - 120 мин. Габариты устрой­ства 440·410·870 мм.

Технические термометры градуируются и поверяются в термостате при погружении в жидкость только хвостовой части, т. е. при постоянной глубине погружения, соответ­ствующей их положению при измерении. Лабораторные и образцовые термометры градуируются и поверяются при переменной глубине погружения с таким расчетом, чтобы при каждом очередном отсчете температуры ртутный стол­бик в капилляре не выступал более чем на 5 мм над крыш­кой термостата.

Для уменьшения погрешности, обусловленной инер­ционностью термометров, поверка их в термостате произ­водится при медленном повышении температуры до задан­ного значения. Показания образцового и поверяемых тер­мометров отсчитываются в порядке их установки, причем перед каждым измерением слегка постукивают по прибору. Отсчеты повторяют при одинаковой температуре не менее пяти раз, после чего находят среднее показание каждого прибора.

До и после поверки термометра в термостате опреде­ляется положение нулевой точки прибора, которое может изменяться из-за расширения капилляра и резервуара вследствие термического последействия стекла, появляю­щегося в результате нагрева и последующего охлаждения термометра. Указанное явление, вызываемое нарушением равновесной структуры стекла при нагревании, исчезает с течением времени. Термическое последействие стекла тем больше, чем выше температура нагрева термометра и чем длительнее он находился при этой температуре.

Поверка положения нулевой точки производится в термостате плавления льда (рис. 2-6 а),

представляющем собой два стеклянных сосуда, из которых внутренний сосуд 1 заполняется смесью из кусочков чистого льда и дистиллированной воды, а внешний сосуд 2 с замкнутым воздушным пространством служит в качестве теплоизоля­ции. В тающий лед погружается поверяемый термометр 3.

В нижней части термостата имеется дренажная трубка 4 с зажимом 5, предназначенная для выпуска воды, так как ири поверке смесь льда и воды должна иметь вид густой массы. Термостат устанавливается на подставке 6. Поло­жение нулевой точки до и после нагрева термометра отме­чается в протоколе поверки и свидетельстве прибора. Допускаемое смещение нулевой точки (депрессия нуля) не должно превышать 0,1 °С на каждые 100 °С шкалы поверяемого термометра, в противном случае термометр считается непригодным.

Для поверки у термометров точки 100 °С применяется термостат кипения воды (рис. 2-6, б). Термостат имеет сосуд 1, заполняемый на 2/3 высоты дистиллированной водой, уровень которой контролируется по указательному стеклу 2. Нагрев воды в сосуде до кипения нроизводится электронагревателем 3. Получаемый в сосуде 1 насыщен­ный пар поступает через отверстия в патрубок 4, откуда по кольцевому пространству между патрубком и корпу­сом 5, покрытым снаружи теплоизоляцией 6, направляется в водяной холодильник 7. Образующийся в холодильнике конденсат стекает обратно в сосуд по трубке 8. Вверху корпус снабжен крышкой 9 с отверстиями в центре и по краям для установки образцового 10 и поверяемых 11 ртутных термометров. Давление пара внутри патрубка находится по показаниям водяного манометра 12.

При поверке глубина погружения лабораторных и тех­нических термометров должна быть такой же, как и в термостате на рис. 2-5. Отсчеты показаний образцового и поверяемых термометров производятся через каждую минуту не менее пяти раз. Действительные показания определяются как средние из этих отсчетов. Для точного определения температуры t_н (°С) насыщенного пара в тер­мостате пользуются формулой

где p_н - абсолютное давление насыщенного водяного пара в термостате, определяемое как сумма показаний водяного манометра и ртутного барометра, МПа.

д) Поправки к показаниям ртутных термометров

При точных измерениях температур с помощью ртутных термометров к их показаниям вводятся следующие по­правки:

• основная Δt ;
• на температуру выступающего столбика ртути Δt_в;
• на смещение положения нулевой точки Δt_c.

Следовательно, в общем случае определение действи­тельной температуры среды t по показаниям t_T ртутного термометра производится согласно равенству:

Основная поправка принимается из сви­детельства термометра.

Поправка на температуру высту­пающего столбика ртути вводится к пока­заниям только лабораторных и образцовых термометров в тех случаях, когда при измерении часть ртутного стол­бика намного выступает из защитной гильзы, а измеряемая температура значительно превышает температуру окру­жающего воздуха. Как отмечалось, указанные термометры градуируются и поверяются при условии, что ртутный столбик почти не выходит за пределы уровня жидкости в термостате, т. е. имеет ту же температуру, что и ртуть в резервуаре. При измерениях столбик, как правило, выступает наружу и имеет температуру, отличающуюся от температуры измеряемой среды. Это отступление от условий градуировки и поверки термометра требует^ вве­дения к его показаниям поправки, определяемой по формуле:

где n - число градусов в выступающей части ртутного столбика;

α - температурный коэффициент видимого расшире­ния ртути в стекле, K^-1 ;

t_{в -} средняя температура выступающего столбика рту­ти, °С.

Температурный коэффициент видимого расширения ртути в стекле зависит от сорта термометрического стекла и может быть в среднем принят равным 0.16·10^-3K^-1 .

Поправка на смещение положения нулевой точки термометра периодически опреде­ляется в процессе эксплуатации с помощью термостата плавления льда.

В случае отклонения положения нуля от указанного в свидетельстве (после нагрева в термостате) эта поправка вычисляется по формуле:

где t₀ и t'₀ - температуры, соответствующие положению нулевой точки термометра но свидетельству (после нагрева в термостате) и после очередной поверки нуля в эксплуата­ции, °С.

е) Дилатометрические термометры

К дилатометрическим термометрам относятся стержне­вой и пластинчатый (биметаллический) термометры, дей­ствие которых основано на относительном удлинений под влиянием температуры двух твердых тел, имеющих раз­личные температурные коэффициенты линейного расшире­ния.

Зависимость длины l твердого тела от его температуры t выражается равенством

где l₀ - длина тела при температуре 0 °С;

α - средний температурный коэффициент линейного расширения тела, K^-1

Значения средних коэффициентов линейного расширения некоторых материалов в интервале температур 0 – 200 °С приведены в табл 2-5.

Стержневой термометр ( рис.2-7,а)

имеет закрытую с одного конца трубку 1, помещаемую в измеряемую среду и изготовленную из материала с большим коэффициентом линейного расширения. В трубку вставлен стержень 2, прижимаемый к ее пну рычагом 3, скрепленным с пружиной 4. Стержень изготовлен из материала с малым коэффициентом расширения. При изменении температуры трубка изменяет свою длину, что приводит к перемеще­нию в ней стержня, сохраняющего почти постоянные размеры и свя­занного посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора.

Пластинчатый термометр (рис. 2-7, б) состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок, из которых полоска 1 имеет большой коэффициент линей­ного расширения, а полоска 2 - малый. Полученная пластинка меняет в зависимости от температуры степень своего изгиба, величина которого при помощи тяги 3, рычага 4 и соединенной с ним стрелки указывается по шкале прибора. При увеличении температуры пластинка изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом' линейного расширения.

Дилатометрические термометры не получили распро­странения как самостоятельные приборы, а используются главным образом в качестве чувствительных элементов в сигнализаторах температуры. Кроме того, пластинчатые термометры иногда применяются для компенсации влияния переменной температуры окружающего воздуха на пока­зания других приборов, в которые они встраиваются.

• « Предыдущая
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5
• Следующая »