Меню

Пределы измерений температуры ртутным термометром



Температура. Измерение и контроль температуры. Методы и средства измерения температуры.

Температурой называется статистическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и пропорциональная средней кинематической энергии молекул тела. За единицу температуры принимают кельвин (К). Температура может быть также представлена в градусах Цельсия (°С). Нуль шкалы Кельвина равен абсолютному нулю, поэтому все температуры по этой шкале положительные. Связь между температурами t по Цельсию и T по Кельвину определяется следующим уравнением:

Измерить температуру непосредственно, как, например, линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют косвенно — по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических.

Измерение температуры связано с преобразованием сигнала измерительной информации (температуры) в какое-либо свойство, связанное с температурой.

Для практических целей, связанных с измерением температуры, принята Международная температурная шкала (МТШ-90) (рис. 2.89), которая является обязательной для всех метрологических органов. Она основывается на ряде воспроизводимых состояний равновесия (реперных точек) некоторых веществ, которым присвоены определенные значения температуры.

Рис. 2.89. Международная Температурная шкала (МТШ-90) с реперными точками (подчеркнуты)

Для измерения температуры наибольшее распространение получили следующие методы, основанные:

— на тепловом расширении жидких, газообразных и твердых тел (термомеханический эффект);

— изменении давления внутри замкнутого объема при изменении температуры (манометрические);

— изменении электрического сопротивления тел при изменении температуры (терморезисторы);

— использовании электромагнитного излучения нагретых тел.

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. Они подразделяются на две большие группы: контактные и бесконтактные.

Контактное измерение температуры.

Термометры расширения нашли широкое распространение в практике контактных измерений температуры. Основные типы механических контактных термометров, их метрологические характеристики, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.18.

Таблица 2.18. Основные метрологические характеристики механических контактных термометров

Наименование прибора

Тип прибора

Пределы измерений,°С

Погрешность измерения,%

Инерцион ность

Преимущества

Недостатки

Область применения

Металли ческие термометры расширения

Дилато метриче ские

Дешевые, надежные, малое время срабатывания; очень большие перестановочные усилия

Малая точность, высокая инерционность

Дешевые, надежные; большие перестановочные усилия

Оценочный контроль температуры, температурные выключатели

Жидкостные термометры

Малая механическая прочность, нет дистанцион- ности

Лабораторные термометры, бытовые термометры

Дешевые, надежные, не требуют внешних источников энергии; дистан- ционность до 50 м, большие перестановочные усилия

Температура соединительного капилляра влияет на показания прибора

Промышленные термометры, термореле

Конденса ционные манометри ческие

Нелинейная статическая характеристика

Газовые термометры

С гелиевым заполнением

Принцип измерения соответствует определению термодинамической температуры

Малая механическая прочность, большая трудоемкость процесса измерения

Поверочные (калибровочные) работы

Жидкостные стеклянные термометры конструктивно подразделяются на палочные (рис. 2.90, а) и технические со вложенной шкалой (рис. 2.90, б). Принцип их действия основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Жидкостный термометр состоит из стеклянной оболочки 1, капиллярной трубки 3, запасного резервуара 4 и шкалы 2. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки. Свободное пространство в капилляре заполняется инертным газом или из него удаляется воздух.

Рис. 2.90. Жидкостные стеклянные термометры:

а — палочный; б — технический со вложенной шкалой; 1 — стеклянная оболочка; 2 — шкала; 3 — капиллярная трубка; 4 — запасной резервуар

В качестве термометрической жидкости применяют органические заполнители: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан. Наиболее широкое распространение получили термометры с ртутным наполнением. Это объясняется свойствами ртути находиться в жидком состоянии в широком диапазоне температур и не смачивать стекло, что позволяет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0,1 мм) и обеспечивать высокую точность измерения. Так, ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют погрешность 0,002. 2°С.

Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью, большей погрешностью измерения.

Стеклянные термометры в зависимости от назначения и области применения подразделяются на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические.

Лабораторные термометры обеспечивают измерение в интервале температур 0. 500°С, который разбит на четыре диапазона, что позволяет получить погрешность измерений, не превышающую ±0,01 °С (0. 60 °С); ±0,02 °С (55. 155 °С); ±0,05°С (140. 300 °С) и ±0,1 °С (300. 500°С).

В качестве технических применяют только термометры со вложенной шкалой, которые имеют две модификации: прямые и угловые. Допускаемая погрешность обычно равна цене деления. При стационарной эксплуатации в различных точках технологических агрегатов термометры устанавливают в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).

Для обеспечения задач позиционного регулирования и сигнализации в лабораторных и промышленных установках применяют специальные электроконтактные технические термометры двух типов:

1) с постоянными впаянными контактами, которые обеспечивают замыкание и размыкание электрических цепей при одной, двух или трех заранее заданных температурах;

2) с одним подвижным контактом (перемещается внутри капилляра с помощью магнита) и вторым неподвижным, впаянным в капилляр, что обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи при любом значении выбранной температуры.

Перемещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи между контактами, к которым подводится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка на которые не должна превышать 0,5 мА при напряжении не более 0,3 В.

Биметаллические и дилатометрические термометры основаны на свойстве твердых тел в различной степени изменять свои линейные размеры при изменении их температуры.

В основном металлы и их сплавы относятся к материалам с высоким температурным коэффициентом линейного расширения. Так, для латуни он равен (18,3. 23,6)*10 -6 °С -1 , для никелевой стали 20*10 -6 °С -1 . В то же время есть сплавы, имеющие низкий коэффициент линейного расширения: сплав инвар — 0,9*10 -6 °С -1 , плавленый кварц — 0,55*10 -6 °С -1 .

На рис. 2.91, а представлена конструкция биметаллического термометра, в котором в качестве термочувствительного элемента используется двухслойная пластинка, состоящая из металлов с существенно различными коэффициентами линейного расширения: латуни 1 и инвара 2. При увеличении температуры свободный конец пластины будет изгибаться в сторону металла с меньшим коэффициентом, по величине этого перемещения судят о температуре.

Данный тип устройств часто используется как термореле в системах сигнализации и автоматического регулирования, а также в качестве температурных компенсаторов в измерительных устройствах, например в радиационных пирометрах, манометрических термометрах и т. п.

На рис. 2.91, б приведена конструкция чувствительного элемента пневматического дилатометрического преобразователя температуры.

Рис. 2.91. Термометры:

а — биметаллический: 1 — латунь; 2 — инвар; б — дилатометрический: 1 — корпус; 2 — стержень; 3 — трубка; 4 — шарик; 5 — толкатель; 6 — пружина; 7 — преобразователь

В корпусе 1, изготовленном из латуни (нержавеющей стали) расположены трубка 3 и стержень 2, выполненный из инвара (кварца). Стержень 2 через трубку 3 и толкатель 5 с помощью пружины 6 постоянно поджимается к нижнему концу корпуса 1. Шарик 4 исключает появление люфтов между стержнем и компенсационной трубкой, которая выполнена также из латуни и предназначена для исключения температурной погрешности при установке на объектах с различной толщиной тепловой изоляции. Изменение разности удлинений корпуса 1 и стержня 2, пропорциональное изменению температуры измеряемой среды, трансформируется в пневматический сигнал в преобразователе 7, усиливается и поступает на регистрирующий прибор.

Дилатометрические преобразователи выпускают и с электрическим выходным сигналом. Класс точности устройств 1,5 и 2,5 с диапазоном измеряемых температур от -30 до +1000 °С.

Жидкостные манометрические термометры (рис. 2.92) основаны на использовании зависимости между температурой и давлением термометрического вещества (газа, жидкости), заполняющего герметически замкнутую термосистему термометра. Термосистема состоит из термобаллона 4, капилляра 5 и манометрической одно- или многовитковой пружины 6. Капилляр 5 соединяет термобаллон с неподвижным концом манометрической пружины. Подвижный конец пружины запаян и через шарнирное соединение 7, поводок 3, сектор 2 связан со стрелкой прибора 1.

Рис. 2.92. Конструкция манометрического термометра:

1 — стрелка; 2 — сектор; 3 — поводок; 4 — термобаллон; 5— капилляр; 6 — пружина; 7 — шарнирное соединение

При изменении температуры среды изменяется давление термометрического вещества в замкнутом пространстве, в результате чего чувствительный элемент (манометрическая пружина) деформируется и ее свободный конец перемещается. Данное перемещение преобразуется в поворот регистрирующей стрелки относительно шкалы прибора.

В зависимости от термометрического вещества манометрические термометры подразделяются на газовые, конденсационные и жидкостные.

В газовых термометрах термобаллон, капилляр и манометрическая пружина заполняются каким-либо инертным газом (азотом, гелием и др.). Диапазон измерения весьма широк и лежит в пределах от критической температуры газа (азот — 147 °С, гелий — 267 °С) до температуры, определяемой теплостойкостью материала термобаллона.

В конденсационных термометрах насыщенные пары некоторых низкокипящих жидкостей (ацетон, метилхлорид, этилхлорид) меняют давление при изменении температуры. Диапазон измерения этих приборов от 0 до +400 °С при погрешности измерений ±1 %.

В жидкостных термометрах термосистема заполнена хорошо расширяющейся жидкостью (ртутью, керосином, лигроином и др.). Диапазон измерения этих приборов от -30 до +600 °С при погрешности измерений ±1 %.

На показания манометрических термометров значительное влияние оказывают внешние условия: изменения температуры окружающего воздуха, различная высота расположения термобаллона и пружины, колебания атмосферного давления.

Манометрические термометры имеют ограниченную длину линии связи от термобаллона к показывающему прибору, большую инерционность и динамическую погрешность.

Класс точности манометрических термометров 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0 при работе в интервале температур окружающего воздуха от 5 до 50 °С и относительной влажности до 80 %.

Манометрические термометры применяют для измерения температуры охлаждающей воды, воздуха, жидкого и газообразного топлива, на установках для заправки и т. п.

