Механический термометр: история, описание и принцип действия

История

Своим появлением на свет термометр обязан великому ученому и изобретателю, родившемуся в середине XVI века на Апеннинском полуострове, – Галилео Галилею. Он сделал много открытий, в том числе доказал, что земной шар вращается вокруг своей оси.

В результате опытов Галилей сделал вывод, что температура окружающей среды влияет на плотность жидкости. То есть чем теплее вокруг, тем раствор любой жидкости имеет меньшую плотность и наоборот. Если температура понижается, то жидкость становится более вязкой. В 1592 году ученый придумал устройство, измеряющее температуру жидкости, впоследствии получившее название термоскоп.

Некоторые историки сомневаются, что Галилей имеет отношение к данному прорыву в науке, другие же твердо убеждены, что именно этот великий ученый придумал данный прибор.

История

Изобретателем термометров был Галилео Галилей. Еще в 1706 году он занимался созданием астрономических и физических приборов, но основной его целью было усовершенствование термометра. Со временем он изобрел и разработал систему измерения температуры с помощью шкалы, разделенной на градусы от 0 до 100.

Механические приборы по измерению температуры появились намного позже. Такой вид термометра работает по принципу изменения металлической спирали. Приборы оснащены стрелкой и внешне похожи на стрелочные часы. Используются они на панелях автотранспорта и разнообразной спецтехнике.

Обзор видов

По предназначению

Домашний медицинский термометр обычно содержит ртуть. А вот метеорологическая практика чаще всего требует использования спирта. Дело в том, что ртуть замерзает при -38 градусах. Механические термометры обычно используют биметаллическую ленту, хотя бывает и устройство на базе металлической спирали. Но в бытовой сфере такая техника вовсе не применяется, потому что из-за высокой точности она в основном нужна в автоматизированных технических системах.

Термометры для системы отопления, то есть для котла и отопительного контура, позволяют избежать перегрева или чрезмерного охлаждения. В этом сегменте используют:

  • биметаллические устройства с погружной гильзой;

  • биметаллические термометры с накладной пружиной;

  • жидкостные устройства (быстро реагирующие на изменение температуры, но не слишком удобные и стоящие весьма дорого).

Термометры для измерения температуры воздуха в быту, как и профессиональные, обычно используют ртутную шкалу. Это наиболее дешевый и практичный вариант. И наружный термометр, который можно увидеть на стене или окне любого дома, чаще всего будет именно жидкостного типа. Говоря про бытовые термометры, нужно указать, что отдельные модели могут быть рассчитаны на деревянные окна, а другие – на эксплуатацию на окнах ПВХ. Также надо помнить, что «градусники» могут быть отдельно рассчитаны на измерение температуры:

  • воды;

  • чая (кофе);

  • пива;

  • вина;

  • погребов;

  • морозильных камер.

Водяной термометр может использоваться:

  • в банях;

  • в ванных комнатах;

  • в дачном хозяйстве;

  • в кухне.

По принципу действия

Газовый измеритель температуры способен замерять значения, близкие к абсолютному нулю. Потому его активно используют в физике и криогенной технике. Проблема только в одном: подобные устройства очень сложны, и в рядовой лаборатории их использовать тяжело. Электрические термометры работают, как уже говорилось, на основе линейной зависимости сопротивления проводников от температуры. Измерения на основе полупроводниковых элементов могли бы быть еще точнее, однако тогда возникает сложность с градуировкой шкалой.

Оптические термометры (они же пирометры) определяют температуру по интенсивности свечения по его спектру. Иногда используются и другие параметры. Оптические системы работают без прямого контакта с определенным телом. Они сумеют замерить температуры от 100 до 3000 градусов, при этом отклонение составит не более 2-5 градусов. Волоконно-оптический и термоэлектрический типы термометров дают наиболее правильные показания без существенных ошибок.

Но разница между термометрами не сводится к перечисленным градациям. Есть еще несколько разновидностей такой техники. Контактный термометр – это цифровой прибор, который точнее пирометра. Дело в том, что на результат измерений не влияют излучательные характеристики поверхности.

Накладной термоизмерительный прибор активно используется при контроле состояния малых трубопроводов. Такие устройства нужны:

  • в отоплении;

  • в канализационном хозяйстве;

  • в системе вентиляции;

  • в кондиционирующих установках;

  • в санитарных приборах.

Накладная техника отличается:

  • отсутствием необходимости врезать термометр в трубу;

  • легкой перестановкой (если первоначальная установка была ошибочна или требуется что-то изменить);

  • легкой заменой;

  • минимальными затратами при монтаже;

  • отсутствием необходимости контролировать утечку масла;

  • зависимостью точности замера от правильности установки;

  • нарушением нормальной работы при сдвиге термометра;

  • недостаточной популярностью и непривычностью таких устройств.

Термометр с часами (иногда именуется термометром-часами) хорош уже тем, что заменяет два разных устройства. Такая техника облегчает отслеживание временной последовательности при измерениях. Иногда встречаются и вовсе неординарные устройства:

  • в виде пистолета;

  • в виде пчелы;

  • в виде различных зданий;

  • в других необычных исполнениях.

Сообщение про Термометры

Термометр берет свои истоки происхождения с начала 1597 года, тогда итальянский ученый Галилео Галилей создал прибор определяющий насколько поднимается вода если ее нагреть. Прибор не имел шкалу, а на его показатели влияло только атмосферное давление. Состоял этот аппарат из трубки, которая была припаяна к шару.

Ученые того времени вплотную занимались созданием аппарата, который мог точно измерять температуры, чтоб облегчит человеку жизнь

Ведь знать температурные режимы чрезвычайно важно

Итальянскому ученому Санторио Санторио, удалось изобрести очень громоздкий прибор, которым стало возможным измерить температуру человека. В этом приборе, так же, как и у Галелео основой был шар с трубкой не ровной формы, но на ней были размечены деления, а на ее конце была окрашенная жидкость.

Попытка усовершенствования прибора Галилео была Флорентийскими учёными, они добавили в его прибор шкалу из бусин. Через время ученые еще размышляли над усовершенствованием прибора Галилео, и на свет появились первые термометры с использованием жидкости. Но и эти изобретения были не совершенны, так как они лопались при замерзании воды, через время для их изготовления стали использовать как жидкость – винный спирт.

Удалось усовершенствовать изобретение Галилео его ученику, физику Эваджелисту Торричели, в результате его опытов термометры стали наполнять ртутью, затем переворачивали, добавляли в шар спирт, который предварительно подкрашивали и запаивали конец трубки.

Физиком Габриэлем Фаренгейтом был разработан свой способ изготовления шкалы термометра, он разделил ее на три основные деления:

  1.  0 градусов – температура воды и льда;
  2.  32 градусов – температура при смешивании воды и льда;
  3.  212 градусов – температура кипения воды.

Андерс Цельсий разделил свою шкалу на два постоянных значения, которых он высчитал:

  1. 0 градусов – температура, при которой плавится лед;
  2.  100 градусов – температура кипения воды.

Лорд Кельвин при создании своей шкалы,  за точку отсчета выставил температуру – 273,1 градусов, это температура, при которой охлаждение тел невозможно.

На сегодняшний день самой распространенной шкалой термометра во всем мире считается шкала ученого Цельсия, шкалу термометра, изобретенной Кельвином  активно используют ученые для своих исследований, шкалой термометра, изобретенной Фаренгейтом пользуется, и по сей день Англия и США.

Виды

Такова основная история возникновения термометра и термометрических шкал. На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях. В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел. И если в 18 веке был настоящий «бум» открытий в области систем измерения температуры, то с прошлого века началась новая пора открытий в области способов измерения температуры. Сегодня существует множество устройств, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях – термометры расширения и термометры манометрические, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.

