Термометр

Термометр (от термо... и ... метр) – прибор для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой. Применение термометров исключительно разнообразно: существуют термометры бытового употребления (комнатные, для воздуха и воды, медицинские и др.); термометры технического применения, высокоточные термометры для исследовательских и метрологических работ и др. Действие термометра основано на таких физических свойствах как тепловое расширение жидкостей, газов и твёрдых тел; на температурной зависимости давления газа или насыщенных паров, электрического сопротивления, термоэлектродвижущей силы, магнитной восприимчивости парамагнетика и т. д.

Наиболее распространены термометры жидкостные, термометры манометрические, термометры сопротивления, термометры термоэлектрические (термопара). Для измерения низких температур применяют, кроме того, конденсационные термометры, газовые термометры, акустические термометры, магнитные термометры. Существуют термометры специального назначения, например термометры метеорологические, гипсотермометры, глубоководные термометры.

Нашли применение:

- биметаллические термометры, основанные на различии теплового расширения веществ, из которых изготовлены пластины их чувствительных элементов;

- кварцевые термометры, основанные на температурной зависимости резонансной частоты пьезокварца;

- ёмкостные термометры, основанные на зависимости диэлектрической восприимчивости сегнетоэлектриков от температуры, и др.

Термометр жидкостный (реже – жидкостный термометр) – прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на тепловом расширении жидкости. Термометр жидкостный относится к термометрам непосредственного отсчёта. Широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до +750 °C.

Термометр жидкостный представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала). Шкала в °C наносится непосредственно на толстостенный капилляр (так называемый палочный термометр жидкостный) или на пластинку, жестко соединённую с ним (термометр жидкостный с наружной шкалой, рис. 2а). Термометр жидкостный с вложенной шкалой (рис 2б) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений термометр жидкостный заполняют пентаном (от –200 до
+20 °C), этиловым спиртом (от –80 до +70 °C), керосином (от –20 до +300 °C), ртутью (от –35 до +750 °C) и др.

Наиболее распространены термометры жидкостные ртутные, так как ртуть остаётся жидкой в диапазоне температур от –38 до +356 °C при нормальном давлении и до +750 °C при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняют азотом). Кроме того, ртуть легко поддаётся очистке, не смачивает стекло, и её пары в капилляре создают малое давление. Термометры жидкостные изготавливают из определённых сортов стекла и подвергают специальной термической обработке («старению»), устраняющей смещение нулевой точки шкалы, связанное с многократным повторением нагрева и охлаждения термометра (поправку на смещение нуля шкалы необходимо вводить при точных измерениях). Термометры жидкостные имеют шкалы с различной ценой деления от 10 до 0,01 °C. Точность термометра определяется ценой делений его шкалы. Для обеспечения требуемой точности и удобства пользуются термометром жидкостным с укороченной шкалой; наиболее точные из них имеют на шкале точку 0 °C независимо от нанесённого на ней температурного интервала. Точность измерений зависит от глубины погружения термометра жидкостного в измеряемую среду. Погружать его следует до отсчитываемого деления шкалы или до специально нанесённой на шкале черты (хвостовые термометры жидкостные). Если это невозможно, вводят поправку на выступающий столбик, которая зависит от измеряемой температуры, температуры выступающего столбика и его высоты. Основные недостатки термометра жидкостного – значительная тепловая инерция и не всегда удобные для работы габариты. К термометрам жидкостным специальных конструкций относят термометры метеорологические, метастатические термометры, медицинские и др. Медицинские ртутные термометры имеют укороченную шкалу (34–42 °C) и цену деления шкалы 0,1 °C. Действуют они по принципу максимального термометра – ртутный столбик в капилляре остаётся на уровне максимального подъёма при нагревании и не опускается до встряхивания термометра.

Термометр манометрический, прибор для измерения температуры, действие которого основано на одном из трёх принципов: тепловом расширении жидкости, температурной зависимости давления газа и температурной зависимости давления насыщенных паров жидкости. Различают термометры манометрические газовые (азот), жидкостные (ртуть) и конденсационные, или парожидкостные (хлористый этил и др.). Конструктивно они представляют собой герметичную систему, состоящую из баллона, соединённого капилляром с пружинным манометром (показывающим или самопишущим). Термометры манометрические широко распространены в качестве приборов технического назначения в диапазоне температур от –60 до +550 °C. Благодаря длине капилляра (до 60 м) они могут служить дистанционными термометрами. Шкала манометра, измеряющего давление в баллоне, градуирована непосредственно в °C.

Термометр сопротивления, прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на изменении электрического сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников с температурой (на увеличении сопротивления R с повышением температуры T у металлов и обратная зависимость R от Т у полупроводников).

Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку или ленту, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора, слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла) с головкой, через которую проходят 2, 3 или 4 (наиболее точные термометры сопротивления) вывода, соединяющие термометр с измерительным прибором. Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температур в пределах от –263 до +1064 °C, медные – от –50 до +180 °C. Материал и конструкция термометров сопротивления должны обеспечивать его чувствительность и стабильность, достаточные для требуемой точности измерений в заданном диапазоне температур при определённых условиях применения (вибрации, агрессивные среды и др.). Точность измерений температуры зависит также от точности прибора, которым измеряют сопротивление. Термометры сопротивления технического применения работают в комплекте с мостами измерительными, потенциометрами, логометрами (показывающими и самопишущими), шкалы которых градуированы непосредственно в °C в соответствии с таблицами зависимости R от Т для данного типа термометра сопротивления.

При помощи высокоточных платиновых термометров сопротивления воспроизводится Международная практическая температурная шкала, проводятся точные измерения температуры и градуировка других термометров в диапазоне 14–900 K.

В качестве лабораторных иногда применяют индиевые термометры сопротивления (4–300 K) и бронзовые термометры сопротивления

(1–4 K).

Термометры сопротивления из полупроводников (композиционный углерод, легированный германий и др.) широко применяются для измерения низких температур (0,1–100 K) благодаря их высокой чувствительности. Термометры этого вида представляют собой полупроводниковые пластинки (плёнки) различных габаритов и формы с приваренными металлическими выводами, помещаемые часто в защитную оболочку. В диапазоне температур 4,2–13,8 K применяют как особо точные германиевые термометры сопротивления. При температурах выше 100 K применение полупроводниковых термометры сопротивления ограничено (сказываются их нестабильность и разброс индивидуальных характеристик).

Термопара, датчик температуры, состоящий из двух соединённых между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Действие термопары основано на эффекте Зеебека. Если контакты (обычно – спаи) проводящих элементов, образующих термопару (их часто называют термоэлектродами), находятся при разных температурах, то в цепи термопары возникает эдс (термоэдс), величина которой однозначно определяется температурой «горячего» и «холодного» контактов и природой материалов, примененных в качестве термоэлектродов.

Рисунок 4. Схемы включения термопары в измерительную цепь: а – измерительный прибор 1 подключен соединительными проводами 2 к концам термоэлектродов 3 и 4; б – в разрыв термоэлектрода 4; T1, Т2 – температура «горячего» и «холодного» контактов (спаев) термопары.

Термопары используются в самых различных диапазонах температур. Так, термопары из золота, легированного железом (2^й термоэлектрод – медь или хромель), перекрывает диапазон 4–270 K, медь – константан 70–800 K, хромель – копель 220–900 K, хромель – алюмель 220–1400 K, платинородий – платина 250–1900 K, вольфрам – рений 300–2800 K. С ЭДС термопары из металлических проводников обычно лежит в пределах 5–60 мВ. Точность определения температуры с их помощью составляет, как правило, несколько K, а у некоторых термопар достигает ~0,01 K. Эдс термопары из полупроводников может быть на порядок выше, но такие термопары отличаются существенной нестабильностью.

Термопары применяют в устройствах для измерения температуры и в различных автоматизированных системах управления и контроля. В сочетании с электроизмерителным прибором (милливольтметром, потенциометром и т. п.) термопара образует термоэлектрический термометр. Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов (рис. 4а), либо в разрыв одного из них (рис. 4б). В зависимости от конструкции и назначения различают термопары: погруженные и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т.д.

Газовый термометр, прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объёма газа от температуры. Чаще всего применяют газовый термометр постоянного объёма (см. рис. 5), который представляет собой заполненный газом баллон 1 неизменного объёма, соединённый тонкой трубкой 2 с устройством 3 для измерения давления. В таком газовом термометре изменение температуры газа в баллоне пропорционально изменению давления. Газовые термометры измеряют температуры в интервале от ~2 K до 1300 K. Предельно достижимая точность газовых термометров в зависимости от измеряемой температуры
3´10^-3– 2´10^-2 градусов. Газовые термометры такой высокой точности – сложное устройство; при измерении им температуры учитывают: отклонения свойств газа, заполняющего прибор, от свойств идеального газа; изменения объёма баллона с изменением температуры; наличие в газе примесей, особенно конденсирующихся; сорбцию и десорбцию газа стенками баллона; диффузию газа сквозь стенки, а также распределение температуры вдоль соединительной трубки.

Температурная шкала газового термометра совпадает с термодинамической температурной шкалой, и газовые термометры применяется в качестве первичного термометрического прибора. При помощи газовых термометров определены температуры постоянных точек (реперных точек) Международной практической температурной шкалы.