Термометрия

Термометрия, .измерение теплового состояния тел, то есть температуры. Под словом термометр понимают прибор, предназначенный для измерения не очень высоких t°, причем условной границей их принимается 600° (смотрите Пирометрия). Для устройства термометров пользуются различными свойствами тел, являющимися однозначными функциями их t°. Главнейшие, получившие распространение в технике и в лабораторной практике, типы термометров следующие. 1) Основанные на тепловом расширении жидкостей или твердых тел, происходящем при постоянном давлении. Сюда относятся жидкостные термометры, наполненные ртутью, ом и другими жидкостями, и биметаллич. термометры. 2) Термометры давления, основанные на изменении давления газа или жидкости внутри замкнутой оболочки при изменении ее t°. 3) Электрич. термометры двух родов: а) основанные на изменении эдс термопары и б) основанные на изменении электрич. сопротивления проволоки чистого металла с t°.

Каждый жидкостный термометр заключает в себе три части. 1) Резервуар («шарик»), имеющий чаще всего цилиндрическую или шарообразную форму, вместе с припаянным к нему капилляром, то есть весьма узкой, просветом в несколько десятых миллиметров (и даже менее 0,1 миллиметров), трубкой, изготовленнойиз стекла или прозрачного кварца, как и самый резервуар. 2) Наполняющую резервуар и капилляр жидкость, т. н. термометрическую жидкость. Чаще всего это ртуть.

3) Шкалу с делениями на градусы и их доли или их кратные. Шкала м. б. нанесена на отдельной непрозрачной стеклянной металлической или бумажной полоске, непосредственно прилегающей к капилляру и заключенной в одну общую с капилляром оболочку из стекла или кварца (термометр «со вложенной шкалой»). Она м. б. также нанесена на самом капилляре, к-рый в этом случае изготовляется

в виде весьма толстостенной трубки (палочный термометр, фигура 1). Иногда шкала термометров первой категории не бывает заключена в общую с капилляром оболочку. Так например, устроены комнатные термометры. Изменение t° резервуара термометра и связанное с этим изменение объёма термометрии, жидкости и сосуда вызывает движение ее столбика в капилляре, причем вследствие ничтожного просвета его даже незеачитель-

!ному изменению объёма жидкости соот-j ветстbует заметное смещение ее мениска. Измерение температуры сводится к отсчету его положения на шкале. Простота устройства явилась причиной весь-

9ма широкого распространения жидкостных термометров. Ртутные стеклян-

!ные термометры применяются преимущественно в области от —39° (t°_omem ртути) до + 357° (t°_Kun. ее при 1 atm). У термометров для t° до +2ь0° в верхней части капилляра обычно делается вакуум; (I для более высоких t° во избежание ее ® дистилляции над ртутью создают давление до V₂ atm. Чтобы сделать ртут-

|ный термометр пригодным для измерения £° выше 357°, верхнюю часть капилляра, которая имеет сильно раздутую форму, наполняют инертным газом (например азотом), сжатым под давлением от 7 до 50 atm. Тогда ртуть остается жидкой значительно выше своей нормальной 1°_тт., и термометр делается го-_{фиг ί} ден для t° до 400, 500, 600°.Граница ’ применимости здесь определяется свойствами термометрии. стекла, гл. обр. точкой его размягчения. Одно из хороших иенских стекол «Supremax-Glas» применимо до 650°. Плавленый кварц годится до 750°. Ртутные термометры для t° выше 360° требуют особенно тщательного изготовления, в противном случае термометр делается негодным уже после непродолжительного употребления вследствие загрязнения канала капилляра или ртути.

Не всякий сорт стекла пригоден для изготовления термометров. Термометрии, стекло должно не только обладать достаточно высокой точкой размягчения, но даже и в области более низких t° (0—100°) должно еще отличаться достаточным постоянством, чтобы была обеспечена в известных пределах неизменность показаний термометра. Если систематически наблюдать в течение недель и месяцев показание свежеизготовленного термометра в тающем льде, то обнаруживается постоянное медленное повышение показаний термометра, т. н. вековое поднятиенуля. Оно происходит вследствие незначительного сжатия, резервуара термометра, благодаря чему часть ртути переходит в капилляр. Это сжатие, имеющее место несмотря на то, что термометр находится постоянно при мало меняющейся комнатной £°, в концегконцов прекращается. Если термометр в течение короткого времени выдержать при более высокой t°, например при 100°, и затем быстро охладить до нуля, то окажется, что нулевая точка термометра лр-яшт ниже, чем наблюденная до нагревания: нуль термометра испытал нек-рое понижение, к-рое называют депрессией нуля. Оно“ происходит от того, что резервуар термометра, расширившийся после нагревания, не сразу принимает свой первоначальный объём. Если термометр оставить при комнатной t°, депрессия постепенно исчезает. В этих двух явлениях и выражается термическое последействие в стекле. Величина депрессии и векового поднятия нулц является мерилом качества термометрич. стекла: годны лишь сорта стекол, обладающие незначительной депрессией—порядка нескольких сотых долей градуса. Обширные работы по изысканию термометрических стекол были произведены герм, фирмой Шотт в Иене. Естественно, что немногие из огромного числа испробованных сортов были найдены пригодными; особенно удачным оказалось стекло под фабричным номером 16^ш, получившее всемирное распространение. Оно идет преимущественно на изготовление термометров до 360°. Весьма близкое по составу и качеству к иенскому 16^ш стекло изготовлено в 1925 году и в СССР. Из других стекол можно упомянуть англ. «Kew-Glass» и франц. «verre dur». Этого рода стекла иногда еще называют «нормальными» стеклами. Чтобы ускорить протекание явлений термич. последействия“в стекле, термометр подвергают процессу искусственного старения. Этот процесс состоит в выдерживании термометра известное время при t° выше, тех Р, для которых термометр предназначен. Так, высокоградусные термометры выдерживают при t°, близких к t° размягчения стекла. Подвергнутый этому процессу термометр при употреблении обнаруживает только незначительные изменения показаний, связанные с незначительной для нормальных стекол депрессией. Процесс искусственного старения вызывает значительное поднятие нуля,достигающее до 20° и более для высоко градусных термометров, поэтому рекомендуется его производить до наполнения термометра ртутью.

Существует большое количество ртутных стеклянных термометров, например термометры химия. от 0 до 360° с делениями на 1°, термометры

Фигура 2.

нормальные лабораторные с делениями на 0,1° п на 0,2°, термометры «с укороченной шкалой» (фигура 2), снабженные раздутиями капилляра, малого размера, для измерений в небольшом интервале t°. Довольно твердо установились типы ртутных термометров для специальных» целей. Сюда относятся глубинные опрокидывающиеся термометры, калориметрические и бекмановские (смотрите Бекмана термометр), служащие для измерений небольших разностей t° с делениями на сотые доли градуса, максимальные термометры, в частности максимальные медицинские термометры, наконец высокоградусные термометры, наполненные азотом иод давлением.

Для градуировки (смотрите) ртутных стеклянных термометров их сравнивают с нормальным термометро м, то есть таким, ошибки показаний которого известны, незначительны и к-рый отличается достаточным постоянством.

