Механический термометр: история, описание и принцип действия

Калибровка

Стеклянный ртутный термометр

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:

  1. Погрузите чувствительный элемент в перемешиваемую смесь чистого льда и воды при атмосферном давлении и отметьте указанную точку, когда он пришел 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 хладоносителя ). Поскольку температура тела меняется, 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, с последней труднее управлять 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 для преобразования его в температуру.

Что это такое и для чего нужны?

Уже по самому названию понятно, что назначение термометра – измерение температуры. Такие устройства могут применяться в самых различных сферах и областях. И те «градусники», которые висят за окном либо находятся в домашней аптечке – это лишь небольшая часть от всего их многообразия. Для определения фактической температуры могут использоваться самые разные физические принципы. При этом требования к погрешности измерений четко установлены в ГОСТ.

Измерение погоды, а также характеристика микроклимата комнаты или служебного, рабочего помещения – чаще всего это считают сферой применения таких приборов. Но термометры нужны еще и для измерения температуры воды.

Термометры также используют и на кухнях. Там приходится измерять не только температуру жидкости, но и температуру продуктов (чаще всего мяса, рыбы, выпечки). Тут нельзя не упомянуть особые винные градусники и термометры в газовых/электрических плитах, в холодильниках. Выглядит такая измерительная аппаратура несколько иначе, чем уличные термометры.

Необычно смотрятся также многие медицинские термометры для детей

Причина нестандартного вида состоит в том, что необходимо отвлечь внимание детей, избавить их от тягостных мыслей о сугубо медицинской процедуре

В разных странах термометры могут иметь различные единицы измерения, но за редким исключением сейчас используют шкалу Цельсия либо Фаренгейта. Эти устройства могут применяться в нефтяной и металлургической, пищевой и металлообрабатывающей, радиотехнической отраслях. Термометры нужны и в сельском хозяйстве, чтобы определять готовность почвы к севу. Также эти измерительные приборы нужны:

  • в авиации и автомобильном транспорте;
  • на железной дороге и в речном, морском флоте;
  • в рефрижераторах;
  • в исследованиях по биологии и аналитической химии;
  • в ветеринарии;
  • в химической промышленности.

Принцип работы

Жидкостный термометр

В основе жидкостного термометра лежит эффект, известный как расширение жидкостных сред при нагревании. Чаще всего в подобных приборах используется спирт либо ртуть. Хотя от последней планомерно отказываются в виду повышенной токсичности этого вещества. И все же, данный процесс так до конца не завершен, так как ртуть обеспечивает лучшую точность измерений, расширяясь по линейному принципу.

В метеорологии чаще применяют приборы, наполненные спиртом. Объясняется это свойствами ртути: при температуре в +38 градусов и выше она начинает густеть. В свою очередь, спиртовые термометры позволяют оценивать температурный режим конкретный среды, нагретой 600 градусов. Ошибка измерений не превышает доли одного градуса.

Механические термометры бывают биметаллическими или делатометрическими (стержневые, жезловые). Принцип действия таких приборов основан на способности металлических тел расширяться при нагреве. Они отличаются высокой надежностью и точностью. Себестоимость производства механических термометров относительно низка.

Данные приборы применяются в основном в специфическом оборудовании: сигнализациях, системах автоматического контроля температуры.

Газовый термометр

Принцип действия термометра основан на тех же свойствах, что и описанных выше приборов. За исключением того, что в данном случае применяется инертный газ. По сути, такой термометр представляет собой аналог манометра, который служит для измерения давления. Газовые приборы применяются для измерения высоко- и низкотемпературных сред (диапазон составляет -271 — +1000 градусов). Они обеспечивают относительно низкую точность, из-за чего от них отказываются при лабораторных измерениях.

Электронный термометр

Его еще называют термометр сопротивления. Принцип действия этого прибора основан на изменение свойств полупроводника, встроенного в конструкцию устройства, при повышении или понижении температуры. Зависимость у обоих показателей линейная. То есть, при повышении температуры растет сопротивление полупроводника, и наоборот. Уровень последнего напрямую зависит от типа металла, использованного при изготовлении прибора: платина «работает» при -200 — +750 градусов, медь при -50 — +180 градусов. Электрические термометры используются редко, так как при производстве очень сложно градуировать шкалу.

Инфракрасный термометр

Также известен как пирометр. Он представляет собой бесконтактный прибор. Пирометр работает с температурами от -100 до +1000 градусов. Его принцип действия основан на измерении абсолютного значения энергии, которую излучает конкретный объект. Максимальная дальность, на которой термометр способен оценивать показатели температуры, зависит от его оптической разрешения, типа прицельного устройства и других параметров. Пирометры отличаются повышенной безопасностью и точностью измерения.

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 для прямого расчета 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, воспроизводимо возникают при одной и той же температуре ».

Виды и устройства термометров современного образца

Простейшим является обычный стеклянный градусник, который сегодня имеется в каждом доме. Однако такие приспособления постепенно отходят в прошлое. Поскольку заполнение колбы прибора токсичной ртутью является не слишком безопасным решением для бытового применения.

В настоящее время в качестве альтернативы постепенно начинаются использоваться цифровые приспособления. Последние производят измерение температуры окружающей среды за счет работы встроенного электронного датчика.

Что касается последних изобретений, ими являются и одноразовые термополоски. Однако такие приспособления пока не нашли широкого применения.

Рейтинг производителей

В топ-рейтинг производителей термометров вошли следующие фирмы, которые делают свою продукцию лучше и качественнее.

  • Microlife – крупнейший мировой производитель электронных термометров (США).
  • Little Doctor – компания, занимающаяся разработкой, производством и дистрибуцией широкого спектра бытовой медицинской техники (Сингапур).
  • Petit Terraillon – компания по производству и разработке различных устройств и бытовых приборов, таких как кулинарные и напольные весы и водные фильтры (Франция).
  • Amrus – компания предоставляет полный спектр средств опоры и широкий ассортимент медицинской техники для профессионального и домашнего использования (Америка+Россия).
  • Canpol Babies – специализируется на товарах детского назначения (Польша).
  • Profi Cook – торговая марка мелкой кухонной бытовой техники (Германия).
  • Xiaomi – мелкая бытовая техника (Китай).

7
фото

Данные компании постоянно совершенствуют свою продукцию и создают новые виды термометров. Один их таких примеров – лопатка кулинарная Tescoma Delicia. Используется в процессе приготовления еды (глазурь, соус, в момент разогрева молока и других жидкостей, выпечка). С помощью зажима можно установить лопатку на емкость с блюдом. На цифровом дисплее отображается актуальная температура. При заданном значении раздастся звуковой сигнал.

Высокотемпературный проникающий термометр RST для точного проникающего измерения температуры с выносным водонепроницаемым стальным термощупом. Может измерять от -50° С до + 300° С. Длина щупа – 7,5 см. Используется как в профессиональных целях, так и в кулинарии (например, для проверки температуры готового блюда – степени прожарки).

Набирают популярность складные цифровые термометры Checktemp. У них имеется проникающий зонд из нержавеющей стали. Такие термометры используются для проверки полутвердых грузов (овощи, фрукты, сыры). При этом не требуется вскрывать коробки и сильно нарушать оболочку продукции.

Градусник Thermoval от компании Hartmann – распространенный термометр для домашнего использования. Применять его могут все члены семьи, он прост в обращении, подходит не только взрослым, но и детям. Обновленные версии электронных термометров способны запоминать предыдущие значения. Интервал снятия показаний сокращен до 1 секунды, некоторые модели не нуждаются в калибровке.

Измерение температуры без термометра

Стоит отметить, что медицина прошлого уделяла минимум внимания диагностике. Врачи не стремились проводить обследования, брать и изучать анализы, измерять температуру у пациентов. Термометрия считалась бесполезным занятием. Несмотря на то, что первые прототипы термометров появились еще в 16-м веке, на протяжении многих лет никто не использовал их в медицинских целях.

