Свежие комментарии

Термометр

На первый взгляд — вещь как бы не первой необходимости. Что на улице холодно можно понять и без термометра. Да и то, что у человека жар тоже определяли без термометра тысячи лет. Однако, для нас главное применение термометра не в медицине, а для перегонного куба…

В нашем мире первый термометр построил только Галилей. Это был не совсем современный термометр, а «термоскоп» — в запаянной трубке плавали поплавки и в зависимости от температуры воздух в ней сжимался или расширялся, давление изменялось и поплавки которые всплывали, а которые тонули. Нам такой термометр не нужен. Не нужен нам и воздушный термометр. Нам нужен обычный жидкостной, и чем ближе к современному, тем лучше.

Посмотреть как сейчас изготавливают термометры можно посмотреть на YouTube. Это процесс был бы хорош, не будь он так сложен. Для древнего времени будет достаточно просто одна капиллярная трубочка, соединенная с емкостью. Естественно, на пустом месте термометр не сделать — нужно организовать стеклодувное производство. Фактически — это единственное требование. Все остальное — исключительно понимание того, что делаешь.

Итак, главная деталь — это калиброванная стеклянная трубочка с капиллярным отверстием. Чем тоньше капилляр, тем лучше — тем более крупными будут отметки градусов. Если капилляр будет неравномерен по толщине это плохо, значит деления градусов должны находиться где реже, а где чаще, такой термометр не откалибровать. Такую трубку можно получить разными способами — от вытягивания точно отмеренного бублика до продавливания стеклянной массы через кольцо с установленной по центру иглой. Все эти методы доступны и в древнем Египте, но требуется много экспериментов. Дальше припаиваем с одной стороны резервуар для жидкости.

Что заливать в резервуар? До сих пор существуют всего несколько жидкостей. Как правило это или ртуть или спирт. У ртути есть недостатки — она замерзает при минус 38 градусах, она очень дорогая и токсичная. Хотя если мы перегоняем нефть, то ртутный термометр незаменим — ртуть закипает при почти 400 градусов цельсия.
Но если нам нужен термометр до 100 градусов цельсия (а это бОльшая часть задач) — то мы можем использовать подкрашенный чернилами спирт. Спирт нужен двойной перегонки, и, естественно нужен перегонный куб. При этом для получения чистого спирта нужен термометр, а для термометра нужен чистый спирт…  Видимо, придется делать несколько итераций.

Далее — перед запаиванием капилляра термометра необходимо откачать из него воздух. Это можно сделать с помощью струйного насоса. Что интересно — для перегонного куба, термометра и струйного насоса нужно только одно — стеклодувное дело.

Теперь последнее — в какой шкале измерять температуру. Я думаю, наилучшей шкалой будет цельсий. И причина примитивна — эту шкалу легче всего калибровать. Температура кипения и замерзания воды доступна везде (пусть эти температуры слегка и колеблятся из-и атмосферного давления).

Ну и когда производство термометров войдет в силу, то они пригодятся много где — от метеорологии (крайне нужная вещь для моряков) до медицины.

42 комментария Термометр

  • name

    ой, «деления градусов должны находиться», конечно же 🙂

  • AlkisTer

    Чисто теоритически биметаллический термометр можно сделать?

    А также термометры сопротивления и термопары для промышленной револючии?

    • kraz

      Про эффекты пельтье тут на форуме вспоминали.
      Некоторая возможность такое сделать есть, но там с материалами засада и нужно с высокой точностью измерять электрические параметры.

      А про биметаллические пластины — там нужно очень высокая точность изготовления, иначе не откалибровать.

      • hludens

        В смысле не откалибровать? Или вы имеете в виду промышленное, массовое производство термометров без настройки каждого отдельного образца?

        Если не ошибаюсь, то для биметалической пластинки важны только два параметра- состав металлов и длинна. Ширина и толщина имеют крайне малое влияние на изгиб. Так что скрепив полоски метала в несколько дюймов (строго отмерив по шаблону) из одной и той же выплавки (а ее хватит на тысячу таких инструментов) и проведя замер образца на тающем льду и кипящей воде, вы с достаточной точностью можете предсказывать для данного изделия степень изгиба на градус цельсия.
        Разумеется для следующей партии (ввиду возможной нестабильности состава металла) придется перемерять заново.

    • 4eshirkot

      Кроме банальной биметалоической пластинки есть и другие исполнения. Например, стержень в трубке-гильзе. Такие термометры особенно удобны для встраивания в аппараты типа реактора или ректификационной колонеы или реактора. Точность хуже, чем у ртутного, но 2-4 градуса — легко достижима.
      И еще у всех биметаллических термометров есть проблема с накоплением деформации, поэтому из достаточно часто нужно перепроверять.

  • dan14444

    Там нелинейность будет, и ещё по мелочи — но в целом всё верно — биметаллический будет работать.

    Кстати для классической схемы стекло не обязательно — есть и природные прозрачности (особенно для низких температур — та же медицина), и непрозрачную трубку задействовать можно — либо незапаянную с поплавком и торчащей линейкой, либо по смещению центра тяжести, либо по проводимости (замыкание ртутью или электролитом)… вариантов достаточно.

    • Taras

      «(замыкание ртутью или электролитом)… вариантов достаточно.» Сколько вам надо контактов и какой контроллер будет читать показания?

    • Taras

      «либо по смещению центра тяжести, » И гирями эту фигню уравновешивать?

  • AlkisTer

    Тогда какие металлы использовать в биметаллическом термометре?

    Основное, что напрашивается: медь, сталь, серебро, золото, олово, свинец. Бронза слишком сложна.

    Вот из вики:
    Термометры [править]

    Схема биметаллического термометра

    Длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен.
    В термографах биметаллическая пластина через систему рычагов управляет пером самописца, рисующим график изменения температуры (применяется в метеорологии).

    По моему для штучной продукции эта система гораздо легче и менее наукоёмкая, чем возится со стеклом, ртутью и капиллярами. Термометр может быть штучный и хорошо доведённый, а главное сломать сложнее чем стеклянный.

    • kraz

      Тут возникает несколько затыков:

      1. Толщина спирали, от нее зависит угол отклонения (то есть толщина каждого из металлов). И выдержана эта толщина должна быть очень точно по всей длине, иначе не откалибровать

      2. Чистота металлов, примеси могут кардинально влиять на коэффициент расширения

      3. Сами металлы. К сожалению простыми элементами тут не обойтись, нужно развивать цветную металлургию.

      4. И самое интересное — как спаять два разных металла? Сейчас для этого применяют очень и очень заморочливые методы, да еще и в атмосферах определенных газов, а тогда что делать?

      • AlkisTer

        Ну для производства такой пластины нужен хотя бы простейший прокатный стан. Кстати, статья про него планируется?

        Допустим берём за материалы: железо и медь, как достаточно доспутный. Сначала выковываем большую пластину добиваясь максимальной однородности, допустим, 1000х500 мм из обоих металлов по отдельности. Выравниваем пластины до одной толщины, пропуская через стан, возможно шлифуем. Затем вырезаем одинаковые по размеру полоски и соединяем по концам клёпкой.

        А потом калибруем каждую партию, по чётко известным температурам: ~0 C замерзания воды, ~78 С кипение спирта, ~100 кипение воды.
        Кипение спирта нужна как проверка линейности изгиба.

        И это только простейший вариант, доступный и в древнем Египте, проблема только в прокатном стане 🙂

        • Taras

          Прокатка сама по себе плохо перемешивает металл. Надо много раз складывать и перекатывать. При этом тонкая полоса остывает. Будем её много раз греть? Каждый раз добавятся неоднородности. А толстую ручным станком не прокатать, нужен стан.
          По-настоящему однородный металл получается после разливки. И расплав ещё приходится дуть инертным газом, или азотом. Хотя если прокат нужен достаточно грубый, то можно и мартеновскую сталь прокатать. А если ещё грубей, то и кузнец справится, только работать ему придётся дольше обычного.

      • Hludens

        Отвечу ка Кразу, хоть и столько лет прошло…
        1. Толщина спирали не влияет на угол отклонения. Практически никак (в разумных пределах). важна только длинна, собственно именно разницу в изменении длинны двух металов и меряет это устройство.
        2.Вот это влияет и серьезно, так что потребуется однородные заготовки. т.е. делаем партию термометров из одного комплекта поковки/отливки, если «сертифицированный» материал кончился- делаем второй набор и заново все промеряем/калибруем.
        3.Годятся любые металлы, у всех у них коэффициент расширения отличается. Просто в удобной паре получим результаты на пластинке длинной 10 см, а в менее удобной потребуется проволочка длинной полметра. Сталь и бронза или стали и серебро достаточно рабочие сочетания. У стали (при температурах 0-200 градусов) коэффициент около 12 у меди- 17, у олова 21, у серебра 20, достаточно заметная разница чтобы пластину гнуло.
        4. Собственно паять их не обязательно. достаточно просто склепать две пластины через некие промежутки обычными заклепками. Но припаять серебро к стали не проблема даже в древние времена.