Термометры сопротивления.

Термометр сопротивления состоит из чувствительного элемента в виде терморезистора, защитного чехла и соединительной головки.

Принцип действия чувствительного элемента основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. В качестве материалов для их изготовления используют чистые металлы: платину, медь, никель и полупроводники. Платина является основным материалом для изготовления термометров сопротивления. В качестве чувствительного элемента в полупроводниковых термометрах сопротивления используют германий, окиси меди и марганца, титана и магния.

Основные метрологические характеристики термометров сопротивления, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения представлены в табл. 2.19.

Таблица 2.19. Основные метрологические характеристики электрических контактных термометров

Таблица 2.19. Основные метрологические характеристики электрических контактных термометров

Характеристики

Термометры сопротивления

Термоэлектрические термометры

Пределы измерений, °С

Погрешность измерения, %

Инерционность

Преимущества

Высокая точность, линейная статическая характеристика

Высокая чувствительность, возможны измерения в точке

Дешевые, хорошая линейность статической характеристики

Прочность, малая тепловая инерция, линейная статическая характеристика

Недостатки

Невозможно измерение температуры в точке

Нелинейная статическая характеристика, большой разброс параметров, низкая стабильность параметров во времени

Большая тепловая инерция

Область применения

Энергетика, непрерывные технологические процессы в химии, пищевая промышленность

Энергетика, технологические процессы в химии, производство искусственных материалов, медицина

Энергетика, непрерывные производства, пищевая промышленность

Энергетика, непрерывные производства, химия, медицина, строительство, производство искусственных материалов

Для решения различных задач термометры сопротивления подразделяются на эталонные, образцовые и рабочие, которые, в свою очередь, подразделяются на лабораторные и технические.

Эталонные термометры сопротивления предназначены для воспроизведения и передачи шкалы МПТШ в интервале 13,81. . 903,89 К. В качестве эталонных, образцовых и лабораторных приборов повышенной точности применяют платиновые термометры сопротивления.

Технические термометры сопротивления в зависимости от конструкции подразделяются: на погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2-го и 3-го класса точности и т.д.

Одна из конструкций промышленных термометров сопротивления, используемых для измерения температур жидких и газообразных сред, представлена на рис. 2.93, а. Термометр состоит из чувствительного элемента 5, расположенного в стальном защитном кожухе 3, на котором приварен штуцер 2. Провода 9, армированные фарфоровыми бусами 4, соединяют выводы чувствительного элемента 5 с клеммной колодкой б, находящейся в корпусе головки 1. Сверху головка 1 закрыта крышкой 10, снизу имеется сальниковый ввод 7, через который осуществляется подвод монтажного кабеля 8.

Чувствительный элемент термометра сопротивления (рис. 2.93, б) выполнен из металлической тонкой проволоки толщиной 0,03. 0,1 мм с безындукционной каркасной или бескаркасной намоткой.

Рис. 2.93. Термометр сопротивления:

а — конструкция термометра: 1 — корпус головки; 2 — штуцер; 3 — защитный кожух; 4 — фарфоровые бусы; 5 — чувствительный элемент; 6 — клеммная колодка; 7 — сальниковый ввод; 8 — монтажный кабель; 9 — провода; 70 — крышка; б — конструкция чувствительного элемента термометра: 1 — глазурь; 2 — пространство; 3 — каркас; 4 — платиновые спирали; 5 — выводы

В качестве каркаса для платиновых термометров применяют плавленный кварц и керамику на основе окиси алюминия. В каналах каркаса 3 расположены четыре (или две) последовательно соединенные платиновые спирали 4. К верхним концам спиралей припаяны выводы 5, выполненные из платины или сплава иридия с радием. Пространство 2 между спиралями и каркасом заполнено порошком окиси алюминия. Крепление спиралей и выводов в каркасе производится глазурью 1.

При применении термометров сопротивления о температуре можно судить по изменению электрического сопротивления его чувствительного элемента, падению напряжения на нем при постоянном токе или значению тока при постоянном напряжении.

Наибольшее распространение получила первая схема, когда изменение сопротивления служит мерой температуры (рис. 2.94). В этом случае терморезистор 1 включают в одну из диагоналей моста последовательно с регулировочным резистором Rv, служащим для приведения к определенному значению сопротивления подводящих проводов. Показания гальванометра 3, включенного в диагональ моста, зависят также от напряжения питания моста, для поддержания постоянства которого в цепь питания включен регулировочный резистор.

Рис. 2.94. Схема включения термометра сопротивления:

1 — терморезистор (термометр сопротивления); 2 — уравнительный резистор RA; 3 — гальванометр; 4 — измерительный мост с резисторами Rv, R2, R3, Я4, RA; 5 — источник питания; 6 — регулировочный резистор Rv

Термоэлектрические термометры состоят из термопары, защитного чехла и соединительной головки, они основаны на термоэлектрических свойствах чувствительного элемента.

Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении электродвижущей силы в спае двух разнородных проводников (например, хромель — копель), температура которого отличается от температуры вторых выводов. Для получения зависимости термоЭДС от одной температуры t2 необходимо температуру t1 поддерживать на постоянном уровне, обычно при 0 или +20 °С. Спай, помещаемый в измеряемую среду, называют горячим, или рабочим, концом термопары, а спай, температуру которого поддерживают постоянной, — холодным, или свободным, концом.

Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, а свободные — при известной и постоянной температуре t1.

Основные метрологические характеристики термоэлектрических термометров, их принципиальные схемы, преимущества, недостатки и область применения см. в табл. 2.19.

В качестве термопар (ТП) наиболее часто применяют комбинации материалов, имеющих высокое значение развиваемой термо- ЭДС, стабильность характеристик при различных температурах, воспроизводимость и линейную зависимость термоЭДС от температуры, простоту технологической обработки и получения спая, а именно: хромель-копелевые (TBP)[AJ], хромель-алюмелевые (TXK)[L], платинородий-платиновые (ТХА)[К], вольфрам-рениевые (Tnn)[S] и др. В квадратных скобках приведены условные обозначения номинальных статистических характеристик преобразования. Наиболее точной является термопара ТПП, которая используется в качестве рабочих эталонов и образцовых термометров 1-го, 2-го и 3-го разряда.

Основные характеристики термоэлектрических термометров представлены в табл. 2.20.

Таблица 2.20. Основные характеристики термоэлектрических термометров

Термопара

Градуировка

Химический состав термоэлектрода

Пределы применения, C

Пределы допускаемой погрешности, С, при температуре, С

Источник

Глава вторая. Измерение температуры

2-2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ

Физическое свойство тел изменять свой объем в зависи­мости от нагрева широко используется для измерения температуры. На этом принципе основано устройство жидкостных стеклянных и дилатометрических термомет­ров, которые появились очень давно и послужили для создания первых температурных шкал.

а) Основные свойства жидкостных термометров

В жидкостных термометрах, построенных на принципе теплового расширения жидкости в стеклянном резервуаре, в качестве рабочих веществ используются ртуть и органи­ческие жидкости — этиловый спирт, толуол и др. Наибо­лее широкое применение получили ртутные термометры, имеющие по сравнению с термометрами, заполненными органическими жидкостями, существенные преимущества: большой диапазон измерения температуры, при котором ртуть остается жидкой, несмачиваемость стекла ртутью, возможность заполнения термометра химически чистой ртутью из-за легкости ее получения и пр. При нормальном атмосферном давлении ртуть находится в жидком состоя­нии при температурах от -39 °С (точка замерзания) до 357 °С (точка кипения) и имеет средний температурный коэффициент объемного расширения 0.18·10 -3 K -1 .

Термометры с органическими жидкостями 1 ( 1 ГОСТ 9177-59. Термометры стеклянные жидкостные (нертутные ).) в боль­шинстве своем пригодны лишь для измерения низких тем­ператур в пределах -190 -100 °С. Основным достоин­ством их является высокий коэффициент объемного расши­рения жидкости, равный в среднем 1.13·10 -3 K -1 , т.е. почти в 6 раз больший, чем у ртути.

Жидкостные термометры, изготовляемые из стекла, являются местными показывающими приборами. Они состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, присоединенной к резервуару и закрытой с противополож­ного конца, шкалы и защитной оболочки. Приращение в капилляре термометра столбика жидкости ∆h (мм) при нагреве резервуара от температуры t1 до t2 определяется по формуле:

где V1 — объем жидкости в резервуаре при температуре t1 мм 3 ;
αж и αс — средние температурные коэффициенты объ­емного расширения жидкости и стекла, K -1 ;
d — внутренний диаметр капилляра, мм.

Разность средних температурных коэффициентов αж и αс в уравнении (2-3) называется средним температурным коэффициентом видимого расширения αв жидкости в стекле, т. е.

б) Устройство ртутных термометров

Ртутные термометры благодаря своей про­стоте, сравнительно высокой точности измерения, неслож­ности обращения и дешевизне имеют весьма большое распространение и применяются для измерения температур в пределах от -35 °С до +650 °С 1. ( 1 ГОСТ 2045-71. Термометры ртутные стеклянные .)

Конечный предел измерения, ограничиваемый темпе­ратурой размягчения стеклянной оболочки термометра, достигается при помощи искусственного повышения точки кипения ртути С этой целью у термометров для измерения высоких температур пространство капилляра над ртутью, из которого предварительно удален воздух, заполняется инертным газом при давлении свыше 2 МПа. Термометры с верхним пределом шкалы до 100 °С иногда газом не запол­няются, и капилляр их находится под вакуумметрическим давлением.

Для изготовления термометров применяется специаль­ное термометрическое стекло, обладающее небольшим тем­пературным коэффициентом, примерно равным 0,02 · 10 -3 K -1 , что дает коэффициент видимого расширения ртути в стекле около 0.18·10 -3 K -1 .

