Пользовательский поиск

Термометры электронные, цифровые и инфракрасные

Термометр (с греч. – θερμός, означающий тёплый, горячий и μἐτρον - измерение) – это устройство, которое измеряет температуру или температурный градиент используя множество различных принципов. В термометре есть два основных элемента: датчик температуры (напр., шарик в стеклянном ртутном термометре) в котором возникают некоторые физические изменения при температуре, плюс некоторые средства преобразования этого физического изменения в цифровое значение (напр., видимая шкала на стеклянном ртутном термометре).

Продолжение ниже

Бесконтактный инфракрасный термометр

Инфракрасный термометр – это термометр, который выводит температуру из порции теплового излучения, называемого излучением черного тела, испускаемого ...

Читать дальше...

всё на эту тему


Существует множество типов и применений термометров.

Температура в термометрах

В то время как отдельный термометр способен измерить степень жара, результаты измерений на двух термометрах нельзя сравнивать, за исключением, когда они соответствуют согласованной шкале. В настоящее время существует абсолютная шкала термодинамической температуры. Согласованные на международном уровне температурные шкалы разработаны, чтобы приближенно округлять показатели, основанные на фиксированных точках и интерполяционных термометрах. Самой последней официальной температурной шкалой является Международная шкала температур 1990 (МШТ-90). Она начинается от 0,65 K (−272,5 °C; −458,5 °F) приблизительно до 1,358 K (1,085 °C; 1,985 °F).

Развитие термометров

Различные авторы приписывали изобретение термометра Корнелису Дреббелю, Роберту Фладду, Галилео Галилею и Санторио Санторио. Термометр не был определенным изобретением, он последовательно развивался.

Филон Византийский и Герон Александрийский знали о принципе определенных субстанций, в частности воздуха, сжиматься и расширяться и описали схему, в которой конец закрытой трубки частично заполненной воздухом, был опущен в емкость с водой. Расширение и сжатие воздуха заставляло поверхность стыка воздуха и воды двигаться вдоль трубки.

Подобный механизм позже был использован, чтобы показать теплоту или холодность воздуха с помощью трубки, в которой уровень воды контролировался расширением и сжатием воздуха. Эти устройства были разработаны несколькими европейскими ученым в 16-м и 17-м веках, в частности, Галилео Галилеем. В результате, устройства надежно показывали данный эффект и был принят термин термоскоп, потому что он отражал изменения в теплосодержании (понятие температуры было еще до его возникновения). Отличие между термоскопом и термометром в том, что в последнем есть шкала. Хотя Галилея часто называют изобретателем термометра, но то, что он делал, было термоскопами.

Первая понятная схема термоскопа была опубликована в 1617 Джузеппе Бьянкани. Первое отображение шкалы и таким образом создание термометра было сделано в 1638 Робертом Фладдом. Это была вертикальная трубка, сверху закрытая шариком воздуха с открытым нижним концом, помещенным в сосуд с водой. Уровень воды в трубке контролировался сжатием и расширением воздуха. Сейчас бы мы назвали этот прибор газовым термометром.

Первым человеком, который нанес шкалу на термоскоп, по-разному называют Франческо Сагредо или Санторио Санторио примерно в 1611-1613 гг.

Слово «термометр» (во французской форме) впервые появилось в 1624 в «Пора заниматься математикой» Жана Лерешона, который описал прибор с 8-ми градусной шкалой.

У вышеупомянутых приборов был один существенный недостаток, они также были барометрами, т.е. чувствительными к давлению воздуха. Примерно в 1965 году Фердинандо II Медичи, великий герцог Тосканский сделал герметичные трубки заполненные спиртом, с шариком и стержнем (первый термометр в современно стиле), опиравшиеся на расширение жидкости и независимые от давления воздуха. Многие другие ученые экспериментировали с различными жидкостями и конструкциями термометров.

Тем не менее, каждый изобретатель и каждый термометр был уникальным – не было стандартной шкалы. В 1665 году Христиан Гюйгенс предположил использование в качестве стандартов точки плавления и кипения воды, а в 1694 Карло Ренальдини предложил использовать фиксированные точки на универсальной шкале. В 1701 году Исаак Ньютон предложил 12-ти градусную шкалу между точкой плавления льда и температурой тела. В конце концов, в 1724 году Даниель Габриель Фаренгейт сделал температурную шкалу, которая сейчас (немного скорректированная) названа в его честь. Он смог сделать это, потому что изготовлял термометры, впервые используя ртуть (которая обладает высоким коэффициентом расширения), а качество его продукции могло предоставить более мелкий масштаб и высокую точность, приводя к общему принятию. В 1742 году Андерс Цельсий предложил шкалу с температурой плавления воды при 0 и замерзания при 100. Хотя шкала носит его имя и посей день, она была перевернута Карлом Линнеем.

В 1866 году Сэр Томас Клиффорд Олбут изобрел медицинский термометр, который выполнял снятие температуры тела через 5, а не 20 минут. В 1999 году доктор Франческо Помпеи с Exergen Corporation представил первый в мире термометр височной артерии: не инвазивный температурный датчик, который сканирует лоб за 2 секунды и предоставляет точную температуру тела с медицинской точки зрения.

Все старые термометры были не регистрирующими. То есть, термометр не сохранял температуру после того как он перемещался в место с другой температурой. Определение температуры кастрюли с горячей жидкостью требовало от пользователя оставлять термометр в горячей жидкости до тех пор, пока он не снимет результат. Если не регистрирующий термометр убирался с горячей жидкости, температура, указанная на термометре немедленно начинала изменяться, отображая температуру новых условий (в данном случае, температура воздуха). Регистрирующие термометры, предназначены для хранения температуры неограниченное время, благодаря чему термометр можно убрать, а данные снять позже и в более удобном месте. Первый регистрирующий термометр был изобретен и сконструирован в 1782 году Джеймсом Сиксом, а устройство, известное как термометр Сикса широко используется и сейчас. Механические регистрирующие термометры хранят либо высшую, либо низшую зафиксированную температуру до ручного сброса, например, тряся вниз стеклянный ртутный термометр, или пока не будет зафиксирована более высокая температура. Электронные регистрирующие термометры могут быть разработаны для запоминания наивысшей и наименьшей температуры или для запоминания любой температуры, присутствующей в указанный момент времени.

Термометры активнее используют электронные средства для предоставления цифрового экрана или ввода в компьютер.

Физические принципы термометрии

Термометры можно описать как эмпирические и абсолютные. Абсолютные термометры откалиброваны по номерам с помощью термодинамической температурной шкалы. Эмпирические термометры, в целом, не обязательно точно соответствует абсолютным термометрам относительно их числовым измерениями по шкале. Но, чтобы считаться термометрами, они все должны соответствовать абсолютным термометрам и друг другу следующим образом: для любых двух тел, изолированных в свои отдельные, соответствующие термодинамические равновесия, все термометры должны иметь большую или одинаковую температуру. Для любых двух эмпирических термометров, это не требует линейной связи между их числовыми измерениями по шкале, но требует, чтобы связь была строго монотонной. Это основная особенность температуры и термометров.

По сравнению с неудачными попытками предоставления информации, о «нулевом начале термодинамики», обычно указанной в учебной литературе, определение (скорее краткая математическая аннотация) нулевого закона термодинамики Джеймса Серрина в 1977 году более информативно для термометрии: «Нулевой Закон – Существует топологическая линия М, которая служит в качестве координатного множества свойства материала. Точки L множества M называются «уровнями нагрева», а M - «универсальное множество нагрева»». К этой информации необходимо добавить значение большего нагрева. Это значение можно получить, независимо от калориметрии, термодинамики и свойств определенных материалов, из закона смещения Вина: температура ванны теплового излучения пропорциональна частоте ее максимального радиочастотного спектра; эта частота всегда положительная, но может принимать значения, стремящиеся к нулю.

Существует несколько принципов, на которых строятся эмпирические термометры. Несколько таких принципов, в основном, базируются на определяющем соотношении между состоянием, соответственно выбранном конкретном материале и температурой. Только некоторые материалы подходят для этой цели и их можно рассматривать как «термометрические материалы». С другой стороны, радиометрическая термометрия может очень слабо зависеть от определяющих соотношений материалов. Так что в этом смысле радиометрическая термометрия может показаться «универсальной», потому что она, в основном, опирается на универсальный характер термодинамического равновесия, у которого есть уникальная способность вырабатывания излучение абсолютно черного тела.

Термометрические материалы

Существует разнообразные эмпирические термометры, основанные на свойствах материала.

Многие эмпирические термометры зависят от взаимосвязи между давлением, объемом и температурой их термометрического вещества. Например, ртуть расширяется при нагревании.

Если материал используется из-за его взаимосвязи между давлением, объемом и температурой, то термометрический материал должен обладать следующими свойствами:

  1. Быстрое нагревание и остывание. Другими словами, когда количество тепла входит или покидает тело материала, сам материал должен расшириться или сжаться до своего конечного объема или достичь своего конечного давления и должен достичь конечной температуры практически без задержки. Часть тепла, которая входит, можно рассматривать как изменение объема тела при постоянной температуре и она называется латентной теплотой расширения при постоянной температуре. Остальную часть тепла можно рассматривать как изменение температуры тела при постоянном объеме, и она называется удельной теплоемкостью при постоянном объеме. У некоторых материалов нет данного свойства, и потребуется определённое время, чтобы распространить тепло между изменением температуры и объема.
  2. Обратимое нагревание и остывание. Другими словами, материал должен быть способным к бесконечному нагреванию и остыванию, зачастую, с помощью одинакового увеличения и понижения тепла и, тем не менее, должен каждый раз возвращаться к своему начальному давлению, объему и температуре. Некоторые пластмассы не обладают данным свойством.
  3. Монотонное нагревание и остывание. Другими словами, во всех диапазонах температур в которых он предназначен для работы, (а) при заданном фиксированном давлении, объем или (α) увеличивается при повышении температуры или же (β) уменьшается; или (b) при заданном фиксированном объеме, давление или (α) повышается при увеличении температуры или же (β) понижается при уменьшении температуры.

При температурах около 4 °C не обладает 3-м свойством, а ее поведение в данном отношении считается аномальным. Таким образом, вода не может использоваться в качестве материала для данного вида термометрии из-за колебания температуры около 4 °C.

С другой стороны, все газы обладают 1-м, 2-м и 3 (a)(α) и 3 (b)(α) свойствами. Следовательно, они являются удобными термометрическими материалами и поэтому они важны в развитии термометрии.

Термометрия с применением термометров постоянного объёма

По словам Престона, Реньо обнаружил, что постоянное давление газовых термометров неудовлетворительно, потому что им была необходима проблематичная коррекция. Поэтому он сконструировал газовый термометр постоянного объёма. Термометры постоянного объёма не предоставляют способ избегания проблемы ненормального режима работы, например как при температуре воды около 4 °C.

Радиометрическая термометрия

Закон Планка очень точно, количественно описывают спектральную плотность мощности электромагнитного излучения внутри полости окруженной жесткой стенкой в теле, сделанной из материала, который совершенно непроницаем и плохо отражаем, когда он достигает термодинамического равновесия, в зависимости от абсолютной термодинамической температуры. Достаточно небольшое отверстие в стенке полости выделяет излучение абсолютно черного тела, спектральная плотность энергетической яркости которого может быть точно измерена. Стенки полости, при условии, что они совершенно непроницаемы и плохо отражаемы, могут быть из любого материала. Это предоставляет хорошо воспроизводимый абсолютный термометр очень хорошего диапазона температур, способный измерить абсолютную температуру тела внутри полости.

Первичные и вторичные термометры

Термометры можно разделить на две отдельные группы в зависимости от уровня знаний о физических основах, лежащих в законах термодинамики и неизвестных величин. Для первичных термометров измеряемое свойство вещества так хорошо известно, что температура может быть рассчитана без каких-либо неизвестных величин. Примерами таких термометров являются термометры, основанные на уравнении газового состояния. На скорости звука в газе, на тепловом шуме (шум Джонсона-Найквиста), напряжении или электрическом токе сопротивления. На излучении абсолютно черного тела и на угловой анизотропии гамма-излучения определенных радиоактивных ядер в магнитном поле. Первичные термометры являются достаточно сложными.

Вторичные термометры наиболее широко используются, потому что они удобны. Также, зачастую они гораздо более чувствительны, чем первичные. Для вторичных термометров знаний об измеряемом свойстве недостаточно, чтобы напрямую рассчитать температуру. Вопреки первичным термометрам, вторичные должны быть откалиброваны, по крайней мере, при одной температуре или ряде фиксированных температур. Такие фиксированные точки, например тройная точка (точка равновесия твёрдой, жидкой и газообразной фаз) и сверхпроводниковые переходы, воспроизводимо происходят при одинаковой температуре.

Калибровка

Термометры могут быть откалиброваны либо путем их сопоставления с другими калиброванными термометрами или путем их сверки с известными фиксированными точками на температурной шкале. Наиболее известными из этих фиксированных точек являются точка кипения и плавления чистой воды. Точка кипения воды варьируется при давлении, поэтому должен производиться контроль.

Традиционный метод нанесения шкалы на стеклянный жидкостный или жидкостный манометрический термометр происходил в три этапа:

  1. Помещают измерительную часть в перемешанную смесь чистого льда и воды при 1 стандартной атмосфере (101,325 килопаскаля, 760,0 мм рт. ст.) и отмечают точку, указанную во время теплового равновесия.
  2. Помещают измерительную часть в паровую ванну при 1 стандартной атмосфере (101,325 килопаскаля, 760,0 мм рт. ст.) и снова отмечают указанную точку.
  3. Разделают расстояние между этими точками на равные части в соответствии с используемой температурной шкалой.

Другими, ранее фиксированными точками, являлись температура человеческого тела (здорового взрослого мужчины) использованная Фаренгейтом в качестве верхней фиксированной точки (96 °F (36 °C) должно быть число, делящееся на 12) и наименьшая температура, получаемая при смешивании соли и льда, которая была первоначально определена как 0 °F (−18 °C). (Это пример охлаждающей смеси). Так температура тела варьируется. Шкала Фаренгейта позже была изменена - использование верхней фиксированной точкой кипения воды при 212 °F (100 °C).

Сейчас они заменены основными реперными точками в Международной шкале температур 1990, хотя на практике чаще используется температура плавления воды, чем ее тройная точка (точка равновесия твёрдой, жидкой и газообразной фаз). В настоящее время производители часто используют термостатную ванну или твердый блок, где поддерживается постоянная температура относительно калиброванного термометра. Другие термометры для калибровки кладут в те же ванные или блоки, пока не наступит равновесие, потом отмечается шкала или записываются какие-либо отклонения от масштаба. Для большинства современных устройств калибровка будет устанавливать некоторое значение, использующейся при преобразовании электрического сигнала в температуру.

Прецизионность, точность и воспроизводимость результатов

Прецизионность или разрешение термометра – это просто, до какой части градуса можно выполнить отсчёт показаний. Для высокой температуры работы, возможно измерить ближайшие 10 градусов и более. Медицинские термометры и многие электронные термометры обычно четки до 0,1 °C. Специальные инструменты могут предоставить показания до одной десятитысячной градуса. Тем не менее, прецизионность не означает правдивость или точность.

Термометры, которые откалиброваны на известных фиксированных точках (например, 0 и 100 °C) будут точны (т.е. предоставят правильный отсчет показаний) при этих температурах. Большинство термометров изначально калибруются при постоянном объеме газового термометра. В середине используется процесс обычно линейной интерполяции. Это может привести к существенным отличиям между различными типами термометров при температурах, далеких от фиксированных точек. Например, расширение стеклянного ртутного термометра немного отличается от изменения сопротивления платинового термометра сопротивления, поэтому они будут немного расходиться примерно в 50 °C. Могут существовать и другие причины из-за недостатков в приборе, например в стеклянном жидкостном термометре, если капиллярная трубка отличающаяся в диаметре.

Для различных целей важна воспроизводимость. Воспроизводимость измерения температуры означает, что процедуры сравнения, применяемые в научных экспериментах и технологических процессах, совместимы. Таким образом, если термометр такого же типа и откалиброван таким же способом, то его показания будут корректны, даже если он немного не точный по сравнению с абсолютной шкалой.

Примером образцового термометра используемого для проверки других термометров на промышленные стандарты, является платиновый термометр сопротивления с цифровым дисплеем до 0,1 ° C (его прецизионность), который был откалиброван при 5 температурах по национальным стандартам (−18, 0, 40, 70, 100 °C) и сертифицирован на точность равную ±0,2 °C.

В соответствии с Британскими стандартами правильно откалиброванные, используемые и обслуживаемые стеклянные жидкостные термометры достигают погрешности измерения равно ±0,01 °C в диапазоне от 0 до 100 °C, и высокую погрешность вне этого диапазона: ±0,05 °C до 200 или до -40 ° C, ±0,2 °C до 450 или до −80 °C.

Использование

Сконструированные термометры используют ряд физических эффектов для измерения температуры. Датчики температуры изольются в широком разнообразии научных и технических программах, особенно в измерительных системах. Температурные системы, в основном, бывают либо механическими, либо электрическими, иногда являясь неотъемлемой частью системы, которой они управляют (как в случае стеклянного ртутного термометра). Термометры используются на дорогах в климатах с холодной погодой, чтобы помочь определить существуют ли условия обледенения. В помещении термометры используются в системах контроля климата, таких как кондиционеры, морозильные установки, нагреватели, холодильники и водонагреватели. Термометры Галилея используются для измерения температуры воздуха в помещении из-за их ограниченного диапазона измерения.

Спиртовые термометры, инфракрасные термометры, стеклянные ртутные термометры, записывающие термометры, термисторы и термометры Сикса используются снаружи в областях, которые хорошо подвергаются элементам на различных уровнях атмосферы Земли и в океанах. Они необходимы в сферах метеорологии и климатологии. Авиационная техника использует термометры и гигрометры, чтобы определить существуют ли условия атмосферного обледенения на их траектории полета, а эти измерения используются для инициализации моделей прогноза погоды. Термометры используются в пределах дорог в климатах с холодной погодой, чтобы помочь определить, существуют ли условия обледенения, и в помещении в системах климат контроля.

Биметаллические стержневые термометры, термопары, инфракрасные термометры и термисторы удобны во время приготовления пищи, чтобы знать, правильно ли приготовлена пища. Температуры еды важны потому что, если она находится в окружении с температурой между 5 и 57 °C (41 и 135 °F) на протяжении четырех часов и больше, могут размножаться бактерии, приводя к болезням пищевого происхождения. Термометры используются при производстве сладостей.

Медицинские термометры, например, такие как стеклянные ртутные термометры, инфракрасные термометры и жидкокристаллические термометры используются в здравоохранении, чтобы определять есть ли у человека лихорадка или гипотермия.

Термохромные жидкие кристаллы также используются в кольцах настроения и в термометрах, использующихся для определения температуры воды в аквариумах.

Температурные датчики волоконной брэгговской решетки используются в атомно энергетическом оборудовании для контроля температур реактора и для избегания возможных аварий.

Термометр, сконструированный для исследования хранящихся продуктов, также иногда называется «температурной палочкой».

Различные типы термометров

  • спиртовой термометр
  • дифференциальный термометр Бекмана
  • биметаллический механический термометр
  • термометр кулоновской блокады
  • тепломер
  • жидкокристаллический термометр
  • фосфорная термометрия
  • пирометр
  • кварцевый термометр
  • ректальная термометрия
  • термометр сопротивления
  • опрокидывающийся термометр
  • термочувствительный элемент ширины запрещенной зоны кремния
  • температурная полоска
  • портативный термометр




© Авторы и рецензенты: редакционный коллектив оздоровительного портала "На здоровье!". Все права защищены.


 
Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений
Загрузить изображение
 

nazdor.ru
На здоровье!
Беременность | Лечение | Энциклопедия | Статьи | Врачи и клиники | Сообщество


О проектеКарта сайта β На здоровье! © 2008—2015
nazdor.ru, nazdor.com
Контакты Наш устав

Рекомендации и мнения, опубликованные на сайте, являются справочными или популярными и предоставляются широкому кругу читателей для обсуждения. Указанная информация не заменяет квалифицированную медицинскую помощь, основанную на истории болезни и результатах диагностики. Обязательно проконсультируйтесь с врачом.

Размещенные на сайте информационные материалы, включая статьи, могут содержать информацию, предназначенную для пользователей старше 18 лет согласно Федеральному закону №436-ФЗ от 29.12.2010 года "О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию".