спектрозональные значения коэффициентов поглощения объекта для областей поверхностного и объеьшого поглощения излучения; Л - коэффициент поглощения наружного покрытия ИПТ. Функция

Цх) = 1[И,{х)-У,{х)]- (5.86)

(см. рис. 5.17) отражает интенсивность поглощения теплового излучения и включает функции Струве Я, (х) первого порядка и функции Бесселя Yi (х) второго рода первого 1юрядка; х = й , где а - иаоральный показатель поглощения.

Соотношения (5.80) - (5.86) учитывают достаточно широкий комплекс физико-геометрических параметров ИПТ и полупрозрачного объекта н позволяют проводить оценку погрешности при наличии нескольки-х возмущающих воздействий. В предельном случае при х со / (х) = 1 н из уравнений (5.80) - (5.83) можно получить выражение для оценки погрешности измерения температуры поверхности непрозрачного объекта плоским ИПТ при условии выполнения равенства Ацуду + Л = Лд, где Л - коэффициент поглощения непрозрачного объекта.

Приведенные соотношения могут быть использованы как при эксплуатации ИПТ, так и на стадии их проектирования. В первом случае погрешность оценивается по показаниям ИПТ - [i = э), во втором - по заданному значению и действительной температуры поверхности (г = и).

ГЛАВА 6

ЖИДКОСТНО-СТЕКЛЯННЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Подвижность молекул, а следовательно, интенсивнетсть объемного и линейного термического расширения у жидкостей значительно больше, чем у твердых тел. Поэтому жидкость, заполняющая твердотельный сосуд, с ростом температуры оказывается в избытке, а при уменьшении - в недостатке. Это явление и положено в основу всех ЖСТ. Конструктивная схема ЖСТ включает резервуар, содержащий термометрическую жидкость, и присоединенный к нему капилляр, частично заполненный избыточной жидкостью. Об измеряемой температуре резервуара tyдят по высоте столбика жидкости в капилляре при помощи шкалы, которую наносят либо прямо на стекло капилляра (палочный вариант), либо на специальную пластину, прочно, но эластично соединенную с капилляром. Исторически ЖСТ были первыми термометрами, получившими массовое распространение. Такие достоинства, как неприхотливость, простота в обращении, дешевизна, постоянство характеристик, обеспечили широкое их применение в диапазоне измерения от - 200 до 1200 °С. Только в СССР более 650 типов ЖСТ производятся и применяются в количествах, измеряемых многими десятками миллионов штук в год. Основными поставщиками ЖСТ в СССР являются Клинский (Моск. обл.) и Лохвицкий (Полт, обл.) заводы. Первый из них специализирован преимущественно на термометрах с металлическим заполнением, второй - на термометрах с органическими термометрическими жидкостями.

Использование ртути открыло возможность создания неокисляемых электрических контактов, что привело к широкому применению ртутных термоконтактных устройств в системах контроля и регулирования.

Недостатки ЖСТ обусловлены трудностями непрерывного сочетания их с электрическими системами дальнейшей переработки первичной информации. Поэтому в некоторых областях ЖСТ вытесняются термоэлектрическими и резистивными термометрами.

6.1. Термометрические стекла

Общие требования к готовым стеклам, идущим на изготовление ЖСТ в серийном заводском исполнении, нормированы ГОСТ 1224-71. Химический состав и технология приготовления стекла должны соответствовать технической документации, утверждаемой в установленном порядке. Стандартом предусмотрены следующие марки термометрических стекол: 360, 500, 650. Цифровое обозначение марки стекла соответствует верхнему пределу шкалы ЖСТ в градусах Цельсия. Для измерения более высоких температур используется плавленый кварц, технологические качества которого регламентированы руководствами по стеклодувным работам.

Химическая стойкость термометрических стекол должна быть высокой. В условиях, нормированных ГОСТ 21400-75, потери массы в щелочной

среде не должны превышать 1,5.,.2,0 мг/см, в кислой - 0,01,..0,15 мг/см. При стеклодувной обработке стекла не должны терять ирозрачиоети и кристаллизоваться.

Старение стекол. После стеклодувной обработки в изделиях возникают и сохраняются достаточно большие внутренние напряжения, релаксация которых со временем приводит к изменению размеров. Во всем диапазоне рабочих температур термометров стекло, в принципе, продолжает оставаться вязкоиластичиой массой. Полученное раздуванием изделие стремится к сокрашению, что приводит к необоснованному увеличению показаний. Релаксационная деформация вызывает искажение, величина которого, начиная от 1...5 К в год, регулярно уменьшается.

Для устранения релаксационных погрешностей применяют искусственное старение, при котором изделие нагревают до температуры, не доходящей до температуры начала размя1чения на 5...20 К, выдерживают в течение 3 ч, затем в течение гюследующих 3 ч снижают температуру иа 10...20 К и выдерживают G ч, после чего медленно снижают температуру до комнатной. Перегрев в процессе старения может вызвать деформацию изделий и, следовательно, брак. В связи с этим можно увеличить недогрев до температуры начала размягчения на 20...30 К, выдержать при этой температуре 20 ч, затем медленно, в течение 20...30 ч, снизить температуру до комнатной.

Несмотря на искусственное старение в течение первого года происходит рост показаний на (2...5) 10 К. В дальнейшем процесс затухает, однако о нем следует помнить при употреблении старых ЖСТ в измерениях с высокой точностью.

Для проверки хода естественного старения при хранении после обязательного искусственного старения изготовляют партию из трех термометров с ценой деления ,01 К и пределами измерения от -0,8 до 1,2 °С. В приборе тройной точки воды производится отсчет нулевой точки по методике для определения депрессии. По истечении одного года хранения при температуре (20 ± 5) °С градуировку повторяют. Повышение нулевой точки не должно выходить за следующие пределы: 0,04 К для стекол марки 360; 0,03 К для стекол марки 500; 0,02 К для стекол марки 650.

При температурах, соответствующих верхнему пределу шкалы, процесс старения протекает значительно скорее. Для определения склонности стекла к старению в таких условиях проводят испытание партии термометров на смещение нулевой точки, выдерживая их в течение 6 ч при температуре, соответствующей верхнему пределу шкалы. Значение смещения для различных стекол и верхних значений рабочих температур допускается в пределах 0,30... 1,60 К. Дальнейший ход смещения шкалы не нормирован. Оценочная поправка может быть определена исходя из экспоненциального закона развития процессов старения в зависимости от интегрального времени экспозиции. Такие расчеты носят очень условный характер, и достоверность их невысокая. Стекла иа старение проверяют при изменении химического состава стекловаренной ванны.

Депрессия стекол обусловлена их склонностью к небольшому гистерезису линейных размеров при быстром изменении температуры. Размеры, соответствующие новой устамовившейся температуре, изделие приобретает только через 15...30 ч. Явление в разной степени свойственно всем сортам стекол, применяемых для ЖСТ, не связано с их старением и наблюдается во всем диапазоне рабочих температур. Все наблюдения гистерезиса проводились только при снижении температуры (это связано с удобствами эксперимента) и не свидетельствуют о том, что явление ие наблюдается при ее возрастании.

Нормированное представление депрессии термометрических стекол связывается со смещением показания термометра при О °С после нагрева до 100 °С и определяется как разность показаний термометра при измерении температуры тройной точки воды до и после нагревания до 100 °С.

Депрессия зависит от состава стекла, причем повышенному содержанию солей калия и натрия в равных количествах соответствует повышенная депрессия. Наличие только одного из указанных компонентов не способствует повышению депрессии. Для старых термометров депрессия после нагрева до 500 °С достигает 0,6 К.

Нормированная проверка на депрессию обычно проводится после изменения химического состава в стекловаренной ванне. Для этого из испытуемого стекла изготовляется не менее 10 специальных термометров с ценой деления не более 0,02 К, интервалом рабочих температур ±1 °С, конструкция которых позволяет производить нагрев до 100 С. Предварительно выдержанные в тающем льде и промытые в дистиллированной воде термометры устанавливают в колодец прибора тройной точки воды, залитый дистиллированной водой так, чтобы нулевая точка была на 4...5 мм выше уровня воды. После выдержки в течение 10 мин с помощью катетометра регистрируется положение тройной точки на шкале каждого термометра не менее трех раз с интервалом 1 мин. Затем термометры выдерживают в кипящей воде (100 ± 3) °С в течение часа, охлаждают до комнатной температуры и повторяют измерение в приборе тройной точки воды. Допустимая депрессия составляет 0,05 К для стекол марки 360; 0,05 К для стекол марки 500; 0,01 К для стекол марки 650. Нормированна я депрессия

для старых стекол следующая: иенское термометрическое 16- -0,04 К!

боросиликатное 59 -0,03 К; верредур -0,11 К; супермакс 1565J - 0,01 К.

Практика и анализ действительных и допустимых погрешностей измерения показывают, что при измерениях температур выше 100 °С невозможно учитывать депрессию стекол. Создать методику внесения точной поправки на депрессию в измерениях очень трудно; очевидно, ее следует учитывать при анализе отдельных составляющих погрешности измерейия.

6.2. Термометрические жидкости для ЖСТ

Ртуть среди термометрических жидкостей имеет наиболее широкое распространение. Ее свойства регламентированы ГОСТ 4658-73. Для изготовления термометров применяют ртуть марок Р1 и Р2, которым соответствуют количества примесей, составляющих нелетучий остаток, не более 0,001 и 0,01 % соответственно. Зависимость плотности ртути от температуры описывается следующими выражениями:

Уо У/

= 1 + (18 182 + 0,78 10- 0°С</<100°С; (6.1)

- = 1 -f (18 22Ш + 0,13И2 0,003993 -f 93 Wt) > 10-

200 С < i < 500 °С. (6.3)

Из приведенных уравнений видно, что нелинейность зависимости плотности от температуры растет с повышением последней, но ее относительное значение невелико, даже при 300 °С нелинейность в зависимости плотности от температуры не превышает 3 %. Этим ртуть выгодно отличается от всех других термометрических жидкостей. При использовании чистой ртути, затвердевающей при -38,84 °С, нижний предел измерений -30 °С (изредка -35 °С).

= I + (18 18U + 0,3472 + 0,003933 20 . lOV) 10-

100°С<<300°С; (6.2)

Эвтектические сплавы ртути с металлами третьей группы (In, Ga, Tl) имеют более низкие текгнературы -aiверлсвапия. Так, нредлои<ет1ЫЙ euic в начале XX в. Н. С. Курниковым эвтектический сплав ртути с таллием (8,5 % Т1) затвердевает при температуре ниже -60 °С. Добавка специаль-ных лигатур позволяет изготовляй термометры с металлическим заполнением для измерений температур от -90 С.

Ртуть и ее лигатуры очень ядовиты. Отравление происходит главным образом парами ртути через органы дыхания и может носить острый и хронический характер. При эксплуатации и храпении ртутных ЖСТ необходимо контролировать случаи боя п принимать мерь! к устранению

Т а б л и ц а 6.1. Термометрические жидкости

условий отравления. Предельно допустимая концентрация паров ртути в помещен ИИ равна 0,01 мг/м.

Органические жидкости значительно более чувствигельны к изменению температуры; их коэффициент температурного расширения на порядок выше, чем у ртути. В качестве термометрических жидкостей широкое применение нашли этиловый спирт, петролейный эфир, керосин, толуол и пентан. По своей природе они прозрачны в видимой части спектра, что может быть оценено и как достоинство, и как недостаток. Для улучшения условий наблюдения в эти жидкости добавляют красители, чаще всего ярко-красные, с полосой пропускания в окрестности 0,65 мкм. Краситель должен проявлять себя только в окраске жидкости, все. остальные проявления нежелательны: недопустимы прямая или каталитическая реакция с основной жидкостью, окраска стенок, капилляра, изменение окраски жидкости со временем, выпадение осадков и т. п. Приемлемые характеристики получают при окраске анилиновыми красителями.

Конструктивно удачным представляется решение, в котором со стороны, противоположной наблюдателю, в капилляр вносится тонкая цветная полоска. Она находитея в оптическом фокусе цилиндрической линзы, образуемой прозрачной жидкостью, которая заполняет капилляр, и хорошо различима на заполненном участке. За пустым каналом полоска трудно различима невооруженным глазом. .Аналогичное решение применяется и в термометрах с вложенной шкалой; для улучшения видимости столбика жидкости под капилляром на шкалу наносится черная полоса.

Почти все применяемые термометрические лидкости огнеопасны, летучи, следовательно, взрывоопасны и ядовиты. Но предельно допустимые их концентрации в воздухе на 3...5 порядков выше, чем для ртути, их присутствие легче распознается по запаху, а последствия не так сильны, как при отравлении ртутью. Поэтому эксплуатация термометров с органическими жидкостями не регламентирована специальными требованиями техники безопасности.

Ос1К)вные характеристики термометрических жидкостей приведены в табл. 6.1.

6.3. Шкалы, чувствительность, погрешности

Шкала термометра устанавливает лкру соответствия между выступающим в капилляре столбиком и измеряемой температурой. Конструкции шкал должны гарантировать однозначность механической связи с капилляром и удобство наблюдения положения мениска. Деление шкалы должно опираться на точные значения температур в фиксированных точках и интерполяционные формулы с учетом характера термического расширения термометрической жидкости и стекла. Основные трудности при делении шкалы связаны с нелинейностью свойств жидкостей и стекол. При равномерном делении шкалы в диапазоне 0...100°С погрешность за осчет деления не превышает 0,05 К. Экстраполяционное деление дает менее надежные результаты. Экстраполирование стоградусной шкалы на ртутном термометре из стекла 1565 до 700 °С приводит к погрешности 75 К. Экстраполяция шкалы, основанной иа точках таяния льда и сублимации диоксида углерода, до температуры кипения азота для пентапового термометра дает погрешность 23 К. В связи с большой надежностью интерполяции у платиновых термометров сопротивления градуировку промежуточных значений шкалы производят по показаниям термометров сопротивления.

Таблица 6.2. Пределы допускаемых погрешностей показаний термометра

Для ртутных ЖСТ в первом приближении Высота подъема вершины столбика в капилляре определяется уравнением Я = 18- 10~ VoS~M, где Vq - объем резервуара; S - площадь сечения канала в капилляре; At - изменение температуры. Так, при Vo = 10~® м = 1 см и диаметре капилляра около 0,1 мм ЯД~ = 20 мм К~. При шаге деления в 1 мм цена деления равна 0,05 Кдел. Увеличение резервуара и уменьшение сеченпякапг1лляра приводит к повышению чувствительности термометрической системы. Практически же емкость резервуара выбирают не