Рис. 2 - Пристрої, що утримують ртутний стовпчик у максимальному медичному термометрі: а - щілиноподібний; б - штифтовий

Характерною рисою конструкції мінімального спиртового термометра є спеціальний скляний штифт, що знаходиться в стовпчику рідини капіляра. Штифт служить показником мінімальної температури і може вільно переміщуватися по капіляру.

Для підготовки до вимірів термометр перевертають резервуаром вгору, при цьому штифт унаслідок більшої щільності скла в порівнянні з щільністю спирту переміщується від початку шкали до меніска стовпчика рідини. Поверхневий натяг рідини в меніску утримує штифт від виходу зі стовпчика рідини. Потім термометр приводять у горизонтальне положення і поміщують у метеорологічну будку. При зниженні температури меніск стовпчика рідини рухається до початку шкали і штовхає штифт у тому ж напрямку. Таким чином, при зниженні температури положення верхнього кінця штифта збігається з положенням меніска. Якщо температура буде підвищуватися, то штифт залишиться на місці і за положенням його верхнього кінця можна визначити мінімальну температуру за відомий проміжок часу.

1.2.4 Термометричні рідини

У якості основних термометричних рідин для заповнення скляних рідинних термометрів застосовують ртуть, гас, толуол, етиловий спирт, петролейний ефір і пентан. Температурні межі застосування цих рідин і їхні середні коефіцієнти об'ємного теплового розширення наведені в табл. 2.

З термометричних рідин найкращими властивостями володіє ртуть: вона не змочує скла, що дає можливість застосовувати капіляри з досить малим діаметром каналу (до 0,1 мм), що забезпечують виготовлення високочутливих і точних термометрів з ціною поділу 0,01-0,02° С. Ртуть залишається рідкою в широкому температурному інтервалі від -38,87 до +356,58° С (при нормальному атмосферному тиску). При підвищеному тиску, створюваному над ртутним стовпчиком, у високоградусних термометрів верхня межа застосування підвищується до 600° С, а в термометрів, виготовлених із плавленого кварцу, верхня межа може бути підвищений до 750 і навіть до 1200° С. Ртуть є хімічним елементом і порівняно легко очищається, що забезпечує прекрасну відтворюваність властивостей термометричної рідини.

Завдяки цим досить важливим якостям ртуті ртутні термометри одержали найбільше поширення.

Таблиця 2

Як видно з табл. 2, ртуть істотно відрізняється від інших термометричних рідин по величині коефіцієнта об'ємного розширення, що у ртуті в шість-вісім раз менше, ніж в інших рідин. Це властивість ртуті має свої позитивні і негативні сторони.

Всі інші термометричні рідини є органічними рідинами складного складу. Вони безбарвні і прозорі, за винятком гасу, що має слабкий жовтий колір. Щоб полегшити відлік показань термометра, ці рідини в більшості випадків забарвлюють різними барвниками в сині, червоний або коричневий кольори. У деяких випадках застосовують спосіб так званого видимого забарвлення - колюкс, коли на шкалу під капіляром наносять чорну лінію. Оптичне збільшення ширини цієї лінії стовпчиком рідини в капілярі створює ефект забарвленої в чорний колір рідини.

Найбільш істотний недолік органічних рідин у порівнянні з ртуттю у тім, що всі ці термометричні рідини змочують скло. Це викликає необхідність застосування капілярів з великим діаметром каналу, а також є джерелом додаткових похибок.

Однак у порівнянні з ртуттю органічні рідини володіють і рядом переваг. Вони мають більш низькі нижні температурні межі застосування, дешеві і менш шкідливі у виробництві.

1.2.5 Термометричні стекла

У той час як залежність між температурою й об`ємом ртуті в термометрі є однозначною і, отже, кожному значенню температури відповідає строго визначений об`єм ртуті, при тепловому розширенні скляного резервуара виявляються ефекти термічних післядій у склі: старіння і депресія, що порушують однозначну залежність об`єму резервуара від температури. Термічні післядії в склі є основною причиною нестабільності показань скляних ртутних термометрів.

Старіння термометра виявляється як тривалий процес зменшення об`єму резервуара. При виготовленні термометра після обробки резервуара на склодувному пальнику відбувається швидке охолодження скла, і в стінці резервуара з'являються напруження, яке поряд зі структурними змінами в склі є причиною наступного зменшення об`єму резервуара. Об`єм резервуара зменшується поступово за загасаючою кривою і на протязі багатьох років. Унаслідок старіння показники термометра при будь-якій фіксованій температурі (у межах його шкали) збільшуються.

Депресія термометра виявляється в тимчасовому залишковому розширенні резервуара і зменшенні показників, які виявляються після кожного нагрівання термометра і наступного швидкого його охолодження.

За зміною показань термометра внаслідок старіння або депресії легше за все спостерігати за показниками термометра, який занурений в лід, що тане. У процесі старіння положення нульової точки термометра систематично підвищується. Точно така ж зміна показань буде і у всіх інших точках шкали термометра, що полегшує введення виправлень для уникнення даної похибки.

У результаті депресії положення нульової точки термометра тимчасово знижується, але через порівняно невеликий проміжок часу (від двох до п'яти днів) воно стає початковим.

Величини зміни показань термометрів унаслідок старіння і депресії залежать від наступних факторів: сорту скла; технології виготовлення термометра; температурного режиму його роботи і, зокрема, верхньої температурної межі застосування; термометричної рідини.

У початковий період розвитку термометрії, коли скляні ртутні термометри виготовлялися з будь-якого наявного скла, зміни їх показань за рахунок термічних післядій у склі було досить значні. Наприклад, у термометрів, що довгостроково застосовувалися для вимірів температур вище 300° С, положення нульової точки змінювалося на десятки градусів. З часом були розроблені спеціальні сорти термометричних стекол, у яких термічні післядії були значно менші, ніж в інших сортів. В даний час усі скляні рідинні термометри виготовляються тільки з термометричних стекол. Широко відомі німецькі термометричні стекла: ієнське 16'", ієнське 59'". Перше застосовують для виготовлення термометрів з верхньою межею виміру не вище 360°С, друге - для виготовлення високоградусних термометрів з верхньою межею виміру до ~500^о С.

У даний час для виготовлення термометрів з верхньою межею виміру не вище 360°С застосовують термометричне скло, хімічний склад якого й інші технічні характеристики встановлені ГОСТ 1224-41. Термометри з верхньою межею виміру вище 360°С виготовляють зі спеціального термометричного боросилікатного скла, аналогічного ієнському 59"'. За останній період розроблені нові сорти термометричних стекол 600 і 700, що значно перевершують боросилікатне стекло 59"', тому що мають досить малий ефект термічної післядії.

Істотно зменшують зміну показань термометрів унаслідок їх старіння також спеціальними технологічними операціями, а саме: обпалюванням і штучним старінням при виготовленні термометрів. Обпалювання проводиться шляхом витримки заготівель термометрів (ампул), не заповнених термометричною рідиною, при температурі, яка близька до температури розм'якшення скла, і наступного повільного охолодження ампул. Штучне старіння, якому піддають високоградусні термометри, полягає у витримці термометрів (заповнених ртуттю) протягом - 10 годин при температурі, що відповідає верхній межі виміру термометрів, після чого термометри повільно прохолоджують до кімнатної температури.

Зміна показань ртутних термометрів унаслідок термічних післядій у склі, спостерігається фактично і допускаються стандартами і технічними умовами, характеризується визначеними значеннями. Для термометрів зі скла, виготовленого за ГОСТ 1224-41, після нагрівання до 100° С встановлене припустиме значення депресії 0,1° С, фактично ж депресія не перевищує 0,05° С. Для термометрів з боросилікатного скла за тих самих умов депресія не повинна перевищувати ~0,03° С, а .зі скла 600-0,002° С. У термометрів зі скла, виготовленого за ДСТ 1224-41, і боросилікатного вже через добу депресія зменшується до 0,01°С і цілком зникає через п'ять-сімох діб.

На відміну від штучного природне старіння виявляється в стиску резервуара і зміні показань термометра з часом , коли термометр знаходиться при кімнатній температурі і не нагрівається. Зміна показань термометрів зі скла, виготовленого за ГОСТ 1224-41, унаслідок природного старіння за перший місяць дорівнює ~ 0,01°С, за рік - 0,03°С, за перші три роки ~ 0,06°С. Якщо ж термометр добре „постарів” при виготовленні, то зміни показань будуть значно менші. Так, у термометра (зі скла, виготовленого за ГОСТ 1224-41), який не пройшов процес штучного старіння, після десятигодинної витримки при 360°С показання змінилися на 5,7°С, а в іншому, який пройшов даний процес старіння за тих самих умов зміна показань не перевищувало 0,1°С. Стандартом і інструкцією для перевірки встановлені наступні допустимі величини зміни показань термометрів у результаті контрольного п`ятигодинного штучного старіння:

Скло 600 і 700 характеризуються більш високою стабільністю: витримка термометрів з цих стекол при температурі 300°С практично не дає зсуву нульової точки.

Як видно з наведених даних, чим вище температура, при якій ртутний термометр застосовують для вимірів, тим більше будуть його похибки від термічних післядій у склі. У температурному інтервалі від -30 до +100° С може бути забезпечена найбільш висока точність виміру температури ртутними термометрами. При більш високих температурах унаслідок зростаючих з температурою впливу термічних післядій у склі точність ртутних термометрів істотно знижується, що відбивається на величинах допустимих похибок показань, установлюваних стандартами. Депресія зростає з підвищенням температури, до якої нагрівають термометр, і швидкості його охолодження.

Для того щоб визначити, як відбивають термічні процеси в склі на показниках рідинних нертутних термометрів, розглянемо два термометри - ртутні і спиртовий, що мають однакові об`єми резервуара V і поперечний розріз капіляра S. Очевидно, що при цих умовах довжина градусного інтервалу l₁ спиртового термометра буде в стільки разів більше довжини градусного інтервалу ртутного l₂, у скількох видимих коефіцієнтів розширення β₁ спирту більше видимого коефіцієнта розширення β₂ ртуті,

(4)

Якщо в результаті старіння об`єм резервуара кожного з термометрів (при 0°С) зменшився на ∆V, те такий же об`єм ∆V термометричної рідини буде витиснутий у капіляр, і стовпчик рідини в капілярі підвищиться на ∆l (де l = ∆V/S).

Підвищення положення нульової точки в градусах у спиртового термометра буде дорівнює