Дилатометры и биметаллографы. Принцип действия

Механические термометры (термометры расширения)

Механические термометры основаны на явлении теплового расширения тел (как объемного, так и линейного). Эти тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Механические термометры отличаются надежностью, точностью, низкой стоимостью и простотой обслуживания. Считывание показаний них, как правило, осуществляется на месте измерения. Однако помощью различных преобразователей можно передать сигнал на расстояние. Основными недостатками механических термометров яв-ляются значительная инерционность и невозможность объеди-нения с другими информационными сигналами для дальнейшей обработки.

Действие дилатометрических термометров основано на относительном удлинении под влиянием температуры твердых тел, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения.

Термометр биметаллический относится к термометрамтехническим , предназначенным для измерений температуры жидкостей и газов в отопительных и санитарных установках, в системах кондиционирования и вентиляции , а также для изме-рений температуры сыпучих и вязких сред в промышленности.

жидкостных термометрах измеряется объем термометрической жидкости, характеризующий температуру рабочего тела. Наибольшее распространение получили ртутные термометры, имеющие существенные преимущества по сравнению с термометрами, заполненными органическими жидкостями: большой диапазон измерения температуры, несмачиваемость стекла ртутью, возможность заполнения термометра химически чистой ртутью из-за легкости ее получения и пр. Достоинствами термометров расширения являются их простота и дешевизна, высокая точность измерения. К существенным недостаткам таких термометров относится зависимость показаний от рабочего вещества. Кроме того, погрешности измерения температуры обусловлены различием температур жидкости в термобаллоне и в капилляре и зависят также от длины капилляра. Для повышения точности в жидкостных манометрических термометрах применяют компенсационный капилляр. Погрешность в таком случае уменьшается до ±0,5 %.

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего тела в замкнутом объеме (термосистеме) от температуры. Манометрические термометры разделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные) в зависимости от агрегатного состояния рабочего тела.

Не забудь поделиться страницей с друзьями:

Дилатометрический термометр (реле)

Жидкостные стеклянные термометры относятся к термометрам объемного расширения. Рабочим элементом жидко-стеклянного термометра является герметично запаянная капиллярная трубка с колбой. В колбе находится рабочая жидкость. Жидкость подбирается в зависимости от диапазона работы термометра. Для заполнения используют: ртуть (-35 ¸ +350 0С); этиловый спирт (-80 ¸ +70 0С); керосин (-60 ¸ +150 0С) и др.

а) прямые; б) угловые; в) контактные; 1 – корпус; 2 – шкала; 3 – капилляр;

4 – расширитель; 5 – заглушка; 6 – контакты

Внешний вид современных контактных термометров

Наиболее распространены ртутные и спиртовые термометры. Ртуть остается жидкой в широком интервале температур (-38,7 ¸ + 356,6 0С). У ртутных термометров с пределами измерения выше 200 0С пространство над ртутным столбиком заполняется сухим азотом под давлением. Такие термометры называют газозаполненными. Повышенное давление позволяет ртути оставаться в жидком состоянии при высокой температуре.

Для целей сигнализации и автоматического контроля в простейших схемах применяют ртутные электроконтактные термометры. В капилляр таких термометров впаяны металлические контакты на высоте определенной температуры. Ртуть, поднимаясь на данную высоту, замыкает контакты, приводя в действие электрическую схему.

По назначению и областям применения термометры разделяют на: образцовые лабораторные и специального назначения, технические, метрологические, для сельского хозяйства, бытовые.

Достоинства жидкостных стеклянных термометров: простота обращения, высокий класс точности, дешевизна, возможность использования в целях автоматизации.

Недостатки: невозможность ремонта, хрупкость.

Дилатометрический термометр (реле)

Дилатометрический термометр относится к термометрам линейного расширения.

Схема дилатометрического термометра

1 – трубка; 2 – стержень; 3 – подшипники; 4 – корпус; 5 – возвратная пружина; 6 – винт регулировки; 7 – рычаг; 8 – упор.

