Термометрические жидкости

Табл.1

Жидкость	Возможные пределы применения, °С			Средний коэффициент объёмного теплового расширения °К
	нижний	верхний	действи тельный		видимый
Ртуть	-35	750	0,00018		0,00016
Толуол	-90	200 70	0,00109		0,00107
Этиловый спирт	-80	70	0,00105		0,00103
Керосин	-60	300	0,00095		0,00093
Петролейный эф.	-120	25	0,00152		0,00150
Пентан	-200	20	0,00092		0,00090

Манометрические термометры. Их действие основано на изменении давления ΔР рабочего вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его температуры ∆t. По конструкции манометрические термометры всех типов практически одинаковы и состоят из термобаллона, манометрической трубчатой пружины (одно- или многовитковой, в виде сильфона) и соединяющего их капилляра (рис. 2). При нагревании термобаллона, помещенного в зону измерения температуры, давление вещества внутри замкнутой системы возрастает. Это увеличение давления воспринимается пружиной, которая через передаточный механизм воздействует на стрелку прибора. В зависимости от того, чем заполнены термобаллоны, различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры.

Рис. 1. Термометры расширения: Рис.2. Манометрический термометр. а-палочный; б-с вложенной шкалой. 1 - термобаллон; 2-капилляр; 3-трубчатая пружина 4- держатель; 5-поводок; 6-сектор (4-6-передаточный механизм. В газовых термометрах (обычно постоянного объема) изменение температуры идеального газа пропорционально изменению давления, под которым рабочее вещество (N₂, He, Аг) полностью заполняет термосистему прибора. В диапазоне измеряемых температур (от - 120 до 600 °С) различия свойств идеальных и реальных газов учитываются при градуировке термометров. В основу работы жидкостных термометров, термобаллоны которых полностью заполнены кремнийорганическими жидкостями, положена линейная зависимость изменения ее объема от температуры, что определяет равномерность шкал данных приборов. Пределы измерений от - 50 до 300 °С. В конденсационных (парожидкостных) термометрах измеряют давление насыщен-ного пара над поверхностью низкокипящей жидкости (ацетон, метилхлорид и др.), заполняющей термосистему на 2/3 ее объема. Изменение этого давления непропорционально изменению температуры, 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 технологические приборы; при большой длине капилляра (до 60 м) могут служить дистанционными термометрами. Погрешность измерений примерно 1,5% от максимального значения шкалы при нормальном давления. В случае отклонений от них возникают дополнительные погрешности, которые определяются расчетом или компенсируются. Термометры сопротивления. Измерение (с высокой точностью) температуры основано на свойстве проводников (металлы и сплавы) и полупроводников (например, оксиды некоторых металлов, легированные монокристаллы кремния Si или германия Ge) изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. С её повышением для проводников сопротивление увеличивается, для полупроводников-уменьшается. Количественно такая зависимость выражается температурным коэффициентом электрического сопротивления (ТКЭС, °С^-1)· Эти термометры состоят из чувствительного элемента (термоэлемента) и защитной арматуры. Наиболее распространены термометры с термоэлементами из чистых металлов, особенно Pt –платины-(ТКЭС = 3,9·10^-3) и Сu –меди-(4,26·10^-3). Конструктивно чувствительный элемент представляет собой металлич. проволоку, намотанную на жесткий каркас из электро-изолирующего материала (например, слюда, кварц) или свернутую в спираль, которая герметично помещена в заполненные керамическим порошком каналы каркаса (рис. 3). Платиновые термометры применяют для измерения температур в пределах от - 260 до 1100°С, медные-от - 200 до 200 °С. Платиновый либо медный чувствительный элемент, вставленный в гильзу (из бронзы, латуни или нержавеющей стали), на конце которой имеются выводы (клеммы) для присоединения к головке термометра, называют термометрической вставкой. Последняя может входить в состав прибора либо использоваться отдельно как датчик температуры. Для измерения сопротивления термометров используются мостовые схемы. Простейшая из них-двухпроводная (рис.4). Если сопротвления R₁ и R₂ одинаковы, то при равенстве сопротивлений R₃ и R_т (сопротивление термометра) ток через гальванометр (регистрирующий прибор) равен нулю. При нарушении равенства R₃ = R_т в приборе появляется ток. При нагревании (или охлаждении) термометра сопротивления меняется его сопротивление и равновесие моста нарушается, в измерительном приборе (гальванометре) появляется ток.

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

Рис.4 Мостовая двухпроводная схема.

Изменяя сопротивление R₃ , можно снова достичь равновесия моста и , следовательно, определить новое значение сопротивления термометра( при другой температуре). Сопротивление платиновой проволоки высокой чистоты меняется от температуры следующим образом: R_т= R₀[1+AT + BT² + CT³(T-100)] - для интервала температур -200⁰С <Т< 0⁰С Здесь, R_т - сопротивление при T°C, R₀ - сопротивление при 0 °C, и константы (для платинового сопротивления) . В интервале температур 0⁰ + 650⁰С зависимость сопротивления платины от температуры упрощается R_т= R₀[1+AT + BT²]. Сопротивление при нуле градусов R₀ и коэффициенты A, B и C определяют, изме-ряя сопротивление термометра R_т в так называемых реперных точках, температура которых известна. Для этого термометр помещают в специальные термостаты, вос-производящие температуру реперных точек. После того, как коэффициенты определены, по приведенным выше уравнениям можно рассчитать сопротивление при любой температуре. Составлены подробные таблицы зависимости сопротивления платинового термометра от температуры через 0,1⁰С для широкого интервала температур. Это позволяет найти температуру среды, куда помещён термометр сопротивления, измерив его сопротивление. Для изготовления платиновых термометров сопротивления используют платину разной степени чистоты, а следовательно и с разным температурным коэффициентом сопротивления. Поэтому их различают, вводя номер градуировки: гр.20, гр.21, гр.22. Сопротивление R₀ у них соответст-венно равно 10 ом, 46 ом и 100 ом. И в таблицах зависимости R_т от Т обязательно указывается номер градуировки. У медных термометров сопротивления зависимость сопротивления от температуры имеет более простой вид: R_т= R₀[1+AT]. Используют их в интервале температур (-50⁰С + 180⁰С. Изготовляют их двух типов: гр.23, R₀=53 ом и гр.24, R₀=100 ом. Для нахождения R₀ и коэффициента А достаточно измерить сопротивление термометра в двух реперных точках. Медные термометры проще в изготовлении, дешевле платиновых, но менее надёжны. Технические термометры сопротивления работают в комплекте с измеряющими электрическое сопротивление вторичными приборами (например, автоматические уравновешенные мосты, логометры), шкалы которых градуированы непосредственно в °С. Равновесие моста обеспечивает сложная электро-механическая схема с вращаю-щейся шкалой, на которой нанесены градусы.

Реперная точка Обозначение Температура по МТШ-90, °С

Тройная точка водорода - 259,34

Тройная точка кислорода - 218,789

Тройная точка воды TPW 0,01

Точка плавления галлия Ga 29,7646

Точка затвердевания индия In 156,5985

Точка затвердевания олова Sn 231,928

Точка затвердевания цинка Zn 419,527

Точка затвердевания алюминия Al 660,323

Точка затвердевания серебра Ag 961,3

Точка затвердевания золота Аu 1064,43

Процессы плавления и затвердевания металлов реализуются в специальных ячейках. Металл заплавляется в тигли, изготовленные из графита высокой плотности и чистоты. Тигли помещаются в капсулы из пирекса или кварца, заполненные инертным газом (обычно аргоном или гелием). При изготовлении ячейки важно не допустить попадания кислорода и паров воды в металл, обеспечить высокую чистоту инертного газа и всех, используемых при заплавке металла материалов. Повышение точности реализации реперной точки достигается применением ячеек открытого типа, в которых давление газа в капсуле может регулироваться и поддерживаться равным 101325 Па в течение фазового перехода. Для реализации точки плавления галлия используется ячейка из фторопласта высокой чистоты.

Для осуществления плавления и затвердевания металлов применяются печи и термостаты. Основное требование - обеспечение равномерного температурного поля на длине тигля с металлом, что необходимо для правильного формирования и продвижения границы двух фаз. При температурах выше 600 °С рекомендуется использовать печи с тепловыми трубами, при более низких температурах могут использоваться печи с тремя нагревателями без тепловых труб.

Первичный эталон единицы температуры создан в период с 1955 по 1971 в ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и утвержден в качестве Государственного эталона 28 декабря 1972 г. Изменение состава эталона проходило в 1992 г. Номер ГПЭ по Госреестру ГЭТ 34-92. В связи с введением новой международной температурной шкалы МТШ-90 состав эталона был изменен также в 1998 г.

Создание и совершенствование эталона единицы температуры является основной научной работой термометрической лаборатории ВНИИМ на протяжении всего периода существования лаборатории.

В период 1949 - 1960 г.г. с целью повышения точности реализации практической температурной шкалы разработаны и исследованы равноделенные ртутные стеклянные термометры с ценой деления 0,01 °С для диапазона 0 ... 300 °С.

В 1950 - 1954 г.г проводились работы по повышению точности воспроизведения и передачи единицы температуры в точке 0 °С. Вместо опорной точки таяния льда, применявшейся ранее, разработана, изготовлена и исследована ампула тройной точки воды.

В 1955 - 1964 г.г. исследовалась возможность повышения точности электрических измерений, применяемых в термометрии. Разработаны герметизированные золото-хромовые меры электрического сопротивления не кратные десяти, что исключило введение поправок на декады потенциометра. В качестве электроизмерительной аппаратуры применены семидекадные мосты.

В 1960 - 1970 г.г. для повышения точности воспроизведения и передачи размера единицы температуры в диапазоне 400 - 1100 °С вместо платинородий - платиновых термопар разработаны высокотемпературные платиновые термометры сопротивления.

В период с 1970 по 1977 г.г. с целью оснащения территориальных органов Госстандарта в лаборатории были разработаны, изготовлены и переданы для серийного производства термостатные установки с водяным, масляным и оловянными теплоносителями. Термостаты были предназначены для массовой поверки контактных термометров в диапазоне от 0 до 600 °С. В 1985-1990 г.г был разработан и выпущен в серийное производство автоматизированный комплекс для реализации реперных точек шкалы, включающий новые печи с тремя нагревателями и систему управления режимом их работы САУРТ. Такими печами начали оснащаться все региональные метрологические центры.

В 1990-1998 г.г. основным научным направлением являлась разработка и исследование эталонных платиновых термометров сопротивления. Были проведены Государственные приемочные испытания эталонных термометров ПТС-10М и ВТС, разработаны методики их применения и поверки, утверждены соответствующие стандарты. Ряд работ, проведенных в 1990-1992 г.г. во ВНИИМ и НИСТ, подтвердил возможность применения российских ВТС в диапазоне выше 961,78°С - установленного МТШ-90 предела для платиновых термометров. Были исследованы и внедрены методики аппроксимации шкалы до 1084 °С. В последнее десятилетие постоянные работы ведутся по совершенствованию эталона: настройке аппаратуры для реализации реперных точек, подбору оптимальных температурных полей в печах и получению длительных фазовых переходов, проведению ключевых международных сличений. В 1999-2001 гг. была создана система для откачки ампул ГПЭ, заполнения их аргоном и точного регулирования давления в ампулах во время фазового перехода. В 2002-2006 гг. была проведена замена регуляторов температуры в эталонных печах на современные цифровые

регуляторы. Полупроводниковые термометры, или терморезисторы (рис. 4), выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб или бусинок (размеры от нескольких мкм –микрон, тысячная доля миллиметра- до нескольких см). Они обладают высоким ТКЭС [(3-4)·10^-2 °С^-1] и соответственно большим начальным электрическим сопротивлением, что позволяет снизить погрешность измерений. Основные недостатки, ограничивающие широкое внедрение данных приборов в термометрию- плохая воспроизводимость их характеристик (исключается взаимозаменяемость) и сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от - 60 до 180°С). Терморезисторы используют для регистрации изменений температуры в системах теплового контроля, пожарной сигнализации и др.

Рис. 4. Терморезисторы: а-стержневой (1-эмалированный

Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектрического преобразователя и вторичного прибора. Термоэлектрический преобразователь (ТЭП, термопара-устаревшее)-цепь из двух (рис. 5, а) или нескольких соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Действие ТЭП основано на эффекте Зеебека: если контакты (как правило, спаи) проводников, или термоэлектродов, находятся при разных температурахх, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс), значение которой однозначно определяется температурами "горячего", или рабочего (t), и "холодного", или свободного (t₀), контактов и природой материалов, из которых изготовлены термоэлектроды. Проволочные термоэлектроды ТЭП помещают в стальной или керамический чехол, подключая свободные концы к выводам с крышкой; изолируют один от другого по всей длине от горячего спая керамичес-кими изоляторами (рис. 5). Рабочий спай изолируют от чехла керамическим наконеч-ником. Горячую часть ТЭП (со стороны рабочего спая) погружают в объект измерения температуры. Стандартные ТЭП имеют различные конструктивные ис полнения и могут отличаться следующими признаками: способами контакта с исследуемой средой –погружные и поверхностные, числом рабочих спаев (одинарные, двойные); длиной погружаемой части и т. д. Для измерений термоэдс ТЭП работают в комплекте с вторичными приборами (милливольтметрами, потенциометрами и др.).

Рис. 5 . Термоэлектрический преобразователь: устройство; 1-рабочий спай; 2-изолятор; 3-чехол; 4-выводы

На сегодняшний день термопары получили наибольшее распространение среди датчиков измерения температу

р ы. Использование термопар в большом диапазоне температур более эффективно по сравнению с такими решениями, как термопреобразователь сопротивления (ТПС), термистор, или интегральный датчик температуры (ИДТ).

Рис. 6. Автоматический потенциометр

Термопары используются, например, в автомобилях или бытовой технике. Вдобавок, их надежность, стабильность и малое время отклика делают термопары наилучшим выбором для многих видов оборудования. Однако и в применении термопар есть некоторые сложности, в первую очередь - значительная нелинейность характеристик. К тому же, ТПС и ИДТ обычно обладают лучшими характе-ристиками по чувствительности и точности, что важно для прецизионных (точных) решений. Выходной сигнал термопары имеет очень малый уровень и требует усиления или применения цифровых преобразователей высокой разрядности для обработки сигнала. Но, несмотря на все перечисленные недостатки, низкая стоимость, легкость применения и широкий температурный диапазон до сих пор являются при-чинами популярности термоэлектрических преобразователей. В труднодоступных местах и сложных условиях окружающей среды там, где непосредственное наблюдение с помощью обычных приборов невозможно там, где радиоволны или электромагнитные помехи создают проблемы там, где существует чрезвычайно высокая температура окружающей среды используют пирометры. Волоконно-оптическая система объективов выдерживает окружающую температуру до 315 ⁰С без охлаждения и до 540 ⁰С с охлаждением там, где коррозийность, темнота, пары, дым и т.п. препятствует использованию обычных систем. Диапазон температур от 350 до 3000 ⁰С.

.

Стационарные тепловизоры специально предназначены для автоматического обнаружения температурных аномалий (областей с высокой или низкой температурой) в диапазоне от -40С до 2000С.

Цифровой термометр DT-300.

Цифровой термометр DT-300 для измерения температуры в труднодоступных местах. Брызгозащитное исполнение позволяет использовать термометр во влажной среде или на открытом воздухе. Отличительные особенности: быстрота измерений, функция удержания данных, память на минимальное и максимальное значение. Дополнительным плюсом является возможность установки температурного диапазона: если измеряемая величина выходит за его пределы, то раздается звуковой сигнал. Измерительный щуп может крепиться на корпусе, длина провода 90 см. Технические данные: температурный диапазон от -50°С до +300°С. Цикл измерения 1 секунда. Разрешение 0,1°С. Точность ±1°С. Напряжение питания 3 В (2 батарейки типа ААА). Размер 137х72х25 мм. Длина щупа: 144 мм + 120 мм (ручка).

ИК термометр IR-230.

ИК термометр IR-230 для бесконтактного измерения температуры. Отличительными особенностями являются миниатюрные размеры, прочный корпус и небольшая цена. Бесконтактный термометр имеет память минимального/максимального значения, автоматическое удержание данных на дисплее, функцию длительного измерения. Технические данные: измеряемый диапазон от -35°С до +230°С, разрешение 0,1°С, точность ±2% от измеряемой величины, цикл измерений менее 1 сек, степень эмиссии 0,95 (не регулируется), оптическое разрешение 1:1 (диаметр измеряемого пятна равен расстоянию до объекта), вес 25 грамм, размеры 40х75х20 мм. Питание от батарейки CR-2023 (входит в комплект поставки). Менее распространены акустические, магнитные и некоторые иные термометры Существуют термометры специального назначения, например гипсотермометры (для измерения атмосферного давления по температуре кипящей жидкости), метеорологические (для измерений главным образом на метеостанциях), глубоководные (для измерений температуры воды в водоемах на различных глубинах). Выполнение работы. Задание 1. Описать термометры, находящиеся на стенде: название, интервал измерения температуры, цену деления, погрешность измерения. Данные занести в таблицу 2 Табл. 2

№ п/п	Наименование прибора, тип, марка	Интервал темпер-р	Цена деления	Погрешн. измерен.	Температура
1
2
3
4
5

Задание 2. Изучить устройства , используемые при измерении температур с помощью термометров сопротивления и термопар. Данные занести в табл.4

№ п/п	Наименование прибора, тип, марка	Интервал темпер-р	Цена деления	Погрешн. измерения
1
2
3
4
5

Задание 3. Опустить в сосуд, заполненный водой с тающим льдом термометры стеклянные, термопару и платиновый термометр сопротивления . Показания всех приборов занести в табл. 3 (последний столбец). Сравнить показания, с учётом погрешности измерений приборов.