Устройство и принцип работы

Классическое термометрическое устройство основано на зависимости размеров тел от окружающей температуры. Рабочее тело может быть самым разным – это и жидкости, и твердые тела. Явление выражается сильнее всего в жидкостях, и именно поэтому их используют чаще всего. Типичный жидкостный термометр имеет особо тонкую стеклянную колбу. Она приложена в вертикальной шкале, напоминающей линейку.

Температура внешней среды точно соответствует делению, до которого доходит жидкость в колбе. Такая схема работает очень точно, и уровень погрешности обычно не превышает 0,1 градуса. Максимальный предел измерений жидкостного термометра может достигать 600 градусов.

Разница в том, что емкость колбы наполнена инертным газом. Максимальная температура может достигать 271-1000 градусов по Цельсию. Потому такие устройства подойдут для работы с очень горячими телами. Иное строение имеют механические аппараты, принцип действия которых состоит в точно измеряемой деформации спирали из металла. Такие системы обычно показывают температуру с помощью стрелок.

Встретить подобную технику можно в различных видах транспорта и в спецтехнике. Механический термометр прочен и не подвержен воздействию тряски (вибрации), даже довольно сильных ударов. В других случаях применяют эффект зависимости проводимости от температуры проводника. Чувствительность и диапазон измерений определяются видом используемого металла. Так, медные устройства имеют диапазон от -50 до +180 градусов; платина позволяет измерять температуры от -200 до +750 градусов.

Иногда можно встретить еще и:

  • термоэлектрические (работающие за счет эффекта Зеебека);

  • волоконно-оптические;

  • инфракрасные термометры.

Калибровка

Стеклянный ртутный термометр

Термометры можно калибровать, сравнивая их с другими откалиброванными термометрами или сверяя их с известными фиксированными точками 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:

  1. Погрузите чувствительную часть в перемешиваемую смесь чистого льда и воды при атмосферном давлении и отметьте указанную точку, когда она пришла к тепловому равновесию.
  2. Погрузите чувствительный элемент в паровую баню при стандартном атмосферном давлении и снова отметьте указанную точку.
  3. Разделите расстояние между этими отметками на равные части в соответствии с используемой температурной шкалой.

Другими фиксированными точками, использовавшимися в прошлом, являются температура тела (здорового взрослого мужчины), которая изначально использовалась Фаренгейтом в качестве верхней фиксированной точки (96 ° F (35,6 ° C), чтобы быть числом, кратным 12), и самая низкая температура. дается смесью соли и льда, которая изначально была определением 0 ° F (-17,8 ° C). (Это пример охлаждающей смеси .) При изменении температуры тела шкала Фаренгейта была позже изменена, чтобы использовать верхнюю фиксированную точку кипящей воды при 212 ° F (100 ° C).

В настоящее время они заменены определяющими точками Международной температурной шкалы 1990 г. , хотя на практике точка плавления воды используется чаще, чем ее тройная точка, причем последняя труднее контролировать и, таким образом, ограничивается критическими стандартными измерениями. В настоящее время производители часто используют ванну с термостатом или твердый блок, где температура поддерживается постоянной относительно откалиброванного термометра. Остальные калибруемые термометры помещают в ту же ванну или блок и дают им прийти в состояние равновесия, затем отмечают шкалу или регистрируют любое отклонение от шкалы прибора. Для многих современных устройств калибровка будет указывать какое-то значение, которое будет использоваться при обработке электронного сигнала, чтобы преобразовать его в температуру.

Первичные и вторичные термометры

Термометр называется первичным или вторичным в зависимости от того, как необработанная физическая величина, которую он измеряет, соотносится с температурой. Как показаны на Кауппинен и др., «Для первичных термометров измеренного свойство материи известно настолько хорошо , что температура может быть вычислена без каких — либо неизвестных величин. Примеры их являются термометры на основе уравнения состояния газа, на скорости от звук в газе, на тепловой шум напряжения или тока электрического резистора, а также от угловой анизотропии от гамма — излучения некоторых радиоактивных ядер в магнитном поле .»

Напротив, « Вторичные термометры наиболее широко используются из-за их удобства. Кроме того, они часто намного более чувствительны, чем первичные. Для вторичных термометров знания об измеряемых характеристиках недостаточно, чтобы позволить прямой расчет температуры. Они должны быть откалиброваны. относительно первичного термометра, по крайней мере, при одной температуре или при нескольких фиксированных температурах. Такие фиксированные точки, например тройные точки и сверхпроводящие переходы, воспроизводятся при одной и той же температуре ».

Термоскоп

История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.

Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.

История создания первых термометров

Оглавление

Галилео Галилей считается первым изобретателем термометра. Водяной термометр, который он создал в 1597 года, был функционально схожий с современными термометрами. Итальянский физик использовал труды греческого математика Герона Александрийского, который создал прибор, позволяющий поднимать воду благодаря нагреву. Термометр Галилея, так же имеющий название термоскоп, представлял собой припаянные между собой стеклянную трубку и полый небольшой стеклянный шарик. При опускании кончика трубки в воду, нагреву шарика и последующего охлаждения воздуха в оном, вода поднималась в трубке. Это объясняется тем, что давление внутри сферы уменьшалось. Когда же температура окружающей среду увеличивалась и давление в шарике тоже, вода опускалась вниз по трубке. Данное изобретение не имело шкал, поэтому было невозможно определить температуру воздуха, можно было определить только опустилась или повысилась она. Однако, в 1657 году на него смогли нанести шкалу, а также откачать воздух, что повлияло не только на удобство, но и на точность прибора.

Такие ученые, как Бэкон, Санторио, Фладд и многие другие так же создавали воздушные термометры. Приборы представляли собой трубку и сосуд, который содержал воздух и был отделен столбиком воды. А в 1703 году французский ученый Гийом Амонтон усовершенствовал воздушные термометры, изменив принцип — измерял он не расширение воздуха, а упругость.

История

Часть специалистов полагает, что термометр изобрел Галилей. Сохранившиеся его труды не содержат описания подобного устройства. Однако в сочинениях ближайших последователей Галилея такая информация есть. Что любопытно, при создании термоскопа знаменитый ученый отталкивался от аналогичного по устройству прибора, созданного еще в Древней Греции, но для совершенно других целей. Термоскопы только показывают, что степень нагрева изменяется; из-за отсутствия шкалы они непригодны для практических измерений.

В 1657 году во Флоренции появляется более продуманное устройство. Его конструкция позволяла давать количественную оценку температуре. Но все равно это был еще очень примитивный термометр.

Все ранние термометры содержали воздушную трубку, окруженную водяным столбиком. Потому избежать воздействия атмосферного давления было невозможно. Жидкостный термометр, по некоторым данным, появился в 1667 году. Такие устройства изготавливались строго вручную, позволяли измерять только температуру воздуха. Шкала в каждом случае разрабатывалась индивидуально, и результаты замеров оказывались потому несопоставимы.

Фаренгейт, в честь которого недаром названа одна из популярных шкал термометрии, создал термометр современного вида в 1723 году. Именно он понял, что спирт недостаточно совершенен как измерительный реагент при том уровне техники, и перешел к использованию ртути. За нулевую отметку англичанин взял температуру плавления смеси снега с нашатырным спиртом или пищевой солью. Точку плавления воды он взял за 32 градуса, а температуру тела здорового человека принял за 96 градусов.

Созданные Фаренгейтом термометры делались очень тщательно, о чем свидетельствуют все сохранившиеся экземпляры. Позднее Андерс Цельсий обнаружил, что температура плавления льда не меняется при изменении давления. А вот зависимость температуры кипения воды от давления была прослежена им с большой точностью. В 1736 году Реомюр ввел шкалу из 80 градусов, которая долго использовалась во Франции. Существовали и другие, сейчас уже вышедшие из употребления или применяемые очень ограниченно, температурные шкалы.

В научной сфере активно применяют термометры со шкалой Кельвина. Пересчет градусов Цельсия в градусы Кельвина очень прост: надо только прибавить 273,15.

Изобретения Фаренгейта и Цельсия

Первый современный термометр представил в 1724 году живший в Голландии немецкий физик и предприниматель Габриэль Фаренгейт. Все аппараты, созданные Фаренгейтом, давали одинаковые показания. Их секрет был прост –деления на их шкалы наносились очень тщательно, при этом использовалось несколько фиксированных точек. Самую низкую температуру Фаренгейт создал с помощью льда, поваренной соли и нашатыря. Вторую опорную точку термометр давал при погружении в смесь льда, и воды. Расстояние между этими двумя точками Фаренгейт разделил на 32 части. Третья точка соответствовала температуре человеческого тела – по шкале Фаренгейта это 98 градусов. Впоследствии была введена ещё и четвёртая опорная точка –точка кипения воды. Она находилась на отметке 212 градусов. Об изобретении Фаренгейта говорили разное. Утверждали, что за низшую точку своей шкалы он принял температуру, до которой охлаждался воздух в его родном городе Данциге. Говорили также, будто он верил, что человек погибает от холода при нуле градусов его шкалы, и от теплового удара при ста градусах. Наконец по секрету сообщали, что он состоит в масонской ложе с 32 степенями посвящений, поэтому точка льда на его термометре равна этому числу. В 1730 году французский физик Рене Антуан Реамюр уложил разницу между кипением и замерзанием воды в восемьдесят градусов. В 1842 году швед Андерс Цельсий превратил эту разницу в сто градусов, однако первоначально Цельсий поставил ноль в точку кипения, а сто –при точке замерзания. Перевернули эту шкалу вверх ногами, или поставили на ноги с головы, француз Кристиан и швед Стрёммер через несколько лет после этого.

Термометр реамюра

Вскоре после изобретений Фаренгейта, Реамюра и Цельсия дело изготовления термометров попало в руки мастеровых и предпринимателей. И термометры вышли из научных лабораторий. Чтобы пойти в массы. Но, как ни странно, в родных странах изобретателей их открытия не получили популярности. Термометр Цельсия используется России, термометр Фаренгейта –в англоязычных странах, термометр Реамюра – в тех странах, где говорят по-немецки.

Это интересно: 4697,Удивительное путешествие в Джайпур: раскрываем суть

Виды конструкций

Существует огромное количество видов термометров – электронные, цифровые, термометры сопротивления, биметаллические, инфракрасные (ИК), дистанционные, электроконтактные термометры. По видам конструкции различают такие термометры.

Электронный (цифровой)

  • Медицинский контактный с влагозащитный покрытием и гибким наконечником. Выпускаются модели с сигналом и с подсветкой. Дисплей может быть светодиодным. Для более углубленного медицинского осмотра используется прецизионный вид измерителя, который состоит из блока регистрации температуры и датчика.
  • С радиодатчиком (влагозащитный): можно осуществить монтаж датчика в измеряемую область, а сам аппарат разместить в лаборатории или ином помещении.
  • С термопарой – 2 конца разнородных металлических проводников соединены в спайку, которая показывает разность потенциалов при разнице температур. В момент образования электрического тока становится известной температура в соответствии с мерной сеткой.
  • Карманный недорогой мини-термометр. Компактный аппарат оснащен зондом, от него по проводу поступает информация о замерах температуры воздуха, жидкостей, порошкообразных и сыпучих материалов. При заданном условии максимального и минимального значений срабатывает сигнальный писк.
  • Ручной электронный термометр (влагозащитный). Незаменим в производственных условиях. Фиксирует и отображает на двойном дисплее температурный режим разных объектов. При этом подключается двойная термопара и производятся сложные измерения.
  • Электронный термометр с выносным датчиком. Игольчатый зонд устанавливается в области измерений, а электронная часть – в помещении.

Некоторые виды электронных автономных градусников – с сигнализацией заданной температуры.

