4.4. Термометри розширення

До них відносяться: скляні рідинні, дилатометричні, біметалеві та манометричні термометри.

Рідинні скляні термометри – вимірювання температури ґрунтується на різниці коефіцієнтів об’ємного розширення матеріалу оболонки корпусу термометра та рідини, яка в ньому міститься (розміщена) в залежності від температури.

Корпус термометра виготовляються із спеціальних термометричних сортів скла з малим коефіцієнтом розширення. При вимірюванні високих температур використовують кварц. В якості термометричної рідини використовують: ртуть (Hg), етиловий спирт (C₂H₅OH), толуол (C₆H₅СH₃), пентан (C₅H₂) та інші. Найбільш розповсюджені ртутні, їх переваги: діапазон вимірювання (-35...+600 °C), незмочуваність скла ртуттю. За призначенням діляться на: зразкові, лабораторні та технічні. Складаються з резервуара, з рідиною, капілярної трубки, з одного кінця приєднаної до резервуара, а з іншого – запаяної, та шкали і захисної оболонки.

Приріст у капілярній трубці термометра стовпчика рідини Δh (мм) за нагрівання резервуара від температури t₁ до t₂ визначається формулою:

, (4.11)

де V – об’єм рідини в резервуарі при t₁ ; та - температурні коефіцієнти розширення рідини та скла,К^-1; d - внутрішній діаметр капіляра,мм.

Найбільш розповсюджені форми: а) палочні – зовнішній діаметр їх сягає 6-8 мм, а шкала нанесена безпосередньо на зовнішній поверхні капілярної трубки; б) з вкладеною шкалою – шкала виконується окремо на прямокутній скляній пластині, яка припаюється до капіляра.

Для сигналізації та позиційного регулювання застосовують ртутні електроконтактні термометри з постійними впаяними контактами або одним рухомим контактом, який може переміщуватись в середині капілярної трубки за допомогою спеціального мікрогвинта. Так як ртуть електропровідна, то при досягненні нею в капілярі висоти, на якій установлені електричні контакти, вона спричиняє замикання цих контактів та спрацьовуванні релейної схеми.

За температури нагрівання до 105°C термометри виготовляються вакуумними, а вищої – газонаповненими.

Промисловість випускає:

1) технічні ртутні з вкладеною шкалою (прямі і кутові, зігнуті під 90°) 11 модифікацій. Н., Ціна поділки першої модифікації 0,5 °C шкала від -35...+500 °C; а для 11-ої – відповідно 10 °C. Термометри 9÷11 модифікацій є високо градусними.

2) технічні не ртутні (аналогічні) на межі вимірювань -200...+200 °C з ціною поділки від 0,2 до 5 °C.

3) лабораторні ртутні типу ТЛ на межі від -30...+500 °C і мають 5 типів, в залежності від ціни поділки межей вимірювання. Н., ТЛ-2 – ціна поділки 1 °C і діапазон 0...350 °C.

4) ртутні підвищеної точності та зразкові 4-х типів з вузьким діапазоном

вимірювання. Н., ТР-1: діапазон 4 °C і ціна поділки 0,01 °C, а ТР-4 – діапазон вимірювання 50 °C і ціну поділки 0,1 °C.

5) ртутні електроконтактні з рухомим (тип ТПК) і постійним (тип ТЭК) контактами та діапазоном -30...+300 °C.

Допустима похибка технічних термометрів не перевищує поділки шкали. Наприклад, за ціни поділки 0,5 °C - максимальна похибка становить ±0,5 °C.

Для деяких термометрів похибка може бути може бути і більшою та визначається технічними вимогами до них. Наприклад, для зразкових термометрів з ціною поділки 0,01 °C, максимальна похибка дорівнює ±0,05 °C, а для лабораторних з ціною поділки 0,5 °C допустима похибка становить ±1°C.Переваги скляних рідинних термометрів: простота конструкції, невисока вартість, достатня точність. Недоліки: відсутність дистанційної передачі та реєстрації показів, значна теплова інерційність, незручність зняття показів і невисока механічна міцність, що обмежує їх використання в технологічних вимірюваннях.

Дилатометричні термометри розділяються на суто дилатометричні (їх ще називають стержневі) та біметалеві.

Принцип дії ґрунтується на зміні лінійних розмірів твердих тіл під впливом температури, що описується залежністю:

L=L[1+(t - t)], (4.12)

де та - лінійні розміри чутливого елемента при температурі t₀ = 20°C (температура градуювання) та вимірюваній - t;

α – температурний коефіцієнт розширення (ТКР) твердого тіла.

При використанні в конструкціях термометрів двох твердих тіл з різними ТКР α₁ і α₂ , передавальне відношення системи переміщення стрілки приладу ΔL_с до приросту температури Δt, яке залежить від конструкції, має вигляд:

, (4.13)

де К- коефіцієнт передачі кінематичної схеми термометру.

