Принцип устройства термометра

Почему не меняет показания после измерения и что содержится внутри, если не ртуть?

Разбираемся, почему у медицинского термометра есть такая странная особенность

Как работают бесконтактные термометры

Бесконтактные термометры — они же инфракрасные — измеряют температуру тела на расстоянии. Они в основном используются в условиях, когда применять ртутные или электронные аналоги неудобно или небезопасно. Например, в пандемию COVID-19 инфракрасные термометры используют при входе в общественные места, чтобы быстро измерить температуру и не дотрагиваться экраном устройства до кожи людей.

Действительно ли бесконтактные градусники показывают правильную температуру тела, и как они это делают?

Почему ртуть в градуснике не опускается обратно

Вы задумывались когда-то почему встряхивают градусник? Давайте разберемся с этим вопросом. Термометр, предназначенный для измерения температуры тела, должен сохранять показания после использования. Для этого колба со ртутью соединяется с измерительной трубкой тонким капилляром, по которому ртуть, нагреваясь от тепла тела, по каплям поступает в трубку. Вернуться в колбу жидкий металл уже не может из-за отсутствия обратного давления в трубке, а чтобы сбросить показания градусника, его нужно несколько раз встряхнуть, направив ртуть в капилляр и колбу.

Причина, по которой термометр сконструирован таким образом, заключается скорее всего в том, что врач или медсестра могут не торопиться с «чтением» термометра, который в противном случае начал бы показывать более низкие температуры, как только его вынимают изо рта пациента или где бы то ни было. Не удобно, не так ли?

Отметим, что вы не охлаждаете термометр, встряхивая его — вы толкаете жидкость обратно в резервуар с дополнительной силой, возникающей от ускоренного движения.

Почему в медицинском градуснике ртуть не опускается при охлаждении?

На смену ртутным термометрам пришли более безопасные и удобные в использовании электронные, инфракрасные и другие виды приборов. Тем не менее, именно ртутный градусник считается наиболее точным. Как устроен этот прибор и почему перед использованием его нужно встряхнуть?

Устройство ртутного термометра

Ртутный термометр относится к категории жидкостных и представляет собой стеклянную трубку, которая запаяна с двух сторон. Изнутри выкачивается весь воздух – создаются условия абсолютного вакуума, чтобы сторонние факторы не могли повлиять на показатели температуры.

В нижней части трубки располагается колба с ртутью. В этом месте трубка резко сужается. Количество ртути в колбе – около 2-х граммов. Также имеется шкала от 35 до 42℃ с делением в 0,1 градус для максимально точного измерения. Между колбой и измерительной трубкой располагается тонкий капилляр, который препятствует возвращению ртути обратно в резервуар.

Устройство ртутного термометра

Интересный факт: с 2020 года производство и использование ртутных термометров, как и некоторых других видов продукции с содержанием ртути, запрещено. Такой договор заключили 128 государств в ходе подписания Минаматской конвенции о ртути.

Принцип работы

В основе работы ртутного градусника заключается принцип расширения жидкости. Ртуть – это металл, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре (плавление начинается при температуре -38,8℃). Когда прибор соприкасается с кожей, он начинает постепенно нагреваться. Время измерения температуры составляет 7-10 минут.

Нагреваясь, ртуть поднимается из резервуара вверх по трубке, проходя через капилляр. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута максимальная температура. После этого ртутный столбик останавливается, отображая температуру тела.

Такой термометр называют максимальным. Чтобы измерить температуру повторно, необходимо резко, но крайне аккуратно встряхнуть прибор. Лишь так жидкость снова вернется в колбу. Охлаждение не влияет на ртуть. Давление в трубке отсутствует, поэтому она не может пройти через капилляр в обратном направлении.

Ртутный медицинский термометр называют максимальным. Ртуть медленно достигает самой высокой отметки температуры тела, но затем фиксирует ее. Жидкость не опускается вниз даже после того, как прибор перестает контактировать с телом.

Конструкция медицинского градусника

Это объясняется конструкцией медицинского градусника – в отличие от комнатного, между резервуаром с ртутью и трубкой-шкалой имеется тонкий капилляр. Расширяясь от нагревания, ртуть движется вверх. Но вниз не опускается из-за отсутствия давления. Поэтому для повторного использования градусник встряхивают.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Эксперт и постоянный автор научно-популярного журнала: «Как и Почему». Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ № ФС 77 – 76533. Издание «Как и Почему» kipmu.ru входит в список социально значимых ресурсов РФ (определяет Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации).

( 5 оценок, среднее 3.4 из 5 )

Температура, наряду с давлением, является самым важным параметром при эксплуатации систем отопления. Ведь именно температура является определяющим фактором работы отопительных приборов. Именно по температуре нормируются Санитарные Нормы и Правила (СНиП), по которым температура воздуха в помещении не должна быть ниже 18°С. Какое будет давление в системе – не столь важно, главное, чтобы его хватало для достижения наивысшей точки системы, а вот температуру в помещении ощущает каждый потребитель. На котельных имеются специальные температурные графики, на которых отображается зависимость температуры воды, подаваемой в систему отопления, от температуры наружного воздуха.

Именно поэтому немаловажно, наряду с давлением, контролировать также и значения температуры теплоносителя. Для этого и существуют термометры. По принципу действия их разделяют на:

Подробнее остановимся лишь на нескольких видах термометров, наиболее встречающихся в котельных и ЦТП.

Термометры жидкостные состоят из стеклянной капиллярной трубки и шкалы с делениями, которые обозначают градусы. Нижний конец трубки соединен с резервуаром, который заполнен жидкостью, верхний конец – запаян. При нагревании жидкость, как известно, расширяется, и высота столба ее в капилляре соответствует определенной температуре. По форме нижней части трубки жидкостные стеклянные термометры классифицируют на прямые и угловые. В обозначениях это указывается как тип А и тип Б.

В промышленности наиболее распространены ртутные термометры. Их применяют для измерения температур в диапазонах от -35 до + 600°С. Правильность показаний жидкостного термометра во многом зависит от правильности его установки на трубопроводе. При измерениях температур до +150°С гильзу, в которую ставится термометр, заполняют машинным маслом. Для защиты термометра на гильзу обязательно должна навертываться оправа, которая изготавливается из металла с низкой теплопроводностью.

Принцип работы манометрических термометров основан на повышении давления находящихся в замкнутой системе жидкости или газа при увеличении их температуры. В зависимости от применяемого рабочего вещества изменяются и пределы измеряемых температур. В целом, они колеблются в диапазоне от -200 до +1000°С.

Основными частями манометрического термометра являются термобаллон и гибкая капиллярная медная трубка длиной до 6 м, которая соединяет баллон с трубчатой пружиной. При нагреве жидкости происходит повышение давления, которое передается пружине. Пружина, в момент выпрямления воздействует на тягу и поворачивает стрелку показывающего манометра.

При эксплуатации манометрических термометров особое внимание нужно обращать на обеспечение сохранности капилляра, а также плотности его соединения с термобаллоном и вторичным прибором. Крепление капилляра к стенам осуществляется специальными скобами. В необходимых случаях капилляр может прокладываться в трубе или под металлическим угольником. При установке также следует помнить, что прокладку капилляра нельзя осуществлять вблизи нагретых поверхностей и приборов отопления.

Работа биметаллического термометра основана на использовании в конструкции его чувствительного элемента двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения. Металлические пластины прочно соединены между собой (чаще всего сваркой) и вместе образуют биметаллический элемент (пластину или спираль), который при нагревании расширяется и вращает соединенную с ней стрелку термометра.

В конструкцию типового биметаллического термометра входит круглый корпус, в котором имеется циферблат, кинематический механизм со стрелкой и чувствительный биметаллический элемент в защитной трубке.

Термопара. Принцип действия

Класс точности приборов составляет 2,5, диапазон измерений — от -70 до +600°С. Погрешность при низких диапазонах составляет около 1 градуса, при более высоких пределах погрешность доходит до 10 градусов.

Достоинствами биметаллических термометров по сравнению с жидкостными является механическая прочность и нечувствительность к скачкам давления. Поэтому использование в котельных по возможности именно биметаллических термометров является более предпочтительным.

На сегодняшний день редкая котельная или ЦТП обходятся без системы автоматики. С ее помощью можно настроить систему отопления так, чтобы все процессы в ней происходили без участия человека. Основным процессы регулирования в системе отопления проходят по температуре, либо по температуре наружного воздуха, либо по температуре теплоносителя. Ранее рассмотренные термометры расширения, а именно жидкостные, манометрические термометры, к использованию в системах автоматизации непригодны. Биметаллические термометры могут управлять контактами реле посредством изгибания пластины, но все же строить автоматику только на них достаточно проблематично. Поэтому стоит обратить внимание на основную группу приборов для измерения температуры, применяющихся в сфере отопления, — электрические термометры.

Они делятся на два вида:

Термоэлектрические термометры имеют очень большой диапазон измерений от -50 до +1300°С. Причем верхняя планка измерения температуры может быть в некоторых случаях поднята еще выше (до +2500°С) . Именно данная характеристика и является главным достоинством термоэлектрических термометров.

Работа данного вида термометров основана на том факте, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных электродов (проводников), возникает термоЭДС, если их холодный и горячий спаи имеют различную температуру. Спаи имеют свои специальные названия – холодный спай носит название свободного, горячий спай – рабочего. Именно изменение температуры рабочего конца спая вызывает соответствующее изменение термоэлектродвижущей силы, которое воспринимается вторичным электроприбором – потенциометром либо пирометрическим милливольтметром. Значение термоЭДС зависит от материала электродов и от температуры холодного и горячего спаев.

Для изготовления стандартных термоэлектрических термометров (их еще называют термопары) применяют платины и такие сплавы, как хромель, алюмель, копель, платинородий. Обозначаются данные термометры по первым буквам электродов, например ТХК – Термометр Хромель-Копелевый.

Преимуществами термопар являются их простота, высокая точность и большой диапазон измерений, дешевизна и надежность. А главными недостатками является влияние температуры свободных концов термопары на ее показания, а также нелинейная характеристика зависимости термоЭДС от температуры.

Для минимизации влияния погрешностей в показаниях прибора к свободным концам присоединяют так называемые компенсационные провода, которые отводятся в зону с постоянной и известной температурой. Изготавливаются компенсационные провода обязательно из тех же материалов, что и термометры. При использовании компенсационных проводов обязательно нужно проверять правильность их присоединения, а также их соответствие термометру.

Термометры сопротивления имеют диапазоны измерений, зависящие от материала изготовления чувствительного элемента прибора. Если он изготовлен из платины, то с помощью данного термометра сопротивления (ТСП – Термометр Сопротивления Платиновый) можно измерять температуры от -200 до 1100°С. Если же чувствительный прибор изготовлен из меди (ТСМ – Термометр Сопротивления Медный), то диапазон его измерений составляет от -50 до 180°С.

Питание схемы постоянным током осуществляется двумя методами: либо от аккумулятора небольшой емкости, либо от электрической сети через выпрямитель. В качестве показывающих вторичных электрических приборов используются логометры или уравновешенные автоматические мосты (мост Уинстона). Причем немаловажно, что к одному вторичному прибору можно подключать сразу несколько термометров сопротивления. Достоинством термометров данного вида является отсутствие необходимости в поправке на температуры свободных концов. Благодаря этому обстоятельству температуру измеряемой среды можно отсчитывать сразу по вторичному прибору.

Защитные чехлы термометров сопротивления по своей конструкции очень похожи на чехлы термоэлектрических термометров. Соединительные медные провода должны иметь такое же сопротивление, как и сопротивление, указанное на шкале прибора. При несоответствии же сопротивления соединительных проводов возникает необходимость в подключении подгоночного сопротивления из манганиновой проволоки.

Измерение температуры с помощью термопары

Преимуществами термометров сопротивления являются их высокая точность, стабильность и практически линейная характеристика зависимости сопротивления от температуры, что упрощает разработку вторичных преобразователей сигнала. Также при трех- и четырехпроводной схемах подключения исключается влияние сопротивления линий связи.

Недостатком является их относительно небольшой диапазон измерений в сравнении с термопарами, а также необходимость наличия источника питания для работы термометров сопротивления.

Виды бесконтактных инфракрасных термометров

Существует три типа инфракрасных термометров. Все они считаются бесконтактными, однако в некоторых моделях все же необходимо дотрагиваться до тела, хоть и совсем немного.

Для измерения температуры с помощью ушного пирометра, необходимо поместить его непосредственно в ухо человека. Все дело в том, что температура барабанной перепонки соответствует температуре внутри, поэтому пирометр помещают на небольшом расстоянии от нее, чтобы не повредить. Именно поэтому они являются не совсем бесконтактными, однако принцип работы такого градусника ничем не отличается от других инфракрасных термометров. Однако стоит учитывать, что при использовании ушного термометра, на качество измерения температуры могут повлиять серные пробки, заслоняющие барабанную перепонку.

Этот вид прибора измеряет температуру тела при наведении на лоб человека. Это довольно безопасный прибор, который не нужно прислонять к телу человека.

Эти приборы действительно самые лучшие и надежные. Их можно использовать в любых условиях и измерять абсолютно любой участок тела. Достаточно навести на участок, и через секунду результат будет выведен на дисплей.

Что делать, если разбился старый ртутный градусник?

Если градусник сделан на ртутной основе, то ситуация крайне опасная. Если очистить помещение неправильно или лишь частично, последствия могут быть страшными. Учитывая, что, по данным проводимых исследований, шарик ртути испаряется три года, действовать нужно быстро и правильно.

Как собрать ртуть — пошаговая инструкция

В первую очередь, необходимо вывести из помещения всех людей, в первую очередь – детей и пожилых людей, а также домашних животных.

Выявите область, в которой произошла авария, и ограничьте доступ к ней. Ртуть прилипает к подошвам и поверхности, поэтому следует быть аккуратным и внимательным. Удаление ртути и ее соединений производится с краев к центру загрязнения.

Во избежание разбивания ртути на более мелкие шарики, следует использовать скотч или мягкие кисточки, но не веник или тряпку

Если на улице температура значительно ниже, чем внутри помещения, то следует открыть окна. Так понизится выделение ядовитых паров в воздух. Сквозняк же недопустим, так как он позволит ртутным капелькам разбежаться по помещению.

Место аварии нужно подсветить. Желательно делать это не лампами на потолке, а фонариком, чтобы осветить помещение сбоку. Так будет намного проще заметить маленькие шарики ртути.

Не нужно забывать о безопасности. В первую очередь, необходимо надеть перчатки, дыхательные пути обезопасить с помощью респиратора или ватно-марлевой повязки, которые нужно смочить раствором соды или обычной водой. На ноги рекомендуется надеть полиэтиленовые пакеты или бахилы.

Если сбор ртути затягивается, нужно сделать перерыв. Больше 15 минут нахождения в помещении – очень опасно, стоит выйти на улицу и подышать.

Сбор нужно осуществлять следующим образом: один лист бумаги или фольги использовать в качестве совка, другим закатывать шарики ртути на него. Можно использовать кисточку как метлу. Жесткую кисть или веник опасно использовать, так как они только разобьют шарики на много маленьких. Для сбора можно использовать кусок ваты, смоченный раствором марганцовки. Собранную ртуть нужно стряхивать в приготовленную банку с холодной водой.

После этого шприцом втянуть оставшиеся шарики ртути.

Самые маленькие капли можно собрать пластырем или скотчем.

Если же ртуть забилась в щели в полу, рекомендуется посыпать их песком. Кисточка легко достанет его вместе с каплями ртути. Но бывает, что ртуть попадает в пространство под полом или забирается в деревянные щели. В таком случае избавиться от остатков ртути можно, лишь сделав ремонт.

Что делать с собранной ртутью

В банку с водой нужно поместить все, что участвовало в сборе ртути, так как мелкие следы вещества, скорее всего, остались на всем. Банку нужно закрыть и убрать подальше от нагревающих приборов.

Если вы наступили на ртуть, нужно вычистить подошву раствором марганцовки. В этом случае раствор должен быть очень концентрированным, почти черным.

Далее помещение нужно проветривать хотя бы три часа. Если некоторые частички остались, то они покинут комнату за это время.

Если вы не уверены, что ртуть испарилась, можно провести специальное исследование. На сайте МЧС России есть специальные инструкции на случай, если пары ртути не испарились.

Выбрасывать банку ни в коем случае нельзя! Необходимо сдать ее в специальные центры для утилизации. Можно привезти ее самим, или же позвонить по номеру. В таком случае приедет специалист, который заберет банку и все использованные при этом средства сбора. Пока банка не утилизирована, хранить ее следует в гараже или на балконе, при условии что там холоднее, чем внутри.

Одежду, которая использовалась при сборе, нельзя стирать. Ее рекомендуется выкинуть, при этом привести в состояние, при котором ее точно не будут использовать.

Ртуть сложно разглядеть, поэтому стоит подсвечивать пол и трещины фонариком

Как изобрели градусник

Современную форму термометру придал Фаренгейт ещё в 1723 году. Первоначально он наполнял свои трубки спиртом и лишь затем перешёл к ртути. Ноль 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 в подмышке была эквивалентна 96°.

Окончательно установил обе постоянные точки шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 году, но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники Карл Линней и Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде — за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° — кипения воды. В таком виде шкала оказалась очень удобной, получила широкое распространение и используется до нашего времени.

В 1848 году английский физик Вильям Томсон (он же лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, ноль 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, а следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел. Далее разберемся как работает градусник.

Какие градусники лучше измеряют температуру

По данным Роскачества, самые достоверные результаты среди привычных градусников показывают бесконтактные ушные термометры. На официальном портале организации указано, что на сегодня самой авторитетной научной статьей, в которой проанализировали более 40 исследований с участием более 12 000 пациентов, является международный обзор 2020 года в журнале Internal and Emergency Medicine. В нем указано, что несмотря на то, что в медицинском сообществе эталонным считается ректальный метод измерения температуры ртутным термометром, ученые пришли к заключению, что самым точным градусником будет бесконтактный ушной термометр. Далее идет бесконтактный лобный. И только затем контактные ртутный и электронный.

Как работают бесконтактные инфракрасные термометры

В любом теле, которое имеет температуру выше абсолютного нуля, движутся молекулы. Причем согласно законам физики, чем выше температура, тем быстрее их движение. Когда молекулы перемещаются в пространстве, они испускают инфракрасное излучение, которое также называют тепловым, поскольку излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Кроме того, по мере нагревания, некоторые объекты начинают излучать видимый свет — например, раскаленный металл начинает светиться красным или даже белым.

Принцип работы инфракрасных бесконтактных термометров (пирометров) основан как раз на этом излучении. В эти устройства встроен специальный термоэлемент, который улавливает инфракрасное излучение, исходящее от тела, и превращает его в электрический сигнал. Он в свою очередь подается на детектор, который и определяет температуру тела.

Что важно знать про ртуть и ртутные градусники

Ртуть – металл, который при комнатной температуре представляет собой тяжелую серебристо-белую жидкость. Ее пары чрезвычайно ядовиты. При этом, из-за своих физических свойств, при ударе она разделяется на маленькие шарообразные капельки, которые разлетаются по помещению. Так, они могут проникнуть в трещины мебели или полов и даже попасть в подпольное пространство. При температуре больше 18 градусов Цельсия ртуть отравляет воздух, которым мы дышим.

В организм ртуть может попасть разными способами: через кожу, желудочно-кишечный тракт или дыхательные пути. Внутри она вызывает не только жуткое раздражение, но и отравление организма: поражает сердечно-сосудистую и центральную нервную системы и отравляет почки.

При попадании ртути в пищеварительную систему следует вызвать рвоту и позвонить в скорую помощь. По ГОСТу ртуть – вещество первого класса опасности.

При отравлении ртутью проявляются такие симптомы, как общее недомогание, слабость и сонливость, раздражительность, тошнота. При остром отравлении проявляется металлический привкус во рту, головная боль и боль при глотании. Десны могут покраснеть или вовсе начать кровоточить. Также возможны проблемы с желудком и повышение температуры. Через три дня могут проявиться симптомы отравления почек.

Ртути в градуснике совсем немного 1-2 грамма вещества. Но не стоит недооценивать ее — средняя токсичная доза для человеческого организма — 0,4 мг.

Как бесконтактные градусники понимают, какая температура у человека

До начала использования градусники калибруют под стандартную температуру тела – 36,6°C. Соответственно, чем она выше, тем интенсивнее будет инфракрасное излучение. В этой ситуации прибор распознает несоответствие запрограммированным показателям и покажет цифры больше или меньше стандарта.

Как работает градусник

Термометр измеряет температуру через стеклянную трубку, запечатанную ртутью, которая расширяется или сжимается при повышении или понижении температуры. По мере повышения температуры заполненная ртутью колба расширяется в капиллярную трубку. Его скорость расширения откалибрована по стеклянной шкале.

Что находится внутри ртутного градусника?

Но как работает градусник «изнутри»? Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр, при изменении температуры окружающей среды. В качестве нертутного заполнения термометров используются спирты (этиловый, метиловый, пропиловый), пентан, толуол, сероуглерод, ацетон, таллиевая амальгама и галлий. В современных медицинских градусниках вместо токсичной ртути используется безопасный для человека сплав галинстан — 68,5% галлия, 21,5% индия и 10% олова.