Как устроен жидкостный термометр коротко

Жидкостные термометры. Устройство и принцип действия.

Жидкостные термометры встречаются повсеместно: в быту и на производстве. Схема работы устройства простая – измеряется объем жидкости при изменении температуры: при повышении жидкость расширяется, а при уменьшении – сокращается и ползет вниз.

Особенности устройства

Жидкостный термометр – это герметичная система, включающая баллон, который соединен с манометром посредством капилляра. Термоемкость погружают в среду измерения. Когда температура рабочей жидкости повышается или понижается, давление в замкнутой системе меняется, что отражается на шкале измерения.

Температура отражается в линейном перемещении жидкости. Градуировку наносят на стеклянный капилляр или крепят снаружи. Точность работы зависит от разности коэффициентов стекла и расширения в объеме термометрического состава, а также от диаметра капилляра и объема резервуара.

Чувствительность находится в пределах 0,4-5 мм/°С, специальные приборы выпускаются с параметром 100-200 мм/°С. Техническими приборами измеряют температуру от -30 до 600°С. Установку таких устройств выполняют посредством размещения в оправе из металла, обеспечивающей изоляцию от измеряемой среды.

Нюансы конструкции:

• при измерении температуры до 150°С с целью снижения инертности зазор между кольцом крепления защитной оправы и термометром заполняют машинным маслом;
• при измерении температур свыше 150°С в зазор засыпают опилки из меди.

Каждый технический термометр ТТЖ обязательно должен проходить регулярные проверки, для гарантии точной работы.

Типы и принцип действия приборов

Манометрические термометры предназначены для измерения и регистрации температуры жидкостей, паров, газов на расстоянии. Выпускаются различные по назначению приборы, они могут быть: показывающими, самопишущими, бесшкальными, имеющими встроенные преобразователи для передачи результатов измерений дистанционно. Среди преимуществ устройств – возможность использования на взрывоопасных объектах.

К недостаткам относят:

• низкий класс точности измерения – 1,5 и 2,5;
• необходимость регулярной проверки;
• сложный ремонт;
• термобаллон большого размера.

В зависимости от состояния рабочего вещества различают газовые, жидкостные, паровые приборы.

Газовые

Термометрическим веществом в газовых устройствах выступает гелий или азот. Приборы имеют термобаллон большого размера, что влияет на инертность проводимых измерений температур – от -50 до +600°С.

Жидкостные

Термометры заполняют ртутью, пропиловым спиртом, толуолом и другими термоэлектрическими веществами. Высокая теплопроводность жидкости обеспечивает приборам меньшую инертность, чем у газовых аналогов. Однако в случае значительных температурных перепадов погрешность становится выше.

Конденсационные

В конденсационных приборах используют пропан, ацетон, этиловый спирт. Баллон заполняется на 70%, остальной объем занимает пар. Принцип действия основан на зависимости давления пара от температуры. Устройства имеют небольшие термобаллоны – отличаются меньшей инерцией по сравнению с аналогами, обладают высокой чувствительностью. Диапазон измерений -50 до +350°С.

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- 10 5 н/м 2 ).

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.

Жидкостные термометры: особенности, принцип работы, разновидности

Жидкостный термометр абсолютно справедливо до сих пор считается наиболее распространенным, хотя самый пик его использования пришелся на вторую половину прошлого века. Тем не менее, именно такого типа прибор и сегодня можно встретить в большинстве случаев, когда необходимо измерение температуры, потому следует разобраться, что это, как работает и как с ним обращаться.

Особенности, плюсы и минусы

Жидкостный термометр, как следует из названия, представляет собой прибор для измерения температуры, работа которого возможна благодаря использованию жидкости – текущая температура определяется благодаря тепловому расширению вещества. Вы могли не знать, что этот прибор называется именно так, но его описание даст понять, что его вы видели многократно – это узкий и тонкий, вертикально ориентированный прозрачный резервуар из стекла или кварца. Внутри него – столбик подкрашенной жидкости, уровень которой меняется в зависимости от температурных условий окружающей среды. К резервуару крепится шкала с отметками, позволяющая выразить результат замеров в градусах.

