Термометр: устройство и виды¶

Термометр (в быту также «градусник») — прибор для измерения температуры. Действие большинства термометров основано на изменении какого-либо физического параметра вещества при нагревании или охлаждении: объёма жидкости, давления газа, электрического сопротивления, интенсивности теплового излучения. Термометры применяются в медицине, метеорологии, промышленности, лабораторных исследованиях и быту; для разных задач используются разные конструкции и диапазоны измерений.

¶История

Первые приборы для оценки теплового состояния тел появились в XVI–XVII веках. Галилео Галилей около 1592 года создал термоскоп — устройство, в котором изменение температуры вызывало перемещение столба воды в трубке. Термоскоп не имел шкалы и показывал лишь относительное изменение температуры.

В 1714 году немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт построил ртутный термометр и предложил температурную шкалу, названную его именем. В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий предложил шкалу, в которой точки таяния льда и кипения воды были разнесены на 100 градусов; позднее шкала была переопределена в современном виде. В XIX–XX веках появились термометры сопротивления, термопары и другие электрические датчики температуры, а во второй половине XX века — инфракрасные и цифровые приборы.

¶Классификация

Термометры различают по принципу действия, назначению и конструктивному исполнению.

¶По принципу действия

• Жидкостные — основаны на тепловом расширении жидкости (ртуть, спирт, толуол) в стеклянном капилляре. Просты, автономны, не требуют питания.
• Газовые — используют зависимость давления или объёма газа от температуры; применяются преимущественно в лабораториях.
• Механические (биметаллические) — работают за счёт разного теплового расширения двух соединённых металлов; распространены в бытовых приборах и на производствах.
• Термометры сопротивления — измеряют изменение электрического сопротивления металла или полупроводника (термистора) при изменении температуры.
• Термоэлектрические (термопары) — основаны на возникновении термо-ЭДС в спае двух разнородных проводников.
• Инфракрасные (пирометры) — бесконтактно измеряют тепловое излучение объекта.
• Цифровые — объединяют датчик (чаще всего термистор или термопару) с электронным блоком и дисплеем.

¶По назначению

¶Устройство и принцип работы

В простейшем жидкостном термометре стеклянный резервуар с жидкостью соединён с тонким капилляром, вдоль которого нанесена шкала. При нагревании жидкость расширяется и поднимается по капилляру; высота столба соответствует температуре. Ртуть имеет линейное расширение в широком диапазоне и не смачивает стекло, поэтому долгое время была основным рабочим веществом, однако она токсична, и во многих странах её постепенно заменяют спиртом, галлием или электронными датчиками.

В цифровом термометре чувствительный элемент преобразует температуру в электрический сигнал, который обрабатывается микросхемой и выводится на дисплей. Инфракрасный термометр улавливает излучение поверхности и вычисляет температуру по его интенсивности, что позволяет измерять её дистанционно и быстро.

¶Применение

Медицина. Измерение температуры тела — один из базовых диагностических приёмов. Традиционно используются ртутные и спиртовые термометры, всё шире применяются цифровые и бесконтактные инфракрасные модели. Нормальной считается температура около 36,6 °C, хотя индивидуальные колебания возможны.

Метеорология. Температура воздуха — ключевой параметр прогнозов погоды. Измерения проводят на метеостанциях в специальных будках, защищающих датчики от прямого солнца и осадков.

Промышленность и энергетика. Термометры и датчики контролируют режимы работы двигателей, котлов, химических реакторов, систем отопления и холодильного оборудования.

Наука и техника. Точные измерения температуры необходимы в физике, химии, биологии, метрологии. Существуют эталонные термометры, по которым поверяют рабочие приборы.

Быт. Комнатные, кухонные, уличные термометры используются для контроля температуры в помещениях, при приготовлении пищи, в автомобилях.

¶Шкалы температуры

Наиболее распространены три шкалы:

• Цельсия (°C) — точка замерзания воды 0 °C, кипения 100 °C при нормальном давлении; принята в большинстве стран и в науке.
• Фаренгейта (°F) — используется преимущественно в США; вода замерзает при 32 °F, кипит при 212 °F.
• Кельвина (K) — абсолютная термодинамическая шкала; 0 K соответствует абсолютному нулю, а размер градуса совпадает с градусом Цельсия.

Пересчёт: °F = °C × 1,8 + 32; K = °C + 273,15.

¶Точность и погрешности

На точность измерений влияют конструкция прибора, условия эксплуатации и способ измерения. Жидкостные термометры чувствительны к механическим повреждениям и инерционны; цифровые быстрее, но зависят от питания и калибровки. Инфракрасные приборы дают погрешность при измерении блестящих или загрязнённых поверхностей. Для ответственных задач приборы периодически поверяют по эталонам.

¶Безопасность

Ртутные термометры содержат токсичный металл: при повреждении корпуса пары ртути опасны, а сама она требует специальной утилизации. Во многих странах производство и продажа ртутных бытовых термометров ограничены или запрещены. Современные альтернативы — спиртовые, галинстановые и электронные приборы — безопаснее и постепенно вытесняют ртутные модели.