Цена делений шкалы прибора
Как вы думаете – одинаковую ли температуру показывают термометры, изображённые на рисунке? Разную? Неверно! Показания термометров одинаковы: 26 °С. Однако их шкалы отличаются друг от друга. Выясним, в чём состоит это отличие.
 |
Например, между штрихами 20°C и 30°C на левом термометре столько же делений (промежутков), сколько их между штрихами 20°C и 40°C на правом термометре. Подсчитайте: ровно 10 делений. Однако они отмеряют разное количество градусов. Поэтому говорят, что шкалы термометров имеют различную цену делений.
Итак, 10 делений на левом термометре отмеряют 10 градусов (например: 30°С – 20°С = 10°С), а 10 делений на правом термометре отмеряют уже 20 градусов (например: 40°С – 20°С = 20°С).
Следовательно, на одно деление шкалы левого термометра приходится 1 °С, а шкалы правого – 2 °С.
Запишем наши вычисления в виде дробей.
| Левый термометр | ЦД лев | = | 30°C – 20°C | = | 10 °C | = | 1 °С/дел |
| 10 дел | 10 дел | ||||||
| Правый термометр | ЦДправ | = | 40°C – 20°C | = | 20 °C | = | 2 °С/дел |
| 10 дел | 10 дел |
Итак, мы видим: цена делений шкалы левого термометра равна 1 °С/дел, цена делений шкалы правого термометра – 2 °С/дел. Напомним, что деления шкалы – это промежутки между двумя любыми ближайшими штрихами на шкале.
Убедимся, что правый термометр показывает именно 26 °С. После штриха 20 °С столбик жидкости поднялся ещё на 3 деления. Так как цена делений равна 2 °С/дел, запишем равенство:
температура = 20 °С + 3 дел · 2 °С/дел = 20 °С + 6 °С = 26 °С
Эти действия: взгляд на шкалу прибора и необходимые вычисления называются отсчётом по шкале измерительного прибора.
Цена делений шкалы измерительного прибора – важная характеристика каждого шкального прибора. С ней вы будете сталкиваться очень часто. Поэтому сформулируем обобщённое правило для её вычисления.
Чтобы подсчитать цену делений шкалы, нужно: а) выбрать на шкале два ближайших оцифрованных штриха; б) сосчитать количество делений между ними; в) разность значений около выбранных штрихов разделить на количество делений.
 |
Закрепим правило вычисления цены делений на практике (см. рисунок).
• Выбираем оцифрованные штрихи: 20 °С и 40 °С.
• Считаем: между ними 10 делений (промежутков).
• Вычисляем: (40 °С – 20 °С) / 10 делений = 2 °С/дел.
Ответ: цена делений шкалы = 2 °С/дел, цена одного деления = 2 °С.
В наши дни большинство измерительных приборов, как правило, цифровые. Они удобны тем, что значение измеряемой величины можно сразу увидеть на экране, не производя никаких вычислений.
01-в. Цена делений шкалы прибора
§ 01-в. Цена делений шкалы прибора
Как вы думаете – одинаковую ли температуру показывают термометры, изображённые на рисунке? Разную? Неверно! Показания термометров одинаковы: 26 °С. Однако их шкалы отличаются друг от друга. Выясним, в чём состоит это отличие.
Например, между штрихами 20°C и 30°C на левом термометре столько же делений (промежутков), сколько их между штрихами 20°C и 40°C на правом термометре. Подсчитайте: ровно 10 делений. Однако они отмеряют разное количество градусов. Поэтому говорят, что шкалы термометров имеют различную цену делений.
Итак, 10 делений на левом термометре отмеряют 10 градусов (например: 30°С – 20°С = 10°С), а 10 делений на правом термометре отмеряют уже 20 градусов (например: 40°С – 20°С = 20°С).
Следовательно, на одно деление шкалы левого термометра приходится 1 °С, а шкалы правого – 2 °С.
Запишем наши вычисления в виде дробей.
| Левый термометр | ЦД лев | = | 30°C – 20°C | = | 10 °C | = | 1 °С/дел |
| 10 дел | 10 дел | ||||||
| Правый термометр | ЦДправ | = | 40°C – 20°C | = | 20 °C | = | 2 °С/дел |
| 10 дел | 10 дел |
Итак, мы видим: цена делений шкалы левого термометра равна 1 °С/дел, цена делений шкалы правого термометра – 2 °С/дел. Напомним, что деления шкалы – это промежутки между двумя любыми ближайшими штрихами на шкале.