Согласно выражению (2-3) чувствительность ртутных термометров зависит от размеров резервуара и капилляра. Чем больше резервуар и меньше внутреннее сечение капил­ляра, тем заметнее изменение высоты ртутного столбика, т. е. тем более чувствителен термометр и меньше цена деления его шкалы. Однако большой размер резервуара увеличивает инерционность прибора, что снижает качество последнего при измерении переменной температуры.

Основная погрешность ртутных термометров зависит от диапазона показаний и цены деления шкалы, с увеличе­нием которых она возрастает.

Вследствие небольшого отклонения видимого коэффи­циента расширения ртути в стекле при изменении темпе­ратуры ртутные термометры имеют почти равномерную шкалу.

Ртутные термометры изготовляются двух видов: с вло­женной шкалой и палочные (рис. 2-1)

Термометр с вложенной шкалой имеет заполненный ртутью резервуар 1, капиллярную трубку 2, циферблат 3 из молочного стекла со шкалой и наружную цилиндрическую оболочку 4, в которой укреплены капил­ляр и циферблат. Наружная оболочка с одного конца плотно закрыта, а с другого — припаяна к резервуару.

Палочный термометр состоит из резерву­ара 1, соединенного с толстостенным капилляром 2 наружным диаметром 6-8 мм. Шкала термометра нанесена непосредственно на поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. Палочные термометры являются более точными по сравнению с термометрами с вложенной шкалой.

В обоих видах термометров капилляр за верхней отмет­кой шкалы имеет запасный объем, предохраняющий при­бор от повреждения при перегреве.

По назначению ртутные термометры разделяются на промышленные (технические), лабораторные и образ­цовые.

Технические ртутные термометры изготовляются с вложенной шкалой и по форме нижней (хвостовой) части с резервуаром бывают прямые типа А (рис. 2-2, а) и угловые типа Б, изогнутые под углом 90° в сторону, противоположную шкале 1 . ( 1 ГОСТ 2823-73. Термометры стеклянные технические . ).

При измерении температуры нижняя часть технических термометров полностью опускается в измеряемую среду, т. е. глубина погружения их является постоянной.

Нижняя часть термометров, в зависимости от условий измерения, имеет длину 60 -1600 мм (высокоградусных – 120 — 400 мм) — для типа А и 110 — 1050 мм (высокогра­дусных — 130 -370 мм) — для типа Б. Диаметр этой части термометров равен 8 — 9 мм. Оболочка термометров, в кото­рой заключен циферблат, выполняется длиной 110, 160 или 220 и диаметром 18 мм. Большой диаметр капилляра у этих приборов делает столбик ртути более заметным, что облегчает отсчет показаний. Основная погрешность термо­метров не превышает цены деления шкалы.

Общая характеристика технических ртутных термомет­ров указана в табл. 2-2 1 . ( 1 Термометры № 9-11 называются высокоградусными .) .

Лабораторные ртутные термометры типа ТЛ изготовляются палочными или с вложенной шка­лой 2. ( 2 ГОСТ 215-73. Термометры ртутные стеклянные лабораторные . )

В зависимости от цены деления шкалы и габаритов они делятся на пять типов, причем каждый термометр опре­деленного типа имеет порядковый номер. Длина термомет­ров 160 — 530 и наружный диаметр 5 — 11 мм. Большинство их выпускается с безнулевой шкалой (рис. 2-2, б), начи­нающейся не с отметки 0 °С, которая наносится внизу на небольшой дополнительной шкале, предназначенной толь­ко для поверки прибора, а с более высокой температуры. В промежутке между нулевым делением и началом шкалы капилляр имеет расширение, в которое при измерении входит объем ртути, отвечающий изменению температуры от нуля до начального значения шкалы.

Характеристики лабораторных ртутных термометров типа ТЛ даны в табл. 2-3,

а основные погрешности — в табл. 2-4.

Образцовые ртутные термометры де­лятся на два разряда. Термометры 1-го разряда бывают только палочными, а 2-го — палочными и с вложенной шкалой. Образцовые термометры выполняются с нормаль­ной или безнулевой шкалой. Посредством термометров 1-го разряда производится поверка термометров 2-го разряда, которые применяются для поверки и градуировки технических и лабораторных термометров.

Недостатками ртутных термометров являются их хрупкость, невозможность дистанционной передачи и авто­матической записи показаний, большая инерционность и трудность отсчета из-за нечеткости шкалы и плохой види­мости ртути в капилляре. Все это в значительной мере ограничивает их применение, оставляя за ними главным образом область местного контроля и лабораторные изме­рения.

в) Установка ртутных термометров

Точность показаний ртутного термометра, как и любого прибора, измеряющего температуру, зависит от способа его установки, т. е. от правильного решения вопросов, связанных с теплообменом между измеряемым веществом, термометром и внешней средой. Эта задача сводится к двум основным требованиям: во-первых, к обеспечению наибо­лее благоприятных условий передачи тепла от измеряемой среды чувствительной части (резервуару) термометра и, во-вторых, к уменьшению по возможности отдачи тепла прибором окружающему воздуху.

