Газовые термометры постоянного давления

n_о = p_oV_o/RT; n_T =р₀ V₆/RT₀, (5.3)

так как полное количество вещества газа B(/n_B) осталось посто­янным,

n_B ⁼ n_o + n_T

Если газ в бюретке 2 имеет исходную температуру Т_о - темпера­туру бюретки, то следовательно

р₀ Vo/RT + po V₆/RT₀ = р₀ Vo/RTo. (5.4)

Отсюда измеряемая температура T равна

Отметки 0-0 означают начальное положение мениска ртути перед измерением температуры.

Объем газа в бюретке определяют либо взвешиванием ста­канчика 3, в который была вытеснена часть ртути при постоян­ном давлении р₀, либо по делениям откалиброванной бюретки

Точность определения температуры газовым термометром за­висит прежде всего от правильной оценки поправки на вредный oбъем (объем капиллярной трубки 4, изменение объема резервуара 1 из-за расширения или сжатия материала его стенок, диф­фузия газа через стенки резервуара, его адсорбция на этих стенах и стенках капиллярной трубки). Другой поправкой является поправка на отклонение газа от идеального состояния.

В обычных условиях 1 °С отвечает изменению давления в 4 торр (533,3 Па). Следовательно, увеличение температуры на 0,01 °С можно заметить, если газовый термометр позволяет обнаружить увеличение давления на 0,04 торр (5,33 Па).

5.3. Паровые и жидкостные манометрические термометры

Паровой манометрический термометр состоит из металлическо­го баллончика 2 (рис. 94, а), заполненного легко кипящей жидкостью всего на 60%. Диаметр баллончика для измерения тем­ператур до 300 °С равен 17-18 мм, а длина капиллярной трубки 4 составляет 100-1000 мм. Внутренний ее диаметр не превышает 0,1-0,4 мм при внешнем диаметре 2-7 мм. Капиллярная трубка требует очень аккуратного обращения. Для защиты ее от корро­зии на нее наносят резиновое либо полиэтиленовое покрытие.

Давление пара 3 жидкости экспоненциально возрастает с по­вышением температуры среды 1 и не зависит от количества жидкости в баллончике. Изменение давления воспринимает упругий элемент 5 термометра, который приводит в движение стрелку 6, показывающую по шкале 7 температуру измеряемой среды. Фирмы выпускают паровые манометрические термомет­ры с пропаном (от -40 до +40 °С), диэтиловым эфиром (от +40 до 160 °С), диоксидом серы (от 0 до 160 °С), этанолом (от 85 до 245 °С), ксилолом (от 150 до 360 °С).

У жидкостных маномет­рических термометров бал­лончик 2 и капилляр 4 (рис. 94, б), а также упругий эле­мент 5 полностью заполне­ны жидкостью. При повы­шении температуры среды 1 объем, занимаемый жид­костью, увеличивается соот­ветственно разности тепло­вого расширения жидкости и баллончика. Увеличение объема раскручивает упругий элемент 5, представ­ляющий собой трубку Бурдона (см. разд. 10.4), кото­рая связана с механизмом движения стрелки б по шкале 7, откалиброванной в градусах Цельсия.

В качестве жидкости в таких термометрах применяют ртуть и вешества, приведенные в табл. 6. Размеры баллончика и капил­лярной трубки такие же, как и у паровых манометрических тер­мометров.

Манометрические термометры имеют практически линейную _Шкалу температур.

Бурдон Евгений (1808-1884) - французский механик, ввел в практику пру­жинный манометр и металлический барометр.

Термометры сопротивления являются наиболее точными датчи­ками для измерения температур в довольно большом темпера­турном интервале. Точность измерения температуры в области от 0 до 400 ⁰С может достигать 0,00001 °С. Термометр сопротив­ления и прибор для измерения сопротивления могут находиться на нужном расстоянии друг от друга.

Известно, что сопротивление проводника R (Ом) определяется из уравне­ния

R = l/S, (5.6)

Где l - длина проводника, см; S - поперечное сечение проводника, см²; -удельное сопротивление. Ом см.

Удельное сопротивление в области температур 0-100 ⁰С линейно зависит от температуры:

= _о(1 + αt). (5.7)

те _о - удельное сопротивление при 0 °С; t - температура, ⁰С; α - температур­ный коэффициент сопротивления.

