Прибор для измерения степени нагревания тел и 3. Какой прибор можно использовать для измерения температуры

Термо́метр (греч. θέρμη — тепло; μετρέω — измеряю) — прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров:

3 Термометры, основанные на расширении твердых тел.

К этой группе
приборов относятся дилатометрические
и биметаллические
термометры, основанные на изменении
линейных размеров твердых тел с изменением
температуры.

1) Конструктивное
исполнение дилатометрических
термометров основано на преобразовании
измеряемой температуры в разность
абсолютных значений удлинений двух
стержней, изготовленных из материалов
с существенно различными термическими
коэффициентами линейного расширения:

где l0,
lt1,
lt2
– линейные размеры тела при 0 С,
температурах t1
и t2
соответственно.

В силу того, что

мала, дилатометрические термометры
применяются в качестве различного рода
тепловых реле в устройствах сигнализации
и регулирования температуры.

1
– трубка из материала с большим
коэффициентом температурного расширения;
2 – стержень из металла с малым
коэффициентом температурного расширения;
3, 4 – полоски металлов с разными
коэффициентами температурного расширения;
5 – держатель подвижного контакта.

Жидкостные термометры

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

В связи с запретом применения ртути во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой может стать сплав галинстан.

Об удалении разлившейся ртути из разбитого термометра см. статью Демеркуризация

История изобретения

Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани, засвидетельствовали, что уже в 1597 году он устроил нечто вроде термобароскопа (термоскоп). Галилей изучал в это время Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили спирт и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении мер, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня. Изобретение термометра также приписывают лорду Бэкону, Роберт Фладду, Санкториусу, Скарпи, Корнелию Дреббелю (Cornelius Drebbel), Порте и Саломону де Каус, писавшим позднее и частью имевшим личные отношения с Галилеем. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.

Термометры с жидкостью описаны в первый раз в 1667 г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento», где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia», разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, и они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского Фердинанда II. Флорентийские термометры не только изображены в «Saggi», но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.

Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точностью. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости, отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.

В 1703 г. Амонтон (Guillaume Amontons) в Париже усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведённого к одному и тому же объёму при разных температурах подливанием ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулём такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой — температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения ещё не было известно Амонтону, а воздух в его термометре не был освобождён от водяных газов; поэтому из его данных абсолютный нуль получается при −239,5° по шкале Цельсия. Другой воздушный термометр Амонтона, выполненный очень несовершенно, был независим от изменений атмосферного давления: он представлял сифонный барометр, открытое колено которого было продолжено кверху, снизу наполнено крепким раствором поташа, сверху нефтью и оканчивалось запаянным резервуаром с воздухом.

Современную форму термометру придал Фаренгейт и описал свой способ приготовления в 1723 г. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешёл к ртути. Нуль своей шкалы он поставил при температуре смеси снега с нашатырём или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 96°. Впоследствии он нашёл, что вода кипит при 212° и эта температура была всегда одна и та же при том же стоянии барометра.

Окончательно установил обе постоянные точки, тающего льда и кипящей воды, шведский физик Цельсий в 1742 г., но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания, и принял обратное обозначение лишь по совету М. Штёрмера. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения. Однако более удобной оказалась «перевернутая» шкала, на которой температуры таяния льда обозначили 0 С, а температуру кипения 100 С. Таким термометром впервые пользовались шведские ученые ботаник К. Линней и астроном М. Штремер. Этот термометр получил широкое распространение.

Работы Реомюра в 1736 г. хотя и повели к установлению 80° шкалы, но были скорее шагом назад против того, что сделал уже Фаренгейт: термометр Реомюра был громадный, неудобный в употреблении, а его способ разделения на градусы был неточным и неудобным.

После Фаренгейта и Реомюра дело изготовления термометров попало в руки ремесленников, так как термометры стали предметом торговли.

В 1848 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: −273,15° С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.

Оптические термометры

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров (см. Волоконно-оптическое измерение температуры) при изменении температуры. Например, инфракрасные измерители температуры тела.

Понятие температуры, история изобретения и виды термометров, термоскоп Галилея

Понятие температуры вводится для характеристики различной степени нагретости тел. Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий. Наши ощущения позволяют различать качественные градации нагретости: теплый, холодный, горячий и пр.

Все испытывали неприятное ощущение холода при медленном вхождении в холодную воду во время купания, быстро исчезающее и сменяющееся чувством бодрости и удовольствия после того, как в результате полного погружения в воду тело купающегося немного охладится. Чувственная оценка температуры сильно зависит от теплопроводности тела.

Чувственная оценка температуры применима только в весьма узком температурном интервале. Она не годится в случае очень горячих и очень холодных тел. Ничего хорошего не получится при попытке определить на ощупь степень нагретости расплавленного железа или жидкого воздуха.

Температура – это мера относительного нагрева тела по сравнению с другими телами. Мы неосознанно делаем сравнения с температурой нашего тела, или с температурой воздуха, или с точками кипения или замерзания воды.

Нет более красивого способа измерить температуру, чем термометр Галилея. Хотя это не самый точный прибор, он, безусловно, один из самых привлекательных. Этот прибор основан на термоскопе, изобретенном Галилео Галилеем.

В отличие от обычного стеклянного ртутного термометра, который представляет собой узкую колбу, сделанную из ртути, которая расширяется и сжимается, термометр Галилея намного сложнее.

Он состоит из нескольких стеклянных сфер, каждая из которых заполнена цветной жидкой смесью, которая часто содержит спирт, но может быть даже просто водой с добавлением пищевого красителя. Эти плавающие шары тонут или плавают в окружающей воде.

Ассортимент термометров (термоскопов) Галилея различных размеров, чем больше размер, тем точнее инструмент

Современная наука считает Галилео Галилея основоположником термодинамики, а также первым человеком, изобретшим термометр. Непосредственно, в его сочинениях нет ни одного упоминания о технологии создания термометра, но ученики Галилея, Нелли и Вивиани, подтвердили то, что в 1597 году Галилей создал прибор, подобный термобароскопу (термоскопу).

Целью Галилея было придумать такое устройство, которое позволяло бы измерять степени тепла. Во время создания он вдохновился идеями Герона Александрийского, который в своих работах описал похожую технологию для поднятия уровня воды путем нагрева. В те времена термоскопом называлась следующая конструкция: маленький шарик из стекла, припаянный к стеклянной трубке.

Принцип его действия достаточно прост. Сначала шарик нагревали на несколько градусов, а конец трубки погружали в емкость, наполненную водой. По истечении некоторого времени, давление в шарике уменьшалось, а вода в трубке меняла свою высоту из-за атмосферного давления. Затем, когда температура повышалась, давление в шарике вырастало, а уровень воды в трубке уменьшался.

У созданного термоскопа было несколько отрицательных сторон:

1. Во-первых, он не позволял измерить точную температуру, так как на приборе не имелось никаких шкал.

2. Во-вторых, нужно было учитывать атмосферное давление, которое действовало на уровень воды в трубке, и только 60 лет спустя, в небольшом итальянском городке Флоренции, который славится выдающимися личностями, ученые смогли модернизировать термоскоп.

Из бусинок изготовили шкалу, способную показывать температуру, и создали в шарике и трубке безвоздушное пространство, путем простой откачки воздуха. Такие новшества позволили измерить разность температур различных тел.

На этом усовершенствование модели термоскопа не закончилось. Спустя несколько лет шарик опустили вниз прибора, воду заменили этиловым спиртом (так как, при температуре ниже нуля, емкость лопалась), а сам сосуд отсоединили. Такой прибор уже работал по принципу «расширения мер», наиболее высокие и низкие показатели температур (в летний и зимний период, соответственно) брали за точки постоянства.

Интересен тот факт, что создателями первого термометра могли оказаться такие гении мысли, как: Фрэнсис Бэкон, Роберт Фладд или Саломон де Каус. Последний, известен тем, что лично знал Галилея и находился с ним в приятельских отношениях. Придуманные ими термометры были воздушными, а значит, показания термометра зависели от температуры и атмосферного давления.

Коллекция стеклянных ртутных термометров

Температура, как физическая величина

Температура принадлежит к таким физическим величинам, которые не поддаются непосредственному измерению. Поэтому для измерения ее всегда преобразуют в какую-либо другую измеряемую физическую величину.

С этой целью (в зависимости от диапазона измеряемых температур и условий измерения) используют то или иное термометрическое свойство тел, т. е. зависимость от температуры соответствующим образом выбранной физической характеристики тела.

Чаще всего температуру преобразуют в какую-либо электрическую величину. Термоприемник, осуществляющий преобразование температуры в другую физическую величину, иногда называют преобразователем.

Используемые для измерения высоких температур термометрические свойства тел весьма разнообразны. Этому обстоятельству способствует то, что при изменении температуры меняются многие физические свойства тел, что дает широкую возможность выбора термометрических свойств, удобных для использования в определенных условиях. В зависимости от выбранного термометрического свойства используют тот или иной метод измерения высоких температур.

Самые известные температурные шкалы: Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Кельвина.

Абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) является основной температурной шкалой в физике.

До революции 1917 г. в России была принята шкала Реомюра, поэтому термометры Реомюра использовались повсеместно. И лишь в начале 30-х годов прошлого века они были вытеснены термометрами Цельсия.

До середины прошлого века шкала Фаренгейта широко использовалась в англоязычных странах в промышленности, медицине, метеорологии и др. Приоритетной шкала Фаренгейта по-прежнему остается в США.

История развития температурных шкал была ранее описана в статье Бориса Аладышкина — Датчики температуры

Термометры Фаренгейта и Цельсия

Ковертер температур в Excel

Простой конвертер температур (Шкалы Цельсия, Реомюра, Кельвина, Фаренгейта, Ренкина) перевод из одной шкалы в другую.

Термометр — прибор, предназначенный для измерения температур.

Сегодня различают следующие виды термометров:

Принцип их действия состоит в том, что при повышении температуры, изменяется объем налитой в емкость термометра жидкости (спирта или ртути). Ртутные термометры способны измерять температуру от -30°С до +500°С, а спиртовые от -130°С до +60°С. Однако, сейчас действует запрет на использование ртути в бытовых условиях, поэтому ученые активно занимаются разработкой новых жидкостей для наполнения таких термометров.

Основа действия таких термометров — это явление теплового расширения тел. Такие термометры бывают дилатометрическими и биметаллическими.

Такие термометры сокращают время на измерение температуры, а их принцип действия — изменение сопротивления проводника при повышении или понижении окружающей температуры.

4. Оптические (пирометры)

Их работа основывается на изменении параметров тела при повышении или понижении температуры. Используют такие термометры в жарких местах.

Такие термометры измеряют излучение тепла объекта. Такие термометры безопасны в использовании, имеют очень низкую погрешность измерения, температура ими измеряется за доли секунды, и что самое главное – они позволяют собирать данные сразу с нескольких объектов одновременно.

В электрической группе в качестве термометров чаще всего используются:

термометры сопротивления (измерение электрического сопротивления) ;

термопары (термоэлектрический эффект ).

В литературе можно найти подробную классификацию методов и приборов для измерения температур по принципу действия, а также по структурному и функциональному признакам, и классификацию контактных методов и приборов для измерения высоких температур.

Свое наименование пирометрия получила от греческого слова «Пиро» — огонь. По установившимся современным представлениям под пирометрией понимают область измерительной техники, задачей которой является разработка и внедрение в различные области науки и промышленности методов и приборов для измерения высоких температур.

Область температур, охватываемая понятием «высокие», не имеет четко фиксированных границ. По-видимому, установление таких границ является в значительной степени условным, и в то время как одни авторы считают высокими температуры, превышающие 100° С, другие рассматривают область высоких температур выше 1000° С.

Ввиду невозможности указать какие-либо принципы установления нижней границы этой области, будем оперировать понятием «высокие температуры» в наиболее привычном для заводской практики смысле и считать высокими все значения температур, превышающие 300° С.

Часто к области высоких температур относят примыкающую к ним область «повышенных температур», которую будем условно считать распространяющейся от комнатных температур (примерно 20°С) до 300° С.

Наука начинается там, где начинаются измерения.

Одна из задач пирометрии — создание такого арсенала методов и приборов для измерения высоких температур, которые в своей совокупности смогли бы охватить все разнообразие объектов, условий и режимов измерения.

Вторая задача пирометрии — обеспечение единства измерений высоких температур различными приборами и методами. Только при единстве измерений можно добиться, чтобы разные методы измерения, применяемые на одних и тех же объектах и в тех же условиях, давали одинаковые (в пределах точности методов измерения) числовые значения измеряемых величин температур.

Наконец, третья задача пирометрии — изучение источников погрешностей измерения различными методами на разных объектах и в разных условиях их применения. Сложность и разнообразие условий, в которых осуществляют измерение, часто делает решение этой задачи настолько трудным, что оно становится предметом специальных, широко поставленных исследований.

Таким образом, в широком смысле слова, задача пирометрии состоит не только в изучении методов и приборов для измерения высоких температур, но и в изучении условий их применения с целью оценки и снижения погрешностей измерения, определения достоверности результатов измерений и повышения этой достоверности.

Измерения температуры в промышленности

В настоящее время во многих отраслях промышленности применение высоких температур является неотъемлемой частью технологического процесса и качество продукции в большой степени определяется надежностью результатов измерений или регулирования температур.

Аналогичное положение наблюдается во многих областях научных исследований, где надежность результатов измерений высоких температур — один из факторов, определяющих успех исследований.

Чрезвычайное разнообразие объектов исследования, условий измерения температур в этих объектах, различие требований к диапазону и точности измерения высоких температур — все это исключает возможность создания универсальных методов и приборов.

Важнейшими задачами современного приборостроения и современной измерительной техники являются разработка надежных методов измерения температуры применительно к различным производствам.

Термопары на производстве

Термоэлектрические термометры раньше других термоэлектрических устройств получили промышленное внедрение. Известный французский физик А. Ле-Шателье создал термопару, одна ветвь которой изготавливалась из платины, вторая из платинородиевого сплава. Эти тугоплавкие материалы позволяли использовать термопару для измерения высоких (до 150 о C) температур.

Термопара Ле-Шателье считалась лучшим термоэлектрическим термометром, на ее основе была разработана промышленная технология изготовления термопар, и в конце XIX века несколько германских фирм специализировались на выпуске термоэлектрических приборов для измерения температур.

В стандартной термопаре Ле-Шателье одна из проволочных ветвей помещалась в капиллярную фарфоровую трубку, которая вместе с другой ветвью монтировалась в фарфоровый цилиндрический корпус. В комплект устройства входил один из наиболее точных приборов того времени — гальванометр д’Арсонваля.

Инфракрасная термография – это наука использования электронно-оптических устройств для регистрации и измерения излучения и сопоставления его с температурой поверхностей

Тепловое излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. Основное отличие между различными волнами их длина.

Все объекты, обследуемые с помощью тепловизора, испускают энергию в инфракрасной области спектра. По мере того, как объект нагревается, он испускает больше энергии. Очень горячие объекты испускают достаточно энергии, чтобы ее можно было увидеть человеческим глазом.

Тепловизоры чаще всего используются для проверки состояния электрических систем, поскольку они позволяют проводить обследование быстро и без непосредственного контакта.

Тепловизионное обследование высоковольтного электрооборудования должно производиться с безопасного расстояния.

Подробнее про бесконтактные термометры:

Обследование оборудования с помощью тепловизора

Механические термометры

Термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.

Инфракрасные термометры

Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных градусников в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.

Инфракрасный термометр обладает рядом неоспоримых преимуществ, а именно:

• безопасность использования (даже при серьёзных механических повреждениях ничто не угрожает здоровью)
• более высокая точность измерения
• минимальное время проведения процедуры (измерение проводится в течение 0,5 секунды)
• возможность группового сбора данных

1 Классификация термометров.

Температура
вещества
– величина, характеризующая степень
нагретости, которая определяется
внутренней кинетической энергией
теплового движения молекул. Измерение
температуры практически возможно только
методом сравнения степени нагретости
двух тел.

Для сравнения
нагретости этих тел используют изменения
каких-либо физических свойств, зависящих
от температуры и легко поддающихся
измерению.

Приборы для
измерения температуры основаны на
изменении

следующих свойств
вещества при изменении температуры:

На изменении объёма
тела – термометры
расширения:

• изменение
линейного размера-дилатометры;

• изменение
давления рабочего вещества в замкнутой
камере

На изменении
сопротивления – термометры
сопротивления:

• термометры из
благородных металлов – платины;

• термометры из
неблагородных металлов;

• полупроводниковые
термометры (термисторы).

Основанные на
явлении термоэффекта – термопары.

Использующие
оптические свойства вещества – оптические
термометры или пирометры:

Использующие
прочие свойства вещества:

• шумовые термометры,
использующие зависимость уровня

шума от температуры
(для измерения низких температур);

• резонансные
термометры, использующие зависимость
резонансной

• термометры,
использующие свойства р-п переходов.

Технические термометры

Термометры технические жидкостные используется на предприятиях в сельском хозяйстве, нефтехимической, химической, горно-металлургической промышленностях, в машиностроении, жилищно- коммунальном хозяйстве, транспорте, строительстве, медицине, словом во всех жизненных сферах.

Выделяют такие виды технических термометров:

• термометры технические жидкостные ТТЖ-М;
• термометры биметаллические ТБ, ТБТ, ТБИ;
• термометры сельскохозяйственные ТС-7-М1;
• термометры максимальные СП-83 М;
• термометры специальные вибростойкие СП-В;
• термометры ртутные электроконтактные ТПК;
• термометры лабораторные ТЛС;
• термометры для нефтепродуктов ТН;
• термометры для испытаний нефтепродуктов ТИН1, ТИН2, ТИН3, ТИН4.

Электрические термометры

Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.

Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C — 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C — 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 — +850 °C.

сопротивление при T °C,

• жидкостные
• механические
• электрические
• оптические
• газовые
• инфракрасные

2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные.

Измерение
температуры жидкостными стеклянными
термо­метрами основано на различии
коэффициентов объемного расши­рения
жидкости и материала оболочки термометра.

Для защиты от
повреждений технические термометры
монтируются в металлической оправе, а
нижняя погружная часть закрывается
металлической гильзой.

Наиболее
распространены ртутные стеклянные
термометры. Ртуть не смачивает стекло,
почти не окисляется, легко получается
в химически чистом виде и имеет
значительный интервал между точкой
плавления (-38,86° С) и точкой кипения
(+356,6°С). Недо­статок ртути – сравнительно
небольшой температурный коэф­фициент
расширения. Основные недостатки
жидкостных сте­клянных термометров
– невозможность регистрации и передачи
показаний на расстояние, значительная
тепловая инерция.