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.

Источник

Методы и приборы для измерения температуры

Что такое температура

Измерение температуры — предмет теоретической и экспериментальной дисциплины — термометрии, часть которой, охватывающая температуры свыше 500° С, называется пирометрией.

Наиболее общее строгое определение понятия температуры, следующее из второго начала термодинамики, формулируется выражением:

где Т — абсолютная температура изолированной термодинамической системы, d Q — приращение тепла, сообщаемого этой системе, и d S — приращение энтропии этой системы.

Приведенное выражение интерпретируется следующим образом: температура есть мера приращения тепла, сообщенного изолированной термодинамической системе и соответствующего приращению энтропии системы, происходящему при этом, или, иначе говоря, возрастанию неупорядоченности ее состояния.

В статистической механике, описывающей фазы системы с учетом микропроцессов, протекающих в макросистемах, понятие температуры определяется через выражение распределения частиц молекулярной системы между рядом невырожденных энергетических уровней (распределения Гиббса).

Такое определение (согласующееся с предыдущим) подчеркивает вероятностный, статистический аспект понятия температуры как основного параметра микрофизической формы передачи энергии от одного тела (или системы) к другому, т. е. хаотического теплового движения.

Малая наглядность строгих определений понятия температуры, справедливых к тому же только для термодинамически равновесных систем, привела к широкому распространению «утилитарного» определения, исходящего из существа явления передачи энергии: температура — это тепловое состояние тела или системы, характеризующееся его способностью обмениваться теплом с другим телом (или системой).

Эта формулировка применима и к термодинамически неравновесным системам, и (с оговорками) к психофизиологическому понятию «сенсорной» температуры, непосредственно воспринимаемой человеком с помощью органов термического осязания.

«Сенсорная» температуpa субъективно оценивается человеком непосредственно, но лишь качественно и в относительно узком интервале, физическая же температуpa измеряется количественно и объективно, с помощью измерит, приборов, но только косвенно — по значению какой-либо физической величины, зависящей от измеряемой температуры.

Поэтому в последнем случае устанавливают какое-либо опорное (реперное) состояние выбранной для этой цели температурозависимой физической величины и приписывают ему некоторое определенное числовое значение температуры с тем, чтобы любое изменение состояния выбранной физической величины относительно опорного могло быть выражено в единицах температуры.

Совокупность значений температуры, соответствующих ряду последовательных изменений состояния (т. е. ряду значений) выбранной температурозависимой величины, образует температурную шкалу. Наиболее распространенные температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, Кельвина и Ранкина.

Температурные шкалы Кельвина и Цельсия

Оказалось, что она в большой степени зависит от атмосферного давления. Цельсий предложил оговорить давление при градуировке шкалы и весь температурный диапазон разбил на 100, но отметку 100 присвоил точке таяния льда. Позднее швед Линней или немец Штрёмер (по разным источникам) поменяли обозначения опорных точек.

Так появилась широко применяемая теперь температурная шкала Цельсия. Ее калибровка производилась при нормальном атмосферном давлении 1013,25 гПа.

Температурные шкалы создавались Фаренгейтом, Реомюром, Ньютоном (последний неосторожно выбрал опорной точкой температуру тела человека. Что ж, и великие ошибаются!) и многими другими. Они не выдержали испытания временем.

Температурная шкала Цельсия принята на I Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 г. В настоящее время градус Цельсия — официальная единица измерения температуры, установленная Международным комитетом мер и весов, но с некоторыми уточнениями в определении.

Согласно приведенным доводам нетрудно заключить, что температурная шкала Цельсия не является плодом деятельности одного человека. Цельсий был лишь одним из последних участвовавших в ее разработке исследователей и изобретателей. До 1946 г, шкала называлась просто стоградусной. Только тогда Международный комитет мер и весов присвоил градусу стоградусной шкалы наименование «градус Цельсия».

Несколько слов о рабочем теле термометров. Первые создатели приборов естественно стремились расширить их рабочий диапазон. Единственный жидкий металл в обычных условиях — ртуть.

