4.3. Приборы для измерения температуры

Общие сведения. Для измерения температуры в лаборатори­ях строительных материалов применяют главным образом жид­костные термометры, реже манометрические, термоэлектриче­ские и термометры сопротивления.

В СИ принята температурная шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля температур. Точка плавления льда по шкале Кельвина равна 273,15 К, точка кипения воды — 373,15 К. Так же как в шкале Цельсия, эти температуры отличаются на 100°, поэтому фактически единица шкалы Цельсия равна единице шкалы Кельвина. Пересчитыва­ют температуры из одной шкалы в другую по формуле t °С = Т К - 273,15. При испытании строительных материалов применяют обычно шкалу Цельсия.

Жидкостные термометры. Термометры, действие которых ос­новано на тепловом расширении жидкости (ртути, спирта, пентана и др.), служат для измерения температур в интервале от -200 до +750 °С

Жидкостные термометры представляют собой стеклянный резервуар с припаянным к нему стеклянным капилляром. Жид­кость полностью заполняет резервуар и часть капилляра. При изменении температуры объем жидкости меняется, вследствие чего ее уровень в капилляре поднимается или опускается на ве­личину, пропорциональную изменению температуры. Благодаря малому диаметру капилляра даже небольшое изменение объема жидкости заметно меняет ее уровень в капилляре.

В качестве термометрического вещества, заполняющего тер­мометр, для измерения температур выше 30 °С чаще всего при­меняют ртуть, которая находится в жидком состоянии в боль­шом интервале температур (от -39 до +357 °С). Для измерения температур ниже -30 °С обычно используют подкрашенный спирт.

По конструкции жидкостные термометры бывают трех типов: палочные, с вложенной шкалой и с прикладной на­ружной шкалой.

Палочные термометры - это массивные капил­лярные трубки, на внешней поверхности которых нанесена шка­ла.

У термометров с вложенной шкалой внутри стеклянной оболочки заключена капиллярная трубка, а позади нее — шкальная пластина из непрозрачного стекла белого цвета. Шкальная пластина в нижней части опирается на сужение обо­лочки, а в верхней — припаяна к внутренней стороне оболочки. Пластина может быть закреплена и другим способом. Капил­лярная трубка крепится к шкальной пластине тонкой проволо­кой из нержавеющего металла.

Термометры с прикладной наружной шкалой представляют собой массивную пластину из пластмассы, дерева или металла, с нанесенной на нее шкалой, к которой прикреп­лен капилляр с резервуаром. Чтобы предохранить жидкостные термометры от разрушения при случайном перегреве, в верхнем конце капилляра предусмотрено расширение (запасной ре­зервуар) или выступающая за пределы градуированной шкалы часть капилляра, допускающая перегрев не менее чем на 20 °С.

Отметки шкалы нанесены в виде штрихов, перпендикуляр­ных оси капилляра. Цена деления шкалы термометра от 10 до 0,01 °С. Для удобства пользования и обеспечения высокой точности измерения термометры изготовляют с укороченной шка­лой. Наиболее точные термометры имеют на шкале точку О °С независимо от нанесенного на ней температурного интервала.

Общий недостаток жидкостных термометров — значительная тепловая инерция и не всегда удобные для работы габариты.

По назначению жидкостные термометры бывают различных видов. В строительных лабораториях чаше всего при­меняют стеклянные лабораторные и технические ртутные тер­мометры и жидкостные (нертутные) термометры.

Стеклянные ртутные лабораторные термометры, приме­няемые для измерения температур в интервале от -30 до +500 °С, бывают палочные и с вложенной шкалой. Промыш­ленность выпускает 30 видов лабораторных термометров с ин­тервалом температур 100 и 50 °С и ценой деления шкалы от 2 до 0,1 °С

Стеклянные ртутные термометры для точных измерений рассчитаны на узкие пределы измерений. Изготовляют их обычно палочными. В зависимости от точности измерений тер­мометры выпускают четырех групп: I, II, III, IV с ценой деле­ния шкалы соответственно 0,01; 0,02; 0,05; 0,1 °С.

Стеклянные технические термометры предназначены для измерения температур в интервале от -90 до 600 °С. По форме эти термометры могут быть прямые (П) и угловые (У). В термометры вложена шкальная пластина, закрепляемая сверху пробкой. Промышленность выпускает 12 видов технических термометров, отличающихся пределами измерения. Термометры используют для измерения температуры в сушильных шкафах, термостатах, холодильных камерах и других установках. Для этого термометр погружают узкой нижней частью на требуемую глубину, а верхняя часть находится снаружи.

Стеклянные жидкостные (нертутные) термометры слу­жат для измерения температур в интервале от -200 до +200 °С. В качестве термометрической жидкости в них используют органи­ческие вещества: этиловый спирт, пропан, керосин и т. п. Жид­костные термометры выпускают палочные, с вложенной и при­кладной шкалами.

Правила пользования жидкостными термометрами. Термомет­ры хранят в футлярах, избегая резких толчков и изменений тем­пературы. Обязательные условия правильной работы жидкостных термометров - непрерывность и равномерность движения термо­метрической жидкости в капилляре. Она не должна оставлять следов на стенках капилляров и ее столбик не должен рваться.

