5.2 Стеклянные жидкостные термометры

В стеклянных жидкостных термометрах (СЖТ) при определении температуры используется тепловое расширения термометрической жидкости, заключенное в стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, на который наносится шкала или к которому крепится шкальная пластина.

Действие СЖТ основано на измерении его температуры. Основными элементами конструкции термометра (рисунок 5.1) являются: стеклянный резервуар 1, соединительный капилляр 2, измерительный капилляр 3, шкальная пластина 4.

В термометрах, на шкальную пластину которых нанесены дополнительная (нулевая) и основная шкала, имеется утолщение соединительного капилляра - промежуточный резервуар (рисунок 5.2). Измерение объема в зависимости от температуры для жидкости или твердого тела характеризуется коэффициентом объемного теплового расширения , которого для любого интервала температур соответствует уравнению:

, (5.3)

где V- начальный объем;

ΔV- приращения объема (высота столбика жидкости) при изменении температуры на ΔТ.

При изменении температуры в СЖТ изменяется объем термометрической жидкости одновременно с объемом стеклянных элементов конструкции термометра (резервуаром, капилляром). Поэтому температуру можно измерять только по видимому измерению объема жидкости, равному разности изменениям объемов термометрической жидкости и стеклянной оболочки элементов конструкции термометра. Термометрические жидкости СТЖ характеризуют коэффициентом видимого расширения термодинамической жидкости в стекле , определяемый по формуле

= - . (5.4)

Точность измерения температуры существенно зависит от размеров элементов конструкции термометра. Изменения объема термодинамической жидкости при изменении температуры термометра от и должно быть равно объему измерительного капилляра, что соответствует уравнению

, (5.5)

где - объем термодинамической жидкости при 0 С;

и - начальное и конечное значения шкалы;

L- длина измерительного капилляра между начальной и конечной числовыми отметками шкалы;

S- площадь поперечного сечения канала капилляра.

Из зависимости (5.5) очевидно, что наиболее точные СЖТ при одинаковом значении L изготовляется в небольшом температурном диапазоне, с большим объемом резервуара и минимальным сечением капилляра. Для СЖТ с ценой деления 0,1 С капилляры имеют внутренний диаметр не менее 0,1 мм, а резервуары обычно не более 2,5 см³.

Уменьшение сечение канала капилляра увеличивает силу трения ртути о его стенки, что приводит к скачкообразному движению ртути при повышении температуры и разрыву столбика ртути при понижении температуры.

В термометрах с малым поперечным сечением капилляра применяют капилляры с овальным сечением, что облегчает отсчет показаний, так как увеличивается видимая ширина ртутного столбика.

Резервуары термометров обычно имеют цилиндрическую или шкалообразную форму. При одинаковом объеме резервуар цилиндрической формы имеет большую поверхность соприкосновения со средой, температура которой измеряется, что уменьшает тепловую инерцию термометра.

5.2.1 Основные свойства термометрических стекол и требования к ним

При тепловом воздействии на стекло, в нем проявляются эффекты те6рмических последействий: старения и депрессия.

Старение термометра - это естественный процесс медленного уменьшение объема резервуара и капилляра термометра с момента его изготовления.

Депрессия - это явления временного остаточного расширения резервуара термометра, которое наступает после нагревания термометра и последующего быстрого его охлаждения.

Старение (положительное смещение нуля) и депрессия (отрицательное смещение нуля) во всем интервале температур постоянны, поэтому вызываемые ими погрешности могут быть скорректированы при проведении периодических поверок.

5.2.2 Основные требования к термометрическим жидкостям

Термометрические жидкости (ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан) должны обладать возможно большим коэффициентом объемного расширения, небольшой вязкостью и не должны смачивать стекло. Наиболее полно отвечает перечисленным требованиям ртуть. Она не смачивает стекло, используется в широком диапазоне (от 234,28 К до 903,15 К).

Для устранения испарения и конденсации термометрической жидкости свободное пространство капилляра заполняют осушенным и очищенным от кислорода инертным газом (азотом, гелием, аргоном) под давлением. Увеличение давления в капилляре способствует повышению предела измерения температуры.

5.2.3 Конструктивное исполнение термометров. Назначение и область применения. Термометры рабочие и образцовые

Стеклянные жидкостные термометры по конструктивному исполнению делятся на: термометры с наружной шкалой; термометры с вложенной шкалой и палочные.

В термометрах с наружной шкалой (рисунок 5.1) капилляр с резервуаром и шкальная пластинка крепятся к пластмассовому, металлическому или деревянному основанию. Термометры такой конструкции используются для измерения температуры в помещениях.

Термометры с вложенной шкалой (рисунок 5.2) выполнены таким образом, что шкальная пластина и капилляр герметично заключены в стеклянную защитную оболочку, припаянную к резервуару. Шкальная пластина плотно прилегает к капилляру и крепиться к нему так, чтобы могла свободно расширяться при нагревании термометра.

Палочные термометры (рисунок 5.3) изготовляются из массивных толстостенных капилляры трубок, из которых выдуваются резервуар. Шкала наноситься методом травления непосредственно на части передней поверхности капиллярной трубки.

Рисунок 5.1 – Термометр с наружной шкалой.

а) б) Рисунок 5.2 – Термометры с вложенной шкалой. а) – тип термометра с вложенной шкальной пластиной: 1 – резервуар ртути; 2 - капиллярная трубка; 3 - шкала на шкальной пластине; 4 - защитная стеклянная оболочка – баллон; б) – тип термометра с вложенной шкальной пластиной: 1 - резервуар ртути; 2 - капиллярная трубка; 3 - шкала на шкальной пластине.