Наружная трубка 1 с одного конца заделана в корпус 4, с другого конца жесткого соединена со стержнем 2. Стержень изготовлен из материала, имеющего меньшие линейное расширение при нагревании, чем материал корпуса (например, стержень стальной, трубка из латуни). При изменении температуры латунная трубка изменяет свою длину, что вызывает перемещение стержня. Стержень через упор 8 поворачивает рычаг 7. Рычаг воздействует на электрическую кнопку, включая или отключая электрическую схему.

Достоинства дилатометрического термометра: надежность, возможность работы в агрессивных средах; простота монтажа.

Недостатки: настройка на определенную температуру, инертность работы.

Принцип действия манометрического термометра основан на использовании зависимости между температурой и давлением газа (пара, жидкости) в замкнутой системе.

Принципиальная схема маномертического термометра

1 – термобаллон, 2 – капилляр; 3 – манометрическая пружина; 4 – полый держатель (связывающий пружину и термобаллон); 5 – зубчатый сектор; 6 – поводок; 7 – компенсатор; 8 – малая шестерня (трибка); 9 – приспособление для устранения люфта; 10 – стрелка; 11 – профиль манометрической пружины

При повышении температуры давление в термобаллоне 1 увеличивается, манометрическая пружина 3 разгибается. Пружина тянет зубчатый сектор 5, через который приводится в движение стрелка 10.

Капилляр термометров изготавливается из латуни и имеет внутренний диаметр 0,35 мм. Длина капилляра колеблется в пределах 1 до 60 метров.

Для уменьшения погрешности манометрических термометров применяют манометрическую пружину со специальным профилем (поз. 11 на рисунке).

Поскольку давление вещества в капилляре и термобаллоне значительно выше атмосферного влияние изменений атмосферного давления отсутствует. Для регистрации данных выпускаются самопишущие манометрические термометры. Привод круговой диаграммы осуществляется электродвигателем, а для взрывоопасных условий – часовым механизмом.

Внешний вид манометрического термометра

1 – термобаллон; 2 – капилляр; 3 – показывающий прибор;

4 – разъем для подключения систем управления

В газовых манометрических термометрах в качестве рабочего вещества используется сухой азот под давлением до 6 МПа. Пределы измерения от –100 до +600 0С.

Жидкостные манометрические термометры (ЖМТ) заполняются кремнийорганическими жидкостями. Погрешность ЖМТ больше, чем газовых. Если термобаллон находится ниже манометрической пружины, то на показания прибора оказывает влияние гидростатический напор жидкости. Для уменьшения погрешности при установке ЖМТ рекомендуется не поднимать показывающий прибор выше термобаллона больше чем на 1 метр. Длина капилляра ЖМТ не превышает 10 метров. Предел измерения ЖМТ от –50 до +300 0С.

Конденсационные манометрические термометры (КМТ) по конструкции аналогичны газовым и жидкостным. В качестве заполнителя используются: 2/3 объема легкокипящие жидкости (ацетон, эфир, фреон), 1/3 насыщенный пар этой же жидкости.

В отличии от газовых и жидкостных, КМТ имеют высокую чувствительность и практически отсутствует погрешность, связанная с изменением температуры вокруг капилляра и манометрической пружины.

Предел измерения КМТ от –100 до +300 0С.

Достоинства манометрических термометров: простота обслуживания; виброустойчивость и взрывобезопасность; возможность регистрации данных при оснащении специальным устройством.

Недостатки: повышенная инертность, трудность восстановительного ремонта при поломке капилляра.

Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Существует два типа термометров сопротивления: металлические и полупроводниковые. Металлические получили название терморезисторы, полупроводниковые – термисторы.

В металлических проводниках электрическое сопротивление увеличивается при увеличении температуры. Из металлических термометров сопротивления наибольшее распространение получили медные и платиновые, которые выпускаются серийно. Терморезисторы изготавливаются в виде катушки из проволоки.

Внешний вид термометра сопротивления

1 – изолированная проволока; 2 – металлический защитный кожух;

3 – керамическая подложка

Предел измерения платиновых терморезисторов от –150 до +650 0С, медных –50 до +180 0С.

В полупроводниках электрическое сопротивление уменьшается при увеличении температуры.

