Измерение и регулирование температуры
Измерять температуру практически возможно лишь методом сравнения нагретости двух тел, причем степень нагретости одного предполагается известной.
В настоящее время применяют две температурные шкалы; термодинамическую и международную практическую, введенную как обязательную с 1 января 1971 г. В термодинамической шкале Кельвина начальная точка отсчета - точка абсолютного нуля (точка, лежащая на 273,16° ниже точки плавления льда - 0,01 °С).
Единственная экспериментальная точка в этой шкале - тройная точка воды, при которой все три фазы воды (твердая, жидкая и газообразная) находятся в равновесии, и для которой установлено числовое значение 273,16 К. По размеру кельвин равен градусу Цельсия.
На основе термодинамической шкалы для практических целей установлена международная практическая температурная шкала. Эта шкала основана на 11 постоянных (реперных) точках температуры, которые служат для калибрования термометров и термопар.
Температура по термодинамической и международной шкале может быть выражена как в кельвинах (К), так и в градусах Цельсия (°С), в зависимости от начала отсчета на шкале. Соотношение между абсолютной температурой Т, выраженной в кельвинах, и температурой t, выраженной в градусах Цельсия:
Классификация приборов для измерения температуры
Температуру измеряют с помощью термометров. По принципу действия термометры, в соответствии с ГОСТ 13417-76, делятся на следующие группы: дилатометрические, манометрические, электрические (термоэлектрические и термометры сопротивления), пирометры-термометры излучения.
По методам измерения температуры приборы можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные. К бесконтактным относятся пирометры.
В последние годы выявилась еще одна группа средств для ориентировочного измерения температуры поверхности нагретых тел контактным методом - термохимические, изменяющие окраску при изменении температуры.
Жидкостные термометры расширения
Чаще всего в химических лабораториях применяют жидкостные термометры расширения.
Для измерения температуры от -35 до +350 °С используют ртутные термометры; при помощи ртутных термометров из кварцевого стекла, заполненных азотом под давлением до 2-7 МПа (газонаполненные термометры), можно измерять температуру до 650 °С.
Для измерения температур ниже -30 °С применяют жидкостные нертутные термометры, наполненные этиловым спиртом (от +65 до -70°С), толуолом (от +90 до -90°С), петролейным эфиром или пентаном (от +20 до -190 °С). Их часто называют «минусовыми». Выбор рабочей жидкости определяется диапазоном измеряемых температур. Учитывая высокое давление паров нертутных термометрических жидкостей, капилляры термометров заполняют азотом под давлением. Следует иметь в виду, что для определения температуры такими термометрами требуется больше времени, чем в случае ртутных, так как эти жидкости обладают значительно меньшей теплопроводностью и большей вязкостью, чем ртуть. Поскольку нертутные жидкости, в отличие от ртути, смачивают поверхность стекла, охлаждать термометры можно только медленно, погружая сначала лишь шарик, иначе возможна значительная ошибка.
Точность измерения при умеренно низких температурах составляет ±0,5-1°. Термометры со смачивающими жидкостями рекомендуется хранить в вертикальном положении. В случае разрыва столбика жидкости, его соединяют, постукивая по термометру пальцем, но ни в коем случае не нагревая термометр.
Жидкостные термометры по конструкции делятся на палочные - из массивных толстостенных трубок, на внешней поверхности которых нанесена температурная шкала, и шкальные - со шкальной пластинкой из молочного стекла, помещенной сзади капилляра. По назначению и области применения жидкостные термометры делятся на лабораторные и технические. И те и другие могут быть как общего, так и специального назначения.
Допускаемая погрешность показаний ртутных термометров зависит, главным образом от интервала измеряемых температур и цены деления шкалы. Так, пределы погрешности термометров при цене деления 1 °С составляют:
В зависимости от цены деления шкалы и размеров, термометры делятся на группы. Жидкостные термометры расширения общелабораторного назначения образуют группу ТЛ. В настоящем руководстве будут рассмотрены лишь наиболее часто применяемые термометры лабораторные (химические) типа ТЛ.
Термометр Бекмана
Дифференциальный ртутный термометр с вложенной внутрь шкальной пластинкой из молочного стекла предназначен для измерения с большой точностью в узком пределе температур (не превышающем 5°С) в интервале температур от -20 до +150 °С.
Шкала термометра разделена всего на 5-6°С с делениями в 0,01 °С, что позволяет проводить измерения с точностью до 0,002 °С. В верхней части термометра (рис. 93) находится резервуар с запасом ртути. В нижней части также имеется резервуар для ртути. Оба резервуара соединены капилляром, что дает возможность изменять объем ртути в рабочем (нижнем) резервуаре. Изменяя объем ртути в рабочем резервуаре, можно «настроить» термометр так, чтобы его показания отвечали требуемому интервалу температур. Если температура в процессе эксперимента понижается, то термометр настраивают так, чтобы в начале измерения мениск ртути находился в верхней градуированной части капилляра. При измерении повышения температуры мениск ртути устанавливают в нижней части капилляра.
Для настройки термометра его переворачивают верхней, расширенной частью вниз и, слегка постукивая пальцем по нему, переводят каплю ртути в расширение верхней изогнутой трубки. Затем переворачивают термометр и опускают в слегка подогретую воду. Столбик ртути, поднимающийся из резервуара, должен соединиться с ртутью, находящейся в верхней части термометра. После этого нижний резервуар нагревают в жидкостной бане, снабженной вспомогательным термометром, до температуры на 2-3°С выше той, которую нужно будет измерить, и легким постукиванием разрывают столбик ртути в месте соединения капилляра с верхним расширением.
Общелабораторные ртутные термометры
Ртутные химические термометры типа ТЛ-2 с вложенной внутрь оболочки шкальной пластинкой из молочного стекла предназначены для измерения температуры в пределах от -30 до +350°C; цена деления шкалы 1 °С.
Ртутные газонаполненные высокоградусные термометры типа ТЛ-3 изготовлены из массивной капиллярной трубки с нанесенными на ее поверхность делениями шкалы и цифрами, без эмалевой полоски. Термометры предназначаются для измерения температуры в пределах 0-400, 0-500 и 0-600°С; цена деления шкалы 2°С.
Для точных измерений применяют наборы из восьми нормальных или образцовых шкальных термометров типа ТЛ-4 для измерения температуры в пределах от -30 до +350 °С; цена деления 0,1 °С.
Комплект из четырех ртутных термометров по Аллину типа ТЛ-5 предназначен для измерения температуры в пределах 30-300 °С; цена деления 0,5 °С.
Комплект из восьми укороченных термометров по Аншютцу предназначен для измерения температуры в малогабаритных сосудах от -30 до +360 °С, с ценой деления шкалы 0,5 °С.
Ртутные термометры типа ТЛ-19 предназначены для точных измерений температуры в пределах от 10 до 35 ±0,2 °С, а ТЛ-20 - от 35 до 60 ±0,1 °С.
Более точны специальные термометры с очень большим и длинным резервуаром для ртути. Для высокоточных измерений температуры в лабораторных условиях используют наборы равноделенных палочных термометров типа TP-I и TP-II. Набор TP-I состоит из 15 термометров, рассчитанных на измерение температуры в пределах от 0 до 4, от 4 до 8 °С и так далее до 60 °С; цена деления 0,01 °С. Набор TP-II состоит из 10 термометров, предназначенных для измерения температуры в пределах 55-65, 65-75 °С и так далее до 155 °С; цена деления 0,02 °С.
Термометры на нормальных конусных шлифах
Для измерения температуры в лабораторных узкогорлых сосудах и аппаратах с конусными взаимозаменяемыми шлифами предназначены два типа ртутных термометров с вложенной шкалой на нормальных конусных шлифах: ТЛ-33 со шлифом КШ-14 в верхней части и ТЛ-50 с КШ-14 в нижней части.
Термометры ТЛ-33 погружают в измеряемую среду полностью. Пределы измеряемой температуры термометрами ТЛ-33 от -30 до 200°С.
Термометры ТЛ-50 подразделяются на четыре группы:
Технические термометры
Технические термометры (прямые и угловые) изготовляются обычно с вложенной шкальной пластинкой (рис. 94). В отличие от лабораторных (химических) термометров, их резервуар большего объема и капилляр большего диаметра, поэтому градусные деления у них крупные, а столбик ртути более заметен.
Отсчет показаний термометра
Правильный отсчет показаний термометра возможен лишь тогда, когда в нагреваемую зону погружен не только резервуар с ртутью, но и весь выступающий столбик ртути.
Стекло и ртуть нагреваются неравномерно, и поэтому показания термометра при погружении только его нижней части в нагретое вещество несколько отличаются от истинных значений. Чтобы получить точные данные, в измеренную величину t1 вводят поправку К, которую вычисляют по формуле:
где n - число градусов в выступающем столбике; а - коэффициент расширения стекла (для палочных термометров а = 0,000168 и для трубчатых а = 0,000158); t2 - средняя температура выступающего столбика ртути.
Вместо t2 измеряется температура воздуха на уровне середины выступающего столбика ртути с помощью вспомогательного укороченного термометра, прикрепленного так, чтобы его конец касался середины выступающего столбика (рис. 95).
Поправка на выступающий столбик ртути зависит от температуры:
При отсчете показаний термометра по шкале глаз должен находиться на одной линии с уровнем ртути.
Обращение с термометрами и их проверка
После того как температура измерена, термометру дают остыть, затем его вытирают, кладут в футляр и убирают в место, отведенное для хранения термометров.
Если нижняя часть термометра запачкана смолистыми веществами, то термометр следует вытереть кусочком ваты, смоченной органическим растворителем (спирт, ацетон, эфир). С термометрами следует обращаться очень осторожно. Нельзя нагревать их выше максимальной температуры, указанной на шкале.
Правильность показаний термометра следует время от времени проверять, сравнивая их с нормальным эталонным термометром, которым не пользуются для рядовых работ, а хранят для проверки лабораторных приборов. Для этой цели проверяемый и эталонный термометры соединяют вместе резиновыми колечками так, чтобы их ртутные баллоны находились как можно ближе один к другому. Затем их помещают в жидкостный ультратермостат так, чтобы столбики ртути несколько выступали из жидкости. До 100°С в качестве термостатной жидкости применяют воду, а выше (до 250-300°С) - цилиндровое или силиконовое масло.
По результатам проверки строят график, где по оси ординат откладывают температуру по эталонному термометру, а по оси абсцисс - наблюдаемую температуру по проверяемому термометру.
Чаще всего термометр проверяют, определяя температуры кипения или плавления химически чистых веществ, подобранных таким образом, чтобы охватить как можно более широкие интервалы температур.
Нулевую точку по шкале Цельсия проверяют при погружении термометра в дистиллированную воду в смеси со льдом. Для этого в стакан вместимостью 300-400 мл помещают тонко растертый лед, полученный при замораживании дистиллированной воды. Деревянной палочкой делают углубление и, вставив термометр так, чтобы нулевая точка шкалы несколько выступала изо льда, уплотняют лед, выдерживают 7-10 мин и снимают показания. Ледяная масса должна иметь вид густой кашицы (нельзя допускать, чтобы куски льда плавали в воде). Перед отсчетом показаний слегка постукивают по термометру деревянной палочкой; отсчет повторяют несколько раз.
Для проверки термометра по точке кипения воды может быть использовано простое устройство (рис. 96). В колбу вставляют широкую стеклянную трубку с оттянутым нижним концом. Трубку помещают в стеклянный кожух, чем достигается хорошая термоизоляция. Проверяемый термометр вставляют через верхнюю пробку кожуха, а конденсат отводят через трубку в нижней пробке. Термометр должен быть погружен таким образом, чтобы отсчет можно было производить через стекло.
В расширение трубки с термометром помещают слой битого стекла, чтобы брызги воды не попадали на шарик термометра. Применяют только дистиллированную воду, в которую для равномерного кипения вносят несколько кусочков пористого фаянса или фарфора («кипелки»). Доведя воду в колбе до кипения, выдерживают термометр до тех пор, пока мениск ртути не установится на постоянном уровне.
При этом не следует забывать, что температура кипения воды зависит от атмосферного давления:
Для проверки термометров могут быть использованы химически чистые жидкости и металлы, температуры кипения и плавления которых приводятся в справочной литературе. Проверка термометра по точкам плавления или затвердевания чистых металлов может быть выполнена так, как указано в гл. 36 и 37.
Термоэлектрические термометры (термопары)
Принцип действия термоэлектрических термометров основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи из двух или нескольких разнородных металлов или полупроводников возникает термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.), если места соединения (спая) проводников имеют разную температуру. Термопара состоит из двух различных металлических проводов, сваренных или спаянных одними концами («горячий» спай), а другими концами соединенных с гальванометром. Места скрепления обоих проводов с проводниками цепи называют «холодными» спаями. Если горячий спай помещен в среду с более высокой температурой, чем холодный, который для большей точности измерения помещают в сосуд с постоянной температурой (лучше всего 0°С), то на концах проводников возникает разность потенциалов (рис. 97). Разность потенциалов неодинакова для разных пар металлов и будет тем выше, чем больше разность температур горячего и холодного спаев.
Каждая термопара в цепи с данным гальванометром должна быть предварительно отградуирована. Градуировку начинают с установки гальванометра на нуль. Для этого оба спая (горячий и холодный) погружают в пробирки с вазелиновым маслом, которые помещают в сосуд Дьюара, наполненный тающим чистым льдом, и устанавливают гальванометр на нуль.
Для температур порядка 0-350°С рекомендуется калибровать термопару по эталонному стеклянному ртутному термометру. Для этого горячий спай термопары и эталонный термометр помещают в пробирку с вазелиновым маслом и погружают в ультратермостат, меняя температуру термостатной жидкости. После 5-10-минутной выдержки записывают показания гальванометра и термометра.
Для температур выше 350 °С рекомендуется калибровать термопару по температурам кипения высококипящих веществ или температурам плавления веществ, применяемых для проверки термометров. В этом случае для измерения температуры горячий спай термопары помещают в массивную металлическую гильзу так, чтобы спай не касался металла гильзы, и производят отсчет показаний гальванометра. Регистрируют соответствие показаний гальванометра данной температуре и строят график зависимости т. э. д. с. от температуры.
Непременное условие измерения температуры до 100 °С - идентичность т. э. д. с. пары проводов, соединяющих термопару с гальванометром, и термопары.
При пользовании градуированной термопарой не следует менять гальванометр, иначе придется градуировать термопару снова. Время от времени повторно проверяют градуировку гальванометра.
В ГОСТ 3044-74 приведены градуировочные таблицы для термоэлектрических термометров при температуре свободных концов 0°С.
Термопары могут быть выполнены как из благородных, так и из неблагородных металлов. К первой группе относятся стандартные, выпускаемые промышленностью термопары платинородий-платиновые (ТПП) и платинородий-платинородиевые (ТПР), а ко второй - хромель-алюмелевые (ТХА) и хромель-копелевые (ТХК).
Кроме того, в лабораторной практике часто используют нестандартные термопары: медь-константановые, железо-константановые, медь-копелевые и железо-копелевые, которые обязательно градуируют.
Термопары, стандартные и нестандартные, изготовляют обычно в виде проволоки, которая изолирована фарфоровыми бусами или трубками.
В последнее время распространение получили полупроводниковые термопары с т. э. д. с. в 5-10 раз больше, чем т. э. д. с. термопар из металлов и металлических сплавов. Термоэлектродами в этих термопарах служит проволока из сплавов ZnSb и CdSb.
Для измерения небольших разностей температур или для получения больших значений т. э. д. с. при одной и той же температуре применяют дифференциальные термопары и термобатареи. Дифференциальная термопара (рис. 98) состоит из двух ветвей одного и того же металла 1, 2 и проводника 3 из другого, металла или сплава. Спаи А и В помещают в места, разность температур которых нужно измерить. Показания гальванометра 4 пропорциональны разности температур спаев А и В. При этом отпадает необходимость поддержания постоянной температуры холодного спая. Нужно лишь следить, чтобы температура в обеих точках присоединения проводников, идущих к гальванометру, была одинаковой.
Термобатареи представляют собой несколько последовательно соединенных термопар.
Термометры сопротивления
Принцип действия термометров сопротивления основан на изменении электрического сопротивления материалов с температурой. В проводниковых термометрах сопротивления электрическое сопротивление увеличивается с повышением температуры, в полупроводниковых - уменьшается.
Проводниковые термометры сопротивления большей частью изготовляют из платины и меди и применяют для измерения температуры в пределах от -200 до +500°С. Полупроводниковые термометры сопротивления - термисторы состоят из оксида меди и оксида марганца и применяются для измерения температуры в пределах от -200 до +200 °С.
Чувствительный элемент платиновых термометров представляет собой спираль, расположенную в капиллярах керамических, трубок, заполненных дополнительно керамическим порошком, который служит изолятором. Чувствительный элемент медных термометров - бескаркасная безындукционная намотка из медной проволоки, покрытая фторопластовой пленкой. К намотке припаяны два вывода. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную металлическую гильзу, засыпают керамическим порошком и герметизируют.
В СССР серийно выпускаются платиновые термометры сопротивления (ТСП) для температур от -200 до +650 °С и медные термометры сопротивления (ТСМ) для температур от -50 до +180 °С.
В качестве измерительного прибора используют измерительные мосты, отградуированные по температурной шкале Цельсия, логометры и потенциометры.
Измерительная схема, применяемая для проводникового термометра сопротивления, изображена на рис. 99. Температуру по этой схеме определяют на основании величины переменного сопротивления, которое нужно ввести, чтобы стрелка гальванометра вернулась в нулевое положение.
Термометры излучения
Термометры излучения, или пирометры, - приборы, измеряющие температуру по тепловому излучению тел без непосредственного контакта чувствительных элементов с измеряемой средой.
При температурах до 500°С нагретое тело испускает лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. При более высоких температурах возрастает энергия излучения волн определенной яркости и увеличивается полное излучение энергии (радиация). Эти явления используют для измерения температуры нагретых тел.
В оптических термометрах сравнивается яркость нагретого выше 600-800 °С тела с яркостью нити накала электрической лампочки, интенсивность излучения которой в зависимости от температуры известна. Яркость оценивается визуально или с помощью фотоприемников - фотоэлементов и фотоумножителей.
Термохимический метод измерения температуры
Термохимический метод - сравнительно новый, но уже вошедший в практику контактный метод быстрого приближенного измерения температуры поверхности твердых тел в пределах 60-600°С с точностью до ±10°С. Для этой цели пользуются термоиндикаторами - карандашами, красками и термоиндикаторной бумагой.
Термохимический метод основан на изменении фазового состава, вызывающего изменение цвета или яркости свечения компонентов термоиндикаторов.
Термоиндикаторные карандаши изготовляют на основе термоиндикаторных паст и получают методом литья. Марка карандаша указывает на температуру перехода окраски (исходная окраска и окраска после воздействия температуры). Термоиндикаторные карандаши хранят в закрытых коробках в сухом, прохладном и защищенном от света месте.
Термоиндикаторные краски на основе синтетических смол применяются в виде спиртовых растворов. Их наносят на металлическую поверхность кистью или пульверизатором; время высыхания нанесенного слоя 20-25 мин. Термоиндикаторными красками измеряют температуру в пределах 85-600 °С.
Термоиндикаторные бумаги (ТБ) выпускаются 10 марок. Номер марки отвечает ориентировочной температуре перехода окраски (в °С): ТБ-60, ТБ-70, ТБ-80, ТБ-90, ТБ-100, ТБ-110, ТБ-120, ТБ-130, ТБ-140, ТБ-150.
Регулирование температуры
Терморегуляторы - приспособления, позволяющие поддерживать в нагреваемых приборах (установках) температуру, постоянную в узких пределах, - бывают различных систем и видов. Простейшие терморегуляторы - контактные жидкостные термометры, в которых расширяющаяся термометрическая жидкость при достижении заданной температуры замыкает или размыкает контактное устройство, управляющее нагревом.
В качестве терморегуляторов для лабораторных приборов и установок часто используются ртутные стеклянные электроконтактные термометры.
При регулировании температуры в пределах от -30 до 300 °С первичными приборами служат стеклянные ртутные электроконтактные термометры с погружаемой нижней частью и шкальной пластинкой, вложенной внутрь оболочки. Электроконтактные термометры могут работать в цепях постоянного и переменного тока. Они изготовляются двух типов: ТЗК - с заданным постоянным контактом и ТПК - с подвижным рабочим контактом, прямые и угловые, изогнутые под углом 90°.
Термометры ТЗК служат для поддержания заданной, вполне определенной для данного термометра температуры. Замыкание или размыкание электрической цепи между впаянными в капиллярную трубку контактами происходит вследствие расширения или сжатия ртути при нагревании или охлаждении нижней части термометра. Для термометров ТЗК в интервале от -30 до +300 °С может быть несколько заданных значений температур (одно, два или три).
Термометры ТПК служат для поддержания любой температуры рабочего интервала. Замыкание и размыкание электрической цепи между концом подвижного контакта и контактом, впаянным в капилляр термометра, можно регулировать при помощи специального магнитного устройства, которым снабжен термометр.
При замыкании цепи срабатывает реле и размыкает контакты в цепи электрического нагревательного прибора, который включается в сеть самостоятельно. Нагреватель отключается от сети, и нагрев прекращается. Температура снижается до тех пор, пока ртутный столбик не опустится и не разомкнет контакты термометра. В это время замыкаются контакты реле в цепи электрического нагревателя, и температура поднимается до момента замыкания контактов термометра. Таким образом, при помощи контактного термометра поддерживается постоянная температура среды.
Не рекомендуется перегревать термометр относительно температуры контактирования более чем на 1 °С, так как это может привести к разрыву ртутного столбика при последующем понижении температуры. Если ртутный столбик разорвался, его можно соединить, осторожно подогревая резервуар со ртутью до тех пор, пока ртуть не поднимется в расширенную часть капилляра. При этом подвижной контакт (вольфрамовую нить) надо поднять до предела вверх, а термометр держать вертикально, ртутным резервуаром вниз.
Предварительную настройку контактного термометра производят по верхней шкале, следя, чтобы овальная гайка нижним обрезом была установлена на штрихе заданной температуры контактирования. После этого по нижней шкале проверяют положение конца подвижного контакта относительно штриха. При необходимости производят дополнительную регулировку и закрепляют магнитное приспособление стопорным винтом.
Терморегуляторы, как правило, не включают непосредственно в цепь нагревательного устройства, так как они не рассчитаны на большую силу тока. Поэтому прибегают к помощи специальных устройств, которые могут замыкать или размыкать цепь тока значительной силы при подводе к ним сравнительно слабых электрических сигналов.
Реле - устройство, включающее или выключающее на основе внешних импульсов силовую цепь при помощи вспомогательной цепи тока.
Известно очень много конструкций реле, действие которых основано на самых разнообразных физических явлениях. В лабораторной практике чаще всего используются электромагнитные реле.
На рис. 100 приведена схема включения электромагнитного реле, регулирующего нагревание жидкостной бани. Пока температура бани не достигнет определенной величины и столбик ртути 7 не коснется контакта 1, ток через цепь 2 не проходит, и ртуть в переключателе 4 замыкает цепь 5, в результате чего действует нагреватель 6. Как только ртуть в термометре коснется подвижного контакта 1, цепь замкнется и электромагнит 3, через который теперь уже проходит ток, притянет металлическую оболочку контакта 4, тот наклонится и, разрывая поверхность ртути, тем самым разомкнет нагревательную цепь 5.
Важнейшим элементом электромагнитного реле является ртутный переключатель. Замыкание и размыкание электрических цепей в установках различного назначения имеет место при определенных углах поворота переключателя или под воздействием внешнего магнитного поля.
Ртутные стеклянные переключатели выпускаются промышленностью в большом ассортименте. Для лабораторных установок весьма удобен двухконтактный ртутный переключатель ПР-5. Переключатель работает в цепи постоянного или переменного тока при нагрузке 15 мА и напряжении 1,5 В.