Чем измерить температуру воздуха
Термометр и его разновидности
Термометр — это устройство, применяемое для измерения температуры. Его название произошло от двух греческих слов: «тепло» и «измеряю». Прибор позволяет фиксировать температуру разных сред: газов, жидкостей и твердых тел.
Все существующие термометры можно разделить на:
О каждом виде термометров и пойдет речь в статье. Но сначала об истории создания и о тех, кто создавал первые измерительные устройства.
История создания термометра
Считается, что первым человеком, который изготовил термометр, был итальянский физик эпохи Возрождения — Галилео Галилей. Хотя прямых доказательств этого нет. Однако об этом свидетельствовали последователи ученого, которые даже назвали год этого изобретения — 1597. Название у прародителя термометра было «термобароскоп» или «термоскоп».
Идея создания термоскопа пришла Галилею после изучения трудов греческого математика, жившего в I в.н.э, Герона Александрийского. Изначальным замыслом не предусматривалось измерение температуры. Устройство использовалось, чтобы демонстрировать подъем воды в зависимости от нагревания воздуха.
Термоскоп изготавливался из стеклянной трубки, полой, с одной стороны, и с припаянным шариком, с другой. Работало устройство следующим образом:
Измерить термоскопом температуру было невозможно. Он не был градуирован, да и уровень подъема воды зависел не только от степени нагрева воздуха, но и от окружающего давления. Почти через 60 лет после смерти Галилея (в 1657 году) его термоскоп усовершенствовали ученые из Флоренции.
Термоскопу добавили шкалу-бусины и герметично запаяли трубку, удалив из нее воздух, залив внутрь спирт и перевернув. До того, как стали использовать винный спирт, трубки лопались при замерзании воды. То, что именно спирт позволит сохранить целостность колбы при отрицательных температурах, предположил Фердинанд II — тосканский герцог. С 1654 года мастера стали заливать в термоскопы алкоголь.
Сосуд стал не нужен для работы прибора, поэтому от него избавились. В зависимости от температуры воздуха, бусины поднимались или опускались. А в качестве исходных точек для измерения использовали отметки, сделанные в самый жаркий и самый холодный дни года.
Наряду с Галилеем, первенство в создании устройств, которые фиксировали изменения температуры окружающего воздуха приписывают:
Хотя де Косс был лично знаком с Галилеем, поэтому мог увидеть его изобретение. Устройства других исследователей тоже были созданы по принципу термоскопа и зависели от температуры, так же, как и от атмосферного давления.
Впервые жидкостный термометр был описан флорентийцами в 1667 году. Сохранилось описание процедуры изготовления стеклянных колб стеклодувами. Этих мастеров называли «Confia». Несколько экземпляров флорентийских термометров можно и сегодня увидеть в музее Галилея. Эти устройства довольно большие по своим размерам и не отличаются точностью показаний. Хотя самые опытные мастера уже тогда умели так наносить шкалу градусов, что их термоскопы показывали одинаковую температуру. Измерить ими, что то еще, кроме температуры воздуха, было невозможно.
Следующим ученым, внесшим вклад в эволюцию термометра, стал французский ученый Гийом Амонтон, живший в 1663–1705 гг. Он стал измерять степень увеличения упругости воздуха, а не его расширение. Свои опыты Амонтон проводил, используя открытую трубу, изогнутую к нижней части и переходящую в замкнутую круглую полость. Подливая в трубку ртуть, ученый фиксировал изменения объема воздуха в зависимости от температуры.
Второй термометр Амонтона был герметичен и независим от окружающего давления. Его устройство включало в себя коленчатую трубку с раствором углекислого калия и нефтью, которая заканчивалась резервуаром с воздухом. Но этому сифонному барометру было еще очень далеко до совершенства современных термометров.
Тем, как выглядит современный термометр мы обязаны германскому ученому 18 века Габриэлю Фаренгейту. Начав с заполнения трубок спиртом, позднее он стал заполнять их ртутью. Фаренгейт установил ноль своей шкалы на отметке температуры смеси поваренной соли или нашатыря со снегом. Сделав градуирование, Фаренгейт установил, что вода начинает кипеть при 212⁰, а замерзает при 32⁰. Температура человеческого тела, при помещении термометра под мышку, составила 96⁰.