Вышеуказанные явления термин. послед!ейст-вия делают необходимым поверку термометров. Поверку нормальных термометров, служащих для градуировки, всего целесообразнее производить в центральных лабораториях, обладающих соответствующим специальным оборудованием. В термометрах для измерения низких t° термометрической жидкостью служат подкрашенный голь (до —70°), иетро-лейный эфир. Для t° от —100° до —200° применяют пентан. Эти жидкости в большей или меньшей степени смачивают стекло, и поэтому необходимо достаточное выдерживание термометра при измеряемой ί°, чтобы дать жидкости стечь со стенок капилляра. Для изготовления максимального ртутного термометра применяют искусственное сужение капиллярного канала, не препятствующее движению ртутного столбика при повышении t° и вызывающее его разрыв и застревание в канале при охлаждении. Такой прием употреблен в медицинских термометрах. Сужение капиллярного канала достигается или посредством впаивания к дну резервуара стеклянного штифта, острие которого входит в капилляр, оставляя для прохода ртути кольцевое пространство, или посредством спдю-щения капиллярной трубки резервуара, вследствие чего ка-· пиллярный канал в этом месте разделяется на два узких каналь-чика. Другой способ состоит в том, что внутрь капиллярного канала над столбиком рт^ти помещают железный стерженек, движущийся вместе с ртутью при ее подъеме и остающийся на месте при ее спадении (фигура 3). Аналогичный принцип применяется в овом минимальном, термометре, причем вместо железного стерженька берется стеклянный, который остается на месте при подъеме голя и увлекается им при падении Сикс соединил оба термометра—максимальный и минимальный—в один.

Особо точные термометры палочного типа, прецизионных работ, имеют шкалу со строго равномерными делениями и капилляр хорошего калибра. Определение поправок этих термометров и приведение их показаний к термодинамич. стоградусной шкале представляют работу метрология, характера, которая под силу лишь специальным ин-там. Таковым является Всесоюзный ин-т метрологии и стандартизации (быв. Главная палата мер и весов). Ртутные стеклянные термометры, служащие для измерений на производстве, снабжаются для удобства монтажа металлич. оправой. Такие термометры дают правильные показания только при рациональной конструкции оправы и пригодны для измерения температуры жидкостей и насыщенных паров. Вопрос об их применении для измерения температуры перегретых паров в настоящее время нельзя считать окончательно выясненным. Одна из конструкций оправ показана на фигуре 4.

Фигура з. служащие для

Фигура 4.

Биметаллический термометр (фигура 5) основан на разности тепловых расширений двух различных металлов, которая вызывает изменение кривизны двух спаянных вместе металлич. стержней или пружин. Если, один конец такой системы закрепить, то другой ко-

Фигура 5.

нец при изменении t° совершает перемещение, к-рое посредством рычажного механизма передается указателю, движущемуся по шкале. Для постоянства показаний термометра необходимо, чтобы изменение формы не сопровождалось явлением упругого последействия. Термометр градуируется путем сравнения с нормальным.

Термометры давления (иначе таль-потазиметры) устраиваются двух типов. Первый тип аналогичен ртутному стеклянному термометру и состоит из. стального резервуара, наполненного ртутью и соединенного с манометром через узкий стальной капилляр (0 не >0,5 миллиметров). Изменение внутреннего давления

Фигура 7.

ртути на стенки пружины манометра, вызываемое изменением t° резервуара, отмечается на шкале манометра, которая градуируется на градусы (фигура в и 7). Действие другого типа Термометра давления, называемого термометром Фурнье, основано на давлении насыщенного пара жидкости, к-рое для данной жидкости является ф-ией только t°. Резервуар »,такого термометра наполняется частично жидкостью с высокой или низкой t°_mm- в зависимости от области измеряемых t°. Пространство над жидкостью заполнено ее насыщенным паром. Резервуар соединен метал лич. капиллярной трубкой с пружиной манометра. Капилляр заполняется или той же термометрии, жидкостью, дистиллирующейся в более холодной трубке, или же жидкостью иного состава, играющей роль передатчика давления. При повышении t° резервуара давление насыщенного пара ускоренно возрастает и вызывает смещение стрелки. Преимущество второго типа в том, что внутреннее давление в системе, а следовательно и показание термометра зависит только от двухфазной системы «жидкость—насыщенный пар» и не зависит от распределения t° вдоль соединительной трубки. Иногда термометры 1-го типа снабжаются компенсационным приспособлением, устраняющим указанный недостаток, что однако сопряжено с усложнением конструкции. Термометры давления изготовляются для t° от—30°. до +750°. Для наполнения термометров выше 360° применяются ртуть, от +35° до +80°, эфир и т. и. жидкости. Относительно возможных ошибок при измерении t° термометрами давления следует сказать то же, что и в отношении ртутных стеклянных термометров в металлич. оправах.

Об электрических термометрах, основанных на том же принципе, как и термо-электрич. пирометр, см. Пирометрия. Кроме указанных в этой статье железо-константановых и никель-хромовых термопар для измерений в ‘области более низких t° широко применяются, особенно в технике, медно-констан-тановые термопары и реже серебро-константа-новые. Медно-константановые термопары вполне надежно применимы до 350°, серебро-кон-стантановые—до 600°. Высший предел применения м. б. повышен при условии защиты от окислительного действия. Все термопары, за исключением платино-платинородиевых, не обладают свойством взаимозаменяемости, вследствие чего термопары из проволок разного происхождения должен быть отградуированы самостоятельно по постоянным точкам затвердевания чистых металлов или путем сравнения с нормальным прибором; пользование же приводимыми в литературе таблицами зависимости эдс от t° может повлечь за собой значительные ошибки в измерении t°. Приблизительные значения эдс для термопар с константаном, содержащим примерно 58% меди и 42% никеля, при температуре холодных концов 0° даны в следующей таблице.

Значения эдс (в mV) для некоторых термопар в зависимости от t⁰.*

t°	Медь—кон-сгантан	Серебро —кон-стантан	Жетезо—кон-стантан
100	4,3	4,2	5
300	15,1	11,1	17
500	27,6	26,3	28

* По данным Мюнхенской физ.-техн. лаборатории.

Зависимость эдс E_t от t° в пределах 0—600° для термопар из неблагородных металлов с достаточной для практика точностью м. б. выражена параболич. ф-лой:

E_t=а + hi cl².

О поправке на t° холодного спая см. Пирометрия. Мэдно-константановая и железо-констан-тановая термопары применимы и для измере ния t° ниже 0°, вплоть до —185°. Зависимость эдс от абсолютной темп-ры Т в этой области дается интерполяционной ф-лой вида

Е_т= AT ln(l+!) + С.

Электрич. термометр сопротивления основан на возрастании с t° электрич. сопротивления проволоки из чистого металла. Если эта зависимость известна, то, обратно, измеряя электрич. сопротивление, можно определить t°. Металлом, наиболее пригодным для изготовления термометров сопротивления, оказалась платина, которая почти исключительно и применяется. В пределах от —40° до +600° сопротивление R платиновой проволоки с весьма большой точностью следует квадратичному закону:

R=R₀ (1 + at — Ы²).

Константы а и Ь в высокой мере зависят от чистоты платины, поэтому каждый платиновый термометр сопротивления требует особой градуировки. Для градуировки служат 3 точки: две из них Ь°_пл. чистого льда и t°_Kun. чистой воды, то есть 0° и 100°, а третья—одна из t°_Kun. или затвердевания чистых веществ, лежащих выше 100°. Чаще всего для этой цели применяется t°_Kun, чистой серы (444,55° при норм, давлении). Измеряя сопротивление R при этих трех £°, получают 3 ур-ия, необходимые для отыскания коэф-тов R₀, а, b в вышеприведенной интерполяционной формуле. Платиновый термометр сопротивления применяется для точнейших измерений £°, так как при помощи этой формулы им точнее всего воспроизводится термодинамическая шкала £° в вышеуказанных весьма широких пределах £°. Для t° ниже—40°, вплотьдо —193°, применяется уже четырехчленная ф-ла

R=R^l +At + Bt² + G(t - 10ЭД³].

В технике платиновым термометром сопротивления пользуются преимущественно для измерения ί° выше 0°, причем наивысший предел его применимости можно считать 900°.

. Для измерения сопротивления применяется при работах с особо точными термометрами компенсационный метод, а при работе с тех-нич. термометрами—метод мостика Витстона и омметра. По принципу мостика Витстона (смотрите) построены изготовляемые в СССР заводом «Пирометр» платиновые термометры сопротивления. Кроме платины для изготовления термометров сопротивления употребляют никель и железо. Они пригодны лишь для t° до 300°. Их распространению препятствует тр обстоятельство, что ничтожные примеси весьма значительно влияют на сопротивление,получение же чистых металлов сопряжено с большими трудностями. То же следует сказать о меди. Многие из вышеперечисленных типов термометров м. б. сконструированы в виде термометров «с дальним отсчетом», то есть такйх, которые показывают t° среды или тела, расположенных вдали от наблюдателя, например печи, сушильной камеры и тому подобное. Сюда прежде всего относятся сигнальные термометры. Действующим элементом установки является ртутный стеклянный или металлич. термометр. В нижнюю часть резервуара ртутного стеклянного термометра впаивается платиновая проволока; то же самое делается в капилляре против какого-либо заданного штриха (одного или нескольких) шкалы. Если проволоки включить на батарей и звонок, то ртутный столбик при

.повышении t° замкнет цепь тока и приведет в действие звонок (фигура 8). Остальные термометры для дальнего отсчета показывают изменение t° не скачками, как сигнальный, но непрерывно в известной области. Для передачи показания термометра на расстояние в термометрах давления капиллярная трубка удлиня-, ется на желаемую длину, достигающую×нескольких десятков м. Попытка приспособить для этой цели ртутный с -е клянный термометр привела к построению термометров длиной от 1 до 3 ж при длине шкалы, началок-рой находится не у резервуара, а вблизи верхнего конца термометра, не больше 500 миллиметров. Эти хрупкие и громоздкие приборы могут давать достаточно точные показания лишь при тщательном изготовлении и при рациональном устройстве метал-лич. оправы, в к-рую они помещены. Это редко соблюдается, и термометры такого типа могут давать весьма большие ошибки даже при невысоких t°. Особенно удобными для передачи показаний на расстояние являются элек-трич, термометры, дальность отсчета которых почти не ограничена, т. к. указатель Г соединяется с воспринимающим органом прибора электрич. проводами. Точно так же удобно осуществляется автоматич. запись в термо-Фигура 8. метрах давления, электрических и биметаллических. Для этого подвижной орган прибора соединяется с пишущим острием, к-рое чертит кривую на бумаге, навернутой на барабан, приводимый в движение часовым механизмом. Система из барабана и термометра носит название терм.о графа (фигура 9).

Следует еще упомянуть о газовом термометре, к-рый имел и имеет весьма важное значение для практич. воспроизведения тер-модинамич. шкалы и применяется при точных исследованиях в этой области. Он весьма громоздок и труден в обращении, требует значительной затраты времени, и поэтому в огромном большинстве случаев при научных исследованиях его заменяют вышеописанным эталон, ным платиновым термометром сопротивления. По П

этим же причинам газовый термометр оказался непри-годным для технич. изме- ""ΊΓ^

рений. Газовый термометр I

постоянного. объёма со-

Фигура 9.

Фигура 10.

стоит из наполненного газом баллона (стеклянного, платино-платинородиевого и т. д.), присоединенного к U-образному ртутному манометру (фигура 10). Баллон вводится в среду, Г которой необходимо измерить. Газ приводится постоянно к одному и тому же объёму, причем высота, ртутного столба, необходимая чтобы уравновесить давление газа, позволяет измерить это последнее и по нему вычислить температуру. лит.: К у л ь б у ш Г., Электрич. пирометры, М.—Л., 1932; Кноблаух О. и Генки К., Точные измерения температур в технике, пер. с нем., Л., 1931; К е fi-на т Г., Электрические приборы для измерения температуры, перевод с немецкого, Л., 1931; Н enningF., Die Grundlagen, Methoden u. Ergebnisse d. Temperaturmessung, Brschw., 1915; Roy ds R., The Measurement of Steady a. Fluctuating Temperatures, London, 1921; S c h e e 1 u. Ebert, Fcrnthermometer, Halle a/S., 1925; Suhr-

m a η η E., Thermometrie, в книге M ii 1 1 e r-P о u i 1 1 e t s Lehrbueh der Physik, Band 3, 1 Halite, Braunschweig, 1923. В. Кондратьев.

Метеорологические термометры, специальный тип термометров; применяются для измерения в «срочные часы» t° и влажности воздуха и t° на поверхности почвы и на различных глубинах, а также для определения t°, какая была между сроками (предельные t°). Для измерения t° воздуха метеорологии, термометры обычно помещаются в психрометрии, будку, чтобы устранить резкие влияния на изменяемую t° со стороны случайных местных условий (топография, почва, растительность, солнечное нагревание и прочие), или же пользуются особым прибором—п сихрометром А с с-м а н а (смотрите Гигрометр). Метеорологии, термометры—чаще ртутные с цилиндрическим или шарообразным термометрии у сосудом или же для холодного сезона—овые. Термометрическая шкала наносится или на самой трубке, содержащей капилляр, или на пластинке молочного стекла, заключенной в стеклянной оправе вместе с капилляром. Разделена шкала через 0,2° или через 0,5°, причем отсчеты ведутся с точностью до 0,1°. В настоящее время применяются две шкалы: Цельсия и Фаренгейта, последняя употребляется в странах, где господствующим языком является английский. В СССР для метеорологии, целей пользуются шкалой Цельсия. Каждый термометр снабжается специальным сертификатом (удостоверением), содержащим поправки, какие необходимо придать к полученному отсчету по прибору, чтобы получить истинное значение t°. Эти поправки получаются в Бюро поверок Главной геофизич. обсерватории в Ленинграде или в областных обсерваториях (смотрите). В результате сравнения при различных t° метеорологии. термометра с термометром, принятым за эталон, все измерения температуры становятся сравнимыми между собой. Предельные термометры бывают максимальными и минимальными. Максимальный термометр, устанавливаемый в горизонтальном положении, служит для автоматического определения наибольшей t° за определенный промежуток времени. Это обычный ртутный термометр, но вблизи термометрии, сосуда капилляр имеет сужение, затрудняющее свободный проход ртути. При повышении t° ртуть входит в капилляр, но как только t° начнет понижаться, в месте сужения произойдет разрыв ртутного столбика, и наиболее удаленный от резервуара конец столбика ртути показывает наивысшую t° за данный период времени. После отсчета необходимо ртуть стряхнуть. Минимальный термометр, устанавливаемый также в горизонтальном положении, служит для автоматич. определения самой низкой t° за определенный промежуток времени. Этот термометр овой, причем внутри ового столбика помещен стеклянный штифтик с головками на обеих сторонах. При повышении t° свободно проходит мимо штифтика, оставляя его на месте; но при понижении Г, когда конец ового столбика коснется штифтика, то последний при дальнейшем пони жении t° под действием поверхностного натяжения а будет увлекаться в сторону уменьшения отсчетов и остановится на показании низшей t°. После отсчета термометр необходимо повернуть вертикально кверху резервуаром и держать в таком положении, пока штифтик не дойдет до конца столбика а. Минимальным термометром можно пользоваться для определения t° воздуха, если на станции не имеется специального ового термометра. Для измерения влажности воздуха (смотрите) применяют одновременно систему двух термометров, которые носят название психрометрических (смотрите Гигрометр). При пользовании метеорологическими термометрами для измерения t° почвы на глубине (почвенные термометры) они вставляются в особые оправы и погружаются в трубки, закопанные в почву до определенной глубины.

Лит.: Руководство метеорологич. станциями 2 разр. Л., 1928. В. Пришлецов.