То, чем заполнен капилляр термометра, должно быть указано в регистрационном удостоверении, ведь утечка спирта, часто выступающего в роли жидкости, не катастрофична для присутствующих, а вот утечка ртути весьма опасна. ГОСТ не запрещает использовать оба варианта наполнителя и экспериментировать с другими жидкостями, но пользователь обязан знать состав, чтобы адекватно реагировать на разгерметизацию капилляра.

Жидкостные термометры так или иначе считаются одними из самых лучших. Во-первых, они работают на чистой физике, не нуждаясь в источниках питания. Во-вторых, ртутный вариант обладает минимальной термометрической погрешностью – она составляет не более 0,1 градуса. Любые жидкостные термометры стоят очень дешево, обслуживать их просто, а при соблюдении правил эксплуатации они могут служить десятилетиями. При этом диапазон измеряемых температур, в зависимости от выбранной жидкости, может быть каким угодно – от -200 до +750 градусов!

При этом выбор модели позволяет точнее определять температуру в определенном температурном сегменте – например, от 1 до 100 градусов (для воды), от 30 до 40 (градусники для медицины и животноводства), до 150 и выше (промышленные).

Минусы у жидкостных термометров тоже присутствуют, но они обычно касаются не всех таких агрегатов, а только конкретной жидкости, которая используется. Сверхточный ртутный агрегат опасен утечкой своей «начинки», которая при -39 градусах и вовсе замерзает, а межповерочный интервал устройства составляет добрых 10 минут – быстрее зафиксировать точные данные не получается. Спиртовой термометр «работает» быстрее и является безопасным, но не дает аналогичной точности.

Есть еще и термометры, наполненные органическими жидкостями. Их недостатком является то, что наполнитель смачивает стекло, оставляя на нем разводы при «отступлении», и это может сбивать с толку человека, снимающего показания.

Назначение

Потенциальная сфера применения жидкостных термометров довольно разнообразна, но для каждого случая следует выбирать прибор, предназначенный для решения конкретной задачи. Чаще других можно встретить следующие варианты агрегатов:

• для помещений с поверкой уровня температуры – чаще всего спиртовые агрегаты, предназначенные для измерения условий в комнате, где находятся люди; могут также использоваться на улице в регионах, где не бывает экстремальных температур, часто ограничиваются шкалой от -50 до +50;
• для измерения температуры при готовке – оснащены только плюсовой температурной шкалой, от уровня комнатной температуры до максимума, который способна выдать печь или духовка; необходимы для создания условий, позволяющих довести продукты до оптимальных кулинарных кондиций;
• для систем отопления – также имеют лишь плюсовую шкалу примерно до 70-80 градусов, предназначены для определения температуры теплоносителя, достаточной для полноценного обогрева помещения, но которой не хватило бы для выхода устройства из строя;
• технический – предназначен для измерений температуры в любых других ситуациях, теоретически имеет наиболее широкий диапазон измеряемых температур, но при этом может быть узкоспециализированным, что уменьшает шкалу и повышает точность проводимых измерений.

Принцип действия и устройство

Жидкостный термометр работает на основании физической закономерности, согласно которой большинство веществ при нагревании имеют свойство расширяться. Для заполнения вертикального капилляра используют жидкости, как вещества, имеющие достаточно стабильный коэффициент расширения. Помимо основной жидкости, которая расширяется или сужается в зависимости от изменений температуры, в колбе нет ничего, даже воздуха – это позволяет наполнителю вести себя естественно при расширении, ведь газ мог бы тормозить расширение.

Вариантов наполнителей существует довольно много – об этиловом спирте и ртути знает даже средний обыватель, однако используются еще и толуол, а также такие органические жидкости, как керосин, петролейный эфир или пентан. Каждое из этих веществ имеет свои специфические характеристики, а выбор на тот или иной наполнитель обычно падает благодаря тому, что существенно различаются температуры замерзания и испарения этих веществ.

Следовательно, при покупке термометра следует ориентироваться на те условия, в которых ему придется работать, ведь наполнитель всегда должен оставаться жидким.

Что касается шкалы, то она также приспособлена под потребности, ради которых изготовлен данный вид термометра. Так, в нашей стране широко распространены бытовые термометры для измерения температурных условий в помещении или на улице, у которых шкала размечена в градусах Цельсия, а диапазон примерно соответствует климатическим условиям региона (модели для улицы) или типичной температуре в помещении. При этом во многих англоязычных странах для тех же нужд используется шкала с фаренгейтами – при желании их можно перевести в градусы по Фаренгейту, но много где людям удобнее так. Кроме того, ртутные градусники медицинского и ветеринарного назначения оснащены шкалой, размеченной в десятых долях градуса – это позволяет определить температуру с высочайшей точностью.

Следует отметить, что расстояние между делениями необязательно фиксированное – оно зависит от толщины трубки, заполненной термометрической жидкостью. Как правило, чем толще трубка, тем большим будет расстояние по шкале между соседними значениями, хотя эта закономерность, конечно, действует только при условии, что речь идет об одной и той же заполняющей жидкости.

Разновидности

Классификация термометров весьма обширная – грубо говоря, для измерения температуры любого вещества в любых условиях, где это вообще может понадобиться, используется свой вид агрегата. Спецификация во многих случаях очень точно описывает потенциальную сферу применения – например, существуют классы ТТЖ-М исп. 1-П (технические модели со стеклянным корпусом, классические градусники или керосиновые модели для оценки состояния среды в трубопроводах)), ТСЖ-Х (устройства для холодильников, отличаются стойкостью к низким температурам, но могут быть не приспособлены для нагрева хотя бы до комнатных условий), ТС-4М (устройства для молока) и так далее. Каждый из таких вариантов имеет свои собственные характеристики, идеально приспособленные для будущих условий работы.

Обладая минимальными знаниями о назначении той или иной термометрической жидкости, можно по одному лишь внешнему виду агрегата определить, для каких целей он нужен. Например, желтый капилляр, при определенном угле наклона отсвечивающий характерным металлическим блеском, говорит о том, что устройство заполнено ртутью, а если еще и шкала в десятых градуса, то можно сделать вывод, что это градусник – тут очень тонко выставленные показатели расширения позволяют определить температуру с идеальной точностью.

Красный столбик, как правило, говорит о том, что перед вами – подкрашенный спирт, традиционно используемый для оценки состояния атмосферы.

Производители

Когда речь заходит о выборе производителя бытовых жидкостных термометров, то можно не обращать особого внимания на производителя – качество всех брендов примерно одинаковое, и если вы обращаетесь с агрегатом аккуратно, то он прослужит очень долго.

Более требовательными стоит быть тем покупателям, которые хотят купить сложную модель, предназначенную для работы в экстремальных условиях.

Среди российских производителей наибольшую известность получил бренд «Термоприбор» (город Клин) – это предприятие выпускает широчайший ассортимент температурных агрегатов для всех видов измерений, включая виброустойчивые модели. Что касается последнего сегмента, то только здесь у «Термоприбора» есть определенная конкуренция в виде петербургского предприятия «Росма».

Безусловно, в мире производителей термометров намного больше, и хотя бы некоторые из них так или иначе представлены в нашей стране. Среди них – довольно известные AEG, BabyOno, Braun, Bremed, CamryClatronic, Gamma, Little Doctor, Omron, Rossmax, Microlife, Nokia, TFA и ряд других. Некоторые из названных брендов специализируются не столько на жидкостных, сколько на инфракрасных или электронных агрегатах, а другие, напротив, выпускают только капиллярные термометры.

Эксплуатация и меры предосторожности

Ни для кого не секрет, что ртуть опасна для здоровья человека, и если термометр разбился, следует принимать особые меры по очистке помещения. Тут же уточним, что агрегаты с красной жидкостью не опасны ни в коей мере – если даже прибор разбился, то из него вытечет только спирт. При такой «аварии» нужно просто дать пролившейся жидкости высохнуть, тщательно поискать и удалить все стеклянные осколки, решить вопрос с красным пятном, которое могло остаться на ковре.

Намного серьезнее будет ситуация, если разбился тот термометр, у которого был желтый капилляр с металлическим отливом. Обратите внимание, что опасна не столько ртуть (если только она не попадает в организм), сколько ее испарения, потому крайне неправильно сметать ее веником или пытаться втянуть пылесосом – так вы только раздробите ртутные шарики и не решите проблему.

Наиболее разумный вариант решения проблемы – вызвать специальную бригаду для демеркуризации помещения.

Если вы живете в небольшом городке далеко от мегаполисов, где помощи со стороны ждать не приходится, действуйте решительно, но с умом. Во-первых, не накапливайте в помещении ртутные пары – обязательно откройте окно или балкон, но не создавайте сквозняков. Если есть возможность, понизьте температуру ниже 19 градусов – так ртуть перестанет испаряться. Во-вторых, не бросайте ртуть в мусор – она ведь продолжит испаряться; вместо этого «упакуйте» ее в банку с водой (у посудины должна быть закручивающаяся крышка). Пропитавшиеся ртутью вещи лучше выбросить, комнату внимательно осмотрите с фонариком.

Жидкостные стеклянные термометры, ртутные термометры. Принцип действия, типы и виды жидкостных термометров

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении жидкостей. При изменении температуры изменяется объем термометрической жидкости, при этом изменяется положение уровня жидкости в капилляре, по которому отсчитывается значение температуры. Жидкостные термометры изготавливаются из различных марок стекла резервуаров и наполняются различными термометрическими жидкостями или ртутью. Большим преимуществом последней является то, что она не смачивает стекло и легко может быть получена химически чистой. Цена деления стеклянных термометров находится в пределах (0,01. 10) °С и определяется назначением термометра и видом применяемой термометрической жидкости. Основная масса выпускаемых термометров по своей конструкции делится на две группы:

1) термометры с вложенной шкалой, у которых шкальная пластина вставлена внутрь оболочки и жестко скреплена с капилляром (рис. 4.1, а);

2) термометры палочного типа, у которых шкала нанесена непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Лабораторные ртутные термометры :

а — с вложенной шкалой: 1 — стеклянный резервуар; 2 — капилляр; 3 — шкальная пластина; 4 — стеклянная оболочка;

б — палочный: 1 — резервуар; 2 — толстостенный капилляр; 3 — шкала на наружной поверхности капилляра

По способу применения термометры рассчитаны либо на частичное погружение в контролируемую среду (неполное погружение), либо на погружение до считываемой температуры (полное погружение). Точные термометры полного погружения снабжаются графиком поправок, которые следует алгебраически суммировать с показаниями термометра. Если термометр полного погружения погружен неполностью, то необходимо вводить поправку на выступающий столбик термометрической жидкости (с учетом знака):

где l — длина выступающего столбика в градусах шкалы термометра; t — температура контролируемой среды, отсчитанная по термометру; Θ — средняя температура выступающего столбика, определяемая вспомогательным термометром; к — коэффициент, индивидуальный для каждой термометрической жидкости и сорта используемого стекла.

По назначению жидкостные термометры подразделяются на лабораторные, технические (производственные) и рабочие эталоны (образцовые). Лабораторные используются при научных исследованиях и градуируются при полном погружении. Их нижний предел

измерения лежит внутри диапазона от -30 до 300 °С, верхний — внутри диапазона от 20 до 600 °С. Цена деления находится в пределах от 0,1 до 2 °С. Предельная погрешность зависит от цены деления и диапазона измерения и находится в пределах от 0,3 до 4 °С (она может превышать цену деления).

Технические термометры градуируются при погружении только суженной хвостовой части, которая может быть прямой и угловой (под углом 90 или 120 рис. 4.2). Они могут иметь специальное назначение (медицинские, метеорологические и т.д.) или особые технические характеристики (вибростойкие, электроконтактные).

Рис. 4.2. Технические стеклянные термометры :

а — прямой; б — угловой

Допускаемая погрешность технических термометров зависит от цены деления и измеряемой температуры и может значительно превышать цену деления.