Созданные термометры годились для измерения температур от —100 до +300° С, что было достаточно для решения большинства практических задач. Например, минимальная температура воздуха —89,2° С (станция Восток в Антарктиде), а максимальная +59° С (пустыня Сахара). Большинство процессов тепловой обработки водных растворов проходило при температурах, не превышающих 100° С.

Основной единицей измерения термодинамической температуры и одновременно одной из основных единиц Международной системы единиц (СИ) является градус Кельвина.

Размер (температурный промежуток) 1 градуса Кельвина определяется тем, что значение термодинамической температуры тройной точки воды установлено равным в точности 273,16°К.

Эта температура, при которой вода равновесно сосуществует в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной, принята в качестве основного репера вследствие ее высокой воспроизводимости, на целый порядок лучшей, чем воспроизводимость температур замерзания и кипения воды.

Измерение температуры тройной точки воды — задача технически довольно сложная. Поэтому в качестве репера она была утверждена только в 1954 г. на X Генеральной конференции по мерам и весам.

Градус Цельсия, в единицах которого также может быть выражена термодинамическая температура, по своему температурному промежутку в точности равен градусу Кельвина, но числовое значение любой температуры в градусах Цельсия на 273,15 градусов больше значения той же температуры в градусах Кельвина.

Размер 1 градуса Кельвина (или 1 градуса Цельсия), определенный из числового значения температуры тройной точки воды, при современных точностях измерения не отличается от его размера, определенного (что было принято ранее) как сотая доля температурного промежутка между точками замерзания и кипения воды.

Классификация методов и приборов для измерения температуры

Измерение температуры тела или среды может быть осуществлено двумя принципиально различными косвенными путями.

Первый путь ведет к измерению значений одного из температурозависимых свойств или параметров состояния непосредственно самого тела или среды, второй — к измерению значений температурозависимых свойств или параметров состояния вспомогательного тела, приведенного (прямо или косвенно) в состояние теплового равновесия с телом или средой, температуpa которых измеряется.

Вспомогательное тело, служащее для этих целей и являющееся датчиком комплектного прибора для измерения температуры, называется термометрическим (пирометрическим) зондом, или термоприемником. Поэтому все методы и приборы для измерения температуры разделяются на две принципиально различные группы: беззондовые и зондовые.

Термоприемник или какое-либо вспомогательное устройство прибора может быть приведено в прямое механическое соприкосновение с телом или средой, температура которых измеряется, или же между ними может осуществляться лишь «оптический» контакт.

В зависимости от этого все методы и приборы для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Наибольшее практическое значение имеют зондовые контактные и бесконтактные методы и приборы.

Погрешности при измерении температуры

Всем контактным, в первую очередь зондовым, методам измерения температуры, в отличие от других методов, свойственны т. н. тепловые или термические методические погрешности, обусловленные тем, что комплектный зондовый термометр (или пирометр) измеряет значение температуры только чувствительной части термоприемника, усредненное по поверхности или объему этой части.

Между тем эта температура, как правило, не совпадает с измеряемой потому, что термоприемник неизбежно искажает температурное поле, в которое его вносят. При измерении установившейся постоянной температуры тела или среды между ним и термоприемником устанавливается определенный режим теплообмена.

Постоянная разность температур термоприемника и измеряемой температуры тела или среды характеризует статическую термическую погрешность при измерении температуры.

Если измеряемая температуpa изменяется, то термическая погрешность оказывается функцией времени. Такую динамическую погрешность можно рассматривать как состоящую из постоянной части, эквивалентной статической погрешности, и переменной части.

Последняя возникает потому, что при всяком изменении теплообмена между телом или средой, температура которых измеряется, новый режим теплообмена устанавливается не сразу. Обусловленное отставанием искажение показаний термометра или пирометра, являющееся функцией времени, характеризуется тепловой инерцией термоприемника.

Тепловые погрешности и тепловая инерция термоприемника зависят от тех же факторов, что и теплообмен между телом или средой и термоприемником: от температур термоприемника и тела или среды, от их размеров, состава (а значит и свойств) и состояния, от конструкции, размеров, геометрической формы, состояния поверхности и свойств материалов термоприемника и окружающих его тел, от их взаиморасположения, от того, по какому закону изменяются во времени измеряемая температура тела или среды.

Тепловые методические погрешности при измерении температуры, как правило, в несколько раз превосходят инструментальные погрешности термометров и пирометров. Их снижение достигается применением рациональных методик измерения температуры и конструкций термоприемников и целесообразным монтажом последних на местах применения.

Улучшение теплообмена термоприемника и среды или тела, температура которых измеряется, достигается форсированием полезных и подавлением вредных факторов теплообмена.

Например, при измерении температуры газа в замкнутом объеме увеличивают конвективный теплообмен тероприемника с газом, создавая искусств, быстрое обтекание газом термоприемника («отсосная» термопара), и снижают лучистый теплообмен со стенками объема, экранируя термоприемник («экранированная» термопара).

Для снижения тепловой инерции в термометрах и пирометрах с электрическим выходным сигналом применяют также специальные схемы, искусственно сокращающие время нарастания сигнала при быстром изменении измеряемой температуры.

Бесконтактные методы измерения температуры

Возможность применения контактных методов при измерениях определяется не только искажением контактным термоприемником измеряемой температуры, но также реальными физическими и химическими характеристиками материалов термоприемника (коррозионной и механической стойкостью, жаропрочностью и т. д.).

Бесконтактные методы измерения свободны от этих ограничений. Однако важнейшим из них, т.е. основанным на законах температурного излучения, присущи особые погрешности, обусловленные тем, что используемые законы в точности справедливы лишь для абсолютно черного излучателя, от которого по свойствам излучения более или менее значительно отличаются все реальные физические излучатели (тела и среды).

В соответствии с законами излучения Кирхгофа любое физическое тело излучает энергии меньше, чем черное тело, нагретое до той же температуры, что и физическое.

Поэтому прибор для измерения температуру, отградуированный по черному излучателю, при измерении температуры реального физического излучателя покажет температуру, меньшую действительной, а именно такую, при которой свойство черного излучателя, использованное при градуировании (энергия излучения, его яркость, его спектральный состав и т. п.), совпадает по своему значению со свойством физического излучателя при данной действительной его температуре, подлежащей определению. Измеренная заниженная псевдотемпература называется черной температурой.

Различные методы измерения приводят к различным, как правило, не совпадающим черным температурам: пирометр радиационный показывает интегральную или радиационную, пирометр оптический — яркостную, пирометр цветовой — цветовую черные температуры.

Переход от измеренных черных к действительным температурам осуществляется графически или аналитически, если известна излучательная способность объекта, температуpa которого измеряется.

Излучательной способностью называется отношение значений используемого для измерения свойства излучения физического и черного излучателей, имеющих одинаковую температуру: при радиационном методе излучательная способность равна отношению суммарных (по всему спектру) энергий, при оптическом — спектральная излучательная способность равна отношению спектральных плотностей энергетической яркости. При прочих равных условиях наименьшие погрешности от нечерноты излучателя дает пирометр цветовой.

Радикальное решение задачи измерения лучистыми методами действительной температуры нечерного излучателя достигается искусств, созданием для него условий, превращающих его в черный излучатель (например, помещением его в практически замкнутую полость).

В некоторых частных случаях возможно измерение действительной температуры нечерных излучателей обычными пирометрами излучения при применении особых методик измерения температуры (например, подсветки, в лучах трех длин волн, в поляризованном свете и др.).

Распространенные приборы для измерения температуры

Громадный диапазон значений измеряемых температур и неисчерпаемое количество различных условий и объектов измерения обусловливают чрезвычайное разнообразие и многочисленность методов и приборов для измерения температуры.

Самые распространенные приборы для измерения температуры:

Самые популярные электрические приборы для измерения температуры:

Приборы многих видов, перечисленные выше, используются для измерений различными методами. Например, термоэлектрический термометр используется:

Вместе с тем многие методы измерения температуры могут быть реализованы приборами различных видов.

Так, например, температуpa наружного и комнатного воздуха может быть измерена приборами по меньшей мере 15 видов. На фотографии — биметаллический термометр.

Самый большой в мире термометр в Бейкере, Калифорния

Применение приборов для измерения температуры:

Источник

Как выбрать самый точный термометр и правильно измерять температуру?

Зачем нужен термометр?

Термометр в самом общем смысле – это прибор для измерения температуры тела, воды, почвы, воздуха и других показателей. Нас интересует первый вид термометра, в народе именуемый градусником.

Конструкцию первого термометра разработал в 1592 году Галилео Галилей. Однако прибор не имел шкалы, поэтому определить точную температуру было невозможно. Лишь в XVIII веке немецкий учёный Даниель Габриель Фаренгейт изобрёл ртутный термометр со шкалой, которым мы пользуемся до сих пор. Правда, в наших широтах распространён термометр, в котором используются величины в градусах Цельсия.

Принцип действия медицинского термометра для измерения температуры тела основан на способности жидкостей к расширению: при возрастании температуры ртутный столбик ползёт вверх. Градусник достаточно точен в своих показателях, его погрешность составляет всего 0,1 градус по Цельсию.

Но идеальная, казалось бы, ртутная шкала имеет и недостатки. Пары ртути опасны для человека – хрупкое стекло градусника может легко разбиться, а вредный реактив – вытечь наружу.

Среди более современных приборов стоит отметить электронные, галинстановые, инфракрасные. Рассмотрим плюсы и минусы каждого из них, расскажем, как выбрать лучший термометр и как измерять температуру правильно.

Как правильно измерять температуру тела?

Пользоваться медицинским термометром можно разными способами:

Как измерять температуру тела у взрослых

Самый привычный и достаточно точный способ измерения температуры тела взрослого человека – под мышкой. Но можно также произвести замеры, поместив градусник под язык или за щёку, а инфракрасный термометр направить в ушной проход.

Измерение температуры тела под мышкой

Измерение температуры тела перорально

Измерение температуры тела в ухе

Как измерить температуру тела ребёнка

Младенцев сложно заставить сидеть неподвижно, удерживая градусник под мышкой, поэтому к ним часто применяют ректальный метод. Конечно, это не самая приятная процедура для малыша, но таким образом можно измерить температуру очень точно. При проведении этой манипуляции нужно быть крайне осторожным.

Инструкция по ректальному измерению температуры

Для детей постарше (4-5 лет) подойдёт пероральный способ измерения температуры тела. Проводить это лучше всего безртутным или электронным медицинским термометром.

Инструкция по пероральному измерению температуры тела

Сколько нужно держать градусник под мышкой?

Самыми популярными у россиян, несмотря на свои серьёзные недостатки, являются ртутные термометры. Многие используют их по старинке, даже не задумываясь о покупке более современной модели. Но у этого прибора есть и существенный плюс – высокая точность. Однако чтобы получить корректные показания термометра, следует знать, сколько нужно держать ртутный градусник под мышкой. Медики говорят, что оптимальное время составляет около 5 минут.

Безртутный медицинский термометр, наполненный металлическим сплавом галинстаном, обычно держат под мышкой 3-5 минут. Инфракрасному прибору требуется максимум полминуты. Современный цифровой градусник покажет температуру за период от 10-20 секунд до 3 минут в зависимости от модели – ориентируйтесь на прилагаемую инструкцию. Теперь, когда вы знаете, сколько держать градусник под мышкой, перейдём к обзору разных термометров, представленных на рынке.

Виды термометров

Температура – важный показатель здоровья человека. Для её измерения используют разные виды термометров. В аптеках можно найти стандартные ртутные градусники, галинстановые, электронные, инфракрасные и специальные детские термометры. Рассмотрим подробнее, в чём плюсы и минусы этих приборов и как выбрать лучший термометр для измерения температуры.

Ртутный термометр

Всем привычный и с детства знакомый градусник также называется максимальным ртутным термометром, поскольку, достигая максимального значения, столбик не опускается самостоятельно – градусник нужно встряхнуть, чтобы «обнулить». Ртутный термометр представляет собой стеклянную колбу с капилляром по центру. Как можно догадаться из названия, эта тонкая трубочка заполнена ртутью.

