Термометры

Термометр - это прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменениях однозначно зависящих от температуры и легко поддающихся определению разных физических свойств тел. Сегодня существует множество видов термометров, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях и в медицине.

Свое название термометр получил от греческих слов  θέρμη — тепло и μετρέω — измеряю. Первые термометры появились в конце 16 - начале 17 вв. (например, термоскоп Галилея, 1597), сам термин «термометр» - в 1636 году.

Действие термометров основано на изменениях однозначно зависящих от температуры и легко поддающихся определению разных физических свойств тел. Соответственно различают следующие наиболее, распространенные типы термометров: расширения, манометрические, сопротивления, термоэлектрические, магнитные, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.

Термометры расширения

Термометры расширения построены по принципу изменения объемов жидкостей (жидкостные термометры) или линейных размеров твердых тел (деформационные термометры). Действие жидкостных термометров основано на различиях коэффициентах теплового расширения рабочего вещества (ртуть, этанол, пентан, керосин, иные органические жидкости) и материала оболочки, в которой оно находится (термометрическое стекло либо кварц). Несмотря на большое разнообразие конструкций, эти термометры относятся к одному из двух основных типов: палочные и с вложенной шкалой . Особенно распространены ртутные стеклянные термометры, подразделяемые на образцовые, лабораторные  и технические. Среди приборов, заполненных органическими жидкостями и используемых лишь для измерения температур ниже –30 °С, чаще других применяют спиртовые термометры.

 Все жидкостные термометры используют обычно для локальных измерений температуры (от –200 до 600 °С) с точностью, определяемой ценой деления шкалы. Для образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы цена деления может достигать 0,01 °С. Точность измерений зависит от глубины погружения термометра в исследуемую среду: прибор следует погружать на глубину, при которой проводилась его градуировка. Достоинства этих термометров - простота конструкции и высокая точность измерений. Недостатки: невозможность регистрации и передачи показаний на расстояние; зависимость показаний от измерения объемов жидкости и резервуара, в котором она находится; тепловая инерционность; невозможность ремонта.

Разновидностью жидкостных приборов являются электроконтактные ртутные термометры, применяемые для регулирования температуры или сигнализации о нарушении заданного температурного режима в пределах от –30 до 300 °С. Платиновые контакты, впаянные в нижнюю часть капилляра, соединены с медными проводниками, которые через реле включены в цепь электрического нагревателя либо сигнализации. В момент соединения контактов столбиком ртути замыкается цепь реле, выключающего нагреватель или включающего сигнализацию.

Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на изменении давления рабочего вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его температуры. По конструкции манометрические термометры всех типов практически одинаковы и состоят из термобаллона, манометрической трубчатой пружины (одно- или многовитковой, в виде сильфона) и соединяющего их капилляра. При нагревании термобаллона, помещенного в зону измерения температуры, давление вещества внутри замкнутой системы возрастает. Это увеличение давления воспринимается пружиной, которая через передаточный механизм воздействует на стрелку прибора.

В зависимости от того, чем заполнены термобаллоны, различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры.

В газовых термометрах (обычно постоянного объема) изменение температуры идеального газа пропорционально изменению давления, под которым рабочее вещество (газ) полностью заполняет термосистему прибора. В диапазоне измеряемых температур (от — 120 до 600 °С) различия свойств идеальных и реальных газов учитываются при градуировке термометра.

В конденсационных (парожидкостных) термометрах измеряется давление насыщенного пара над поверхностью низкокипящей жидкости (например, ацетона) , заполняющей термосистему на 2/3 ее объема. Изменение этого давления непропорционально изменению температуры, поэтому такие приборы имеют неравномерные шкалы. Пределы измерений от -25 до 300 °С.

Манометрические термометры надежны в эксплуатации (хотя и отличаются запаздыванием показаний) и используются как показывающие, самопишущие и контактные технические приборы.

Термометры сопротивления

Измерение (с высокой точностью) температуры основано на свойстве проводников (металлы и сплавы) и полупроводников (например, оксиды некоторых металлов) изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. С ее повышением для проводников сопротивление увеличивается, для полупроводников - уменьшается. Количественно такая зависимость выражается температурным коэффициентом электрического сопротивления. Эти термометры состоят из чувствительного элемента (термоэлемента) и защитной арматуры.

Наиболее распространены проводниковые термометры с термоэлементами из чистых металлов. Конструктивно чувствительный элемент представляет собой металлическую проволоку, намотанную на жесткий каркас из электроизолирующего материала (напр., слюда, кварц) или свернутую в спираль, которая герметично помещена в заполненные керамическим порошком каналы каркаса. Платиновые термометры применяют для измерения температур в пределах от –260 до 1100°С, медные - от –200 до 200 °С. Платиновый либо медный чувствительный элемент, вставленный в гильзу (из бронзы, латуни или нержавеющей стали), на конце которой имеются выводы (клеммы) для присоединения к головке термометры, наз. термометрической вставкой. Последняя может входить в состав прибора либо использоваться отдельно как датчик температуры.

Полупроводниковые термометры, или терморезисторы, выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб или бусинок (размеры от нескольких мкм до нескольких см). Они обладают высоким температурным коэффициентом электрического сопротивления и, соответственно, большим начальным электрическим сопротивлением, что позволяет снизить погрешность измерений. Основные недостатки, ограничивающие широкое внедрение данных приборов в термометрию - плохая воспроизводимость их характеристик (исключается взаимозаменяемость) и сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от –60 до 180°С). Терморезисторы используют для регистрации изменений температуры в системах теплового контроля, пожарной сигнализации и др.

Технические термометры сопротивления работают в комплекте с измеряющими электрическое сопротивление вторичными приборами (например, автоматически уравновешенные мосты, логометры), шкалы которых градуированы непосредственно в °С.

Термоэлектрические термометры

Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектрические преобразователя и вторичного прибора. Термоэлектрический преобразователь (ТЭП, термопара - устаревшее) - цепь из двух  или нескольких соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Действие ТЭП основано на эффекте Зеебека: если контакты (как правило, спаи) проводников, или термоэлектродов, находятся при разных температурах, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс), значение которой однозначно определяется температурами «горячего», или рабочего, и «холодного», или свободного, контактов и природой материалов, из которых изготовлены термоэлектроды.

Проволочные термоэлектроды ТЭП помещают в стальной или керамический чехол, подключая свободные концы к выводам с крышкой; изолируют один от другого по всей длине от горячего спая керамическими изоляторами. Рабочий спай изолируют от чехла керамическим наконечником. Горячую часть ТЭП (со стороны рабочего спая) погружают в объект измерения температуры. Стандартные ТЭП имеют различные конструктивные исполнения. ТЭП широко используют в устройствах для измерений температуры в различных автоматизированных системах управления и контроля.

Пирометрические термометры

Пирометр — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

Несмотря на то, что по точности пирометры сильно уступают контактным датчикам температуры, они незаменимы там, где необходимо быстро и безопасно сделать отсчет температуры поверхности. Инфракрасные термометры применяются для диагностики тепловых и электрических линий передачи, источников тока, обнаружения неисправностей, вызванных утечками тепла, коррозией контактов и т.д. Данный вид приборов востребован также там, где трудно или невозможно использовать контактный датчик - для оценки температуры сильнонагретых движущихся объектов, мощных моторов и турбин, расплавленных металлов. Одним из самых новых применений инфракрасных термометров является медицинская диагностика.