Краткая история датчика температуры

Ощущения тепла и холода имеют фундаментальное значение для человеческого опыта, но поиск способов измерения температуры поставил перед многими великими умами интересную задачу. Неясно, были ли у древних греков или китайцев способы измерения температуры, поэтому, насколько нам известно, история температурных датчиков началась в эпоху Возрождения.

Проблема измерения

Тепло — это мера энергии в теле или материале: чем больше энергии, тем оно горячее. Но, в отличие от физических свойств массы и длины, это трудно измерить. Большинство методов были косвенными, наблюдая за воздействием тепла на что-либо и выводя из этого температуру.

Создание шкалы измерений также было сложной задачей. В 1664 году Роберт Гук предложил использовать точку замерзания воды в качестве нулевой точки и отсчитывать от нее температуру. Примерно в то же время Оле Ремер увидел необходимость в двух фиксированных точках, позволяющих выполнять интерполяцию между ними. Точки, которые он выбрал, были точкой замерзания Гука, а также точкой кипения воды. Это, конечно, оставляет открытым вопрос о том, насколько горячими или холодными могут быть вещи.

На это ответил Гей-Люссак и другие ученые, работавшие над газовыми законами. В 19 веке, исследуя влияние температуры на газ при постоянном давлении, они заметили, что объем увеличивается на долю 1/267 на градус Цельсия (позже исправлено до 1/273,15). Это привело к концепции абсолютного нуля при минус 273,15°С.

Наблюдение за расширением: жидкости и биметаллы

Сообщается, что Галилей построил устройство, которое показывало изменения температуры примерно в 1592 году. По-видимому, оно использовало сжатие воздуха в сосуде для поднятия столба воды, причем высота столба указывала на степень охлаждения. Однако на это сильно повлияло давление воздуха, и это было не более чем новшеством.

Термометр в том виде, в каком мы его знаем, был изобретен в 1612 году на территории современной Италии Санторио Сантори. Он запечатал жидкость в стеклянной трубке, наблюдая, как она перемещается вверх по трубке по мере расширения. Шкала на трубке облегчала просмотр изменений, но в системе не было точных единиц измерения.

С Ремером работал Даниэль Габриэль Фаренгейт. Он начал производство термометров, используя в качестве жидкости спирт и ртуть. Ртуть идеальна, так как имеет очень линейную реакцию на изменение температуры в большом диапазоне, но опасения по поводу токсичности привели к сокращению ее использования. В настоящее время для его замены разработаны другие жидкости. Жидкостные термометры по-прежнему широко используются, хотя важно контролировать глубину погружения колбы. Использование защитной гильзы помогает обеспечить хорошую теплопередачу.

Биметаллический датчик температуры был изобретен в конце 19 века. При этом используется дифференциальное расширение двух металлических полос, соединенных вместе. Изменения температуры создают изгиб, который можно использовать для активации термостата или манометра, подобного тем, которые используются в наших обогревателях шкафов управления ОША. Точность не слишком высокая — возможно, плюс-минус 2 градуса — но эти датчики недороги, поэтому у них много применений.

Термоэлектрические эффекты

В начале 19 века электричество было захватывающей областью научных исследований, и вскоре ученые обнаружили, что металлы различаются по своему сопротивлению и проводимости. В 1821 году Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что напряжение создается, когда концы разнородных металлов соединяются и помещаются при разных температурах. Пельтье обнаружил, что этот эффект термопары обратим и может использоваться для охлаждения.

В том же году Хамфри Дейви продемонстрировал, как удельное электрическое сопротивление металла связано с температурой. Пять лет спустя Беккерель предложил использовать платино-платиновую термопару для измерения температуры, но только в 1829 году Леопольдо Нобили создал устройство.

Платина также используется в резистивном датчике температуры, изобретенном в 1932 году К. Х. Мейерсом. Он измеряет электрическое сопротивление отрезка платиновой проволоки и обычно считается наиболее точным датчиком температуры. RTD, использующие проволоку, по своей природе хрупки и не подходят для промышленного применения. В последние годы были разработаны пленочные РДТ, которые менее точны, но более надежны.

В 20 веке также были изобретены полупроводниковые устройства для измерения температуры. Они реагируют на изменения температуры с хорошей точностью, но до недавнего времени им не хватало линейности.

Тепловое излучение

Очень горячие и расплавленные металлы светятся, выделяя тепло и видимый свет. Они излучают тепло и при более низких температурах, но на более длинных волнах. Английский астроном Уильям Гершель был первым, кто примерно в 1800 году осознал, что этот «темный» или инфракрасный свет вызывает нагрев. Работая со своим соотечественником Меллони, Нобили нашел способ обнаружить эту излучаемую энергию, последовательно соединив термопары в термобатарею.

За ним последовал болометр в 1878 году. Изобретенный американцем Сэмюэлем Лэнгли, он использовал две платиновые полосы, одна из которых была зачернена, в конструкции моста Уитстона. Нагрев инфракрасным излучением вызвал заметное изменение сопротивления.

Болометры чувствительны к инфракрасному свету в широком диапазоне длин волн. Напротив, устройства типа фотонных детекторов, разработанные с 1940-х годов, как правило, реагируют только на инфракрасное излучение в ограниченном диапазоне волн. Детекторы сульфида свинца чувствительны к длинам волн до 3 микрон, а открытие тройного сплава HgCdTe в 1959 году открыло двери для детекторов, приспособленных для определенных длин волн.

Сегодня широко используются недорогие инфракрасные пирометры, а тепловизионные камеры находят все больше применений по мере снижения их цен.

Температурные весы

Когда Фаренгейт делал термометры, он понял, что ему нужна температурная шкала. Он установил температуру замерзания соленой воды на уровне 30 градусов, а ее точку кипения на 180 градусов выше. Впоследствии было решено использовать чистую воду, которая замерзает при несколько более высокой температуре, что дает нам замерзание при 32°F и кипение при 212°F.

Четверть века спустя Андерс Цельсий предложил шкалу от 0 до 100, которая сегодня носит его имя. Позже, увидев выгоду в фиксированной точке на одном конце шкалы, Уильям Томсон, позже лорд Кельвин, предложил использовать абсолютный ноль в качестве отправной точки системы Цельсия. Это привело к шкале Кельвина, используемой сегодня в научной сфере.

Сегодня шкалы измерения температуры определены в документе под названием «Международная система температуры 90», или сокращенно ITS-90. Читатели, которые хотели бы проверить или лучше понять свои единицы измерения, должны получить копию.