8.1.1. Газовые манометрические термометры

В технике низких температур термосистема обычно заполняется гелием высокой чистоты. Начальное давление в системе зависит от пределов измеряемой температуры и обычно колеблется от 10 до 50 кг/см².

Работа термометра основана на законе Шарля, который для идеального газа записывается

, (8.1)

где термический коэффициент расширения газа;

Т и Т₀ – конечная и начальная температура.

В диапазоне измеряемых температур различия свойств чистых реальных и идеальных газов незначительны и учитываются при градуировке термометров. Однако необходимо помнить, что при низких температурах гелий становится более плотным и поэтому свойства гелия в системе неодинаковы: в манометре и термобаллоне и естественно отличаются от свойств идеального газа. Уравнение состояния газа в этом случае запишем в виде

, (8.2)

где R – газовая постоянная, V – объем, Р – давление, n – количество молей газа, А(Т) – «вириальный коэффициент», который становится малым при высоких температурах.

8.1.2. Жидкостные манометрические термометры

В применяемых термометрах для заполнения используется ртуть (диапазон температур от –70 до 550 ⁰С), ксилол (от –40 до 350 ⁰С) и другие жидкости. Изменение давления от температуры можно представить уравнением

, (8.3)

где ∆Р – изменение давления, β – коэффициент объемного расширения жидкости, μ – коэффициент сжимаемости, ∆Т – изменение температуры.

Например, для ртути β = 18·10^-5 1/град, μ = 0,4·10^-5 см²/кг.

Давление ртути в системе при заполнении обычно составляет 15 ÷ 20 кг/см². В таких термометрах все ее элементы выполнены из стали, которая не взаимодействует с ртутью. Кроме того, из-за большой плотности ртути необходимо учитывать давление столба ртути если термобаллон и манометр расположены не на одном уровне: вычитать если термобаллон расположен ниже манометра и прибавлять если установлен выше манометра, погрешность в измерениях определяется по формуле

(8.4)

где γ – удельный вес жидкости, h – высота расположения термобаллона относительно манометра.

В случае заполнения ртутью

8.1.3. Паро - жидкостные манометрические термометры

В термометрах этого типа термобаллон обычно заполняется на 2/3 объема низкокипящей жидкостью, а остальной объем естественно заполнен парами этой жидкости. Перед заполнением системы из нее удаляется воздух. В замкнутой системе термометра всегда существует динамическое равновесие т.к. одновременно протекают процессы испарения и конденсации. При повышении температуры в замкнутой системе усиливается испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в этой связи усиливается процесс конденсации. В конечном итоге давление насыщенного пара достигает некоторого определенного значения соответствующего температуре.

Принцип действия этих термометров основан на однозначной зависимости давления насыщенного пара от температуры, но эта зависимость существует до критической температуры, т.е. верхний предел шкалы термометра должен быть ниже критической температуры данной жидкости.

При изменении температуры возможны три случая:

• температура окружающей среды всегда ниже температуры термобаллона и тогда капилляр, и манометр заполнены жидкостью и прибор работает как жидкостный термометр;

• температур окружающей среды всегда выше рабочей температуры при измерении низких температур. Капилляр и манометр всегда заполнены перегретым паром и влияние взаимного расположения элементов системы роли не играет;

• температура окружающей среды близка к измеряемой температуре, поэтому температура капилляра и манометра может быть выше и ниже температуры баллона. В этом случае в капилляре и манометрической пружине может быть либо пар, либо жидкость, что вызывает при эксплуатации явление запаздывания в передаче информации по капилляру. Поэтому нежелательно применение паро-жидкостных термометров для точного измерения температуры, а для использования их в качестве термореле холодильников не вызывает нареканий.

Для различных температур применяются следующие жидкости (таблица).

№, п/п	Жидкость	От Т20С	До Т20С
1	Пропан	-40	+90
2	Хлористый метил	-18	+75
3	Сернистый ангидрид	-10	+140
4	Этиловый спирт	+10	+220

Количество жидкости в термобаллоне не имеет существенного значения. Важно, чтобы при наиболее низкой температуре в термобаллоне существовало некоторое количество насыщенного пара, а при наиболее высокой температуре оставалось некоторое количество неиспарившейся жидкости.

На рис.8.2. показан один из видов манометрических термореле.

Рис.8.2. Манометрическое термореле