Рідинні скляні термометри

ВСТУПВимірювання температур поряд з вимірами інших величин має досить важливе значення в науці і техніку. Сучасне промислове виробництво неможливе без температурного контролю. Досить звернути увагу на такі галузі промисловості, як чорна і кольорова металургія, хімічна і нафтопереробна промисловість, у багатьох технологічних процесах яких температурний контроль має вирішальне значення.Першим приладом, призначеним для температурних вимірів, був повітряний термометр, застосований Галілеєм у 1598 р.У Росії перші кроки в цьому напрямку були зроблені М.В. Ломоносовим (1711-1765 р.), він, розробляючи молекулярно-кінетичну теорію матерії не тільки правильно сформулював поняття абсолютного нуля температурної шкали, але і розробив термометр, оснований на тепловому розширенні рідин.Д.И. Менделєєв у 1898 р. організував першу теплову лабораторію при Головній Палаті міри і ваги. Д.И. Менделєєвим були проведені перші роботи з термометрії.Однак у той далекий час не було установ, що займаються спеціально дослідженнями в області температурних вимірів, як не було і заводів, які випускають прилади для виміру температур. Уся діяльність Головної Палати міри і ваги і її філій зводилася в цій області вимірів тільки до перевірки медичних термометрів.Ці роботи зараз в основному спрямовані на те, щоб забезпечити єдність і точність передачі одиниці виміру температури від еталона до робочого приладу; розширити межі виміру в області низьких і високих температур і підвищити точність виміру; розробити методи й апаратуру для градуювання і перевірок приладів, які вимірюють температури; створити нові методи виміру температур і нові прилади для задоволення потреб промисловості. Над створенням нових конструкцій приладів для вимірювання температур і дослідженнями в області температурних вимірів працюють у даний час багато науково-дослідних і конструкторських організацій країни.Важливі метрологічні роботи були виконані по ВНІІМ І.І. Киренковим, А.Н. Гордовим, Ф.З. Алієвою й іншими співробітниками. Це дослідження з визначення температур реперних точок Міжнародної практичної температурної шкали (МПТШ), метрологічні роботи в області оптичної пірометрії, дослідження нових рівноподілкових ртутних термометрів високої точності.Дослідження, початі в Харківському науково-дослідному інституті метрології (ХГНІІМ) В.В. Кандибою, В.А. Ковалевським, В.Е. Финкельштейном і іншими, завершилися створенням високоточних зразкових оптичних пірометрів і потім перших у світі спектропірометричних компараторів і приладів. Крім того, розроблені в цьому інституті нові методи екстраполяції до високих температур сприяли значному підвищенню точності виміру і розширенню меж виміру в області високих температур.В області низьких температур роботи, виконані у Всесоюзному науково-дослідному інституті фізико-технічних і радіотехнічних вимірів (ВНІІФТРІ) П.Г. Стрєлковим. А.С. Боровик-Романовим, М.П. Орловою, Д.Н. Астровим і Д.І. Шаревською, завершилися створенням практичної температурної шкали від 10 до 90° С. У процесі цих робіт була створена нова конструкція газового термометра без шкідливого об`єму, що за своєю точністю й інших метрологічних характеристиках значно перевершує всі прилади, які застосовувались раніше. Підвищення продуктивності виробництва і покращення якості випускної продукції не можливо без належного метрологічного контролю.

Потужний поштовх розвитку вітчизняного приладобудування пов`язаний з прогресом науки і техніки. Поява нових галузей науки дає можливість створювати нові прилади, які в свою чергу, сприяють подальшому розвитку науки.

На протязі декількох століть прилади створювались і вдосконалювалися силами вчених, винахідників різних областей науки і техніки. Однак, не дивлячись на значний внесок вчених в галузь створення нових приладів задовольняються, головним чином, імпортом.

Бурхливий розвиток промисловості і науково-дослідних структур країни вимагало розширення виробництва приладів, апаратів, пристосувань і інструментів.

Для правильної експлуатації приладів і апаратів в країні були створені і організовані навчальні заклади з інших приладобудівних спеціальностей. Одним з основних для цих спеціальностей являється курс загальних елементів приладів, перетворювачів а апаратів.

Для побудови схем автоматичного контролю і управління використовуються різні типи елементів, так звані проміжні реле, які мають групу контактів замкнутих, розімкнених і переключальних.

За принципом дії вони класифікуються як неелектромагнітні, поляризовані і електронні, а за родом живлення електричним струмом котушок індуктивності - постійного і змінного струмів. Реле різного типу властиві два положення: при відсутності напруги на котушці індуктивності - незбуджений стан і при передачі напруги - збуджений стан, а при переході із одного стану в інший відбувається зміна контактних груп, тобто включається або виключається.Вітчизняна промисловість випускає широкий ряд реле необхідних для застосування їх в приладобудуванні.Індустріалізація сільського господарства встановленням біологічного, агрохімічного і технологічного контролю виробництва на всіх його етапах.При цьому найважливіше значення мають засоби контролю і вимірювання параметрів виробництва, без яких неможливо управляти якістю виробленої продукції.

Роль вимірювальних засобів зростає при створенні автоматизованих виробництв, в тому числі і на тваринницьких комплексах.

Правильність проведених приладами вимірювань і регулювання взаємодій багато в чому залежить від якості і монтажу, технічного обслуговування, а також від кваліфікації слюсарів і монтажників з автоматики.

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА1.1 Призначення, будова та принцип дії рідинних термометрів розширення

Завдяки порівняно високій точності, нескладності пристрою і дешевизні виготовлення скляні рідинні термометри є найбільше розповсюдженими приладами для виміру температур. У залежності від вимог, пропонованих до термометрів, виготовляється багато різних типів і різновидів скляних рідинних (особливо ртутних) термометрів, що відрізняються конструкцією, розмірами, межами виміру й інших технічних характеристик.

Лабораторні термометри загального застосування призначені для вимірів температур у різних лабораторних і виробничих умовах. Дані термометри виготовляються за ГОСТ 215-57 „Термометри лабораторні” і ГОСТ 13646-68 „Термометри скляні ртутні для точних вимірів”.

Технічні термометри загального застосування призначені для вимірювання температур у різних галузях виробництва. Дані термометри виготовляють згідно ГОСТ 2823-59 „Термометри технічні ртутні”. Технічні термометри спеціального застосування призначені для роботи в якій-небудь одній області виміру температур. У цю групу входять термометри: застосовувані при виробництві цукру; акумуляторні; термометри для дезинфекційних камер; електроконтактні з постійною і змінною точками контактування, виготовлені за ГОСТ 9871-61, і деякі інші.

Максимальні ртутні термометри (технічні, метеорологічні, медичні) призначені для виміру найвищої температури за визначений період часу.Мінімальні термометри (метеорологічні), виготовлені по спеціальному стандарті, призначені для виміру найменшої температури повітря за визначений період часу (наприклад, за добу).Принцип дії скляних рідинних термометрів заснований на залежності між температурою й об`ємом термометричної рідини, вміщеної в термометрі.

Основними елементами конструкції термометра є: скляний резервуар із припаяним до нього скляним капіляром; термометрична рідина, що заповнює резервуар і частину капіляра; шкала, градуйована в градусах температури, розташована уздовж капіляра.

При підвищенні температури термометра об`єм рідини збільшується, що помітно по зміні довжини стовпчика рідини в капілярі. При цьому забезпечується однозначна залежність між вимірюваною температурою і висотою стовпчика рідини. Таким чином, довжина стовпчика рідини служить мірою вимірюваної температури, а верхній кінець стовпчика - меніск є покажчиком температури.Зміна об`єму в залежності від температури для будь-якої рідини або твердого тіла характеризується коефіцієнтом об'ємного теплового розширення в. Середнє значення в у температурному інтервалі 0 - t обчислюють по формулі(1)де Vt і Vo - об`єми, що відповідають температурам t і 0°С.У скляному рідинному термометрі при зміні температури змінюється об`єм не тільки термометричної рідини, але й об`єм скляного резервуара. Тому в термометрі спостерігається лише видима зміна об`єму рідини, що дорівнює різниці змін об`ємів рідини і резервуара (і частково капіляра) термометра. У зв'язку з цим при розрахунку конструкції термометра використовують так званий видимий коефіцієнт розширення термометричної рідини в склі в, рівний різниці коефіцієнтів розширення рідини вр і скла вск:Наприклад, для ртуті вр =0,00018 l/град, а для скла вск = 0,00002 1/град, отже, видимий коефіцієнт розширення ртуті в склі дорівнює 0,00018 - 0,00002 = 0,00016 1/град.

Для визначення залежності між основними параметрами термометра і розмірами елементів його конструкції введемо наступні позначення:

Vo - об`єм термометричної рідини при 0°С; tн і t - нижня і верхня межі виміру термометра (початок і кінець шкали);L - довжина шкали (капіляра) між відмітками tп і tк;S - поперечний переріз каналу капіляра (при круглому каналі S = рd2/4, де d - діаметр каналу);

l - довжина градусного інтервалу шкали термометра,

(2)Збільшення об`єму термометричної рідини при нагріванні термометра від t до t, що витісняється у вимірювальний капіляр, повинен дорівнювати об`єму каналу капіляра між поділками tп і tк, (3)Із формул (2) і (3) витікає (4)Таким чином, довжина градусного інтервалу шкали термометра прямо пропорційна об`єму термометричної рідини (приблизно об`єму резервуара), видимому коефіцієнтові розширення рідини в і обернено пропорційна поперечному перерізу каналу капіляра S) Чим більша довжина градусного інтервалу, тим на більше число поділок може бути розділений градус і тим менша ціна розподілу і відповідно вища чутливість термометра і його точність. Як випливає з формули (2), при фіксованій довжині шкали L збільшення довжини градусного інтервалу може бути досягнуто лише при відповідному зменшенні діапазону шкали tк - tп термометра. Найбільш точні і високочутливі скляні ртутні термометри виготовляються з ціною розподілу 0,01-0,02 град і діапазоном шкали від 4-5 до 8-10оС. Для цих термометрів характерний великий об`єм резервуара і малий діаметр каналу капіляра. Однак мінімальна величина перетину каналу і максимальний обсяг резервуара обмежені певними межами.Зі зменшенням перетину каналу капіляра зростає відносна величина сили тертя ртуті об його стінки, що діє на ртутний стовпчик при його русі по капіляру. Унаслідок цього у вузьких капілярах стовпчик ртуті рухається нерівномірно, стрибкоподібно, а при зниженні вимірюваної температури може розірватися. Тому при виготовленні ртутних термометрів використовують капіляри з діаметром каналу не менш 0,1 мм. При перевірці й експлуатації термометрів з вузьким каналом капіляра варто уникати вимірів при досить низьких температурах.Щоб поліпшити видимість стовпчика термометричної рідини і полегшити відлік показників, у термометрах з малим поперечним перерізом каналу капіляра (наприклад, медичних) застосовують капіляри з овальним перерізом каналу або призматичні капіляри, що збільшують видиму ширину ртутного стовпчика.Резервуари термометрів у більшості випадків виготовляють циліндричної або кулястої форми. При однаковому об`ємі резервуар циліндричної форми має велику поверхню, що знижує теплову інерційність термометра. Резервуари термометрів звичайно не виготовляють більше 2,5 см3. Лише у великогабаритних термометрів, які призначені для вимірювання температуру зовнішнього повітря, резервуари значно перевищують зазначену величину. Термометри ж, що мають широкий діапазон шкали, наприклад 0-600° С, характеризуються малим значенням l і великою ціною поділок шкали.

Скляні рідинні термометри по своїй конструкції поділяються на три види: термометри з вкладеною шкалою; паличкові і термометри з зовнішньою шкалою.

У термометрах із вкладеною шкалою прямокутна шкальна пластина і капіляр вкладені в скляну циліндричну (або овального перетину) оболонку, припаяну до резервуара. Шкальні пластини виготовляються переважно зі скла молочного кольору або алюмінію (у медичних термометрів). Кріплення шкальної пластини до оболонки і капіляра повинне забезпечити незмінне положення шкали та капіляра і його безпосереднє прилягання до шкальної пластини. Термометри з вкладеною шкалою найбільш поширені, тому що більш зручні для застосування.

У паличкових термометрах застосовують масивні товстостінні капілярні трубки і резервуар. Шкалу термометра наносять безпосередньо на зовнішній стінці капіляра травленням або іншим способом. Паличкові термометри в більшості випадків виготовляються з капілярів з білою емалевою смужкою, що служить фоном при відліку показників термометра, поліпшуючи видимість шкали і стовпчика термометричної рідини.

У термометрах із зовнішньою (прикладною) шкалою всі основні елементи термометра - шкальна пластина і капіляр з резервуаром, заповненим термометричною рідиною, жорстко закріплені на пластмасовій, дерев'яній або металевій основі. В окремих різновидах термометрів шкалу наносять безпосередньо на металеву основу, як, наприклад, у термометрів, що вимірюють температуру зовнішнього повітря. Один з найбільш розповсюджених термометрів із зовнішньою шкалою - кімнатний термометр.На скляні рідинні термометри існує два загальних державних стандарти: ГОСТ 2045-43 „Термометри скляні ртутні” і ГОСТ 9177-59 „Термометри скляні рідинні (не ртутні)”, до яких установлені технічні вимоги: до матеріалів для виготовлення термометрів; до якості виготовлення окремих елементів термометра і всього термометра в цілому; до способу нанесення поділок і числових позначень шкали термометра і його маркірування: до величин відхилень показників у залежності від ціни поділки і температурного інтервалу.

Крім того, на скляні рідинні термометри встановлені спеціальні стандарти, що регламентують конструкцію і розміри, межі виміру, ціну поділок й інші технічні характеристики термометрів.

Відповідно до вимог ГОСТ 2045-43 ртутні термометри з верхньою межею виміру не вище 200° С можуть бути вакуумними або газонаповненими, а з верхньою межею виміру вище 200° С - тільки газонаповненими. У газонаповнених ртутних термометрів простір над ртутним стовпчиком у капілярі заповнюється інертним газом, наприклад азотом. При цьому тиск газу повинен бути тим більше, чим вища верхня межа виміру, це викликано необхідністю виключити паротворення ртуті в резервуарі при високих температурах. Наприклад, у ртутних термометрів з верхньою межею виміру 700°С тиск газу над ртутним стовпчиком повинен бути не менш 70 кгс/см2.Високоградусні термометри виготовляються звичайно в двох конструктивних варіантах: з розширенням і без розширення у верхній частині капіляра. Термометри, що мають розширення, при виготовленні заповнюють інертним газом під високим тиском, на відміну від термометрів, що не має розширення, які заповнюють інертним газом під нормальним атмосферним тиском при температурі термометра 20°С. У таких термометрів унаслідок стиску газу ртутним стовпчиком, який піднімається, при підвищенні температури тиск над ртутним стовпчиком збільшується до необхідної величини.За методом градуювання і застосування скляні рідинні термометри поділяються на дві груп: термометри, градуйовані при повному зануренні, і термометри, градуйовані при неповному (робочому) зануренні. До перших термометрів відносяться ті, у яких у вимірюване середовище занурюється резервуар і частина капіляра, заповнена термометричною рідиною. Таким чином, у міру підвищення температури глибина занурення термометра повинна збільшуватися. У цих термометрах уся термометрична рідина в резервуарі і капілярі має температуру вимірюваного середовища. До термометрів, градуйованих при неповному зануренні, відносяться ті, які і при градуюванні, і при вимірюванні повинні мати фіксовану глибину занурення, зазначену на шкалі термометра. Таким чином, у цих термометрах завжди частина капіляра, заповнена термометричною рідиною і не занурена у вимірюване середовище, отже, має температуру, відмінну від вимірюваної і близьку до температури навколишнього повітря.

Усі розглянуті термометри за призначенням й областю застосування можуть бути розділені на наступні групи: лабораторні загального і спеціального призначення; технічні загального і спеціального призначення; термометри для сільського господарства (зернові, буртові, кагатні, інкубаторні, ветеринарні й ін.); метеорологічні, що вимірюють: а) температуру повітря, б) максимальну і мінімальну температуру протягом доби, в) температуру ґрунту, г) відносну вологість повітря, а також термометри, застосовувані при інших метеорологічних спостереженнях; побутові (кімнатні, ванні, термометри, що вимірюють температуру зовнішнього повітря, психометричні, медичні максимальні, виготовлені за ГОСТ 302-68).

1.2 Класифікація рідинних термометрів розширення1.2.1 Лабораторні термометриІснує чотири види лабораторних термометрів загального застосування, передбачені ГОСТ 215-57. Кожний має кілька модифікацій у залежності від меж виміру і відрізняється за розмірами, ціною поділки і діапазону шкали, точності виміру.Найбільш важливими для метрологічної практики є лабораторні термометри з ціною поділу 0,1° С і температурним інтepвaлoм шкали 50° С, виготовлені у восьми варіантах в межах виміру для температур від -30 до +350° С і використовувані, зокрема, як зразкові термометри 2-го і 3-го розрядів.Точні лабораторні скляні ртутні термометри виготовляються з великою довжиною градусного інтервалу і малою ціною поділу: 0,01; 0,02; 0,05 і 0,1° С. Природно, що при цьому звужується діапазон шкали термометра і збільшується число термометрів, необхідне для вимірів у широкому температурному інтервалі. Найбільш точними лабораторними термометрами є ртутні рівноподілкові паличкові термометри, розроблені В.П. Простяковим і, що випускаються в даний час приладобудівними заводами.По новому ГОСТ 13646-68 рівноподілкові термометри повинні виготовлятися в чотирьох варіантах, що відрізняються один від одного ціною поділки температурним інтервалом шкал і іншими технічними характеристиками, наведеними в табл. 1.Таблиця 1 - Деякі технічні характеристики термометрівПримітка: зазначені значення допустимих похибок дійсні при вертикальному положенні термометра і нормальному тиску.Відмінною рисою методики виміру температури лабораторними і зразковими термометрами є введення поправок у їх показання для виключення систематичних похибок.Градуювальні систематичні похибки визначають заздалегідь при перевірці термометра, складаючи таблиці поправок до показників термометра. Систематичні зміни показників термометра внаслідок його старіння повинні періодично контролюватися за положенням нульової точки, тобто за показниками термометра, зануреного в лід, який тане. Тому на шкалі лабораторного термометра повинна бути нульова поділка. Якщо нижня межа виміру термометра вище 0°С, то нульову точку наносять на додаткову шкалу, що має кілька відміток нижче і вище нульової. (Положення нульової точки, визначене в результаті перевірки, зазначено у паспорті на термометр.) На капілярі, розміщеному між додатковою й основною шкалою, роблять розширення. Об`єм цього розширення дорівнює збільшенню об`єму ртуті при нагріванні термометра від 0°С до температури, що відповідає нижній межі основної шкали. Термометри такої конструкції називаються термометрами з укороченою шкалою.Лабораторні термометри спеціального застосування призначені для роботи в лабораторних і виробничих умовах при вимірюванні температур в одній області. До цієї групи відносяться термометри калориметричні, метастатичні, що вимірюють температуру при дослідженнях нафтопродуктів, і деякі інші.У багатьох дослідах часто виникає необхідність точного (до тисячних часток градуса) виміру невеликих різниць температур або незначних змін температури. Це необхідно, наприклад, при калориметричних вимірах теплотворної здатності палива або теплоємності тіла, а також при визначеннях зниження точки замерзання розчинів і підвищення точки кипіння рідин. Для таких вимірів використовують високочутливі термометри з ціною поділу шкали 0,02-0,01°С і менше - калориметричні і метастатичні.Калориметричні термометри застосовують в основному при вимірі кількості теплоти і теплоємності тіл. Для цих термометрів характерний невеликий градусний інтервал шкали, переважно 15-25°С, градуйованої при неповному зануренні.Метастатичні термометри призначені тільки для виміру малих різниць температур від 0,001 до 5°С (але не для виміру абсолютного значення температури). Вони мають умовну шкалу, що градуйована від 0 до 5 або 6°С. Ціна найменшої поділки 0,01°С.Метастатичні термометри - це термометри змінного наповнення, тому що особливістю їх конструкції є наявність додаткового, запасного, резервуара у верхній частині капіляра. Переливаючи частину ртуті з основного резервуара в запасний або назад, можна змінювати межі виміру термометра в досить широкому температурному інтервалі від -20 або від 0 до +150° С. Такі межі має додаткова шкала, розташована уздовж запасного резервуара. Ця шкала служить для орієнтованого визначення кількості ртуті, яка повинна бути перелите в запасний резервуар, щоб одержати необхідні межі виміру термометра. Наприклад, якщо необхідно замість межі виміру 10-15° С налагодити термометр на межу 35-40° С, то термометр перевертають резервуаром вгору, злегка струшують, щоб ртуть почала перетікати з основного резервуара в запасний. Коли меніск ртуті в запасному резервуарі дійде до оцінки 35° С, термометр повертають у нормальне положення і легким поштовхом відриваються ртутний стовпчик від ртуті, що знаходиться в запасному резервуарі. Нижня межа виміру при цьому буде ~35°С, а верхня 40° С. Для більш точного вимірювання і визначення меж виміру показників метастатичного термометра порівнюють з показниками термометра-зразка.При переході до вимірів більш низьких температур роблять зворотну операцію: частину ртуті з запасного резервуара переливають в основний. При зміні кількості ртуті в основному резервуарі змінюється і значення градусного поділу шкали термометра, а саме: при зменшенні кількості ртуті в основному резервуарі значення градусного поділу збільшується і навпаки. Наприклад, якщо при межах виміру термометра від 0 до 5° С середнє значення градусного поділу шкали дорівнює 1,000° С, то при межах виміру від 145 до 150°С це значення буде ~ 1,050°С, тобто збільшиться на ~5%. Зміна порівняно невелика, але при точних вимірах повинна бути врахована, тому при перевірці метастатичних термометрів визначають середнє значення градусного поділу для різних температур і результати приводять у свідоцтві у вигляді таблиці.Джерелами похибок показників метастатичних термометрів є також нерівномірність перетину каналу капіляра і похибки в нанесенні поділок шкали. Для виключення зазначених неточностей у показниках термометрів вносять виправлення на калібр, установлені при перевірці і занесені у свідоцтво. Таким чином, для одержання правильного значення вимірюваної різниці температур спочатку вносять виправлення на калібр на перший і другий показники термометра, потім знаходять різницю виправлених показань, що множать на значення градусного поділу термометра (для даного діапазону температур).1.2.2 Технічні термометриТехнічні термометри загального застосування (рис. 1) є найбільш розповсюдженими термометрами загально-промислового призначення. У залежності від меж виміру їх виготовляють у 11 модифікаціях для температурного діапазону 0-500° С. За формою нижньої частини технічні термометри поділяються на прямим і кутові - з кутом 90 і 135 град. У залежності від довжини нижньої частини в межах 80-2000 мм технічні термометри мають 16 різновидів, у залежності від довжини верхньої частини - три.

Технічні термометри градуюють при зануренні всієї, нижньої частини, тому в експлуатаційних умовах показники їх будуть правильними тільки в тому випадку, якщо резервуар і вся нижня частина термометра мають температуру вимірюваного середовища, а верхня частина - таку ж, як і при градуюванні термометра.

Якщо технічні термометри служать як стаціонарні для контролю температури в різних технологічних процесах, то їх встановлюють у спеціальні металеві оправи. Похибки показників, які допускається, для технічних термометрів дорівнює ціні поділки.Рис. 1 - Технічний термометр (прямий)Більш докладно варто зупинитися на характеристиці електроконтактних термометрів.

Скляні ртутні електроконтактні термометри застосовуються в схемах сигналізації або регулювання температури як первинні прибори-контактори, які замикають і розмикають електричні ланцюги при певних температурах.

По конструкції електроконтактні термометри поділяються на два типи: 1) ТЗК, що замикають і розмикають електричні ланцюги при одній, двох або трьох заданих і визначених для кожного даного термометра температурах;

2) ТПК із магнітним регулюванням контакту, що замикають і розмикають електричні ланцюги при будь-якій температурі в межах шкали термометра.

Термометри ТЗК мають у нижній частині капіляра й у точках, що відповідають заданим температурам контактування (одне, два або три), упаяні металеві дротики, до зовнішніх кінців яких припаяні вивідні проводи, які йдуть до затискачів голівки термометра. При підвищенні температури термометра до заданої меніск ртутного стовпчика доходить до відповідного контакту і замикає електричний ланцюг.Схема пристрою термометра ТПК із змінною точкою контактування і магнітним регулюванням контакту показана на рис. 5. Один контактний дріт упаюють у нижню частину капіляра, а інший - у верхню і через контактну спіраль електрично з'єднують з тонким пружним вольфрамовим дротом 5, прикріпленим до гайки 3. На верхньому кінці гвинта 4 знаходиться маленький магніт 2, який можна разом із гвинтом повертати за допомогою магніту 1, насадженого зовні на голівку термометра. При обертанні магніту 1 і гвинта 4 по годинній стрілці гайка піднімається, а при зворотному обертанні опускається. Одночасно піднімається або опускається дріт 5 (доти поки нижній кінець його не буде встановлений на необхідну температуру контактування). Верхня шкала термометра ТПК є допоміжною і служить для установки необхідної температури контактування при контакті нижнього обрізу гайки 3 з відповідною поділкою допоміжної шкали. Як видно з поперечного розрізу капіляра і гайки, форма їх перетину овальна, і тому гайка 3 не може повертатися при обертанні гвинта 4.Щоб запобігти забрудненню й окислюванню контакти і меніск ртутного стовпчика електроконтактних термометрів, простір над ртутними стовпчиками заповнюють воднем і обмежують потужність, яка включається за допомогою контакту (струм не більш 0,5 мА, напруга до 0,3 В).1.2.3 Максимальні і мінімальні термометриМаксимальні ртутні термометри характеризуються тим, що показники їх при підвищенні температури збільшуються, а при зниженні температури не зменшуються. Якщо за деякий проміжок часу максимальний термометр був під впливом температури, яка змінюється, то його показання будуть відповідати максимальній температурі за зазначений період. Це досягається завдяки пристрою різкого звуження каналу капіляра, що перешкоджає спаданню ртутного стовпчика. Звуження капіляра конструктивно виконують у двох варіантах: сплющенням капіляра в розм'якшеному стані, коли на місці сплющення залишається лише вузький щілиноподібний прохід для ртуті (рис. 2, а), і установкою тонкого круглого скляного стерженька - штифта, один кінець якого припаяний до дна резервуара, а інший входить у капіляр овального перетину і перекриває велику частину каналу (мал. 6,б). У місці звуження капіляра ртутний стовпчик виявляється відірваним від маси ртуті, розміщеної в резервуарі, і утримується силою поверхневого натягу в меніску ртуті. Лише при струшуванні термометра ртутний стовпчик набуває прискорення, у десятки разів перевищуюче прискорення сили ваги, що приводить до такого ж зростання сили тиску ртутного стовпчика на меніск, і ртуть проштовхується в резервуар. Така ж перешкода звужений капіляр виникає і при русі ртуті з резервуара в капіляр при підвищенні температури термометра. Тому на відміну від звичайних термометрів, для яких, як правило, характерно плавне безперервне підвищення меніска ртутного стовпчика при нагріванні термометра, у максимальних термометрах ртуть через звуження капіляра продавлюється краплями. Це обумовлює стрибкоподібне підвищення показників термометра і служить причиною варіації показників, що погіршує відтворюваність показників максимальних термометрів. Наприклад, у медичних термометрів спостерігається варіація показників, яка дорівнює в середньому 0,03° С.Рис. 2 - Пристрої, що утримують ртутний стовпчик у максимальному медичному термометрі: а - щілиноподібний; б - штифтовий Характерною рисою конструкції мінімального спиртового термометра є спеціальний скляний штифт, що знаходиться в стовпчику рідини капіляра. Штифт служить показником мінімальної температури і може вільно переміщуватися по капіляру.Для підготовки до вимірів термометр перевертають резервуаром вгору, при цьому штифт унаслідок більшої щільності скла в порівнянні з щільністю спирту переміщується від початку шкали до меніска стовпчика рідини. Поверхневий натяг рідини в меніску утримує штифт від виходу зі стовпчика рідини. Потім термометр приводять у горизонтальне положення і поміщують у метеорологічну будку. При зниженні температури меніск стовпчика рідини рухається до початку шкали і штовхає штифт у тому ж напрямку. Таким чином, при зниженні температури положення верхнього кінця штифта збігається з положенням меніска. Якщо температура буде підвищуватися, то штифт залишиться на місці і за положенням його верхнього кінця можна визначити мінімальну температуру за відомий проміжок часу.1.2.4 Термометричні рідиниУ якості основних термометричних рідин для заповнення скляних рідинних термометрів застосовують ртуть, гас, толуол, етиловий спирт, петролейний ефір і пентан. Температурні межі застосування цих рідин і їхні середні коефіцієнти об'ємного теплового розширення наведені в табл. 2.З термометричних рідин найкращими властивостями володіє ртуть: вона не змочує скла, що дає можливість застосовувати капіляри з досить малим діаметром каналу (до 0,1 мм), що забезпечують виготовлення високочутливих і точних термометрів з ціною поділу 0,01-0,02° С. Ртуть залишається рідкою в широкому температурному інтервалі від -38,87 до +356,58° С (при нормальному атмосферному тиску). При підвищеному тиску, створюваному над ртутним стовпчиком, у високоградусних термометрів верхня межа застосування підвищується до 600° С, а в термометрів, виготовлених із плавленого кварцу, верхня межа може бути підвищений до 750 і навіть до 1200° С. Ртуть є хімічним елементом і порівняно легко очищається, що забезпечує прекрасну відтворюваність властивостей термометричної рідини.Завдяки цим досить важливим якостям ртуті ртутні термометри одержали найбільше поширення.Таблиця 2 Як видно з табл. 2, ртуть істотно відрізняється від інших термометричних рідин по величині коефіцієнта об'ємного розширення, що у ртуті в шість-вісім раз менше, ніж в інших рідин. Це властивість ртуті має свої позитивні і негативні сторони.Всі інші термометричні рідини є органічними рідинами складного складу. Вони безбарвні і прозорі, за винятком гасу, що має слабкий жовтий колір. Щоб полегшити відлік показань термометра, ці рідини в більшості випадків забарвлюють різними барвниками в сині, червоний або коричневий кольори. У деяких випадках застосовують спосіб так званого видимого забарвлення - колюкс, коли на шкалу під капіляром наносять чорну лінію. Оптичне збільшення ширини цієї лінії стовпчиком рідини в капілярі створює ефект забарвленої в чорний колір рідини.Найбільш істотний недолік органічних рідин у порівнянні з ртуттю у тім, що всі ці термометричні рідини змочують скло. Це викликає необхідність застосування капілярів з великим діаметром каналу, а також є джерелом додаткових похибок.Однак у порівнянні з ртуттю органічні рідини володіють і рядом переваг. Вони мають більш низькі нижні температурні межі застосування, дешеві і менш шкідливі у виробництві.1.2.5 Термометричні стеклаУ той час як залежність між температурою й об`ємом ртуті в термометрі є однозначною і, отже, кожному значенню температури відповідає строго визначений об`єм ртуті, при тепловому розширенні скляного резервуара виявляються ефекти термічних післядій у склі: старіння і депресія, що порушують однозначну залежність об`єму резервуара від температури. Термічні післядії в склі є основною причиною нестабільності показань скляних ртутних термометрів.Старіння термометра виявляється як тривалий процес зменшення об`єму резервуара. При виготовленні термометра після обробки резервуара на склодувному пальнику відбувається швидке охолодження скла, і в стінці резервуара з'являються напруження, яке поряд зі структурними змінами в склі є причиною наступного зменшення об`єму резервуара. Об`єм резервуара зменшується поступово за загасаючою кривою і на протязі багатьох років. Унаслідок старіння показники термометра при будь-якій фіксованій температурі (у межах його шкали) збільшуються.Депресія термометра виявляється в тимчасовому залишковому розширенні резервуара і зменшенні показників, які виявляються після кожного нагрівання термометра і наступного швидкого його охолодження.За зміною показань термометра внаслідок старіння або депресії легше за все спостерігати за показниками термометра, який занурений в лід, що тане. У процесі старіння положення нульової точки термометра систематично підвищується. Точно така ж зміна показань буде і у всіх інших точках шкали термометра, що полегшує введення виправлень для уникнення даної похибки.У результаті депресії положення нульової точки термометра тимчасово знижується, але через порівняно невеликий проміжок часу (від двох до п'яти днів) воно стає початковим.Величини зміни показань термометрів унаслідок старіння і депресії залежать від наступних факторів: сорту скла; технології виготовлення термометра; температурного режиму його роботи і, зокрема, верхньої температурної межі застосування; термометричної рідини.У початковий період розвитку термометрії, коли скляні ртутні термометри виготовлялися з будь-якого наявного скла, зміни їх показань за рахунок термічних післядій у склі було досить значні. Наприклад, у термометрів, що довгостроково застосовувалися для вимірів температур вище 300° С, положення нульової точки змінювалося на десятки градусів. З часом були розроблені спеціальні сорти термометричних стекол, у яких термічні післядії були значно менші, ніж в інших сортів. В даний час усі скляні рідинні термометри виготовляються тільки з термометричних стекол. Широко відомі німецькі термометричні стекла: ієнське 16'", ієнське 59'". Перше застосовують для виготовлення термометрів з верхньою межею виміру не вище 360°С, друге - для виготовлення високоградусних термометрів з верхньою межею виміру до ~500о С.У даний час для виготовлення термометрів з верхньою межею виміру не вище 360°С застосовують термометричне скло, хімічний склад якого й інші технічні характеристики встановлені ГОСТ 1224-41. Термометри з верхньою межею виміру вище 360°С виготовляють зі спеціального термометричного боросилікатного скла, аналогічного ієнському 59"'. За останній період розроблені нові сорти термометричних стекол 600 і 700, що значно перевершують боросилікатне стекло 59"', тому що мають досить малий ефект термічної післядії.Істотно зменшують зміну показань термометрів унаслідок їх старіння також спеціальними технологічними операціями, а саме: обпалюванням і штучним старінням при виготовленні термометрів. Обпалювання проводиться шляхом витримки заготівель термометрів (ампул), не заповнених термометричною рідиною, при температурі, яка близька до температури розм'якшення скла, і наступного повільного охолодження ампул. Штучне старіння, якому піддають високоградусні термометри, полягає у витримці термометрів (заповнених ртуттю) протягом - 10 годин при температурі, що відповідає верхній межі виміру термометрів, після чого термометри повільно прохолоджують до кімнатної температури.

Страницы: 1, 2