Стеклянные жидкостные термометры

Стеклянный жидкостный термометр – это преобразователь температуры, основанный на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в стеклянном резервуаре. Благодаря простоте, высокой точности и дешевизне, стеклянные жидкостные термометры получили широкое распространение в лабораторных и технических измерениях. Используются они и как образцовые измерительные средства.

Устройство стеклянных жидкостных термометров показано на рис.4.3. Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров разнообразны, но все они сводятся к двум принципиальным типам: палочные и со вложенной шкалой.

Палочные термометры имеют толстостенный капилляр с внешним диаметром 6-8 мм, почти равным диаметру резервуара. Шкала у них наносится непосредственно на внешней поверхности капилляра. Преимуществом палочной конструкции является отсутствие погрешности, связанной со смещением шкалы; недостатком - инерционность, обусловленная временем прогрева толстостенного массивного капилляра.

Шкала термометров второй конструкции выполняется на пластинке из стекла молочного цвета, размещенной позади капилляра, к которому припаян резервуар. К резервуару припаяна защитная стеклянная оболочка, в которой находятся капилляр и шкальная пластинка. Преимуществом конструкции со встроенной шкалой являются малая инерционной и удобство наблюдения.

Выходным параметром жидкостного стеклянного термометра является изменение высоты столба жидкости по отношению к реперной точке, в качестве которой естественно выбрать 0⁰С. Статическая характеристика, связывающая выходную и входную величины жидкостного стеклянного термометра описывается выражением

, (4.2)

где - высота столба термометрической жидкости при измеряемой температуре , отсчитанная от высоты столба при 0⁰С; - объем жидкости в капилляре при температуре 0⁰С, мм³; - коэффициент объемного расширения термометрической жидкости, К^-1; - коэффициент объемного расширения стекла, К^-1; - внутренний диаметр капилляра, мм.

Разность средних температурных коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла называют температурным коэффициентом видимого расширения жидкости в стекле. Для изготовления термометров применяется специальное термометрическое стекло (ГОСТ 1224-71), обладающее небольшим температурным коэффициентом, около 0,00002 К^-1.

Для заполнения стеклянных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир и т.п. В табл. 4.3 приведены данные по основным используемым жидкостям.

Таблица 4.3. Пределы применения и свойства термометрических жидкостей.

Термометрическая жидкость	Возможные пределы примения	Средний коэффициент объемного теплового расширения, 1/К
Нижний	верхний	действи-тельный	видимый
Ртуть	-35		0,00018	0,00016
Толуол	-90		0,00109	0,00107
Этиловый спирт	-80		0,00105	0,00103
Керосин	-60		0,00095	0,00093
Петролейный эфир	-120		0,00152	0,0015
Пентан	-200		0,00092	0,00090

Возможные пределы применения той или иной термометрической жидкости определяются температурами её фазовых переходов. Нижний предел – температурой равновесия между твердой и жидкой фазой (точкой затвердевания), верхний предел – температурой равновесия жидкой и парообразной фазы. Для увеличения верхнего предела пространство над столбиком жидкости заполняется инертным сухим газом под давлением. В основном это делается для ртути, у которой точка кипения и так достаточна высока (+356,58⁰С), а давление насыщенных паров при температуре, превышающей +356,58⁰С, невелико по сравнению с давлением насыщенных паров других жидкостей. Это дает возможность относительно небольшим увеличением давления над ртутью в капилляре заметно повысить температуру её кипения, а повышение давления газа над столбиком до 3 МПа позволяет поднять верхний предел измерения до 600⁰С.

Наибольшее распространение среди термометрических жидкостей получила ртуть, к существенному преимуществу которой относится то, что она не смачивает стекла, а значит дает более удобные для отсчета показания. Важным достоинством ртути является и широкий возможный диапазон измерений. Органические жидкости целесообразно применять тогда, когда требуется получить более низкий, чем –35⁰С нижний предел измерений, а также тогда, как при малом диапазоне измерений требуется высокая чувствительность преобразователя (коэффициент объемного расширения у органических жидкостей почти в 6 раз больше, чем у ртути).

В зависимости от метода градуировки стеклянные жидкостные термометры делятся на:

§ градуируемые и применяемые при полном погружении;

§ градуируемые и применяемые при неполном погружении.

Термометры градуируемые при полном погружении при измерении погружаются в среду до отсчитываемого деления. Термометры градуируемые при неполном погружении при измерении погружаются до отметки, нанесенной на корпус термометра, вследствие чего выступающий столбик жидкости имеет температуру окружающего воздуха. Отсутствие на корпусе термометра отметки погружения означает, что данный термометр должен использоваться только при полном погружении.

Согласно российским стандартам, выпускаются стеклянные жидкостные термометры следующего назначения:

§ образцовые (ГОСТ 8.083-73);

§ технические (ГОСТ 2823-73);

§ лабораторные и специального назначения (ГОСТ 215-57, ГОСТ 13646-68, ГОСТ 5.1851-73);

§ метеорологические;

§ почвенные;

§ бытовые и пр.

В качестве образцовых применяются только ртутные термометры, которые выпускаются двух разрядов. Ртутные образцовые термометры 1-го разряда выпускаются только палочными со шкалой 0-600⁰С, используются для поверки образцовых термометров 2-го разряда. Их доверительная погрешность при доверительной вероятности 0,99 не должна превышать 0,002-0,2 ⁰С. Ртутные образцовые термометры 2-го разряда выпускаются как палочными, так и с вложенной шкалой, используются для поверки и градуировки лабораторных и технических термометров. Их доверительная погрешность при доверительной вероятности 0,99 не должна превышать 0,01-1,0⁰С.

