более 1 см*, а диаметр канала в капилляре не менее чем несколько сотых долей миллиметра. Такие размеры характерны для стандартных термометров с ценой деления 0,01 К, выпускаемых промышленностью (ТР-1). Дальнейшее уменьшение диаметра канала в капилляре приводит к различным нежелательным последствиям. Среди них основным является неплавность перемещения вершины столбика, обусловленная, очевидно, вариацией менискового давления вследствие шероховатости внутренней поверхности капилляра. Внешне кажется, что действует явление гистерезиса-, на показание термометра начинает влиять не только температура, ио и направление ее изменения - одинаковой температуре соотвегсгвуют разные показания. Одни нз приемов частичного устранения гистерезиса состоит в пощелкивании по головке термометра. При точных определениях должны быть регламентированы не только измеренные фиксированные значения, но и подход к иим. Например, при привязке показа]Ия термометра к тройной точке воды или в других аналогичных случаях рекомендуется термометр предварительно выдержать в среде, имеющей незначительно большую температуру. При этом подход к фиксируемому значению нормируется по знаку первой производной. Таким образом, в жидкостно-стеклянных конструкциях осуществима чувствительность, доходящая до 10 К. Шаг между отметками смежных делений шкалы не допускается менее 0,3 мм. Оцифровка производится через 5...25 делений.

Пределы допускаемых погрешностей показаний термометров в зависимости от пределов измеряемых температур приведены в табл. 6.2.

6.4. Практические особенности измерений ЖСТ

. Поправка на температуру выступающего столбика. Условия измерений часто не совпадают с условиями градуировки. В последней, как правило, весь термометр помещается в изотермическое пространство. Практически редко удается поместить весь термометр в область измерения температуры. Обычно в эту область погружается сосуд и некоторая часть столбика жидкости в капилляре. Остальная часть столбика имеет другую (непостоянную во времени и пространстве) температуру. В связи с этим при точных измерениях следует вводить поправку на температуру выступающего столбика. Величина поправки даже при больших разностях температур невелика, поэтому значение поправочной температуры выступающего столбика южeт быть оце1;ено приближенно.

Существуют конструкции термометров со встроенным вторым термометром, по которому судят о температуре выступающего столбика. Обычно к выступающей части основного термометра теплоизоляционным (асбестовым) шнуром прикрепляется вспомогательный термометр так, чтобы его сосуд находился примерно в середине выступающей части столбика основного термометра.

В связи с приближенным характером практического определения температуры выступающего столбика не требуется интегрирование уравнения температурного расширения столбика. Поправка пропорциональна разности температур и высоте выступающего столбика, что формально записывается следующим образом:

AS = M- (S/-Sb), (6.4)

где Д5 - поправка; 5( - Sj, - длина выступающего столбика; t - измеряемая температура; tm - средняя температура выступающего столбика; Д5, St и Sj удобно брать в градусах шкалы основного термометра.

Значения коэффициента пропорциональности поправки на температуру выступающего столбика Ь для различных условий приведены в табл. 6.3, Так, если ртутный ЖСТ из стекла марки 500 погружен в кипящую воду до деления 30 °С, а выступающая часть капилляра находится

при температуре 35 °С, то поправка составит 0,75 К и ее нужно добавить к зарегистрированному по шкале значению.

Для специальных условий, например в вискозиметрах, изготавливаются термометры, в которых деления на нщале панесеиы с учетом поправки на выступающий столбик и в предположении, что окружающая температура/ , равна 20 °С. При из.мереиии c.iпcpaypы таким термометром в неспециальных условиях следует вносить соответствующую обратную поправку.

Для определения среднеинтегральиой температуры выступающего столбика существуют специальные термо.метры, п которых сосуд пред-

Таблица 6.3. Коэффициент поправки на выступающий столбик

Марка стекла

Жидкость

360 500 650

Плавленый кварц Стекло при /> О °С Стекло при /< О °С

Ртуть

Органическая

160 165 170 180 1300 800

ставляет собой вытянутое цилиндрическое тело длиной, равной среднему значению длины выступающего столбика.

Если производится большое количество измерений в приблизительно одинаковых условиях, целесообразно отградуировать измерительную аппаратуру, например, по ПТС, а затем пользоваться табличными поправками, применяемыми только для данного ряда измерений.

Чувствительность ЖСТ к давлению. Силовые воздействия, обусловленные перепадо.м давления, изменяют объем сосуда и поперечное сечение капилляра. Обычно внутренние объемы термометров герметизированы, поэтому внутреннее давление может быть только функцией измеряемой температуры. Повышение внешнего давления приводит к повышению уровня вершины столбика в капилляре. Это явление в достаточной мере заметно и подлежит учету даже при измерениях с невысокими требованиями к точности. Поправка на внешнее давление является индивидуальной характеристикой каждого ЖСТ и подлежит определению на специальном стенде. Вариация барометрического давления незначительно влияет на показания стеклянных термометров.

! Чувствительность термометров к внешним силовым воздействиям настолько велика, что заметна разница в показаниях термометра, когда при прочих равных условиях его положение изменяется с вертикального на горизонтальное. Поправка пропорциональна высоте столбика жидкости, выраженной в градусах шкалы, Д/ = К1. Коэффициент пропорциональности для ртутных стеклянных термометров К = 10 . В длинных термометрах поправка достигает нескольких сотых долей градуса.

Влияние внутреннего давления сложнее влияния внешнего давления. Внутреннее давление слагается йз давления паров и газов, находящихся над столбиком, давления, возникающего в результате поверхностного натяжения в мениске, и, наконец, гидростатического давления жидкости. Изменение каждой составляющей является функцией собственных аргументов. В ртутных термометрах составляющие внутреннего давления, несмотря на затруднения, можно учесть достаточно точно.

в термометрах, заполненных органическими жидкостями, дапление упругости паров заметно изменяется с температурой. Это парунпет увязку материального баланса газов. На практике некоторой устойчивости показаний удается добиться устройством в верхней части капилляра небольшой ампулы.

6.5. ЖСТ специального назначения

Метастатические термометры позволяют в ходе измерен,iii изменять пределы измеряемой температуры, сохраняя диапазон. Наибольшее рас-пространеине получил термометр Бекмана, характерной особенностью которого является возможпскть отбора части ртути нз осиовиого сосуда. Для этого капилляр в верхней части имеет петлю и раснтиренный участок, куда ноступает отобранная часть ртути (рнс. 6.1). Изменяя количество отобранной ртути, южнo варьировать положение столбика ртути в капилляре. Чем больше ртути отобрано, тем большей температуре соответствует положение вершины столбика. Условия отбора не позволяют точно определить количество отобранной ртути, поэтому абсолютные значения температур получаются с невысокой точностью, зато в пределах одного отбора изменение температуры регистрируют с большой точностью.

Термометры Бекмана широко применяются в калориметрии, где абсолютный уровень температуры не так важен, как ее изменение в процессе калориметрического измерения. Вся шкала термометра обычно соответствует изменению температуры на 5 К, которые условно обозначены цифрами llli 1,--5. Каждое деление разделяется на 100 частей, т. е. каж-I Г I дому делению соответствует 0,01 К- Согласно ГОСТ 215-73 I I расстояние между штрихами шкалы должно быть не менее \ Д 0,5 мм, что соответствует длине рабочей части шкалы, равной 250 мм. В ряде стран допускается снижать минимальное расстояние между штрихами до 0,25 мм, что приводит

Рис. 0.1. Головка термометра Бекмана

к уменьшению размеров шкалы. Термометр получается более колшакт-ным, но менее точным и удобным в отсчетах.

Для приближенной оценки уровня температуры на верхнем сосуде (петле) нанесены деления, показывающие количество отобранной ртути. Изображенная на рис. 6.1 головка соответствует термометру для измерений в диапазоне температур 0...120°С. В данном случае сравнительно компактный прибор эквивалентен термометру с длнтюй шкалы около 3 м.

Ртути свойственна нелинейность зависимости плотности от температуры, поэтому метрологические измерения высокой точности требуют учета переменности цены деления метастатических термометров при различных температурах.

Кроме калориметрии метастатические термометры применяются в термографии для точных измерений хода температуры. Рабочая шкала делится на 20 градусов, цена деления соответствует 0,05 К. Вспомогательная верхняя камера подбирается так, чтобы можно было ступеньками по 20 К измерять температуры в диапазоне, охватывающем несколько сот градусов.

В метастатических термометрах ртуть отбирается в верхнюю камеру путем нагрева основного сосуда до температуры, которая несколько превышает максимальную измеряемую. Избыток ртути автоматически ока-

зывается в верхнем сосуде. О количестве отобршпюй ртути судят по делениям на вспомогательной верхней шкале. После ?того термометр устр-иавлнпают таким образом, чтобы нить ртути иа выходе нз капилляра в верхний сосуд разорвалась, затем охлаж.дают термо.мсгр и производят 1Г5мере11Ия. Если необходимо вернуть часть ртути в основной сосуд, то термометр прогревают до тех пор, пока ртуть не начнет вытекать в верхний ео уд Затем соединяют ртуть в одну цепь и медленно охлаждают до тех пор, пока мениск в верхнем сосуде не дойдет до требуемого уровня. После лости-Кення требуемого уровня цепь ртути разрывают поворотом и встряхиванием термометра. Соединение и разрыв ртутной нити в метастатических термометрах для установления необходимого диапазона телшературы измерений требуют навыка и тренировки оператора.

