Дипломная работа: Рідинні скляні термометри
Зміна об`єму в залежності від температури для будь-якої рідини або твердого тіла характеризується коефіцієнтом об'ємного теплового розширення β. Середнє значення β у температурному інтервалі 0 - t обчислюють по формулі
(1)
де Vt і Vo – об`єми, що відповідають температурам t і 0°С.
У скляному рідинному термометрі при зміні температури змінюється об`єм не тільки термометричної рідини, але й об`єм скляного резервуара. Тому в термометрі спостерігається лише видима зміна об`єму рідини, що дорівнює різниці змін об`ємів рідини і резервуара (і частково капіляра) термометра. У зв'язку з цим при розрахунку конструкції термометра використовують так званий видимий коефіцієнт розширення термометричної рідини в склі β, рівний різниці коефіцієнтів розширення рідини βр і скла βск :
Наприклад, для ртуті βр =0,00018 l/град, а для скла βск = 0,00002 1/град, отже, видимий коефіцієнт розширення ртуті в склі дорівнює 0,00018 - 0,00002 = 0,00016 1/град.
Для визначення залежності між основними параметрами термометра і розмірами елементів його конструкції введемо наступні позначення:
Vo – об`єм термометричної рідини при 0°С;
tн і t - нижня і верхня межі виміру термометра (початок і кінець шкали);
L - довжина шкали (капіляра) між відмітками tп і tк ;
S - поперечний переріз каналу капіляра (при круглому каналі S = πd2 /4, де d - діаметр каналу);
l - довжина градусного інтервалу шкали термометра,
(2)
Збільшення об`єму термометричної рідини при нагріванні термометра від t до t, що витісняється у вимірювальний капіляр, повинен дорівнювати об`єму каналу капіляра між поділками tп і tк ,
(3)
Із формул (2) і (3) витікає
(4)
Таким чином, довжина градусного інтервалу шкали термометра прямо пропорційна об`єму термометричної рідини (приблизно об`єму резервуара), видимому коефіцієнтові розширення рідини β і обернено пропорційна поперечному перерізу каналу капіляра S) Чим більша довжина градусного інтервалу, тим на більше число поділок може бути розділений градус і тим менша ціна розподілу і відповідно вища чутливість термометра і його точність. Як випливає з формули (2), при фіксованій довжині шкали L збільшення довжини градусного інтервалу може бути досягнуто лише при відповідному зменшенні діапазону шкали tк – tп термометра. Найбільш точні і високочутливі скляні ртутні термометри виготовляються з ціною розподілу 0,01-0,02 град і діапазоном шкали від 4-5 до 8-10о С. Для цих термометрів характерний великий об`єм резервуара і малий діаметр каналу капіляра. Однак мінімальна величина перетину каналу і максимальний обсяг резервуара обмежені певними межами.
Зі зменшенням перетину каналу капіляра зростає відносна величина сили тертя ртуті об його стінки, що діє на ртутний стовпчик при його русі по капіляру. Унаслідок цього у вузьких капілярах стовпчик ртуті рухається нерівномірно, стрибкоподібно, а при зниженні вимірюваної температури може розірватися. Тому при виготовленні ртутних термометрів використовують капіляри з діаметром каналу не менш 0,1 мм. При перевірці й експлуатації термометрів з вузьким каналом капіляра варто уникати вимірів при досить низьких температурах.
Щоб поліпшити видимість стовпчика термометричної рідини і полегшити відлік показників, у термометрах з малим поперечним перерізом каналу капіляра (наприклад, медичних) застосовують капіляри з овальним перерізом каналу або призматичні капіляри, що збільшують видиму ширину ртутного стовпчика.
Резервуари термометрів у більшості випадків виготовляють циліндричної або кулястої форми. При однаковому об`ємі резервуар циліндричної форми має велику поверхню, що знижує теплову інерційність термометра. Резервуари термометрів звичайно не виготовляють більше 2,5 см3 . Лише у великогабаритних термометрів, які призначені для вимірювання температуру зовнішнього повітря, резервуари значно перевищують зазначену величину. Термометри ж, що мають широкий діапазон шкали, наприклад 0-600° С, характеризуються малим значенням l і великою ціною поділок шкали.
Скляні рідинні термометри по своїй конструкції поділяються на три види: термометри з вкладеною шкалою; паличкові і термометри з зовнішньою шкалою.
У термометрах із вкладеною шкалою прямокутна шкальна пластина і капіляр вкладені в скляну циліндричну (або овального перетину) оболонку, припаяну до резервуара. Шкальні пластини виготовляються переважно зі скла молочного кольору або алюмінію (у медичних термометрів). Кріплення шкальної пластини до оболонки і капіляра повинне забезпечити незмінне положення шкали та капіляра і його безпосереднє прилягання до шкальної пластини. Термометри з вкладеною шкалою найбільш поширені, тому що більш зручні для застосування.
У паличкових термометрах застосовують масивні товстостінні капілярні трубки і резервуар. Шкалу термометра наносять безпосередньо на зовнішній стінці капіляра травленням або іншим способом. Паличкові термометри в більшості випадків виготовляються з капілярів з білою емалевою смужкою, що служить фоном при відліку показників термометра, поліпшуючи видимість шкали і стовпчика термометричної рідини.
У термометрах із зовнішньою (прикладною) шкалою всі основні елементи термометра - шкальна пластина і капіляр з резервуаром, заповненим термометричною рідиною, жорстко закріплені на пластмасовій, дерев'яній або металевій основі. В окремих різновидах термометрів шкалу наносять безпосередньо на металеву основу, як, наприклад, у термометрів, що вимірюють температуру зовнішнього повітря. Один з найбільш розповсюджених термометрів із зовнішньою шкалою - кімнатний термометр.
На скляні рідинні термометри існує два загальних державних стандарти: ГОСТ 2045-43 „Термометри скляні ртутні” і ГОСТ 9177-59 „Термометри скляні рідинні (не ртутні)”, до яких установлені технічні вимоги: до матеріалів для виготовлення термометрів; до якості виготовлення окремих елементів термометра і всього термометра в цілому; до способу нанесення поділок і числових позначень шкали термометра і його маркірування: до величин відхилень показників у залежності від ціни поділки і температурного інтервалу.
Крім того, на скляні рідинні термометри встановлені спеціальні стандарти, що регламентують конструкцію і розміри, межі виміру, ціну поділок й інші технічні характеристики термометрів.
Відповідно до вимог ГОСТ 2045-43 ртутні термометри з верхньою межею виміру не вище 200° С можуть бути вакуумними або газонаповненими, а з верхньою межею виміру вище 200° С - тільки газонаповненими. У газонаповнених ртутних термометрів простір над ртутним стовпчиком у капілярі заповнюється інертним газом, наприклад азотом. При цьому тиск газу повинен бути тим більше, чим вища верхня межа виміру, це викликано необхідністю виключити паротворення ртуті в резервуарі при високих температурах. Наприклад, у ртутних термометрів з верхньою межею виміру 700°С тиск газу над ртутним стовпчиком повинен бути не менш 70 кгс/см2 .
Високоградусні термометри виготовляються звичайно в двох конструктивних варіантах: з розширенням і без розширення у верхній частині капіляра. Термометри, що мають розширення, при виготовленні заповнюють інертним газом під високим тиском, на відміну від термометрів, що не має розширення, які заповнюють інертним газом під нормальним атмосферним тиском при температурі термометра 20°С. У таких термометрів унаслідок стиску газу ртутним стовпчиком, який піднімається, при підвищенні температури тиск над ртутним стовпчиком збільшується до необхідної величини.