Убедимся, что правый термометр показывает именно 26 °С. После штриха 20 °С столбик жидкости поднялся ещё на 3 деления. Так как цена делений равна 2 °С/дел, запишем равенство:
температура = 20 °С + 3 дел · 2 °С/дел = 20 °С + 6 °С = 26 °С
Эти действия: взгляд на шкалу прибора и необходимые вычисления называются отсчётом по шкале измерительного прибора.
Цена делений шкалы измерительного прибора – важная характеристика каждого шкального прибора. С ней вы будете сталкиваться очень часто. Поэтому сформулируем обобщённое правило для её вычисления.
Чтобы подсчитать цену делений шкалы, нужно: а) выбрать на шкале два ближайших оцифрованных штриха; б) сосчитать количество делений между ними; в) разность значений около выбранных штрихов разделить на количество делений.
Закрепим правило вычисления цены делений на практике (см. рисунок).
• Выбираем оцифрованные штрихи: 20 °С и 40 °С.
• Считаем: между ними 10 делений (промежутков).
• Вычисляем: (40 °С – 20 °С) / 10 делений = 2 °С/дел.
Ответ: цена делений шкалы = 2 °С/дел, цена одного деления = 2 °С.
В наши дни большинство измерительных приборов, как правило, цифровые. Они удобны тем, что значение измеряемой величины можно сразу увидеть на экране, не производя никаких вычислений.
Что такое деление на термометре
Для точного измерения температуры необходимо уметь определять цену деления термометра. Применяем известное правило, что и для любого измерительного прибора со шкалой.
Термометр с электронным табло нам сразу покажет значение измеренной температуры.
1. Взять любые два ближайших деления обозначенные цифрами.
Например: 30 0 С и 20 0 С.
2. Найти разность этих чисел.
30 0 С – 20 0 С = 10 0 С
3. Разделить полученное число на количество маленьких, необозначенных цифрами, делений между ними.
(30 0 С – 20 0 С):10 = 10 0 С:10 = 1 0 С
4. Полученное число и будет ценой деления шкалы термометра, показывающей сколько градусов соответствует одному маленькому делению.
Цена деления шкалы термометра: 1 0 С
5. Погрешность прибора равна половине цены деления.
Погрешность термометра: 0,5 0 С
6.Запишем результат измерения.
Температура воздуха равна t = 24 0 С + 0,5 0 С
(20 0 С уже есть под уровнем жидкости, 4 деления по 1 0 С это: 4 х 1 0 С = 4 0 С, и плюс погрешность измерения).
Знак (плюс-минус) перед погрешностью означает, что действительное значение температуры может быть на пол-градуса больше или меньше измеренного.
Глава вторая. Измерение температуры
2-2. ТЕРМОМЕТРЫ РАСШИРЕНИЯ
Физическое свойство тел изменять свой объем в зависимости от нагрева широко используется для измерения температуры. На этом принципе основано устройство жидкостных стеклянных и дилатометрических термометров, которые появились очень давно и послужили для создания первых температурных шкал.
а) Основные свойства жидкостных термометров
Жидкостные термометры, изготовляемые из стекла, являются местными показывающими приборами. Они состоят из резервуара с жидкостью, капиллярной трубки, присоединенной к резервуару и закрытой с противоположного конца, шкалы и защитной оболочки. Приращение в капилляре термометра столбика жидкости ∆h (мм) при нагреве резервуара от температуры t1 до t2 определяется по формуле:
Разность средних температурных коэффициентов αж и αс в уравнении (2-3) называется средним температурным коэффициентом видимого расширения αв жидкости в стекле, т. е.
б) Устройство ртутных термометров
Конечный предел измерения, ограничиваемый температурой размягчения стеклянной оболочки термометра, достигается при помощи искусственного повышения точки кипения ртути С этой целью у термометров для измерения высоких температур пространство капилляра над ртутью, из которого предварительно удален воздух, заполняется инертным газом при давлении свыше 2 МПа. Термометры с верхним пределом шкалы до 100 °С иногда газом не заполняются, и капилляр их находится под вакуумметрическим давлением.
