К этому типу относятся инфракрасные термометры, которые находят широкое применение в медицине. Эти устройства способны улавливать тепловые инфракрасные лучи, а затем, после соответствующей электронной обработки, отображать на дисплее значение температуры. В своем принципе работы такие термометры аналогичны тепловизорам, однако, они обеспечивают более высокую точность в измерениях.
Термометр – прибор для измерения температуры
На современном этапе сложно встретить человека, который бы не знал о таких устройств, как термометр, лабораторные весы или песочные часы, и не смог бы объяснить их основные функции и предназначение.
Если в прошлом основным термином для обозначения термометра было слово «градусник», ассоциировавшееся только с ртутными приборами, то сейчас рынок измерительных и лабораторных приборов значительно расширился. Поэтому к слову термометр часто добавляется дополнительное слово, которое уточняет его тип или принцип работы: молочный, технический, керосиновый, для воды, оконный, газовый, оптический и инфракрасный термометры, а также термополоски. Найти такое разнообразие термометров можно практически в любой аптеке, однако разобраться в их многообразии и выбрать подходящий вариант оказывается сложной задачей, так как каждая модель обладает как преимуществами, так и определенными недостатками.
Определение и применение
Термометр представляет собой устройство, предназначенное для измерения температуры тела, воды, почвы, воздуха и других объектов. Принцип его работы основывается на свойстве жидкостей расширяться при нагревании. В связи с тем, что термометры достаточно просты в использовании, их часто применяют как в технических областях и лабораторных условиях, так и в домашнем быту. На сегодняшний день существует множество разновидностей этих приборов, которые различаются по принципу действия, но их главной задачей остается измерение температуры.
Многие учёные приложили усилия к созданию термометров. Однако основоположником современных методов измерения температуры принято считать Галилео Галилея, который в 1592 году разработал первый термометр. Устройство, которое он создал — термоскоп — было довольно простым и показывало лишь изменения температуры, но отсутствие шкалы делало его менее практичным, так как невозможно было точно определить значение. Позже, в начале XVIII века, немецкий ученый Фаренгейт изобрел ртутный термометр с установленной шкалой. Совсем скоро после этого шведский астроном Цельсий определил фиксированные точки для уважения: таяния льда и кипения воды.
Для измерения влажности воздуха в психрометре используется метод, основанный на выявлении разницы между показаниями двух термометров: сухого и влажного. Влажный термометр помещается в небольшой колпачок с водой, откуда происходит испарение, что влияет на показания «мокрого» термометра.
История создания термометра
Известно, что первым человеком, создавшим термометр, стал итальянский физик эпохи Возрождения — Галилео Галилей, хотя прямых исторических доказательств этого факта нет. Однако вскоре после его работы, последователи учёного подтвердили данную информацию и даже указали, что изобретение произошло в 1597 году. Первоначальное название термометра, созданного Галилеем, было «термобароскоп» или «термоскоп».
Идея создания термоскопа пришла к Галилею после изучения трудов древнегреческого математика Герона Александрийского, который жил в I веке нашей эры. Первоначально термоскоп не предназначался для измерения температуры, а использовался для демонстрации подъема уровня воды в зависимости от нагрева воздуха.
Термоскоп состоял из стеклянной трубки с одним открытым концом и одной закрытой частью в виде шарика. Принцип работы устройства заключался в следующем:
- Шарик нагревали, а затем опускали конец трубки в воду.
- Когда воздух в шарике остывал и сжимался, уровень воды поднимался в трубке.
- При повышении температуры воздуха уровень воды в трубке вновь понижался.
Таким образом, термоскоп не позволял измерить точную температуру, так как не имел градуированной шкалы, и уровень воды зависел не только от температуры, но и от окружающего атмосферного давления. Почти через 60 лет после смерти Галилея, в 1657 году, усовершенствованные термоскопы разработали ученые из Флоренции.
В том числе, термоскопам добавили шкалу-бусины, а трубку герметично запаяли, удалив из нее воздух и залив внутрь спирт, что предотвращало ее разрушение при замерзании. Тосканский герцог Фердинанд II предложил использовать именно спирт для этой цели. С 1654 года мастера начали применять алкоголь для заполнения термоскопов.
С течением времени термоскоп перестал нуждаться в сосуде для работы, поэтому от него избавились, и в зависимости от температуры бусины поднимались или опускались. Начальные точки для измерений располагались на отметках, сделанных в самые жаркие и холодные дни года.
Помимо Галилея, первенство в создании устройств для фиксации изменений температуры окружающего воздуха также принадлежит:
- лорду Бэкону;
- Санториусу;
- Роберту Фладду;
- Скарпи;
- Саломону де Коссу;
- Порте;
- Корнелиусу Дреббелю.
Хотя де Косс был знаком с Галилеем и, вероятно, мог видеть его устройство. Изобретения других исследователей были также основаны на принципах термоскопа и подвержены влиянию как температуры, так и атмосферного давления.
Первый документально описанный жидкостный термометр был создан в 1667 году флорентийцами, которые оставили записи о том, как стеклодувы изготавливали стеклянные колбы. Мастера, занимавшиеся этой работой, назывались «Confia». Несколько экземпляров флорентийских термометров сохранилось до наших дней и находятся в музее Галилея. Эти устройства имели довольно крупные размеры и не отличались точностью измерений. Однако лучшие мастера уже тогда знали, как правильно наносить шкалу градусов, чтобы их термоскопы показывали одинаковую температуру. Однако, измерять что-либо помимо температуры воздуха с их помощью было невозможно.
Следующий вклад в разработку термометра сделал французский ученый Гийом Амонтон, живший в период с 1663 по 1705 годы. Он начал измерять уровень упругости воздуха, а не его расширение, используя для своих опытов изогнутую трубку, переходящую в замкнутую округлую полость. Подливая в трубку ртуть, ученый фиксировал изменения объема воздуха в зависимости от изменения температуры.
Виды термометров
Как уже было упомянуто, термометры можно классифицировать в зависимости от конструкции и принципа работы на жидкостные, механические, газовые, оптические и электронные.
Жидкостные
Принцип действия жидкостных термометров основан на изменении объема жидкости, которая заполняет стержень прибора, в зависимости от температуры. Обычно используются ртуть или спирт. Однако, помимо них, могут применяться и другие жидкости, такие как:
- пентан;
- сероуглерод;
- галлий;
- ацетон;
- толуол;
- таллиевая амальгама.
Наиболее известным примером жидкостного термометра является классический градусник для измерения температуры человеческого тела. Такие устройства распространены и среди людей, интересующихся температурой в помещениях, например, в саунах. Их также применяют для термометрии на улице.
Учитывая, что ртуть может представлять опасность для здоровья, её использование постепенно ограничивается. На замену ртути приходят другие жидкости и сплавы, такие как галистан, который включает:
Форминация других наполнителей делает их более безопасными для здоровья и удобными для использования в термометрах, при этом они прекрасно подходят для измерения высоких температур. Вместо ртутных градусников всё чаще выбирают механические или электронные устройства.
Механические
Механические термометры используют стрелку в качестве индикатора, которая прикреплена к спиральной пружине или биметаллической ленте. В зависимости от температуры пружина либо скручивается, либо разжимается, что приводит к движению стрелки вдоль шкалы с отметками градусов. Такие механические термометры, как правило, не отличаются высокой точностью и чаще всего используются в быту, где не требуется максимальная точность.
Следующим типом являются газовые приборы.
Газовые
Газовые термометры работают по принципу, аналогичному жидкостным термометрам. В качестве рабочего вещества в них используется инертный газ. Это позволяет значительно расширить диапазон измеряемых температур. Например, газовые термометры могут работать в диапазоне от -271 до +1000 градусов, в то время как для жидкостных термометров предел составляет около +600 градусов. Использовать такие устройства можно для измерения температуры в различных раскаленных жидкостях.
На основе установленной пропорции и измерений давления идеального газа можно определить температурные показатели измеряемой среде или веществе. Наиболее точные результаты предоставляет термометр, в котором рабочим веществом выступает водород или гелий.
Оптические
Сегодня очень популярны оптические термометры, так как они позволяют делать замеры температуры на расстоянии, не соприкасаясь с предметом или телом, чью температуру необходимо измерить.
К этой категории относятся инфракрасные термометры, используемые в медицине. Они способны улавливать тепловые инфракрасные лучи, и после их анализа с помощью электроники, показывать на дисплее значение температуры. Механизм их работы аналогичен работе тепловизоров, однако, они обеспечивают более высокую точность измерений.
Работает данный механизм за счет расширения жидкости, содержащейся в резервуаре. При нагревании самого резервуара, жидкость поднимается, что иллюстрируется на изображениях измерителей температуры.
Виды термометров по используемым материалам
Существует семь категорий термометров, различающихся по материалам, используемым в их конструкции:
- Жидкостные. Это устройства, наполненные жидкостью, которая подвержена тепловому расширению. Стеклянная колба с жидкостью располагается рядом со шкалой. При нагреве жидкость расширяется, поднимая столбик, тогда как при охлаждении — сжимается (уменьшается). Погрешность измерений таких приборов не превышает 0,1 градуса.
- Газовые. Эти устройства функционируют по схожему принципу, как и жидкостные, но в качестве наполнителя используется инертный газ. Это и позволяет значительно увеличить диапазон температур, которые можно измерять (если для жидкостных этот предел составляет +600 градусов, то для газовых — +1000 градусов). Их применяют для измерения температуры в раскаленных жидкостях.
- Механические. В данных устройствах используется принцип деформации металлической спирали. Как правило, такие термометры комплектуются стрелочным дисплеем. Они устанавливаются в специализированной технике, автомобилях и на автоматизированных производственных линиях. Механические термометры отличаются устойчивостью к ударам.
- Электрические. Эти термометры функционируют на основе измерения уровня сопротивления проводника при различных температурных значениях. В качестве проводника часто используются разные металлы (например, медь или платина). В диапазоне измерений электрических термометров заметны различные отличия в зависимости от используемого материала. Чаще всего их применяют в лабораторных условиях.
- Термоэлектрические. Эти устройства включают два проводника, замеры в которых производятся на основе эффекта Зеебека. Данные термометры обладают высокой точностью, их погрешность составляет до 0,01 градуса, и они подходят для измерений в промышленных условиях, когда температура превышает 1000 градусов.
- Волоконно-оптические. Эти термометры используют чувствительные датчики из оптоволокна, которые растягиваются или сжимаются при изменении температуры. При этом фиксируется степень преломления проходящего через них луча света. Диапазон измерений таких устройств составляет до +400 градусов, с погрешностью не более 0,1 градуса.
- Инфракрасные. Приборы этого типа не требуют прямого контакта с измеряемым объектом: они генерируют инфракрасный луч, который направляется на поверхность, чью температуру нужно измерить. Это современный вид бесконтактных термометров, обеспечивающий измерения с точностью до нескольких градусов иHandling various high temperature measurements, including open flames.
Компания «Измеркон» предлагает широкий выбор как разных типов термометров, так и комбинированные устройства, такие как манометры-термометры или гигрометры-термометры, которые предназначены для автономной работы с энергонезависимой памятью, обеспечивающей постоянную фиксацию результатов измерений.
Лазерные измерители температуры используют принцип инфракрасного излучения, в результате чего формируется лазерный луч, который позволяет считывать данные о среде и определять температуру.
Газовые
Газовые термометры действуют по тому же принципу, что и жидкостные устройства. В качестве рабочего вещества здесь используется инертный газ.
Преимуществом газовых термометров является их способность измерять температуры, приближающиеся к абсолютному нулю, с диапазоном от -271 до +1000 градусов. Это довольно сложные устройства, которые редко задействуются в лабораторных измерениях.
Электрические
Работа электрических термометров основана на зависимости сопротивления проводника от температуры. Доказано, что сопротивление любых металлов линейно связано с их температурой. Более точные результаты можно получить, если заменить металлические проводники на полупроводники. Однако полупроводники в таких приборах чаще не используются, так как зависимость между характеристиками полупроводника и температурой нельзя точно выразить линейно, что делает сложным создание градуированного измерительного диапазона.
В качестве проводника чаще всего используют медь, которая позволяет получить диапазон температур от -50 до +180 градусов. Однако, если использовать платину в качестве рабочего металла, диапазон температур значительно расширится и составит от -200 до +750 градусов. Электрические термометры находят применение в лабораториях, на экспериментальных стендах или на производстве.