Для измерения температуры выбирают термометр с соот­ветствующими пределами измерений. Например, температуру от 10 до 40 °С можно определить термометром с пределами изме­рений от 0 до 50 °С. При измерении температуры в тепловых приборах (сушильных шкафах, термостатах) верхний предел шка­лы термометра должен превышать температуру, которая может быть создана в приборе. В противном случае расширяющаяся ртуть может разорвать капилляр, и термометр придет в негод­ность.

Отсчет по шкале термометра снимают в тот момент, когда прекращается перемещение столбика жидкости относительно шкалы. Термометр при считывании показаний нельзя извлекать из среды, в которой измеряется температура, так как его пока­зания при этом изменяются.

Для наблюдения за температурой воздуха в помещении тер­мометр помещают на внутренней стене или перегородке поме­щения так, чтобы на него не действовали прямые солнечные лучи, нагревательные или охлаждающие приборы. При измере­нии температуры воздуха термометр всегда должен быть сухим. Влажный термометр за счет испарения с его поверхности воды охлаждается и показывает меньшую температуру.

Термоэлектрические термометры. Такие термометры вклю­чают в себя термоэлектрический преобразователь (термопару), преобразующий тепловую энергию в электрическую, и электро­измерительный прибор (милливольтметр, потенциометр).

Термоэлектрический преобразователь состоит из двух после­довательно соединенных (спаянных) меж­ду собой разнородных электропроводящих элементов (металлов или полупроводни­ков). Если спаи 1, 2 термоэлектрического преобразователя (рис. ) имеют разные температуры (Т ₁ ≠ Т ₂), то в цепи термо­элемента возникает термоэлектродвижу­щая сила (ЭДС), значение которой зави­сит от разности температур горячего 1 и холодного 2 спаев. Поэтому при постоян­ной температуре одного спая ЭДС может служить показателем температуры другого спая. ЭДС термоэлектрических преобра­зователей невелика и составляет несколь­ко милливольт. Линейная (или близкая к ней) зависимость ЭДС от разности температур спаев позволяет выполнять шкалу электроизмерительного прибора, применяемого в комплекте с ним, не в милливольтах, а непосредственно

Рис. 4.3 - Схема термоэлектрического термометра :I, 2 - горячий и холодный спаи термоэлемента; 3 -мил­ливольтметр

в градусах. Точность измерения температуры термоэлектрическим термометром зависит от постоянства тем­пературы холодного спая во время измерений. Поэтому холод­ный спай помешают в тающий лед, имеющий стабильную тем­пературу О °С.

При измерении температуры термоэлектрическими термо­метрами, широко применяемыми в промышленности, можно вести автоматическую запись температуры с помощью элек­тронного самописца (потенциометра); кроме того, ЭДС термо­электрического преобразователя можно использовать для авто­матического регулирования температуры. В лабораториях тер­моэлектрические термометры применяют для измерения и регу­лирования температуры в печах, в пропарочных и холодильных камерах.

Для термоэлектрических термометров применяют термо­электрические преобразователи (термопары) из различных ме­таллов с определенными градуировочными характеристиками (табл. 4.2).

Для изоляции проводников термопары применяют фарфоро­вые трубки (соломку) или бусы, которые должны сохранять свои изоляционные свойства при высоких температурах. Промыш­ленные термопары защищены от вредного воздействия внешней среды керамическими или металлическими (при температурах ниже 1000 °С) чехлами.

Термометры сопротивления. Действия этих приборов осно­ваны на изменении электрического сопротивления металлов, сплавов и полупроводников при изменении температуры. Чаще всего применяют платиновые термометры, позволяющие изме­рять температуру в пределах от -260 до + 1060 °С; для более уз­кого интервала температур (от -50 до +180 °С) используют мед­ные термометры сопротивления.

Таблица 4.2. Основные типы термопар и их характеристики

Тип	Материал термопар	Пределы измерений при длительном режиме, 0С
ТПП	Платиноролий (10 % родия) - платина	-20... 1300
ТПР	Платинородий {30 % родия) - платинородий (6 % родия)	300... 1600
ТХА	Хромель-алюмель	-50... 1000
ТХК	Хромель-копель	-50...600
НС	Сплавы НК-СА	300...1000

Термометры сопротивления выполнены в виде каркаса из фарфора, кварца или слюды с обмоткой из пла­тиновой, медной или какой-либо другой проволоки диаметром 0,05...0,2 мм, закрытой фарфоровой, стеклянной или металличе­ской оболочкой. Термометры сопротивления так же, как и термоэлектрические, самостоятельно не применяют, их ис­пользуют в комплекте со вторичными измерительными устрой­ствами, для подключения к которым термометр снабжен вывод­ными концами.

Манометрические термометры. Действие этих термометров ос­новано на изменении давления газа в замкнутом объеме при из­менении его температуры. При помещении термометрического баллона манометрического термометра в измеряемую среду давление газа в баллоне меняется. Соответственно оно ме­няется и в полой манометрической пружине, сообщающейся с баллоном капилляром. При этом пружина закручивается или раскручивается, двигая стрелку вдоль температурной шкалы.