Глава третья. ТЕРМОМЕТРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА РАСШИРЕНИИ И ИЗМЕНЕНИИ ДАВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА

3-1. Термометры стеклянные жидкостные

Основные сведения. Термометры стеклянные жидкостные применяются для измерения температур в области от —200 до +750°С. Несмотря на то, что кроме стеклянных жидкостных термометров имеется ряд других приборов для измерения температур, удовлетворяющих в большой степени требованиям современной техники контроля технологических процессов, все же стеклянные термометры получили большое распространение как в лабораторной, так и в промышленной практике вследствие простоты обращения, достаточно высокой точности измерения и низкой стоимости.

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре. При этом, очевидно, показания жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометрической жидкости, но также и от изменения объема стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Таким образом, наблюдаемое (видимое) изменение объема жидкости преуменьшено на размер, соответственно равный увеличению объема резервуара (и частично капилляра).

Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д. Область их применения, а также значения коэффициентов действительного и видимого расширения жидкостей приведены в табл. 3-1-1.

Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные. Они обладают рядом преимуществ благодаря существенным достоинствам ртути, которая не смачивает стекла, сравнительно легко получается в химически чистом виде и при нормальном атмосферном давлении остается жидкой в широком интервале температур (от —38,87 до +356,58° С). Следует также отметить,

что давление насыщенных паров ртути при температуре, превышающей 356,58° С, невелико по сравнению с давлением насыщенных паров других жидкостей. Это дает возможность относительно небольшим увеличением давления над ртутью в капилляре заметно повысить ее температуру кипения, а вместе с тем и расширить температурный интервал применения ртутных термометров.

Таблица 3-1-1 (см. скан) Термометрические жидкости

К числу недостатков ртути с точки зрения термометрии следует отнести сравнительно малый коэффициент расширения (табл. 3-1-1).

При измерении температуры термометрами, заполненными органическими жидкостями, необходимо иметь в виду, что они смачивают стекло, а вследствие этого понижается точность отсчета показаний.

Термометры в зависимости от назначения и диапазона измерений температур изготовляют из стекла различных марок (ГОСТ 1224-71).

Термометры стеклянные жидкостные по назначению и области применения могут быть разделены на следующие группы: образцовые; лабораторные и специального назначения (ГОСТ 215-57, ГОСТ 13646-68 и ГОСТ 5.1851-73); технические (ГОСТ 2823-73); метеорологические; термометры для сельского хозяйства; термометры бытовые. Ниже будут рассмотрены термометры, применяемые как в лабораторных, так и промышленных условиях.

Стеклянные жидкостные термометры, применяемые в технике, бывают следующих разновидностей:

1. Термометры, применяющиеся без введения поправок к их показаниям (термометры широкого применения): а) ртутные термометры (от до + 600°С); б) жидкостные термометры с органическим наполнителем (от до +300°С).

2. Термометры, к показаниям которых вводятся поправки согласно свидетельству: а) ртутные термометры повышенной точности (от —35 до + 600°С); б) ртутные термометры для точных измерений (от 0 до 500°С); в) жидкостные термометры с органическим наполнителем (от —80 до + 100°С).

В качестве образцовых применяются следующие термометры: (ГОСТ 8.083-73): ртутные равноделенные 1-го разряда с диапазоном измерений (доверительная погрешность ртутные переменного наполнения 2-го разряда с диапазоном измерений (доверительная погрешность ртутные 2-го разряда с диапазоном измерений (доверительная погрешность ртутные 3-го разряда с диапазоном измерений (доверительная погрешность

Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров разнообразны, однако среди этого разнообразия можно выбрать два основных типа конструкций: палочные и со вложенной шкалой.

Палочные термометры имеют массивный (толстостенный) капилляр с внешним диаметром 6-8 мм, почти равным диаметру резервуара. Шкала у этих термометров наносится непосредственно на внешней поверхности капилляра (рис. 3-1-1, а).

Характерной особенностью второй конструкции является то, что шкала сделана не на капилляре, а на прямоугольной пластине из стекла молочного цвета, помещенной позади капиллярной трубки, припаянной к резервуару цилиндрической формы. Кроме того, к резервуару припаяна защитная стеклянная оболочка, в которой и находится как капилляр, так и шкальная пластина (рис. 3-1-1, б).

Термометры со вложенной шкалой обладают большей инерционностью, чем палочные, но они более удобны для наблюдения при измерении температур в лабораторных и производственных условиях.

