Принцип работы жидкостного термометра кратко

Обновлено: 06.07.2024

Принцип действия жидкостных термометров основан на использовании теплового расширения жидкостей — ртути, спирта и др. Применяются они для измерения температуры от -200 до +650°С.

Основными элементами термометра (рис. 1) являются: стеклянный резервуар 4 цилиндрической, шаровой или иной формы с припаянным к нему стеклянным капилляром 1 и расположенная вдоль капилляра шкала 2, градуированная в °С. Весь резервуар и часть капилляра заполняет жидкость 3.

С возрастанием температуры объем жидкости увеличивается и ее столбик в
капилляре поднимается. Верхний конец 4 столбика служит указателем температуры.

Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность толстостенного капилляра (палочные термометры), либо на специальную пластинку, расположенную внутри внешней стеклянной оболочки (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную пластинку, к которой прикрепляется капилляр (термометр с наружной шкалой).

Основные метрологические характеристики жидкостных промышленных термометров приведены в табл. 1.

Примечание. Термометрическая жидкость для термометров СП-2А — керосин, СП-12 — толуол, для остальных — ртуть.

Термометры рассчитаны на измерение температуры при полном погружении. При измерении необходимо вводить поправку Δ на температуру t, если она отлична от 20°С:
Δ=0,00016×К(20 — t), где К коэффициент видимого теплового расширения жидкости (для
ртути он равен 0,00016°С; для толуола — 0,0012°С; для керосина — 0,00093°С -1 ).

Жидкостные термометры просты в эксплуатации, достаточно точны, взрывобезопасны и имеют равномерную шкалу. К недостаткам следует отнести большую тепловую инерционность, невозможность автоматической записи показаний и передачи их на расстояние. Кроме того, для жидкостных термометров характерно термическое последействие стекла (депрессия), в результате чего временно искажаются показания и нарушается зависимость объема жидкости резервуара от температуры.

Поэтому необходимо периодически определять положение точки 0°С; значение ее смещения алгебраически вычитается из величины поправок, приведенных в паспорте термометра.

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.

Составные части жидкостного термометра.

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.

Жидкостные термометры.

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. В следующей таблице показан стандартный диапазон температур для трех наиболее распространенных жидкостей: ртути, сплава ртути и спирта.

Жидкость	Диапазон по Цельсия
Ртуть	от -39 до 600
Сплавы ртути	от -60 до 120
Спирт	от -80 до 100

Ртуть - это жидкость, которая используется во многих ртутных термометрах. Когда ртуть нагревается или охлаждается, то она расширяется или сжимается с устойчивым соотношением в широком диапазоне температур. Кроме того, уровень ртути легко считывается в стеклянных капиллярных трубках, так как ртуть не смачивает и не прилипает к трубке в отличие от других жидкостей.

Причина этого кроется в том, что молекулы ртути притягиваются к друг другу сильнее ,чем они прилипают к стеклу или другим материалам. Подобная несмачиваемость ртути вызывает образование выпуклого мениска

Ртуть, образующая выпуклый мениск.

Мениск - это искривленная поверхность столба жидкости. Выпуклый мениск закруглен, и его середина выше чем края. Когда показания снимаются с жидкостного ртутного термометра, то температура будет соответствовать линии на шкале, которая будет касаться вершины мениска.

Ртуть нельзя использовать для измерения температур ниже -39 градусов по Цельсию, так как это температура замерзания ртути. Однако, можно расширить диапазон измеряемых температур с использованием ртути и ниже - 39, если добавить в ртуть другую жидкость, например, таллий и создать ртутный сплав. Как и чистая ртуть, этот сплав ртути будет сжиматься и расширяться с устойчивым соотношением. Уровень сплава также легко виден в стеклянных капиллярных трубках ртутного термометра.

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.

Вогнутый мениск, образуемый спиртом.

Механические термометры действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.

У биметаллического термометра, как и у манометрических систем есть стрелка и шкала, с которой ведется отсчет показаний. Трубка биметаллического термометра служит в качестве контейнера , куда помещается для стержня и биметаллического элемента.

Части биметаллического термометра.

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.

Биметаллический элемент реагирует на изменения температуры.

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.

Спиральный элемент реагирует на изменения 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.

Геликоид реагирует на изменения температуры.

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.

Многоступенчатые пространственные спирали.

Такого типа термометры можно часто встретить в повседневной жизни.

Оконный механический термометр.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2022. All rights reserved.

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

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

Составные части 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.

Ртуть, -39—600 °C (-38—1100 °F);
Сплавы ртути, -60—120 °C (-76—250 °F);
Спирт, -80—100 °C (-112—212 °F).

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.

Ртутный термометр технический это прибор для измерения температуры, в котором в качестве жидкости используется ртуть, единственный жидкий метал

Биметаллический термометр это прибор для измерения температуры, принцип работы которого основан на расширении и сжатии твердых тел

Термометр сопротивления RTD электрический температурный датчик, использующий изменения сопротивления, которое противодействует протеканию тока

Пирометр это продвинутый прибор для определения температуры любого объекта на основе инфракрасного датчика, который считывает невидимое инфракрасное излучение

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.

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).

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.

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

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.

О принципе действия жидкостного термометра смотрите далее.

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.

Читайте также: