книги / Теплотехнические измерения и приборы

шкалы выше точки затвердевания золота при применении уточнен­ ного значения с2. В СССР МПТШ-48 была введена с 1 июля 1962 г. (ГОСТ 8550-61).

Ввиду большой потребности в измерениях низких температур как в научных исследованиях, так и в технике, длительное время в ряде стран велись работы по установлению температурных шкал ниже 90 К. Исследования в этой области низких температур, выпол­ ненные в СССР и других странах, рассмотрены в монографии М. П. Орловой [13]. На базе этих работ в ряде стран были установ­ лены национальные шкалы в области 13,8*—90 К. В СССР практиче­ ская температурная шкала в области от тройной точки водорода до точки кипения кислорода введена с 1/VII 1967 г. (ГОСТ 12442-66). Для реализации практических температурных шкал, воспроизводя­ щих единицу температуры в интервалах от 1,5 до 4,2 К и от 4,2 до 13,81 К, во ВНИИФТРИ были созданы [13], а Госстандартом

СССР утверждены Государственные специальные эталоны единиц температуры для диапазонов от 1,5 до 4,2 К и от 4,2 до 13,81 К (ГОСТ 8.078-73 и ГОСТ 8.084-73). В настоящее время в применяемых в СССР практических температурных шкалах область низких тем­ ператур расширена до 0,01 К (см. § 2-2).

Одновременно с проведением исследований в области низких температур проводились работы по пересмотру МПТШ-48 (Редак­ ция 1960 г.).

Международным комитетом мер и весов в октябре 1968 г. была принята новая Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68). В ней (§ 2-2) расширена область низких темпера­ тур до тройной точки водорода и произведены уточнения шкалы МПТШ-48 в области от •—182,97 до 1063СС.

Взарубежной литературе наряду с выражением температуры

вкельвинах (К) и градусах Цельсия (°С) используется иногда гра­ дус Фаренгейта (°F) и градус Ренкина (°Ra). Следует иметь в виду, что раньше градус Фаренгейта был характерен для шкал ртутно­ стеклянных термометров, а в данное время, так же как и градус

Цельсия, он обозначает, что температура выражена по МПТШ, но с другим числовым значением. Пересчет числовых значений темпе­ ратуры, выраженной в градусах одной шкалы, в градусы другой производят по следующим формулам:

л °С= лК - 273,15 = ~ (л °F - 32) = л °Ra - 273,15;

лК = л °С+ 273,15 = -jj- л °F+ 255,37 = л °Ra.

2-2. Практические температурные шкалы

В СССР с 1/1 1976 г. установлены практические температурные шкалы, предназначенные для обеспечения единства измерений тем­ пературы от 0,01 до 100 000 К, и методы их осуществления

(ГОСТ 8.157-75). Эти температурные шкалы установлены с учетом рекомендации Международного комитета мер и весов и его Кон­ сультативного комитета по термометрии.

Рассматриваемые ниже практические температурные шкалы обра­ зуют единую систему температурных шкал, непрерывную от 0,01 до 1 • 105 К, реализуемых различными методами. При этом они уста­ новлены таким образом, что температуры, измеренные по ним, близки к термодинамическим температурам.

Единицей температуры по практическим температурным шкалам, установленным ГОСТ 8.157-75, так же как и единицей термодинами­ ческой температуры, является кельвин (К), вместо прежнего наи­ менования градус Кельвина. Допускается применение единицы температуры ■— градус Цельсия (°С). Между температурой Т, выраженной в кельвинах, и температурой t, выраженной в градусах Цельсия, установлено соотношение

где Т0 = 273,15 К.

Единица кельвин определена как 1/273,16 часть термодинамиче­ ской температуры тройной точки воды. Градус Цельсия равен кель­ вину. Температурные разности (интервалы) выражаются в кельви­ нах, но могут быть выражены также в градусах Цельсия вместо ранее применявшегося обозначения град (deg).

Методы воспроизведения практических температурных шкал, рас­ сматриваемых ниже, определяют требования к средствам измере­ ний, входящим в состав государственных эталонов для соответству­ ющих диапазонов температуры.

Температурная шкала термометра магнитной восприимчивости ТШТМВ. Эта температурная шкала, основанная на зависимости магнитной восприимчивости х термометра из церий-магниевого ни­ трата от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 0,01 до 0,8 К. Зависимость х = / (Т) выражается законом Кюри:

где С — константа, определяемая градуировкой магнитного тер­ мометра.

Температурная шкала 3Не 1962 г. Эта шкала, основанная на зависимости давления р насыщенных паров изотопа гелия -3 от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 0,8 до 1,5 К. Эта зависимость выражается уравнением

- 0,286001Т + 0,198608Т2 - 0.0502237Т3 + 0,005054867\ (2-2-3)

где р •— давление в мм рт. ст. при 0°С и ускорении свободного падения, равном 9,80665 м/с2.

Температурная шкала 4Не 1958 г., основанная на зависимости давления р насыщенных паров изотопа гелня-4 от температуры Т,

устанавливается для диапазона температур от 1,5 до 4,2 К. Эта зави­ симость представлена в табличной форме (ГОСТ 8.157-75).

Температурная шкала германиевого термометра сопротивления ТШГТС. Шкала ТШГТС, основанная на зависимости электрического сопротивления R германиевого термометра от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 4,2 до 13,81 К. За­ висимость R = f (Т) выражается соотношением

Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68) устанавливается для температур от 13,81 до 6300 К. Температурная шкала МПТШ-68 основана на ряде воспроизводи­ мых равновесных состояний, которым присвоены точные значения температур <— основных реперных (постоянных) точек, и на эталон­ ных приборах, градуированных при этих температурах. В интерва­ лах между температурами постоянных точек интерполяцию осущест­ вляют по формулам, устанавливающим связь между показателями эталонных приборов и значениями температуры. Основные репер­ ные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ. Равновесные состояния и приписанные им значения температуры приведены в табл. 2-2-1.

сопротивления. Для области температур ниже 0°С соотношение между сопротивлением термометра и температурой определяют стандартной функцией и специальными уравнениями для вычисле­ ния поправок к этой функции согласно ГОСТ 8.157-75. Для области от 0 до 630,74°С соотношение между сопротивлением термометра и температурой выражается двумя уравнениями в форме полиномов (гл. 5).

Для температур от 630,74 до 1064,43°С в качестве эталонного прибора применяют термоэлектрический термометр с электродами из платинородия (10% родия) и платины. Соотношение между термо-э. д. с. и температурой выражается уравнением второй степени (гл. 4).

Для температур от 1337,58 К до 6300 К (от 1064,43 до 6026,85°С) температуру определяют в соответствии с законом излучения Планка (гл; 7).

Температурная шкала пирометра микроволнового излучения (ТШПМИ). ТШПМИ, основанная на зависимости спектральной плотности энергии излучения L (Т) черного тела от температуры Т в микроволновом диапазоне излучения, устанавливается для диа­ пазона температур от 6300 до 100 000 К. Эта зависимость выражается

где L (Т) и L [T (Au)] <— спектральная плотность энергии излуче­ ния черного тела в диапазоне микроволнового радиоизлучения при температуре Т и в точке затвердевания золота T (Au).

Для построения температурной шкалы по микроволновому излу­ чению используют тепловое излучение с длинами волн более 1 мм.

Передача размера единицы температуры, а вместе с тем и прак­ тических температурных шкал от эталонов образцовым средствам измерений и от них рабочим средствам измерений с указанием погрешностей, производится в соответствии с поверочными схе­ мами (ГОСТ 8.082-73, ГОСТ 8.083-73 и др.). В поверочных схемах указаны также основные методы поверки средств измерений тем­ пературы.

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ТЕРМОМЕТРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА РАСШИРЕНИИ И ИЗМЕНЕНИИ ДАВЛЕНИЯ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА

3-1. Термометры стеклянные жидкостные

Основные сведения. Термометры стеклянные жидкостные при­ меняются для измерения температур в области от —200 до +750°С. Несмотря на то, что кроме стеклянных жидкостных термометров имеется ряд других приборов для измерения температур, удовлет­ воряющих в большой степени требованиям современной техники контроля технологических процессов, все же стеклянные термометры

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на тепловом расширении термометрической жидкости, заключен­ ной в термометре. При этом, очевидно, показания жидкостного термометра зависят не только от изменения объема термометриче­ ской жидкости, но также и от изменения объема стеклянного резер­ вуара, в котором находится эта жидкость. Таким образом, наблю­ даемое (видимое) изменение объема жидкости преуменьшено на раз­ мер, соответственно равный увеличению объема резервуара (и ча­ стично капилляра).

Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, петролейный эфир, пентан и т. д. Область их применения, а также значения коэффициентов дей­ ствительного и видимого расширения жидкостей приведены в табл. 3-1-1.

Из жидкостных термометров наибольшее распространение полу­ чили ртутные. Они обладают рядом преимуществ благодаря суще­ ственным достоинствам ртути, которая не смачивает стекла, срав­ нительно легко получается в химически чистом виде и при нормаль­ ном 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, превы­ шающей 356,58° С, невелико по сравнению с давлением насыщен­ ных 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.

Т а б л и ц а 3-1-1

Термометрические жидкости

Примечания: 1. Коэффициент видимого расширения ртути в термометрическом боро* силикатном стекле составляет 0,000164 К-1, а в кварцевом стекле 0,00018 К*”1.

2. Под видимым коэффициентом объемного теплового расширения понимают разность между коэффициентами объемного теплового расширения термометрической жидкости и стекла.

К числу недостатков ртути с точки зрения термометрии сле­ дует отнести сравнительно малый коэффициент расширения (табл. 3-1-1).

При измерении температуры термометрами, заполненными орга­ ническими жидкостями, необходимо иметь в виду, что они сма­ чивают стекло, а вследствие этого понижается точность отсчета показаний.

Термометры в зависимости от назначения и диапазона измере­ ний температур изготовляют из стекла различных марок (ГОСТ 1224-71).

Термометры стеклянные жидкостные по назначению и области применения могут быть разделены на следующие группы: образ­ цовые; лабораторные и специального назначения (ГОСТ 215-57, ГОСТ 13646-68 и ГОСТ 5.1851-73); технические (ГОСТ 2823-73); метеорологические; термометры для сельского хозяйства; термо­ метры бытовые. Ниже будут рассмотрены термометры, применяе­ мые как в лабораторных, так и промышленных условиях.

Стеклянные жидкостные термометры, применяемые в технике, бывают следующих разновидностей:

1. Термометры, применяющиеся без введения поправок к их показаниям (термометры широкого применения): а) ртутные термо­ метры (от *—35 до + 600°С); б) жидкостные термометры с органи­ ческим наполнителем (от *—185 до + 300°С).

2. Термометры, к показаниям которых вводятся поправки согласно свидетельству: а) ртутные термометры повышенной точ­ ности (от *—35 до + 600°С); б) ртутные термометры для точных измерений (от 0 до 500°С); в) жидкостные термометры с органиче: ским наполнителем (от —80 до + 100°С).

В качестве образцовых применяются следующие термометры: (ГОСТ 8.083-73): ртутные равноделенные 1-го разряда с диапазо­

Конструктивные формы стеклянных жидкостных термометров разнообразны, однако среди этого разнообразия можно выбрать два основных типа конструкций: палочные и со вложенной шка­ лой.

Палочные термометры имеют массивный (толстостенный) капил­ ляр с внешним диаметром 6—8 мм, почти равным диаметру резер­

из стекла молочного цвета, помещенной позади капиллярной трубки, припаянной к резервуару цилиндрической формы. Кроме того, к резервуару припаяна защитная стеклянная оболочка, в которой и находится как капилляр, так и шкальная пластина (рис. 3-1-1, б).

Термометры со вложенной шкалой обладают большей инерционностью, чем палочные, но они более удобны для наблюдения при измерении температур в лабораторных и производственных условиях.

У ртутных термометров с пределом измерения выше 200° С пространство над ртутным столби­ ком в капилляре заполняется сухим газом (на­ пример, азотом) под давлением. При этом давле­ ние газа должно быть тем выше, чем больше верх­ ний предел измерения, что обусловливается не­ обходимостью исключить парообразование ртути в резервуаре при высоких температурах. В ртут-

Рис. 3-1-1. Термометры.

в зависимости от их назначения могут быть вакуумными или запол­ ненными сухим газом (ГОСТ 2045-43). Термометры ртутные, пред­ назначенные для точных измерений, с верхними пределами измере­ ния до 105°С изготовляют вакуумными, а выше 105°С •— газо­ наполненными (ГОСТ 13646-68).

Термометры жидкостные (нертутные) изготовляют согласно установленным техническим требованиям в государственных стан­ дартах (ГОСТ 9177-59 и др.).

В зависимости от метода градуировки и применения стеклян­ ные жидкостные термометры делятся на две группы: термометры, градуируемые и применяемые при полном погружении; термометры, градуируемые и применяемые при неполном погружении. К первой группе относятся термометры, погружаемые в среду, температура которой измеряется до отсчитываемого деления. Таким образом, по мере повышения измеряемой температуры глубина погружения термометра как при градуировке, так и при измерении должна увеличиваться. Термометры второй группы должны при градуи­ ровке и при измерении иметь фиксированную глубину погружения, указанную на термометре. Поэтому при применении этих термометров всегда имеется часть капилляра с термометрической жидкостью, не погруженная в среду, температура которой изме­ ряется. Вследствие этого выступающий столбик термометрической жидкости термометра имеет температуру, отличную от измеряемой и близкую к температуре окружающего воздуха.

Термометры лабораторные широкого применения изготовляют в большинстве случаев со вложенной шкалой (рис. 3-1-1, б), но их выпускают также и палочными (рис. 3-1-1, а). При применении этих термометров они должны погружаться в среду, температура которой измеряется на глубину, обозначенную на термометре. Если указание о глубине погружения на термометре отсутствует, то термометр при измерении температуры или его поверке погружа­ ется до отсчитываемого деления. Допускаемые погрешности пока­ заний лабораторных термометров широкого применения нормиру­ ются в зависимости от цены деления и температурного интервала шкалы.

Термометры повышенной точности для повышения точности отсчета и для удобства пользования изготовляют узкопредельными, т. е. с укороченной шкалой. Термометры этого типа бывают как со вложенной шкалой (рис. 3-1-2), так и палочные. Термометры узкопредельные повышенной точности выпускаются с ценой деле­ ния 0,1°С и температурным интервалом шкалы 50°С. Они изго­ товляются в нескольких вариантах по пределам измерения темпе­ ратур от —30 до 350°С. Если нижний предел измерения термометра выше 0°С, то нулевую точку наносят на вспомогательную шкалу, имеющую несколько отметок выше и ниже нулевой. Нулевая отметка

Рис. 3-1-2. Термометр с укороченной шкалой.

/— резервуар; 2 — капилляр; 3 — вспомогательная шкала; 4 — основная шкала; 5 — расширенная часть капилляра; € — защитная оболочка.

обеспечивает систематический контроль за постоянством показаний термометра. Между вспомогательной шкалой и отметкой, соответствующей нижнему пределу основной шкалы, капилляр имеет расширение. Объем этого расши­ рения равен приращению объема жидкости при нагрева­ нии термометра от нулевой отметки до температуры, соответствующей нижнему пределу основной шкалы.

Допускаемые погрешности показаний термометров по­ вышенной точности нормируются в зависимости от их цены деления и температурного интервала шкалы.

Лабораторные ртутные термометры TP-I, ТР-П, ТР-Ш, TP-1V, предназначенные для точных измерений температуры от 0 до 500°С выпускают узкопредельные (с укороченной шкалой). Эти термометры, выполняемые

сравноделенной шкалой, изготовляют по ГОСТ 13646-68

иГОСТ 5.1851-73 с различной ценой деления и темпера­ турными интервалами шкалы. Основные технические характеристики ртутных термометров для точных изме­ рений температуры приведены в табл. 3-1-2.

Поправки к показаниям термометров (табл. 3-1-2), приведенные к давлению 755—765 мм рт. ст. и опреде­ ленные для вертикального положения термометров на

нулевой точке, не должны превышать ± 0,03°С для термометров

Погрешность измерений термометров с учетом введения попра­ вок не должна превышать ± 0,01 °С для термометров типа TP-I;

± 0,02°С для ТР-И; ± 0,05 для ТР-Ш и ± 0,1°С — TP-IV. Лабораторные ртутные термометры этих типов снабжаются

инструкцией по эксплуатации и свидетельством, в котором приво­ дятся: поправки к показаниям термометров, положение нулевой

метров при атмосферном давлении менее 755 и более 765 мм рт. ст), коэффициент внутреннего давления в °С/мм рт. ст. (для введе­ ния поправки к показаниям термометров при измерении темпе­ ратур термометрами, находящимися в горизонтальном положении),

от —20 или от 0 до 150°С с погрешностью 0,004—0,1°С. Устройство метастатических термометров рассматривается в инструкции по эксплуатации.

Технические термометры. Ртутные технические термометры предназначены для области измерений температур от >—30 до +600°С, а термометры с органической жидкостью от >—90 до +30°С и от —60 до + 200°С. Их изготовляют только со вложенной шкалой (рис. 3-1-3); прямыми и угловыми (изогнутыми под углом 90°); ниж­ няя часть выполняется различной длины (от 66 до 2000 мм).

Технические термометры градуируются и поверяются при погру­ жении всей нижней части /, поэтому при измерении в эксплуата­ ционных условиях нижняя часть / термометра погружается в среду,