Механический термометр: история создания, конструкция и принцип действия
Во многих сферах для мониторинга и контроля температуры используют механические термометры. Они входят в группу контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА) — оборудования, которое помогает автоматизировать процессы и производства. Эти устройства, глубоко вошедшие в нашу жизнь, имеют интересную историю. Узнаем, кто изобрел механический термометр, и разберемся, по какому принципу он работает.
История создания
Термоскоп Галилея
Первый измеритель температуры был сконструирован Галилео Галилеем в 1597 году. Если нагреть определенное количество жидкости, то соответственно изменится и ее плотность: у холодных жидкостей плотность выше, чем у горячих. На изменении плотности жидкого вещества при нагревании и был основан термоскоп Галилея — прототип современных термометров.
Приспособление представляло собой прозрачный шарик из стекла с присоединенной к нему трубкой. Трубку помещали одним концом в емкость с водой, а шарик нагревали. Когда нагрев прекращали, давление в шарике понижалось, и вода поднималась по трубке. Когда температура повышалась, процесс был обратный — уровень воды опускался.
Ртутный термометр
Термоскоп нельзя назвать термометром, так как он не показывал точное значение температуры, потому что не имел шкалы. Он лишь позволял увидеть, что степень нагретости тела изменилась. Еще один недостаток состоял в том, что на показания прибора влияла не только температура, но и атмосферное давление.
Через полстолетия конструкцию термоскопа доработали флорентийские исследователи. Вместо воздуха они придумали использовать жидкость, так что прибор теперь не зависел от перепадов давления. Кроме того, его снабдили шкалой. Так в 1667 г. появился жидкостный термометр, по которому можно было определять температуру: чем выше уровень столба жидкости, тем выше температура. Сначала в таком термометре использовали спирт, затем его заменили ртутью. В слегка измененном виде он существует и в наши дни — это обычный градусник, который используют повсеместно.
Позднее появились механические приборы, по принципу действия не отличающиеся от жидкостных, но основанные на тепловом расширении твердых тел, а не жидкостей. Так, в 1747 году физик Питер ван Мушенбрук из Нидерландов стал измерять температуру плавления нескольких металлов, опираясь на расширение металлического бруска.
Термометры с точной шкалой измерения
Термометр с точной шкалой измерения появился в 1723 году благодаря физику Габриэлю Фаренгейту. Шкала Фаренгейта основывалась на трех установленных точках:
- 0 градусов — температура соляного раствора;
- 32 градуса — температура плавления льда;
- 96 градусов — нормальная температура тела человека.
Но последнее слово в этом вопросе осталось за шведским ученым Андерсом Цельсием. Цельсий в 1742 году окончательно установил точки шкалы. Цифрой 100 он отметил точку таяния льда, а 0 — кипения воды.
В наши дни шкалу Цельсия используют в механических термометрах в перевернутом виде: за 0° принята температура, при которой тает лед, а за 100° — при которой кипит вода.
Что такое механический термометр
Механические термометры, или термометры расширения, — это простые по конструкции, надежные и точные устройства. Они работают без электрического тока. Стоят сравнительно недорого и экономичны в эксплуатации. К ним относятся термометры трех типов: жидкостные, биметаллические и манометрические.
Такие термометры, как правило, применяются в качестве измерительных устройств для сигнализации и автоматической регулировки температуры.
Механический термометр для промышленности обеспечивает хорошую считываемость температуры жидкостей и газов даже в сложных условиях: в жесткой и агрессивной окружающей среде, при высоком уровне вибраций.
Виды механических термометров, конструкция и принцип действия
Принцип работы механических термометров состоит в расширении вещества при нагревании. В жидкостных измерителях этим веществом служит жидкость, в биметаллических — металлическая спираль или пластина из биметалла, в манометрических — трубчатая пружина.
Жидкостные
Жидкостные механические термометры состоят из капиллярной трубки, шкалы с градуировкой, защитного корпуса и гильзы. Нижним концом трубка соединена с резервуаром, заполненным жидкостью, верхний — запаян. При нагреве жидкость расширяется, и по высоте столба в трубке можно определить температуру.
Термометрической жидкостью в таких измерителях могут служить различные вещества: ртуть, толуол, этанол, керосин, пентан. Наиболее распространены ртутные термометры. Ртуть с точки зрения термометрии имеет ряд плюсов: остается жидкой в широком температурном интервале, не смачивает стекло. Но есть и минусы: пары ртути опасны для здоровья, ими можно отравиться, если случайно разбить термометр.
Биметаллические
Биметаллические термометры имеют круглый корпус, циферблат и механизм со стрелкой. Чувствительным элементом в них служит пружина или пластина. Штуцер с резьбой соединяет устройство с предметом, температуру которого нужно измерять.
Пружина или спираль изготавливается из двух разных металлических пластин, скрепленных друг с другом. Различные металлы имеют отличные коэффициенты расширения при одной и той же температуре. Например, железо при повышении температуры испытывает заметное расширение, а константан практически не расширяется.
Металлические пластины в биметаллических термометрах сжимаются или расширяются при изменениях температуры. При этом биметалл изгибается в сторону одного из материалов или распрямляется, двигая тем самым стрелку. Стрелка движется по шкале циферблата, показывая измеряемое значение.
Биметаллические термометры — отличная альтернатива жидкостным аналогам. Они точно измеряют температуру в жидких, газообразных и сыпучих средах, включая агрессивные. При этом прочны и не чувствительны к скачкам давления. Такие термометры востребованы в различных сферах человеческой деятельности: от теплиц и аквариумов до атомных электростанций.
Манометрические
В основе работы манометрических термометров лежит принцип повышения давления находящихся в закрытом пространстве жидкости или газа при повышении их температуры.
В конструкцию манометрического термометра входит термобаллон, капиллярная трубка из меди и трубчатая пружина, соединенная с баллоном с помощью капиллярной трубки. Когда жидкость или газ нагревается, давление повышается и передается пружине. Пружина выпрямляется и воздействует на тягу, поворачивая стрелку манометра.
В газовых термометрах этого типа рабочим веществом является азот. Такие приборы применяются для измерений температурных показателей в пределах –200 и +600 °С.
Жидкостные модели позволяют проводить измерения в диапазоне от –150 до +300 °С. Рабочим веществом в них служит ртуть, пропиловый спирт и другие несжимаемые жидкости.
Одно из ключевых преимуществ манометрических термометров — возможность их использования в пожароопасных и взрывоопасных помещениях.
Большой выбор механических термометров для различных сфер деятельности вы найдете в нашем каталоге. Поставки осуществляются оптом и в розницу по выгодным ценам.