Внешний вид одного из полупроводниковых терморезисторов

В качестве полупроводниковых термометров сопротивления (термисторов) набольшее распространение получили термометры из смеси оксидов меди и марганца с пределом измерения от -10 до +250 0С, и смесь оксидов кобальта и марганца с пределом измерения от -60 до +120 0С. Размеры термисторов колеблются от 1 до 7 мм. Небольшие размеры позволяют термистору быстро разогреваться и давать точные результаты.

Для измерения температуры термометры сопротивления подключают к омметру, шкала которого имеет градуировку в градусах.

Достоинства металлических и полупроводниковых термометров сопротивления: простота, дешевизна изготовления и эксплуатации, широкие возможности применения; для полупроводниковых – малая инертность.

Недостатки: для полупроводниковых – малая температура жизни, нелинейная зависимость роста сопротивления от температуры (для каждого термометра необходима отдельная шкала); для металлических – большая инертность.

В настоящее время наиболее распространены тензометрические сенсоры с металлической мембраной. Однако все более широкое применение находят емкостные сенсоры с мембраной из сверхчистой керамики (99,9% Al2O3) и пьезорезистивные сенсоры.

Принцип действия тензосенсоров основан на тензоэффекте, который выражается в том, что при линейном удлинении проводника его электрическое сопротивление увеличивается. В качестве тензорезисторов используются пластинки кремния (полупроводник), меди (металл), никеля нанесенные на сапфировую подложку (КНС). Сапфировая подложка припаяна к титановой мембране.

Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы деформируются (изменяются линейные размеры). Их сопротивление меняется. Выходной сигнал данного типа датчиков измеряется в миллиамперах (mA). Мембрана и корпус сенсора образуют герметичную конструкцию, заполненную внутри кремнийорганической жидкостью.

Принципиальное устройство тензорезисторного датчика давления.

Несмотря на множество достоинств, таких как: высокая степень защиты от воздействия агрессивных сред, возможность измерять среды с высокой температурой, низкая стоимость, отлаженное серийное производство датчики давления с тензосенсорами и металлической мембраной имеют ряд недостатков. В частности, при эксплуатации датчиков с сенсорами данного типа практически всегда наблюдается эффект прямого и обратного хода. Например, если на датчик со шкалой 0-10 Bar и выходным сигналом 4-20 mA подать давление, плавно увеличивая его от 0 до 5 Bar, то установиться, допустим, выходной ток 8 mA. Если же, на том же датчике установить давление 5 Bar, но плавно уменьшая с 10 Bar до 5 Bar, то выходной сигнал будет не 8 mA, а 9 mA. Этот эффект связан с упругими свойствами металлической мембраны.

Достаточно широко в настоящее время распространены датчики с чувствительными элементами на основе монокристаллического кремния. Несмотря на схожую конструкцию с приборами на основе КНС структур они имеют на порядок большую временную и температурную стабильности, более устойчивы к воздействию ударных и знакопеременных нагрузок. Эффект прямого – обратного хода также отсутствует, что объясняется использованием идеально-упругого материала.

Емкостные датчики давления.

Работа емкостных сенсоров датчиков давления основана на зависимости емкости конденсатора от расстояния между его обкладками. Чем меньше расстояние, тем больше емкость. Роль одной обкладки (подвижной) выполняет металлизированная внутренняя сторона мембраны, роль второй обкладки (неподвижной) – металлизированное основание сенсора. Подвижная мембрана изготавливается из сверхчистой керамики, кремния или упругого металла. При изменении давления рабочей среды мембрана с обкладкой прогибается (деформируется), расстояние между ней и основанием сенсора уменьшается, что приводит к изменению емкости.

Принципиальное устройство емкостного датчика давления

Достоинством емкостного сенсора из сверхчистой керамики является простота конструкции, высокая точность и временная стабильность показаний, возможность измерять низкие давления и слабый вакуум благодаря отсутствию заполняющего масла. Керамическая мембрана обладает коррозионной стойкостью к химически-агрессивным средам и стойкостью к истиранию. Кроме того у емкостных керамических сенсоров отсутствует эффект прямого и обратного хода. Они в меньшей степени подвержены воздействию гидравлических ударов, так как мембрана в этом случае просто прижимается к основанию сенсора.

К недостаткам емкостных сенсоров можно отнести нелинейную зависимость емкости от приложенного давления, но эта нелинейность компенсируется электроникой датчика. Так, например, к керамическим емкостным сенсорам датчиков давления некоторых фирм прилагается специальный паспорт, в котором производитель указывает настроечные коэффициенты.

Защита датчиков давления

Не зависимо от типа, сенсор является самой уязвимой частью датчика давления. Для защиты сенсора от повреждений применяют различные защитные устройства. Для предотвращения коррозии или загрязнения мембраны сенсора при измерении давления вязких, агрессивных или сильно загрязненных сред применяют разделительные мембраны или колонки. Разделительная мембрана монтируется непосредственно перед датчиком и служит для передачи давления без контакта сенсора с измеряемой жидкостью. Давление измеряемой жидкости подается в одну полость разделительной мембраны и деформирует мембрану. Датчик давления подсоединен ко второй полости, заполненной инертной жидкостью, например, силиконовым маслом, и воспринимает деформацию мембраны.

Для защиты сенсора от чрезмерного давления среды применяют специальные глушители ударов давления. Глушитель гидроударов давления позволяет датчику давления выдерживать четырехкратную перегрузку.

Внешний вид глушителя гидроударов

Для измерения давлений рабочих сред с температурой до 300 °С применяют радиатор-охладитель. Как правило, он изготавливается из нержавеющей стали, например, 12Х18Н10Т. Радиатор-охладитель и разделительная мембрана могут быть изготовлены и смонтированы как самостоятельные изделия или быть частью конструкции датчика.

Во время эксплуатации датчиков давления часто возникает необходимость изменить значение шкалы измерения или выполнить подстройку нуля. Не все датчики (в том числе и самые современные) позволяют сделать это. Как правило, бюджетные приборы являются однопредельными, то есть не перенастраиваемыми. Более дорогие модели позволяют осуществлять корректировку нулевых показаний и шкалы в больших пределах.

Принцип действия индукционных расходомеров (ИР) основан на законе электромагнитной индукции (закон Фарадея). Рассмотрим принцип действия ИР на примере схемы приведенной на рисунке 17.

Схема индукционного расходомера

1 – трубопровод; 2 – магнит; 3 – электроды; 4 – электронный усилитель; 5 – вторичный показывающий прибор, проградуированный в единицах измерения расхода; 6 – источник питания электромагнита

Если в трубопроводе 1 движется токопроводящая жидкость между полюсами электромагнита 2, то перпендикулярно движению жидкости (перпендикулярно электромагниту), на электродах 3, возникает электрический ток, напряжение которого прямопропорционально скорости движения жидксоти. Электромагнит приводится в действие источником питания 6. Электронный усилитель 4 усиливает электрический ток, поступающий с электродов 3. Вторичный прибор 5 регистрирует значения расходомера.

Достоинства ИР: незначительная инерционность, отсутствие механических частей, отсутствие частей внутри трубопровода, возможность измерения расхода загрязненных или сложных жидкостей.

Недостатки: необходимость градуировки на каждый вид жидкости, побочные токи (например от проходящих рядом проводов) могут вносить существенную погрешность в измерения.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров (УР) основан на физическом законе сложения скоростей. Например, если лодка плывет из пункта А в пункт В по течению реки, то время ее движения можно определить по формуле:

где t1 – время движения; S – расстояние; J – скорость реки; n – скорость лодки.

При движении лодки из пункта В в пункт А (против течения) время рассчитывается по формуле:

Разница во времени определится по формуле:

где Dt – разница во времени движения.

Если скорость реки будет увеличиваться, то и время Dt также будет увеличиваться.

В УР в качестве лодки используется ультразвук. В трубопроводе на определенном расстоянии S друг от друга располагаются два пьезоэлектрических элемента. При подаче электрического тока на пьезоэлемент он совершает колебания, генерируя ультразвук. При попадании ультразвука на пьезоэлемент в нем вырабатывает электрический ток. Таким образом, пьезоэлементы являются одновременно и генераторами и приемными устройствами.

Схема работы ультразвукового расходомера

И1, И2 – первый и второй излучатель; П1, П2 – первый и второй приемник;

S – расстояние между излучателем и приемником;

J – скорость движения контролируемой жидкости

Первый генератор отправляет сигнал на приемник по ходу движения жидкости. Происходит замер времени прохождения. Затем второй элемент отправляет сигнал против течения жидкости. По полученным результатам определяется Dt. Расход жидкости в трубопроводе определяется по следующей формуле:

где Q – расход жидкости; F – площадь сечения трубопровода; n – скорость ультразвуказвука в контролируемой среде; S – расстояние между излучателем и приемником; К – коэффициент, учитывающий распределение скоростей в потоке по сечению.

Пример расположения пьезоэлементов в расходомере «Эталон РМ»

Достоинства УР: высокое быстродействие; надежность датчиков (излучателей и приемников), возможность измерения расходов любых жидкостей и газов, в том числе неэлектропроводных.

Недостатки: размещение датчиков внутри труб, необходимость данных о скорости распространения ультразвука в контролируемой среде.

Принцип действия емкостных уровнемеров (ЕУ) основан на принципе устройства и работе конденсаторов. Возьмем две металлические пластины, разделенные слоем диэлектрического материала. При подаче электрического тока пластины начнут набирать электрически заряд. Электрическая емкость (количество электрического заряда) будет равна:

где С – электрическая емкость; e – диэлектрическая проницаемость материала между пластинами; F – площадь каждого электрода; d – расстояние между электродами.

Для работы емкостного уровнемера в контролируемом резервуаре создается конденсатор. Один электрод – специально изготовлен. Вторым электродом является металлический корпус резервуара.

При измерении уровня неэлектропроводных материалов в качестве диэлектрика выступает контролируемый материал. При повышении или понижении уровня происходит изменение величины e – диэлектрической проницаемости материала между пластинами, что приводит к изменению емкости конденсатора, которая контролируется измерительными приборами.

Условная схема устройства емкостного уровнемера

а) для неэлектропроводящих материалов; б) для электропроводящих материалов

1 – пластины конденсатора; 2 – диэлектрик; 3 – контрольно-измерительный прибор

При измерении уровня электропроводных материалов в качестве второго электрода выступает контролируемый материал. В качестве диэлектрика выступает воздух над контролируемой средой. При изменении уровня контролируемого вещества происходит уменьшение или увеличение расстояния между электродами d. Это приводит изменению емкости конденсатора.

Достоинства ЕУ: высокая чувствительность, большое быстродействие, малые габариты, возможность использования для контроля агрессивных и сыпучих сред.

Недостатки: затруднения при использовании во взрывоопасных средах, невозможность применения для контроля налипающих материалов, настройка на конкретный материал, конкретный резервуар.

Принцип действия основан на свойстве жидкостей и газов оказывать гидростатическое давление на чувствительный элемент манометрического уровнемера (МУ). Чем выше уровень контролируемого материала, тем большее давление оказывается на чувствительный элемент. Зависимость давления от высоты определяется формулой:

где Р – давление контролируемого материала; r – плотность жидкости; Н – высота столба жидкости; g – ускорение свободного падения.

На рисунке представлены условные схемы манометрических способов измерения уровня.

Манометрические способы измерения уровня:

а) с отбором контролируемой среды; б) мембранный: 1 – мембрана;

2 – импульсная трубка; 3 – измерительный прибор

При измерении уровня с отбором контролируемой среды (рис. а) в качестве измерительного прибора используется манометр, проградуированный в единицах уровня. Для точности показаний необходимо устанавливать прибор на дно резервуара.

В мембранном уровнемере (рис. б) чувствительным элементом является мембрана, которая передает давление по импульсной трубке 2 на манометр проградуированный в единицах измерения уровня 3. Импульсная трубка заполнена жидкостью или газом. Для передачи данных в САУ вместо манометра устанавливается датчик давления.

Достоинства МУ: простота конструкции, отсутствие механических систем, возможность работы в агрессивных средах.

Недостатки: индивидуальная настройка, зависимость показаний от температуры.

Дилатометрические и биметаллические термометры. Принцип действия.

Рис. 60. Схема дилатометрического термометра.

Рис. 61. Схема биметаллического термометра

Принцип действия дилатометрических и биметаллических термометров основан на различии линейного расширения твердых тел, из которых изготовлены чувствительные элементы этих термометров. Если температурный интервал невелик, то зависимость длины твердого тела от температуры выражается линейным уравнением вида

— длина твердого тела при температуре

— длина того же тела при температуре

— температурный коэффициент линейного расширения твердого тела,

Схема дилатометрического термометра представлена на рис. 60. Термометр состоит из трубки /, изготовленной из металла с большим коэффициентом линейного расширения (меди, латуни, алюминия), и стержня 2 из материала с малым коэффициентом линейного расширения (инвара, фарфора). Один конец трубки крепится неподвижно к корпусу прибора, а к другому жестко прикреплен стержень. Сама трубка помещается в среду, температуру которой измеряют. Изменение температуры среды приводит к изменению длины трубки, а длина стержня остается практически постоянной. Это приводит к перемещению стержня, который с помощью рычага 3 перемещает стрелку по шкале прибора.

Принцип действия биметаллических термометров основан на различии температурных коэффициентов линейного расширения металлических пластин (например, из инвара и латуни, из инвара и стали), сваренных (спаянных, склепанных) между собой по всей плоскости соприкосновения. Нагревание приводит к деформации такой термобиметаллической пластины; последняя изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения (инвара) (рис. 61). Биметаллические термометры используются в качестве чувствительного элемента в температурных реле, а также для компенсации влияния температуры окружающей среды в измерительных приборах. Дилатометрические и биметаллические термометры для непосредственных измерений температуры применяются сравнительно редко.

Термометры расширения подразделяются на:

 жидкостные термометры,

 дилатометрические термометры,

 биметаллические термометры.

Принцип действия жидкостных термометров основан на свойствах теплового расширения термоэлектрического вещества при изменениях температуры. Определение температуры в данном случае происходит по величине видимого изменения объёма жидкости в капиллярной трубке. В качестве термометрической жидкости применяется ртуть, этиловый спирт, керосин, толуол, пентан. Диапазон измерения температур составляет от -100 до +600°С. К недостаткам жидкостных термометров относится их хрупкость, возможность загрязнения окружающей среды, непригодность для ремонта. Для защиты от механических повреждений для термометров разработаны защитные арматуры.

Принцип действия дилатометрических термометров основан на преобразовании изменений температуры в разность удлинений двух твердых тел, обусловленную различием их температурных коэффициентов линейного расширения. Диапазон измерения температур составляет от -30 до +1000°С.

Принцип действия биметаллических термометров основан на преобразовании изменений температуры в изгиб пластин, состоящих из двух металлов с разными температурными коэффициентами расширения. Диапазон измерения температур составляет от -100 до +600°С.

Термометр состоит из термобаллона и показывающей приставки.

Термобаллон состоит из тубки, в который размещена биметаллическая пружина, рассчитанная на вполне определенные изменения температуры. К пружине приварена ось, которая имеет возможность вращаться на двух опорах при раскручивании (скручивании) пружины, которое происходит при изменении температуры измеряемой среды. Вращение передается на стрелку, которая показывает на оцифрованной шкале значение температуры.

· в пределах коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Е

Давление измеряемой среды, кгс/см2 , до

· 64 — без защитной гильзы

· 250 — с защитной гильзой.

Биметаллические термометры наиболее распространены при измерении комнатной температуры. Основанная погрешность термометров составляет 1-3% от диапазона регулирования. Одним из главных недостатков биметаллических термометров является требование индивидуальной градуировки, которая происходит путем сравнения показаний с образцовыми термометрами, что приводит к невозможности оперативной замены чувствительных биметаллических пластин.

Термометры расширения подразделяют на стеклянные жидкостные и манометрические.

Стеклянные жидкостные термометры. Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре.

Стеклянные термометры подразделяют на термометры со вложенной шкалой и палочные. Термометр со вложенной шкалой состоит из стеклянного резервуара и припаянного к нему стеклянного капилляра, вдоль которого расположена шкала; палочный термометр — из толстостенного капилляра, к которому припаян резервуар. Шкала палочного термометра наносится на наружной поверхности капилляра. В качестве термометрической жидкости используются разные вещества (табл. 14).

Среди жидкостных термометров наибольшее распространение получили стеклянные ртутные. Химически чистая ртуть как термометрическое вещество имеет ряд достоинств: она остается жидкостью в широком интервале температур, не смачивает стекло, ее легко получить в чистом виде. Однако ртуть имеет относительно малый коэффициент объемного расширения, что требует изготовления термометров с тонкими капиллярами. В связи с тем, что температура кипения ртути при атмосферном давлении значительно меньше верхнего предела ее применения, в термометрах, предназначенных для измерения высоких температур, капилляр над ртутью заполняют азотом. Для предотвращения образования паров ртути давление азота должно быть большим. Так, для термометров с верхним пределом применения 600 °С давление азота составляет 3 МПа.

Достоинствами стеклянных жидкостных термометров являются высокая точность измерения, простота устройства и низкая стоимость, недостатками — относительно плохая видимость шкалы, невозможность передачи показаний на расстояние и автоматической их регистрации, а также невозможность ремонта.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются следующие разновидности стеклянных термометров:

лабораторные ртутные со вложенной шкалой и палочные (предназначены для измерения температур от -30 до +600 °С);

специальные (медицинские, метеорологические, психрометрические, почвенные и др.).

Для измерения температур в лабораторных условиях и промышленной практике ши­роко применяют стеклянные жидкостные термометры, являющиеся самым старым видом термометров. Их характеризует достаточно высокая точность, невысокая стоимость, простота эксплуатации. Принцип действия термометра основан на зависимости между температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в стеклянной оболочке. Зафиксировать изменение положения верхней границы столбика жидкости возможно вследствие различия коэффициентов объемного теплового расширения жидкости и стекла. Из-за увеличения объема резервуара видимое изменение объема жидкости ниже действительного.

Наиболее широко в качестве термометрической жидкости используется ртуть. Применяют также органические заполни­тели: толуол, этиловый спирт, керосин, пентан и т. п. В табл.3 приведены температурные пределы некоторых, термометрических жидкостей и их средние коэффициенты расширения. Наибольшее распространение получили термометры со ртутным заполнением, так как ртуть обладает наилучшими свойствами: находится в жидком состоянии в широком диапазоне температур (верхний предел может быть доведен до 1200 °С с помощью увеличения давления в капилляре и применения для изготовления термометра плавленого кварца); не смачивает стекла, что позво­ляет использовать капилляры с небольшим диаметром канала (до 0, 1 мм) и обеспечить высокую точность измерения (ртутные образцовые термометры 1-го разряда имеют доверительную, погрешность ε = 2σ = 0, 002 ÷ 0, 2 °С). Из табл. 3 видно, что ртуть имеет в 6—8 раз меньший коэффициент объемного расширения, чем другие заполнители. Это снижает чувствительность ртутных термометров. Однако для термометров, градуированных при не­полном погружении, погрешности из-за выступающего столбика будут в 6—8 раз меньше, чем у нертутных (при прочих равных условиях измерения).

Параметры термометрических веществ для стеклянных термометров.

Органические заполнители характеризуются более низкой температурой применения, меньшей стоимостью и вредностью в экс­плуатации и производстве. Вследствие смачивания стекла, термо­метры с органическими термометрическими жидкостями имеют меньшую точность отсчета.

Стеклянные жидкостные термометры конструктивно делятся на палочные и с вложенной шкалой. Шкала у палочных термометров наносится непосредственно на толстостенный капилляр, а у термометров со вложенной шкалой – на прямоугольную стеклянную пластину молочного цвета, нахо­дящуюся сзади капилляра. Несмотря на большую инерционность, термометры со вложенной шкалой получили широкое распростра­нение, так как более удобны для применения. (рис 1.3). Стеклянные термометры (рис.1.3) в зависимости от назначения и области применения делятся на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические, термометры для сельского хозяйства.

Лабораторные термометры обеспечивают контроль в интер­вале температур 0—500 °С, который разбит на 4 диапазона, что позволяет получить погрешность измерении (с учетом введения поправок), 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. Ртутное модификаций заполнение обеспечивает измерение температур от —30 до +600 °С, органические заполнители от —90 до +30 °С и от —60 до +200 °С. Имеется значительное число термометров в зависимости от предела измерения, длины нижней (от 66 до 2000 мм) и верхней (240 — 260 мм) частей. Допускаемая погрешность равна цене деления технического термометра. При стационарной эксплуатации в различных точках технологиче­ских агрегатов термометры устанавливаются в специальных металлических защитных чехлах (кожухах).

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

1) с постоянными впаянными контактами обеспечивающими 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 контактом, впаянным в капилляр, что обеспечивает за­мыкание и размыкание электри­ческой цепи при любом значении выбранной шкалы термометра. Пе­ремещающаяся в капилляре ртуть размыкает или замыкает цепи меж­ду контактами, к которым подво­дится напряжение постоянного или переменного тока и нагрузка, на которых не должна превышать 0, 5 мА при напряжении не более 0, 3 В.

По методу градуировки и уста­новки при измерении жидкостные термометры подразделяются на два типа:

1) градуируемые и эксплуатируемые при полном погружении, т. е. при погружении термометра в измеряемую среду до отсчитываемого деления;

2) градуируемые и эксплуатируемые при заданной глубине погружения, т. е. нижняя часть термометра, погружается в измеряемую среду до отметки, указанной на корпусе прибора.

В процессе измерения температур стеклянными жидкостными термометрами появляются погрешности, обусловленные рядом причин. Это ошибки, вносимые наблюдателем; возникающие вслед­ствие дефектов термометра (возгонка термометрической жидкости, разрывы столбика жидкости, смещение шкальной пластинки и т. п.), а также возникающие при нормальной эксплуатации (погрешность в нанесении отметок шкалы, нелинейная температурная зависимость изменения объемов термометрической жидко­сти и стеклянной оболочки) и при отклонении условий эксплуа­тации от нормальных.

Несколько подробнее остановимся на последних. Величину их можно уменьшить введением поправок, учитывающих условия измерения.

Рассмотрим случай, когда термометр, градуированный при полном погружении, невозможно погрузить в измеряемую среду (или термостат) до отсчитываемого деления шкалы. Таким образом, часть столбика термометрической жидкости выступает над уровнем среды и имеет другую температуру. Среднюю температуру выступающего столбика измеряют, с помощью небольшого дополнительного палочного термометра, резервуар которого кре­пится к корпусу основного измерителя в середине столбика и изолируется асбестовым шнуром.

Для исключения погрешности вводят поправку на выступающий столбик Δ t, определяемую по формуле

Δ t=nβ (t–tв.с) (3.4)

где n — число градусов на выступающем столбике, °С;

β — коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле, 1/К;

t — температура, показываемая основным термометром, °С;

tв.с — средняя температура выступающего столбика, °С.

Лабораторный стеклянный ртутный термометр, погруженный в измеряемую среду до отметки 150°С, показывает температуру 280 °С. Темпе­ратура выступающего столбика равна 30 °С. Коэффициент видимого объемного теплового расширения ртути в стекле (β = 0, 00016 1/К (см. табл. 3). Поправка на выступающий столбик составит

Δ t = n β (t – tв.с )=130·0.0016(280+3.12)=3, 12° С.

Действительное значение температуры равно 280 + 3, 12 = 283, 12 °С.

При эксплуатации термометра с заданной глубиной погружения может возникнуть ошибка вследствие того, что температура его выступающей части tв’ значительно отличается от температуры tв при его градуировке (обычно равной 20°С). Поправка вычисляется по формуле

Δ t1=mβ (tв–tв’), (3.5)

где m — число градусов, отсчитываемое по термометру, при нормальной глубине погружения, °С;

β – коэффициент видимого расширения термометрической жидкости в стекле, 1/К.

Поверка жидкостных стеклянных термометров проводится в термостатах с помощью образцовых термометров более высокого класса точности.

Твердые тела в различной степени изменяют свои линейные размеры при изменении их температуры. Данное свойство, положено в основу принципа действия биметаллических и дилатометрических термометров.

В основном металлы и их сплавы относятся к материалам с вы­соким температурным коэффициентом линейного расширения. Для латуни он равен (18, 3 — 23, 6) · 10-6 1/°С, для никелевой стали 20 · 10-6 °C-1.

В то же время сплав инвар имеет низкий коэффициент линей­ного расширения (0, 9 · 10-6 1/°С), так же как и плавленый кварц (0, 55 · 10-6 1/°С)

На рис. 3.2 представлена схема 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.