Согласно выражению (2-3) чувствительность ртутных термометров зависит от размеров резервуара и капилляра. Чем больше резервуар и меньше внутреннее сечение капилляра, тем заметнее изменение высоты ртутного столбика, т. е. тем более чувствителен термометр и меньше цена деления его шкалы. Однако большой размер резервуара увеличивает инерционность прибора, что снижает качество последнего при измерении переменной температуры.
Основная погрешность ртутных термометров зависит от диапазона показаний и цены деления шкалы, с увеличением которых она возрастает.
Вследствие небольшого отклонения видимого коэффициента расширения ртути в стекле при изменении температуры ртутные термометры имеют почти равномерную шкалу.
Ртутные термометры изготовляются двух видов: с вложенной шкалой и палочные (рис. 2-1)
Палочный термометр состоит из резервуара 1, соединенного с толстостенным капилляром 2 наружным диаметром 6-8 мм. Шкала термометра нанесена непосредственно на поверхности капилляра в виде насечки по стеклу. Палочные термометры являются более точными по сравнению с термометрами с вложенной шкалой.
В обоих видах термометров капилляр за верхней отметкой шкалы имеет запасный объем, предохраняющий прибор от повреждения при перегреве.
По назначению ртутные термометры разделяются на промышленные (технические), лабораторные и образцовые.
При измерении температуры нижняя часть технических термометров полностью опускается в измеряемую среду, т. е. глубина погружения их является постоянной.
Характеристики лабораторных ртутных термометров типа ТЛ даны в табл. 2-3,
Недостатками ртутных термометров являются их хрупкость, невозможность дистанционной передачи и автоматической записи показаний, большая инерционность и трудность отсчета из-за нечеткости шкалы и плохой видимости ртути в капилляре. Все это в значительной мере ограничивает их применение, оставляя за ними главным образом область местного контроля и лабораторные измерения.
в) Установка ртутных термометров
Точность показаний ртутного термометра, как и любого прибора, измеряющего температуру, зависит от способа его установки, т. е. от правильного решения вопросов, связанных с теплообменом между измеряемым веществом, термометром и внешней средой. Эта задача сводится к двум основным требованиям: во-первых, к обеспечению наиболее благоприятных условий передачи тепла от измеряемой среды чувствительной части (резервуару) термометра и, во-вторых, к уменьшению по возможности отдачи тепла прибором окружающему воздуху.
Особенно большое влияние на точность измерений оказывает утечка тепла от термометра, что при жидкой измеряемой среде вызывается теплопроводностью частей прибора, а при газовой и паровой — еще дополнительным обменом тепла лучеиспусканием с окружающими поверхностями. Кроме того, введенная в измеряемую среду чувствительная часть прибора в той или иной мере искажает окружающее температурное поле вследствие отвода тепла. В этих условиях измерение температуры не дает правильных результатов, так как показания прибора соответствуют его собственной температуре, отличающейся от температуры измеряемой среды. Неправильная установка термометра, дающая большую потерю тепла в окружающую среду, может привести к занижению его показаний на 10-15%.
Рассмотренные ниже способы установки ртутных термометров являются в основном общими для различных типов термометров.
Применяются два способа установки ртутных термометров: в защитных оправах (или гильзах) и без них, т. е. путем непосредственного погружения термометров в измеряемую среду.
Весьма распространенной является установка термометра в защитной гильзе (рис. 2-3),
предохраняющей его от поломки и обеспечивающей необходимую плотность соединения в месте расположения прибора. Длина защитной гильзы выбирается в зависимости от требуемой глубины погружения термометра.
При измерении температуры в трубопроводе термометр устанавливается в положение, при котором ось трубы проходит посередине резервуара. Погружение конца термометра до центра трубы, т. е. в зону наибольшей скорости потока, улучшает теплообмен между движущейся средой и прибором и уменьшает влияние на результаты измерения тепловых потерь защитной гильзы.
Наиболее правильной является установка термометра вдоль оси трубопровода на колене с восходящим потоком, так как при этом условия обтекания конца гильзы весьма благоприятны. На горизонтальном трубопроводе диаметром до 200 мм термометр устанавливается наклонно к оси трубы навстречу потоку. При диаметре трубопровода более 200 мм термометр может быть расположен нормально к оси трубы. На прямом вертикальном участке трубопровода с восходящим потоком термометр всегда устанавливается наклонно навстречу потоку. Устанавливать термометры на вертикальных трубопроводах с нисходящим потоком не рекомендуется.
На величину отвода тепла гильзой влияют средняя разность температур между измеряемой средой и окружающим воздухом, а также конструкция и материал гильзы. Защитные гильзы изготовляются из металлов, плохо проводящих тепло (например, из нержавеющей стали), а размеры головки (выступающей наружу части), толщина стенки и внутренний диаметр гильзы выбираются по возможности небольшими. Выступающие части защитных гильз покрываются теплоизоляцией.
Защитная оправа 1 состоит из гильзы и чехла, который имеет продольный вырез для отсчета показаний термометра 2. При точных определениях температуры чехлы не применяются, так как значительно увеличивают погрешность измерения из-за оттока по ним тепла.
Установка ртутного термометра без гильзы практически исключает отвод тепла от резервуара. Однако из-за влияния, оказываемого на показания термометра давлением измеряемой среды (сжатие резервуара с выдавливанием ртути в капилляр), а также вследствие недостаточной прочности термометра и трудности уплотнения места его установки использование этого способа ограничивается областью небольших давлений. Установка ртутных термометров без гильзы применяется главным образом при кратковременных точных измерениях температуры среды
г) Поверка ртутных термометров
Для поверки термометров служат термостаты типов ТС-15 м (водяной) и ТС-24 (водяной и масляный). Устройство термостата типа ТС-24 показано на рис. 2-5.
Латунный цилиндрический сосуд 1 вместимостью 24 л помещен в металлический кожух 2, покрытый изнутри теплоизоляцией 3. Сосуд накрыт крышкой 4, на которой установлен электродвигатель 5, соединенный муфтой 6 с осью, приводящей в движение насос 7 и мешалку 8. Последняя расположена в патрубке 9, имеющем вверху окна для прохода жидкости. Насос термостата используется лишь в случае, когда требуется поддерживать постоянной температуру в каком-либо внешнем аппарате. Тогда жидкость из термостата подается в аппарат через штуцер 10 и возвращается через штуцер 11. При отсутствии аппарата штуцера закорачиваются трубкой.
Нагрев жидкости в термостате производится электронагревателями 12 и 13 мощностью соответственно 700 и 1300 Вт. Нагреватели помещены в защитные чехлы, закрепленные на крышке 4. По достижении заданной температуры нагреватель 12 переключают на второй предел мощности, равный 175 Вт, предназначенный для автоматического поддержания в термостате постоянной температуры посредством ртутного контактного термометра 14 с магнитной муфтой. После этого с помощью регулируемого автотрансформатора изменяют мощность нагревателя 13 так, чтобы температура в термостате не превышала заданной.
Сосуд термостата заполняется жидкостью так, чтобы ее уровень находился на минимальном расстояний от крышки. Для опорожнения сосуда служит трубка 18 с пробкой. Кожух термостата заземляют при помощи эажима 19. Для переноски термостат снабжен ручками 20 и 21.
Блок управления термостата (выключатели, переключатель, реле для контактного термометра и пр.) смонтирован в коробке, закрепленной сбоку кожуха (на рис. 2-5 не показан).
Технические термометры градуируются и поверяются в термостате при погружении в жидкость только хвостовой части, т. е. при постоянной глубине погружения, соответствующей их положению при измерении. Лабораторные и образцовые термометры градуируются и поверяются при переменной глубине погружения с таким расчетом, чтобы при каждом очередном отсчете температуры ртутный столбик в капилляре не выступал более чем на 5 мм над крышкой термостата.
Для уменьшения погрешности, обусловленной инерционностью термометров, поверка их в термостате производится при медленном повышении температуры до заданного значения. Показания образцового и поверяемых термометров отсчитываются в порядке их установки, причем перед каждым измерением слегка постукивают по прибору. Отсчеты повторяют при одинаковой температуре не менее пяти раз, после чего находят среднее показание каждого прибора.
До и после поверки термометра в термостате определяется положение нулевой точки прибора, которое может изменяться из-за расширения капилляра и резервуара вследствие термического последействия стекла, появляющегося в результате нагрева и последующего охлаждения термометра. Указанное явление, вызываемое нарушением равновесной структуры стекла при нагревании, исчезает с течением времени. Термическое последействие стекла тем больше, чем выше температура нагрева термометра и чем длительнее он находился при этой температуре.
Поверка положения нулевой точки производится в термостате плавления льда (рис. 2-6 а),
представляющем собой два стеклянных сосуда, из которых внутренний сосуд 1 заполняется смесью из кусочков чистого льда и дистиллированной воды, а внешний сосуд 2 с замкнутым воздушным пространством служит в качестве теплоизоляции. В тающий лед погружается поверяемый термометр 3.
В нижней части термостата имеется дренажная трубка 4 с зажимом 5, предназначенная для выпуска воды, так как ири поверке смесь льда и воды должна иметь вид густой массы. Термостат устанавливается на подставке 6. Положение нулевой точки до и после нагрева термометра отмечается в протоколе поверки и свидетельстве прибора. Допускаемое смещение нулевой точки (депрессия нуля) не должно превышать 0,1 °С на каждые 100 °С шкалы поверяемого термометра, в противном случае термометр считается непригодным.
Для поверки у термометров точки 100 °С применяется термостат кипения воды (рис. 2-6, б). Термостат имеет сосуд 1, заполняемый на 2/3 высоты дистиллированной водой, уровень которой контролируется по указательному стеклу 2. Нагрев воды в сосуде до кипения нроизводится электронагревателем 3. Получаемый в сосуде 1 насыщенный пар поступает через отверстия в патрубок 4, откуда по кольцевому пространству между патрубком и корпусом 5, покрытым снаружи теплоизоляцией 6, направляется в водяной холодильник 7. Образующийся в холодильнике конденсат стекает обратно в сосуд по трубке 8. Вверху корпус снабжен крышкой 9 с отверстиями в центре и по краям для установки образцового 10 и поверяемых 11 ртутных термометров. Давление пара внутри патрубка находится по показаниям водяного манометра 12.
При поверке глубина погружения лабораторных и технических термометров должна быть такой же, как и в термостате на рис. 2-5. Отсчеты показаний образцового и поверяемых термометров производятся через каждую минуту не менее пяти раз. Действительные показания определяются как средние из этих отсчетов. Для точного определения температуры tн (°С) насыщенного пара в термостате пользуются формулой
д) Поправки к показаниям ртутных термометров
При точных измерениях температур с помощью ртутных термометров к их показаниям вводятся следующие поправки:
Следовательно, в общем случае определение действительной температуры среды t по показаниям tT ртутного термометра производится согласно равенству:
Основная поправка принимается из свидетельства термометра.
Поправка на температуру выступающего столбика ртути вводится к показаниям только лабораторных и образцовых термометров в тех случаях, когда при измерении часть ртутного столбика намного выступает из защитной гильзы, а измеряемая температура значительно превышает температуру окружающего воздуха. Как отмечалось, указанные термометры градуируются и поверяются при условии, что ртутный столбик почти не выходит за пределы уровня жидкости в термостате, т. е. имеет ту же температуру, что и ртуть в резервуаре. При измерениях столбик, как правило, выступает наружу и имеет температуру, отличающуюся от температуры измеряемой среды. Это отступление от условий градуировки и поверки термометра требует^ введения к его показаниям поправки, определяемой по формуле:
Поправка на смещение положения нулевой точки термометра периодически определяется в процессе эксплуатации с помощью термостата плавления льда.
В случае отклонения положения нуля от указанного в свидетельстве (после нагрева в термостате) эта поправка вычисляется по формуле:
е) Дилатометрические термометры
К дилатометрическим термометрам относятся стержневой и пластинчатый (биметаллический) термометры, действие которых основано на относительном удлинений под влиянием температуры двух твердых тел, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения.
Зависимость длины l твердого тела от его температуры t выражается равенством
Значения средних коэффициентов линейного расширения некоторых материалов в интервале температур 0 – 200 °С приведены в табл 2-5.
Стержневой термометр ( рис.2-7,а)
имеет закрытую с одного конца трубку 1, помещаемую в измеряемую среду и изготовленную из материала с большим коэффициентом линейного расширения. В трубку вставлен стержень 2, прижимаемый к ее пну рычагом 3, скрепленным с пружиной 4. Стержень изготовлен из материала с малым коэффициентом расширения. При изменении температуры трубка изменяет свою длину, что приводит к перемещению в ней стержня, сохраняющего почти постоянные размеры и связанного посредством рычага 3 с указательной стрелкой прибора.
Дилатометрические термометры не получили распространения как самостоятельные приборы, а используются главным образом в качестве чувствительных элементов в сигнализаторах температуры. Кроме того, пластинчатые термометры иногда применяются для компенсации влияния переменной температуры окружающего воздуха на показания других приборов, в которые они встраиваются.
