Thermometer

А термометр это устройство, которое измеряет температуру или температурный градиент (степень жара или холода предмета). У термометра есть два важных элемента: (1) датчик температуры (например, колба стеклянный ртутный термометр или пирометрический датчик в инфракрасный термометр ) в котором происходит какое-то изменение при изменении температуры; и (2) некоторые средства преобразования этого изменения в числовое значение (например, видимая шкала, нанесенная на стеклянном ртутном термометре или цифровая индикация на инфракрасной модели). Термометры широко используются в технике и промышленности для контроля процессов, в метеорология, в медицине и в научных исследованиях.

История

Хотя отдельный термометр может измерять степень нагрева, показания двух термометров нельзя сравнивать, если они не соответствуют согласованной шкале. Сегодня есть абсолютное термодинамическая температура шкала. Согласованные на международном уровне температурные шкалы разработаны для точного приближения к этому на основе фиксированных точек и интерполирующих термометров. Самая последняя официальная шкала температуры – это Международная температурная шкала 1990 г.. Он простирается от 0,65K (От -272,5 ° C; -458,5 ° F) до примерно 1358 К (1085 ° C; 1985 ° F).

Пятидесятиградусные термометры середины 17 века на выставке в Museo Galileo с черными точками, представляющими отдельные градусы, а белыми – с шагом 10 градусов; используется для измерения температуры воздуха

Однако каждый изобретатель и каждый градусник были уникальны. нет стандартной шкалы. В 1665 г. Кристиан Гюйгенс (1629–1695) предложили использовать таяние и точки кипения воды в качестве эталонов, а в 1694 году Карло Ренальдини (1615–1698) предложил использовать их в качестве фиксированных точек на универсальной шкале. В 1701 г. Исаак Ньютон (1642–1726 / 27) предложил шкалу в 12 градусов между температурой плавления льда и температура тела.

Эпоха точной термометрии

Медицинский ртутный стеклянный термометр-максимум.

Регистрация

Все традиционные термометры были нерегистрирующими термометрами. То есть термометр не держал показания температуры после того, как его перенесли в место с другой температурой. Для определения температуры кастрюли с горячей жидкостью от пользователя требовалось оставить термометр в горячей жидкости до тех пор, пока он не снимет показания. Если нерегистрирующий термометр был извлечен из горячей жидкости, то температура, указанная на термометре, немедленно начала бы изменяться, отражая температуру его новых условий (в данном случае, температуру воздуха). Регистрирующие термометры предназначены для неограниченного удержания температуры, поэтому термометр можно снять и считать позже или в более удобном месте. Механические регистрирующие термометры удерживают максимальную или самую низкую зарегистрированную температуру до тех пор, пока не будут повторно установлены вручную, например, встряхиванием стеклянного ртутного термометра, или пока не будет достигнута еще более экстремальная температура. Электронные регистрирующие термометры могут быть предназначены для запоминания самой высокой или самой низкой температуры или для запоминания той температуры, которая присутствовала в определенный момент времени.

В термометрах все чаще используются электронные средства для цифрового отображения или ввода данных в компьютер.

Физические принципы термометрии

Различные термометры 19 века.

Сравнение шкал Цельсия и Фаренгейта

Существует несколько принципов, на которых построены эмпирические термометры, перечисленные в разделе этой статьи, озаглавленном «Первичные и вторичные термометры». Некоторые из таких принципов по существу основаны на определяющем соотношении между состоянием подходящим образом выбранного конкретного материала и его температурой. Для этой цели подходят только некоторые материалы, и их можно рассматривать как «термометрические материалы». Радиометрическая термометрия, напротив, может лишь незначительно зависеть от определяющих соотношений материалов. В известном смысле радиометрическую термометрию можно рассматривать как «универсальную». Это связано с тем, что оно основывается главным образом на универсальном характере термодинамического равновесия, что оно обладает универсальным свойством производить черное тело радиация.

Биметаллические стержневые термометры, используемые для измерения температуры пропаренного молока.

Биметаллический термометр для приготовления и запекания в духовке

В зависимости от свойств материала существуют различные виды эмпирических термометров.

Многие эмпирические термометры полагаются на определяющую связь между давлением, объемом и температурой своего термометрического материала. Например, ртуть при нагревании расширяется.

Если он используется для определения отношения между давлением, объемом и температурой, термометрический материал должен обладать тремя свойствами:

(а) при заданном фиксированном давлении,

либо (i) объем увеличивается при повышении температуры, либо (ii) объем уменьшается при повышении температуры;

но не (i) для некоторых температур и (ii) для других; или же

(б) при заданном фиксированном объеме,

либо (i) давление увеличивается при повышении температуры, либо (ii) давление уменьшается при повышении температуры;

но не (i) для некоторых температур и (ii) для других.

Термометрия постоянного объема

Закон планка очень точно количественно описывает спектральную плотность мощности электромагнитного излучения внутри полости с жесткими стенками в теле, сделанном из материала, который является полностью непрозрачным и плохо отражающим, когда он достигает термодинамического равновесия, как функцию только абсолютной термодинамической температуры. Достаточно маленькое отверстие в стенке полости испускает достаточно излучения черного тела, из которого спектральное сияние можно точно измерить. Стенки полости, если они полностью непрозрачны и плохо отражают, могут быть из любого материала. Это обеспечивает хорошо воспроизводимый абсолютный термометр в очень широком диапазоне температур, способный измерять абсолютную температуру тела внутри полости.

Калибровка

Термометры можно откалибровать, сравнивая их с другими откалиброванными термометрами или проверяя их по известным фиксированным точкам на шкале температуры. Наиболее известными из этих фиксированных точек являются точки плавления и кипения чистой воды. (Обратите внимание, что температура кипения воды зависит от давления, поэтому ее необходимо контролировать.)

Традиционный способ нанесения шкалы на стеклянный или металлический термометр для жидкости состоял из трех этапов:

• Погрузите чувствительный элемент в перемешиваемую смесь чистого льда и воды при атмосферном давлении и отметьте указанную точку, когда он пришел к тепловому равновесию.
• Погрузите чувствительный элемент в паровую баню на Стандартное атмосферное давление и снова отметьте указанную точку.
• Разделите расстояние между этими отметками на равные части в соответствии с используемой температурной шкалой.

Точность, аккуратность и воспроизводимость

“Boyce MotoMeter”крышка радиатора на 1913 г. Car-Nation автомобиль, который использовался для измерения температуры пара в автомобилях 1910-1920 годов.

Для многих целей важна воспроизводимость. То есть, дает ли один и тот же термометр одинаковые показания для одной и той же температуры (или замена или несколько термометров дают одинаковые показания)? Воспроизводимый измерение температуры означает, что сравнения действительны в научных экспериментах, а производственные процессы согласованы. Таким образом, если один и тот же тип термометра откалиброван таким же образом, его показания будут действительны, даже если они немного неточны по сравнению с абсолютной шкалой.

Косвенные методы измерения температуры

Термометрия края ленты (BET)

Излучение черного тела

Спектры оптического поглощения

Ядерный магнитный резонанс

Приложения

Такой жидкокристаллические термометры (которые используют термохромный жидкие кристаллы) также используются в кольца настроения и используется для измерения температуры воды в аквариумах.

Термометры используются специально для низких температур.

• Термометры ушные как правило, инфракрасный термометр.
• Термометр для лба является примером жидкокристаллический термометр.

Продовольствие и безопасность пищевых продуктов

• Внутренний-наружный термометр
• Счетчик тепла использует термометр для измерения скорость теплового потока.
• Термостаты использовали биметаллические полоски, но с тех пор стали популярными цифровые термисторы.

Спиртовые термометры, инфракрасные термометры, стеклянные ртутные термометры, записывающие термометры, термисторы, а термометры Шеста используются в метеорология и климатология на разных уровнях атмосфера и океаны. Самолет использовать термометры и гигрометры чтобы определить, если атмосферное обледенение условия существуют вдоль их полоса взлета. Эти измерения используются для инициализации модели прогноза погоды. Термометры используются на дорогах в холодную погоду, чтобы помочь определить, существуют ли условия обледенения и в помещениях в системах климат-контроля.

Дальнейшее чтение

• Миддлтон, W.E.K. (1966). История термометра и его использования в метеорологии. Балтимор: Johns Hopkins Press. Перепечатано под ред. 2002 г., ISBN  0-8018-7153-0.
• История термометра

Термометр — это устройство, применяемое для измерения температуры. Его название произошло от двух греческих слов: «тепло» и «измеряю». Прибор позволяет фиксировать температуру разных сред: газов, жидкостей и твердых тел.

Все существующие термометры можно разделить на:

• жидкостные;
• механические;
• газовые;
• оптические;
• электронные.

О каждом виде термометров и пойдет речь в статье. Но сначала об истории создания и о тех, кто создавал первые измерительные устройства.

