Термометры, приборы для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой. Первые термометры появились в конце 16 - начале 17 вв. (например, термоскоп Галилея, 1597), сам термин «термометры» - в 1636. Действие термометров основано на изменениях однозначно зависящих от температуры и легко поддающихся определению разных физических свойств тел (геоместрические размеры, давление в замкнутом объеме, электрическое сопротивление, термоэдс, магнитная восприимчивость и др.). Соответственно 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 термометры основано на различиях коэффициентах теплового расширения рабочего, или термометрич., вещества (ртуть, этанол, пентан, керосин, иные органические жидкости) и материала оболочки, в которой оно находится (термометрическое стекло либо кварц). Несмотря на большое разнообразие конструкций, эти термометры относятся к одному из двух основных 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 органическими жидкостями и используемых лишь для измерения температур ниже –30 °С, чаще других применяют спиртовые термометры Все жидкостные термометры используют обычно для локальных измерений температуры (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 которой 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 котором она находится; тепловая инерционность; невозможность ремонта.
Разновидность жидкостных приборов - электроконтактные ртутные термометры, применяемые для регулирования температуры или сигнализации о нарушении заданного температурного режима в пределах от –30 до 300 °С. Платиновые контакты, впаянные в нижнюю часть капилляра, соединены с медными проводниками, которые через реле включены в цепь электрического нагревателя либо сигнализации. В момент соединения контактов столбиком ртути замыкается цепь реле, выключающего нагреватель или включающего сигнализацию.
Манометрические термометры Их действие основано на изменении давления рабочего вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его температуры Dt. 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
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 учитыва ются при градуировке термометры
В основу работы жидкостных термометры, термобаллоны которых полностью заполнены кремнийорганической жидкостями, положена зависимость: Dp = (bp/bc)Dt, где bp и bс-коэф. объемного расширения и сжимаемости рабочей жидкости. Изменение ее объема, как следует из этого уравнения - линейная функция температуры, что определяет равномерность шкал данных приборов. Пределы измерений от — 50 до 300 °С.
В конденсационных (парожидкостных) термометры измеряют давление насыщенногопара над поверхностью низкокипящей жидкости (ацетон, метилхлорид, некоторые хладоны), 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 технические приборы; при большой длине капилляра (до 60 м) могут служить дистанционными термометры Погрешность измерений b 1,5% от максимального значения шкалы при нормальном давлении. 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 Si или Ge) изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. С ее 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 (ТКЭС = 3,9•10-3) и Сu (4,26•10-3). Конструктивно чувствительный элемент представляет собой металлическую проволоку, намотанную на жесткий каркас из электроизолирующего материала (напр., 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 термометры, наз. термометрической вставкой. Последняя может входить в состав прибора либо использоваться отдельно как датчик температуры.
Полупроводниковые термометры, или терморезисторы (рис. 4), выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб или бусинок (размеры от нескольких мкм до нескольких см). Они обладают высоким ТКЭС [(3-4)•10-2 °С-1] и соотв. 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. 3. Платиновый термометр сопротивления: а-общий вид; б-чувствитермометры 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.
Технические термометры сопротивления работают в комплекте с измеряющими электрическое сопротивление вторичными приборами (например, автоматически уравновешенные мосты, логометры), шкалы которых градуированы непосредственно в °С.
Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектрические 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 температурах, 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 керамическими изоляторами (рис. 5,6). Рабочий спай изолируют от чехла керамическим наконечником. Горячую часть ТЭП (со стороны рабочего спая) погружают в объект измерения температуры. Стандартные ТЭП имеют различные конструктивные исполнения и могут отличаться следующими признаками: способами контакта с исследуемой средой (погружные и поверхностные) и защиты от мех. повреждений и хим. воздействия контролируемой среды; инерционностью; числом зон контроля температуры в объекте (одно- и многозонные); числом рабочих спаев (одинарные, двойные); длиной погружаемой части и т. д. Основные характеристики наиболее распространенных ТЭП приведены в таблице. Все большее применение находят преобразователи, изготовленные из специального кабеля - бронированные оболочковые, или кабельные. Для измерений термоэдс ТЭП работают в комплекте с вторичными приборами (милливольтметры, потенциометры и др.). ТЭП широко используют в устройствах для измерений температуры в различных автоматизированных системах управления и контроля.
Рис. 5. Термоэлектрич. преобразователь: а-цепь из термоэлектродов А и В; б-устройство; 1-рабочий спай; 2-изолятор; 3-чехол; 4-выводы.
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).
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; Шкатов E.F.,Технологические измерения и КИП на предприятиях химической промышленности, М., 1986, с. 158-203; Промышленные приборы и средства автоматизации. Справочник, под ред. В. В. Черенкова, Л., 1987, с. 36-46. См. также литературу при статье Термометрия
