Надо Знать

добавить знаний



Термометр



План:


Введение

Термометры с 19 века

Термометр ( греч. θερμός - Тепло; греч. μετρέω - Меряю) - прибор для измерения температуры путем преобразования ее в показания или в сигнал, который является известной функцией температуры. Часть термометра, которая превращает тепловую энергию в сигнал на основе другого вида энергии, называется чувствительным элементом или измерительным преобразователем. Прибор может быть проградуированный в разных шкалах ( шкала Цельсия, шкала Кельвина, шкала Фаренгейта).


1. Историческая справка

Ртутный лабораторный термометр

Еще Филон Византийский и Герон Александрийский знали о явлении, что некоторые вещества, в том числе воздуха, способны расширяться и сжиматься и описывали опыт, в котором наблюдали перемещение границы раздела между воздухом и водой в закрытой трубке, опущенной открытым концом в емкость с водой [1].

Изобретателем термометра часто называют Галилея [2], хотя в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани, засвидетельствовали, что уже в 1597 г. он создал нечто вроде термобароскопа (термоскопа) [2].

Термоскоп представлял собой небольшую полую стеклянный шарик с припаянной к ней стеклянной прозрачной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в сосуд с водой. Когда шарик охлаждалась, давление воздуха в ней уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При росте температуры и, соответственно, давления воздуха в шарике, уровень воды в трубке опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по ним можно было судить только об относительном степень нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было [3]. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления, что вносило погрешность.

Галилей также выявил закономерность, что объекты (стеклянные шарики заполнены водно-спиртовыми растворами) с различной плотностью могут всплывать и опускаться на дно в воде при изменении степени нагрева, которая положена в основу принципа работы термометра Галилея.

Первая схема термоскопа была опубликована в 1617 году Джузеппе Бьянчани (Giuseppe Biancani). Первое изображение шкалы, фактически превращала термоскоп в термометр принадлежит Роберту Фладду (Robert Fludd) в (1638). Это была вертикальной трубка, с колбой на верхнем конце и погруженным в воду другим концом. Уровень воды в трубе зависит от расширения и сжатия воздуха. Это конструкция, которую сейчас можно назвать воздушным термометром [4].

Первыми, кто предложил установить шкалу на термоскоп по разным версиям называют Джованни Франческо Сагредо (Giovanni Francesco Sagredo) [5] или Санторио (Santorio) [6] в годах между 1611 и 1613.

Термин "термометр" (французской) первым применил 1624 в труде "La Rcration Mathmatique" J. Leurechon, который описал прибор со шкалой, что имела 8 делений. [7]

Описанные выше инструменты имели один существенный недостаток: они были одновременно и барометрами и на показы их кроме температуры существенное влияние оказывал атмосферное давление. Для решения этой проблемы флорентийскими исследователями термоскоп было перевернуто шариком вниз, а в трубку наливалась вода (сосуд с водой в этом случае уже была не нужна). Действие этого прибора основана на тепловом расширении, за точки отсчета брали температуры жаркого летнего и холодного зимнего дней. Это был один из первых жидкостных термометров, показания которого не зависели от атмосферного давления. Примерно в 1654 году Фердинандо II в Медичи водяной термоскоп был превратил в спиртовой. [7].

Термометры с жидкостью описаны впервые в 1667 г. в "Saggi di naturale esperienze fatte nell'Accademia del Cimento" ("Очерки о естественнонаучной деятельности Академии опытов"), где о них говорится как о предметах, которые называют "Confia", давно изготовленные искусными ремесленниками, из разогретого стекла. Флорентийские термометры не только изображенные в "Очерках ...", но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в галилеевского музее в Флоренции.

Многие другие ученые того времени экспериментировали с различными жидкостями и конструкциями термометра. Однако, каждый изобретатель и его термометр был уникальным, поскольку не было стандартной шкалы измерения температур. В 1665 году Христиан Гюйгенс предложил использовать плавления льда и кипения воды в качестве точки отсчета степени нагрева, а в 1694 году Карло Ренальдини (Carlo Renaldini) предложил использовать эти точки в качестве опорных точек универсальной температурной шкалы. В 1701 году Исаак Ньютон предлагает шкалу на 12 делений между температурой плавления льда и температура тела человека. В 1703 г. Амонтоном в Париже сделал попытку усовершенствовать воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведенного к одному и тому же объема при различных температурах подбрасывания ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом учитывались. Нулем такой шкалы должна была служить температура, при которой воздух теряет всю свою упругость (т.е. современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой - температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения еще не был известен Амонтону, а воздух в его термометре не было освобожденным от водяного пара, ибо по его данным абсолютный ноль находился при -239,5 по шкале Цельсия.

Наконец в 1724 году Даниэль Габриэль Фаренгейт вводит температурную шкала которая в наше время [ Когда? ] (Несколько в скорректированном виде) носит его имя. Он мог этого достичь, используя при изготовлении термометров ртуть (которая обладает высоким коэффициентом расширения), что обеспечило соответствующую точность и воспроизводимость измерений температуры, что привело в конечном счете к всеобщему признанию. В 1742 году шведский физик Андерс Цельсий предложил шкалу с нулем в точке кипения воды и 100 градусов в точке плавления льда [8], и эта шкала, хотя в обратном виде теперь носит его имя [9]. Удобной оказалась "перевернутая" шкала, на которой температура таяния льда обозначили 0 С, а температуру кипения 100 С. Таким термометром впервые пользовались шведские ученые: ботаник К. Линней и астроном М. Штремер. Этот термометр получил наибольшее распространение.

Работы Реомюра в 1736 г. хотя и повели к установлению 80 шкалы, но были скорее шагом назад против того, что сделал уже Фаренгейт: термометр Реомюра был громоздкий, неудобный в пользовании, а способ разделения на градусы был неточным и неудобным.

После Фаренгейта, Цельсия и Реомюра дело изготовления термометров попало в руки ремесленников, так как термометры стали предметом торговли. В 1848 г. английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, ноль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета при шкале Кельвина послужило значения абсолютного нуля: - 273, 15 С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Таким образом, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.


2. Виды термометров

Ни термометр измеряет собственно температуру, а лишь изменение физических характеристик материалов, связанную с повышением или понижением температуры. Все известные приборы для измерения температуры можно разделить на группы: контактные, бесконтактные, электроконтактные.

3. Контактные термометры

Ртутный медицинский термометр
Термометр на основе биметаллического элемента.

Примерами изменений физических характеристик материалов, используемых в контактных термометрах могут служить:

По этим же признакам и классифицируются термометры контактного типа.


3.1. Жидкостные термометры

3.1.1. Принцип работы и классификация

Работа жидкостных термометров основано на использовании теплового расширения жидкости (обычно это этиловый спирт, толуол, керосин, пентан или ртуть), залитая в стеклянную трубку, при изменении температуры среды окружения, с которым термометр находится в непосредственном контакте. Основными элементами конструкции термометра есть резервуар, заполненный жидкостью и с припаянным к нему капилляром и шкала. Конструктивно они делятся на палочные или с вложенной шкалой, по форме - прямые или угловые. В палочных термометров шкала размещается непосредственно на поверхности толстостенного капилляра. В термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальные пластина заключены в защитную оболочку, припаянную до резервуара.

В зависимости от назначения делятся на образцовые, лабораторные, технические, бытовые, метеорологические, медицинские, для сельского хозяйства. Для задач регулирования и сигнализации разработаны электроконтактные термометры.


3.1.2. Погрешности жидкостных термометров

Допустимые погрешности измерения технических термометров не должны превышать одного деления шкалы. Так, при цене деления 1 C, Δ = 1 C.

Для других термометров погрешность может превышать цену деления. Так, например, лабораторные термометры с ценой деления 0,01 C имеют допустимую погрешность измерения Δ = 0,03 C.

Стеклянные термометры являются одними из самых точных методов измерения температуры.

3.1.3. Жидкостные термометры в современности

В связи с запретом применения ртути во многих областях деятельности ведется поиск альтернативных наполнителей для бытовых термометров. Например, такой заменой может стать сплав галинстан.

Преимущества жидкостных термометров: имеют высокую точность, низкую стоимость и просты в эксплуатации.

Недостатками таких термометров являются: плохая видимость шкалы, невозможность автоматической записи, передачи показаний на расстояние и невозможность ремонта.

3.2. Термометры на основе биметаллической пластинки

Термометры биметаллического типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика (чувствительного элемента) обычно используется спираль или лента с биметалла - биметаллическая пластина. В качестве материалов пластин используются сплавы, имеющие существенной разницы в коэффициенте теплового расширения между собой Один конец ленты, как правило, неподвижно закрепленный в корпусе устройства, а другой - перемещается в зависимости от температуры пластины.


3.3. Манометрические термометры

Манометрические термометры - приборы для измерения температуры, включающие в себя чувствительный элемент (термобаллон) и показывающий устройство, соединенные капиллярной трубкой и заполнены рабочим веществом. Принцип действия основан на изменении давления рабочего вещества в замкнутой системе термометра в зависимости от температуры.

Манометрические термометры зависимости от вида рабочего вещества, заполняющей термосистему, делятся на газовые, жидкостные и конденсационные.

Газовые манометрические термометры используются для измерения температур от -200 C до 600 C. В качестве рабочего тела применяется азот.

Жидкостные манометрические термометры предназначены для измерения температур от -150 C до 300 C. В качестве рабочего тела, заполняющего термосистему, применяют ртуть, пропиловый спирт, метаксилол. Жидкостные манометрические термометры так же как и газовые имеют линейную шкалу.

Конденсационные манометрические термометры предназначены для измерения температур от -50 C до 300 C. Термобаллон термометра примерно на заполнен низкокипящих жидкостей (например, фреон, пропилен, ацетон), а остальная часть заполнена насыщенным паром этой жидкости. Количество жидкости в термобаллон должна быть такой, чтобы при максимальной температуре вся жидкость переходила в пар. Давление в термосистеми конденсационного термометра будет равна давления насыщенного пара рабочей жидкости, зависит от температуры, при которой находится рабочая жидкость, т.е. температуры измеряемой среды. Эта зависимость давления насыщенного пара от температуры имеет нелинейный характер.


3.4. Термометры сопротивления

Двопровидникова схема подключения чувствительного элемента термометра сопротивления ( термопары)

Конструкция термометра сопротивления основано на датчики, электрическое сопротивление чувствительного элемента (сенсора) которого зависит от температуры. Может выполняться из металлического или полупроводникового материала. В последнем случае его называют термистором.

Материалы, используемые для изготовления чувствительных элементов (первичных преобразователей) технических термометров сопротивления, должны отвечать требованиям стабильности и линейности градуировочной характеристики, воспроизводимости, химической стойкости, жаропрочности и др.. Для изготовления чувствительных элементов термометров сопротивления применяются медь, платина и никель. Кроме металлов применяют также полупроводники: германий, оксиды меди, марганца, кобальта, титана и их смеси. Они имеют большие отрицательные температурные коэффициенты сопротивления, поэтому из них можно изготавливать малогабаритные чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления.

Термопреобразователи сопротивления выпускаются для измерения температур в диапазоне от -260 C до 1100 C в таких исполнениях: погружаемые и поверхностные, стационарные и переносные, негерметичные и герметичные; обычные, пылезащищенные, водозащищенный, вибростойкие, взрывобезопасные, защищены от агрессивных сред и других внешних воздействий, средней и большой инерционности.

Существует 3 схемы включения датчика в измерительный цепь: 2 -, 3 - и 4-проводниковая.

К преимуществам термометров сопротивления необходимо отнести высокую точность и стабильность характеристики преобразования, возможность измерять криогенные температуры.

К недостаткам следует отнести большие размеры чувствительного элемента, не позволяющих измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды (диаметр оболочки чувствительного элемента 6 ... 20 мм, длина 50 ... 180 мм) и необходимость дополнительного источника питания.


3.5. Термоэлектрические термометры

Работа термоэлектрических термометров основан на использовании в качестве чувствительного элемента термопар (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создает контактную разность потенциалов, которая зависит от температуры).

Термоэлектрические преобразователи имеют очень широкий диапазон измерения - от -200 C до 2200 C (кратковременно до 2500 C), могут измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, имеют малые габаритные размеры - от 0,5 мм (большие диаметры защитных оболочек определяются требованиями механической и термической прочности). Термоэлектрические преобразователи отличаются достаточно высокой точностью и стабильностью характеристик преобразования, хотя они и уступают немного по этим показателям термопреобразователей сопротивления.

К числу недостатков следует отнести необходимость использования специальных термоэлектродных проводников для подключения преобразователей к измерительного прибора и необходимость стабилизации или автоматического введения поправки на температуру свободных концов.

