1.1. Методы измерения температуры

Существующие методы измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. В контактных методах требуется непосредственный контакт первичного преобразователя температуры с контролируемым объектом или средой. К таким средствам измерения относятся термометры расширения (жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, кварцевые термометры.

Бесконтактные методы позволяют измерять температуру на расстоянии от контролируемого объекта или среды по их тепловому излучению.

Все средства измерения, предназначенные для измерения температуры контактным методом, называются термометрами, а для измерения температуры бесконтактным методом – пирометрами.

2. Термометры расширения

Термометрами расширения называются приборы, в которых для измерения температуры используют свойство теплового расширения вещества: жидкости, газа или твердого тела. Исторически это первые приборы для измерения температуры.

2.1. 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; t₁ – 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; t₂ – температура выступающего столбика при градуировке, °С; t₃ – 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.