У ртутных термометров с пределом измерения выше 200° С пространство над ртутным столбиком в капилляре заполняется сухим газом (например, азотом) под давлением. При этом давление газа должно быть тем выше, чем больше верхний предел измерения, что обусловливается необходимостью исключить парообразование ртути в резервуаре при высоких температурах. В

Рис. 3-1-1. Термометры. а — палочный: 1 — резервуар; 2 — толстостенный капилляр; 3 — шкала, нанесенная на внешней поверхности капилляра; о — со вложенной шкалой: 1 — резервуар; 2 — капилляр; 3 — шкала, нанесенная на пластине из молочного стекла; 4 — защитная стеклянная оболочка.

ртутных термометрах, предназначенных для измерения температуры до 500°С, давление газа достигает свыше Ртутные термометры, имеющие верхний предел измерения до 200°С, в зависимости от их назначения могут быть вакуумными или заполненными сухим газом (ГОСТ 2045-43). Термометры ртутные, предназначенные для точных измерений, с верхними пределами измерения до 105°С изготовляют вакуумными, а выше 105°С — газонаполненными (ГОСТ 13646-68).

Термометры жидкостные (нертутные) изготовляют согласно установленным техническим требованиям в государственных стандартах (ГОСТ 9177-59 и др.).

В зависимости от метода градуировки и применения стеклянные жидкостные термометры делятся на две группы: термометры, градуируемые и применяемые при полном погружении; термометры, градуируемые и применяемые при неполном погружении. К первой группе относятся термометры, погружаемые в среду, температура которой измеряется до отсчитываемого деления. Таким образом, по мере повышения измеряемой температуры глубина погружения термометра как при градуировке, так и при измерении должна увеличиваться. Термометры второй группы должны при градуировке и при измерении иметь фиксированную глубину погружения, указанную на термометре. Поэтому при применении этих термометров всегда имеется часть капилляра с термометрической жидкостью, не погруженная в среду, температура которой измеряется. Вследствие этого выступающий столбик термометрической жидкости термометра имеет температуру, отличную от измеряемой и близкую к температуре окружающего воздуха.

Термометры лабораторные широкого применения изготовляют в большинстве случаев со вложенной шкалой (рис. 3-1-1, б), но их выпускают также и палочными (рис. 3-1-1, а). При применении этих термометров они должны погружаться в среду, температура которой измеряется на глубину, обозначенную на термометре. Если указание о глубине погружения на термометре отсутствует, то термометр при измерении температуры или его поверке погружается до отсчитываемого деления. Допускаемые погрешности показаний лабораторных термометров широкого применения нормируются в зависимости от цены деления и температурного интервала шкалы.

Термометры повышенной точности для повышения точности отсчета и для удобства пользования изготовляют узкопредельными, т. е. с укороченной шкалой. Термометры этого типа бывают как со вложенной шкалой (рис. 3-1-2), так и палочные. Термометры узкопредельные повышенной точности выпускаются с ценой деления 0,1°С и температурным интервалом шкалы Они изготовляются в нескольких вариантах по пределам измерения температур от —30 до 350°С. Если нижний предел измерения термометра выше то нулевую точку наносят на вспомогательную шкалу, имеющую несколько отметок выше и ниже нулевой. Нулевая отметка

Рис. 3-1-2. Термометр с укороченной шкалой. 1 - резервуар: 2 — капилляр; 3 — вспомогательная шкала; 4 — основная шкала; 5 — расширенная часть капилляра; 6 — защитная оболочка.

обеспечивает систематический контроль за постоянством показаний термометра. Между вспомогательной шкалой и отметкой, соответствующей нижнему пределу основной шкалы, капилляр имеет расширение. Объем этого расширения равен приращению объема жидкости при нагревании термометра от нулевой отметки до температуры, соответствующей нижнему пределу основной шкалы.

Допускаемые погрешности показаний термометров повышенной точности нормируются в зависимости от их цены деления и температурного интервала шкалы.

Лабораторные ртутные термометры TP-I, TP-II,

TP-III, TP-IV, предназначенные для точных измерений температуры от 0 до 500°С выпускают узкопредельные (с укороченной шкалой). Эти термометры, выполняемые с равноделенной шкалой, изготовляют по ОСТ 13646-68 и ГОСТ 5.1851-73 с различной ценой деления и температурными интервалами шкалы. Основные технические характеристики ртутных термометров для точных измерений температуры приведены в табл. 3-1-2.

