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.
Термометр – прибор для измерения температуры
В настоящее время трудно найти человека, который не слышал о таких приспособлениях как термометр, лабораторные весы или песочные часы и не смог бы объяснять, для чего они предназначены.
Если раньше широко употребляемым было слово градусник, которое ассоциировалось только с ртутным термометром, то в настоящее время рынок лабораторного оборудования и измерительных приборов настолько расширился, что к слову термометр присоединяют еще одно слово, определяющее его тип или принцип действия: молочный, технический, керосиновый, для воды, оконный, газовый, оптический, инфракрасный, термополоски. Разнообразие данного изделия можно найти практически в любой аптеке, но разобраться в них и выбрать наиболее подходящий достаточно непросто, так как каждая модель наряду со своими преимуществами обладает и рядом недостатков.
Определение и применение
Термометр – это прибор для измерения температуры тела, воды, почвы, воздуха и др.. Принцип действия основан на свойстве жидкости расширятся под действием тепла. В связи с тем, что прибор измерения температуры неприхотлив в использовании, он часто применяется как в технической области и лабораторной практике, так и в быту. На сегодняшний день существует большое количество разновидностей такого измерительного оборудования, отличающиеся по способу действия, но главной их задачей является измерение температуры.
Многие ученые трудились над изобретением термометра. Однако основы современного измерения температуры заложил в 1592 г. Галилео Галилей. Конструкция его прибора была очень проста. Термоскоп-термометр показывал только изменение степени нагретости тела. А отсутствие шкалы делало его несовершенным из-за невозможности определить точное температурное значение. В начале XVIII века немецкий ученый Фаренгейт впервые изобрел современный измерительный прибор – ртутный термометр со стандартной шкалой. Позже Цельсий установил константы точки тающего льда и кипящей воды.
Измерение влажности воздуха в психрометре высчитывается по разнице между показателями двух термометров: сухого и влажного. Разумеется, тот, что влажный — погружен в небольшой колпачок с водой, которая испаряясь и регулирует показания «мокрого термометра».
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.
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:
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.
Механизм работы основан на расширении жидкости, находящейся в резервуаре. При нагревании этого резервуара она будет подниматься, как это видно на фото измерителей температуры.
Виды термометров по используемым материалам
Здесь различают 7 категорий:
-
Жидкостные. Представляют собой корпус, заполненный жидкостью, которая подвержена температурному расширению. Колба с жидкостью прикладывается к шкале. При нагреве жидкость расширяется, и столбик растет, а при охлаждении — наоборот, сжимается (уменьшается). Погрешность измерений такими приборами составляет менее 0,1 градуса.
- Газовые. Принцип действия — тот же, что и у жидкостных, но в качестве заполнителя для колбы выбирается инертный газ. Это позволяет существенно увеличить температурный диапазон измерения (если для жидкостных предел — +600 градусов, то для газовых — +1000 градусов). С их помощью можно измерять температуру в различных раскаленных жидких средах.
- Механические. В основе действия — принцип деформации металлической спирали. Часто эти термометры комплектуются стрелочным “дисплеем”. Устанавливаются в спецтехнике, автомобилях, на автоматизированных линиях. Нечувствительны к ударам.
- Электрические. Работают, измеряя уровень сопротивления проводника при разных температурных показателях. В качестве проводника могут использоваться разные металлы (например, медь или платина). Соответственно, и диапазон измерений таких устройств будет отличаться. Чаще всего такие модели применяются в лабораторных условиях.
- Термоэлектрические. В конструкции предусмотрено два проводника, проводящие замеры по физическому принципу на основе эффекта Зеебека. Эти устройства очень точные, работают с погрешностью до 0,01 градуса и подходят для высокоточных измерений в производственных процессах, когда рабочая температура превышает 1000 градусов.
- Волоконно-оптические. Чувствительные датчики из оптоволокна (оно натягивается и сжимается или растягивается при изменении температуры, а прибор фиксирует степень преломления проходящего луча света). Допустимый диапазон измерений — до +400 градусов, а погрешность — не более 0,1 градуса.
- Инфракрасные. Непосредственный контакт с измеряемым веществом не требуется: прибор генерирует инфракрасный луч, который направляется на изучаемую поверхность. Это современный вид бесконтактных термометров, которые работают с точностью до нескольких градусов и подходят для высокотемпературных измерений. С их помощью можно измерять даже температуру открытого пламени.
Компания «Измеркон» предлагает как разные виды термометров, так и комбинированные устройства, в том числе манометры-термометры или гигрометры-термометры для автономной работы с энергонезависимой памятью, обеспечивающей постоянную фиксацию результатов измерений.
Измерители лазерного типа используют принцип действия инфракрасного излучения, в результате которого формируется лазерный луч. Он позволяет считывать сведения о среде и определять температуру.
Газовые
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.
