Термометр как прибор для измерения температуры¶
Термометр — прибор для измерения температуры, основанный на зависимости какого-либо физического параметра вещества или тела от теплового состояния. Классифицируется по принципу действия (жидкостные, механические, электрические, оптические), по назначению (бытовые, лабораторные, технические, медицинские, метеорологические) и по диапазону измеряемых температур. Основные характеристики — диапазон, цена деления, точность, инерционность и условия эксплуатации.
¶История
Первые устройства для оценки теплового состояния появились в XVI–XVII веках. Галилео Галилей около 1592 года создал термоскоп — прибор, в котором изменение объёма воздуха перемещало столб воды в трубке; шкалы у него не было, поэтому показания были относительными. Термин «термометр» вошёл в употребление в XVII веке.
В 1714 году Даниель Габриель Фаренгейт построил ртутный термометр и предложил шкалу, в которой использовались три реперные точки. В 1742 году Андрес Цельсий предложил стоградусную шкалу, позднее преобразованную в современный вид (0 °C — таяние льда, 100 °C — кипение воды при нормальном давлении). В 1848 году Уильям Томсон (лорд Кельвин) обосновал абсолютную термодинамическую шкалу, начинающуюся от абсолютного нуля.
В России систематические метеорологические наблюдения с термометрами велись с XVIII века: первая регулярная метеостанция была организована в Санкт-Петербурге в 1725 году при Академии наук. В XIX веке термометры вошли в медицинскую практику, а в XX веке появились электрические и электронные приборы.
¶Принцип действия и классификация
Действие термометра основано на тепловом расширении, изменении электрического сопротивления, термо-ЭДС или интенсивности теплового излучения.
| Тип | Принцип | Типичный диапазон |
|---|---|---|
| Жидкостный (ртуть, спирт) | Тепловое расширение жидкости | −80…+600 °C (ртуть до +600 °C под давлением) |
| Биметаллический | Разность расширения двух металлов | −50…+500 °C |
| Термометр сопротивления | Зависимость сопротивления от температуры | −200…+850 °C |
| Термопара | Термо-ЭДС на спае двух металлов | −200…+2500 °C |
| Термометр манометрический | Давление газа или пара в замкнутом объёме | −50…+600 °C |
| Пирометр | Тепловое излучение объекта | от +100 °C до тысяч градусов |
| Электронный (цифровой) | Датчик (термистор, полупроводник) и преобразователь | зависит от датчика |
¶Жидкостные термометры
Наиболее распространённый бытовой и лабораторный тип. Ртуть применяется благодаря линейности расширения и непрозрачности, но токсична; в быту и медицине её вытесняют спиртовые, галинстановые и электронные приборы. В России с 2020-х годов ограничивается оборот ртутных медицинских термометров в рамках международных обязательств по ртути.
¶Электрические и электронные
Термометры сопротивления (платиновые, медные) применяются как эталоны и в промышленной автоматике. Термопары используются в металлургии, энергетике, авиадвигателестроении. Электронные цифровые термометры содержат датчик, аналого-цифровой преобразователь и дисплей; часто имеют память и интерфейс для передачи данных.
¶Оптические
Пирометры и тепловизоры измеряют температуру бесконтактно по излучению. Применяются там, где контакт невозможен: движущиеся объекты, высоковольтное оборудование, металлургические печи, эпидемиологический контроль.
¶Устройство и характеристики
Типовой жидкостный термометр включает резервуар с рабочей жидкостью, капилляр, шкалу и корпус. Ключевые параметры:
- диапазон измерений — интервал температур;
- цена деления — разность температур между соседними отметками;
- погрешность — отклонение показаний от истинного значения;
- инерционность — время установления показаний;
- термометрическое вещество — рабочее тело прибора.
Для точных измерений вводят поправки на выступающий столбик, атмосферное давление и условия поверки. В России средства измерений подлежат поверке в рамках системы обеспечения единства измерений; эталонами занимаются метрологические институты, в частности ВНИИМ имени Д. И. Менделеева.
¶Применение
- Метеорология — измерение температуры воздуха, почвы, воды на метеостанциях.
- Медицина — измерение температуры тела; норма 36,0–37,0 °C.
- Промышленность — контроль технологических процессов в металлургии, химии, энергетике.
- Лаборатории — термостатирование, калибровка, научные эксперименты.
- Быт — комнатные, кухонные, уличные термометры.
- Пищевая промышленность — контроль температур при хранении и переработке.
¶Значение и развитие
Термометр — одно из базовых средств измерений, обеспечивающее воспроизводимость температурных данных в науке, технике и повседневной жизни. Развитие идёт в направлении миниатюризации, цифровизации, беспроводной передачи данных и расширения диапазонов. Современные цифровые датчики интегрируются в системы «умного дома», медицинские мониторы и промышленный интернет вещей.
Источники: Большая российская энциклопедия; материалы по истории метрологии; учебные курсы по общей физике и теплотехнике; нормативные документы по обеспечению единства измерений.