Контактные средства измерения температуры: жидкостные термометры

1. Классификация контактных средств измерения температуры

Контактные методы предполагают непосредственный контакт чувствительного элемента с измеряемой средой. Основные типы контактных термометров:

• Жидкостные стеклянные термометры — работают на основе объёмного теплового расширения термометрической жидкости.
• Манометрические термометры — используют зависимость давления жидкости/газа от температуры при постоянном объёме.
• Термоэлектрические термометры (термопары) — основаны на возникновении термоЭДС в цепи из двух разнородных проводников.
• Термометры сопротивления — измеряют изменение электрического сопротивления проводника/полупроводника с температурой.

2. Принцип действия стеклянных жидкостных термометров

Принцип работы базируется на температурном коэффициенте объёмного расширения (β) термометрической жидкости. При нагревании жидкость расширяется сильнее, чем стеклянный резервуар и капилляр, вследствие чего уровень столбика в капиллярной трубке повышается. Температуру определяют по положению мениска относительно градуированной шкалы.

3. Устройство термометра

Основные элементы:

• Резервуар — нижняя часть, содержащая основной объём термометрической жидкости.
• Капиллярная трубка — узкий канал, по которому перемещается столбик жидкости.
• Шкала — градуированная отметка для считывания температуры (нанесена на стекло, вложена внутрь или прикреплена снаружи).
• Перепускная камера (опционально) — полость для избытка жидкости при перегреве, предотвращающая разрыв капилляра.
• Защитная оболочка (для типов Б и В) — обеспечивает механическую прочность и безопасность.

4. Типы стеклянных жидкостных термометров

По конструктивному исполнению (согласно ГОСТ):

• Тип А (палочные) — капилляр служит корпусом, шкала нанесена на внешнюю поверхность стекла.
• Тип Б (с вложенной шкалой) — капилляр и шкала заключены в общую защитную оболочку.
• Тип В (с прикладной шкалой) — шкала прикреплена к внешней стороне капилляра.

По условиям эксплуатации:

• Полного погружения — весь термометр погружается в среду; градуировка выполнена при условии, что выступающий столбик не превышает 10 мм.
• Частичного погружения — погружается до определённой отметки, указанной на шкале; учитывается температура выступающего столбика.

По термометрической жидкости:

• Ртутные — диапазон: от −39 °C до +630 °C (при давлении до +750 °C); высокая точность, но токсичность.
• Спиртовые — от −80 °C до +100 °C; безопасны, но менее точны.
• Пентановые — до −200 °C; применяются для сверхнизких температур.
• На основе толуола, эфира, керосина — промежуточные диапазоны.

5. Метрологические характеристики

• Диапазон измерений — определяется типом жидкости и конструкцией (от −200 °C до +630 °C).
• Цена деления шкалы — 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 °C (в зависимости от класса точности).
• Класс точности — задан пределом допускаемой погрешности (например, ±0,2 °C для лабораторных термометров I класса с ценой деления 0,1 °C).
• Градуировка — выполняется в градусах Цельсия (°C) по Международной практической температурной шкале.
• Погрешность — зависит от качества изготовления, старения стекла и жидкости, условий эксплуатации.
• Время отклика — определяется инерционностью системы (медленнее, чем у электронных датчиков).
• Допустимое давление — для ртутных термометров при высоких температурах требуется инертная газовая подушка (до 70 атм).

6. Классификация погрешностей стеклянных жидкостных термометров

1. Погрешности, обусловленные конструкцией и материалом:

• Неточность градуировки — неравномерность капилляра, ошибки нанесения отметок.
• Смещение нулевой отметки — из-за старения стекла или жидкости.
• Дефекты термометрической жидкости — образование пузырьков, испарение, загрязнение.
• Мёртвый ход — задержка движения столбика при изменении температуры.
• Различие коэффициентов расширения — жидкость и стекло расширяются неодинаково.

2. Погрешности из-за условий эксплуатации:

• Выступающий столбик — часть капилляра находится вне измеряемой среды; требует поправки на среднюю температуру выступающего участка.
• Параллакс — ошибка считывания из-за неправильного угла зрения.
• Температурные деформации стекла — при резких перепадах температуры.
• Влияние атмосферного давления — особенно для открытых систем.

3. Погрешности старения и износа:

• Испарение жидкости — уменьшает объём столбика, сдвигает шкалу.
• Образование пузырьков — нарушает непрерывность столбика.
• Загрязнение капилляра — снижает подвижность жидкости.
• Механические повреждения — царапины, трещины, деформация шкалы.

4. Погрешности метода измерения:

• Неполное погружение — для термометров частичного погружения.
• Теплоотвод по корпусу — если термометр контактирует с элементами конструкции.
• Гистерезис — запаздывание показаний при циклических изменениях температуры.

7. Методы снижения погрешностей

• Калибровка и поверка — периодическая проверка по эталонным термометрам (например, в нуль‑термостате).
• Учёт поправки на выступающий столбик — расчёт по формуле с коэффициентом расширения жидкости и разницей температур.
• Использование защитных кожухов — снижение влияния внешних условий.
• Соблюдение глубины погружения — строго по маркировке для термометров частичного погружения.
• Аккуратное обращение — предотвращение механических повреждений и загрязнения.

8. Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота конструкции и эксплуатации.
• Высокая точность в рабочем диапазоне.
• Отсутствие необходимости в электропитании.
• Взрывобезопасность (при использовании нетоксичных жидкостей).
• Низкая стоимость.

Недостатки:

• Хрупкость (риск разрушения стекла).
• Токсичность ртути (для ртутных моделей).
• Инерционность (медленный отклик).
• Невозможность дистанционной передачи данных.
• Ограниченный диапазон измерений (по сравнению с электронными датчиками).

Стеклянные жидкостные термометры остаются востребованными благодаря простоте, надёжности и достаточной точности для многих приложений. Их применение оправдано в лабораториях, бытовых условиях, а также в отраслях, где не требуется дистанционный мониторинг. Однако для автоматизации процессов и работы в экстремальных условиях предпочтительны электронные аналоги. Соблюдение правил эксплуатации и периодической поверки позволяет минимизировать погрешности и продлить срок службы приборов.