  1. Термополоски – термочувствительная пленка.
  2. Термометр-соска – прибор для измерения температуры младенца.
  3. Беспроводной с выносным радиодатчиком. Дальность приема радиосигнала 60 м подходит для домашнего использования в качестве прибора, измеряющего температуру воздуха.
  4. Многоканальный (двухканальный или восьмиканальный) предназначен для контактных измерений температуры на технологических объектах. Прибор имеет возможность измерять температуру сразу от 2 и 8 термопреобразователей соответственно. Результаты отображаются на табло, последовательным перебором значений.
  5. Термометры портативные. Это контактный переносной прибор. Предназначаются для высокотемпературных и низкотемпературных измерений.
  6. Термостат – электронный терморегулятор в нагревательной системе, котле и т. д.
  7. Метеорологический комплект отображает на экране атмосферное давление, температуру воздуха, направление ветра, погоду, дату и время.
  8. Дистанционные (манометрические) термометры. Действие основано на изменении давления газа, пара или жидкости в замкнутом объеме при изменении температуры.

Современные варианты

Первые изобретатели изготавливали термометры для себя самостоятельно. Но вскоре стало понятно, что ни этот подход, ни даже ремесленные мастерские уже не позволяют обеспечить потребности людей. По мере развития технологии, а особенно после появления развитой промышленности, возникают специализированные предприятия. Современный термометровый завод может выпускать разные градусники. Такие устройства используют для измерения температуры за окном, для различных видов диагностики, медико-биологических исследований и многих других целей. Термометры нужны для разных агрегатов:

  • газовых плит;
  • автомобилей;
  • отопительных котлов;
  • электростанций;
  • летательных аппаратов;
  • морских судов.

А также приборы часто применяются в быту. Их единственный производитель в России – ООО «Первый термометровый завод». Хотя ртутные термометры решено (согласно Минаматской конвенции 2013 года) вывести из оборота, они еще продолжают использоваться. Такая техника работает довольно просто и не зависит от электропитания.

Более современное решение — электронный медицинский термометр. Электропроводность металлического наконечника меняется в зависимости от температуры. Специальный датчик фиксирует это изменение и по продуманному алгоритму переводит его в градусы. Электронная техника способна:

  • запоминать последние измерения;
  • обозначать звуком процесс замера или его окончание (в зависимости от модели);
  • работать со сменными и гибкими наконечниками для наибольшей гигиеничности;
  • измерять температуру очень точно.

Кроме того, электронный термометр зависит от элементов питания: понадобится менять батарейки раз в 3—5 лет. Использовать устройство можно как в больнице или поликлинике, так и в домашних условиях. Электронные термометры стоят дороже ртутных, но улучшенные характеристики себя оправдывают.

Волоконно-оптические и термоэлектрические приборы имеют наивысший уровень точности, они нужны преимущественно для лабораторных нужд. В различных сферах применяют:

  • газовые;
  • биметаллические;
  • инфракрасные;
  • конденсационные термометры.

В бесконтактном режиме может работать пирометр, он же оптический термометр. Такие устройства могут измерять самый широкий диапазон температур: верхняя планка достигает 3000°. У некоторых моделей этот показатель скромнее, потому что они нужны для медицинских целей.

Об истории создания термометра смотрите далее.

Правила хранения

Ртутные термометры следует хранить в прочном небьющемся чехле. Класть их надо туда, куда не смогут добраться дети и домашние животные. Идеально, если они и не смогут увидеть градусник случайно. Электронные термометры следует держать в защитных футлярах. Кладут их в сухое холодное место, но не в холодильник.

Место требуется выбирать такое, где нет вибрации и ударов. Противопоказано действие солнечных лучей и источников высокой температуры. Дешевые цифровые термометры надо оберегать от контактов с жидкостями. Опасен для них бывает и чрезмерно влажный воздух. Порядок хранения инфракрасного термометра прописывается в каждой инструкции индивидуально.

Видеообзор термометров представлен далее.