Особенно большое влияние на точность измерений оказывает утечка тепла от термометра, что при жидкой изме­ряемой среде вызывается теплопроводностью частей при­бора, а при газовой и паровой — еще дополнительным обменом тепла лучеиспусканием с окружающими поверх­ностями. Кроме того, введенная в измеряемую среду чув­ствительная часть прибора в той или иной мере искажает окружающее температурное поле вследствие отвода тепла. В этих условиях измерение температуры не дает правиль­ных результатов, так как показания прибора соответствуют его собственной температуре, отличающейся от темпера­туры измеряемой среды. Неправильная установка термо­метра, дающая большую потерю тепла в окружающую среду, может привести к занижению его показаний на 10-15%.

Рассмотренные ниже способы установки ртутных термо­метров являются в основном общими для различных типов термометров.

Применяются два способа установки ртутных термо­метров: в защитных оправах (или гильзах) и без них, т. е. путем непосредственного погружения термометров в изме­ряемую среду.

Весьма распространенной является установка термо­метра в защитной гильзе (рис. 2-3),

предохраняющей его от поломки и обеспечивающей необходимую плотность соеди­нения в месте расположения прибора. Длина защитной гильзы выбирается в зависимости от требуемой глубины погружения термометра.

Для улучшения теплопередачи от гильзы к резервуару термометра образующийся в гильзе кольцевой зазор между резервуаром и ее стенкой заполняется при измере­нии температуры до 150 °С машинным маслом, а при более высокой температуре — медными опилками. Заполнение гильзы маслом или опилками производится так, чтобы в эту среду был погружен только резервуар термометра. Чрезмерное заполнение гильзы понижает точность изме­рения из-за возрастания оттока тепла и увеличивает инер­ционность прибора.

При измерении температуры в трубопроводе термометр устанавливается в положение, при котором ось трубы проходит посередине резервуара. Погружение конца тер­мометра до центра трубы, т. е. в зону наибольшей скорости потока, улучшает теплообмен между движущейся средой и прибором и уменьшает влияние на результаты измерения тепловых потерь защитной гильзы.

Наиболее правильной является установка термометра вдоль оси трубопровода на колене с восходящим потоком, так как при этом условия обтекания конца гильзы весьма благоприятны. На горизонтальном трубопроводе диамет­ром до 200 мм термометр устанавливается наклонно к оси трубы навстречу потоку. При диаметре трубопровода более 200 мм термометр может быть расположен нормально к оси трубы. На прямом вертикальном участке трубопровода с восходящим потоком термометр всегда устанавливается наклонно навстречу потоку. Устанавливать термометры на вертикальных трубопроводах с нисходящим потоком не рекомендуется.

На величину отвода тепла гильзой влияют средняя раз­ность температур между измеряемой средой и окружающим воздухом, а также конструкция и материал гильзы. Защит­ные гильзы изготовляются из металлов, плохо проводящих тепло (например, из нержавеющей стали), а размеры головки (выступающей наружу части), толщина стенки и внутренний диаметр гильзы выбираются по возможности небольшими. Выступающие части защитных гильз покрываются те­плоизоляцией.

Технические ртутные термо­метры обычно устанавливаются в защитных оправах, предохраняю­щих также и выступающую часть термометра от поломки (рис. 2-4) 1 . ( 1 ГОСТ 3029-59. Оправы защитные для технических стеклянных термомтеров.)

Защитная оправа 1 состоит из гильзы и чехла, который имеет продольный вырез для отсчета по­казаний термометра 2. При точ­ных определениях температуры чехлы не применяются, так как значительно увеличивают погреш­ность измерения из-за оттока по ним тепла.

Установка ртутного термомет­ра без гильзы практически исклю­чает отвод тепла от резервуара. Однако из-за влияния, оказываемого на показания термометра давлением из­меряемой среды (сжатие резервуара с выдавливанием ртути в капилляр), а также вследствие недостаточной прочности термометра и трудности уплотнения места его установки использование этого способа ограничивается областью небольших давлений. Установка ртутных термо­метров без гильзы применяется главным образом при кратковременных точных измерениях температуры среды

г) Поверка ртутных термометров

Периодическая поверка технических и лабораторных ртутных термометров производится путем сравнения их показаний с показаниями образцовых термометров 2-го разряда, а также по реперным точкам плавления льда и кипения воды 1 . ( 1 Инструкция 159-60 Госстандарта СССР по проверке стеклянных жидкостных термометров.) Термометры поверяются в трех – пяти отметках шкалы, расположенных через равные интервалы.

При поверке термометров методом сравнения применяются термостаты 2 ( 2 Термостатом называется устройство, служащее для поддержания постоянной температуры находящейся в нем среды .) с электрообогревом, заполняемые дистиллированной водой (с интервалом поверки до 99 °С), минеральным маслом (до 200 °С) или селитрой (до 550 °С). Поверка положения отметок 0 и 100 °С термометра про­изводится соответственно в термостатах плавления льда и кипения воды.

Для поверки термометров служат термостаты типов ТС-15 м (водяной) и ТС-24 (водяной и масляный). Устрой­ство термостата типа ТС-24 показано на рис. 2-5.

Латунный цилиндрический сосуд 1 вместимостью 24 л помещен в металлический кожух 2, покрытый изнутри теплоизо­ляцией 3. Сосуд накрыт крышкой 4, на которой установлен электродвигатель 5, соединенный муфтой 6 с осью, приво­дящей в движение насос 7 и мешалку 8. Последняя расположена в патрубке 9, имеющем вверху окна для прохода жидкости. Насос термостата используется лишь в случае, когда требуется поддерживать постоянной температуру в каком-либо внешнем аппарате. Тогда жидкость из термо­стата подается в аппарат через штуцер 10 и возвращается через штуцер 11. При отсутствии аппарата штуцера зако­рачиваются трубкой.

Нагрев жидкости в термостате производится электро­нагревателями 12 и 13 мощностью соответственно 700 и 1300 Вт. Нагреватели помещены в защитные чехлы, закрепленные на крышке 4. По достижении заданной тем­пературы нагреватель 12 переключают на второй предел мощности, равный 175 Вт, предназначенный для автомати­ческого поддержания в термостате постоянной темпера­туры посредством ртутного контактного термометра 14 с магнитной муфтой. После этого с помощью регулируемого автотрансформатора изменяют мощность нагревателя 13 так, чтобы температура в термостате не превышала задан­ной.

Для погружения в термостат образцового и поверяемых термометров в его крышке имеется ряд отверстий. Распо­ложенный в термостате трубчатый холодильник 15 с вход­ным 16 и выходным 17 штуцерами включают в работу лишь при поддержании в термостате температуры, близкой к температуре окружающего воздуха (30 — 50 °С). Расход через холодильник охлаждающей воды от внешнего источ­ника поддерживается постоянным.

Сосуд термостата заполняется жидкостью так, чтобы ее уровень находился на минимальном расстояний от крышки. Для опорожнения сосуда служит трубка 18 с пробкой. Кожух термостата заземляют при помощи эажима 19. Для переноски термостат снабжен ручками 20 и 21.

Блок управления термостата (выключатели, переклю­чатель, реле для контактного термометра и пр.) смонтиро­ван в коробке, закрепленной сбоку кожуха (на рис. 2-5 не показан).

Термостат питается от сети переменного тока напряже­нием 220 В. При заполнении сосуда водой поддержание заданной температуры производится в пределах 30 — 99 °С, а при заполнении маслом — в пределах 100 — 200 °С. Точность поддержания температуры ±0,05 °С. Время ра­зогрева термостата до максимальной температуры при за­полнении водой 90, маслом — 120 мин. Габариты устрой­ства 440·410·870 мм.

Технические термометры градуируются и поверяются в термостате при погружении в жидкость только хвостовой части, т. е. при постоянной глубине погружения, соответ­ствующей их положению при измерении. Лабораторные и образцовые термометры градуируются и поверяются при переменной глубине погружения с таким расчетом, чтобы при каждом очередном отсчете температуры ртутный стол­бик в капилляре не выступал более чем на 5 мм над крыш­кой термостата.

Для уменьшения погрешности, обусловленной инер­ционностью термометров, поверка их в термостате произ­водится при медленном повышении температуры до задан­ного значения. Показания образцового и поверяемых тер­мометров отсчитываются в порядке их установки, причем перед каждым измерением слегка постукивают по прибору. Отсчеты повторяют при одинаковой температуре не менее пяти раз, после чего находят среднее показание каждого прибора.

До и после поверки термометра в термостате опреде­ляется положение нулевой точки прибора, которое может изменяться из-за расширения капилляра и резервуара вследствие термического последействия стекла, появляю­щегося в результате нагрева и последующего охлаждения термометра. Указанное явление, вызываемое нарушением равновесной структуры стекла при нагревании, исчезает с течением времени. Термическое последействие стекла тем больше, чем выше температура нагрева термометра и чем длительнее он находился при этой температуре.

Поверка положения нулевой точки производится в термостате плавления льда (рис. 2-6 а),

представляющем собой два стеклянных сосуда, из которых внутренний сосуд 1 заполняется смесью из кусочков чистого льда и дистиллированной воды, а внешний сосуд 2 с замкнутым воздушным пространством служит в качестве теплоизоля­ции. В тающий лед погружается поверяемый термометр 3.

В нижней части термостата имеется дренажная трубка 4 с зажимом 5, предназначенная для выпуска воды, так как ири поверке смесь льда и воды должна иметь вид густой массы. Термостат устанавливается на подставке 6. Поло­жение нулевой точки до и после нагрева термометра отме­чается в протоколе поверки и свидетельстве прибора. Допускаемое смещение нулевой точки (депрессия нуля) не должно превышать 0,1 °С на каждые 100 °С шкалы поверяемого термометра, в противном случае термометр считается непригодным.

Для поверки у термометров точки 100 °С применяется термостат кипения воды (рис. 2-6, б). Термостат имеет сосуд 1, заполняемый на 2/3 высоты дистиллированной водой, уровень которой контролируется по указательному стеклу 2. Нагрев воды в сосуде до кипения нроизводится электронагревателем 3. Получаемый в сосуде 1 насыщен­ный пар поступает через отверстия в патрубок 4, откуда по кольцевому пространству между патрубком и корпу­сом 5, покрытым снаружи теплоизоляцией 6, направляется в водяной холодильник 7. Образующийся в холодильнике конденсат стекает обратно в сосуд по трубке 8. Вверху корпус снабжен крышкой 9 с отверстиями в центре и по краям для установки образцового 10 и поверяемых 11 ртутных термометров. Давление пара внутри патрубка находится по показаниям водяного манометра 12.

При поверке глубина погружения лабораторных и тех­нических термометров должна быть такой же, как и в термостате на рис. 2-5. Отсчеты показаний образцового и поверяемых термометров производятся через каждую минуту не менее пяти раз. Действительные показания определяются как средние из этих отсчетов. Для точного определения температуры tн (°С) насыщенного пара в тер­мостате пользуются формулой

где pн — абсолютное давление насыщенного водяного пара в термостате, определяемое как сумма показаний водяного манометра и ртутного барометра, МПа.

д) Поправки к показаниям ртутных термометров

При точных измерениях температур с помощью ртутных термометров к их показаниям вводятся следующие по­правки:

  • основная Δt;
  • на температуру выступающего столбика ртути Δtв;
  • на смещение положения нулевой точки Δtc.

Следовательно, в общем случае определение действи­тельной температуры среды t по показаниям tT ртутного термометра производится согласно равенству:

Основная поправка принимается из сви­детельства термометра.

Поправка на температуру высту­пающего столбика ртути вводится к пока­заниям только лабораторных и образцовых термометров в тех случаях, когда при измерении часть ртутного стол­бика намного выступает из защитной гильзы, а измеряемая температура значительно превышает температуру окру­жающего воздуха. Как отмечалось, указанные термометры градуируются и поверяются при условии, что ртутный столбик почти не выходит за пределы уровня жидкости в термостате, т. е. имеет ту же температуру, что и ртуть в резервуаре. При измерениях столбик, как правило, выступает наружу и имеет температуру, отличающуюся от температуры измеряемой среды. Это отступление от условий градуировки и поверки термометра требует^ вве­дения к его показаниям поправки, определяемой по формуле:

где n — число градусов в выступающей части ртутного столбика;

α — температурный коэффициент видимого расшире­ния ртути в стекле, K -1 ;

tв — средняя температура выступающего столбика рту­ти, °С.

Температурный коэффициент видимого расширения ртути в стекле зависит от сорта термометрического стекла и может быть в среднем принят равным 0.16·10 -3 K -1 .

Поправка на смещение положения нулевой точки термометра периодически опреде­ляется в процессе эксплуатации с помощью термостата плавления льда.

В случае отклонения положения нуля от указанного в свидетельстве (после нагрева в термостате) эта поправка вычисляется по формуле:

где t и t’ — температуры, соответствующие положению нулевой точки термометра но свидетельству (после нагрева в термостате) и после очередной поверки нуля в эксплуата­ции, °С.

е) Дилатометрические термометры

К дилатометрическим термометрам относятся стержне­вой и пластинчатый (биметаллический) термометры, дей­ствие которых основано на относительном удлинений под влиянием температуры двух твердых тел, имеющих раз­личные температурные коэффициенты линейного расшире­ния.

Зависимость длины l твердого тела от его температуры t выражается равенством

α — средний температурный коэффициент линейного расширения тела, K -1

Значения средних коэффициентов линейного расширения некоторых материалов в интервале температур 0 – 200 °С приведены в табл 2-5.

Стержневой термометр ( рис.2-7,а)

имеет закрытую с одного конца трубку 1, помещаемую в измеряемую среду и изготовленную из материала с большим коэффициентом линейного расширения. В трубку вставлен стержень 2, прижимаемый к ее пну рычагом 3, скрепленным с пружиной 4. Стержень изготовлен из материала с малым коэффициентом расширения. При изменении температуры трубка изменяет свою длину, что приводит к перемеще­нию в ней стержня, сохраняющего почти постоянные размеры и свя­занного посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора.

Пластинчатый термометр (рис. 2-7, б) состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок, из которых полоска 1 имеет большой коэффициент линей­ного расширения, а полоска 2 — малый. Полученная пластинка меняет в зависимости от температуры степень своего изгиба, величина которого при помощи тяги 3, рычага 4 и соединенной с ним стрелки указывается по шкале прибора. При увеличении температуры пластинка изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом’ линейного расширения.

Дилатометрические термометры не получили распро­странения как самостоятельные приборы, а используются главным образом в качестве чувствительных элементов в сигнализаторах температуры. Кроме того, пластинчатые термометры иногда применяются для компенсации влияния переменной температуры окружающего воздуха на пока­зания других приборов, в которые они встраиваются.

Источник

Читайте также:  Как измерить лицо для определения формы

Сравнить или измерить © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.