2 Термометры расширения

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 (рис. 2.1).

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).

Д ля заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д.

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.

К числу недостатков ртути с точки зрения термометрии следует отнести сравнительно малый коэффициент расширения.

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.

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.

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

Термометры жидкостные (нертутные) изготовляют согласно установленным техническим требованиям в государственных стандартах.

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.

Дилатометрические и биметаллические термометры основаны на использовании свойства твердого тела изменять свои линей­ные размеры при изменении температуры. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от тем­пературы может быть выражена линейным уравнением:

где l_t – длина твердого тела при температуре t, м; l₀ – длина того же тела при температуре 0 °С, м; α – средний коэффициент линейного расширения твердого тела от 0 °С до t, °С^-1.

Значения средних коэффициентов линейного расширения для некоторых материалов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 Средние коэффициенты линейного расширения материалов

Материал	α·10-6,°С-1	Интервал темпера­тур, °С
Латунь	18,3 – 23,6	0 - 400
Медь красная	15,3	0 - 150
Хромомолибден	12,3	0 - 100
Сталь никелевая (20 – 22% Ni)	20,0	0 - 500
Инвар	0,9	0 - 200

Дилатометрические термометры. Простейший принцип измерения температуры использует удлинение металлического стержня. Термометры этого типа, не­смотря на ряд достоинств (простота устройства, высокая чувстви­тельность) для измерения температуры исполь­зуются сравнительно редко. Они находят приме­нение главным образом в качестве первичных из­мерительных преобразователей в системах авто­матического регулирования температуры.

Н а рис. 2.2 представлена схема устройства дилатометрического термометра. Он состоит из металлической трубы (чувствительного элемен­та) 1, внутри которой находится стержень 2. Труба имеет коэффициент линейного расшире­ния больше, чем стержень. Верхний конец трубы закреплен в штуцере 3. В головке 4 находится электроконтактное устройство, состоящее из ры­чага 5, сочлененного со стержнем и контактами (на схеме показан один контакт), нормально замкнутой контактной группы. Нижняя часть термометра полностью погружается в среду, температура которой измеряется. При повыше­нии температуры среды труба удлиняется больше, чем стержень, вследствие чего стержень перемещается вниз. При перемещении стержня одновременно приводится в движение рычаг, который при заданной температуре размыкает контакты, а вместе с тем и электрическую цепь регулирующего устройства.

Для получения необходимой чувствительности дилатометриче­ского термометра трубу обычно изготовляют из материала с боль­шим коэффициентом линейного расширения (например, латуни мар­ки Л62 или стали марки Х17Н13М2Т и ХН60В), а стержень из мате­риала, коэффициент линейного расширения которого близок к нулю, например из инвара (см. табл. 2.1).

Используемое перемещение – разность расширений обоих стержней – очень мало, поскольку длину стержня с учетом возможности его установки нельзя принимать слишком большой. Механические рычажные и редукторные передаточные устройства увеличивают отклонение, но при этом приходится мириться с механическими неточностями (трением, люфтами, погрешностями в шаге секторов зубчатых колес и т. п.). Диапазон измерений составляет примерно 0– 1000 °С. Большая длина чувствительных элементов таких термометров не позволяет определять с их помощью температуру в отдельных точках; они показывают температуру, усредненную по всей длине. Здесь следует учитывать и влияние отвода тепла. При тщательной установке дилатометрических термометров можно добиться точности измерений от ±1 до ±3 % в зависимости от их исполнения.

Дилатометрические термометры часто используют там, где требуются большие усилия в исполнительном механизме, например в регуляторах температуры прямого действия, поскольку для компенсации температурного расширения стержня его упругим сжатием согласно закону Гука требуется весьма большое усилие.

По такому же принципу можно использовать вместо растягиваемого стержня натянутые проволоки (проволочную «арфу») и измерять их удлинение при измерении температуры. Преимуществом такого несколько более дорогостоящего метода является очень малая постоянная времени чувствительного элемента, что имеет значение в устройствах для передачи температуры в технике кондиционирования воздуха, когда условия теплопередачи от неподвижного или медленно движущегося воздуха очень плохи. Такими устройствами можно измерять температуру от -30 до +150 °С.

З начительно чаще дилатометрических применяют биметаллические термометры, в которых для индикации температуры также используют различное температурное расширение двух разнородных материалов. Биметаллические термометры могут быть изготовлены весьма малых размеров, в чем состоит их существенное преимущество перед громоздкими дилатометрическими термометрами. Они просты при конструировании (поскольку у них мало движущихся частей). Их изготовляют в самых разнообразных исполнениях, они просты и дешевы.

Два или несколько слоев различных материалов прокатывают совместно (в пакете), причем в зависимости от назначения они могут иметь различные геометрические формы. На рис. 2.3 показаны наиболее распространенные конструктивные исполнения чувствительных элементов этих термометров. Варианты а и б используют главным образом в качестве температурных реле и в механических приборах с компенсацией температурного влияния. Варианты в и г ввиду большого отклонения свободного конца биметаллического элемента могут быть использованы в термометрах с непосредственным отсчетом температуры рис. 2.4..

Один конец чувствительного элемента всегда закреплен неподвижно, а другой соединен с передаточным редуктором или непосредственно с показывающим устройством. В отличие от дилатометрических биметаллические термометры могут совершать лишь незначительную работу. Поэтому их применяют, как правило, в качестве показывающих приборов и реже для передачи показаний на расстояние.

Биметаллическими термометрами можно измерять температуру от –50 до +600 °С. При достаточном старении биметаллической полосы чувствительные элементы сохраняют термическую стабильность до 500 °С. При температурах до 600 °С их можно применять лишь кратковременно. Точность составляет от ±1 до ±3 %. При широком диапазоне измерений неблагоприятное влияние оказывает нелинейная зависимость удельного прогиба от температуры. Ввиду сравнительно большой площади поверхности (особенно у спиралей) биметаллические термометры, применяемые без слишком массивных защитных чехлов непосредственно в окружающей среде, реагируют сравнительно быстро. Поэтому они являются предпочтительными в технике кондиционирования воздуха.