Back to the topics list

термометри

Термометр - це прилад, який вимірює температуру або градієнт температури, використовуючи безліч різних принципів. Термометр має два важливі елементи - температурний датчик, в якому відбувається деяка фізична зміна з фізичною температурою, наприклад, лампочка на ртутному термометрі та пружині, або якийсь інший спосіб перетворення цієї фізичної зміни у значення, наприклад, шкала на ртутному термометрі.

Існують різні типи термометрів.

1. Рідина в скляних термометрах

Рідина в скляному термометрі використовує зміну об'єму рідини в температурі. Вони використовують той факт, що більшість рідин розширюється при нагріванні. Рідина міститься в герметичній скляній колбі, і її розширення вимірюється за допомогою шкали, викарбованої в стовбурі термометра. Як ми знаємо, термометр не розширюється, тоді як фізична властивість він використовує зміну довжини рідини з температурою.

Рідинами, які зазвичай використовуються в термометрах рідина в склі, є ртуть та алкоголь. На основі використовуваної рідини вони бувають двох типів: термометри ртуть у склі та термометри спирт у склі.

Рідина в скляному термометрі складається з двох основних частин:

• Цибулина: Вона діє як резервуар, утримуючи рідину, об’єм якої змінюється в залежності від температури. Лампочка також виконує функцію датчика або датчика, який вставляється в корпус, температура якого повинна вимірюватися.
• Стебло: воно містить шкалу, що вимірює температуру, і капіляр, за допомогою якого рідина може відповідно розширюватися і стискатися.

Переваги:

• Вони дешеві у виготовленні
• Їх легко переносити та обробляти

Недоліки:

• Вони, як правило, мають високу теплоємність і недостатньо чутливі, тобто не можуть вимірювати швидкі перепади температури.

1.1. Ртутний скляний термометр

Їх винайшов німецький фізик Даніель Габріель Фаренгейт.

Цей термометр складається з ртуті в скляній трубці. Калібровані позначки на трубці дозволяють зчитувати температуру за довжиною ртуті в трубці. Довжина ртуті в трубці змінюється залежно від температури. Для підвищення чутливості на кінці термометра зазвичай є колба ртуті, яка містить більшу частину ртуті; Розширення та скорочення цього об'єму ртуті посилюються в значно вужчому отворі трубки. Простір над ртуттю може бути заповнений азотом або це може бути вакуум.

Термометр у ртуті у склі охоплює широкий діапазон температур від - 38 ° C до 356 ° C, хоча введення газу в прилад може збільшити діапазон до 600 ° C або більше.

Переваги термометра ртуть у склі

• Ртуть - природна непрозора рідина (срібло). Це означає, що його можна безпосередньо використовувати в чистому вигляді.
• Ртуть не змочує скло. Коли вона рухається вгору і вниз по капіляру, сильні когезивні властивості ртуті не дозволяють їй залишати сліди всередині капіляра.
• Ртуть - рідкий метал. Як метал він має високі провідні властивості, що дозволяє йому бути чутливим, ніж термометр зі спиртом у склі.

Недоліки термометра ртуть у склі

• Ртуть представляє потенційну токсичну небезпеку в разі розриву скляної ємності.

1.2. Термометр спирт у склі

Як рідина він використовує етиловий спирт, толуол та технічний пентан, які можна використовувати до -200 ° C. Його діапазон становить від -200 ° C до 80 ° C, хоча діапазон, як правило, сильно залежить від типу вживаного алкоголю.

Перевага: Його найбільша перевага полягає в тому, що він може вимірювати дуже низькі температури.

Недолік: Оскільки алкоголь прозорий, для його видимості потрібен барвник. Барвники, як правило, додають домішки, які можуть не мати того самого діапазону температур, що і спирт. Це ускладнює читання, особливо в межах кожної рідини. Також алкоголь змочує скло.