Метеоролог из Швеции Андерс Цельсий поставил точки кипения воды и таяния льда совсем не так, как это выглядит на современных градусниках. По его шкале вода закипала при 0⁰, тогда как лед начинал таять при 100⁰. Последователям оставалось лишь перевернуть шкалу, чтобы она приняла сегодняшний вид. Сделали это шведские ученые Карл Линней и Мортен Штремер. Кроме изобретения своей шкалы, Цельсий предсказал, что температура кипения воды может отличаться в зависимости от расположения местности относительно уровня моря. Зная этот уровень предполагалось проводить калибровку измерительных приборов.
Бытует мнение, что шкала должна называться именем Штремера и носит имя Цельсия из-за ошибки, допущенной химиком Иоганном Якобом в своей научной работе.
Еще одним человеком, оставившим след в истории создания измеряющего температуру устройства, является француз Рене Антуан Реомюр. Его работы стали причиной появления шкалы, градуированной в 80⁰. Несмотря на большой вклад в науку, прибор Реомюра не получил распространения и стал своеобразным шагом назад по сравнению с устройствами Фаренгейта. Фаренгейт и Реомюр стали последними, кто самостоятельно изготавливали свои термометры. После них этим стали заниматься ремесленники, зарабатывавшие на продажах устройств измерения температуры.
Виды термометров
Как уже говорилось, все термометры можно классифицировать в зависимости от устройства и принципа работы на жидкостные, механические, газовые, оптические, электронные.
Жидкостные
В принцип действия жидкостных термометров, как это понятно из их названия, заложено изменение объема жидкости, заполняющей столбик устройства, при понижении или повышении окружающей температуры. В качестве жидкости, чаще всего, используется ртуть или спирт. Кроме спиртов и ртути, применяют также:
Наиболее характерным жидкостным термометром является обычный градусник для измерения температуры тела. Подобные устройства можно встретить у многих людей, которым интересна температура в комнатах или в других помещениях, например, в сауне. Используются они и для термометрии на открытом воздухе.
В связи с тем, что ртуть представляет опасность для здоровья, ее использование постепенно подпадает под запрет. Сейчас в термометрах начинают использовать другие жидкие металлы и их сплавы, например, галистан, в в состав которого входят:
Такой наполнитель идеально подходит для замеров тел с высокой температурой. На замену ртутным градусникам все чаще приходят другие типы устройств, в том числе механические и электронные.
Механические
Такие термометры используют в качестве индикатора стрелку, закрепленную на спиральной пружине или биметаллической ленте. В зависимости от температуры пружина скручивается или разжимается, и стрелка движется вдоль шкалы с градусами. Такие градусники не отличаются точностью показаний и используются обычно в быту, когда максимальная точность не особо важна.
Следующей разновидностью являются газовые приборы.
Газовые
Устройства, использующие для определения температуры газов, основаны на принципе, изложенном в законе Шарля. В соответствии с ним в газах, остающихся в одном объеме, повышается давление при их нагревании. И, наоборот, давление газообразного вещества снижается, если оно остывает.
Исходя из установленной пропорции и замеряя повышение или понижение давления идеального газа, можно определить температуру измеряемой среды или вещества. Наиболее точные показания выдает термометр, где рабочим веществом является водород или гелий.
Оптические
Пожалуй, одними из самых востребованных на сегодня устройств измерения температуры являются оптические термометры. Они позволяют делать замеры на расстоянии, не соприкасаясь с телом или предметом измерения.
К такому виду относятся инфракрасные термометры, применяемые в медицине. Они улавливают тепловые, инфракрасные, лучи и, после их электронной обработки, выдают на дисплей температурный показатель. Своим принципом работы такие устройства схожи с тепловизорами, но отличаются более высокой точностью.
Еще одним поводом к тому, что такие приборы становятся все более востребованными, стал запрет на ртутные градусники. Уже с 2030 года в нашей стране будет запрещено использовать устройства для измерения температуры с ртутью в качестве рабочего вещества.
Электронные
Электронные термометры показывают температуру, оценивая изменение электрической сопротивляемости проводника, которая зависит от степени его нагрева. В более широкодиапазонных устройствах применяется термопара.
При этом учитывается разность потенциалов на контактах металлических проводников с отличающейся электроотрицательностью. Контактная разность меняется в зависимости от окружающей температуры. Самыми точными устройствами признаны те, в которых используется платиновая проволока или керамика с платиновым напылением.