К материалам, которые используются для изготовления чувствительных элементов термоэлектрических термометров, относятся такие же требования, как и для термометров сопротивления. В наше время [ Когда? ] применяются стандартные термоэлектрические термометры: медь - Копелем, медь-миднокопелеви, железо -мидноникелеви, хромель -Копелем, хромель- алюмелевые и другие.

Для измерения термо- ЭДС термоэлектрических термометров наибольшее распространение получили магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры - автоматические и с ручным управлением. Милливольтметры для измерения э.д.с. могут быть показывающими, самопишущие и регулирующими с классами точности 0,2, 0,5, 1,0 и 1,5. Потенциометры существенно повышают точность измерения термо-ЭДС Автоматические потенциометры для измерения термо-ЭДС выпускаются показывающими и самопишущие, одно-и многоточечными. Запись показаний производится на ленточном или дисковом диаграммном бумаге, или на жесткий диск ЭВМ.


4. Бесконтактные термометры

Пирометр, работающий в диапазоне инфракрасного излучения
Изображение жилого дома в тепловизоры

Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и других параметров при изменении температуры. Например, инфракрасные измерители температуры тела.

Бесконтактные средства измерения температуры подразделяются на: пирометры, тепловизоры и радиометры.


4.1. Пирометры

Пірометр - прилад для безконтактного вимірювання температури непрозорих тіл за їх випроміненням в оптичному діапазоні спектра. Принцип дії полягає на вимірюванні потужності теплового випромінення об'єкта вимірювання.

4.2. Тепловізори

Тепловізор - оптико-електронний прилад для візуалізації температурних полів та вимірювання температури. Переважно працює в інфрачервоній частині електромагнітного спектру - теплові зображення утворюється завдяки зміщенню максимумів спектрів власного випромінювання тіл під час їх нагрівання у короткохвильову область.

4.3. Радіометр теплового випромінювання

Радіометром (пірометр повного випромінювання) вимірюють радіаційну температуру тіла. Принцип роботи таких термометрів базується на використанні закону Стефана-Больцмана. Радіометр оснащений оптичною системою, яка збирає промені від нагрітого тіла на теплоприймачеві. Теплоприймачем зазвичай є термоелектрична батарея або терморезистор, а вимірювальним приладом служать мілівольтметри, автоматичні потенціометри чи збалансовані мости.

В наш час термометри є поширеними по всьому світі і мають дуже точні шкали.


См.. также

Примечания

  1. TD McGee (1988) Principles and Methods of Temperature Measurement ISBN 0-471-62767-4
  2. а б R. S Doak (2005) Galileo: astronomer and physicist ISBN 0-7565-0813-4 p36
  3. TD McGee (1988) Principles and Methods of Temperature Measurement page 3, ISBN 0-471-62767-4
  4. TD McGee (1988) Principles and Methods of Temperature Measurement, pages 24 ISBN 0-471-62767-4
  5. JE Drinkwater (1832) Life of Galileo Galilei page 41
  6. The Galileo Project: Santorio Santorio - galileo.rice.edu/sci/santorio.html
  7. а б RP Benedict (1984) Fundamentals of Temperature, Pressure, and Flow Measurements, 3rd ed, ISBN 0-471-89383-8 page 4
  8. RP Benedict (1984) Fundamentals of Temperature, Pressure, and Flow Measurements, 3rd ed, ISBN 0-471-89383-8 page 6
  9. Linnaeus' thermometer - www.linnaeus.uu.se/online/life/6_32.html#bild2

Источники

  • Марио Льоцци История физики. М.:Мир. 1970.
  • Цюцюра В. Д., Цюцюра С. В. Метрологія та основи вимірювань: Навч.посібник - К.: Знання-Прес, 2003. -180с. -(Вища освіта XXI століття). ISBN 966-7767-6
п о р Метеорология
Разделы
Аэрология аэрономия биоклиматологии Гидрометеорология Динамическая метеорология Климатология Метеорологическая техника Наука о радиоактивности атмосферы Наука о химии атмосферы Синоптическая метеорология Физическая метеорология
Молния
Прикладная метеорология
Авиационная метеорология Агрометеорология Медицинская метеорология Морская метеорология Лесная метеорология
Устройства
Элементы
Явления


Технологии Это незавершенная статья технологии.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам