На чем основан принцип работы жидкостного термометра
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
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.
Технические характеристики стеклянных термометров
Жидкостный термометр технический
Жидкостный термометр — это прибор для измерения температуры технологических процессов при помощи жидкости, которая реагирует на изменение температуры. Жидкостные термометры хорошо всем известны в быту: для измерения комнатной температуры или температуры человеческого тела.
Жидкостный термометр
Жидкостные термометры состоят из пяти принципиальных частей, это: шарик термометра, жидкость, капиллярная трубка, перепускная камера, и шкала.
Шарик термометра — это часть, где помещается жидкость. Жидкость реагирует на изменение температуры поднимаясь или опускаясь по капиллярной трубке. Капиллярная трубка представляет собой узкий цилиндр по которому перемещается жидкость. Часто капиллярная трубка снабжена перепускной камерой, которая представляет собой полость, куда поступает избыток жидкости. Если не будет перепускной камеры, то после того, как капиллярная трубка наполнится, создастся достаточное давление для того, чтобы разрушить трубку, если температура будет и дальше повышаться. Шкала — это часть жидкостного термометра, с помощью которой снимаются показания. Шкала откалибрована в градусах. Шкала может быть закреплена на капиллярной трубке, либо она может быть подвижной. Подвижная шкала дает возможность ее регулировать.
Принцип работы жидкостного термометра
Принцип работы жидкостных термометров основан на свойстве жидкостей сжиматься и расширяться. Когда жидкость нагревается, то обычно она расширяется; жидкость в шарике термометра расширяется и двигается вверх по капиллярной трубке, тем самым показывая повышение температуры. И, наоборот, когда жидкость охлаждается, она обычно сжимается; жидкость в капиллярной трубке жидкостного термометра понижается и тем самым показывает понижение температуры. В случае, когда имеется изменение измеряемой температуры вещества, то происходит перенос теплоты: сначала от вещества, чья температура измеряется, к шарику термометра, а затем от шарика к жидкости. Жидкость реагирует на изменение температуры двигаясь вверх или вниз по капиллярной трубке.
Тип используемой жидкости в жидкостном термометре зависит от диапазона измеряемых термометром температур.
Жидкостные термометры с частичным погружением
Конструкция многих жидкостных термометров предполагает, что они будут висеть на стене, и вся поверхность термометра входит в соприкосновение с веществом, температура которого измеряется. Однако, некоторые виды промышленных и лабораторных жидкостных термометров сконструированы и откалиброваны таким образом, что предполагают их погружение в жидкость.
Из термометров, используемых таким образом наиболее широко применяются термометры с частичным погружением. Для того, чтобы получить точные показания с помощью термометра с частичным погружением, погружают его шарик и капиллярную трубку только до этой линии.
Термометр жидкостный с частичным погружением
Термометры с частичным погружением погружаются до отметки для того, чтобы компенсировать изменения температуры окружающего воздуха, которые могут на жидкость, находящуюся внутри капиллярной трубки. Если изменения температуры окружающего воздуха (изменения температуры воздуха вокруг термометра) вероятны, то они могут вызвать расширение или сжатие жидкости внутри капиллярной трубки. В результате на показания будет влиять не только температура вещества, которая измеряется, но и температура окружающего воздуха. Погружение капиллярной трубки до отмеченной линии снимает воздействие температуры окружающего воздуха на точность показаний.
В условиях промышленного производства часто необходимо измерять температуры веществ, проходящих по трубам или находящихся в емкостях. Измерение температуры в этих условиях создает две проблемы для прибористов: как измерить температуру вещества, если нет непосредственного доступа к этому веществу или жидкости, и как вынимать жидкостный термометр для осмотра, проверки или замены не останавливая технологического процесса. Обе эти проблемы устраняются, если применять измерительные каналы для ввода термометров.
Измерительный канал с введенным термометром
Измерительный канал для ввода термометра представляет собой канал в виде трубы, который закрыт с одного конца и открыт с другого. Измерительный канал предназначен для того, чтобы в него помещать шарик жидкостного термометра и таким образом оградить его от веществ, которые могут вызывать коррозию, отравляющих веществ, или под высоким давлением. Когда применяются измерительные каналы для ввода термометров, то теплообмен происходит в форме непрямого контакта (через измерительный канал) вещества, чья температура измеряется, и шариком термометра. Измерительные каналы представляют собой уплотнение для повышенного давления и предотвращают выход наружу жидкости, температура, которой измеряется.
Измерительные каналы делаются стандартных размеров, так что они могут использоваться с различными типами термометров. Когда термометр устанавливается в измерительный канал, то его шарик вставляется в канал, а поверх термометра накручивается гайка, чтобы закрепить термометр.
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.
Нюансы конструкции:
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:
В зависимости от состояния рабочего вещества различают газовые, жидкостные, паровые приборы.
Газовые
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
Energy
education
сайт для тех, кто хочет изучать энергетику
Метрология и автоматизация
Измерение температуры
Температура — скалярная физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
2. Жидкостные и механические термометры
Одним из наиболее распространенных видов механических термометров являются жидкостные или жидкостные стеклянные термометры. В быту для измерения комнатной температуры и температуры человеческого тела часто встречаются жидкостные термометры.
Жидкостные термометры состоят из пяти принципиальных частей, это: шарик термометра, жидкость, капиллярная трубка, перепускная камера, и шкала.
Тип используемой жидкости в жидкостном термометре зависит от диапазона измеряемых термометром температур. В следующей таблице показан стандартный диапазон температур для трех наиболее распространенных жидкостей: ртути, сплава ртути и спирта.
Единственным недостатком ртути является то, она опасна для здоровья и отравляет окружающую среду. Если ртутный термометр сломается, то необходимо строго следовать соответствующим процедурам, принятым на предприятии, в отношении утилизации и сбора разлившейся ртути.
В отличие от ртути, спирт образует вогнутый мениск. Молекулы спирта прилипают к стекляной капиллярной трубке сильнее, чем к друг другу. Показания с жидкостных термометров со спиртом необходимо снимать по линии, совмещенной с нижней частью мениска.
Механические термометры действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.
Биметаллический элемент биметаллического термометра изготовлен из двух различных металлов, которые сжимаются или расширяются с различной степенью при изменениях температуры. На рисунке ниже показан биметаллический элемент в виде стержня. Металл верхней части при нагревании расширяется больше, чем нижний, поэтому стержень изгибается. Металл наверху также сильнее сжимается при охлаждении и заставляет стержень изгибаться в противоположном направлении.
Часто биметаллические элементы биметаллических термометров имеют форму спирали. Большинство элементов биметаллических термометров должны раскручиваться при нагревании.
Однако это вовсе не обязательно. Некоторые, наоборот закручиваются при нагревании. Независимо от конструкции, направление движения элемента термометра будет известно и стрелка покажет изменения температуры. Элемент, показанный на рисунке ниже должен раскручиваться при нагревании. Когда этот спиральный элемент нагревается, то в ответ на повышение температуры он старается распрямиться. Подобное движение спирального элемента двигает стрелку в сторону более высоких показаний по шкале. Когда температура понижается, то спираль закручивается и стрелка двигается в сторону более низких показаний. Скручивание и распрямление спирального элемента пропорционально изменениям температуры.
Спиральные элементы используются в биметаллических термометрах вместо элементов в виде стержня, так как спиральный элемент занимает меньше места, чем элемент прямой формы. Кроме того, спиральный элемент обеспечивает больший ход стрелки, что в свою очередь, означает большую чувствительность к изменениям температуры.
Иногда спиральные элементы оказываются слишком плоскими и широкими, чтобы их можно применять в промышленности. Например, измерение температуры технологической жидкости, проходящей по большой трубе достаточно затруднено, так как потребуется датчик достаточно большой длины, чтобы он сопроикасался с жидкостью. Для таких измерений температуры биметаллические термометры должны иметь удлиненный или длинный спиральный элемент. Удлиненный спиральный элемент носит название пространственной спирали или геликоида. Когда пронстранственная спираль нагревается, то она в результате раскручивается. Подобное раскручивание двигает ось, которая в свою очередь, передвигает стрелку по шкале в сторону более высоких показаний. При охлаждении пронстранственная спираль скручивается и двигает стрелку в сторону более низких показаний.
Элемент, показанный на рисунке ниже, представляет собой унифилярную спираль. Однако, некоторые биметаллические термометры используют многоступенчатые спирали. Многоступенчатые пространственные спирали состоят из двух или более концентрических витков (витков внутри других витков), но тем не менее, это один биметаллический элемент. Многоступенчатая пронстранственная спираль работает по такому же принципу, как и унифилярная спираль. Она раскручивается при увеличении температуры и скручивается при понижении температуры. Многоступенчатая пронстранственная спираль занимает меньше места чем унифилярная спираль, но она способна обеспечить больший ход стрелки, чем унифилярная спираль аналогичного размера. По этой причине многоступенчатые пространственные спирали используются вместо унифилярных спиралей для измерений температуры внутри очень узких труб, или там, где нет места для погружения биметаллического термометра с более длинной унифилярной спиралью.
Такого типа термометры можно часто встретить в повседневной жизни.
Термометр жидкостный
Содержание
Принцип действия
Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в термометре. При этом, очевидно, показания жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометрической жидкости, но также и от изменения объема стеклянного резервуара, в котором находится эта жидкость. Таким образом, наблюдаемое (видимое) изменение объема жидкости преуменьшено на размер, соответственно равный увеличению объема резервуара (и частично капилляра). Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д.
Классификация
Термометры стеклянные жидкостные по назначению и области применения могут быть разделены на следующие группы:
Стеклянные жидкостные термометры, применяемые в технике, бывают следующих разновидностей:
В качестве образцовых применяются следующие термометры:
В зависимости от конструктивных форм различают 2 основных типа конструкция жидкостных термометров:
Палочные термометры имеют массивный (толстостенный) капилляр с внешним диаметром 6—8 мм, почти равным диаметру резервуара. Шкала у этих термометров наносится непосредственно на внешней поверхности капилляра.
Термометры со вложенной шкалой обладают большей инерционностью, чем палочные, но они более удобны для наблюдения при измерении температур в лабораторных и производственных условиях.
Ртутный жидкостный термометр
Из жидкостных термометров наибольшее распространение получили ртутные. Они обладают рядом преимуществ благодаря существенным достоинствам ртути, которая не смачивает стекла, сравнительно легко получается в химически чистом виде и при нормальном атмосферном давлении остается жидкой в широком интервале температур (от —38,87 до +356,58° С). Следует также отметить, что давление насыщенных паров ртути при температуре, превышающей 356,58° С, невелико по сравнению с давлением насыщенных паров других жидкостей. Это дает возможность относительно небольшим увеличением давления над ртутью в капилляре заметно повысить ее температуру кипения, а вместе с тем и расширить температурный интервал применения ртутных термометров.
К числу недостатков ртути с точки зрения термометрии следует отнести сравнительно малый коэффициент расширения. При измерении температуры термометрами, заполненными органическими жидкостями, необходимо иметь в виду, что они смачивают стекло, а вследствие этого понижается точность отсчета показаний.