Кроме приведенных устройств выделяют еще технические термометры, а также приборы для фиксации максимальной и минимальной температуры.
Технические термометры
Технические термометры нашли свое применение в различных сферах промышленности, начиная с сельскохозяйственной и заканчивая тяжелым машиностроением.
Среди них выделяют:
В зависимости от способа фиксации показателей, приборы измерения температуры могут классифицироваться как:
Примером максимального термометра служит градусник для измерения температуры тела. После того, как ртуть или жидкость поднимается по шкале, она остается на максимальном уровне, а не опускается вниз. Минимальные устройства фиксируются на минимуме температуры. Нефиксируемые изменяют свои показания в зависимости от интенсивности прогрева или остывания среды измерения.
Видео по теме
8 градусников: электронные, ртутные, модные. Кто меряет точнее
Но не все градусники одинаково полезны. Разберёмся, чем они отличаются друг от друга.
И работают ли вообще.
Традиционные градусники: ртутные и спиртовые
Цена: 100-200 рублей
Сердце такого жидкостного градусника – тонкая стеклянная трубка, запаянная с двух сторон. На одном конце трубки создано утолщение, заполненное ртутью или подкрашенным спиртом. Реже используют пентан, толуол, сероуглерод, ацетон, галлий.
Воздуха внутри трубки нет. Его откачали, чтобы создать вакуум. Так жидкости проще расширяться при изменении температуры, и показания в результате точнее.
Между трубкой и резервуаром есть узкое место. Такая конструкция не дает ртути или спирту двигаться обратно после того, как вы измерили температуру. Жидкость, конечно, вернется на место, но не сразу.
Если разобьется спиртовой градусник, достаточно просто аккуратно смести осколки. С ртутными градусниками сложнее.
Нужно собрать шарики ртути, накатывая их на фольгу или на бумагу. Другой вариант – собрать капли шприцем без иглы в банку с водой либо с раствором марганцовки, плотно закрыть её и отнести в пункт утилизации (обычно они есть в крупных поликлиниках).
Это самые точные градусники, которые вы можете купить сегодня. Ни один другой вариант, увы, не превзошёл эти два типа градусников.
К слову, с 2020 года ртутные градусники планировали запретить. Но пока в аптеках их ещё можно встретить.
Электронные градусники
Цена: 300-500 рублей
В основе такого термометра – терморезистор. Это металлический датчик, сопротивление которого меняется с повышением или снижением температуры.
Проводник нагревается постепенно. Когда градусник в течение определенного времени не регистрирует изменений температуры, он издает звуковой сигнал.
После “писка” стоит подержать градусник под мышкой ещё 2-3 минуты. За это время температура может подняться на 0,5-1 градус. Во рту контакт с датчиком плотнее, поэтому температура измеряется быстрее.
Показатели оцифровываются и показываются на экране. Особенно удобно, если экран с подсветкой.
Для малышей выпускают электронные градусники-соски. Также есть продвинутые модели, которые могут передавать данные на смартфон или ПК.
Обычно электронные градусники работают от батареек. Если термометр не включается, на экране нет индикации, проверьте, не пора ли заменить элемент питания.
Самые точные электронные градусники – с платиновыми датчиками. Они допускают погрешность до 0,1 градуса Цельсия.
Но в масс-маркете в основном продаются варианты из никеля или меди. Они дешевле, но и не так точны.
Термополоски
Термополоска, или термотест – идеальный градусник в дорогу. Она компактная, легкая, поместится в косметичке или в кошельке: размеры – около 2х10 см, толщина – до 1 мм.
Обычно на термополоски нанесены крупные деления. Есть и варианты попроще: с зонами для пониженной, нормальной и повышенной температуры.
Основа термополоски – пленка, покрытая слоем кристаллом. Кристаллы меняют цвет под воздействием температуры.
Термополоски многоразовые. Измерение температуры занимает 10-15 секунд. Многие малыши даже не просыпаются при этом.
Но точность у таких градусников невысока. На результат влияет слишком много факторов: от освещенности и плотности приклеивания до активности потоотделения на коже.
Инфракрасные градусники
Цена: 2-7 тыс. рублей
Инфракрасные термометры позволяют измерять температуру без контакта с человеком или животным. Это ускоряет процесс и снижает риск передачи инфекции.