В зависимости от исполнения термометров форма соединительного капилляра (между резервуаром и измерительным капилляром) может изменяться: прямые, угловые термометры. У угловых термометров (рисунок 5.4) соединительная часть капилляра образует угол в 90, 135, 150˚.

а) б) Рисунок 5.3 – а) и б) – Термометры палочного типа

в) г) Рисунок 5.4 – в) и г) – Термометры с угловым исполнением

д) Рисунок 5.5 – д) – Термометр Бекмана

Рабочие стеклянные жидкостные термометры широко используются в промышленности и других областях народного хозяйства. Они делятся на термометры общего применения, лабораторные (для точного измерения) и предназначены для работы в определенной области науки и техники.

Промышленными стеклянными жидкостными термометрами контролируют температуру жидкостей, газов, пара в трубопроводах, резервуарах, машинах.

Температура измерения в интервале от минус 90 ºC до плюс 600 ºС, цена деления шкалы от 0,5 ºC до 10 ºС.

Термометры стеклянные жидкостные метеорологические и гидрологические применяются для измерения температуры воздуха, грунта, воды в реках, морях, океанах и т. д. К ним относятся максимальные, минимальные, психрометрические, почвенно - глубинные и глубоководные термометры.

Максимальные (щелевые и стержневые) термометры имеют специальное устройство, препятствующее возвращению ртути в резервуар при охлаждении. В щелевой конструкции делают капилляр с небольшим сужением в его нижней части. В стержневых- к резервуару припаивают стержень, который находиться в нижней части капилляра, уменьшая площадь его сечения. При снижении температуры резервуара ртутный столбик разрывается в месте снижения капилляра и фиксирует максимальное значения температуры за определенный промежуток времени. Чтобы вернуть ртуть в резервуар, термометр встряхивают или вращают на центрифуге.

Минимальный термометр предназначен для измерения минимальной температуры за определенный промежуток времени. В качестве термометрического вещества в нем используются неокрашенные органические жидкости. Внутри капилляра с термометрической жидкостью свободно перемещается штифт. До начала измерения термометр необходимо повернуть вверх резервуаром, чтобы штифт переместился до мениска. Измерения производят при горизонтальном положении термометра. При охлаждении среды, температура которой измеряется, мениск начнет перемещать штифт. Верхний край штифта указывает минимальное значение температуры, так как при нагревании термометрическая жидкость будет обтекать штифт, и он не изменит своего положения.

Психрометрический термометр предназначен для измерения температуры и определения влажности воздуха путем сравнения показаний двух термометров, укрепленных на одном основании. Резервуар одного термометра сухой, а у другого смачивается водой. Влажность определяют по таблице, прикрепленной к основанию, рядом с термометром.

Термометры лабораторные используются в качестве (образцовых) эталонных и рабочих для измерения температур в производственных и лабораторных условиях. В них термометрическое вещество является ртуть. Применяют лабораторные термометры для измерения температуры в диапазоне от минус 30 ºC до плюс 600 ºС.

К лабораторным термометрам относят палочные термометры, у которых расстояние между штрихами по всей шкале одинаково (равноделенные термометры). Их используют в качестве (образцовых) эталдонных.

Лабораторные термометры специального назначения имеют более узкую область применения – измерение небольших разностей температур или небольших ее изменений, что необходимо при калориметрических измерениях теплотворной способности топлив или теплоемкости тел, при определении измерения точки замерзания растворов или точки кипения жидкостей.

Метастатические термометры – термометры Бекмана - (рисунок 5.5) предназначены для высокоточного измерения в лабораторных условиях небольших размеров (не более 5 К) в интервале от минус 20 ºC до плюс 150 ºС.

Электроконтактные термометры и термоконтакторы предназначены для сигнализации и регулирования температуры в заданном диапазоне. По конструкции их относят к термометрам с заданными постоянными контактами ТЗК (рисунок 5.6 – а) и с подвижными контактами ТПК (рисунок 5.6 – б).

В термометрах ТЗК в место капилляра, соответствующие положению мениска при заданной температуре, вливают платиновые контакты 2, аналогичные нижнему соединительному 8, на платиновые контакты для исключения потерь напаивается стеклянная пуговичка, от которой начинается контактный паяный переход на медный провод 3 с диаметром не менее 0,3 мм. Значения заданных температур контактирования обозначены отметками на шкале. Количество точек контактирования не более трех.

В термометрах ТПК подвижной контакт 5 выполняют из вольфрамовой проволоки диаметром не более 0,1 мм. Проволока закреплена сверху на гайке 3, которая перемещается микрометрическим винтом 4, нижний конец вольфрамовой

а) б) Рисунок 5.6 – Термометры электроконтактные: а) Термометры типа ТЗК; б) Термометры типа ТПК.

проволоки вставлен в капилляр 6, в котором он должен свободно перемещаться во всем диапазоне регулирования температуры. Вращая микрометрический винт, можно изменять положение контакта, а, следовательно, заданное значение температуры. Винт вращается посредством герметической магнитной муфты.

На шкальной пластинке ТПК нанесены две шкалы. По нижней шкале 7 определяется температура, соответствующая положению мениски ртути. Верхняя шкала 9 имеет такие же числовые значения и предназначена для установки указателя на гайке ползуна в положение, соответствующее температуре контактирования.