Дилатометричний (стержневий) термометр являє собою закриту з одного кінця мета­леву трубку (датчик) 1 (рис.4,8), виготов­лену із металу з високим коефіцієнтом лінійного розширення (наприклад, мідь, ла­тунь), в середині якої закріплюється стер­жень 2 з малим коефіцієнтом лінійного роз­ширення — наприклад інвар (64% Fe і 36% Ni) або плавлений кварц (а = 0,558*10⁶, °С¹) тощо. Один кінець трубки закріплюєть­ся на об'єкті вимірювань, а сама трубка занурюється у вимірюване середовище. З підвищенням температури довжина

трубки збільшується, а стержні залишається практично незмінним, і вільний кінець трубки переміщується разом із стержнем 2, важелем 3, рухомим контак-

том сигналізуючого чи регулювального пристрою 6 і вимірювальною стрілкою 4. Пружина 5 забезпечує надійний контакт.

За допомогою дилатометричних (стержневих) термометрів можна передавати інформацію про значення температури на відстань. Для цього утворюються комплекти з системами диференційно-трасформаторної (ДТП) передачі (рис. 4.9,а) або пневматичної (рис.4.9,б), які використовуються як вимірювальні прилади в системах сигналізації та автоматичного регулювання.

Дилатометричні термометри випускаються: з ДТП - типів ТУДЭ (ТРДЭ),

Рис.4.8 Дилатометричний Рис. 4.9. Схеми з'єднання ділатометричного

термометр термометра з перетворювачами: а- диференційно-

-трансформаторним; б — пневматичним

та пневматичною передачою – ТУДП на різні діапазони в інтервалі температур від -30 до 1000 °C з класами точності 1.5 – 2.5, які залежать від модифікації, а також термореле, наприклад, РТ-300 з регулюванням температури спрацьовування від 100 до 300 °C з похибкою не більше 5°C .

У біметалевих термометрах (рис.4.10), як чутливий елемент використовують термобіметалеву пластину або стрічку, зігнуту у вигляді гвинтової чи спіральної пружини. Біметал одержують методом холодного прокатування двох металів з різними коефіцієнтами розширення від температур. При нагріванні пластини 1 розгинається у бік матеріалу з меншим коефіцієнтом розширення α₁.

Рис. 4.10. Рис. 4.11. Рис. 4.12. Схема термопари

Кут φ розкручування або закручування біметалевого датчика, за умови

Е * h = Е * h , визначається рівнянням:

= *t, (4.14)

де Е₁ , Е₁ – модулі пружності використаних металів (МПа); h – загальна

товщина біметалевої пластини, h = h₁ + h₂ ,(м); h₁ , h₂ – товщини складових.

Діапазон вимірювання таких термометрів: -150...700°C, а клас точності від 1,5 до 4,0.

Промисловість випускає біметалеві реле ТБ-ЭЗК з три позиційною приставкою сигналізації та регулювання в діапазоні -60...+300 °C залежно від марки біметалу. Біметалеві термометри класів 2,0 і 2,5 використовуються для вимірювання температури приміщень (як побутові). Переваги обох видів термометрів: простота конструкції та обслуговування, компактність та невисока вартість.

4.5. МАНОМЕТРИЧНІ ТЕРМОМЕТРИ

Принцип дії манометричних термометрів грунтується на механічному переміщенні пругкого чутливого елемента в замкненній герметичній системі від зміни або тиску газу, або зміни об’єму рідини, або зміни тиску насиченої пари в залежності від вимірюваної температури.

Манометричний термометр (рис.4. 11) складається із: термобалона 1, який

розміщується в об’єкті вимірювання; капілярної трубки 2 довжиною до 60 м і

внутрішнім діаметром 0,1- 0,5 мм з захисним металорукавом та манометричного приладу, який складається із чутливого елементу в вигляді трубчатої пружини 3 овального перерізу (одно або багато виткової, остання може бути спіралевидної чи гелікоїдальної форми, а замість трубчатої пружини може використовуватись і сильфон); передавального механізму, який в свою чергу складається з біметалевого термокомпенсуючого повідка 8, зубчатого сектору 7, та шестерні 6, на якій закріплена стрілка 1 та шкали 5.

Межі вимірювання температури для різних наповнювачів:

Термометри	Термометрична речовина	Межі температур, С
газові	азот, гелій, водень	-260...+600
рідинні	ртуть ксилол, метиловий спирт силіконова рідина	-40...+600 -40...+180 -150...+300
конденсаційні	хлорметил ацетон бензол	-20...+150 -60...+200 -100...+250

Під впливом температури тиск термометричної речовини в термобалоні 1 збільшується і передається по капіляру 2, монометричній пружині 3, яка під дією тиску розкручується і її вільний кінець через повідок 5 і кінематичну схему переміщує стрілку 4 чи перо самописця.

