2.2. 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 30 125 250 400 От 160 до 500 0т 1,6 до 60 ТГП-100М1 Конден-сационный −25…300 1 или 1,5 16 78 От 125 до 400 0т 1,6 до 25 ТЖП-100 Жидкостный −50…300 1 или 1,5 10 34 42 56 100 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.