Плюсы ртутного термометра:

Минусы ртутного термометра:

Сегодня многие врачи призывают отказаться от ртутного термометра. В 2013 году Россия подписала Минаматскую конвенцию о ртути и к 2020 году обязалась снять устаревшие и опасные приборы с продажи. Но если вы решили больше не использовать ртутный градусник, нельзя просто его выбросить, а необходимо сдать на утилизацию. Для этого существуют специальные пункты сбора и контейнеры, установленные в крупных городах. Жители регионов могут посмотреть расположение станций приёма ртутных термометров с помощью интерактивной карты Recyclemap и на сайте «Кудаградусник».

Что делать, если ртутный градусник разбился?

Важнейший вопрос – как поступить, если термометр всё же разбился.

Главное – не паниковать! Если разобьется один ртутный градусник, вы не получите острого отравления. Чтобы быть уверенным, можно сдать анализы крови и мочи на содержание ртути.

Галинстановый безртутный термометр

Внешне галинстановый стеклянный термометр выглядит так же, как ртутный. Но капилляр в нём наполнен нетоксичным металлическим сплавом галинстаном из галлия, индия и олова. Этот прибор не уступает ртутному градуснику в точности, но куда безопаснее. Если он разобьётся, это не причинит никакого вреда.

К минусам безртутного термометра можно отнести то, что его тяжело встряхнуть, чтобы вернуть столбик к низким значениям. Это происходит потому, что галинстан двигается медленнее ртути из-за своей вязкости и густоты. Подытожим преимущества и недостатки этого вида термометров.

Плюсы безртутного термометра:

Минусы безртутного термометра

Бесконтактный инфракрасный термометр

Лазерный, дистанционный, бесконтактный – всё это названия современного инфракрасного термометра. Он очень удобен в использовании, особенно для детей, ведь измерения занимают буквально пару секунд. Дистанционным термометром измеряют температуру в ухе, на лбу или на висках.

Бесконтактный термометр для измерения температуры имеет удобный дисплей и возможность сохранять в памяти прибора последние показания.

Плюсы бесконтактного термометра:

Минусы бесконтактного термометра:

Электронный термометр

Цифровой электронный термометр состоит из пластикового корпуса с дисплеем. Среднее время измерения температуры тела с помощью электронного градусника – 3-5 минут. Но врачи рекомендуют подержать его ещё пару минут для точности. Показания термометра вы увидите на дисплее, а об окончании измерений прибор оповестит звуковым сигналом. Также цифровой термометр оснащён системой сохранения последних замеров температуры.

Плюсы электронного термометра:

Минусы электронного термометра

Как выбрать лучший детский термометр?

Измерять температуру ребёнку ртутным термометром очень рискованно, ведь вы уже знаете, что бывает, если градусник разобьется.

Врачи советуют родителям купить специальный детский термометр. Существуют специальные модели, которыми можно измерить температуру ректально – этот способ подходит для малышей и даёт самые точные показания. Ректальный термометр состоит из зонда, кнопки и цифрового дисплея, где отображается результат измерения. Нормальная температура при замере ректальным способом составляет 36,6°C – 37,7°C. Использовать прибор нужно осторожно, а при заболеваниях прямой кишки, диарее или запоре от него вовсе следует отказаться.

Измерить ребёнку температуру можно и перорально – для этого подойдёт стандартный электронный термометр. Правда, способ не самый удачный для совсем маленьких детей, которых сложно заставить держать градусник во рту. Нормальная температура тела при пероральном измерении составляет 36,3 °C – 37,3°C. О том, как правильно измерять температуру перорально, мы уже рассказывали.

Одним из лучших детских термометров считается инфракрасный. Он удобен и безопасен для малышей. Но, чтобы установить его правильно, нужно попрактиковаться. Этот детский термометр рекомендуется использовать, начиная с годовалого возраста. Нормальная температура при измерении в ушной раковине – 35,8°C – 37,8°C.

Височный инфракрасный термометр располагают у артерии на лбу. Хороший вариант даже для новорождённых.

В продаже есть специальные детские термометры в виде соски и термометры-полоски для лба. Но врачи говорят, что замеры, выполненные этими приборами, не очень точны.

Источник