Виды термометров, ареометров. Термометрия.

ТЕРМОМЕТРЫ, приборы для измерения т-ры посредством контакта с исследуемой средой. Первые термометры появились в конце 16-начале 17 вв. (напр., термоскоп Галилея, 1597), сам термин "термометр" в 1636.

Действие термометров основано на изменениях однозначно зависящих от т-ры и легко поддающихся определению разных физич-х св-в тел (геометр-е размеры, давление в замкнутом объеме, электрич-е сопротивление и др.). Соотв-но различают следующие наиболее распространенные типы термометров: расширения, манометрические, сопротивления, термоэлектрические, магнитные.

Термометры расширения построены по принципу изменения объемов жидкостей (жидкостные термометры) или линейных размеров твердых тел (деформационные термометры).

Действие жидкостных термометров основано на различиях коэф. теплового расширения рабочего, или термометрич-го, в-ва (ртуть, этанол, пентан, керосин, иные орг. жидкости) и материала оболочки, в к-рой оно находится (термометрич. стекло либо кварц).

Несмотря на большое разнообразие конструкций, эти термометры относятся к одному из двух осн. типов: палочные (рис. 1, а) и с вложенной шкалой (рис. 1, б). Особенно распространены ртутные стеклянные термометры, подразделяемые на образцовые (1-го разряда-только палочные, 2-го разряда-оба типа), лабораторные (оба типа), технические (только с вложенной шкалой). Среди приборов, заполненных орг. жидкостями и используемых лишь для измерения т-р ниже — 30 °С, чаще других применяют спиртовые термометры.

Все жидкостные термометры используют обычно для локальных измерений т-ры (от — 200 до 600 °С) с точностью, определяемой ценой деления шкалы. Для образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы цена деления может достигать 0,01 °С.

Точность измерений зависит от глубины погружения термометра в исследуемую среду: прибор следует погружать на глубину, при к-рой проводилась его градуировка. Достоинства этих термометров-простота конструкции и высокая точность измерений.

Недостатки: невозможность регистрации и передачи показаний на расстояние; зависимость показаний от измерения объемов жидкости и резервуара, в к-ром она находится; тепловая инерционность; невозможность ремонта.

Разновидность жидкостных приборов - электроконтактные ртутные термометры, применяемые для регулирования т-ры или сигнализации о нарушении заданного температурного режима в пределах от — 30 до 300 °С. Платиновые контакты, впаянные в ниж. часть капилляра, соединены с медными проводниками, к-рые через реле включены в цепь электрич. нагревателя либо сигнализации. В момент соединения контактов столбиком ртути замыкается цепь реле, выключающего нагреватель или включающего сигнализацию.

Деформационные термометры (дилатометрические и биметаллические).

РИС. 1. Термометры расширения: а-палочный; б-с вложенной шкалой.

Манометрические термометры. Их действие основано на изменении давления Ар рабочего в-ва, заключенного в ёмкость постоянного объёма, при изменении его т-ры Dt.

По конструкции манометрические термометры всех типов практически одинаковы и состоят из термобаллона, манометрич. трубчатой пружины (одно- или многовитковой, в виде сильфона) и соединяющего их Капилляра (рис. 2). При нагр. термобаллона, помещен-ного в зону измерения т-ры, давление в-ва внутри замкнутой системы возрастает. Это увеличение давления воспринимается пружиной, к-рая через передаточный механизм воздействует на стрелку прибора. В зависимости от того, чем заполнены термобаллоны, различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры.

В газовых термометрах (обычно постоянного объема) изменение т-ры идеального газа пропорционально изменению давления, под к-рым рабочее в-во (N₂, He, Аг) полностью заполняет термосистему прибора. В диапазоне измеряемых т-р (от — 120 до 600 °С) различия св-в идеальных и реальных газов учитыва ются при градуировке термометров.

Рис.2. Манометрич. термометр: 1 - термобаллон; 2-капилляр; 3-трубчатая пружина; 4-держатель; 5-поводок; 6-сектор (4-6-передаточный механизм).

В основу работы жидкостных термометров, термобаллоны к-рых полностью заполнены кремнийорг. жидкостями, положена зависимость: Dp = (b_p/b_c)Dt, где b_p и b_с-коэф. объемного расширения и сжимаемости рабочей жидкости. Изменение ее объема, как следует из этого ур-ния,-линейная ф-ция т-ры, что определяет равномерность шкал данных приборов. Пределы измерений от — 50 до 300 °С.

В конденсационных (парожидкостных) термометрах измеряют давление насыщ. пара над пов-стью низкокипящей жидкости (ацетон, метилхлорид, нек-рые хладоны), заполняющей термосистему на 2/3 ее объема. Изменение этого давления непропорционально изменению т-ры, поэтому такие приборы имеют неравномерные шкалы. Пределы измерений от -25 до 300 °С.

Манометрические термометры надежны в эксплуатации (хотя и отличаются запаздыванием показаний) и используются как показывающие, самопишущие и контактные технич-е приборы; при большой длине капилляра (до 60 м) могут служить дистанционными термометры.

Термометры сопротивления. Измерение (с высокой точностью) т-ры основано на св-ве проводников (металлы и сплавы) и полупроводников (напр., оксиды нек-рых металлов, легиров. монокристаллы Si или Ge) изменять электрич-е сопротивление при изменении т-ры. С её повышением для проводников сопротивление увеличивается, для полупроводников-уменьшается. Количественно такая зависимость выражается температурным коэф. электрич. сопротивления (ТКЭС, °С^-1)·

Эти термометры состоят из чувствит. элемента (термоэлемента) и защитной арматуры. Наиб. распространены термометры с термоэлементами из чистых металлов, особенно Pt (ТКЭС = 3,9·10^-3) и Сu(4,26·10^-3). Конструктивно чувствит. элемент представляет собой металлич. проволоку, намотанную на жесткий каркас из электроизолирующего материала (напр., слюда, кварц) или свернутую в спираль, к-рая герметично помещена в заполненные керамич. порошком каналы каркаса (рис. 3).

Рис. 3. Платиновый термометр сопротивления: а-общий вид; б-чувствит. элемент; 1-металлич. чехол; 2 - термоэлемент; 3-установочный штуцер; 4-головка для присоединения к вторичному прибору; 5-слюдяной каркас; 6-обмотка из платиновой проволоки; 7-выводы.

Платиновые термометры применяют для измерения т-р в пределах от — 260 до 1100°С, медные-от — 200 до 200 °С. Платиновый либо медный чувствит. элемент, вставленный в гильзу (из бронзы, латуни или нержавеющей стали), на конце к-рой имеются выводы (клеммы) для присоединения к головке термометра, наз. термометрич. вставкой.

Полупроводниковые термометры, или терморезисторы (рис. 4), выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб или бусинок (размеры от неск. мкмдо неск. см). Они обладают высоким ТКЭС [(3-4)·10^-2 °С^-1] и соотв-но большим начальным электрич-м сопротивлением, что позволяет снизить погрешность измерений. Осн. недостатки, ограничивающие широкое внедрение данных приборов в термометрию,-плохая воспроизводимость их характеристик (исключается взаимозаменяемость) и сравнительно невысокая макс. рабочая т-ра (от — 60 до 180°С). Терморезисторы используют для регистрации изменений т-ры в системах теплового контроля, пожарной сигнализации и др.

Рис. 4. Терморезисторы: а-стержневой (1-эмалир. цилиндр; 2-контактные колпачки; 3-выводы; 4-стеклянный изолятор; 5-металлич. фольга; 6-металлич. чехол); б-бусинковый (1-чувствит. элемент; 2-электроды; 3-выводы; 4-стеклянная оболочка).

Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектр-го преобразователя и вторичного прибора. Термоэлектрич-й преобразователь (ТЭП, термопара-устаревшее) - цепь из двух (рис. 5, а) или неск-х соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлич-х проводников, реже полупроводников).

Рис. 5. Термоэлектрич. преобразователь: а-цепь из термоэлектродов А и В; б-устройство; 1-рабочий спай; 2-изолятор; 3-чехол; 4-выводы.

Действие ТЭП основано на эффекте Зеебека: если контакты (как правило, спаи) проводников, или термоэлектродов, находятся при разных т-рах, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс), значение к-рой однозначно определяется т-рами "горячего", или рабочего (t), и "холодного", или свободного (t₀), контактов и природой материалов, из к-рых изготовлены термоэлектроды. ТЭП широко используют в устройствах для измерений т-ры в различных автоматизир-х системах управления и контроля.

Менее распространены акустич., магн. и нек-рые иные термометры. Существуют термометры спец. назначения, напр. гипсотермометры (для измерения атм. давления по т-ре кипящей жидкости), метеорологические (для измерений гл. обр. на метеостанциях), глубоководные (для измерений т-ры воды в водоемах на разл. глубинах).

Лит.: Воскресенский П.И., Техника лабораторных работ, 10 изд., М., 1973; Кулаков М.В., Технологические измерения и приборы для химических производств, М., 1983, с. 41-81;

Термометрия (от греч. therme-тепло и metreo-измеряю) - раздел прикладной физики, посвященный разработке методов и средств измерения температуры. Она является также разделом метрологии, в её задачи входит обеспечение единства и точности температурных измерений: установление температурных шкал, создание эталонов, разработка методик градуировки и поверки приборов для измерения температуры.

Температурные шкалы. Методы термометрии различаются по лежащим в их основе термометр-м св-вам и используемым рабочим, или термометрич-м, в-вам. Термометр-е св-во должно быть связано с т-рой однозначно и определяться достаточно просто; выбранное для термометрич-го в-ва св-во должно хорошо воспроизводиться и сильно изменяться с изменением т-ры.

Для количественного определения т-ры необходимо установить систему её сопоставимых числовых значений – температурную шкалу, т.е. выбрать начало отсчета (нуль шкалы) и единицу измерения температурного интервала (градус). Первоначально применявшиеся эмпирические температурные шкалы (первая шкала предложена в 1714г.) реализуются с помощью зависящих от т-ры различных физич-х св-в тел и представляют собой ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными, или реперными, точками, к-рые соответствуют т-рам кипения и плавления химически чистых в-в. Эти шкалы различаются начальными точками отсчета и размером используемой единицы т-ры: °С (шкала Цельсия), °F (шкала Фаренгейта), °R (шкала Ренкина) и др.

После введения Международной системы единиц (СИ) в большинстве стран используют две шкалы – термодинамическую и Международную практическую, к-рые градуируются в кельвинах (К) или °С (1 °R = 5/9 К = 5/9°С).

Методы измерения температуры зависят от принципов действия используемых приборов, диапазонов измеряемых температур, условий измерений и требуемой точности. Их можно разделить на две основные группы: контактные методы — собственно термометрия, и бесконтактные методы — Т. излучения, или пирометрия.

Общим и существенным для всех контактных методов измерения температуры является то, что всякий прибор, измеряющий температуру среды, должен находиться с ней в тепловом равновесии, т.е. иметь одинаковую со средой температуру.

Основными узлами всех приборов для измерения температуры являются: чувствительный элемент, где реализуется термометрическое свойство, и связанный с ним измерительный прибор, который измеряет численные значения этого свойства.

В газовой Т. термометрическим свойством является температурная зависимость давления газа (при постоянном объёме) или объёма газа (при постоянном давлении), соответственно различают — газовый термометр постоянного объёма и газовый термометр постоянного давления. Газовым термометром измеряют термодинамическую температуру. Точность прибора зависит от степени приближения используемого газа (азот, гелий) к идеальному.

В конденсационных термометрах термометрическим свойством является температурная зависимость давления насыщенных паров жидкости. Чувствительный элемент — резервуар с жидкостью и находящимися с ней в равновесии насыщенными парами — соединён капилляром с манометром. Термометрические вещества — обычно низкокипящие газы: кислород, аргон, неон, водород, гелий. Для вычисления температуры по измеренному давлению пользуются эмпирическими соотношениями. Высокоточные термометры (до 0,001 град) служат для реализации реперных точек (см. Международная практическая температурная шкала).

В термометрах жидкостных термометрическим свойством является тепловое расширение жидкостей, термометрическим веществом — главным образом ртуть. При определении температуры не производят измерений объёма жидкости; для этого при изготовлении калибруют капилляр термометра в °С, то есть по его длине наносят отметки с интервалами, соответствующими изменению объёма при заданном изменении температуры. Точность термометра зависит от точности калибровки.

В термометрах манометрических, которые являются приборами технического применения, используются те же термометрические свойства, что и в жидкостных или газовых термометрах.

В термометрах сопротивления термометрическим свойством является температурная зависимость электрического сопротивления чистых металлов, сплавов, полупроводников; термометрического вещества выбираются в зависимости от области температурных измерений и требуемой точности. Для определения температуры по измеренному электрическому сопротивлению пользуются эмпирическими формулами или таблицами.

В термометрах термоэлектрических с термопарой в качестве чувствительного элемента термометрическим свойством является термо-эдс термопары; термометрические вещества разнообразны и выбираются в зависимости от области применения и требуемой точности. Для определения температуры по измеренной эдс также пользуются эмпирическими формулами или таблицами. В связи со спецификой термоэлектрического термометра (дифференциального прибора) его точность зависит от точности поддержания и измерения температуры одного из спаев термопары ("реперного" спая).

Измерительные приборы, которыми определяют численные значения термометрических свойств (манометры, потенциометры, логометры, мосты измерительные, милливольтметры и т. д.), называются вторичными приборами. Термометры технического применения обычно индивидуально не градуируются и комплектуются соответствующими вторичными приборами, шкала которых нанесена в °С.

В диапазоне криогенных (ниже 90 К) и сверхнизких (ниже 1 К) температур, кроме обычных методов измерения температур, применяются специфические (см. Низкие температуры). Это — магнитная термометрия (диапазон 0,006—30 К; точность до 0,001 град); методы, основанные на температурной зависимости Мёссбауэра эффекта и анизотропии g-излучения (ниже 1 К), термошумовой термометр с преобразователем на Джозефсона эффекте (ниже 1 К).

Температурные шкалы (соотношения между еди ницами т-ры в К, °С, °F и °R).

Для обеспечения единства и точности температурных измерений служит Государственный эталон единицы температуры — кельвин, что позволяет в диапазоне 1,5—2800 К воспроизводить Международную практическую температурную шкалу (МПТШ) с наивысшей достижимой в настоящее время точностью. Путём сравнения с эталоном значения температур передаются образцовым приборам, по которым градуируются и проверяются рабочие приборы для измерения температуры. Образцовыми приборами являются германиевые (1,5— 13,8 К) и платиновые [13,8—903,9 К (630,7 °С)] термометры сопротивления, платинородий (90% Pt, 10% Rd) — платиновая термопара (630,7—1064,4 °С) и оптический пирометр (выше 1064,4 °С).

Ареометр (от греч. araiys — cлабый, здесь — жидкий и metréô — измеряю), прибор для измерений плотности жидкостей и твёрдых тел. Устройство ареометра основано на законе Архимеда, из которого следует, что вес жидкости, вытесненной плавающим телом (в данном случае ареометром), равен его весу. По глубине погружения ареометра (объёму вытесненной им жидкости) и весу ареометра можно определить плотность исследуемой жидкости. На практике применяют ареометры двух типов: ареометры постоянного веса (более распространённые) и ареометры постоянного объёма.

Рис. 1. Денсиметр (стеклянный): 1 — полый корпус; 2 — трубчатый стержень; 3 — балласт; 4 — связующее вещество; 5 — шкала плотности; 6 — встроенный термометр; 7 — шкала температуры.

К ареометрам постоянного веса относятся денсиметры (рис. 1), шкалы которых градуируются в единицах плотности (ранее распространённые ареометры со шкалами, градуированными в условных единицах — градусах Бомё, Брикса, Траллеса и др., теперь не допускаются к применению), и ареометры для измерений концентрации растворов, шкалы которых градуируются в % по объёму или по массе.

Многие ареометры, предназначенные для измерений концентрации веществ в определённых жидких смесях и растворах, имеют специальные названия: лактоденсиметры, которыми определяют жирность молока, спиртомеры — содержание спирта в воде, сахаромеры — содержание сахара в сиропах (по массе, в %), и т. д. Плотность у денсиметров отсчитывается непосредственно по шкале. Цена деления шкалы эталонных денсиметров составляет 0,0001, 0,0002 и 0,0005 г/см³, у рабочих (в зависимости от пределов измерений) — от 0,0005 до 0,02 г/см³, у ареометров для измерений концентрации — от 0,1 до 2%.

При измерениях плотности ареометром постоянного объёма (рис. 2) остаётся неизменным объём погруженной части прибора, что достигается изменением веса ареометра. Плотность определяется по массе гирь, снятых или добавленных для того, чтобы ареометр погрузился до метки, указывающей объём вытесненной жидкости. Плотность твёрдых тел измеряют ареометрами постоянного объёма с дополнит-й тарелкой, присоединённой к корпусу ареометра снизу (ареометрические весы).

Рис. 2. Ареометр постоянного объёма: 1 — корпус; 2 — балласт; 3 — связующее вещество; 4 — тарелка для гирь; 5 — кольцевая метка.