Поправки к показаниям термометров (табл. 3-1-2), приведенные к давлению 755—765 мм рт. ст. и определенные для вертикального положения термометров на нулевой точке, не должны превышать ± 0,03 °С для термометров типа TP-I; ± 0,06 °С для термометров типа TP-II; ± 0,15 °С для для

Таблица 3-1-2 (см. скан) Основные технические характеристики ртутных термометров для точных измерений

Погрешность измерений термометров с учетом введения поправок не должна превышать ± 0,01 °С для термометров типа TP-I; ± 0,02 °С для для

Лабораторные ртутные термометры этих типов снабжаются инструкцией по эксплуатации и свидетельством, в котором приводятся: поправки к показаниям термометров, положение нулевой

точки, поправки на калибр, коэффициент внешнего давления в °С/мм рт. ст. (для определения поправки к показаниям термометров при атмосферном давлении менее 755 и более 765 мм рт. ст), коэффициент внутреннего давления в °С/мм рт. ст. (для введения поправки к показаниям термометров при измерении температур термометрами, находящимися в горизонтальном положении), средняя цена деления шкалы, определяемая при вертикальном положении термометра, в °С.

Рис. 3-1-3. Технические термометры. 1 — резервуар; 2 — капилляр; 3 — шкала; 4 — оболочка; 5 — нижняя часть термометра .

Изготовляются также лабораторные ртутные термометры специального назначения, которые применяются при измерении температур в какой-то одной определенной области. К этой группе относятся калориметрические и метастатические (переменного наполнения) термометры.

Калориметрические ртутные термометры служат для измерения в области комнатных температур небольших разностей их (от 0,5 до при калориметрических работах по определению теплотворной способности топлива или теплоемкости тел. При таких измерениях необходимо, чтобы погрешность измерения разности температур была не более Вследствие этого калориметрические термометры, имеющие укороченную шкалу, изготовляют с ценой деления 0,01 или 0,02°С и температурным интервалом шкалы 15—25°С (или Эти термометры рассчитаны на применение при неполном погружении.

Метастатические термометры позволяют измерять небольшие разности температур (до в широком интервале температурной шкалы от —20 или от 0 до с погрешностью Устройство метастатических термометров рассматривается в инструкции по эксплуатации.

Технические термометры. Ртутные технические термометры предназначены для области измерений температур от до а термометры с органической жидкостью от до и от —60 до Их изготовляют только со вложенной шкалой (рис. 3-1-3); прямыми и угловыми (изогнутыми под углом нижняя часть выполняется различной длины (от 66 до

Технические термометры градуируются и поверяются при погружении всей нижней части поэтому при измерении в эксплуатационных условиях нижняя часть термометра погружается в среду,

температура которой измеряется, полностью. При выборе шкалы технических термометров необходимо одновременно выбрать длину и форму нижней его части. Пределы допускаемых погрешностей показаний термометров устанавливаются в зависимости от диапазона измерений температур, цены деления и термометрической жидкости.

Технические термометры электроконтактные. Термометры ртутные электроконтактные применяются для целей сигнализации и регулирования (в простейших схемах) температуры в лабораторных и промышленных условиях. Электроконтактные термометры изготовляют с постоянными впаянными контактами или с одним подвижным контактом, который можно перемещать внутри капилляра при помощи специального магнитного устройства (настройка термометра), и вторым неподвижным контактом, впаянным в капилляр термометра. Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами в том и другом случаях происходит вследствие расширения (сжатия) ртути при нагревании (охлаждении) нижней части термометра. Пространство над ртутью в капилляре заполняют водородом, предварительно очищенным от влаги и кислорода.

Электроконтактные термометры, рассматриваемые ниже, могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Определение действительного значения температуры контактирования и контроль за правильностью поддержания температуры должны осуществляться по контрольному термометру.

Термометры электроконтактные стандартные изготовляются прямые и угловые — изогнутые под углом 90°. При установке термометров непосредственно в аппаратах, агрегатах, трубопроводах и т. п. во избежание поломок рекомендуется заключать их в защитную оправу.

На рис. 3-1-4 показан термометр ртутный электроконтактный типа ТЭК со вложенной шкалой и постоянными впаянными в капилляр металлическими контактами, к которым припаяны медные провода, присоединенные к зажимам, смонтированным на корпусе термометра. Количество заданных температур контактирования для термометров типа ТЭК в интервале температур от —35 до +300 С может быть одно (рис. 3-1-4), дваили три. Контакты впаиваются в капилляр рмометра в местах, соответствующих определенным значениям температур контактирования, которые задаются в зависимости от требований технологического процесса. Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно выполняются не менее 5, 10, 20 и 30°С для температур контактирования соответственно до 50, 100, 200 и 300° С.

Допускаемая погрешность показаний по шкале термометра типа ТЭК не должна превышать цены наименьшего деления. При применении этих термометров нижня часть его погружается в среду, температура которой контролируется полностью. Поэтому при выборе шкалы термометра типа ТЭК, а вместе с тем и температуры контактирования необходимо одновременно выбирать длину и форму нижней его части.

Рассмотрим электроконтактный ртутный термометр с магнитной перестановкой контакта типа ТПК (рис. 3-1-5). Он имеет две шкалы верхнюю и нижнюю. Верхняя вспомогательная шкала нанесена на шкальной пластине вдоль овальной стеклянной трубки 1, припаянной к капилляру 2. Указателем этой шкалы при настройке термометра является овальная гайка 3, которая может перемещаться по микровинту 4 вверх и вниз. Верхний конец микровинта жестко

соединён со стальным цилиндрическим якорем 8, а нижний его конец опирается на подпятник 6. Вращение якоря и микровинта, а вместе с тем и перемещение овальной гайки по последнему осуществляется с помощью постоянного магнита 7, установленного на колпачке 8, который надет на стеклянную трубку, припаянную к овальной трубке 1.

Рис. 3-1-4. Термометр ртутный электроконтактный типа ТЭК. 1 - нижняя часть термометра ; 2 - металлические контакты, впаянные в капилляр; 3 — зажимы, соединенные с помощью проводников с контактами.

Рис. 3-1-5. Термометр ртутный электроконтактный типа ТПК.

Термометр имеет один неподвижный и один подвижный контакт. Неподвижный контакт 9, соединенный с медным проводом 10, впаян в капилляр ниже нулевой отметки основной шкалы. Подвижный контакт И выполнен из тонкой вольфрамовой проволоки, верхний конец которой закреплен в овальной гайке 3. Этот контакт соединен с медным проводом 12 через следующие переходы: подвижный контакт — подпятник; подпятник — выводной проводник, впаянный в овальную трубку; выводной проводник — медный провод 12. Нижняя часть вольфрамовой проволоки проходит через отверстие в подпятнике, далее соприкасается с выводным проводником, припаянным к подпятнику, и затем проходит через отверстие направляющей стеклянной втулки 13, впаянной в расширенную часть капилляра. Таким образом, нижний конец вольфрамовой проволоки, находящийся в измерительном капилляре, является подвижным контактом термометра. Если овальная гайка будет передвинута по микровинту с помощью магнита на определенную отметку верхней шкалы, то нижний конец вольфрамовой проволоки (подвижный контакт) будет установлен против соответствующей отметки нижней основной шкалы. При нагревании (охлаждении) нижней части термометра до заданной температуры ртуть в капилляре соединит (разомкнет) нижний контакт с подвижным контактом.

Допускаемые отклонения от отсчета по шкале электроконтактного термометра типа ТПК при его настройке не должны превышать цены наименьшего деления. При применении электроконтактных термометров нижняя его часть I погружается в среду, температура которой контролируется, полностью. Кроме того, при выборе шкалы термометра и интервала температур контактирования необходимо одновременно выбрать форму и длину иижней части.

Для электроконтактных термометров типа ТПК применяют универсальные реле, работающие при напряжении 24, 48 и 110 В постоянного тока и 36, 110, 127 и 220 В переменного тока; при этом нагрузка на контактах термометра не должна превышать 0,5 мА при напряжении не больше 0,3 В.

Применяются также электроконтактные ртутные термометры палочные бесшкальные. Они имеют два металлических контакта, впаянных в толстостенный

капилляр в местах, соответствующих определенным значениям температур контактирования, которые задаются в зависимости от требований технологического процесса. Например, температура контактирования для термометров, предназначенных для сигнализации температуры подшипников двигателей и других машин, выбирается обычно равной 65 °С.

За верхним контактом термометр имеет запасную длину капилляра, допускающую увеличение объема ртути при повышении температуры выше контактируемой на 20 °С. Электроконтактные палочные термометры могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Допускаемая разрывная мощность контактов не должна превышать 2 Вт при силе тока не более 0,2 А.

Смещение нулевой точки. Стекло относится к материалам, обладающим значительным термическим последействием. Вследствие этого при охлаждении после временного нагрева резервуар термометра не сразу принимает тот объем, который соответствовал первоначальной температуре. Кроме того, в стекле в течение долгого времени после того, как оно было нагрето до размягчения, происходят молекулярные перемещения, в результате чего объем резервуара вновь изготовленного термометра уменьшается очень медленно. Такое явление называется естественным старением. Это приводит к постепенному смещению нулевой точки. Последнее может быть в значительной степени уменьшено искусственным старением, т. е. продолжительным нагревом (отжигом) термометра до температуры, соответствующей верхнему пределу шкалы, с постепенным охлаждением его До температуры воздуха в помещении.