История создания термометра

Считается, что первым человеком, который изготовил термометр, был итальянский физик эпохи Возрождения — Галилео Галилей. Хотя прямых доказательств этого нет. Однако об этом свидетельствовали последователи ученого, которые даже назвали год этого изобретения — 1597. Название у прародителя термометра было «термобароскоп» или «термоскоп».

Идея создания термоскопа пришла Галилею после изучения трудов греческого математика, жившего в I в.н.э, Герона Александрийского. Изначальным замыслом не предусматривалось измерение температуры. Устройство использовалось, чтобы демонстрировать подъем воды в зависимости от нагревания воздуха.

Термоскоп изготавливался из стеклянной трубки, полой, с одной стороны, и с припаянным шариком, с другой. Работало устройство следующим образом:

• Шарик нагревали и конец трубки опускали в воду.
• По мере того, как воздух в шарике начинал остывать и сжиматься, вода поднималась вверх по трубке.
• При повышении температуры воздуха уровень воды в трубке снова понижался.

Измерить термоскопом температуру было невозможно. Он не был градуирован, да и уровень подъема воды зависел не только от степени нагрева воздуха, но и от окружающего давления. Почти через 60 лет после смерти Галилея (в 1657 году) его термоскоп усовершенствовали ученые из Флоренции.

Термоскопу добавили шкалу-бусины и герметично запаяли трубку, удалив из нее воздух, залив внутрь спирт и перевернув. До того, как стали использовать винный спирт, трубки лопались при замерзании воды. То, что именно спирт позволит сохранить целостность колбы при отрицательных температурах, предположил Фердинанд II — тосканский герцог. С 1654 года мастера стали заливать в термоскопы алкоголь.

Сосуд стал не нужен для работы прибора, поэтому от него избавились. В зависимости от температуры воздуха, бусины поднимались или опускались. А в качестве исходных точек для измерения использовали отметки, сделанные в самый жаркий и самый холодный дни года.

Наряду с Галилеем, первенство в создании устройств, которые фиксировали изменения температуры окружающего воздуха приписывают:

• лорду Бэкону;
• Санториусу;
• Роберту Фладду;
• Скарпи;
• Саломону де Коссу;
• Порте;
• Корнелиусу Дреббелю.

Хотя де Косс был лично знаком с Галилеем, поэтому мог увидеть его изобретение. Устройства других исследователей тоже были созданы по принципу термоскопа и зависели от температуры, так же, как и от атмосферного давления.

Впервые жидкостный термометр был описан флорентийцами в 1667 году. Сохранилось описание процедуры изготовления стеклянных колб стеклодувами. Этих мастеров называли «Confia». Несколько экземпляров флорентийских термометров можно и сегодня увидеть в музее Галилея. Эти устройства довольно большие по своим размерам и не отличаются точностью показаний. Хотя самые опытные мастера уже тогда умели так наносить шкалу градусов, что их термоскопы показывали одинаковую температуру. Измерить ими, что то еще, кроме температуры воздуха, было невозможно.

Следующим ученым, внесшим вклад в эволюцию термометра, стал французский ученый Гийом Амонтон, живший в 1663–1705 гг. Он стал измерять степень увеличения упругости воздуха, а не его расширение. Свои опыты Амонтон проводил, используя открытую трубу, изогнутую к нижней части и переходящую в замкнутую круглую полость. Подливая в трубку ртуть, ученый фиксировал изменения объема воздуха в зависимости от температуры.

Амонтон избрал для двух постоянных точек температуру современного абсолютного нуля, когда воздух полностью теряет упругость, и температуру кипения воды. Из-за того, что состояние ртути и воздуха в устройстве зависело от атмосферного давления, о чем Амонтон не знал, его «абсолютный нуль», наступал при температуре -239.5 °С, а не при минус 273.15 °С.

Второй термометр Амонтона был герметичен и независим от окружающего давления. Его устройство включало в себя коленчатую трубку с раствором углекислого калия и нефтью, которая заканчивалась резервуаром с воздухом. Но этому сифонному барометру было еще очень далеко до совершенства современных термометров.

Тем, как выглядит современный термометр мы обязаны германскому ученому 18 века Габриэлю Фаренгейту. Начав с заполнения трубок спиртом, позднее он стал заполнять их ртутью. Фаренгейт установил ноль своей шкалы на отметке температуры смеси поваренной соли или нашатыря со снегом. Сделав градуирование, Фаренгейт установил, что вода начинает кипеть при 212⁰, а замерзает при 32⁰. Температура человеческого тела, при помещении термометра под мышку, составила 96⁰.

Метеоролог из Швеции Андерс Цельсий поставил точки кипения воды и таяния льда совсем не так, как это выглядит на современных градусниках. По его шкале вода закипала при 0⁰, тогда как лед начинал таять при 100⁰. Последователям оставалось лишь перевернуть шкалу, чтобы она приняла сегодняшний вид. Сделали это шведские ученые Карл Линней и Мортен Штремер. Кроме изобретения своей шкалы, Цельсий предсказал, что температура кипения воды может отличаться в зависимости от расположения местности относительно уровня моря. Зная этот уровень предполагалось проводить калибровку измерительных приборов.

Бытует мнение, что шкала должна называться именем Штремера и носит имя Цельсия из-за ошибки, допущенной химиком Иоганном Якобом в своей научной работе.

Еще одним человеком, оставившим след в истории создания измеряющего температуру устройства, является француз Рене Антуан Реомюр. Его работы стали причиной появления шкалы, градуированной в 80⁰. Несмотря на большой вклад в науку, прибор Реомюра не получил распространения и стал своеобразным шагом назад по сравнению с устройствами Фаренгейта. Фаренгейт и Реомюр стали последними, кто самостоятельно изготавливали свои термометры. После них этим стали заниматься ремесленники, зарабатывавшие на продажах устройств измерения температуры.

То, что можно создать шкалу, начальная точка которой не зависит от свойств материалов, используемых в термометре, было доказано в середине 19-го века. Это сделал английский лорд и физик Кельвин. Именно по «шкале Кельвина» таким началом служит абсолютный нуль, равный -273.15 ⁰С. Именно при такой температуре молекулы прекращают свое тепловое движение и охладить вещество еще больше становится невозможно.

Виды термометров

Как уже говорилось, все термометры можно классифицировать в зависимости от устройства и принципа работы на жидкостные, механические, газовые, оптические, электронные.

Жидкостные

В принцип действия жидкостных термометров, как это понятно из их названия, заложено изменение объема жидкости, заполняющей столбик устройства, при понижении или повышении окружающей температуры. В качестве жидкости, чаще всего, используется ртуть или спирт. Кроме спиртов и ртути, применяют также:

• пентан;
• сероуглерод;
• галлий;
• ацетон;
• толуол;
• таллиевую амальгаму.

Наиболее характерным жидкостным термометром является обычный градусник для измерения температуры тела. Подобные устройства можно встретить у многих людей, которым интересна температура в комнатах или в других помещениях, например, в сауне. Используются они и для термометрии на открытом воздухе.

В связи с тем, что ртуть представляет опасность для здоровья, ее использование постепенно подпадает под запрет. Сейчас в термометрах начинают использовать другие жидкие металлы и их сплавы, например, галистан, в в состав которого входят:

• галлий;
• олово;
• индий;
• цинк.

Такой наполнитель идеально подходит для замеров тел с высокой температурой. На замену ртутным градусникам все чаще приходят другие типы устройств, в том числе механические и электронные.

Механические

Такие термометры используют в качестве индикатора стрелку, закрепленную на спиральной пружине или биметаллической ленте. В зависимости от температуры пружина скручивается или разжимается, и стрелка движется вдоль шкалы с градусами. Такие градусники не отличаются точностью показаний и используются обычно в быту, когда максимальная точность не особо важна.

Следующей разновидностью являются газовые приборы.

Газовые

Устройства, использующие для определения температуры газов, основаны на принципе, изложенном в законе Шарля. В соответствии с ним в газах, остающихся в одном объеме, повышается давление при их нагревании. И, наоборот, давление газообразного вещества снижается, если оно остывает.

Исходя из установленной пропорции и замеряя повышение или понижение давления идеального газа, можно определить температуру измеряемой среды или вещества. Наиболее точные показания выдает термометр, где рабочим веществом является водород или гелий.

Оптические

Пожалуй, одними из самых востребованных на сегодня устройств измерения температуры являются оптические термометры. Они позволяют делать замеры на расстоянии, не соприкасаясь с телом или предметом измерения.

К такому виду относятся инфракрасные термометры, применяемые в медицине. Они улавливают тепловые, инфракрасные, лучи и, после их электронной обработки, выдают на дисплей температурный показатель. Своим принципом работы такие устройства схожи с тепловизорами, но отличаются более высокой точностью.

Еще одним поводом к тому, что такие приборы становятся все более востребованными, стал запрет на ртутные градусники. Уже с 2030 года в нашей стране будет запрещено использовать устройства для измерения температуры с ртутью в качестве рабочего вещества.

Электронные

Электронные термометры показывают температуру, оценивая изменение электрической сопротивляемости проводника, которая зависит от степени его нагрева. В более широкодиапазонных устройствах применяется термопара.

При этом учитывается разность потенциалов на контактах металлических проводников с отличающейся электроотрицательностью. Контактная разность меняется в зависимости от окружающей температуры. Самыми точными устройствами признаны те, в которых используется платиновая проволока или керамика с платиновым напылением.

Кроме приведенных устройств выделяют еще технические термометры, а также приборы для фиксации максимальной и минимальной температуры.

Технические термометры

Технические термометры нашли свое применение в различных сферах промышленности, начиная с сельскохозяйственной и заканчивая тяжелым машиностроением.

Среди них выделяют:

• биметаллические приборы;
• жидкостные технические термометры;
• сельскохозяйственные термометры марки ТС-7А-М;
• вибростойкие термометры;
• лабораторные устройства;
• ртутные с электрическими контактами;
• термометры для измерения температуры нефтепродуктов;
• низкоградусные термометры, применяемые в спецкамерах.

В зависимости от способа фиксации показателей, приборы измерения температуры могут классифицироваться как:

• максимальные;
• минимальные;
• нефиксируемые.

Примером максимального термометра служит градусник для измерения температуры тела. После того, как ртуть или жидкость поднимается по шкале, она остается на максимальном уровне, а не опускается вниз. Минимальные устройства фиксируются на минимуме температуры. Нефиксируемые изменяют свои показания в зависимости от интенсивности прогрева или остывания среды измерения.

Видео по теме

Сегодня практически невозможно представить себе жизнь без термометра. Конечно, о температуре на улице можно узнать из сводки погоды. Но как же определить уровень тепла в комнате, духовке, сушильной камере или теплице? Тут никак не обойтись без термометра.

Существует несколько их видов:

• жидкостные;
• механические;
• газовые;
• электрические;
• оптические.

Принцип действия такого прибора основан на эффекте расширения или сжатии жидкости, которая заполняет колбу и изменяет свой объем при колебании собственной температуры. Обычно, в него заливают ртуть или спирт, которые тонко реагируют на минимальное изменение тепла в окружающей среде.

В медицине обычно используются ртутные градусники, а вот в метеорологии их заполняют спиртом, поскольку ртутный столбик может застывать уже при -38 градусах.

Принцип работы прибора данного типа тоже основан на расширении. Но с его помощью определяется температура в зависимости от расширения биметаллической ленты или металлической спирали.

Такие термометры характеризуются высокой точностью, они надежны и просты в эксплуатации.

Как отдельную, самостоятельную модель их, правда, не используют, обычно они применяются в автоматизированных системах.

Газовый тип температурного измерителя работает по тому же принципу, что и жидкостное устройство. В качестве рабочего вещества в нем используют какой-либо инертный газ.

Преимущество этого прибора заключается в том, что он может измерять температуру, приближающуюся к абсолютному нулю, и диапазон его измерений колеблется от -271 до +1000 градусов. Это достаточно сложное устройство, которое редко участвует в лабораторных измерениях.

Электрические

Работа такого измерительного прибора связана с зависимостью сопротивления используемого проводника от температуры. Известно, что сопротивление любых металлов линейно зависит от уровня их тепла. Более точные измерения можно получить, если заменить металлические проводники полупроводниками. Однако полупроводники в таких приборах практически не используют, поскольку зависимость между характеристиками полупроводника и уровня тепла нельзя выразить линейно и практически невозможно проградуировать приборную шкалу.

В роли проводника обычно выступает медь, показывающая изменения температур от -50 до +180 градусов. Если взять другой рабочий металл, например, платину, то температурный диапазон ее значительно расширится и составит от -200 до +750 градусов. Такие электрические тепловые датчики используют в лабораториях, на экспериментальных стендах или на производстве.

Оптические приборы или пирометры позволяют узнать температуру по уровню светимости тела, анализу его спектра и некоторым другим параметрам. Это бесконтактный прибор, способный измерять, причем с точностью до нескольких градусов, уровень тепла в широчайшем диапазоне – от 100 до 3000 градусов. Чаще всего на практике мы встречаемся с инфракрасными бытовыми термометрами. Такие градусники очень удобны, поскольку позволяют безопасно, быстро и точно определять температуру тела человека.

Существуют и другие, более сложные температурные измерители, например, волоконно-оптические или термоэлектрические. Это очень чувствительные приборы, дающие точнейшие результаты измерения практически без ошибки.

Обновлено: 25.09.2020 10:54:30

Нажмите, чтобы поставить оценку