Технические термометры выпускаются только с вложенной шкалой, прямые и угловые, изогнутые под углом 90⁰. Ртутные технические термометры предназначены для измерений температур от –30 до 600⁰С, а термометры с органической жидкостью от –90 до +30⁰С и от –60 до +200⁰С. Диаметр нижней части 8-9мм, диаметр защитной оболочки 18 мм, длина нижней части прямых термометров 60-1600мм (высокоградусных 120-140 мм), длина нижней части угловых термометров 110-1050 мм (высокоградусных 130-370 мм). Шкалы технических термометров выбираются из ряда: -90⁰С – +30⁰С; -60⁰С – +50⁰С; -30⁰С – +50⁰С; 0⁰С– 100⁰С; 0⁰С – 160⁰С; 0⁰С – 200⁰С; 0⁰С – 300⁰С; 0⁰С – 350⁰С; 0⁰С – 450⁰С; 0⁰С– 500⁰С; 0⁰С– 600⁰С.

Технические термометры градуируются и применяются при неполном погружении. В измеряемую среду погружается только нижняя часть термометра, которая может быть установлена как в защитной оправе, так и без неё, в зависимости от необходимости защиты термометра от воздействия среды. При установке в защитной оправе статическая и динамическая точность термометра снижается.

По способу компенсации систематической погрешности технические термометры подразделяются на два вида:

§ применяемые без введения поправок к из показаниям (термометры широкого применения);

§ термометры, к показаниям которых вводятся поправки согласно свидетельству (термометры повышенной точности и точных измерений).

Для целей сигнализации и регулирования выпускаются технические ртутные электроконтактные термометры с постоянными впаянными контактами или подвижным контактом.

Лабораторные термометры выпускаются с ртутным заполнением, как палочные, так и с вложенной шкалой. Длина термометров 160-530 мм. Лабораторные термометры имеют шкалы из ряда: -30⁰С – 1⁰С; 0⁰С – 100⁰С; 101⁰С – 200⁰С; 201⁰С – 300⁰С; 301⁰С – 400⁰С; 401⁰С – 500⁰С.

Выпускаются лабораторные термометры для точных измерений и повышенной точности, они снабжаются инструкцией по эксплуатации и свидетельством, в котором приводятся:

§ поправки к показаниям термометров;

§ положение нулевой точки;

§ поправки на калибр;

§ коэффициент внешнего давления в ⁰С/мм рт.ст. для определения поправки к показаниям термометров при атмосферном давлении менее 755 и более 765 мм рт.ст.;

§ коффициент внутреннего давления в ⁰С/мм рт.ст. для определения поправки к показаниям термометров, находящихся в горизонтальном положении при измерениях;

§ средняя цена деления шкалы.

Выпускаются лабораторные ртутные термометры специального назначения, к этой группе относятся калориметрические и метастатические термометры.

Калориметрические ртутные термометры предназначены для измерения в области комнатных температур небольших разностей температур (от 0,5 до 5 ⁰С) при выполнении работ по определению теплотворной способности топлива и теплоемкости тел.

Калориметрические термометры имеют укороченную шкалу как показано на рис.4.4, т.е. шкала делится на две части, между верхней отметкой вспомогательной шкалы и нижней отметкой основной шкалы капилляр имеет расширение. Основная шкала имеет пределы 15-25⁰С, с ценой деления 0,01⁰С или 0,02⁰С.

Метастатические термометры или термометры переменного заполнения предназначены для измерения небольших разностей температур (5-6⁰С) в широком интервале от –20⁰С до 150⁰С.

Допускаемые погрешности технических термометров не должны превышать цены деления. Допускаемые погрешности термометров других назначений задаются стандартами на данный вид термометра.

При выполнении измерений с помощью стеклянных жидкостных термометров возможно появление дополнительных систематических погрешностей по следующим причинам:

§ смещение нулевой точки за счет смещения вложенной шкалы;

§ смещение нулевой точки за счет старения резервуара;

§ выступающий столб в случае использования термометра с полным погружением в измеряемую среду;

§ значительные отличия температуры выступающей части термометра с неполным погружением от температуры при его градуировке.

Для компенсации погрешности, связанной со смещением нулевой точки, стеклянные жидкостные термометры необходимо периодически поверять с помощью термостата, воспроизво-дящего точку равновесия твердой и жидкой фазы воды. По результатам поверки вносится поправка:

, (4.3)

где - положение нулевой точки, указанное в свидетельстве; - положение нулевой точки, найденное в результате поверки.

Для компенсации погрешности, связанной с неполным погружением термометра, требующего полного погружения, необходимо вносить поправку на высту-пающий столб:

, (4.4)

где - высота выступающего столба, выраженная в делениях термометра; - коэффициент видимого расширения; - температура, показываемая термометром; - температура выступающей части термометра, измеренная вспомогательным термометром, схема установки которого показана на рис.4.5.

Для компенсации погрешности, связанной с отличиями температуры выступающей части термометра с неполным погружением от температуры при его градуировке, необходимо вносить поправку:

, (4.5)

где - высота выступающей части, выраженная в делениях термометра; - коэффициент видимого расширения; - температура выступающей части термометра при его градуировке; - рабочая температура выступающей части термометра.

Дата добавления: 2015-04-30