Поэтому при применении точных и повышенной точности лабораторных термометров рекомендуется производить поверку нулевой точки. При этом перед поверкой термометр должен быть нагрет до температуры, соответствующей верхнему значению его шкалы. Если положение нулевой точки изменится против указанного в свидетельстве и будет в пределах допускаемой погрешности, то ко всем поправкам в свидетельстве надо алгебраически добавить значение

где положение нулевой точки, указанное в свидетельстве; положение нулевой точки, вновь найденное опытным путем.

Пример. Поправка в свидетельстве, относящаяся к 300°С, равна положение нулевой точки Положение нулевой точки, вновь найденное, Согласно (3-1-1)

Новая поправка в точке 300°С будет равна:

Введение поправок в показания термометра. Если при измерении температуры лабораторный термометр, предназначенный для Полного погружения, не может быть погружен в среду, температура которой измеряется, до отсчитываемого деления, то следует вводить поправку в его показания на выступающий столб. Эта Поправка указывает, насколько показания термометра меньше (или больше) той температуры, которую термометр показал бы

при погружении в среду до отсчитываемого деления. При поверке термометры такого типа погружаются в среду, заполняющую термостат, до отсчитываемого деления. Следовательно, вся заполняющая резервуар и капилляр термометрическая жидкость находится при температуре среды. Выступающий столбик термометра при измерении имеет другую температуру, поэтому и приходится вносить поправку в показания термометра.

Среднюю температуру выступающего столбика обычно измеряют с помощью вспомогательного палочного термометра, резервуар которого прижимается к основному термометру в середине выступающей части столба. При этом вспомогательный термометр должен быть хорошо закреплен и изолирован асбестовым шнуром, как показано на рис. 3-1-6. Вспомогательный палочный термометр рекомендуется брать малых размеров.

Рис. 3-1-6. Измерение температуры выступающего столбика лабораторного термометра 1 — лабораторный термометр; 2 — вспомогательный термометр; 3 — асбестовый шнур.

Поправка на выступающий столбик, может быть подсчитана по формуле

где высота выступающего столба, выраженная в делениях шкалы термометра; коэффициент видимого расширения (табл. 3-1-1); t - температура, показываемая лабораторным термометром, средняя температура выступающего столба,

Следует отметить, что рассмотренный способ измерения средней температуры выступающего столбика является приближенным. Поэтому поправка, как правило, может быть определена с погрешностью не менее ±10% вследствие трудности измерения средней температуры выступающего столбика. При высоких требованиях к точности измерения лучшим решением вопроса, когда термометр не может быть погружен до отсчитываемого деления в среду, температура которой измеряется, является замена жидкостного стеклянного термометра термометром сопротивления повышенной точности (см. гл. 5).

Пример. Лабораторный ртутный термометр, погруженный до отметки показывает 300°С, причем температура показываемая вспомогательным термометром, равна 40. Поправка на выступающий столб в этом случае равна:

Исправленное показание термометра равно

При измерении температуры ртутным термометром повышенной точности с диапазоном измерения и ценой деления 0,1°С точность результата измерения (погрешности, обусловленные условиями измерения, отсутствуют) оценивается допускаемой погрешностью термометра, т. е. ±0,2°С. Если при измерении температуры такая точность не удовлетворяет, то следует производить многократные измерения, вычислять среднее арифметическое значение результатов наблюдения (§ 1-4). Для исключения систематической (инструментальной) погрешности необходимо в результаты измерения ввести поправку на основании данных свидетельства, выданного поверочным учреждением. В этом случае неточность результата измерения оценивается средней квадратической погрешностью. По опытным данным средняя квадратическая погрешность в этом случае составляет

Термометры технические обычно градуируются при постоянной глубине погружения нижней его части. На таких термометрах должна быть указана нормальная глубина погружения и температура выступающей части термометра при его градуировке. Если температура выступающей части при пользовании термометром значительно отличается от температуры при его градуировке, то для приведения показаний термометра к температуре выступающей части 4 необходимо к показаниям термометра алгебраически прибавить поправку

где — число градусов, отсчитываемое по термометру при нормальной глубине его погружения; коэффициент видимого расширения жидкости в термометрическом стекле (табл. 3-1-1). чет этой поправки особенно необходим для термометров с органическим наполнением. При пользовании техническими термометрами, длина нижней части которых превышает 700—800 мм, необходимо иметь в виду, что показания их верны только при полном погружении нижней части в среду с одинаковой температурой.