Безопасность жизнедеятельности : Дипломная работа: Рідинні скляні термометри

Дипломная работа: Рідинні скляні термометри

Вимірювання температур поряд з вимірами інших величин має досить важливе значення в науці і техніку. Сучасне промислове виробництво неможливе без температурного контролю. Досить звернути увагу на такі галузі промисловості, як чорна і кольорова металургія, хімічна нафтопереробна промисловість, у багатьох технологічних процесах яких температурний контроль має вирішальне значення.

Першим приладом, призначеним для температурних вимірів, був повітряний термометр, застосований Галілеєм у 1598 р.

У Росії перші кроки в цьому напрямку були зроблені М.В. Ломоносовим (1711-1765 р.), він, розробляючи молекулярно-кінетичну теорію матерії не тільки правильно сформулював поняття абсолютного нуля температурної шкали, але і розробив термометр, оснований на тепловому розширенні рідин.

Д.И. Менделєєв у 1898 р. організував першу теплову лабораторію при Головній Палаті міри і ваги. Д.И. Менделєєвим були проведені перші роботи з термометрії.

Однак у той далекий час не було установ, що займаються спеціально дослідженнями в області температурних вимірів, як не було і заводів, які випускають прилади для виміру температур. Уся діяльність Головної Палати міри і ваги і її філій зводилася в цій област вимірів тільки до перевірки медичних термометрів.

Ці роботи зараз в основному спрямовані на те, щоб забезпечити єдність і точність передачі одиниці виміру температури від еталона до робочого приладу; розширити межі виміру в област низьких і високих температур і підвищити точність виміру; розробити методи й апаратуру для градуювання і перевірок приладів, які вимірюють температури; створити нові методи виміру температур і нові прилади для задоволення потреб промисловості.

Над створенням нових конструкцій приладів для вимірювання температур і дослідженнями в област температурних вимірів працюють у даний час багато науково-дослідних конструкторських організацій країни.

Важливі метрологічні роботи були виконані по ВНІІМ І.І. Киренковим, А.Н. Гордовим, Ф.З. Алієвою й іншими співробітниками. Це дослідження з визначення температур реперних точок Міжнародної практичної температурної шкали (МПТШ), метрологічні роботи в област оптичної пірометрії, дослідження нових рівноподілкових ртутних термометрів високої точності.

Дослідження, початі в Харківському науково-дослідному інституті метрології (ХГНІІМ) В.В. Кандибою, В.А. Ковалевським, В.Е. Финкельштейном і іншими, завершилися створенням високоточних зразкових оптичних пірометрів і потім перших у світі спектропірометричних компараторів і приладів. Крім того, розроблені в цьому інституті нові методи екстраполяції до високих температур сприяли значному підвищенню точності виміру розширенню меж виміру в області високих температур.

В області низьких температур роботи, виконані у Всесоюзному науково-дослідному інституті фізико-технічних радіотехнічних вимірів (ВНІІФТРІ) П.Г. Стрєлковим. А.С. Боровик-Романовим, М.П. Орловою, Д.Н. Астровим і Д.І. Шаревською, завершилися створенням практично температурної шкали від 10 до 90° С. У процесі цих робіт була створена нова конструкція газового термометра без шкідливого об`єму, що за своєю точністю й нших метрологічних характеристиках значно перевершує всі прилади, як застосовувались раніше.

Підвищення продуктивност виробництва і покращення якості випускної продукції не можливо без належного метрологічного контролю.

Потужний поштовх розвитку вітчизняного приладобудування пов`язаний з прогресом науки і техніки. Поява нових галузей науки дає можливість створювати нові прилади, які в свою чергу, сприяють подальшому розвитку науки.

На протязі декількох століть прилади створювались вдосконалювалися силами вчених, винахідників різних областей науки і техніки. Однак, не дивлячись на значний внесок вчених в галузь створення нових приладів задовольняються, головним чином, імпортом.

Бурхливий розвиток промисловості і науково-дослідних структур країни вимагало розширення виробництва приладів, апаратів, пристосувань нструментів.

Для правильної експлуатації приладів і апаратів в країні були створені і організовані навчальні заклади з інших приладобудівних спеціальностей. Одним з основних для цих спеціальностей являється курс загальних елементів приладів, перетворювачів а апаратів.

Для побудови схем автоматичного контролю і управління використовуються різні типи елементів, так звані проміжні реле, які мають групу контактів замкнутих, розімкнених і переключальних.

За принципом дії вони класифікуються як неелектромагнітні, поляризовані і електронні, а за родом живлення електричним струмом котушок ндуктивності – постійного і змінного струмів. Реле різного типу властиві два положення: при відсутності напруги на котушці індуктивності – незбуджений стан при передачі напруги – збуджений стан, а при переході із одного стану в інший відбувається зміна контактних груп, тобто включається або виключається.

Вітчизняна промисловість випускає широкий ряд реле необхідних для застосування їх в приладобудуванні.

Індустріалізація сільського господарства встановленням біологічного, агрохімічного і технологічного контролю виробництва на всіх його етапах.

При цьому найважливіше значення мають засоби контролю вимірювання параметрів виробництва, без яких неможливо управляти якістю виробленої продукції.

Роль вимірювальних засобів зростає при створенн автоматизованих виробництв, в тому числі і на тваринницьких комплексах.

Правильність проведених приладами вимірювань і регулювання взаємодій багато в чому залежить від якості і монтажу, технічного обслуговування, а також від кваліфікації слюсарів і монтажників з автоматики.

Завдяки порівняно високій точності, нескладності пристрою і дешевизні виготовлення скляні рідинн термометри є найбільше розповсюдженими приладами для виміру температур. У залежності від вимог, пропонованих до термометрів, виготовляється багато різних типів і різновидів скляних рідинних (особливо ртутних) термометрів, що відрізняються конструкцією, розмірами, межами виміру й інших технічних характеристик.

Лабораторні термометри загального застосування призначені для вимірів температур у різних лабораторних виробничих умовах. Дані термометри виготовляються за ГОСТ 215-57 „Термометри лабораторні” і ГОСТ 13646-68 „Термометри скляні ртутні для точних вимірів”.

Технічні термометри загального застосування призначені для вимірювання температур у різних галузях виробництва. Дані термометри виготовляють згідно ГОСТ 2823-59 „Термометри технічні ртутні”. Технічні термометри спеціального застосування призначені для роботи в якій-небудь одній області виміру температур. У цю групу входять термометри: застосовувані при виробництві цукру; акумуляторні; термометри для дезинфекційних камер; електроконтактні з постійною і змінною точками контактування, виготовлені за ГОСТ 9871-61, і деякі інші.

Максимальні ртутні термометри (технічні, метеорологічні, медичні) призначені для виміру найвищої температури за визначений період часу.

Мінімальні термометри (метеорологічні), виготовлені по спеціальному стандарті, призначені для виміру найменшої температури повітря за визначений період часу (наприклад, за добу).

Принцип дії скляних рідинних термометрів заснований на залежності між температурою й об`ємом термометрично рідини, вміщеної в термометрі.

Основними елементами конструкції термометра є: скляний резервуар із припаяним до нього скляним капіляром; термометрична рідина, що заповнює резервуар і частину капіляра; шкала, градуйована в градусах температури, розташована уздовж капіляра.

При підвищенні температури термометра об`єм рідини збільшується, що помітно по зміні довжини стовпчика рідини в капілярі. При цьому забезпечується однозначна залежність між вимірюваною температурою і висотою стовпчика рідини. Таким чином, довжина стовпчика рідини служить мірою вимірюваної температури, а верхній кінець стовпчика - меніск є покажчиком температури.

Зміна об`єму в залежності від температури для будь-якої рідини або твердого тіла характеризується коефіцієнтом об'ємного теплового розширення β. Середнє значення β у температурному інтервалі 0 - t обчислюють по формулі

(1)

де Vt і Vo – об`єми, що відповідають температурам t і 0°С.

У скляному рідинному термометрі при зміні температури змінюється об`єм не тільки термометричної рідини, але й об`єм скляного резервуара. Тому в термометрі спостерігається лише видима зміна об`єму рідини, що дорівнює різниці змін об`ємів рідини і резервуара (і частково капіляра) термометра. У зв'язку з цим при розрахунку конструкції термометра використовують так званий видимий коефіцієнт розширення термометричної рідини в склі β, рівний різниці коефіцієнтів розширення рідини βр скла βск:

Наприклад, для ртуті βр =0,00018 l/град, а для скла βск = 0,00002 1/град, отже, видимий коефіцієнт розширення ртуті в склі дорівнює 0,00018 - 0,00002 = 0,00016 1/град.

Для визначення залежності між основними параметрами термометра і розмірами елементів його конструкції введемо наступні позначення:

Vo – об`єм термометричної рідини при 0°С;

tн і t - нижня і верхня межі виміру термометра (початок і кінець шкали);

L - довжина шкали (капіляра) між відмітками tп і tк;

S - поперечний переріз каналу капіляра (при круглому каналі S = πd2/4, де d - діаметр каналу);

l - довжина градусного інтервалу шкали термометра,

 (2)

Збільшення об`єму термометрично рідини при нагріванні термометра від t до t, що витісняється у вимірювальний капіляр, повинен дорівнювати об`єму каналу капіляра між поділками tп tк,

 (3)

Із формул (2) і (3) витікає

 (4)

Таким чином, довжина градусного нтервалу шкали термометра прямо пропорційна об`єму термометричної рідини (приблизно об`єму резервуара), видимому коефіцієнтові розширення рідини β обернено пропорційна поперечному перерізу каналу капіляра S) Чим більша довжина градусного інтервалу, тим на більше число поділок може бути розділений градус і тим менша ціна розподілу і відповідно вища чутливість термометра його точність. Як випливає з формули (2), при фіксованій довжині шкали L збільшення довжини градусного інтервалу може бути досягнуто лише при відповідному зменшенні діапазону шкали tк – tп термометра. Найбільш точні і високочутливі скляні ртутні термометри виготовляються з ціною розподілу 0,01-0,02 град і діапазоном шкали від 4-5 до 8-10оС. Для цих термометрів характерний великий об`єм резервуара малий діаметр каналу капіляра. Однак мінімальна величина перетину каналу максимальний обсяг резервуара обмежені певними межами.

Зі зменшенням перетину каналу капіляра зростає відносна величина сили тертя ртуті об його стінки, що діє на ртутний стовпчик при його русі по капіляру. Унаслідок цього у вузьких капілярах стовпчик ртуті рухається нерівномірно, стрибкоподібно, а при зниженні вимірювано температури може розірватися. Тому при виготовленні ртутних термометрів використовують капіляри з діаметром каналу не менш 0,1 мм. При перевірці й експлуатації термометрів з вузьким каналом капіляра варто уникати вимірів при досить низьких температурах.

Щоб поліпшити видимість стовпчика термометричної рідини і полегшити відлік показників, у термометрах з малим поперечним перерізом каналу капіляра (наприклад, медичних) застосовують капіляри з овальним перерізом каналу або призматичні капіляри, що збільшують видиму ширину ртутного стовпчика.

Резервуари термометрів у більшості випадків виготовляють циліндричної або кулястої форми. При однаковому об`ємі резервуар циліндричної форми має велику поверхню, що знижує теплову інерційність термометра. Резервуари термометрів звичайно не виготовляють більше 2,5 см3. Лише у великогабаритних термометрів, які призначені для вимірювання температуру зовнішнього повітря, резервуари значно перевищують зазначену величину. Термометри ж, що мають широкий діапазон шкали, наприклад 0-600° С, характеризуються малим значенням l і великою ціною поділок шкали.

Скляні рідинні термометри по своїй конструкції поділяються на три види: термометри з вкладеною шкалою; паличкові і термометри з зовнішньою шкалою.

У термометрах із вкладеною шкалою прямокутна шкальна пластина і капіляр вкладені в скляну циліндричну (або овального перетину) оболонку, припаяну до резервуара. Шкальні пластини виготовляються переважно зі скла молочного кольору або алюмінію (у медичних термометрів). Кріплення шкальної пластини до оболонки і капіляра повинне забезпечити незмінне положення шкали та капіляра і його безпосереднє прилягання до шкальної пластини. Термометри з вкладеною шкалою найбільш поширені, тому що більш зручні для застосування.

У паличкових термометрах застосовують масивні товстостінні капілярні трубки і резервуар. Шкалу термометра наносять безпосередньо на зовнішній стінці капіляра травленням або іншим способом. Паличкові термометри в більшості випадків виготовляються з капілярів з білою емалевою смужкою, що служить фоном при відліку показників термометра, поліпшуючи видимість шкали і стовпчика термометричної рідини.

У термометрах із зовнішньою (прикладною) шкалою всі основні елементи термометра - шкальна пластина капіляр з резервуаром, заповненим термометричною рідиною, жорстко закріплені на пластмасовій, дерев'яній або металевій основі. В окремих різновидах термометрів шкалу наносять безпосередньо на металеву основу, як, наприклад, у термометрів, що вимірюють температуру зовнішнього повітря. Один з найбільш розповсюджених термометрів із зовнішньою шкалою - кімнатний термометр.

На скляні рідинні термометри снує два загальних державних стандарти: ГОСТ 2045-43 „Термометри скляні ртутн ГОСТ 9177-59 „Термометри скляні рідинні (не ртутні)”, до яких установлен технічні вимоги: до матеріалів для виготовлення термометрів; до якост виготовлення окремих елементів термометра і всього термометра в цілому; до способу нанесення поділок і числових позначень шкали термометра і його маркірування: до величин відхилень показників у залежності від ціни поділки температурного інтервалу.

Крім того, на скляні рідинн термометри встановлені спеціальні стандарти, що регламентують конструкцію розміри, межі виміру, ціну поділок й інші технічні характеристики термометрів.

Відповідно до вимог ГОСТ 2045-43 ртутні термометри з верхньою межею виміру не вище 200° С можуть бути вакуумними або газонаповненими, а з верхньою межею виміру вище 200° С - тільки газонаповненими. У газонаповнених ртутних термометрів простір над ртутним стовпчиком у капілярі заповнюється інертним газом, наприклад азотом. При цьому тиск газу повинен бути тим більше, чим вища верхня межа виміру, це викликано необхідністю виключити паротворення ртуті в резервуарі при високих температурах. Наприклад, у ртутних термометрів з верхньою межею виміру 700°С тиск газу над ртутним стовпчиком повинен бути не менш 70 кгс/см2.

Високоградусні термометри виготовляються звичайно в двох конструктивних варіантах: з розширенням і без розширення у верхній частині капіляра. Термометри, що мають розширення, при виготовленні заповнюють інертним газом під високим тиском, на відміну від термометрів, що не має розширення, які заповнюють інертним газом під нормальним атмосферним тиском при температурі термометра 20°С. У таких термометрів унаслідок стиску газу ртутним стовпчиком, який піднімається, при підвищенн температури тиск над ртутним стовпчиком збільшується до необхідної величини.

За методом градуювання застосування скляні рідинні термометри поділяються на дві груп: термометри, градуйовані при повному зануренні, і термометри, градуйовані при неповному (робочому) зануренні. До перших термометрів відносяться ті, у яких у вимірюване середовище занурюється резервуар і частина капіляра, заповнена термометричною рідиною. Таким чином, у міру підвищення температури глибина занурення термометра повинна збільшуватися. У цих термометрах уся термометрична рідина в резервуарі і капілярі має температуру вимірюваного середовища. До термометрів, градуйованих при неповному зануренні, відносяться ті, які і при градуюванні, при вимірюванні повинні мати фіксовану глибину занурення, зазначену на шкал термометра. Таким чином, у цих термометрах завжди частина капіляра, заповнена термометричною рідиною і не занурена у вимірюване середовище, отже, має температуру, відмінну від вимірюваної і близьку до температури навколишнього повітря.

Усі розглянуті термометри за призначенням й областю застосування можуть бути розділені на наступні групи: лабораторні загального і спеціального призначення; технічні загального спеціального призначення; термометри для сільського господарства (зернові, буртові, кагатні, інкубаторні, ветеринарні й ін.); метеорологічні, що вимірюють: а) температуру повітря, б) максимальну і мінімальну температуру протягом доби, в) температуру ґрунту, г) відносну вологість повітря, а також термометри, застосовувані при інших метеорологічних спостереженнях; побутов (кімнатні, ванні, термометри, що вимірюють температуру зовнішнього повітря, психометричні, медичні максимальні, виготовлені за ГОСТ 302-68).

1.2 Класифікація рідинних термометрів розширення

1.2.1 Лабораторні термометри

Існує чотири види лабораторних термометрів загального застосування, передбачені ГОСТ 215-57. Кожний має кілька модифікацій у залежності від меж виміру і відрізняється за розмірами, ціною поділки і діапазону шкали, точності виміру.

Найбільш важливими для метрологічної практики є лабораторні термометри з ціною поділу 0,1° С температурним інтepвaлoм шкали 50° С, виготовлені у восьми варіантах в межах виміру для температур від -30 до +350° С і використовувані, зокрема, як зразков термометри 2-го і 3-го розрядів.

Точні лабораторні скляні ртутн термометри виготовляються з великою довжиною градусного інтервалу і малою ціною поділу: 0,01; 0,02; 0,05 і 0,1° С. Природно, що при цьому звужується діапазон шкали термометра і збільшується число термометрів, необхідне для вимірів у широкому температурному інтервалі. Найбільш точними лабораторними термометрами ртутні рівноподілкові паличкові термометри, розроблені В.П. Простяковим і, що випускаються в даний час приладобудівними заводами.

По новому ГОСТ 13646-68 рівноподілков термометри повинні виготовлятися в чотирьох варіантах, що відрізняються один від одного ціною поділки температурним інтервалом шкал і іншими технічними характеристиками, наведеними в табл. 1.

Таблиця 1 – Деякі технічн характеристики термометрів

Примітка: зазначені значення допустимих похибок дійсні при вертикальному положенні термометра