В указанном интервале температур для платины и меди значение а равно соответственно 0.38*10^-2 и 0,43*10^-2 (°С).

С увеличением температуры электрическое сопротивление металлов непре­рывно и монотонно увеличивается и для области температур от -180 до +630 °C эта зависимость достаточно точно определяется уравнением типа

R_T, = R_о(1 + at + bt²), (5.8)

где R_T - измеряемое сопротивление; t - измеряемая температура; R_о, а и b -постоянные для данного термометра сопротивления, значения которых находят при градуировке термометра по четырем реперным точкам (см. ниже табл. 13), выбранным для данного интервала температур.

Решение полученных уравнений и определение температуры по значению R_T проводят по специальным программам с применением компьютера.

Для точных измерений температуры в интервале от -180 до 630 °С применяют только платиновые термометры сопротив­ления, изготовленные из платиновой проволоки диаметром от 0.04 до 0,5 мм. Из платиновой проволоки диаметром 0,5-0,6 мм выпускают термометры сопротивления для измерения температур от +630 до +1060 °С погрешностью измерения ±0,1 °С.

Измерения температур в интервале от -50 до +180 °С прово­дят также с использованием медных термометров сопротивле­ния. Выпускаются термометры сопротивления, изготовленные и из других металлов и их сплавов.

На рис. 95, а, 6 приведены схемы платиновых термометров сопротивления. Платиновую проволоку наматывают на термо­стойкий диэлектрический каркас 1 (кварц, слюда и т.п.) или свивают в тонкую спираль 5, расположенную в кварцевой труб­ке 3. Каркас с расположенной на нем платиновой проволокой помешают в защитную трубку из кварцевого стекла 3 или из стекла марки "пирекс" (см. разд. 1.1) диаметром 4-8 мм.

К каж­дому концу платиновой проволоки подводят два провода 2, чем устраняют сопротивление токоподводяших проводов, зависящее от внешней температуры. Нити подводящих проводов поме­щают в гибкую теплоизоляционную трубку. Подводящие прово­да соединяют платиновый термочувствительный элемент с го­ловкой термометра 4, герметично связанной с защитной обо­лочкой. Защитную оболочку погружают на 2/3 или 3/4 длины в ту среду, температуру которой предстоит измерить, а клеммы головки присоединяют к прибору (рис. 95, в), измеряющее сопротивление проволоки и переводящему значения сопротив­ления в соответствующую температуру.

Для измерения сопротивления применяют чаще всего два ме­тода: метод моста (см. рис. 95, в), и метод компенсации (потенциометрический метод). Наиболее универсальным и точ­ным методом измерения сопротивления является метод моста. Конструкции измерительных приборов на основе этого метода могут быть самыми различными. Их описание приведено в спе­циальной литературе.

5.5. Термисторы

Термистор - это полупроводниковое термочувствительное со­противление. При повышении температуры сопротивление термистора резко уменьшается, а следовательно, увеличивается его электропроводность. Устройство некоторых термисторов приве­дено на рис. 96. Различают стержневые формы термисторов (рис. 96, а, б), сферические 1 и дисковые 2 (рис. 96, в).

Основное достоинство термисторов - большой температур­ный коэффициент сопротивления, равный 3-4% на градус (у платины и меди около 0,4% на градус). Малые габариты термис­торов обеспечивают их небольшую тепловую инерционность, что важно при измерении сравнительно быстро меняющихся температур.

Термисторы могут быть изготовлены очень небольших разме­ров для измерения температур в миниатюрных приборах и в малодоступных местах. Обычное сопротивление термисторов, применяемых для измерения температур, составляет от 1 до 5 к Ом. При таком значительном сопротивлении результаты из­мерений не зависят от длины соединительных проводов. Температурный диапазон применения термисторов составляет от -50 до +180 °С. Выпускают термисторы, работающие и до 450 °С. Измерительные схемы с использованием термисторов принци­пиально не отличаются от схем с проволочными термометрами сопротивления (см. разд. 5.4). Следует учитывать только, что сопротивление термисторов с ростом температуры падает не линейно, а экспоненциально.

Основным параметром термистора является его вольтамперная характеристика (рис. 96, г). У небольших термисторов, имеющих малую тепловую инерцию, кривая U = f(I) имеет хо­рошо выраженный максимум, за которым следует падение на­пряжения с увеличением силы тока. При повышении температуры сопротивление термистора падает, а ток, проходящий через него, растет, что приводит к увеличению выделения энергии в форме теплоты в самом термисторе. При некоторой температуре ток в измерительной схеме может возрасти настолько, что теплота, выделяемая в термисторе, не будет успевать отводиться, а это приведет к дальнейшему разогреву и возрастанию тока, а следовательно, и увеличению погрешностей в измерении темпе­ратуры.



Рис. 96. Устройство тсрмисторов (о, б, в) и их вольтамперная характеристика (г):

а, б: 1 - вещество, обладающее электрическим со­противлением; 2 - колпачки; 3 - защитный металличе­ский чехол; 4 - стеклянный изолятор

Поэтому каждый термистор имеет верхний температур­ный предел применимости. Для выбора рабочего режима термистора снимают его вольтамперную характеристику. В соот­ветствии с полученной характеристикой подбирают параметры измерительной схемы, которые отвечают левому участку кривой до точки максимума. При замене термистора прибор снова ка­либруют.

Другим недостатком термисторов является систематическое изменение сопротивления со временем и связанная с этим невысокая воспроизводимость показаний. При 100 °С показания термисторов воспроизводятся в интервале ±0,01 °С. Наибольшее стабильностью показаний термисторы обладают в интервале температур от -60 до +100 °С. Когда термистор помещают в герметичный защитный чехол, стабильность их показаний возрастает, но при этом увеличивается их инерционность. При длительном пользовании термистором измеряемая температура до с точностью до 1 ⁰С может воспроизводиться лишь при условии периодически повторяемой калибровки.

В качестве полупроводниковых датчиков температуры могут быть использованы также полупроводниковые диоды и транзи­сторы- При постоянном значении тока, протекающего в прямом направлении через переход транзистора, изменение напряжения на переходе практически линейно меняется с температурой. Датчиками могут быть как германиевые, так и кремниевые транзисторы.

Термопара (термоэлектрическая пара, термоэлемент) - это дат­чик температуры, состоящий из двух сваренных (спаянных) раз­нородных по составу проводников тока, называемых термоэлек­тродами. Их спай, называемый главным, помещают, в среду из­меряемой температуры. Два другие конца соединяют с провода­ми, идущими к измерительным приборам. Места соединения с проводами образуют побочные спаи термопары.

Пусть проводник M₁ (металлическая проволока) припаян своими концами к двум отрезкам другого проводника М₂, при­соединенного к гальванометру V (рис. 97, а). Если оба спая на­ходятся при одной и той же температуре (t₁ —t₂), то никакой разности потенциалов не возникает. Когда же спаи находятся при различных температурах (t₁  t₂), гальванометр V покажет наличие тока в цепи и определенное напряжение на концах проводников Мг. Это напряжение иногда называют термоэлек­трической силой (аббревиатура т.э.с). Ее значение зависит от природы контактирующих металлов и разницы температур t1 и t₂ .

Возникновение тока в рассмотренной системе было открыто в 1821 г. Зеебеком и получило название эффекта Зеебека.

Зесбск Томас Иоганн (1770-1831) - немецкий физик и химик.
Градиент температур создает в проводнике градиент кон­центраций носителей заряда (электронов), отчего возникают два диффузионных потока носителей заряда вдоль и против гради­ента температур, создающих избыток отрицательных зарядов на одном конце проводника М₂, а на другом - положительных. Напряжение, определяемое гальванометром V, зависит от разли­чия подвижностей "горячих" и "холодных" электронов.

Схема установки для измерения температуры в сосуде 9 при помощи термопары включает термопару 1-2 (рис. 97, б) со спаем 3, компенсационные провода 4, побочные спаи 5 которых

помещены в сосуд Дьюара б с тающим льдом, соединительные провода 7 и измерительный прибор 8.



Рис. 97. Схемы действия термопары (а) и измерения температуры с ее помощью (б) и способы зашиты проволок термопар (в)

Термопары служат преимущественно для измерения темпера­тур в интервале 300-1500 °С. Если требуется измерить темпера­туру выше 600 °С с большой точностью, то термопары почти незаменимы. Применяют термопары и для измерения очень низких температур.

Соединение термоэлектропроводов 1 и 2 осуществляют либо спайкой, либо сваркой в восстановительной атмосфере или под слоем расплавленной буры Na₂(B4O₇)*10H₂O в восстановитель­ном пламени паяльной горелки. Диаметр термоэлектропроводов не выходит за пределы 0,05-0,8 мм. Перед изготовлением тер­мопары проволоку обязательно отжигают для снятия разнооб­разных натяжений. Отжиг проводят в муфельных печах (см. разд. 6.6) 10-15 мин при 700-900 °С в инертной атмосфере. Проволоку для высокотемпературных термопар отжигают при температурах, близких к температурам применения. В част­ности, платиновую проволоку отжигают накаливанием ее током 1 ч до 1450 °С. После отжига проволоку проверяют на однородность. Оба ее конца присоединяют проводниками к милли­вольтметру, а места соединений проводников и проволоки по­гружают в тающий лед. Затем отдельные участки проволоки между ее концами нагревают. Отсутствие т.э.с. свидетельствует о достаточной однородности проволоки. Следует заметить, что неоднородность в термоэлектродах делает невозможным измерение высоких температур с точностью большей чем 0,1-0,2 ⁰С. Сваренные или спаянные проволоки необходимо тщательно защищать от возможных загрязнений и любого механическое воздействия (надлом, скручивание, изгиб и т.п.) и от контактов как друг с другом, так и с другими проводниками. Поэтому рекомендуют один из проводников помещать в тонкую трубочку 1(см. рис.. 97, в) из кварцевого стекла (до 1000 °С), фарфора или ко­рунда (до 1500 °С) и оксида магния (до 2000 °С). Еще лучше использовать трубочки 3 с двумя каналами; они предпочтитель­нее.

Если измеряемая среда не агрессивна по отношению к ме­таллам термопары, термопару вводят в нагретое пространство незащищенной, в противном случае термопару помещают в кварцевую пробирку 2.

Компенсирующие провода - это провода 4 (см. рис. 97, б), связывающие термопару 1-2 (через холодный спай) с проводни­ками 7, идущими к гальванометру. Спаи проводников и компенсационных проводов 5 погружают в сосуд Дьюара с ледяной кашицей. Компенсационные провода позволяют удалить от на­греваемого спая термопары холодный спай на нужное расстояние. Компенсационные провода изготавливают из металлов или сплавов, имеющих одинаковые т.э.с. с проводниками термопар. Например, для хромель-копелевой термопары применяют про­вода, изготовленные один из сплава хромель, а другой из сплава копель. Для Pt-(Pt, Rh) термопары берут один провод медный, а другой из сплава меди (99,4%) и никеля (0,6%). Диаметр прово­дов в большинстве случаев не превышает 1,0-1,5 мм.

Термопара Ле Шателье состоит из чистой платины и сплава, содержащего 90% Pt и 10% Rh. Такую термопару применяют как эталонную для точных измерений температур: при 1000 °С (погрешность составляет ±0,2 °С с хорошей воспроизводи­мостью). Обе проволоки термопары следует тщательно защи­щать от попадания на их поверхность соединений железа, от соприкосновения с газами, содержащими соединения углерода и серы. Термоэлектроды не должны быть в контакте с парами фосфора, мышьяка, сурьмы и селена (см. разд. 1.4). Все эти ве­щества быстро диффундируют в нагретый металл и изменяют значение т.э.с. термопары. Рекомендуемый температурный ин­тервал применения термопары Ле Шателье 250-1300 °С. Нагре­вать термопару долго выше 1000 °С и кратковременно выше 1500 °С недопустимо, так как платина становится хрупкой из-за ее рекристаллизации. В табл. 8 приведены значения т.э.с, отве­чающие температурам горячего спая, если холодный спай нахо­дится при 0 °С.

Для измерения температур ниже 0 °С термопара Ле Шателье неприменима: т.э.с. изменяется немонотонно и при -142 °С наблюдается минимум функции т.э.с. =f(T)).

Шателье Анри Луи (1850-1936) - французский фнзико-химнк и металловед, автор закона смешения химического равновесия (1884 г.) и изобретатель термоэлектрического пирометра.