Жидкостные стеклянные термометры. Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры используют термометрическое свойство теплового расширения тел

 

Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой оно находится (термометрического стекла или реже кварца).

Жидкостной термометр состоит из стеклянных баллона, капиллярной трубки и запасного резервуара (рис. 19.7). Термометрическое вещество заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом (при температурах меньше +100 С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

 

Рис. 19.7. Жидкостный термометр

 

О температуре судят по величине видимого изменения объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капилляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

Предполагая, что объем баллона, , много больше, чем объем жидкости в капилляре, можно получить выражение для изменения объема жидкости при изменении температуры

 

, (19.15)

 

где - средний коэффициент объемного расширения термометрической жидкости в данном стекле. Этот коэффициент равен разности объемных коэффициентов теплового расширения жидкости и стекла

 

. (19.16)

 

Если внутренний диаметр капилляра равен d, получим выражение для чувствительности термометра

 

. (19.17)

 

Это уравнение показывает, что чувствительность увеличивается пропорционально объему колбы и коэффициенту теплового расширения и обратно пропорционально квадрату диаметра капилляра.

Существует несколько практических ограничений для увеличения чувствительности. Во-первых, увеличение объема колбы ведет к увеличению тепловой инерции термометра. Во-вторых, если канал капилляра достаточно мал, столб жидкости может легко разорваться под действием поверхностного натяжения.

В ртутных термометрах для шкалы Цельсия объем колбы обычно в 6000 раз больше объема капилляра, соответствующему 1 градусу термометрической шкалы.

Лабораторные термометры стандартизованы для использования при полном погружении столба термометрической жидкости в среду, температура которой измеряется. При неполном погружении часть столба жидкости будет находиться при температуре отличной от температуры колбы. Для использования такого термометра при неполном погружении необходимо вводить поправку.

 

, (19.18)

 

n - длина погруженного столба жидкости в градусах шкалы, T_i - измеренная температура выступающей части столба, T_m - средняя температура погруженного столба жидкости. Иногда для точных измерений и введения поправок используют дополнительный термометр, измеряющий температуру выступающей части столба термометрической жидкости.

Подходящие жидкости для использования в стеклянных термометрах должны удовлетворять следующим требованиям:

- физические и химические свойства жидкости не должны изменяться со временем,

- объемный коэффициент теплового расширения должен быть по возможности постоянным в рабочем диапазоне температур,

- иметь низкую температуру затвердевания,

- иметь высокую температуру кипения,

- должны быть легко получены в чистом виде.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Некоторым недостатком ртути является малое значение ее коэффициента расширения. Нижний предел измерения ограничивается температурой затвердевания ртути и равен -35 С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600 С у образцовых термометров и 500 С у технических. При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько увеличивается.

Так как температура кипения ртути при нормальном атмосферном давлении равна 356,58 С, то для термометров, предназначенных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под давлением. Для термометров со шкалой до 500 С давление газа достигает 20 бар (2·10⁶ н/м²).

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров - простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.

К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи показаний на расстояние (если не пользоваться средствами телевидения) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей.

1. Технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые (рис. 19.8 а) и угловые (рис. 19.8 б, в). Термометры изготовляются со шкалами от -35 до + 50 С и от 0 С до 50; 100; 150;...; 500 С. Цена наименьшего деления шкалы в пределах измерения до +50 С составляет 0,5 или 1 С и, постепенно возрастая, достигает 5 или 10 С при верхних пределах измерений 450 и 500 С.

2. Лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой (рис. 19.8 г и д), погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра (5-11 мм). Термометры по пределам измерения и цене деления шкалы подразделяются на четыре группы. Наиболее точные термометры с ценой деления шкалы 0,1 С имеют интервал измерения 50 С, например от +150 до +200 С (не выше + 350 С). Верхний предел измерения для шкал, начинающихся от 0 С, равен 500 С при цене деления шкалы 2 С.

 

Рис. 19.8. Основные разновидности жидкостных стеклянных термометров:

а - технический, ртутный, с - вложенной шкалой, прямой; б и в - угловые; е - лабораторный, ртутный, палочный; д - то же, с вложенной шкалой; е - спиртовой, для наружного воздуха, с прикладной шкальной пластинкой; ж - ртутный, электроконтактный, с - неподвижными контактами.

 

3. Жидкостные (не ртутные) термометры выпускаются в различном конструктивном оформлении, в том числе с прикладной шкальной пластинкой (рис. 19.8 в), для измерения температур от - 190 до + 100 С.

4. Повышенной точности и образцовые ртутные термометры с верхним пределом измерения 600 С характеризуются малой ценой деления шкалы - до 0,01.С.

5. Электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи. Изготовляются для измерения либо постоянной температуры контактирования (рис. 19.8 ж), либо произвольно изменяемой в пределах от 0 до 300 С. Контактные термометры (электротерморегуляторы) изготавливают как с заданной температурой контактирования, так и с магнитной регулировкой положения контакта, обеспечивающего сигнализацию или поддержание температуры в любой точке предела измерения термометра (рис. 19.9).

Рис. 19.9. Термоконтактор с подвижным контактом: 1 – постоянный магнит; 2 - медный провод; 3 - оболочка; 4 - верхняя шкала; 5 - микровинт; 6 - подвижный контакт; 7 - нижняя шкала; 8 – неподвижный контакт; 9 - резервуар.

Термоконтактор с заданным контактом: 1 - зажим; 2 - оболочка; 3 - шкала; 4, 5 - контакты; 6 - капилляр; 7 - резервуар.

 

6. Специальные термометры медицинские, метеорологические и другого назначения.

Допустимые погрешности измерения технических термометров не должны превышать одного деления (цены деления) шкалы. Так, для пределов измерения от 0 до 100 С при цене деления в 1 или 2 С допустимая погрешность составляет ± 1 или ± 2 С. Для остальных разновидностей термометров допустимые погрешности при одной и той же цене деления устанавливаются различными для разных температурных интервалов. Так, например, у лабораторных термометров с ценой деления шкалы 0,1 С и пределами измерения от 0 до +50 С допустимая погрешность составляет ± 0,2 С, а для пределов измерения от +250 до +300 С возрастает до ± 0,8 С.

Допустимая погрешность показаний у образцовых термометров много ниже. Так, например, для температурного интервала от 0 до + 60 С, при цене деления шкалы 0.01 С допустимая погрешность не должна превышать ±0,03 С. Для других методов измерения температуры такие ничтожные погрешности практически не достижимы.

Поверка показаний жидкостных термометров производится в термостатах путем сличения с образцовыми приборами более высокого класса точности. Поверка положения нулевой точки в ледяном термометре обязательна для всех термометров, на шкале которых она нанесена. Нулевую точку поверяют обычно дважды: до начала поверки шкалы и сразу после поверки ее максимальной отметки. Положения нулевой точки в обоих случаях могут не совпадать за счет явления термического последействия (когда стекло не сразу принимает те размеры, которые соответствуют нулевой температуре). Современные термометры в процессе изготовления подвергаются искусственному старению и отжигу, что снижает температурную депрессию за счет термического последействия до значения, не превышающего обычно максимально допустимую погрешность термометра.

Поверка в точке кипения воды производится в паровом термостате (водяном кипятильнике). Температуру определяют по величине атмосферного давления с поправкой на избыточное давление в кипятильнике.

Для поверки отрицательных температур до минус 80 С используют криостат, заполняемый спиртом или другой незамерзающей жидкостью.

Температуры в интервале от +1 до +95 С поверяют в водяном, в интервале от +95 до 300 С - в масляном и в интервале от 300 до 600 С – в солевом термостате.