2. Термометр опору

Термометр опору або датчик температури опору (RTD) використовує опір електричного провідника для вимірювання температури. Опір провідника змінюється з часом. Ця властивість провідника використовується для вимірювання температури. Основна функція RTD полягає в тому, щоб дати позитивну зміну опору з температурою.

Метал має високотемпературний коефіцієнт, що означає, що їх температура зростає зі збільшенням температури. Вуглець та германій мають низькотемпературний коефіцієнт, який показує, що їх опір обернено пропорційний температурі.

Термометр опору використовує чутливий елемент з надзвичайно чистих металів, таких як платина, мідь або нікель. Опір металу прямо пропорційний температурі. Здебільшого платина використовується в термометрі опору. Платина має високу стабільність, і вона витримує високу температуру.

Золото та срібло не використовуються для НТР, оскільки вони мають низький опір. Вольфрам має високий опір, але він надзвичайно крихкий. Мідь використовується для виготовлення елемента RTD, оскільки він має низький опір, а також він менш дорогий. Єдиним недоліком міді є те, що вона має низьку лінійність. Максимальна температура міді становить близько 120oC.

Матеріал RTD виготовляється з платини, нікелю або нікелевих сплавів. Нікелеві дроти використовуються в обмеженому діапазоні температур, але вони досить нелінійні.

Нижче наведено вимоги до провідника, що використовується в RTD

• Опір матеріалу високий, так що мінімальний об'єм провідника використовується для будівництва

• Зміна опору матеріалу щодо температури повинна бути якомога більшою.

• Опір матеріалу залежить від температури

Термометр опору розміщений усередині захисної трубки для забезпечення захисту від пошкоджень. Резистивний елемент утворюється шляхом розміщення платинового дроту на керамічній бобіні. Цей елемент опору розміщений всередині трубки, яка складається з нержавіючої сталі або мідної сталі.

Провідний дріт використовується для з'єднання елемента опору із зовнішнім проводом. Свинцевий провід покритий ізольованою трубкою, яка захищає його від короткого замикання. Керамічний матеріал використовується як ізолятор для високотемпературного матеріалу, а також для низькотемпературного волокна або скла.

Термометри опору повільно замінюють термопари в набагато нижчих температурах у промисловості (нижче 600 ° C). Термометри опору мають ряд конструкцій і забезпечують більшу стабільність, точність та повторюваність. Опір має тенденцію бути майже лінійним із температурою.

Переваги

• Залежно від використовуваного металу термометри опору здатні охоплювати значні діапазони температур. Максимальні значення, як правило, пов'язані з температурами плавлення використовуваного металу.
• Зміни опору з температурою стабільні в широкому діапазоні температур.
• Дуже точний

Недоліки:

• У порівнянні з рідиною у скляних термометрах вони, як правило, дорогі.
• Вимагати іншого обладнання для вимірювання температури
• Вони демонструють високу теплоємність, тому вони не чутливі до змін температури, що означає, що їх не можна використовувати для вимірювання швидких температурних змін

3. Термопари

Термопари - це датчики, що складаються з двох металів, що генерують електрорушійні сили (ЕРС) або напруги, коли між ними є різниці температур. Величина виробленої напруги залежить від цих відмінностей. Термопари працюють за принципом ефекту Зеебека.

Ефект Зеебека виявив німецький лікар, який перетворився на фізика Томаса Йоганна Зеебека. Він виявив, що коли він створював серію ланцюгів, утворюючи з'єднання двох різних металів, з одним металом з більш високою температурою, ніж інший, він зміг генерувати напругу. Чим більша різниця, тим вища напруга, і він виявив, що результати не залежать від форми металу.

Термопара складається з переходу, утвореного двома металевими сплавами. Одна частина переходу розміщується на джерелі, температуру якого слід виміряти, тоді як інший кінець підтримується на постійній контрольній температурі відповідно до нульового закону термодинаміки. Старі термопари використовують крижані ванни як джерело температури, але сучасні використовують твердотільний датчик температури.

Термопари цінні в науці та техніці завдяки своїй точності, швидкому часу реакції, малим розмірам та здатності вимірювати екстремальні температури. Остання здатність заснована на використовуваних металевих комбінаціях; комбінація нікель-нікель може вимірювати від -50 ° C до 1410 ° C, тоді як комбінація реній-реній може вимірювати від 0 ° C до 2315 ° C. Найпоширеніші комбінації - залізо-константан, мідь-константан та хромель-алюмель. Недоліками термопар є те, що сигнали, що виробляються, можуть бути нелінійними, і тому їх потрібно ретельно калібрувати.

4. Газовий термометр

Газовий термометр вимірює температуру за зміною об'єму або тиску газу. Газові термометри найкраще працюють при дуже низьких температурах.

Існує два основних типи газових термометрів - один працює при постійному обсязі, а інший при постійному тиску.

• Газовий термометр постійного обсягу: Зазвичай він складається з колби, заповненої фіксованою кількістю розведеного газу, яка приєднана до ртутного манометра. Манометр використовується для вимірювання змін тиску. Цей термометр функціонує згідно із законом Чарльза, який стверджує, що коли температура ідеального газу зростає, відбувається і відповідне підвищення тиску. Крім того, коли температура знижується, тиск теж знижується відповідно. Ось як газовий термометр з постійним об’ємом відстежує підвищення температури зі зміною тиску, тоді як об’єм залишається постійним. Ці типи термометрів використовуються для калібрування різних інших термометрів.
• Газовий термометр з постійним тиском: Газовий термометр з постійним тиском заснований на взаємозв'язку між варіаціями обсягу та відповідними варіаціями температури, тоді як тиск у процесі залишається постійним. Газовий термометр з постійним тиском функціонує згідно із законом Гей-Люссака або законом тиску, який стверджує, що для даної маси та постійного об'єму ідеального газу тиск, що чиниться на боки контейнера, прямо пропорційний його абсолютній температурі. Він складається з довгої тонкої скляної трубки з відомою постійною масою повітря та ртуті, ущільненої всередині гумовою пробкою. Такі процеси називаються ізобарним процесом. Потім трубку, повітря та ртуть оточують більша, відкрита трубка, через яку рідина або газ можуть вільно проходити. При зміні температури внутрішньої трубки повітря або розширюється, або стискається, рухаючи ртуть уздовж трубки. Вимірювання кількості руху ртуті дає нам залежність від того, наскільки вона розширилася за певних температур.

5. Пірометр

Пірометр - це тип термометра, який використовується для вимірювання високих температур. Застосовується для вимірювання температури без будь-якого фізичного контакту. Він використовується для вимірювання температури тіла шляхом вимірювання його електромагнітного випромінювання.

Його принцип залежить від залежності між температурою гарячого тіла та електромагнітним випромінюванням, яке випромінює тіло. Коли тіло нагрівається, воно випромінює теплову енергію, відому як теплове випромінювання. Це методика визначення температури тіла шляхом вимірювання його електромагнітного випромінювання.

Оптичний пірометр - Оптичний пірометр - це безконтактний прилад для вимірювання температури. Він працює за принципом узгодження яскравості предмета з яскравістю нитки розжарення, яка розміщена всередині пірометра. Оптичний пірометр використовується для вимірювання температури печей, розплавлених металів та інших перегрітих матеріалів або рідин. Неможливо виміряти температуру сильно нагрітого тіла за допомогою приладу контактного типу. Тому безконтактний пірометр використовується для вимірювання їх температури.

Переваги оптичного пірометра

• Оптичний пірометр має високу точність
• Температура вимірюється без контакту з нагрітим тілом. Через цю властивість пірометр використовується для кількості застосувань

Недоліки оптичного пірометра

• Робота пірометра залежить від інтенсивності світла, яке випромінює нагріте тіло. Таким чином, пірометр використовується для вимірювання температури, що має температуру більше 700 ° C. Точність пірометра залежить від регулювання струму нитки розжарення. Також пірометр не використовується для вимірювання температури чистих газів.

Різниця між клінічним та лабораторним термометрами