Автор: Применяемый в технике и быту термометр это прибор для измерения температуры в твердых телах, газах и жидкостях. Может показывать температуру только визуально, или выдавать электрические сигналы через контакты. Современные модели могут получать показания на расстоянии бесконтактно. Самый простой состоит из стеклянной трубки, в которой чувствительная жидкость сужается или расширяется в соответствии с изменением температуры вдоль делений шкалы.
Термометр: определение
Раньше часто, а потом реже в бытовых условиях его называли градусником. Там, где он измерял температуру тела, воздуха, воды, почвы. Но сейчас применение этих устройств (часто очень сложных) затрагивает различные сферы и области. Работают они на разных физических принципах. Поэтому называть их термометрами – максимально широкое понятие, а градусник затрагивает только отдельную область.
Несмотря на современное разнообразие этих приборов по назначению, способам измерений и показа результатов, удаленности от объекта, среды и материалов для измерения, цель у этого прибора осталась та же – мерить температуру. Современное его определение более правильное. В переводе с греческого языка это означает измерять тепло.
Сейчас термометры уже правильнее называть приборами для измерения температуры. Потому что сейчас они определяют температуру любого вещества, в любом диапазоне величин, на любом расстоянии. Представляют собой не только простые датчики, но и устройства, даже целые комплексы. Это когда, например, нужно измерить температуру космического тела во Вселенной, ближней Галактике или Солнечной системе. Для этого используют сложный спектральный анализ.
Сейчас приборы могут быть механическими и жидкостными, оптическими и электронными, газовыми и инфракрасными.
История создания термометра
Ответ на вопрос, термометр что это уходит далеко в историю. Возникновение, эволюция его конструкции и принципов действия началась в конце 16 века с Галилея.
Галилео Галилей
В письменных источниках первое упоминание об измерениях температуры, и первом подобии термометра, касалось Галилео Галилея. Итальянского ученого в астрономии и физике, механике, математике и философии. В свое время он совершил много изобретений. Практическим творением было создание первого термометра. Идентичным по принципу действия современным. Но отличающимся по конструкции. В 1597-м он изготовил термоскоп, называемый еще термобароскопом. Но описан прибор был не самим Галилео, а его учениками.
Разносторонний ученый, он изучал разные области науки. Так было в этом случае. Прообразом послужил созданный раньше прибор Герона. В том приспособлении трубка использовалась, чтобы поднять воду нагреванием. Галилей же определял степень изменения температуры в зависимости от подъема или опускания воды в трубке под воздействием тепла.
В его термоскопе была стеклянная трубка, спаянная со стеклянным шариком. После легкого нагрева шарика трубку опускали в воду. Нагретый в шаре воздух не пускал в трубку воду. Когда шар остывал, давление воздуха в нем снижалось. Атмосферное давление вдавливало воду в трубку. С новым потеплением и повышением давления в шаре водяной уровень в трубке снова снижался.
Коллеги Галилея
Минус термоскопа Галилея в том, что он указывал изменения тепла, но не давал его числовых характеристик. Ученый не учитывал влияние давления атмосферы.
Его прибор усовершенствовали коллеги-ученые из Флоренции ровно через 60 лет. К термоскопу была приспособлена относительная шкала с бусинами. В трубке и шарике выкачали воздух, запаяли их. Теперь температура имела уже количественные показания, хоть и относительные.
Позже термоскоп приобрел современный вид – трубку повернули шариком вниз. Внутрь залили не воду, а незамерзающий бренди или виноградный спирт. Но шкала имела ограничения. Пределы самой высокой температуры летом и самой низкой в зимнее время.
2.3. Усовершенствования термоскопа
Позже мастера наносили устойчивые деления на трубке. При наличии до 50 делений удавалось добиваться приблизительной одинаковости показаний. Но при числе делений от 100 и больше точность терялась. Устройства все еще имели диапазон измерений между предельными температурами воздуха. Они были большими. В трубки заливали жидкость из воронок, запечатывая потом с помощью сургуча. Главным их минусом было отсутствие единой градации. У каждого были разные значения.
Парижанин Амонтон в 1703-м стал мерить не расширение, а изменение упругости газа в одном (одинаковом) объеме. Он менял ее, подливая ртуть в открытом колене, с припаянным к нему сосудом. Ноль его шкалы соответствовал абсолютному нолю. У него он составлял по-современному -239°С вместо наших -273,15 по Цельсию. Верхней точкой он выбрал температуру кипения воды. Тогда ему не было известно о влиянии атмосферы на состояния воздуха с ртутью. Поэтому его абсолютный ноль был неточным.
При приближенности к современным приборам, устройства Амонтона были несовершенными и громоздкими.
Фаренгейт и Цельсий
У германского ученого Габриэля Фаренгейта трубки сначала наполнялись спиртом, потом ртутью. Он ввел несколько стабильных значений температуры из природы для своей шкалы в 1723-м. Нолём он выбрал температуру смеси, в которую вошел снег и нашатырь или поваренная соль. Замерзанию воды у него соответствовало значение 32°F. Температура ротовой полости и подмышки была равна 96°F, кипение воды 212°F. У Фаренгейта приборы уже отличались достаточной точностью.
Окончательное определение двух стабильных точек было за шведом Цельсием в 1742 году. Он отметил точку таяния льда и кипение воды. Только его шкала была перевернутой. Кипение соответствовало 0°С.
При этом он определил, что плавление льда происходит всегда при одной температуре. А на кипение воды влияет давление атмосферы. Он первый пришел к выводу, что точка кипения воды может быть точно откалибрована относительно нулевой высоты над уровнем моря.
Линней, Штремер, Томсон. Шведский термометр
Считается, что шкала Цельсия была перевернута к современному виду позже его земляками – ботаником Карлом Линнеем и астрономом Мортеном Штремером. У них температура кипения стала соответствовать 100°С, а таяние льда равно 0°С. Некоторые исследователи считают, что они посоветовали сделать это Цельсию. В любом случае, современный вид шкала термометра приобрела, благодаря этим троим ученым. После этого такой термометр долго называли «шведским».
Последний штрих к современной шкале был оставлен англичанином-физиком Вильямом Томсоном. Он вывел абсолютный ноль -273,15° С. По его утверждениям, в это точке молекулы прекращают тепловое движение.
Виды термометров
С 16 века термометр это прибор для измерения температуры в разных условиях. Шведские термометры с точно откалиброванной шкалой работают до сих пор. Но в процессе развития науки и техники, потребностей в средствах измерения, расширения области измерений, появилось много видов приборов разной конструкции. Сейчас по принципу действия различают такие устройства для измерения температуры:
Жидкостной.
Газового типа.
Электрический.
Механический.
Волоконно-оптический.
Термоэлектрический.
Инфракрасный.
Все типы приборов сейчас активно применяются в разных областях.
Жидкостные термометры
Самые древние приборы до сих пор работают. У них хорошо откалиброванные шкалы позволяют измерять температуру с точностью, когда погрешность не больше 0,1°С. Предел температур при измерении – до 600°С. Рабочая жидкость в них была– ртуть или спирт. В 2020 году ртуть запрещена в термометрах как опасная для здоровья. Сейчас кроме спирта применяются толуол и пентан, ацетон и сероуглерод, галлий. Ртуть стали заменять галинстаном – сплавом галлия с индием, оловом и цинком.
На замену ртутных, стали применяться также платиновые и медные термометры сопротивления.
Большой минус жидкостных приборов – их хрупкость из-за стеклянной колбы и трубки.
Газовые приборы
Их конструкция такая, как у жидкостных – с колбой и трубкой. Но заполняются они инертным газом. Благодаря этому, диапазон измерений газовых термометров расширен. Верхний предел – до 1000°С. Поэтому их применяют на горячих производствах. При этом они такие же простые и недорогие. Еще одна сфера – в криогенной технике. Нижний предел диапазона у них начинается от абсолютного ноля.
Другой тип газовых термометров – по принципу манометра. В них работает закон Шарля о том, что давление газа изменяется пропорционально изменению температуры. Поэтому присоединив сосуд с газом к манометру, после градуирования можно измерить температуру газа.
Самые точные измерения достигаются с гелием и водородом.
Механические приборы измерения температуры
В их простом устройстве чувствительным элементом является биметаллическая пластина или металлическая спираль. Пластина из биметалла имеет спаянные части двух металлов с разным коэффициентом расширения. По изгибу пластины градуируется температурная шкала. Металлическая спираль при изменении температуры разгибается или сворачивается. Чувствительные элементы воздействуют на стрелку, показывающую температуру.
Механические стрелочные приборы имеют большую прочность, не реагируют на тряску или вибрацию, сильные удары. Их удобно применять в системах регулирования температуры и сигнализации. Но точность их меньше, чем у жидкостных и газовых.
Электрические
Такие приборы работают на принципе изменяемого сопротивления металла или полупроводника под воздействием температуры. При повышении температуры сопротивление электрическому току растет.
Разновидность электрических термометров – с термопарами (термоэлектрические). Но более точными являются приборы термометры сопротивления. Лучшими являются из платиновой проволоки. Или с платиновым напылением на керамике.
Не только точность, но и диапазон измерений электротермометра в прямой зависимости от вида металла в чувствительном элементе. Устройства с медными элементами меряют температуру в пределах -50 – +180°С. Для платиновых элементов -200 – +750°С. И они более дорогие.
Когда датчиком является сопротивление резистора из металла (проволоки или пластины), то прибор называется термометром сопротивления. Их погрешность не больше 0,1°С. Если в качестве датчика применяется полупроводниковый материал, его название – терморезистор, термосопротивление, или термистор. Их погрешность до градуса.
Электротермометры применяют в лабораторных условиях и на производствах.
Плюс всех измерителей на сопротивлении – линейные характеристики диапазона. Минус – дороговизна, нужно дополнительное питание. Небольшой диапазон для замеров. Если термопары дешевые, то платиновые термометры сопротивления (ТСП) очень дорогие.
Термоэлектрические
Они определяют температуру по разности потенциалов на двух проводниках. Датчиками для них являются термопары. В термопарах на двух контактах создается разность потенциалов, изменяемая температурой, основанная на эффекте Зебека.
У термопар самый широкий диапазон измерений из контактных датчиков. Он составляет -270 – +2500°С. По этой причине их применяют на горячих производствах для замеров с удаленным доступом. Еще в исследовании низких температур. От термопары сигнал по защищенному кабелю поступает на цифровой или стрелочный индикатор. Их сигналы измерения подаются в системы управления и аналого-цифровые преобразователи с контроллерами.
У термоэлектрических приборов дискретность замеров до 0,1°С.
Волоконно-оптические приборы
Оптоволоконные датчики также имеют погрешность меньше 0,1°С. Но их верхний предел измерения 400°С. Датчик построен на натянутом оптоволокне, которое под температурным воздействием может сжиматься или расширяться. При прохождении светового луча происходит его преломление. Оптический датчик проходит градуировку по степени преломления в зависимости от изменения температуры.
Инфракрасные термометры
На вопрос, инфракрасный термометр это что, ответ – пирометр. Это их первое название. У них бесконтактные датчики определения температуры. Снимают показания, исключая непосредственный контакт со средой. Но с ограниченным удалением. Их верхний предел в измеряемом диапазоне 3000°С – больше, чем в контактных термопарах. Они не могут мерить отрицательные значения в силу своего принципа действия. Нормальная чувствительность нижнего порога от 100°С.
Пирометр подсвечивает объект инфракрасным лучом, и анализирует его отражение. Показание высвечивается на малом цифровом экране. Погрешность измерений у прибора большая – несколько градусов. Но с таким высоким порогом в тысячи градусов это не так важно. Главный козырь прибора – бесконтактные замеры горячих и раскаленных объектов на расстоянии. Он измерит открытый огонь, как нагреваются металлические заготовки в горнах, детали и корпус в двигателе. Он распространен в десятках сфер с горячими производствами и высокими температурами.
В быту и медицине они используются для определения температуры у беспокойных или инфицированных, спящих больных, капризных детей. В ветеринарии – у опасных животных. Такие приборы еще называют оптическими.
Минус всех пирометров – пауза в замере от 2 до 15 секунд. Она нужна для подсветки и приема обратного сигнала, обработки.
Разновидности по предназначению
Эта классификация часто бывает размытой и перераспределенной. Термометры присутствуют практически во всех сферах деятельности человека. В них применение приборов по назначению можно разделить на такие большие области:
Медицинские. Широкое профессиональное применение в клиниках, и для профилактики на дому. В том числе особые конструкции для детей.
Бытовые термометры. Для кухонь и ванных, для контроля воздуха в помещениях и на улице. Для детского питания.
Промышленные термометры. Самая обширная область технических средств. К ним можно отнести практически все виды термометров по конструкции и диапазонам измерения. Они разные для различных отраслей. Для отдельных видов производств и металлургии, для сельского хозяйства и космической отрасли, авиации. Для транспорта железнодорожного и автомобильного. Для энергетики и складских хозяйств, пищевой промышленности и систем кондиционирования. Для коммунальных служб, водяных и газовых магистралей, нефтегазовой и химической промышленности.
Лабораторные, и применяемые в научных исследованиях. Особый класс средств измерений может быть не серийным и хрупким. Но высокоточным, или предназначенным под особые среды и процессы. Специализированным под определенные условия контроля производства. Или для научных работ.
Даже при таком делении приборы пересекаются в разных отраслях. В ресторанах применяют кухонные и промышленные приборы. А термометры для детского питания могут использоваться в медицине. Лабораторные образцы осуществляют контроль качества продукции на промышленных производствах.
Медицинские термометры
На вопрос, медицинский термометр что это такое, есть ответ. Этот раздел приборов для измерения температуры пациентов. Делится на подвиды по назначению для разных участков тела:
Подмышечных впадин. Аксиллярные.
Ротовой полости. Перроральные.
Анального отверстия. Ректальные.
Ушные приборы.
По принципу действия они различаются:
Жидкостные спиртовые и галинстановые. Ртутные уже запрещены.
Электрические термометры сопротивления.
Инфракрасного типа дистанционные, бесконтактные.
Шкалы термометров для медицины имеют градацию по Цельсию и Кельвину, Ференгейту и Ранкину, Реомюру. Это зависит от стран. Индикация может быть градуированная и цифровая на дисплеях. Медицинские приборы все больше становятся цифровыми электронными и бесконтактными. Это дорого, но удобно и оперативно, многофункционально. Но дешевые градусники тоже остаются.
Для грудных детей разработаны термометры-соски и пустышки для перрорального измерения в ротовой полости. Имеют звуковой сигнал о завершении измерения.
Эффективно применяются инфракрасные термометры с цифровой индикацией. Для замера температуры в ушах и на лбу. Особенно это безопасно и эффективно детям, а также с инфекционными больными, и во время эпидемий.
Бытовые
Бытовой термометр это прибор для замеров в повседневной жизни. В этой категории малочисленные товары нескольких видов:
Термометры для замера температуры воздуха.
Кухонные и пищевые.
Приборы для ванных, парилок, бань и саун.
Для измерения температуры воздуха
Это приборы жидкостного типа в пластиковом исполнении. Для улицы имеют шкалу с отрицательными значениями. Диапазон от -50° до 50°С. В комнатах шкала от 0.
Второй тип приборов – механические настольный вариант. С круглым циферблатом и стрелкой, или квадратные, с цифровым дисплеем. Как вариант – цифровой термогигрометр Т-17 с часами.
Среди бытовых, как и профессиональных, термометр с измерителем влажности, барометром и часами настольный.
Кухонные
Здесь масса устройств электронных со щупами.
Пример современных устройств для кухни и кулинарии – цифровой ТР-16, имеющий щуп из нержавеющей стали, с пределом измерения до 250°С. Контролирует температуру приготовления разных видов мяса и блюд. С таймером и программами прожарки по температуре.
Другой пример – цифровой DT-133A, пищевой профессиональный термометр со щупом. Диапазон -40° – +200°С (392°F). С удержанием и авто отключением. Применяется в быту, но главное назначение – пищевая промышленность, отопительные и вентиляционные системы (инспектирование), лабораторные исследования.
Банные
Эти приборы имеют несколько разновидностей.
Механические с круглым циферблатом и стрелкой, от 0° до 120°С.
Жидкостные классические со спиртом, толуолом и керосином.
Электронные с выносными датчиками в парной, а монитором на входе. Такие устройства не совсем удобны для парящихся. Зато контролируют микроклимат, в том числе влажность.
Промышленные
Эта область устройств охватывает практически весь спектр описанных в статье видов по принципам действия. Требования к ним тоже разнообразные, отличаются в зависимости от отрасли и вида производства. В первую очередь, нужна надежность, долговечность, прочность.
В отдельных случаях устойчивость к средам применения (специфическим в каждом случае) – химическим средствам, критическим температурам и влажности, нефтепродуктам, концентрированным кислотам. Не всегда удается ставить дистанционные датчики. Но и классические хрупкие термометры из стекла в промышленности встречаются часто. Почти во всех отраслях. В первую очередь, из-за точности и простоты, дешевизны. Они так и называются – термометры технические жидкостные ТТЖ, с пределами измерения до 200°С
Там, где требуется прочность и особая надежность, применяются механические стрелочные устройства с биметаллическим датчиком ТБ. Даже в авиации. На горячих производствах – технологических, пищевых и строительных линиях применяют выносные надежные и простые термопары. На еще больших температурах в металлургии уже применяются инфракрасные пирометры. Для спектрального исследования в космосе применяются сложные электронные анализаторы. В криогенной технике используют газовые устройства.
В сельском хозяйстве работают приборы серии ТС (ТС-7). Для низкоградусных специальных камер устройства СП-100. Для защиты показаний от вибраций применяются виброустойчивые СП-В. С нефтепродуктами работают серии ТН и ТИН.
Лабораторные приборы
Такие термометры обычно не серийного производства. Могут быть даже единичными экземплярами. Но есть серии ТЛС. Лабораторные приборы также охватывают все типы конструкций. Они отличаются точностью измерений. Возможностью мерить не только в стационарных условиях, но на местах в производстве. Для контроля качества и соблюдения техпроцесса. Для периодических съемов показаний в труднодоступных местах.
Современные лабораторные приборы контактные и бесконтактные, цифровые и электронные. Многофункциональные и дифференциальные.
