Як працюють ртутні термометри: Наука простого вимірювання температури
Ймовірно, у вас є дюжина датчиків температури, прихованих на увазі. Подивіться на гриль у дворі. Перевірте кондитерське обладнання у коморі. Відкрийте аптечку. Всі вони виконують одну й ту саму базову задачу: вимірювання тепла. Духовка використовує один, щоб залишатися гарячою. Холодильник використовує один, щоб залишатися холодним. Ваш котел покладається на крихітний, щоб вирішити, коли увімкнутися. Навіть маленька цифрова паличка у вашому ящику є датчиком, хоч вона працює інакше, ніж старі скляні термометри, з якими ви виросли.
Йдеться не просто про те, щоб знати, що на вулиці вісімдесят градусів. Йдеться про механіку виявлення тепла. Розуміння цих інструментів змінює ваше уявлення про клімат-контроль у вашому будинку. Ви починаєте бачити фізику у стінах.
Ми приберемо цифровий шум. Ми розглянемо технології, які справді існують. Що ще важливіше, ми покажемо вам, як створити власний датчик з нуля. Починаючи з найстарішого та найнадійнішого методу.
Зміст
Фізика розширення
Скляні термометри не складні. Вони елегантні своєю простотою. Ви бачите їх на історичних фотографіях, в антикварних магазинах та, так, у деяких сучасних медичних шафах. Вони ґрунтуються на одному фізичному законі: рідини розширюються при нагріванні.
Пристрій складається із трьох основних частин. Скляна колба знизу. Вузька капілярна трубка, що йде вгору стрижнем. І рідина усередині, яка реагує на зміни температури. Коли температура підвищується, рідина у колбі розширюється. Їй нема куди подітися, крім як вгору по трубці. Що температура, то вище піднімається рідина.
“Скляні термометри покладаються на передбачуване розширення таких рідин, як ртуть або спирт, для індикації змін температури.”
Це здається простим. Але щоб зробити це правильно, потрібна точність. Скло має бути однорідним. Трубка має бути постійною по діаметру. Будь-яке відхилення спотворить свідчення. Ось чому дешеві версії можуть згодом «плисти».
Ртуть проти спирту
Історично ртуть була золотим стандартом. Вона розширюється лінійно, залежно від температури. Вона залишається рідкою у широкому діапазоні. Вона добре проводить тепло. Але вона токсична. Якщо ця скляна колба розіб’ється на вашій кухні, вам доведеться займатися небезпечним прибиранням. Вам знадобляться спеціальні набори для обробки кульок. У багатьох країнах ртутні термометри заборонені на загальне використання.
Спирт прийшов на зміну як безпечна альтернатива. Він пофарбований у червоний чи синій колір для видимості. Він нетоксичний. Він добре підходить для повсякденних вимірів. Ціна за це? У нього вужчий діапазон рідкого стану. Він випаровується швидше, якщо порушена герметичність. Він може залишати меніск у трубці, що ускладнює зчитування показань.
Для проектів своїми руками спирт є безпечнішим вибором. Його можна купити у будівельних магазинах. Він дешевий. З ним легко поводитися. Просто пам’ятайте, що слід використовувати харчовий або високоочищений спирт, якщо ви створюєте щось, що може стикатися з поверхнями.
Створення власного скляного термометра
Вам не потрібна лабораторія, щоб зробити один. Вам знадобиться кілька предметів домашнього вжитку. Ціль полягає в тому, щоб створити герметичну систему, яка показує розширення.
Що вам знадобиться:
– Прозора скляна пляшка або банку із щільною кришкою
– Прозорий спирт (ізопропіловий спирт або етанол)
– Харчовий барвник (червоний або синій працює найкраще)
– Прозора пластикова трубочка або тонка скляна трубка
– Пластилін або тест для ліплення (для герметизації)
Розуміння науки про розширення рідин
Ви, мабуть, дізнаєтесь колбовий термометр як той самий скляний прилад «старої школи», який ви пам’ятаєте зі школи або з маминої аптечки. Усередині нього знаходиться рідина – історично це була ртуть, хоча сучасні версії використовують безпечніші альтернативи, такі як спирт або пофарбована вода. Прилад працює на основі простого фізичного закону: рідкості розширюються при нагріванні і стискаються при охолодженні. Той самий принцип дозволяє підніматися повітряній кулі, хоча гази поводяться трохи інакше, ніж рідини, при зміні температури.
Ми стикаємося із цим явищем щодня, часто навіть не помічаючи цього. Вода, молоко та рослинна олія змінюють свій об’єм при зміні температури. Однак ці природні розширення настільки малі, що невидимі неозброєним оком. Колбові термометри вирішують проблему видимості завдяки своїй конструкції. Вони мають резервуар-колбу унизу, з’єднану з капілярною трубкою, яка надзвичайно вузька. Така геометрія посилює навіть найменші зміни обсягу, змушуючи рідину помітно підніматися чи опускатися вздовж стрижня.
Виготовлення термометра своїми руками
Ви можете спостерігати цей принцип у дії, збудувавши просту модель. Для цього потрібно мінімум матеріалів та базових інструментів. Ось що вам знадобиться для проекту:
- Скляна ємність : Банку або пляшка з кришкою, що загвинчується. Скло обов’язково; пластикові або металеві кришки та контейнери деформуються при стисканні, що порушує герметичність та робить свідчення невірними. Добре підходить стандартна 48-унцева (близько 1,4 літра) банку для яблучного соку.
- Інструмент для виготовлення отворів : Електродриль або молоток з великим цвяхом.
- Герметик : Дитячий пластилін, сантехнічний герметик, герметизуючий склад або навіть жувальна гумка можуть створити герметичне ущільнення.
- Капілярна трубка : Соломинка для пиття, бажано завдовжки 8-10 дюймів (20-25 см). Більш тонкі соломинки забезпечують більш точні показання, так як стовпчик рідини переміщається далі за тієї ж зміни об’єму. Переважна прозора пластмаса для кращої видимості.
- Фарбувальник : Харчовий барвник не обов’язковий, але настійно рекомендується для контрасту з рідиною.
Покрокова збірка
Процес будівництва заснований на створенні герметичної системи, де єдиним шляхом для рідини, що розширюється, є рух вгору по соломинці.
- Створіть отвір для доступу : Використовуйте дриль або цвях, щоб зробити отвір у центрі кришки скляної банки. Прагніть точності. Отвір має бути 好好 досить великим, щоб соломинка входила щільно. Слабке прилягання дозволить повітрю проникати всередину або назовні, порушуючи герметичність і роблячи термометр марним.
- Вставте датчик : Проштовхніть один кінець соломинки через отвір ззовні всередину. Переконайтеся, що вона пряма та стійка.
- Забезпечте герметичність : Нанесіть вибраний герметик навколо основи соломинки як із внутрішньої, так і зовнішньої сторони кришки. Цей крок є критично важливим. Якщо повітря просочуватиметься повз соломину, внутрішній тиск зрівняється із зовнішнім атмосферним, і рідина не реагуватиме на зміни температури. Ущільнення має бути герметичним.
- Наповніть та закрийте : Наповніть банку водою (додайте харчовий барвник тут, якщо використовуєте його). Щільно закрутіть кришку. Рівень рідини має трохи піднятися у соломинці. Якщо цього не сталося, можливо, вам потрібно зігріти банку руками, щоб розширити повітря всередині та виштовхнути рідину вгору.
*Ключ для роботи саморобного термометра – герметичне ущільнення. Будь-який витік у
Наповніть скляну банку холодною водою до краю. Ви можете охолодити її в холодильнику на ніч або використовувати крижану воду зі глека, залишивши лід. За бажання додайте кілька крапель харчового барвника для наочності, потім збовтайте. Поставте банку на стійкий стіл. Мета – наповнити банку до країв, не проливши воду.
Щільно закрутіть кришку. Коли ви затягуєте ковпачок, трохи води виллється назовні. Ви навіть можете помітити, як вода трохи піднімається в соломинці. Це нормально.
Заткніть кухонну раковину і налийте в неї гарячу воду, доки вона не наповниться приблизно наполовину. Опустіть банку у теплу воду. Слідкуйте за соломинкою. Вода всередині банки розшириться і підніметься вузькою трубкою. Ви спостерігаєте теплове розширення у реальному часі. Воно відбувається постійно, але зміна об’єму зазвичай замало, щоб його помітити. Соломинка посилює цей рух.
Ви тільки що створили простий термометр із резервуаром. Він працює. При правильному калібруванні міг би давати досить точні показання. Але він має недоліки.
Вода замерзає при 32°F (0°C). Кипить при 212°F (100°C). Ваш саморобний термометр марний поза цим діапазоном. Велика скляна банка також діє як утеплювач. Вода всередині може приймати температуру гарячої води навколо неї дуже довго – можливо цілу годину. Крім того, відкритий верхній отвір дозволяє воді випаровуватися та потрапляти пилу.
Професійні термометри вирішують ці проблеми, використовуючи ртуть. Резервуар крихітний. Він нагрівається і остигає майже миттєво. Трубка мікроскопічно тонка, що робить видимими навіть малесенькі розширення. Ртуть не замерзає і кипить у стандартних побутових діапазонах температур. Вона запечатана, тому випаровування та сміття не потрапляють усередину.
Калібрування вашої шкали
Як відзначити температуру? Вам потрібна точка відліку. Домінують дві шкали:
Шкала Фаренгейта: Даніель Фаренгейт вирішив розділити проміжок між замерзанням та кипінням води на 180 градусів. Він встановив температуру води, що замерзає, на рівні 32 градусів. Він наголосив на цьому рівні на склі. Потім він помістив термометр у киплячу воду і відзначив цей рівень як 212 градусів. Він намалював 180 рівних проміжків з-поміж них.
Шкала Цельсія: Андерс Цельсій спочатку хотів, щоб замерзання було за 100, а кипіння — за 0. Пізніше шкалу перевернули. Тепер замерзання становить 0 градусів, а кипіння – 100 градусів. Різниця все ще становить 100 градусів.
Ці шкали – довільний вибір. Ви могли б винайти свою власну. Замерзання та кипіння води просто зручні, тому що їх легко відтворити. Але ніщо не заважає використовувати іншу опорну точку.
Термометри з біметалічної пластиною
Ртутні термометри виводяться з обігу через токсичність. Сучасна альтернатива? Біметалічна пластина. Вона використовує два різні метали, з’єднані разом. Кожен метал розширюється із різною швидкістю при нагріванні. Коли температура підвищується, пластина згинається. Цей механічний рух приводить у дію стрілку на циферблаті. Жодної рідини. Жодного скла. Лише фізика.
Ртутні термометри точно показують температуру, але зовсім не підходять для її регулювання. Зі скла та спирту не можна побудувати термостат. Саме тут на сцену виходить біметалічна пластина. Вона виготовлена з металу. Вона міцна. І саме завдяки їй ваша духовка не спалює ваш будинок вщент.
Фізика процесу проста. Різні метали по-різному розширюються під час нагрівання. З’єднавши два різнорідні метали разом, ви створюєте механічний перемикач, здатний витримувати серйозні температури. Подібні конструкції зустрічаються всюди: від кухонних духовок до систем опалення, вентиляції та кондиціювання повітря (ОВКВ).
Механіка управління
Уявіть пластину, що складається з двох різних шарів. У контексті духовки один метал (назвемо його “швидкою” стороною) розширюється швидше, ніж інший (“повільна” сторона).
У міру зростання температури “швидкий” метал розтягується сильніше, ніж його “партнер”. Пластина згинається. Це згинання змушує пластину торкатися електричного контакту. Ланцюг замикається. Нагрівач вимикається.
Якщо ви збираєте або налаштовуєте пристрій для холодильника, змінюється логіка на протилежну. Вам потрібно, щоб пластина згиналася від контакту при охолодженні, або щоб певна комбінація металів включала компресор при потрібному порозі температури. Регулюючи проміжок між пластиною і точкою контакту, ви точно налаштовуєте температуру відключення. Зменшити зазор? Пристрій увімкнеться раніше. Збільште зазор? Воно пропрацює довше перед вимкненням.
Спіраль для підвищеної чутливості
Прямі пластини працюють, але спіральні – краще.
Якщо ви подивіться на звичайний вуличний термометр із циферблатом, то побачите довгу біметалеву пластину, намотану у щільну спіраль. Чому? Площа поверхні та важіль. Спіральна пластина реагує на мікроскопічні зміни температури набагато більшим переміщенням, ніж пряма смужка. Це додаткове переміщення і рухає стрілку на вашому циферблаті.
Термостати печей використовують той самий спіральний принцип. Але замість стрілки до кінця спіралі кріпиться ртутний перемикач. У міру розширення або стиснення спіралі в залежності від температури в приміщенні вона нахиляє перемикач. Ртуть стікає в один чи інший бік, замикаючи або розмикаючи ланцюг, який запускає піч. Це елегантне, повністю механічне вирішення складної проблеми.
Електронні термометри
Цифровий вимір температури став стандартом у сучасній електроніці. В основі більшості таких систем лежить невеликий компонент, який називається термістором (або терморезистором). Це простий пристрій, але він дуже ефективний для вимірювання тепла.
Принцип роботи ґрунтується на електричному опорі. У міру зміни температури опір термістора змінюється передбачуваним чином. Мікроконтролер або інша схема вимірює цю зміну опору. Потім система перетворює ці сирі електричні дані на значення температури. Це перетворення дозволяє пристрою відображати поточну температуру або запускати автоматичні реакції. Наприклад, термостат може увімкнути обігрів, коли показання опускаються нижче заданого значення.
Якщо ви хочете зібрати власний цифровий термометр, процес включає підключення термістора до мікроконтролера. Вам потрібно запрограмувати пристрій для інтерпретації значень опору. Ознайомтеся з матеріалом Як працюють мікроконтролери, щоб отримати покрокові інструкції щодо створення функціонального цифрового термометра. У цих посібниках можна знайти докладні відомості про підключення, програмування та калібрування.
Розуміння цифрових датчиків температури
Термістори популярні в проектах «зроби сам», оскільки вони недорогі та легко підключаються до поширених плат розробки, таких як Arduino або Raspberry Pi. Ключовим моментом є розуміння взаємозв’язку між температурою та опором. Більшість сучасних термісторів мають негативний температурний коефіцієнт (NTC), що означає, що й опір зменшується в міру нагрівання. Така поведінка дозволяє проводити точні виміри в широкому діапазоні температур.
Під час роботи з цими компонентами завжди двічі перевіряйте схему підключення. Неправильні з’єднання можуть призвести до неточних показань або пошкодження датчика. Використовуйте мультиметр для перевірки початкового опору за кімнатної температури. Ця базова величина допомагає відкалібрувати код для підвищення точності.
Вивчення технологій вимірювання температури
Крім базових термісторів, існують різні технології вимірювання тепла. Наприклад, термометри Галілея використовують різницю у щільності рідини та скляних сфер для індикації температури. Вушні термометри покладаються на інфрачервоні датчики виявлення теплового випромінювання від барабанної перетинки. Механічні таймери для індички використовують пружини, які спрацьовують при певних температурах, що є зовсім іншим підходом порівняно з електронним вимірюванням.
Домашні термостати часто поєднують термістори з інтерфейсами для управління системами опалення, вентиляції та кондиціювання повітря (HVAC). Кондиціонери та холодильники використовують аналогічні принципи для підтримки внутрішньої температури. Розуміння цих систем допомагає усунення неполадок побутової техніки. Якщо кондиціонер погано охолоджує, проблема може полягати не в компресорі, а в несправному датчику температури.
Додаткові ресурси та заходи безпеки
Для отримання більш детальної інформації є кілька ресурсів. Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) надає відповіді на питання, що часто ставляться про ртутні термометри, виділяючи питання безпеки, пов’язані зі старими пристроями. Міністерство сільського господарства США (USDA) пропонує рекомендації щодо використання харчових термометрів для забезпечення безпеки продуктів харчування. Наукові проекти часто включають в себе інструкції з виготовлення простих термометрів, що є гарним освітнім заняттям.
Завжди звертайтеся до електронних компонентів обережно. Уникайте торкання паяних з’єднань або відкритих ланцюгів, доки пристрій увімкнено. Якщо ви працюєте з пристроями, підключеними до мережі високої напруги, вимкніть живлення перед оглядом датчиків. Безпека насамперед, особливо під час роботи з теплом та електрикою.
Еволюція від ртутних датчиків до цифрових відбиває ширші технологічні тенденції. Тепер у нас є більш точні, безпечні та універсальні інструменти для вимірювання температури. Цей зсув приносить користь як професіоналам, і любителям. Тепер ви можете точно контролювати клімат у своєму будинку. Або ви можете відстежувати внутрішню температуру коптильні для ідеальних результатів барбекю. Можливості обмежені лише вашою цікавістю.
