Разные виды термометров: критерии выбора термометров для конкретных задач

Автор Петрова Оксана December 21, 2023

Термометры - это удивительные устройства, позволяющие точно измерять температуру воздуха, воды, почвы и других объектов. Но какой термометр лучше выбрать и для каких целей? Давайте разберемся!

История создания термометра

Первый термометр, так называемый "термоскоп", был изобретен в 1597 году великим итальянским ученым Галилео Галилеем. Это была стеклянная колба с трубкой, наполненная воздухом. При нагревании воздух в колбе расширялся, а при охлаждении - сжимался. Уровень воды в трубке при этом поднимался или опускался.

Однако термоскоп Галилея имел существенный недостаток: его показания зависели не только от температуры, но и от атмосферного давления. Поэтому в 1654 году по указанию великого герцога Тосканы Фердинандо II в термометр начали заливать вино вместо воздуха. Эта идея позволила сделать показания термометра независимыми от давления.

В 1714 году немецкий физик Даниэль Габриэль Фаренгейт усовершенствовал ртутный термометр и ввел шкалу, носящую его имя. При 0° по Фаренгейту замерзает смесь льда, воды и нашатыря.

А в 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий предложил стоградусную шкалу, где 0° - температура замерзания воды, а 100° - температура ее кипения. Эта шкала получила широкое распространение в науке и технике.

Принцип работы термометров

В основе работы любого термометра лежит температурная зависимость какого-либо физического свойства.

Например, при нагревании объем жидкостей и газов увеличивается , а твердых тел - расширяется . Это свойство используется в жидкостных и газовых термометрах. В механических термометрах применяют биметаллический эффект - изгиб двух спаянных металлических пластин с разными температурными коэффициентами расширения.

Кроме того, при нагревании изменяется электрическое сопротивление металлов и полупроводников. Это свойство используется в электрических термометрах. А в оптических термометрах измеряется интенсивность инфракрасного излучения, источником которого являются нагретые тела.

Жидкостные термометры

Жидкостные термометры относятся к самым распространенным. Их принцип действия основан на тепловом расширении жидкости, заключенной в стеклянной колбе с капиллярной трубкой. При нагревании жидкость расширяется и поднимается вверх по трубке, при охлаждении - опускается. По шкале с делениями, нанесенной на трубку, отсчитывают температуру.

В качестве жидкости-наполнителя чаще всего используют ртуть или термометрические спирты. Ртуть обеспечивает высокую чувствительность и воспроизводимость, но токсична. Спирт безопасен, зато его показания менее стабильны.

Жидкостные термометры просты и надежны. Их используют для измерения температуры воздуха и воды, в метеорологии, медицине, промышленности.

Механические термометры

В этих термометрах в качестве чувствительного элемента используется биметаллическая пластина или спираль, состоящая из двух спаянных металлов с разными температурными коэффициентами расширения (меди и железа, никеля и стали).

При нагревании пластина гнется из-за неравномерного расширения металлов, а спираль скручивается или раскручивается. Это вызывает поворот стрелки термометра. Диапазон измеряемых температур - от -50 до +600 °C.

Механические термометры просты в обращении, долговечны и надежны. Их широко используют в автомобильной технике, в промышленных печах, холодильниках и системах вентиляции.

Газовые термометры

Газовые термометры основаны на зависимости давления газа от температуры в замкнутом сосуде. Рабочим веществом чаще всего служат инертные газы - аргон, гелий или азот. При нагревании газ расширяется, давление повышается и передается на датчик давления.

Благодаря высокой чувствительности, газовые термометры обеспечивают очень точные измерения в широком диапазоне температур. Их используют как эталонные приборы в метрологии и научных исследованиях.

Термометры сопротивления

Термометры сопротивления основаны на температурной зависимости электрического сопротивления металлов и полупроводников. В качестве чувствительного элемента применяют тонкую платиновую или медную проволоку, намотанную на каркас.

По изменению сопротивления датчика судят о температуре объекта. Термометры сопротивления отличаются высокой точностью и используются в измерительных приборах и автоматических системах управления.

Термоэлектрические термометры

В этих термометрах, также называемых термопарами, для измерения температуры используется термоэлектрический эффект - возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой электрической цепи, состоящей из двух разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Величина и направление термо-ЭДС зависят от разности температур контактов и от рода проводников. На этом принципе работают термопары - надежные и универсальные датчики для измерения температуры.

Оптические (пирометрические) термометры

Это бесконтактные приборы для дистанционного измерения температуры по собственному тепловому излучению объектов. Они называются пирометрами или инфракрасными термометрами.

Пирометры позволяют измерять очень высокие температуры плавящихся металлов, нагретых до высоких температур изделий в промышленных печах. Их также используют для бесконтактного измерения температуры тела в медицинских целях.

Критерии выбора термометра

При выборе термометра для конкретных целей нужно учитывать такие критерии, как диапазон измеряемых температур, погрешность, время измерения, условия эксплуатации.

Для точных научных работ лучше подойдут эталонные газовые термометры или термометры сопротивления. В быту и промышленности чаще применяют простые и надежные жидкостные или биметаллические термометры.

Термопары

Термопары являются одним из наиболее распространенных видов термоэлектрических термометров. Они состоят из двух проводников из разных металлов, концы которых скручены или спаяны. Это образует контрольную точку, которая поддерживается при постоянной температуре.

Другие концы термопары помещают в измеряемую среду. При разности температур возникает термоэлектродвижущая сила, которая зависит от этой разности. Измеряя напряжение между концами термопары, можно определить температуру.

Виды термопар и их применение

Существует несколько видов термопар, различающихся используемыми материалами:

Хромель-копелевая (тип K) - для измерения в диапазоне от -200 до +1350 °C.
Хромель-алюмелевая (тип E) - от -200 до +900 °C.
Железо-константановая (тип J) - от -200 до +750 °C.

Термопары широко используются для измерения температуры в промышленных печах, сушилках, котлах и другом технологическом оборудовании. Их также применяют в приборах для экспресс-диагностики автомобилей.

Бесконтактные инфракрасные термометры

Эти приборы работают по принципу регистрации собственного инфракрасного излучения объектов и не требуют физического контакта с ними. Поэтому их часто называют пирометрами.

Инфракрасные термометры позволяют безопасно измерять температуру движущихся, электрических под напряжением или сильно нагретых объектов на расстоянии. Также они используются для бесконтактных медицинских измерений.