Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Метрология и автоматизация

Microsoft Excel

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.

Составные части жидкостного термометра.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Многоступенчатые пространственные спирали.

Такого типа термометры можно часто встретить в повседневной жизни.

Оконный механический термометр.
Оконный механический термометр.