Рабочие характеристики серийно выпускаемого (ТУ-25-11-902 - 73) метастатического термометра ТЛ-1 следующие:

Рабочий интервал температур, °С -20...+150 Общая длина, мм 560 =fc 10 Цена деления основной шкалы, К 0,01 Цена деления вспомогательной шкалы, К 5,0

Высокотемпературные ЖСТ. В обычных ртутных.термометрах, применяемых для измерения температур до 150 °С, пространство над мениском вакуумируется. С возрастанием температуры до 250 С начинается испарение ртути через мениск и конденсация ее в верхней части капилляра. Это приводит к нарушению корректности измерения из-за уменьшения рабочего количества ртути, а также к засорению верхней части капилляра пробками из скондеиснровавшейся ртути. В последнем случае восстановление рабочих свойств термометра требует нагрева его до выхода столбика в верхнюю камеру. При последующем осторожном охлаж.деиии ртуть потвращастся в основной сосуд.

Свойства ртути позволяют производить измерения до более высоких пред. лов (критическая температура 1460 °С при давлении 108,0 МПа). Чт:1бы пары ртути не поднимались высоко по капилляру, последний заполняют газом под высоким давлением. Заполняющий газ не должен реагировать со ртутью. В качестве такого газа используют азот, углекислый газ и аргон. Для температур ниже 350 °С заполнение можно производить при атмосферном давлении. Tepюмeтpы с верхним пределом до 500 °С заполняют при давлении 2,5 МПа. Для температур до 750 °С дав.тение увеличивают до 10 МПа.

Заполнение ртутью таких термометров производят под вакуумом. При этом капилляр запаивается. Дальнейшее заполнение газом произво-,дят двумя методами. Первый состоит в том, что заготовки с ртутью помещают в камеру, заполняемую инертным газом под необходимым давлением. Манипулятором отбивают верхний конец капилляра, открывая тем самым доступ газу в капилляр и верхнюю камеру. После этого автомат подносит верхнюю часть капилляра к электрической печи для оплавле-ння и герметизации. Соглас: о второму методу все операции производят при атмосферном давлении. В верхнюю камеру после предварительного охлаждения заливают жидкий газ, например аргон, и замораживают его. Жидкий газ должен быть в таком количестве, которое после запаивания открытого конца капилляра и нагрева обеспечит необходимое давление на мениск.

Применение галлия в качестве термометрической жидкости в корпусе из плавленого кварца позволяет производить измерения до 1200 °С, не используя высокие давления. Изготовление и эксплуатация галлие-вых термометров связаны с рядом затруднений. Галлий легко окисляется и в присутствии окислов начинает налипать на кварцевую поверхность, поэтому заполнение термометра металлом необходимо производить

в водородной среде. Чистый галлий и некоторые его сплавы склонны к значительным переохлаждениям (вплоть до О °С) без затвердевания. Затвердевание галлия в сосуде приводит к разрушению термометра в связи с тем, что галлий, так же, как вода, обладает исключительным свойством заметного увеличения <;бье\;а при переходе из жидкого состояния в твердое.

Максимальные термометры предназначены для регистрации максимальной температуры при непрерывном измерении с момента установки термометра. Они нтр применяются в метеорологии, медицине, вете-ринапии.

По конструктивному исполнению различают два типа. Первый основан на том, что через тонкий пережим в капилляре ртуть проходит под давлением, но под действием разрежения ртутный столбик ьразрывает-ся . Обычно пережим получают, вставляя в начальный участок капилляра тонкий стеклянный стерженек (нить). Снизу стерженек припаивается ко дну резервуара термометра. Столбик ртути разрывается на пережиме и остается в капилляре на уровне максимальной температуры. При повторном повышении температуры (после достижения предыдущего максимума) столбик соединяется и термометр регистрирует дальнейшее повышение температуры. Сбой показаний термометра осуществляется встряхиванием. Характеристики максимальных ртутных термометров ТБ-1Б и ТМ-1 приведены в табл. 6.6.

В капиллярный канал максимальных термометров второго типа закладывают миниатюрный ползунок, обычно удерживающийся в канале специальной пружинкой благодаря трению. При соприкосновении мениска с полынком поверхностное натяжение (архимедова сила практически не игртет роли) способствует выталкиванию ползунка из ртути. При снижении мениска ползунок остается в наивысшей точке, указывая таким образом максимальную температуру, измеренную термометром. Ползунок изготовляют из железа, стекла или иного материала, не поддающегося амальгамированию. Для обоих типов в качестве термометрической жидкости применяется ртуть.

Минимальные термометры предназначены для регистрации минималь-1юй температуры при непрерывном измерении с момента установки термометра. Они широко применяются в метеорологии. Действие их основано на том, что мениск смачнваютцей жидкости все время удерживает ползунок внутри жидкости, вследствие чего ползунок стягивается мениском вниз до положения, соответствующего минимальной температуре. При возрастании температуры ползунок не оказывает сопротивления медленному перемещению столбика термометрической жидкости вверх и остается неподвижным. Приведение ползунка в соприкосновение с мениском (начальное положение)производится встряхиванием или при помощи сильного постоянного магнита. В последнем случае в ползунке должен быть предусмотрен железный сердечник. В минимальных термометрах капилляр обычно располагается горизонтально. Характеристики минимальных метеорологических термометров ТМ-2 (№ 1, 2, 3, 4) приведены в табл. 6.7. ,

Интересна конструкция максимально минимального термометра Сикса, в капилляре которого над ртутным столбиком находится спиртовый столбик. Рабочей термометрической жидкостью является ртуть. Спиртовый столбик исполняет лишь передаточные функции, по его краям устанавливаются ползунки. Верхний ползунок перемещается спиртовым мениском н указывает минимальную температуру. Нижний ползунок перемещается мениском, образовавшимся на границе ртути со спиртом, и указывает максимальную температуру. В ползунки вмонтированы железные элемен-ты, позволяющие перемещать их в исходные положения при помощи магнита. Максимальные и минимальные термометры неприменимы при наличии больших ускорений и вибраций.

Глубоководные термометры. При измерении температуры на разных глубинах морей, озер и других водоемов необходимо зафиксировать показание термометра на некоторой заранее определенной глубине. Наиболе удачные решения основаны на явлении разрыва столбика ртути в капилляре при опрокидываини конструкции на 180° при помощи специального устройства, сраба1ывающего от посылыюго груза В связи с большой инерционностью экспозиция на заданной 1лубине перед опрокидыванием должна быть ие менее 5 мин. При опрокидывании отсчетное количество ртути, зависяпгее от температуры в этот момент, стекает во второй сосуд, расположенный па другом конце капилляра. Этот сосуд имеет свою нп<алу, при помощи которой определяется количество отсеченной ртути, а значит, и температура в момент отсечки с точностью .до ±0,01 К. Прибор позволяет измерять температуры при любых условиях, независимо от того, будет ли температура вьпиележащих слоев, через которые термометр неизбежно проходит при погружении или извлечении, выше или ниже измеряемой. Для случаев, когда прибор после измерения проходит через воду с температурой, большей, чем измеренная, в капилляре предусмотрена специальная полость для слива избытка ртути, вытекающей из основного сосуда термометра,

В комплект глубоководного термометра входит вспомогательный термометр, показания которого позволяют внести коррекцию на окружающую температуру в момент отсчета. Оба термометра заключаются в прочную стеклянную или стальную оболочку. Для улучшения контакта с окружающей средой свободное пространство вокруг резервуара главного термометра заливается ртутью. В исходном положении резервуар главного термометра располагается внизу (рис. 6.2).

В СССР в зависикюсти от условий измерения и предъявля-

Рис. 6.2. Глубоководный термометр

емых требований изготовляются нормализованно (ВКГОКП-43.2128.0260) глубоководные термометры (ТГ) трех классов:

I -для измерений в диапазоне -2...+ 10 С, II - для измерений в диапазоне -2...18°С,

III-для измерений в диапазоне -2...+30°С. Классу I соответствует цена деления 0,05 К, II и III - 0,1 К. Вспомогательный термометр градуируется в пределах -20...+45 °С с ценой деления 0,5 К. Размеры ТГ: диаметр - 20 мм, длина - 320 мм. Шкала и оцифровка главного термометра для удобства отсчета в перевернутом положении наносятся в обратном порядке.

Комбинируя два термометра, один из которых защищен от воздействия гидростатического давления воды, а второй свободно подвержен давлению, определяют разность их показаний, по которой с достаточной точностью можно судить о глубине измерения температуры. Завнси.мость между разностью температур двух термометров определяется градуировкой в лаборатоных условиях. Обычно каждому градусу этой разности соответствует изменение глубины на 80...140 м. Ошибка в определении глубины таким методом не превышает 10 м. Существуют термометры для измерения температуры на глубине свыше 8000 м; в этом случае разность температур может доходить до 100 К. Серийно выпускаемые термометры-глубиномеры, (ТГМ) (ВКГОКП-43.2128,0290) по всем показателям соответствуют трем классам описанных выше ТГ.