Врачи этой эпохи руководствовались лишь минимальным осмотром. Они измеряли пульс, исследовали общее состояние пациентов, интересовались их самочувствием и историей болезни – опять-таки со слов больных. Если и пытались измерить температуру, то лишь приложив руку ко лбу пациента. На основании полученных данных ставили диагнозы и назначали лечение.

Несмотря на возникновение термометра, его еще не скоро начали применять в медицине. Например, существуют данные о том, что даже в конце 19-го века некоторые врачи относились к термометрии отрицательно. Кто-то считал использование приборов слишком сложным, а кто-то был уверен в том, что настоящему доктору не нужны точные числовые данные.

Первые термометры появились в 16 веке. Они имели массу недостатков, но послужили прототипом для современных устройств. Единого изобретателя термометра нет, но появление прибора связывают со знаменитыми учеными: Галилео Галилеем, Санторио, Робертом Фладдом, лордом Бэконом, Саломоном де Коссом и другими. Все они внесли определенный вклад в создание термометра. Однако в медицине его использовать не торопились вплоть до 20 века. Термометрия считалась сложным и ненужным процессом. При необходимости температуру тела измеряли на ощупь – приложив руку ко лбу пациента.

Как выбрать?

Чтобы извлечь максимум пользы от приобретения градусника, стоит учесть следующие моменты.

Экран для вывода данных

Нужно обратить внимание на размер экрана и четкость цифр, отображаемых на нем. Можно выбрать модель с подсветкой

Большой плюс у дисплеев, которые отображают индикатор батареи.

Наконечник. Он должен быть гладким, без зазубрин и следов клея на местах соединения с корпусом. Лучше выбрать водонепроницаемый вариант. Хорошее решение – гибкий наконечник. Если планируется использование несколькими членами семьи, производители могут предложить приобрести дополнительно сменные наконечники. В некоторых моделях сменные наконечники входят в комплект.

Память. Удобен в использовании тот градусник, который записывает показания и может их продемонстрировать в хронологическом порядке. Такая функция может быть встроенной автоматической или требует активации в момент первого использования.

Питание. Возможность замены элементов питания продлевает срок службы измерительного инструмента. Если поставить новые батарейки нельзя (корпус запаян), термометр придется выбросить и покупать новый.

Скорость выполнения замера. В момент покупки нужно прочитать инструкцию – сколько времени требуется для измерения температуры данной моделью градусника. Обычно время указано 1-2 минуты. Если обозначен период 5-7 минут, нужно будет дать именно столько времени, что проблематично с маленькими детьми.

Качество. Современные универсальные градусники отличаются от стеклянных предшественников. Они преимущественно выделяются в плане безопасности – корпус выполнен из пластика, который не разбивается в случае падения, а внутри нет опасных веществ, вызывающих отравление. Однако пластик, из которого выполнен термометр, должен быть отличного качества, не иметь запаха, быть приятным на ощупь. Конструкция не должна быть хлипкой, скрипеть или иметь торчащие провода.

Аксессуары. Дополнительные наконечники, сменные элементы питания и чехол для хранения упрощают эксплуатацию.

Типы по материалам

Несмотря на то что с момента появления первых термометров прошло свыше 400 лет, тем не менее эти приборы и по сей день продолжают совершенствоваться. Промышленность постоянно предлагает все новые устройства, основанные на принципах действия, не используемых ранее.

Жидкостные

Такие термометры имеют самую давнюю историю. Принцип их действия базируется на особенностях расширения жидкости при любых измерениях температурных параметров. В процессе нагревания жидкость, в соответствии с законами физики, расширяется, а при охлаждении, наоборот, сжимается.

Устройство представляет собой колбу из стекла, наполненную действующим веществом, ее прикладывают к расположенной внутри шкале в форме линейки. Температура определяемой среды вычисляется по приведенной шкале — высота столбика жидкости отражает соответствующий параметр.

Наиболее распространены ртутный, спиртовой и керосиновый.

Подобные приборы относятся к высокоточным, погрешность их замеров не превышает 0,1 гр.

В зависимости от наполнения этот градусник может высчитывать температуру в границах от 0 до +700 гр., однако при падении он может расколоться.

Газовые

Эти термометры функционируют по тому же механизму, что и жидкостные, но они наполнены инертным газом. За счет этого можно существенно увеличить рабочий диапазон измеряемых параметров. Как правило, наибольшее значение на таких устройствах находится в границах от +270 до +1000 гр. Чаще всего газовые термометры используются для определения степени нагрева горючих веществ.

Механические

Подобные градусники работают от деформации спирали из металла. Их оборудуют стрелкой, потому визуально напоминают обычные стрелочные часы. Чаще всего устанавливаются на панельных приборах автомашин и спецтехники. Основное их преимущество — прочность. Им нестрашны удары и встряски, чего не скажешь о стеклянных моделях.

Электрические

Подобные приборы функционируют, основываясь на мониторинге изменения параметров сопротивления проводника в разных средах. Сопротивляемость в момент передачи тока будет тем выше, чем горячее будет металл.

Границы чувствительности таких приборов разнятся. Все зависят от вида металла-проводника. Так, для меди они соответствуют -50-+180 гр. изделия на платине вычисляют значения в диапазоне от -200 до +850 гр. — именно их обычно используют в научных лабораториях.

Термоэлектрические

Такой градусник имеет пару проводников, способных измерять температурные показатели по физико-механическому принципу. Они имеют довольно широкий функциональный диапазон: от -100 гр. до +2000, при этом погрешность замеров никогда не превышает 0,1 гр. В основном нашел свое применение в промышленности, когда нужно определить температуры выше 1000 гр.

Инфракрасные

Наиболее известное название агрегата – пирометр, и он стал одним из новых изобретений. Максимальная граница может быть в температурном промежутке от +100 до +3000 гр. Такие градусники позволяют производить замеры без взаимодействия с измеряемой средой — устройство самостоятельно посылает ИК-лучи на нужную поверхность, и вскоре на мониторе отображается температура. Однако точность таких измерений никак нельзя назвать высокой — полученные показатели отличаются от реальных на 2–3 гр. Такие приборы актуальны при выполнении работ с металлом в корпусе мотора, горне и других труднодоступных местах.

Волоконно-оптические

Как и следует из названия, эти термометры выполняются из оптоволокна. Это особо чувствительные датчики, измеряющие температуру в границах до +400 гр. Принцип действия базируется на использовании натянутого оптического волокна, которое под действием изменяющейся температуры может либо сжиматься, либо растягиваться. Проводимый через него поток света преломляется, это фиксируется датчиком, который и сопоставляет степень преломления с параметрами нагрева внешней среды.

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.

Работы и открытия Фаренгейта и Цельсия

Немецкий физик Дэниел Габриель Фаренгейт — создатель термометров на ртутной основе. Так же ученый придал термометру современную форму и создал шкалу в 1724 году, впоследствии которую назвали «температурной шкалой Фаренгейта». Термометры Фаренгейта изначально заполнялись спиртом и были точны в исполнении. При разработке шкалы он решил, что за 96 градусов тепла следует брать температуру человеческого тела. Эталон нашелся быстро — им стала жена Фаренгейта. Ноль же для ученого ставил для температуры смеси снега и нашатыря, а еще позже обнаружил, что кипящая вода имеет температуру 212 градусов и она не изменяется. Шкалу Фаренгейта в 20 столетие вытесняла шкала Цельсия. До 1960 года шкалой Фаренгейта пользовались все англоязычные страны. На данный момент ее используют как основную шкалу в США, Белизе, Палау, на Багамских островах, на острове Кайман, а так же в Канаде — как дополнительную шкалу. Если брать современную шкалу Фаренгейта, то та же температура здорового человека будет +97,9oF, а по Цельсию — +36,6oC. Абсолютный ноль (предельно малая температура в природе) по Фаренгейту будет -459,67oF.

Физик из Швеции, Андерс Цельсий, подарил миру нашу привычную шкалу, которой на данный момент пользуются почти что во всех странах. Создал он ее в 1742 году. Цельсий — первый, кто предложил использовать десятичную шкалу и сейчас на всех термометрах она и используется. Только сначала ученый взял за ноль не наше привычное замерзание воды, а…. точку кипения воды! И наоборот, +100 градусов обозначалось таяние льда. Есть множество версий, кто все же сделал привычную нам шкалу. Одна из самых популярных, что после смерти Цельсия его соотечественники медик Линней и астроном Штремер перевернули ее в привычную нам. Вторая версия — что сделал это сам Цельсий, по подсказке Штремера. А другие версии неопределённые — то перевернул шкалу только Штремер, то Линней.  Абсолютный ноль для шкалы Цельсия является -273,15oC. Шкала Цельсия пересекается со шкалой Фаренгейта на отметке минус 40 градусов.

Температурная шкала Кельвина

И,
наконец, в начале 19-го века английский
учёный Уильям Томсон, получивший в 1866
году за научные заслуги титул барона
Кельвина (1824-1907), предложил температурную
шкалу, которая стала впоследствии
основой для международного стандарта
современной термометрии. Одновременно
Кельвин обосновал понятие абсолютного
нуля температуры, при котором прекращается
любое тепловое движение. Именно от этого
абсолютного нуля и отсчитываются
температуры по шкале Кельвина.

Перевести
температуру из одной температурной
шкалы в другую можно, если знать, что
0°С соответствует 32°F и 273,15 К, а 100°С
равнозначны 212°F и 373,15 К. Например,
36,6°C = 97,9°F;
37,0°C = 98,6°F;
38,0°C = 100,0°F.

В
медицинской практике в нашей стране и
большинстве других стран для термометрии
используется шкала температур Цельсия,
однако в США и Великобритании продолжают
пользоваться шкалой Фаренгейта.

Все методы измерения температуры делят
на контактные, основанные на передаче
тепла прибору, измеряющему температуру
путем непосредственного контакта, и
бесконтактные, когда передача тепла
прибору осуществляется путем излучения
через промежуточную среду, обычно через
воздух. Соответственно приборы для
измерения температуры (термометры)
подразделяются на контактные и
бесконтактные. Главное место в медицинской
практике занимает контактная термометрия,
основным достоинством которой является
надежность передачи тепла от объекта
термочувствительному звену термометра.

Для
измерения температуры тела существует
несколько моделей термометров. Наибольшее
распространение получили следующие
виды
термометров
:

  1. ртутные

  2. электронные

  3. жидкокристаллические

Для
измерения температуры тела используют,
главным образом, медицинский ртутный
(максимальный) термометр

относящийся к жидкостным термометрам,
принцип действия которых основан на
тепловом расширении жидкостей. Ртутный
термометр представляет собой прозрачный
стеклянный резервуар с впаянной шкалой
и капилляром, имеющим на конце расширение,
заполненное ртутью. Температурный
коэффициент расширения ртути приблизительно
в 500 раз больше температурного
коэффициента расширения стекла, что
обеспечивает заметное перемещение
ртутного столба в капилляре при
относительной неизменности размеров
последнего. Диапазон измерения температуры
составляет 34—42°, цена деления 0,1°.
Термометр называют максимальным в связи
с тем, что после измерения температуры
тела он продолжает показывать ту
температуру, которая была обнаружена
у человека при измерении (максимальную),
так как ртуть не может самостоятельно
опуститься в резервуар термометра без
его дополнительного встряхивания. Это
обусловлено особым устройством капилляра
медицинского термометра, имеющего
сужение, препятствующее обратному
движению ртути в резервуар после
измерения температуры тела. Чтобы ртуть
вернулась в резервуар, термометр
необходимо встряхнуть.

Ртутный
термометр остаётся наиболее распространённым
прибором для измерения температуры
тела. Но все
больше стран вводят запрет на использование
ртутных термометров в виду их высокой
опасности.

Электронные
цифровые термометры

альтернативное решение для измерения
температуры тела, как в домашних условиях,
так и в условиях ЛПУ. Для
измерения температуры у самых маленьких
детей разработан электронный
термометр-соска. Покрытие соски абсолютно
безопасное для здоровья малыша. Если
ребенок плачет или дышит через рот, то
показания электронного термометра
будут занижены из-за притока воздуха в
ротовую полость.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий