Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

От термоскопа Галилея к оптоволокну, или Чем и как измеряют температуру

Кандидат химических наук Максим Абаев

Перед тем как выйти на улицу, мы обычно смотрим на термометр за окном, чтобы выбрать одежду по погоде. Можно, конечно, этого не делать, но тогда есть вероятность простудиться, и поневоле придётся воспользоваться термометром. Сейчас, правда, многие предпочитают узнавать температуру «за бортом» с экрана телевизора, смартфона или планшета. Но чтобы градусы Цельсия появились на экране, кто-то должен измерить температуру на улице, ведь не интернет же это делает? Хотя, к слову сказать, температуру можно определить и «интернетом» — с помощью оптоволоконных линий. Об этом мы расскажем чуть позже, а пока разберёмся с классическими методами.

Огромный термометр на одной из башен главного здания Московского государственного университета на Воробьёвых горах внешне похож на механический термометр со стрелкой, но устроен совсем по-другому. Шестиметровую стрелку приводит в движение электродвигатель через систему механических приводов. Показания температуры выставляются по сигналу с терморезистивного датчика, установленного на высоте 2 м в сквере МГУ. Фото Андрея Лисинского.
Термометр Галилея в современном исполнении. Фото: Ali@gwc.org.uk/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-2.5.
Температуру внутри бифштекса, приготовленного на углях, легко измерить с помощью механического термометра, внутри которого находится биметаллическая спираль. Фото: Wavebreak Media / Фотобанк Лори.
Терморезистивный датчик температуры (слева) и термопарный датчик (справа) используют разные эффекты, связанные с изменением электрических свойств объекта при нагревании.
Гремучая змея регистрирует инфракрасное излучение, которое испускают все нагретые тела, точно так же, как современный инфракрасный термометр.
Конусы Зегера (слева) и индикаторные полоски для контроля температуры при паровой стерилизации.

Самый простой способ измерить температуру, которым пользовались ещё в древности, называется «потрогать». Однако у него есть два существенных недостатка. Во-первых, этот способ далеко не всегда безопасен — можно обжечься. А во-вторых, измерения, основанные на субъективных ощущениях, неточны: для одного море с температурой воды +10оС — это всего лишь «прохладно», а для другого и +20оС сродни купанию у берегов Антарктиды. Тут показателен классический опыт: возьмите три ёмкости — с горячей, холодной и тёплой водой. Одну руку опустите в сосуд с горячей водой (естественно, вода не должна быть кипятком!), а другую — в сосуд с холодной, подержите их там некоторое время, а затем опустите обе руки одновременно в ёмкость с тёплой водой. В этот момент одна рука «скажет» вам, что вода холодная, другая — что горячая, а истина окажется, как это часто бывает, где-то посередине.

Способ «потрогать» удовлетворял далеко не всех. Измерять температуру нужно было как можно точнее и в цифрах. А значит, предстояло изобрести иной способ, который опирался бы не на ощущения, а на беспристрастные физические законы.

Стоит напомнить, что температура влияет на самые разные свойства материи: вещества могут плавиться и испаряться, менять цвет, форму и размер, вступать в химические реакции. Первые приборы для измерения температуры были основаны на том, что при нагревании большинство тел расширяются, а при охлаждении, наоборот, сжимаются. Известно, например, что во время полёта сверхзвуковой пассажирский лайнер «Конкорд» из-за нагрева фюзеляжа увеличивался в длину на 20 см. Так что, имея соответствующую таблицу, температуру самолёта можно было бы измерять обычной рулеткой.

Первым, кто заметил, что вещества меняют объём в зависимости от температуры, был Галилео Галилей. Нагревал он, правда, не сверхзвуковые «Конкорды», а самые обыкновенные жидкости. Если взять фиксированное количество жидкости, то при нагревании она начнёт расширяться, а при охлаждении сжиматься. Соответственно будет меняться и её плотность — холодные жидкости более плотные, чем горячие. На этом принципе — изменении плотности вещества при нагревании — был построен один из первых приборов для измерения температуры — термоскоп. Галилей изобрёл его в 1597 году. Термоскоп не давал точного значения температуры, а свидетельствовал об изменении степени нагретости тела. Жидкость в термоскопе поднималась и опускалась по стеклянной трубке не за счёт собственного расширения или сжатия, а из-за изменения объёма воздуха, находящегося в стеклянном шарике, который был припаян к концу трубки. Здесь использовался принцип зависимости давления газа от его температуры: чем выше температура, тем выше давление, а следовательно, газ стремится занять больший объём, вытесняя жидкость из трубки. Главный недостаток прибора состоял в том, что показания зависели не только от самой температуры, но ещё и от атмосферного давления.

Через полвека конструкцию термоскопа усовершенствовали флорентийские учёные. Они перевернули его с ног на голову, заменили газ жидкостью, откачали из стеклянного резервуара воздух, сделав прибор независимым от каких-либо перепадов давления, и снабдили шкалой. Здесь уже температуру определяли по уровню столба жидкости, который тем выше, чем выше сама температура. Это был описанный в 1667 году первый жидкостный термометр, который получил название «термометр Галилея». В слегка изменённом виде он дожил до наших дней, им продолжают измерять температуру за окном или температуру тела и по традиции называют градусником.

Обычные ртутные термометры до сих пор используют не только в быту, но и в экспериментальных лабораториях, поскольку они просты, надёжны и недороги.

Может возникнуть вопрос: почему вредная ртуть получила такое широкое распространение в термометрах? Причина в том, что ртуть, в отличие от органических жидкостей вроде спирта или глицерина, остаётся жидкой в большом интервале температур: от –39оС до +357оС. Но что ещё более важно, так это практически линейный рост её объёма с увеличением температуры. Что это значит? Например, вы взяли два термометра: ртутный и глицериновый, откалибровали их по двум точкам: 0оС и +100оС, а затем погрузили их в жидкость с температурой +50оС. Думаете, оба термометра покажут +50оС? А вот и нет! Показания ртутного термометра будут действительно практически совпадать с отметкой +50оС, а глицериновый покажет +47,6оС. Опустим теперь оба термометра в жидкости с температурами 0оС и +100оС — их показания совпадут. Почему? Ответ на эту загадку кроется в коэффициенте температурного расширения жидкостей. Как мы говорили, у ртути он практически не зависит от температуры, а вот у глицерина — зависит. Это значит, что при разных значениях температуры жидкость по-разному реагирует на изменение этой самой температуры: например, холодный глицерин, как мы видим, расширяется чуть медленнее, чем горячий.

Кроме бытовых жидкостных встречаются термометры другого типа — механические. В них вместо жидкости используется металлическая спираль с закреплённой на ней стрелкой. Работают механические термометры, хотя на первый взгляд это может показаться странным, по тому же принципу, что и жидкостные, — по принципу расширения вещества при нагревании. Вспомните про удлиняющийся от нагрева самолёт. Можно было бы, конечно, вместо самолёта взять небольшую проволочку и измерять, насколько она удлинится при нагревании на несколько градусов, но тогда пришлось бы воспользоваться микроскопом. Согласитесь, это не очень удобно, поэтому инженеры придумали ухищрение: они взяли две металлические ленты из разных материалов, соединили их вместе и скрутили в спираль. Если такую конструкцию нагревать, то за счёт разной величины расширения двух разных металлов спираль начнёт раскручиваться, а при охлаждении будет закручиваться обратно. Оставалось только закрепить один конец спирали на корпусе, а на другой установить стрелку и проградуировать шкалу. Простой механический термометр готов!

Но технический прогресс не стоял на месте. С развитием промышленности во многих областях измерение температуры стало насущной необходимостью. Взять хотя бы современный автомобиль, в котором можно навскидку найти десяток различных температурных датчиков, и сделаны они, к счастью, не из стекла и ртути.

Если в жидкостных и механических термометрах используется свойство тел расширяться при нагревании, то большинство современных температурных датчиков основано на принципе зависимости электрических свойств вещества от температуры. Самые распространённые — терморезистивные датчики. Их действие основано на том, что электрическое сопротивление проводника растёт с увеличением температуры. Чтобы такой датчик заработал, достаточно включить его в цепь, состоящую из источника тока и амперметра.

Другой принцип работы у термопарных датчиков. По сути, они представляют собой маленькую «батарейку», напряжение которой зависит от температуры. Эта «батарейка» состоит из двух металлических проводников, спаянных в одной точке. Если место спайки поместить в зону с высокой температурой, а свободные концы проводов оставить при комнатной, то, подключив к ним вольтметр, можно увидеть, что «батарейка» начала вырабатывать ток. Конечно, возникает соблазн использовать термопару для выработки электричества, а не просто для измерения температуры, однако из этой затеи ничего не выйдет: напряжение на выводах термопары составляет всего несколько милливольт, что в тысячу раз меньше, чем напряжение самой обычной пальчиковой батарейки. Зато температуру с помощью термопар можно измерять весьма точно и в большом диапазоне: от –250оС до +2500оС.

И жидкостные термометры, и терморезисторы, и термопары требуют физического контакта с объектом. Термометр необходимо погрузить в жидкость или другую среду либо обеспечить ему плотный контакт с телом. А как поступить, если нужно измерить температуру на расстоянии? Оказывается, в этом нет ничего невозможного.

Вспомните одно свойство материи: все вещества при нагревании испускают электромагнитное излучение. Вы наверняка видели, как выглядит раскалённое железо — оно светится красным, жёлтым или белым цветом. По цвету свечения можно определить температуру металла — этим пользуются кузнецы, чтобы соблюсти технологию ковки изделий. Однако не все нагретые тела светятся ярким светом, вернее, не всё излучение от нагретых тел мы способны увидеть невооружённым глазом. Например, горячий и холодный паяльники выглядят одинаково, хотя, будь наш глаз чувствителен к инфракрасным волнам, мы без проблем отличили бы горячий предмет от холодного.

А вот гремучие змеи могут «видеть» тепло — у них для этого есть специальный орган: два углубления на голове, чувствительные к инфракрасному излучению. Другими словами, рептилии могут найти добычу, например какого-нибудь теплокровного грызуна, в полной темноте, ориентируясь только на тепловые волны, которые испускает жертва. Надо сказать, что змея не видит мышь, как мы видим изображение на экране тепловизора, она лишь может определить направление и силу тепловыделения. По принципу зависимости состава спектра излучения тела от его температуры работают инфракрасные термометры. Чтобы измерить температуру объекта, достаточно направить на него прибор, и спустя буквально доли секунды он покажет температуру с высокой точностью. Быстро и удобно, правда, стоимость такого устройства из-за относительной сложности его конструкции выше, чем обычных термометров.

А как измерить температуру с помощью «интернета»? Развитие волоконно-оптических технологий передачи информации ушло так далеко вперёд, что оптоволокно стало основным каналом передачи трафика от локальных сетей до трансатлантических подводных кабелей. Как оказалось, форма сигнала, который передаётся по световоду, зависит от его температуры — это связано с особенностями рассеяния света на стенках оптического волокна. По виду сигнала, прошедшего через весь световод, можно узнать температуру на каждом его участке. К примеру, если вы проложили оптическую линию длиной 100 км, то даже на таком большом протяжении можно зафиксировать изменение температуры на один градус на отметке, скажем, 62 км 350 м.

Такие системы широко применяются в тех областях промышленности, где требуется непрерывный мониторинг температуры на большом протяжении. Огромный плюс — их надёжность и безопасность, к тому же им не страшны электрические и магнитные помехи. Достаточно один раз проложить оптоволоконный кабель, и в течение десятков лет он будет давать информацию о температуре, при этом систему не нужно обслуживать или менять вышедшие из строя датчики. Правда, и стóят подобные системы несравнимо дороже любого другого термометра.

И напоследок расскажем о самых дешёвых способах измерения температуры. Часто для решения многих задач нужно лишь знать, достигла температура заданного значения или нет. Например, обжигаете вы кирпичи в печи либо стерилизуете медицинские инструменты в автоклаве — и в том и в другом случае нужно убедиться, что объект прогрелся до определённой температуры. Чтобы кирпичи не получились по цене золотых слитков, придётся отказаться от идеи воткнуть в каждый из них по термопаре или дежурить сутками у печи с инфракрасным термометром. Для этих целей придуманы так называемые термоиндикаторы — дешёвые одноразовые устройства, единственная задача которых состоит в том, чтобы показать, достигнута требуемая температура или нет. Например, при обжиге глиняных изделий применяются конусы Зегера — небольшие пирамидки, которые меняют свою форму при достижении определённой температуры. Для автоклавной стерилизации применяют специальные индикаторы — полоски бумаги с нанесённым на них веществом, которое меняет цвет при заданной температуре.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Как это устроено»