Наша сеть партнеров Banwar
2-2. ТЕРМОМЕТРИ РОЗШИРЕННЯ
Фізична властивість тіл змінювати свій об'єм залежно від нагрівання широко використовується для вимірювання температури. На цьому принципі заснований пристрій рідинних скляних й дилатометрічні термометрів, які з'явилися дуже давно і послужили для створення перших температурних шкал.
а) Основні властивості рідинних термометрів
У рідинних термометрах, побудованих на принципі теплового розширення рідини в скляному резервуарі, як робочу силу речовин використовуються ртуть і органічні рідини - етиловий спирт, толуол і ін. Найбільш широке застосування отримали ртутні термометри, що мають порівняно з термометрами, заповненими органічними рідинами, істотні переваги : великий діапазон вимірювання температури, при якому ртуть залишається рідкою, несмачиваемость скла ртуттю, можливість заповнення термометра хімічно чистої ртуттю через л гкості її отримання тощо. При нормальному атмосферному тиску ртуть перебуває в рідкому стані при температурах від -39 ° С (точка замерзання) до 357 ° С (точка кипіння) і має середній температурний коефіцієнт об'ємного розширення 0.18 · 10-3 K-1.
Термометри з органічними жідкостямі1 (1 ГОСТ 9177-59. Термометри скляні рідинні (нертутние).) В більшості своїй придатні лише для вимірювання низьких температур в межах -190 -100 ° С. Основною перевагою їх є високий коефіцієнт об'ємного розширення рідини, рівний в середньому 1.13 · 10-3 K-1, тобто майже в 6 разів більший, ніж у ртуті.
рідинні термометри , Виготовлені зі скла, є місцевими показують приладами. Вони складаються з резервуара з рідиною, капілярної трубки, приєднаної до резервуару і закритою з протилежного кінця, шкали і захисної оболонки. Приріст в капілярі термометра стовпчика рідини Δ h (мм) при нагріванні резервуара від температури t 1 до t 2 визначається за формулою:
де V 1 - об'єм рідини в резервуарі при температурі t 1 мм3;
α ж і α з - середні температурні коефіцієнти об'ємного розширення рідини і скла, K-1;
d - внутрішній діаметр капіляра, мм.
Різниця середніх температурних коефіцієнтів α ж і α з в рівнянні (2-3) називається середнім температурним коефіцієнтом видимого розширення α в рідини в склі, т. Е.
б) Пристрій ртутних термометрів
ртутні термометри завдяки своїй простоті, порівняно високої точності вимірювання, нескладності звернення і дешевизні мають досить велике поширення і застосовуються для вимірювання температур в межах від -35 ° С до +650 ° С 1. (1 ГОСТ 2045-71. Термометри ртутні скляні.)
Кінцевий межа вимірювання, що обмежується температурою розм'якшення скляної оболонки термометра, досягається за допомогою штучного підвищення точки кипіння ртуті З цією метою у термометрів для вимірювання високих температур простір капіляра над ртуттю, з якого попередньо вилучений повітря, заповнюється інертним газом при тиску понад 2 МПа. Термометри з верхньою межею шкали до 100 ° С іноді газом не заповнюються, і капіляр їх знаходиться під вакуумметричного й надлишкового тисків.
Для виготовлення термометрів застосовується спеціальне термометрична скло, що володіє невеликим температурним коефіцієнтом, приблизно рівним 0,02 · 10-3 K-1, що дає коефіцієнт видимого розширення ртуті в склі близько 0.18 · 10-3 K-1.
Згідно зі слів (2-3) чутливість ртутних термометрів залежить від розмірів резервуара і капіляра. Чим більше резервуар і менше внутрішній перетин капіляра, тим помітніше зміна висоти ртутного стовпчика, т. Е. Тим більш чутливий термометр і менше ціна ділення його шкали. Однак великий розмір резервуара збільшує інерційність приладу, що знижує якість останнього при вимірюванні змінної температури.
Основна похибка ртутних термометрів залежить від діапазону показань і ціни поділки шкали, зі збільшенням яких вона зростає.
Внаслідок невеликого відхилення видимого коефіцієнта розширення ртуті в склі при зміні температури ртутні термометри мають майже рівномірну шкалу.
Ртутні термометри виготовляються двох видів: з вкладеною шкалою і паличні (Рис. 2-1)
Термометр із вкладеною шкалою має заповнений ртуттю резервуар 1, капілярну трубку 2, циферблат 3 з молочного скла зі шкалою і зовнішню циліндричну оболонку 4, в якій укріплені капіляр і циферблат. Зовнішня оболонка з одного кінця щільно закрита, а з іншого - припаяна до резервуару.
Паличної термометр складається з резервуара 1, з'єднаного з товстостінним капилляром 2 зовнішнім діаметром 6-8 мм. Шкала термометра нанесена безпосередньо на поверхні капіляра у вигляді насічки по склу. Паличні термометри є більш точними в порівнянні з термометрами з вкладеною шкалою.
В обох видах термометрів капіляр за верхній відміткою шкали має запасний об'єм, що оберігає прилад від пошкодження при перегріванні.
За призначенням ртутні термометри поділяються на промислові (технічні), лабораторні та про бразцовие.
Технічні ртутні термометри виготовляються з вкладеною шкалою і за формою нижньої (хвостовий) частини з резервуаром бувають прямі типу А (рис. 2-2, а) і кутові типу Б, вигнуті під кутом 90 ° в сторону, протилежну шкале1. (1 ГОСТ 2823-73. Термометри скляні технічні.).
При вимірюванні температури нижня частина технічних термометрів повністю опускається в вимірювану середу, т. Е. Глибина занурення їх є постійною.
Нижня частина термометрів, в залежності від умов вимірювання, має довжину 60 -1600 мм (високоградусних - 120 - 400 мм) - для типу А і 110 - 1050 мм (високоградусних - 130 -370 мм) - для типу Б. Діаметр цієї частини термометрів дорівнює 8 - 9 мм. Оболонка термометрів, в якій укладено циферблат, виконується довжиною 110, 160 або 220 і діаметром 18 мм. Великий діаметр капіляра у цих приладів робить стовпчик ртуті більш помітним, що полегшує відлік показань. Основна похибка термометрів не перевищує ціни ділення шкали.
Загальна характеристика технічних ртутних термометрів вказана в табл. 2-2 1. (1 Термометри № 9-11 називаються високоградусними.).
Лабораторні ртутні термометри типу ТЛ виготовляються кийовими або з вкладеною шкалою 2. (2 ГОСТ 215-73. Термометри ртутні скляні лабораторні.)
Залежно від ціни поділки шкали і габаритів вони діляться на п'ять типів, причому кожен термометр певного типу має порядковий номер. Довжина термометрів 160 - 530 і зовнішній діаметр 5 - 11 мм. Більшість їх випускається з безнулевой шкалою (рис. 2-2, б), що починається ні з позначки 0 ° С, яка наноситься внизу на невеликої додаткової шкалою, призначеної тільки для повірки приладу, а з більш високої температури. У проміжку між нульовим діленням і початком шкали капіляр має розширення, в яке при вимірюванні входить обсяг ртуті, що відповідає зміні температури від нуля до початкового значення шкали.
Характеристики лабораторних ртутних термометрів типу ТЛ дані в табл. 2-3,
а основні похибки - в табл. 2-4.
Зразкові ртутні термометри діляться на два розряди. Термометри 1-го розряду бувають тільки кийовими, а 2-го - кийовими і з вкладеною шкалою. Зразкові термометри виконуються з нормальною або безнулевой шкалою. За допомогою термометрів 1-го розряду проводиться перевірка термометрів 2-го розряду, які застосовуються для перевірки і градуювання технічних і лабораторних термометрів.
Недоліками ртутних термометрів є їх крихкість, неможливість дистанційної передачі і автоматичного запису показань, більша інерційність і труднощі відліку через нечіткість шкали і поганої видимості ртуті в капілярі. Все це в значній мірі обмежує їх застосування, залишаючи за ними головним чином область місцевого контролю і лабораторні вимірювання.
в) Установка ртутних термометрів
Точність показань ртутного термометра, як і будь-якого приладу, що вимірює температуру, залежить від способу його установки, т. Е. Від правильного вирішення питань, пов'язаних з теплообміном між вимірюваним речовиною, термометром і зовнішнім середовищем. Це завдання зводиться до двох основних вимог: по-перше, до забезпечення найбільш сприятливих умов передачі тепла від вимірюваного середовища чутливої частини (резервуару) термометра і, по-друге, до зменшення по можливості віддачі тепла приладом навколишньому повітрю.
Особливо великий вплив на точність вимірювань надає витік тепла від термометра, що при рідкої вимірюваної середовищі викликається теплопровідністю частин приладу, а при газовій і паровій - ще додатковим обміном тепла випромінюванням з навколишніми поверхнями. Крім того, введена в вимірювану середу чутлива частина приладу в тій чи іншій мірі спотворює навколишнє температурне поле внаслідок відводу тепла. У цих умовах вимірювання температури не дає правильних результатів, так як показання приладу відповідають його власній температурі, що відрізняється від температури вимірюваного середовища. Неправильна установка термометра, що дає більшу втрату тепла в навколишнє середовище, може призвести до заниження його показань на 10-15%.
Розглянуті нижче способи установки ртутних термометрів є в основному загальними для різних типів термометрів.
Застосовуються два способи установки ртутних термометрів: у захисних оправах (або гільзах) і без них, т. Е. Шляхом безпосереднього занурення термометрів в вимірювану середу.
Досить поширеною є установка термометра в захисній гільзі (рис. 2-3),
оберігає його від поломки і забезпечує необхідну щільність з'єднання в місці розташування приладу. Довжина захисної гільзи вибирається залежно від необхідної глибини занурення термометра.
Для поліпшення теплопередачі від гільзи до резервуара термометра утворюється в гільзі кільцевої зазор між резервуаром і її стінкою заповнюється при вимірюванні температури до 150 ° С машинним маслом, а при більш високій температурі - мідними тирсою. Заповнення гільзи маслом або тирсою проводиться так, щоб в цю середу був занурений тільки резервуар термометра. Надмірне заповнення гільзи знижує точність вимірювання через зростання відтоку тепла і збільшує інерційність приладу.
При вимірюванні температури в трубопроводі термометр встановлюється в положення, при якому вісь труби проходить посередині резервуара. Занурення кінця термометра до центру труби, т. Е. В зону найбільшої швидкості потоку, покращує теплообмін між рухомим середовищем і приладом і зменшує вплив на результати вимірювання теплових втрат захисної гільзи.
Найбільш правильною є установка термометра уздовж осі трубопроводу на коліні з висхідним потоком, так як при цьому умови обтікання кінця гільзи досить сприятливі. На горизонтальному трубопроводі діаметром до 200 мм термометр установлюється похило до осі труби назустріч потоку. При діаметрі трубопроводу більше 200 мм термометр може бути розташований нормально до осі труби. На прямому вертикальному ділянці трубопроводу з висхідним потоком термометр завжди встановлюється похило назустріч потоку. Встановлювати термометри на вертикальних трубопроводах з низхідним потоком не рекомендується.
На величину відведення тепла гільзою впливають середня різниця температур між вимірюваним середовищем і навколишнім повітрям, а також конструкція і матеріал гільзи. Захисні гільзи виготовляються з металів, що погано проводять тепло (наприклад, з нержавіючої сталі), а розміри головки (яка виступає назовні частини), товщина стінки і внутрішній діаметр гільзи вибираються по можливості невеликими. Виступаючі частини захисних гільз покриваються теплоізоляцією.
Технічні ртутні термометри зазвичай встановлюються в захисних оправах, що оберігають також і виступаючу частину термометра від поломки (рис. 2-4) 1. (1 ГОСТ 3029-59. Оправи захисні для технічних скляних термомтеров.)
Захисна оправа 1 складається з гільзи і чохла, який має поздовжній виріз для відліку показань термометра 2. При точних визначеннях температури чохли не застосовуються, так як значно збільшують похибка вимірювання через відтік по ним тепла.
Установка ртутного термометра без гільзи практично виключає відведення тепла від резервуара. Однак через впливу, що чиниться на показання термометра тиском вимірюваного середовища (стиснення резервуара з видавлюванням ртуті в капіляр), а також внаслідок недостатньої міцності термометра і труднощі ущільнення місця його установки використання цього способу обмежується областю невеликих тисків. Установка ртутних термометрів без гільзи застосовується головним чином при короткочасних точних вимірах температури середовища
г) Повірка ртутних термометрів
Періодична повірка технічних і лабораторних ртутних термометрів проводиться шляхом порівняння їх показань з показаннями зразкових термометрів 2-го розряду, а також по реперних точок плавлення льоду і кипіння води 1. (1 Інструкція 159-60 Держстандарту СРСР з перевірки скляних рідинних термометрів.) Термометри поверяются в трьох - п'яти відмітках шкали, розташованих через рівні інтервали.
При перевірці термометрів методом порівняння застосовуються термостати 2 (2 Термостатом називається пристрій, що служить для підтримки постійної температури знаходиться в ньому середовища.) З електрообігрівом, які заповнюються дистильованою водою (з інтервалом повірки до 99 ° С), мінеральним маслом (до 200 ° С) або селітрою (до 550 ° С). Повірка положення відміток 0 і 100 ° С термометра проводиться відповідно в термостатах плавлення льоду і кипіння води.
Для повірки термометрів служать термостати типів ТС-15 м (водяний) і ТС-24 (водяний і масляний). Пристрій термостата типу ТС-24 показано на рис. 2-5.
Латунний циліндричний посудину 1 місткістю 24 л поміщений в металевий кожух 2, покритий зсередини теплоізоляцією 3. Посудина накритий кришкою 4, на якій встановлений електродвигун 5, з'єднаний муфтою 6 з віссю, що приводить в рух насос 7 і мішалку 8. Остання розташована в патрубку 9, що має у верхній частині вікна для проходу рідини. Насос термостата використовується лише в разі, коли потрібно підтримувати постійною температуру в будь-якому зовнішньому апараті. Тоді рідина з термостата подається в апарат через штуцер 10 і повертається через штуцер 11. При відсутності апарату штуцера закорочуються трубкою.
Нагрівання рідини в термостаті проводиться електронагрівачами 12 і 13 потужністю відповідно 700 і 1300 Вт. Нагрівачі поміщені в захисні чохли, закріплені на кришці 4. Після досягнення заданої температури нагрівач 12 перемикають на другий межа потужності, рівний 175 Вт, призначений для автоматичної підтримки в термостаті постійної температури за допомогою ртутного контактного термометра 14 з магнітною муфтою. Після цього за допомогою регульованого автотрансформатора змінюють потужність нагрівача 13 так, щоб температура в термостаті не перевищувала заданої.
Для занурення в термостат зразкового і повіряються термометрів в його кришці є ряд отворів. Розташований в термостаті трубчастий холодильник 15 з вхідним 16 і вихідним 17 штуцерами включають в роботу лише при підтримці в термостаті температури, близької до температури навколишнього повітря (30 - 50 ° С). Витрата через холодильник охолоджуючої води від зовнішнього джерела підтримується постійним.
Посудина термостата заповнюється рідиною так, щоб її рівень був на мінімальному відстаней від кришки. Для спорожнення судини служить трубка 18 з пробкою. Кожух термостата заземляють за допомогою еажіма 19. Для перенесення термостат забезпечений ручками 20 і 21.
Блок управління термостата (вимикачі, перемикач, реле для контактного термометра та ін.) Змонтований в коробці, закріпленої збоку кожуха (на рис. 2-5 не показаний).
Термостат харчується від мережі змінного струму напругою 220 В. При заповненні посудини водою підтримку заданої температури проводиться в межах 30 - 99 ° С, а при заповненні маслом - в межах 100 - 200 ° С. Точність підтримки температури ± 0,05 ° С. Час розігріву термостата до максимальної температури при заповненні водою 90, маслом - 120 хв. Габарити пристрою 440 · 410 · 870 мм.
Технічні термометри градуюються і поверяются в термостаті при зануренні в рідину тільки хвостовій частині, т. Е. При постійній глибині занурення, відповідної їх положенню при вимірюванні. Лабораторні і зразкові термометри градуюються і поверяются при змінної глибині занурення з таким розрахунком, щоб при кожному черговому відліку температури ртутний стовпчик в капілярі не виступав більше ніж на 5 мм над кришкою термостата.
Для Зменшення похібкі, обумовленої інерційністю термометрів, повірка їх в термостаті проводитися при повільному підвіщенні температури до заданого значення. Показання зразкового і повіряються термометрів відраховуються в порядку їх установки, причому перед кожним вимірюванням злегка постукують по приладу. Відлік повторюють при однаковій температурі не менше п'яти разів, після чого знаходять середнє показання кожного приладу.
До і після повірки термометра в термостаті визначається положення нульової точки приладу, яке може змінюватися через розширення капіляра і резервуара внаслідок термічного післядії скла, що з'являється в результаті нагрівання і наступного охолодження термометра. Зазначене явище, яке викликається порушенням рівноважної структури скла при нагріванні, зникає з плином часу. Термічне післядія скла тим більше, чим вище температура нагріву термометра і чим довший він перебував при цій температурі.
Повірка положення нульової точки проводиться в термостаті плавлення льоду (рис. 2-6 а),
представляє собою два скляних судини, з яких внутрішній посудину 1 заповнюється сумішшю зі шматочків чистого льоду і дистильованої води, а зовнішній посудину 2 із замкнутим повітряним простором служить в якості теплоізоляції. У тане лід занурюється Вивірений термометр 3.
У нижній частині термостата є дренажна трубка 4 з затискачем 5, призначена для випуску води, так як ири повірці суміш льоду і води повинна мати вигляд густої маси. Термостат встановлюється на підставці 6. Положення нульової точки до і після нагрівання термометра відзначається в протоколі перевірки та свідоцтві приладу. Допустиме зміщення нульової точки (депресія нуля) не повинно перевищувати 0,1 ° С на кожні 100 ° С шкали вивіреного термометра, в іншому випадку термометр вважається непридатним.
Для перевірки у термометрів точки 100 ° С застосовується термостат кипіння води (рис. 2-6, б). Термостат має посудину 1, що заповнюється на 2/3 висоти дистильованою водою, рівень якої контролюється по вказівному склу 2. Нагрівання води в посудині до кипіння нроізводітся електронагрівачем 3. Одержуваний в посудині 1 насичений пар надходить через отвори в патрубок 4, звідки по кільцевому простору між патрубком і корпусом 5, покритим зовні теплоізоляцією 6, направляється в водяній холодильник 7. Утворений в холодильнику конденсат стікає назад в судину по трубці 8. Вгорі корпус забезпечений кришкою 9 з отворами в центрі і по краях для установки зразкового 10 і повіряються 11 ртутних термометрів. Тиск пари усередині патрубка знаходиться за показаннями водяного манометра 12.
При перевірці глибина занурення лабораторних і технічних термометрів повинна бути такою ж, як і в термостаті на рис. 2-5. Відлік показань зразкового і повіряються термометрів виробляються через кожну хвилину не менше п'яти разів. Чинних свідчень визначаються як середні з цих відліків. Для точного визначення температури t н (° С) насиченої пари в термостаті користуються формулою
де p н - абсолютний тиск насиченої водяної пари в термостаті, яке визначається як сума показань водяного манометра і ртутного барометра, МПа.
д) Поправки до показань ртутних термометрів
При точних вимірах температур за допомогою ртутних термометрів до їх показаннями вводяться наступні поправки:
- основна Δ t;
- на температуру виступаючого стовпчика ртуті Δ t в;
- на зміщення положення нульової точки Δ t c.
Отже, в загальному випадку визначення дійсної температури середовища t за показаннями tT ртутного термометра проводиться відповідно до рівності:
Основна поправка приймається на підставі свідоцтва про термометра.
Поправка на температуру виступаючого стовпчика ртуті вводиться до показань тільки лабораторних і зразкових термометрів в тих випадках, коли при вимірюванні частина ртутного стовпчика набагато виступає з захисною гільзи, а вимірювана температура значно перевищує температуру навколишнього повітря. Як зазначалося, зазначені термометри градуюються і поверяются за умови, що ртутний стовпчик майже не виходить за межі рівня рідини в термостаті, т. Е. Має ту ж температуру, що і ртуть в резервуарі. При вимірах стовпчик, як правило, виступає назовні і має температуру, відмінну від температури вимірюваного середовища. Це відступ від умов градуювання і повірки термометра вимагає ^ введення до його показаннями поправки, яка визначається за формулою:
де n - число градусів в виступаючої частини ртутного стовпчика;
α - температурний коефіцієнт видимого розширення ртуті в склі, K-1;
t в - середня температура виступаючого стовпчика ртуті, ° С.
Температурний коефіцієнт видимого розширення ртуті в склі залежить від сорту термометрического скла і може бути в середньому прийнятий рівним 0.16 · 10-3 K-1.
Поправка на зміщення положення нульової точки термометра періодично визначається в процесі експлуатації за допомогою термостата плавлення льоду.
У разі відхилення положення нуля від зазначеного в свідоцтві (після нагрівання в термостаті) ця поправка обчислюється за формулою:
де t0 і t'0 - температури, відповідні положення нульової точки термометра але свідченням (після нагрівання в термостаті) і після чергової повірки нуля в експлуатації, ° С.
е) дилатометрічні термометри
До дилатометрічні термометрам відносяться стрижневий і пластинчастий (біметалічний) термометри, дія яких заснована на відносному подовжень під впливом температури двох твердих тіл, що мають різні температурні коефіцієнти лінійного розширення.
Залежність довжини l твердого тіла від його температури t виражається рівністю
де l 0 - довжина тіла при температурі 0 ° С;
α - середній температурний коефіцієнт лінійного розширення тіла, K -1
Значення середніх коефіцієнтів лінійного розширення деяких матеріалів в інтервалі температур 0 - 200 ° С наведені в табл 2-5.
Стрижневий термометр (ріс.2-7, а)
має закриту з одного кінця трубку 1, що поміщається в вимірювану середу і виготовлену з матеріалу з великим коефіцієнтом лінійного розширення. У трубку вставлений стрижень 2, притискуваний до її ПНУ важелем 3, скріпленим з пружиною 4. Стрижень виготовлений з матеріалу з малим коефіцієнтом розширення. При зміні температури трубка змінює свою довжину, що приводить до переміщення в ній стрижня, що зберігає майже постійні розміри і пов'язаного за допомогою важеля 3 з вказівною стрілкою приладу.
Пластинчастий термометр (рис. 2-7, б) складається з двох вигнутих і спаяних між собою по краях металевих смужок, з яких смужка 1 має великий коефіцієнт лінійного розширення, а смужка 2 - малий. Отримана пластинка міняє залежно від температури ступінь свого вигину, величина якого за допомогою тяги 3, важеля 4 і з'єднаної з ним стрілки вказується по шкалі приладу. При збільшенні температури пластинка вигинається в бік металу з меншим коефіцієнтом 'лінійного розширення.
Дилатометрічні термометри не набули поширення як самостійні прилади, а використовуються головним чином як чутливі елементи в сигналізаторах температури. Крім того, пластинчасті термометри іноді застосовуються для компенсації впливу змінної температури навколишнього повітря на показання інших приладів, в які вони вбудовуються.