Обычно датчик направляют на ушную раковину или на лоб. Процесс чем-то напоминает сканирование штрих-кодов на кассе в супермаркете.
В аэропортах, на вокзалах и в транспорте сейчас пользуются именно инфракрасными градусниками. Результат сразу виден на LCD-экране, так что можно быстро выявить в потоке людей потенциально заболевших.
Инфракрасными градусниками можно измерить и температуру поверхностей. Или, к примеру, горячего чая или супа.
Но точность измерений будет отличаться: от 0,1-0,4 градуса Цельсия для температуры человеческого тела до 1-3 градусов для других измерений.
Инфракрасные термометры известных производителей медтехники точнее китайского ноунейма. Но производители гаджетов тоже выходят на рынок: к примеру, Xiaomi с Mi Mijia iHealth.
Тепловые камеры для смартфонов
Цена: 500-5 тыс. рублей
Инфракрасные датчики под разъемы microUSB, Lightning и 3,5 мм предлагаются и на Aliexpress, и в магазинах гаджетов и аксессуаров. По сути, это инфракрасные градусники, которые измеряют тепловое излучение на коже и передают данные на смартфон.
Как правило, цена и точность таких аксессуаров тесно связаны. Перед покупкой поищите отзывы и обзоры конкретной модели.
Тепловизоры
Цена: 50-300 тыс. рублей, прокат – 5-10 тыс. рублей в день
Тепловизор – это специальный прибор, который выводит картинку распределения температур по определенной поверхности. Это явно не игрушка для домашнего пользования, а гаджет военного и промышленного назначения.
В основе работы тепловизора лежит закон Планка: все тела, температура которых выше абсолютного нуля, излучают тепловое электромагнитное излучение. Длина волны излучения и спектральная плотность его мощности зависят от температуры тела.
Температурную карту тепловизор выводит на экран в режиме реального времени. Распределение цветов зависит от настройки прибора.
Обычно горячие объекты показываются красным, холодные синим или фиолетовым. Это удобно при сканировании больших пространств: например, самый “красный” человек в толпе – потенциально заразившийся. Немало и моделей с черно-белым экраном (белый – горячий, черный – холодный).
Теоретически реальную температуру объекта для тепловизора можно замаскировать. Например, одеждой или слоями теплоизоляции. Это позволит выдать 37,8 градусов Цельсия за 36,6, но не спрятаться в степи. Хотя с лицом всё равно придется что-то делать.
Смартфоны с тепловизорами
Цена: от 20 тыс. рублей
Переходим в тяжелой артиллерии. Компания FLIR в 2014 году выпустила специальный чехол-тепловизор The FLIR One для iPhone 5 и iPhone 5S. В него вмонтировали камеры, а картинку с тепловым распределением выводили на экран iPhone через приложение.
Тепловизор работал от собственной батареи и даже писал видео. Разрешение тепловизионной камеры составляло 60х80 точек, обычной – 640х480 точек. Картинки сводились, чтобы получить более-менее понятное изображение.
Цена гаджета в США – около 350 долларов. В России предлагали дороже – за 24 тыс. рублей. Но сейчас чехлов нет в наличии.
Позднее FLIR совместно с Caterpillar представила смартфон CAT S60 с тепловизором. Это реально неубиваемый танк, который неплохо справляется с задачей. Цена – от 25 тыс. рублей, но варианты в наличии придется поискать.
Есть также насадки-тепловизоры Seek Thermal Compact и Compact Pro. Это аксессуары для Lightning- или microUSB-разъема, которые превращают любой смартфон в тепловизор. Мощность, понятное дело, гораздо ниже, чем у военных моделей, но и цена – от 20 тыс. рублей.
Итого. Чем они отличаются
Самые точные и недорогие – обычные градусники из аптеки. Желательно спиртовые, они безопаснее ртутных. Но температуру они измеряют 5-10 минут.
Электронные термометры измеряют температуру быстрее спиртовых и ртутных, но недостаточно точны. И батарейки придется вовремя менять.
Термополоски удобно брать с собой в дорогу, они дешевые и многоразовые. Полоски за 10-15 секунд покажут, что температура повысилась. Хоть и неточно.
Инфракрасные градусники измерят температуру за 1-2 секунды. Но дешевые модели могут ошибаться на пару градусов. Читай, деньги на ветер.
А тепловизоры скорее для военных, строителей и представителей Минздрава. Дорого, зато картинка в режиме реального времени и возможность найти самых «горячих» людей в толпе.
