Термометры расширения: Виды, устройство, характеристики и принцип работы

1. Стеклянные жидкостные термометры

1.1. Принцип действия и физические основы

Стеклянные жидкостные термометры остаются «золотым стандартом» в многих областях благодаря своей простоте, автономности (не требуют питания) и наглядности. Принцип их работы основан на разнице коэффициентов теплового расширения термометрической жидкости и стеклянной оболочки.

Когда температура повышается, жидкость, заключенная в резервуаре, расширяется и вытесняется в узкий канал — капилляр. Поскольку объем резервуара значительно больше объема капилляра, даже незначительное расширение жидкости приводит к заметному перемещению столбика в капилляре.

Однако, стекло тоже расширяется при нагреве, увеличивая объем резервуара. Поэтому мы видим так называемое видимое расширение.
Коэффициент видимого расширения жидкости в стекле \( \beta_В \) определяется как разность коэффициентов объемного расширения жидкости и стекла:

1.2. Конструктивные особенности

Рассмотрим детальное устройство различных типов жидкостных термометров, представленных на схемах.

Базовая конструкция (рис. 1 а):
Основными элементами являются стеклянный резервуар 1, содержащий основной объем жидкости. Он соединен с соединительным капилляром 2, который переходит в измерительный капилляр 3. Сбоку или внутри располагается шкальная пластина 4 для снятия показаний.

Высокоточные термометры (рис. 1 б):
Для прецизионных измерений часто используют узкий диапазон температур. Чтобы не делать термометр огромным, используют «поджатую» шкалу. На рисунке 1 (б) показана такая конструкция: на шкальную пластину нанесены дополнительная (нулевая) шкала 1 (для проверки точки 0°C) и основная шкала 3 (рабочий диапазон). Между ними находится промежуточный резервуар 2 — утолщение капилляра, которое вмещает объем жидкости, соответствующий «пропущенному» температурному интервалу между нулем и началом рабочей шкалы.

Лабораторные модели (рис. 1 в, г):
Могут выполняться в виде палочных термометров (массивный стеклянный капилляр, на поверхности которого нанесена шкала) или конструкций с вложенной шкальной пластиной внутри защитной оболочки.

1.3. Термометрические жидкости: Ртуть и альтернативы

Выбор жидкости критичен для диапазона измерений. Основные требования: жидкость должна оставаться жидкой в рабочем диапазоне, не испаряться слишком быстро, иметь линейное расширение и, желательно, не смачивать стекло (для точности мениска).

• Ртуть: Идеальна для диапазона от -38,8°С (точка замерзания) до +356°С (при нормальном давлении). Верхний предел можно поднять до +600°С и выше, заполнив капилляр азотом под давлением, что препятствует кипению ртути. Главное преимущество — не смачивает стекло, обеспечивая высокую точность.
• Органические жидкости: Толуол, этиловый спирт, керосин, пентан. Используются для низких температур (до -200°С для пентана), где ртуть замерзает. Обычно подкрашиваются в красный или синий цвет для лучшей видимости. Недостаток — смачивают стекло, что требует времени на стекание жидкости при понижении температуры.

1.4. Электроконтактные термометры (Автоматизация)

Это особый класс приборов, превращающий простой термометр в датчик системы автоматики.

Термометры с заданными контактами (ТЗК) — рис. 1 (д):
В капилляр на этапе производства впаивают платиновые контакты 2 в точках, соответствующих нужным температурам. Нижний соединительный контакт 1 всегда погружен в ртуть. Когда столбик ртути доходит до верхнего контакта, электрическая цепь замыкается. От контактов идут медные провода 3. Количество точек сигнализации ограничено (обычно не более трех).

Термометры с подвижными контактами (ТПК) — рис. 1 (е):
Позволяют настраивать температуру срабатывания. Внутри капилляра находится длинный подвижной контакт 5 из вольфрама. Он подвешен на гайке 3, перемещаемой микрометрическим винтом 4.

Как крутить винт внутри герметичного стекла? Используется хитрая система: магнитная муфта 1. Вращая магнит снаружи термометра, мы вращаем винт внутри.
Нижний конец проволоки опущен в капилляр 6. Когда ртуть касается вольфрамового волоска, цепь через медную проволоку 8 (или 2) замыкается.

1.5. Метрология и типы погрешностей

Погрешности стеклянных термометров делятся на три категории:

1. Инструментальные: Несовершенство капилляра, ошибки градуировки шкалы.
2. Методические (условия эксплуатации):
   • Влияние давления: Атмосферное давление может слегка сжимать резервуар.
   • Глубина погружения: Если термометр откалиброван на «полное погружение», а вы погрузили только кончик, выступающий столбик ртути будет холоднее, чем нужно, и покажет заниженную температуру. Это требует введения поправки на выступающий столбик.
3. Субъективные: Ошибка параллакса при считывании (взгляд под углом).

2. Манометрические термометры

2.1. «Градусник» промышленного масштаба

Манометрические термометры — это, по сути, манометры, шкала которых проградуирована в градусах Цельсия. Их работа основана на законе Шарля (для газов) и термодинамических свойствах веществ: давление в замкнутом объеме изменяется пропорционально температуре.

2.2. Физика процесса

Газовые термометры: Используют азот. Зависимость давления от температуры линейна:

Где \( \beta \) для идеального газа ≈ \( \frac{1}{273,15} \text{ град}^{-1} \). Это обеспечивает равномерную шкалу.

Жидкостные термометры: Заполнены ртутью, ксилолом или силиконовыми маслами. Формула изменения давления:

Где \( \mu \) — коэффициент сжимаемости жидкости. Так как жидкости почти несжимаемы, развиваемые усилия огромны, что позволяет использовать жесткие и надежные механизмы.

2.3. Устройство термосистемы

Система полностью герметична и состоит из трех частей, соединенных в единое целое:

1. Термобаллон 1: Металлический резервуар с хвостовиком 2, который погружается непосредственно в измеряемую среду. Часто защищается гильзой.
2. Капилляр 3: Тонкая трубка (латунь или сталь), передающая давление от баллона к прибору. Защищена броней.
3. Измерительный блок (манометр): Основным элементом является манометрическая трубка (пружина Бурдона) 4.

Механика передачи сигнала (рис. 2 а):
При нагреве давление растет, и пружина 4 начинает «распрямляться». Её свободный конец через тягу тянет за собой зубчатый сектор 8. Сектор вращает зубчатое колесо 5, на оси которого сидит стрелка. Чтобы стрелка не дрожала и не имела свободного хода (люфта), используется тонкая спиральная пружина 6.

2.4. Эксплуатационные нюансы

Для манометрических термометров критична высота установки баллона относительно прибора (гидростатический эффект жидкости в капилляре может вносить погрешность).
При давлениях среды выше 64 бар (6,4 МПа) обязательно использование защитных гильз. Пространство между баллоном и гильзой заполняется маслом или металлическими опилками для улучшения теплопередачи, иначе прибор будет сильно «тормозить» (высокая инерция).

3. Дилатометрические и биметаллические термометры

3.1. Дилатометрические термометры: Сила металла

Принцип работы основан на линейном расширении твердых тел.

Рис. 3. Чувствительный элемент дилатометрического преобразователя

В конструкции (рис. 3) используются две трубки или стержень и трубка, спаянные с одного конца. Материалы подбираются с максимально разным коэффициентом расширения \( \alpha \).

• Материал 1 (активный): Латунь (\( \alpha \approx 1,9 \cdot 10^{-5} K^{-1} \)).
• Материал 2 (пассивный): Инвар (сплав железа и никеля, \( \alpha \approx 0,1 \cdot 10^{-5} K^{-1} \)).

При нагреве латунная трубка удлиняется значительно сильнее инварового стержня внутри неё. Эта разница перемещений используется для размыкания мощных контактов.
Применение: В основном как термореле (утюги, бойлеры, система охлаждения ДВС), так как они развивают большое механическое усилие.

3.2. Биметаллические термометры

Если две пластины из разных металлов (латунь 1 и инвар 2 на рис. 4) сварить по всей плоскости, получится биметалл.

При нагревании (рис. 4 б) «активный» слой (латунь) хочет стать длиннее, чем «пассивный» (инвар). Но так как они скреплены, единственная возможность компенсировать разницу длин — изогнуться в сторону пассивного слоя.
В промышленных термометрах биметаллическую ленту скручивают в спираль или винтовую пружину. Это позволяет получить большой угол поворота стрелки при компактных размерах.

Рис. 5. Биметаллический термометр с плоской спиралью и биметаллическое температурное реле

4. Сравнительный анализ термометров расширения

Чтобы помочь студенту и инженеру выбрать правильный прибор, мы свели основные характеристики в таблицу.

5. Интересные факты о термометрах

• Галинстан: Из-за запрета ртути во многих странах (Минаматская конвенция), современные медицинские термометры заполняют сплавом галлия, индия и олова (Галинстан). Он жидкий при комнатной температуре, но совершенно безопасен.
• Самый большой термометр: Находится в Бейкере, Калифорния. Его высота составляет более 40 метров, он был построен в честь рекордной жары 1913 года (+57°С).
• Коньячный термометр: Раньше использовались термометры, заполненные коньяком. Спиртовые растворы удобны, но при очень высоких температурах спирт может закипеть и разорвать капилляр.
• Абсолютный ноль: Газовые термометры сыграли ключевую роль в определении абсолютного ноля. Экстраполяция линейной зависимости давления газа от температуры показала, что давление исчезнет при -273,15°С.
• Задержка показаний: Тепловая инерция промышленных манометрических термометров в защитных гильзах может достигать нескольких минут. Это значит, что прибор показывает температуру, которая была в трубе 2-3 минуты назад.
• Ошибка параллакса: Если смотреть на шкалу толстого стеклянного термометра не под прямым углом, ошибка может достигать 1-2 градусов из-за преломления света в стекле.
• Нано-термометры: Современная наука создает термометры расширения размером с одну клетку, используя углеродные нанотрубки, наполненные жидким галлием, для измерения температуры внутри живых организмов.

6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Заключение

Термометры расширения, несмотря на появление современной цифровой электроники, остаются незаменимыми в промышленности и быту. Стеклянные термометры обеспечивают эталонную точность без источников питания, манометрические позволяют измерять температуру в сложных промышленных условиях, а биметаллические служат надежной основой для систем аварийной защиты.