Газовые

Манометрические газовые термометры позволяют измерять температуру от -150 до +600°С. В качестве рабочего вещества в газовых термометрах используется азот. Перед заполнением всей термосистемы термометра азотом термо­система и газ должны быть хорошо просушены. Длина соедини­тельного капилляра этих термометров 0,6—60 м.

При постоянном объеме газа зависимость его давления от тем­пературы определяется выражением:

где р₀ — давление газа при температуре 0°С; ( — термический коэффициент давления газа, К^-1 [для идеального газа ( = 1 /Т₀ = 0,003661 К^-1, а для азота ( = (0,003661—0,000013р₀) К^-1].

При изменении температуры газа в термобаллоне термометра от t_н до t_к будет изменяться и давление газа в соответствии с выра­жением

где р_н и р_к — давление газа при температуре, соответствующей началу концу шкалы термометра.

После несложных преобразований получаем:

Из этого выражения видно, что размер рабочего давления р в термосистеме газового термометра прямо пропорционален значе­нию начального давления р_н и диапазону измерения (t_к - t_н) прибора. Следует отметить, что при повышении температуры термо­баллона термометра объем термосистемы его увеличивается в основ­ном за счет расширения термобаллона и увеличения объема внут­ренней полости манометрической пружины. При увеличении тем­пературы газа, а вместе с тем и давления его происходит частичное перетекание газа из термобаллона в капилляр и манометрическую пружину. При понижении температуры газа в термобаллоне будет происходить обратный процесс. Вследствие этого при измерении температуры газовым термометром постоянство объема газа в тер­мосистеме не сохраняется. Поэтому зависимость между давлением газа в термосистеме и его температурой незначительно отклоняется от линейной и действительное давление газа в термосистеме при температуре t_к будет меньше подсчитанного по формуле. Однако эта нелинейность зависимости между p и t не играет суще­ственной роли и шкала газового термометра получается практи­чески равномерной.

Для увеличения рабочего давления термосистему газового термометра заполняют азотом под некоторым начальным давлением р_н в зависимости от диапазона измерения температуры. Поэтому колебания атмосферного дав­ления на показаниях газового термометра не сказываются.

Для уменьшения изменения показаний газового термометра, вызываемого отклонением температуры окружающего воздуха от 20°С, устанавливают термобиметаллический компенсатор в тягу передаточного механизма, а также стремятся уменьшить отношение внутреннего объема пружины и капилляра к объему термобаллона. Это достигается увеличением объема, а следовательно, и размеров термобаллона. Например, при длине капилляра от 1,6 до 2,5 м длина корпуса термобаллона термометра выполняется равной 125 мм, а при длине капилляра до 40 м—500 мм. Диаметр термобаллона в том и другом случае равен 20 мм. Ввиду больших размеров термобаллона газовые термометры не везде могут быть применены.

Конденсационные

Манометрические конденсацион­ные термометры выпускаются с пределами измерения от - 50 до 300°С. В качестве конденсата используется фреон-22 (CHF₂Cl) от - 25 до 80°С, пропилен (С₃Н₆) — от -50 до 60°С, хлористый метил (СН₃Сl) — от 0 до 125°С, ацетон (С₃Н₆O) — от 100 до 200°С, этилбензол (С₈Н₁₀) — от 160 до 300С° и т. п. Следует отметить, что однозначная зависимость давления насыщенного пара от тем­пературы имеет место только до определенной температуры, назы­ваемой критической. Вследствие этого верхний предел шкалы мано­метрического конденсационного термометра должен быть всегда ниже критической температуры t_кр данного рабочего конденсата. В этом случае рабочее давление в термосистеме термометра также не будет превышать критического давления р_кр для выбранного конденсата.

Начальное давление в термосистеме конденсационного термо­метра для данного рабочего конденсата определяется температурой начальной отметки шкалы и равно давлению насыщенного пара при этой температуре. Например, при использовании хлористого метила (температура кипения — 24°С, t_кр = 143,8°С, р_кр = = 65,8 кгс/см²) в качестве рабочего конденсата для термометра с диапазоном измерения О—120°С начальное давление равно при­мерно 2,6 кгс/см² (0,26 МПа), а прирост давления при 120°С равен 43,7 кгс/см² (4,37 МПа). При диапазоне измерения 20—120°С начальное давление равно примерно 4,9 кгс/см2 (0,49 МПа), а при­рост давления при температуре 120°С равен 41,5 кгс/см2 (4,15 МПа). Термобаллон конденсационных термометров имеет небольшие по сравнению с газовыми термометрами размеры (длина 78, диаметр 16 мм). Длина соединительного капилляра от 0,6 до 25 м.

Характерной особенностью конденсационных термометров явля­ется значительная неравномерность шкалы. Для линеаризации статической характеристики и, следователь­но, получения равномерной шкалы некото­рые типы манометрических конденсацион­ных термометров снаб­жаются специальным дополнительным уст­ройством (рис. 3.2). Упоры 1 дополни­тельного устройства 2 подводятся к мано­метрической пружине 3 с внешней стороны так, что при ее раскручивании пружина последовательно ложится на них, начиная с упора, расположенного рядом с ее за­крепленным концом. При этом постепенно все большая часть длины пружины исклю­чается из работы, а вместе с тем вводится нелинейность, которая противоположна не­линейности изменения давления насыщен­ного пара в термосистеме от температуры. Это и обеспечивает получение равномерной шкалы конденсационного термометра.

Рис. 3.2. Схема устрой­ства конденсационного манометрического термо­метра с устройством для получения равномерной шкалы.

Другой характерной особенностью кон­денсационных термометров является то, что рабочее давление в термосистеме для дан­ного конденсата зависит только от диапа­зона измерения и изменения давления на­сыщенного пара этого конденсата от температуры. Другие же параметры термометра не оказывают влияния на рабочие давле­ния в его термосистеме. Поэтому изменение показаний термо­метра, вызываемое отклонением температуры окружающего воз­духа от 20°С, обусловливается главным образом изменением модуля упругости материала применяемой манометрической пружины и значением допускаемого непостоянства показаний прибора.

Показания конденсационных термометров зависят от высоты расположения термобаллона (выше или ниже) по отношению к кор­пусу прибора, а также и от изменения атмосферного давления.

Зависимость показаний конденсационного термометра от высоты расположения термобаллона по отношению к корпусу прибора имеет место в том случае, когда по условиям измерений в мано­метрической пружине и капилляре рабочее вещество находится в жидкой фазе. Это имеет место в тех случаях, когда температура среды, в которую погружен термобаллон, выше температуры воз­духа, окружающего корпус прибора и капилляр. Если в этом случае термобаллон будет расположен выше корпуса прибора, то показания термометра будут завышены, а если ниже — зани­жены. При этом погрешность показаний термометра в начале шкалы будет больше, чем в конце шкалы, так как в последнем случае давление столба рабочей жидкости в капилляре будет весьма малой долей общего давления в термосистеме. Например, для термометра с диапазоном измерения 0—120°С, термосистема кото­рого заполнена хлористым метилом, при расположении термобал­лона выше корпуса прибора на 10 м погрешность при 40°С равна +3,9°С, а при 110°С — +1,3°С. Атмосферное давление в слу­чае его изменения нагружает или разгружает манометрическую пружину термометра, вызывая скручивание или распрямление ее, что и обусловливает изменение показаний термометра. Если увеличение или уменьшение атмосферного давления будет иметь малое значение по сравнению с давлением в термосистеме, то с влия­нием его можно не считаться. Например, при измерении темпера­туры от 60 до 120°С термометром, заполненным хлористым мети­лом, с погрешностью за счет изменения атмосферного давления на ± 5% нормального можно не считаться, так как эта погрешность при 60°С составляет около 0,1°С, а при 110°С около 0,04° С.