Термобалон 1 виготовляють із корозієстійкої сталі, а капіляр 2 - із стальної чи мідної трубки внутрішнім діаметром в межах 0,15- 0,5 мм..

Залежно від термометричної речовини термометри бувають газові, рідинні

та парорідинні для різних меж вимірювання. Довжина капіляру штатна: 1; 1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; і 40(60)м і від неї залежить основна похибка вимірювання. Чим менше довжина капіляра і менший діапазон вимірювання, тим менше основна похибка.

Принцип дії газових манометричних термометрів грунтується на тепловому розширенні газів і для них залежність тиску в термосистемі від температури підпорядкована закону Шарля:

P_t = P₀1 + (t – t₀) , (4.15)

де P₀– початковий тиск в термосистемі при температурі заповнення t₀,

МПа; =1/273,151/К - температурний коефіцієнт розширення газу.

P₀ вибирають в межах (3...10) МПа, щоб зменшити вплив атмосферного тиску на манометричну систему. Похибка вимірювань залежить також від співвіднощення об’єму термобалону та неробочого об’єму манометричної системи.

Випускаються промисловістю газові манометричні термометри типів:

ТПГ – показувальні; ТПГ-СК – показувальні і сигнальні; ТГС – показувальні і самописні. Класи точності: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5.

Газові термометри використовуються також для вимірювання дуже низьких температур, які відповідають температурам конденсації газу наповнювання. Наприклад, при заповненні термосистеми азотом, нижня межа вимірювання

температури складає: -195С, а гелієм- (-269С).

Надлишковий об’єм V рідини, який виштовхується із термобалону рідинних термометрів із зміною його температури:

V = ( - 3)(t – t₀)V₀, (4.16)

де  і  - коефіцієнти об’ємного розширення відповідно термометричної рідини та термобалону, 1/С; t₀ – температура при якій виконано заповнення термосистеми (20С) об’ємом V₀, м³.

Випускаються рідинні термометри типу ТЖС – показувальні і самописні.

Рідинні термочутливі системи розвивають значні зусилля і їхня робота практично не залежить від атмосферного тиску, що дозволяє використовувати їх також в термореле з потужними контактами на розмикання.

Із наведених формул видно, що шкали газових і рідинних термометрів лінійні.

Принцип дії конденсаційних (або парорідинних) манометричних термометрів грунтується на залежності тиску насиченої пари від температури. Особливість їхньої роботи в тому, що в робочому діапазоні температур в манометричній системі наповнювач знаходиться завжди в двох фазах: рідкій та пароподібній. Тиск в такій системі визначається температурою границі розподілу рідина – пара і вони розрізняються з парорідинним та паровим наповненням.

Парорідинне наповнення – кількість рідини в системі складає 5060  об’єму, причому об’єм термобалону повинен складати не менше 50 всього об’єму. Це дає те, що границя розподілу, рідина – пара завжди знаходиться в термобалоні, не залежно від температур окремих частин і положення термобалону. Переваги такого заповнення: 1) можливість роботи, в умовах, коли температура термобалона вища або нижча за температуру інших частин термосистеми; 2) швидка реакція на зміну температури. Недолік – необмежене зростання

тиску в системі з ростом температури.

З паровим наповненням – відрізняються тим, тому що пара вводиться в термосистему при температурі дещо більшій, чим максимальна можливе її зачення в робочих умовах. Наприклад, в холодильних машинах терморегулюючі вентилі із заповненням термосистеми фреоном працюють при максимальній температурі до = +10С, і відповідно їхнє заповнення проводять при тиску насичення, що відповідає +(20-30)С. При зниженні температури в термобалоні конденсується невелика кількість рідини. Основна перевага – обмеження тиску в термосистемі при температурах вищих температири заповнення, так як в цьому випадку вони перетворюють у газові термометри, зростання тиску в яких від температури значно менше, що знижує вимоги до термосистеми по запасу міцності.

Особливість термометрів з використанням тиску насиченої пари – суттєва нелінійність тиску від температури, що приводить до нерівномірності шкал. Але вони є найбільш чутливі при відносно малому діапазоні вимірювання до 250С. На їхні покази впливає зміна атмосферного тиску, але не впливає зміна температури навколишнього середовища. Типи конденсаційних термометрів: ТПП – показувальний, ТПП-СК – показувальний і сигнальний. Клас точності 1 – 1,5. Конденсаційні (або парорідинні) манометричні термометри найбільше вживають в холодильній автоматиці як температурні регулятори, терморегу-

люючі вентилі.