Как измеряется температура воздуха?
Для того чтобы снять показания температуры воздуха необходимо использовать обыкновенный или электронный терметр. Однако, для того чтобы получить максимально точные результаты необходимо учесть некоторые важные детали их конструкции. Если не следовать строгим приписным истинам, то вероятнее всего вы измерите температуру близлежащих предметов, самого градусника, но никак не истинную температуру воздуха.
Для того чтобы получить более точные данные по температуре воздуха, как внутри, так и снаружи помещения можно использовать цифровые метеостанции. Кстати, эти современные приборы передают данные о влажности и атмосферном давлении воздуха.
Как измерять температуру?
При помощи спиртового градусника
Если Вы расположили градусник правильно, подождите еще 10 минут. Тепловая инерция такого градусника очень высокая, поэтому до считывания показаний придется немного подождать.
Учтите: погрешность спиртового термометра может составлять 3-4 градусы Цельсия.
Ртутные бытовые термометры
Для получения показаний термометр необходимо расположить так же, как и спиртовой измеритель температуры. При этом помните, что жидкостные баллоны измерителей температуры ни в коем случае не должны касаться каких-либо предметов.
В случае если необходимо измерить температуру воздуха снаружи, необходимо изначально открыть окно. Затем закрепить термометр на раму. Баллон термометра ни в коем случае не должен соприкасаться со стеклом. Термометр необходимо закрыть от прямого попадания солнечных лучей. Не рекомендуется устанавливать измеритель температура с южной стороны. Более того, расстояние от окна или стены до термометра не должно быть меньше одного метра.
Электронный термометр
При помощи данного современного устройства измерить температуру можно практически мгновенно. При этом на продажу представлено большое количество моделей термометров, которые подойдут каждому пользователю. Стоит помнить, что при измерении не стоит касаться датчика прибора, иначе он может выйти из строя.
Цифровая метеостанция
Если Вы всегда хотите получать точные температурные данные и не желаете заморачиваться по поводу тех или иных условий для измерения температуры – цифровая метеостанция, это именно то, что Вам нужно. Она с высокой точностью отображает данные о влажности воздуха, атмосферном давлении, температуре воздуха и даже предоставляет прогноз погоды. Домашняя метеостанция имеет также часы и календарь. В основе устройства имеются цифровые датчики, поэтому все данные предоставляются с каждым изменением температуры.
Приборы, измеряющие температуру: виды и принцип действия
Большинство технологических процессов корректно проходят только при определенной температуре. Кроме того, измеряемые температурные показатели помогают определять, насколько корректно используется затрачиваемая энергия.
Иными словами, это — та величина, которую нужно постоянно контролировать. Все виды приборов для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Также они классифицируются по материалам, принципам и способам действия.
Виды термометров по принципу действия
Процесс измерения температуры может основываться на разных физических процессах. Исходя из этого, выделяют 5 видов термометров.
Контактные
К этой категории относятся жидкостные и механические устройства. Жидкостные представляют собой приборы в стеклянном корпусе, заполненные спиртом, ртутью, толуолом или керосином. Они прочные и устойчивые к внешним воздействиям. Температурный диапазон измерений зависит от типа используемой жидкости (наибольший — у ртутных, наименьший — у цифровых).
Механические могут работать с разными типами сред, включая жидкостные, газообразные, твердые или сыпучие. Универсальность позволяет использовать их в разных инженерных системах.
Термометры сопротивления
Такие термометры состоят из чувствительных термодатчиков и точных электронных блоков, контролирующих изменения проводимости, сопротивления и электрического потенциала. Обычно их встраивают в общую систему мониторинга и оповещения, туда, где нужно отслеживать меняющиеся параметры и не допускать их превышения.
Электронные термопары
При нагревании эти приборы генерируют ток, что и позволяет измерять температуру. Принцип действия основан на замерах термоэлектродвижущей силы. Диапазон измерений в этом случае — от 0 до +1800 градусов.
Манометрические
Бесконтактные пирометры
Виды термометров по используемым материалам
Здесь различают 7 категорий:
Компания «Измеркон» предлагает как разные виды термометров, так и комбинированные устройства, в том числе манометры-термометры или гигрометры-термометры для автономной работы с энергонезависимой памятью, обеспечивающей постоянную фиксацию результатов измерений.