Измерение представляет собой процесс нахождения значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств. В процессе измерения происходит сравнение измеряемой величины с физической, которой присвоено числовое значение, равное единице, и которое называется единицей измерения.
Температура является одним из важнейших параметров, определяющих состояние тела. Для измерения температуры может быть использовано любое свойство твердого, жидкого и газообразного вещества, изменяющегося с температурой: изменения физического или химического состояния, размеров, электрических свойств, изменение энергетической яркости излучения и т.п. Приборы, с помощью которых можно измерить температуру посредством контакта с исследуемой средой, называются термометрами. В качестве термометра может быть использован прибор, основанный на точном, легко воспроизводимом изменении свойств вещества в зависимости от изменения температуры. Независимо от того, какое свойство вещества используется при измерении температуры, термометры должны быть отградуированы в соответствии с единой, твердо установленной температурной шкалой.
В настоящее время применяется международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) редакции 1968 года, в которой единицей измерения является градус Кельвина (К), градус Цельсия (0С).
Эта шкала основана на определенных воспроизводимых постоянных (реперных) точках, значение температур которых может быть определено современными средствами измерения с заданной точностью.
1. Жидкостные термометры
Термометры стеклянные жидкостные применяют для измерения температуры в пределах от 200 до +750 °С. Термометры используют исключительно при контактных измерениях. Благодаря простоте в обращения и высокой точности измерения жидкостные термометры находят широкое применение во всех областях народного хозяйства.
Основными элементами конструкции термометра являются: стеклянный резервуар 1, соединительный капилляр 2, измерительный капилляр 3, шкальная пластинка 4. В термометрах, на шкальную пластинку которых нанесены дополнительная (нулевая) и основная шкалы, имеется утолщение соединительного капилляра — промежуточный резервуар.
Действие жидкостных термометров основано на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в резервуаре. При изменении температуры объем жидкости изменяется, вследствие чего мениск жидкостного столбика в капилляре поднимается или опускается на величину, пропорциональную изменению температуры.
Методы и средства измерения температуры
... процессами. Глава 1. Методы и технические средства измерения температуры 1 Измерение температуры Существуют два основных способа для измерения температур - контактные и бесконтактные. Контактные способы ... опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур. Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны ...
В зависимости от предела измерения температур для заполнения термометров, применяют жидкости.
Наибольшее распространение получили ртутные термометры, так как ртуть не смачивает стекло, ее сравнительно легко получить в химически чистом виде (она остается жидкой в широком интервале температур).
Недостаток ртути — малый коэффициент объемного расширения, что определяет необходимость изготовления термометров с тонкими капиллярами. Нижний предел измерения ограничивается температурой затвердевания ртути и равен -35 °С. Верхний предел измерения ртутными термометрами определяется допустимыми температурами для стекла: 600 °С для образцовых термометров и 500 °С для технических. При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько увеличивается.
Предел измерения для ртутных термометров, в которых над ртутью удален воздух, составляет 300 °С‚ так как при 357 °С ртуть кипит. Для того, чтобы повысить температуру кипения ртути, пространство в капилляре над ртутью заполняют инертным газом под давлением, в результате чего верхний предел измерения увеличивается.
Таблица 1
|
Жидкость |
Предел измерения температуры, °С |
||
|
От |
До |
||
|
Ртуть |
-35 |
750 |
|
|
Толуол |
-90 |
200 |
|
|
Этиловый спирт |
-80 |
70 |
|
|
Керосин |
-60 |
300 |
|
|
Петролейный эфир |
-120 |
25 |
|
|
Пентан |
-200 |
20 |
|
Термометры с органическими жидкостями предназначаются в основном для измерения низких температур в пределах от -200 да +200 °С. Основным достоинством их является высокий коэффициент объёмного расширения жидкости, в среднем в почти в 6 раз больше, чем у ртути. Недостаток у этих термометров — смачивание органическими жидкостями стекла, в результате точность измерений понижается. Поэтому необходимо применение капилляров с относительно большим диаметром.
Достоинства стеклянных жидкостных термометров — простота употребления и достаточно высокая точность измерения.
Недостатки — малая механическая прочность (хрупкие); плохая видимость шкалы и видимость отсчета, невозможность автоматической записи показаний и передачи их на расстояние; невозможность ремонта; большая инерционность; плохая видимость ртути в капилляре. Поэтому стеклянные жидкостные термометры применяют в основном для местного контроля и лабораторных измерений. В зависимости от назначения и области применения стеклянные жидкостные термометры подразделяют на лабораторные и технические.
Термометры лабораторные используются в качестве образцовых и рабочих для измерения температур в производственных и лабораторных условиях. В них термометрическим веществом является ртуть. Применяют лабораторные термометры для измерения температуры в диапазоне от 30 до +600°С. Конструктивно они выполняются палочными и с вложенной шкальной пластиной. Градуируют лабораторные термометры, как правило, при полном погружении или при указанной глубине погружения в зависимости от назначения термометра.
К лабораторным термометрам относятся палочные термометры, у которых расстояние между штрихами по всей шкале одинаково (равноделенные термометры).
Их используют в качестве образцовых. Переход от делений равноделенной шкалы к температуре производится по таблицам, составленных индивидуально для каждого термометра в процессе его аттестации.
Лабораторные термометры специального назначения имеют более узкую область применения — измерение небольших разностей температур или небольших ее изменений, что необходимо при калориметрических измерениях теплотворной способности топлив или теплоемкости тел, при определении изменения точки замерзания растворов или точки кипения жидкостей. термометр конденсационный манометрический температурный
Рабочие стеклянные жидкостные термометры широко используются в промышленности и других областях народного хозяйства. Они имеют различное конструктивное оформление, соответствующее их назначению. Рабочие термометры делятся на термометры общего применения, лабораторные (для точных измерений) предназначенные для работы в определенной области науки и техники (метеорологические, для измерения температуры химических и нефтепродуктов, сельскохозяйственные и т.д.).
Кроме того, изготавливаются рабочие термометры специальных конструкций — максимальные, минимальные, электроконтактные, метастатические, калориметрические, для измерения вязкости, атмосферного давления, влажности.
Промышленными стеклянными жидкостными термометра контролируют температуру жидкостей, газов, пара в трубопроводах, резервуарах, машинах.
Это термометры частичного погружения, с прямой и угловой формой нижней части, измеряют температуру в интервале от -90 до +600 °С, цена деления шкалы от 0,5 до 10°С.
Для защиты от механических повреждений их вставляют в защитную арматуру. Верхнюю часть термометра помещают в металлическую оправу так, что в ее вырезе видна шкала. Нижняя часть термометра находится в защитной гильзе. Гильза может быть снизу открыта или иметь радиальные отверстия в стенках для лучшего контакта с объектом измерения. Защитная гильза и защитная арматура верхней части соединены между собой. Благодаря такой конструкции стеклянный термометр может быть заменен в любое время без остановки агрегатов.
Если необходимо измерить температуру при высоких давлениях, защитные гильзы монтируют герметично в конструкциях объекта измерения.
Термометры стеклянные жидкостные метеорологические и гидрологические применяются для измерения температуры воздуха, грунта, воды в реках, морях и т. д. К ним относятся максимальные, минимальные, психpометрические, почвенно-глубинные и глубоководные термометры.
Максимальные (щелевые и стержневые) термометры имеют специальное устройство, препятствующее возвращению ртути в резервуар при охлаждении. В щелевой конструкции делают капилляр с небольшим сужением в его нижней части. В стержневых — к резервуару припаивают стержень, который находится в его сечения. При снижении температуры резервуара ртутный столбик разрывается в месте сужения капилляра и фиксирует максимальное значение температуры за определенный промежуток времени. Чтобы вернуть ртуть в резервуар, термометр встряхивают или вращают на центрифуге.
Минимальный термометр предназначен для измерения минимальной температуры за определенный промежуток времени. В качестве термометрического вещества в нем используются неокрашенные органические жидкости. Внутри капилляра с термометрической жидкостью свободно перемещается штифт. До начала измерения термометр необходимо повернуть вверх резервуаром, чтобы штифт переместился до мениска (силы поверхностного натяжения остановят штифт).
Измерения производят при горизонтальном положении термометра. При охлаждении среды, температура которой измеряется, мениск начнет перемещать штифт. Верхний край штифта указывает минимальное значение температуры, так как при нагревании термометрическая жидкость буде обтекать штифт, и он не изменит своего положения.
Психрометрический термометр предназначен для измерения температуры и определения влажности воздуха путем сравнения показаний двух термометров, укрепленных на одном основании. Резервуар одного термометра сухой, а у другого смачивается водой. Влажность определяют по таблице, прикрепленной к основанию, рядом с термометрами.
2. Манометрические термометры
Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Предназначены для измерения температуры жидких и газообразных сред в стационарных условиях в интервале от -150 до 600 °С.
Термосистема термометра состоит из термобаллона 1, капилляра 2 (соединительной трубки) и упругого чувствительного элемента 3, которые совместно образуют герметический объект. Упругий чувствительный элемент может быть выполнен в виде манометрической пружины, сильфона, мембраны и т.п. Термобаллон погружается в среду, температура которой измеряется. Соединительный капилляр передает изменение давления на манометрическую пружину. Один конец манометрической пружины, соединенный с капилляром, закреплен в держателе 4. Свободный конец манометрической пружины шарнирно связан поводком 5 с зубчатым сектором 6, который находится в зацеплении с трибкой 7. На ось трибки насажена стрелка 8 (указатель).
Шкала манометрического термометра градуирована в единицах температуры.
Основным параметром при оценке точности манометрического термометра является изменение внутреннего давления в термосистеме при измерении температуры от начального (t н ) до конечного значения (tк ), которое называется рабочим давлением:
?р=р к — рн ,
где р н и рк — давление в термосистеме при температурах tн и tк .
В зависимости от термометрического вещества, которым заполняется термосистема, манометрические термометры бывают жидкостными, конденсационными и газовыми.
3. Газовые манометрические манометры
Термометры манометрические газовые применяют для измерения температуры от -150 до +600 °С. В качестве рабочего вещества в газовых термометрах используют обычно азот или гелий. Длина соединительного капилляра этих термометров может быть от 0,6 до 60 м. Точность показаний газовых манометрических термометров в основном зависит от изменения температуры окружающей среды. Для уменьшения погрешности, обусловленной изменением температуры, устанавливают термобиметаллический компенсатор тягу передаточного механизма (биметаллическая пластина компенсатора рассчитана так, чтобы ее изгиб компенсировал смещение конца пружины, вызванное изменением температуры окружающей среды).
Кроме этого, стремятся увеличить размеры термобаллона и уменьшить сечение капилляра. Чем больше длина капилляра, тем значительней должны быть размеры термобаллона.
Поэтому газовые термометры имеют ограниченное применение.
Допускаемая дополнительная погрешность газовых термометров при отклонении температуры окружающей среды на 10 °С не должна превышать 0,5 %. Для увеличения рабочего давления термосистему газового термометра заполняют инертным газом под давлением в зависимости от диапазона измерения температуры, поэтому колебания атмосферного давления на показания газового термометра не влияют.
Преимущество газовых термометров — незначительная температурная погрешность и наибольшая для манометрических термометров длина капилляра.
4. Жидкостные манометрические термометры
Термометры манометрические жидкостные могут быть показывающими и самопишущими с унифицированными электрическими и пневматическими преобразователями. Их применяют для измерения температуры от -150 до + 600 °С. Термосистемы этих термометров заполняют обычно кремнийорганическими жидкостями. При постоянном объем термосистемы давление жидкости пропорционально изменению ее температуры, поэтому жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу.
На показания жидкостных манометрических термометров оказывают влияние изменения температуры, гидростатического и атмосферного давлений. Температурная погрешность у жидкостных термометров несколько больше, чем у газовых, поэтому длина капилляра у них не превышает 10 м. Для уменьшения температурной погрешности жидкостных термометров стремятся увеличить относительное количество термометрического вещества в термобаллоне по сравнению с находящимся в капилляре манометра, т.е. рабочий объем термобаллона увеличивают, а внутренние размеры рабочего элемента сводят к минимуму. С этой же целью применяют манометрические пружины с новым профилем сечения и термобимeталлический компенсатор.
Гидростатическая погрешность жидкостных манометрических термометров возникает в том случае, когда термобаллон расположен выше или ниже пружины. Последняя в этом случае будет испытывать большее или меньшее давление в зависимости от того, выше ниже расположен термoбаллон относительно пружины. Гидростатическая погрешность в этом случае может быть устранена путем коррекции нуля начального положения конца трубчатой пружины (указательной стрелки).
Допустимые расстояния по высоте между термoбаллоном и манометром указывают в инструкциях.
Для уменьшения влияния изменения атмосферного давления манометрические жидкостные термометры заполняют рабочей жидкостью при начальном давлении 1,5 — 2,0 МПа. Преимуществом жидкостных термометров являются небольшая инерционность и небольшие размеры термобаллона.
5. Конденсационные манометрические термометры
Манометрические конденсационные термометры изготовляют показывающими без встроенных устройств и со встроенными сигнальными устройствами, с пределами измерения от -50 до +300 °С. Их работа основана на зависимости давления насыщенного пара низкокипящей жидкости от температуры. В качестве рабочих жидкостей применяют: фреон, хлористый метил и ацетон. В конденсационных термометрах жидкостью заполняют только часть термобаллона (примерно 2/3), a остальную его часть, капилляры и манометрическую пружину — насыщенными парами этой жидкости. Для обеспечения постоянного заполнения капилляра жидкостью, конец его опускают до дна термобаллона. Характерной особенностью конденсационных термометров является значительная неравномерность шкалы (сжатой в первой трети шкалы).
Показания конденсационных термометров зависят от высоты расположения термобаллона по отношению к корпусу прибора, а также от изменения атмосферного давления. Погрешность изменении температуры окружающей среды теоретически отсутствует, так как давление в системе зависит от давления пара в термобаллоне, т.е. от изменяемой температуры. Атмосферное давление в случае его изменения дополнительно нагружает или разгружает манометрическую пружину, вызывая скручивание или ее выпрямление, что и обусловливает изменение показаний прибора.
Преимущество конденсационных манометрических термометров небольшая температурная погрешность, сравнительно малые размеры термобаллона.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/termometryi-jidkostnyie/
1. Крамарюхин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. — М.: Машиностроение, 1990. — 208 с.
2. Олейник Б.М., Лаздина С.И., Лаздин В.П., Жагулло О.М. Приборы и методы приборных измерений. Учеб. пособие — М.: Изд-во стандартов, 1987. — 296 с., с илл.
