Termometry

admin

Termometry zegarowe

Nie wszystkie termometry działają w ten sposób, jednakże. Ten pokazany na naszym górnym zdjęciu ma metalową wskazówkę, która porusza się w górę i w dół po okrągłej skali. Otwórz jeden z tych termometrów, a zobaczysz, że wskazówka jest zamontowana na zwiniętym kawałku metalu zwanym paskiem bimetalicznym, który został zaprojektowany tak, aby rozszerzać się i zginać, gdy staje się gorący (zobacz nasz artykuł o termostatach, aby dowiedzieć się, jak to działa).Im wyższa temperatura, tym bardziej rozszerza się pasek bimetaliczny i tym bardziej przesuwa wskazówkę w górę skali.

Lustracja typowego termometru zegarowego z paskiem bimetalicznym pokazująca, jak rozszerzający się metalowy zwój przesuwa wskazówkę w górę skali.

Opracowanie: Jak działa termometr zegarowy: Oto mechanizm, który napędza typowy termometr zegarowy, przedstawiony w patencie Charlesa W. Putnama z 1905 roku. Na górze znajduje się typowa wskazówka i tarcza. Dolna grafika pokazuje, co dzieje się z tyłu. Pasek bimetaliczny (żółty) jest ciasno zwinięty i przymocowany zarówno do ramy termometru, jak i do wskazówki. Składa się on z dwóch różnych metali połączonych ze sobą, które w miarę nagrzewania rozszerzają się w różnym stopniu. W miarę zmiany temperatury pasek bimetaliczny zakrzywia się mniej lub bardziej (kurczy się lub rozszerza), a przymocowana do niego wskazówka przesuwa się w górę lub w dół skali. Artworkfrom US Patent 798,211: Thermometer courtesy of US Patent and Trademark Office.

Bimetaliczny mechanizm sprężynowy wewnątrz termometru zegarowego do zamrażarki

Foto: Oto zwinięty pasek bimetaliczny z rzeczywistego termometru zegarowego (termometr do zamrażarki na naszym górnym zdjęciu). Łatwo zauważyć, jak to działa: jeśli obrócisz wskazówkę ręką w kierunku niższej temperatury, zwinięty pasek zacieśni się; obróć wskazówkę w drugą stronę, a pasek się rozluźni.

Termometry elektroniczne

Jednym z problemów z termometrami rtęciowymi i zegarowymi jest to, że potrzebują trochę czasu, aby zareagować na zmiany temperatury. Termometry elektroniczne nie mają tego problemu: wystarczy dotknąć sondą termometru obiektu, którego temperaturę chcemy zmierzyć, a na wyświetlaczu cyfrowym otrzymamy (prawie) natychmiastowy odczyt temperatury.

Elektroniczny termometr medyczny.

Zdjęcie: Elektroniczny termometr medyczny z 2010 roku. Umieszczasz metalową sondę w ustach lub w innym miejscu na ciele i odczytujesz temperaturę na wyświetlaczu LCD.

Termometry elektroniczne działają w zupełnie inny sposób niż mechaniczne, które wykorzystują kreski rtęci lub wirujące wskaźniki. Opierają się na pomyśle, że opór kawałka metalu (łatwość, z jaką elektryczność przepływa przez niego) zmienia się wraz ze zmianą temperatury. W miarę jak metale stają się gorętsze, atomy bardziej wibrują w ich wnętrzu, trudniej jest przepływać przez nie elektryczność i opór wzrasta. Podobnie, gdy metale stygną, elektrony poruszają się swobodniej i opór maleje. (W temperaturze bliskiej zera absolutnego, najniższej teoretycznie możliwej temperaturze -273,15°C lub -459,67°F, opór całkowicie zanika w zjawisku zwanym nadprzewodnictwem.)

Termometr elektroniczny działa poprzez przyłożenie napięcia do metalowej sondy i zmierzenie, ile prądu przez nią przepływa. Jeśli włożysz sondę do wrzącej wody, ciepło wody sprawi, że prąd będzie płynął przez sondę mniej łatwo, więc opór wzrośnie o dokładnie mierzalną wartość. Mikroprocesor wewnątrz termometru mierzy opór i przekształca go w pomiar temperatury.

Mostek termometru oporowego z 1912 roku używany do precyzyjnych pomiarów temperatury w NIST.

Foto: Elektryczny termometr oporowy z 1912 roku: Ten przykład termometru oporowego typu mostkowego został zbudowany przez Leeds i Northrup i używany do pomiarów temperatury w US National Bureau of Standards(obecnie NIST) na początku XX wieku. Pomimo swojego grubego i niezgrabnego wyglądu, jest dokładny do 0,0001 stopnia.Zdjęcie dzięki uprzejmości National Institute of Standards and Technology Digital Collections, Gaithersburg, MD 20899.

Główną zaletą termometrów takich jak ten jest to, że mogą podawać natychmiastowy odczyt w dowolnej skali temperatury – Celsjusza, Fahrenheita lub jakiejkolwiek innej. Ale jedną z ich wad jest to, że mierzą temperaturę z chwili na chwilę, więc liczby, które pokazują mogą się wahać quitedramatycznie, czasami utrudniając dokładny odczyt.

Precyzyjne termometry elektryczne, znane jako termometry oporowe, używają czterech oporników ułożonych w obwód w kształcie rombu zwany mostkiem Wheatstone’a. Jeśli trzy z oporników mają znane wartości, opór czwartego jest łatwy do obliczenia. Jeśli czwarty rezystor jest zaprojektowany w kształcie sondy temperatury, taki obwód może być użyty jako bardzo precyzyjny termometr: obliczając jego rezystancję (z napięcia i prądu) możemy obliczyć jego temperaturę.

Pomiar ekstremalnych temperatur

Jeśli chcesz zmierzyć coś, co jest zbyt gorące lub zimne, aby poradził sobie z tym konwencjonalny termometr, będziesz potrzebował termopary: sprytnego urządzenia, które mierzy temperaturę poprzez pomiar elektryczności. A jeśli nie możesz podejść wystarczająco blisko, aby użyć nawet termopary, możesz spróbować użyć pirometru, rodzaju termometru, który określa temperaturę obiektu na podstawie promieniowania elektromagnetycznego, które emituje.