Термометр (от греч. terme – тепло, metreo – измеряю) – прибор для измерения температуры: воздуха, воды, почвы, тела человека и других физических тел. Термометры применяются в метеорологии, гидрологии, медицине и других науках и отраслях хозяйства
Считают, что изобретателем первого термометра-термоскопа был знаменитый итальянский учёный Галилео Галилей (1597 г.). Термоскоп Галилея представлял собой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали, и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось, и вода под действием атмосферного давления поднималась по трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении, давление воздуха в шарике увеличивалось, и уровень воды в трубке понижался, а при охлаждении – повышался.
При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тел: числовых значений температуры он не показывал, поскольку не имел шкалы. Современную форму (запаяв трубку и перевернув её шариком вниз) термометру придал Габриель Даниель Фаренгейт, голландский физик, выдувальщик стекла. А постоянные (реперные) точки – кипящей воды и тающего льда – на шкале термометра разместил шведский астроном и физик Андерс Цельсий в 1742 году.
В настоящее время существуют много видов термометров: цифровые, электронные, инфракрасные, пирометры, биметаллические, дистанционные, электро-контактные, жидкостные, термоэлектрические, газовые, термометры сопротивления, жидкостные механические, газовые и оптические. У каждого термометра – свой принцип действия и своя сфера применения.
Жидкостные термометры - используют тепловое расширение жидкостей. В зависимости от температурного диапазона, в котором предстоит служить термометру, его заполняют ртутью, этиловым спиртом или другими жидкостями.
Жидкостные термометры, заполненные ртутью - применяют для точных измерений температуры (до десятой доли градуса) в лабораториях. Термометры, заполненные спиртом, применяют в метеорологии для измерения температур ниже –38° (так как при более низкой температуре ртуть отвердевает).
Газовые термометры - используют зависимость давления газа от температуры. То есть, по сути, они являются манометрами, шкалы которых размечены в единицах температуры.
Механические термометры - действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется спираль из металла или биметалла – двух металлических полосок с разными способностями удлиняться при изменении температуры, скреплённых заклёпками. Механические термометры применяют для измерений температуры жидкостей и газов в отопительных и санитарных установках, в системах кондиционирования и вентиляции, а также для измерений температуры сыпучих и вязких сред (например, теста или глазури) в пищевой промышленности.
Оптические термометры (пирометры) - позволяют регистрировать температуру благодаря изменению светимости или спектра излучения тел. Оптические термометры применяют для измерения температуры поверхности объектов в труднодоступных (и жарких) местах.
Акустический термометр - использует зависимость между температурой какой-либо среды и скоростью распространения в ней звука. Акустические термометры применяют в диагностической медицине, для измерения глубинной температуры тела человека и животных.
Термометр сопротивления (электронный термометр) - работает, используя изменение электропроводности металлических или полупроводниковых датчиков при изменениях температуры. Термометр сопротивления применяют, например, для измерения температуры внутри газовых котлов на теплоэлектростанциях. Датчик термометра на длинной ручке помещают внутрь бушующего в котле голубого пламени сгорающего газа, а корпус термометра держат в руках и видят температуру на табло.
Среди всех термометров наиболее точными считаются спиртовые термометры (погрешность ± 0,05° С) и термометры сопротивления (погрешность ± 0,01° С), однако наибольшее распространение получили цифровые термометры, так как такой термометр невозможно разбить, мало время измерения (30-60 с), лёгкость чтения результатов, автоматическое отключение, они помнят последние показания, есть сменная шкала «Цельсий-Фаренгейт» и их можно использовать в полной темноте.
Электрические - работа такого измерительного прибора связана с зависимостью сопротивления используемого проводника от температуры. Известно, что сопротивление любых металлов линейно зависит от уровня их тепла. Более точные измерения можно получить, если заменить металлические проводники полупроводниками. Однако полупроводники в таких приборах практически не используют, поскольку зависимость между характеристиками полупроводника и уровня тепла нельзя выразить линейно и практически невозможно проградуировать приборную шкалу.
В роли проводника обычно выступает медь, показывающая изменения температур от -50 до +180 градусов. Если взять другой рабочий металл, например, платину, то температурный диапазон ее значительно расширится и составит от -200 до +750 градусов. Такие электрические тепловые датчики используют в лабораториях, на экспериментальных стендах или на производстве.
Манометрический термометр - действует по принципу изменения давления газа, пара или жидкости в замкнутом объеме при изменении температуры. Манометрический термометр состоит из собственно манометра, термо-баллона и гибкого капилляра. Манометрические термометры, в зависимости от заполняющего вещества, делятся на газовые (термометры ТПГ, ТДГ), жидкостные (термометры ТПЖ, ТДЖ) и парожидкостные (термометр ТПП). Манометрические термометры способны измерять температуру в диапазоне от -60 до +600°С, поэтому они могут применяться во взрывоопасных помещениях.
В рабочем состоянии, термо-баллон манометрического термометра помещается в измеряемую среду. Нагреваясь, внутри замкнутого объема термо-баллона увеличивается давление, которое и измеряется манометром. Шкала манометра проградуирована в единицах температуры (градусы Цельсия). Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях.
Термометр сопротивления - работает благодаря известному свойству тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. Причем, в металлических термометрах сопротивление при увеличении температуры возрастает практически линейно. В полупроводниковых термометрах сопротивление наоборот, уменьшается.
Металлические термометры сопротивления изготавливаются из помещенной в электроизоляционный корпус тонкой медной или платиновой проволоки.
Биметаллический термометр - его работа строится на различиях теплового расширения веществ, из которых изготавливаются пластины применяемых чувствительных элементов. Биметаллические термометры массово применяются на морских и речных судах, промышленности, атомных электростанциях, для измерения температуры в жидких и газообразных средах.
Биметаллический термометр составлен из двух тонких лент металла, к примеру медной и железной, при нагревании которых, их расширение происходит неодинаково. Плоские поверхности лент плотно скреплены между собой, при этом, биметаллическая система из двух лент, скручена в спираль, а один из концов такой спирали жестко закреплен. При охлаждении или нагревании спирали, ленты, изготовленные из разных металлов, сжимаются или расширяются в разной степени. Как следствие, спираль или скручивается, или раскручивается. Прикрепленный к свободному концу спирали указатель, отображает результаты измерений.
Кварцевый термометр - работает, основываясь на температурной зависимости резонансной частоты пьезокварца. Существенным недостатком кварцевых термометров является их инерционность, которая достигает нескольких секунд, и нестабильность при работе с температурой выше 100oC.
Электро-контактный термометр - предназначаются для сигнализации о заданной температуре, и при её достижении - для включения или выключения соответствующего оборудования. Электро-контактные термометры применяются в системах поддержания постоянной температуры от -35 до +300°С в различных лабораторных, промышленных, энергетических и других установках.
Электро-контактные термометры изготавливаются на заказ, по техническим условиям предприятия. Такие термометры конструктивно делятся на 2 вида:
- Термометры с переменной, устанавливаемой вручную, температурой контактирования,
- Термометры с постоянной или заданной температурой контактирования. Это, так называемые термо-контакторы.
Конденсационный термометр - работает, используя зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем другие, обычные термометры. Однако, поскольку зависимость упругости паров для используемых жидкостей, таких как, этиловый эфир, хлористый метил, хлористый этил, ацетон, являются нелинейными, то, как следствие, шкалы термометров нанесены неравномерно.