Устройство и принцип действия жидкостных термометров

Самые старые устройства для измерения температуры — жидко­стные стеклянные термометры — используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров осно­вано на различии коэффициентов теплового расширения термомет­рического вещества и оболочки, в которой оно находится (термо­метрического стекла или реже кварца).

Жидкостной термометр состоит из стеклянных баллона 1, ка­пиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 3-1). Термомет­рическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капил­лярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом (при температурах меньше +100°С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капил­лярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

О температуре судят по величине видимого измене­ния объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капил­ляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложен­ной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале темпера­тур. Некоторым недостатком ртути является малое зна­чение ее коэффициента расширения. Нижний предел из­мерения ограничивается температурой затвердевания ртути и ра­вен минус 35°С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600°С у об­разцовых термометров и 500°С у технических (ГОСТ 2823—59). При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько уве­личивается.

Так как температура кипения ртути при нормальном атмо­сферном давлении равна 356,58°С, то для термометров, предназна­ченных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под дав­лением. Для термометров со шкалой до 500°С давление газа дости­гает 20 бар (20- 10⁵ н/м²).

Рис. 3-1. Схема жидкост­ного стеклян­ного тер­мометра

Кроме ртути, в качестве термометрического вещества в стеклян­ных термометрах применяются и другие жидкости, преимущест­венно органического происхождения (этиловый спирт, метиловый спирт, керосин, толуол).

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров — простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.

К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи пока­заний на расстояние (если не пользоваться средствами телевиде­ния) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:

1. Технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые. Термометры изготовляются со шкалами от -35 до +50°С и от 0°С до 50; 100; 150; . . .; 500°С. Цена наименьшего деления шкалы в пределах измерения до +50°С составляет 0,5 или 1°С и, постепенно возрастая, достигает 5 или 10°С при верхних пределах измерений 450 и 500°С.

2. Лабораторные ртутные, палочные или с вло­женной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого на­ружного диаметра (5—11 мм). Термометры по пределам измерения и цене деления шкалы подразделяются на четыре группы. Наибо­лее точные термометры с ценой деления шкалы 0,1°С имеют интер­вал измерения 50°С, например от +150 до +200°С (не выше + 350°С). Верхний предел измерения для шкал, начинающихся от 0°С, равен 500°С при цене деления шкалы 2°С.

3. Жидкостные (не ртутные) термометры выпускаются в различном конструктивном оформлении, в том числе с прикладной шкальной пластинкой, для измерения температур от —190 до +100°С.

4. Повышенной точности и образцовые ртутные термометры с верхним пределом измерения 600°С характеризуются малой ценой деления шкалы — до 0,0ГС.

5. Электроконтактные ртутные термометры с вложенной шка­лой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разры­вания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи. Изго­товляются для измерения либо постоянной температуры контакти­рования, либо произвольно изменяемой в пределах от 0 до 300°С.

6. Специальные термометры, в том числе максимальные (меди­цинские и др.), минимальные, метеорологические и другого назна­чения.