    • Taras

      Слова не глотайте. Не понятно же, кто со стеклом возится.

  • AlkisTer

    Также насколько я помню из работы в КИПиА есть аналогичные термометры жидкостные:

    То есть медную запаенную трубку заполненую расширующейся жидкостью сворачивают спиралью и она аналогично при изменении температуры изгибается. Только насколько помню трубка сложной формы, с одной стороны выпуклая с другой плоская или вогнутая.

  • dan14444

    Тю, зачем так мудрить. Куём 2 пластины, соединяем клёпкой. Форма — определяется исключительно удобством, чувствительность можно вытянуть рычагом.

    Калибровать всё равно надо каждый термометр отдельно, воспроизводимые технологии=высокие технологии.

    Реперные точки? Понятно, что вода 0 и 100. Спирт — не уверен, очень сильно плавает от воды, сушить сложно. Проще уж ацетона нагнать из ацетата кальция… Впрочем, для точности +- пара градусов и двух должно хватить.

    • Taras

      «Калибровать всё равно надо каждый термометр отдельно, воспроизводимые технологии=высокие технологии.» Как ты вообще собираешься калибровать сугубо и индивидуально нелинейный прибор? Если просто нанести равномерную с поправкой на возможности технологии разметки шкалу, то реперные то точки совпадут, а 50 градусов любого экземпляра придутся на самые неожиданные деления всех остальных. Нужна или повторяемость свойств, или реперные точки на каждое деление, или единственный экземпляр эталонного прибора, на котором придётся ловить температуру каждого деления и отмечать соответствующее деление на калибруемом девайсе.

    • Taras

      «Впрочем, для точности +- пара градусов и двух должно хватить.» +/- 100 с таким подходом.

  • Для биметаллического термометра не нужно иметь пластины выдержанные по толщине. Если каждый термометр калибруется индивидуально, то достаточно чтобы они были приблизительно ровными. Соединить можно обычной клёпкой в нескольких точках, я видел такие конструкции и они реально работали.

    • Taras

      «я видел такие конструкции и они реально работали.» При наличии более точных приборов.

  • Taras

    Нужно. Изгиб происходит не потому, что два металла по-разному расширяются. Оба вообще то сопротивляются изгибу. Но у обоих изменился l0, причём, по-разному, а l как бы одинаково и возникают механические напряжения, вот они и сгибают. Поэтому если на дюймовую стальную полосу наплавить миллиметровый слой олова, то этот биметалл скорей расслоится, чем заметно согнётся.

  • Taras

    Поэтому для него важно отношение толщин. Вот какой там именно допуск и справится ли с ним кузнец не скажу. Но полностью по-наплевательски можно сделать только дрянь.

  • Taras

    Расскажите, чем не устраивает газовый термометр. Его нелинейность легко вычисляется математически.

  • Inventing Temperature — Measurement and Scientific Progress
    300 страниц объяснений почему градуировка градуса посложнее чем «положить в кипяток»
    разные определения кипения, зависимость температуры кипения от давления, насыщенности воздухом, растворенных солей, перегрев жидкости
    нелинейность расширения жидкостей — разница между ртутным и алкогольным т. — до 5 градусов (+проблема расширения материала градусника)

    даже для бытовой точности потребуются некоторые усилия по стандартизации

    • dan14444

      Реально важно только давление, остальное — минорные эффекты. Ессно, кипятить дистиллят, с кипелками, и дать продегазироваться минут несколько.

      Нелинейность для жидкости и материала — само собой, но реперные точки достаточно стабильны, и всё остальное — выводить от них, на одной и той же системе…

      • dan14444

        Нормально всё с кипячением, ошибки по давлению при отсутствии приличных барометров и технические ошибки неопытного персонала при попытке измерения в парАх на мой взгляд — побольше будут.

        Не надо ловить микроны там, где и так на миллиметры ошибка.

        • 4eshirkot

          Перегрев в перегонном кубе на 5 градусов и выше — обычное дело. Термометры калибрут именно в паре не спроста, сложности не добавляет, а результат силтно точнее. Гипсотермометр вообще измеряет отклонение температуры кипения воды в сотые доли градуса.

    • 4eshirkot

      Положить в кипяток — действительно ничего хорошего не получится. Мерять нужно в парах кипящей жидкости, с обязательно висящей на шарике термометра каплей сконденсировавшейся жидкости, что свидетельствует об отсустствии перегрева. В этом случае точность измерения температуры (нанесения реперной точки) кипения 0.1 — 0 3 градуса при учете давления. С плавлением/кристаллизацией чуть сложнее. Поправки на выступающий столбик, на расширение стекла — меньше, при необходимости ликвидмруются простыми приемами. Существенно большая сложность в калибровании капиляра, и, самое главное, в делительной машине для разбивки шкалы между точками. А еще в пррцессе эксплуатации деления едут, поэтому для точных измерений термометры искуственно состаривают.

      • // поэтому для точных измерений термометры искуственно состаривают.

        Долгое кипячение, как для плиток Иогансона?

        • 4eshirkot

          Старению подвергают термометры на температуры выше 150-200, или точные, от 0.2 гр. Сначала долго отжигают заготовки до заполнения ртутью, потом после заполнения при температуре близкой к предельной рабочей. И ставят надпись «состарен»

    • // Реально важно только давление

      В целом да
      // The differences easily amounted to 2–3 degrees Fahrenheit. Two causes of variation were clearly identified and successfully dealt with.9First, the boiling temperature was by then widely known to vary with the atmospheric pressure,10and the committee specified a standard pressure of 29.8 English inches(roughly 757 mm) of mercury, under which the boiling point should be taken.Drawing on De Luc’s previous work, the committee also gave a formula for adjusting the boiling point according to pressure, in case it was not convenient to wait for the atmosphere to assume the standard pressure. The second major cause of variation was that the mercury in the stem of the thermometer was not necessarily at the same temperature as the mercury in the thermometer bulb.

      но еще остается проблема определения момента/режима кипения https://www.dropbox.com/s/gobxo2cj2l1cvv1/boiling_types.png

      насколько я понимаю
      // в парах кипящей жидкости, с обязательно висящей на шарике термометра каплей сконденсировавшейся жидкости

      решает эту проблему.

      После этого основной проблемой остается тепловое расширение стекла и нелинейность расширения алкоголя(первые градусники попаданца скорее всего спиртовые).
      https://www.dropbox.com/s/60424u9j9rk8fut/different%20glass.png
      https://www.dropbox.com/s/z15mvqm6mg3nyuc/different%20spirit.png

      В общем даже для бытовой точности в полградуса надо — в парах жидкости с каплей, стандартизировать давление, стандартизировать крепость алкоголя, подумать о нелинейности. Это уже не каждый вспомнит. Точности в десятую одиночка пожалуй и не добьется.

      • 4eshirkot

        Спирт, как и вода, плохо подходит как рабочее тело, с ним даже реперную точку 100 градусов не поставить.
        Ртуть гораздо лучше и по рабочему диапазону, и по линейности
        https://www.engineeringtoolbox.com/docs/documents/1002/mercury_temperature_density.png , и по отсутствию проблем со смачиванием стекла.
        По ртутному потом и спиртовые можно градуировать.
        Клтр стекла и прочее — это мелочи, для точности в 1-2 градуса, которой попаданцу хватит с лихвой, можно забить. Реальная сложность — это постоянность диаметра капилляра и точность разбиения делений, если эти проблемы решить, то можно и 0.1 градуса измерять, вводя поправки на выступающий столбик, или помещая термометр в измеряемую среду целиком.

        Для температур 200-400 градусов удобные реперные точки — это плавление олова и свинца, которые очень легко получить в чистом виде.

        В современной шкале цельсия даже ноль это далеко не температура таяния льда.

        • // Ртуть гораздо лучше и по рабочему диапазону, и по линейности

          Это то понятно. Но добыть ее где-нибудь в волжских степях в каменном веке…

          Может есть какие-нибудь альтернативы, с линейностью как у ртути, но с лучшей доступностью?

          • 4eshirkot

            Ртуть достаточно легко получается при окислительном обжиге киновари, которая использовалась как краситель наряду с охрой. Хотя киноварь не самый распространенный минерал, встречается она достаточно часто во всех частях света. С Древнего Египта и Античности и сама ртуть доступна.
            https://elementy.ru/kartinka_dnya/949/Kraski_Drevnego_mira_kinovar
            https://www.metmuseum.org/blogs/collection-insights/2018/cinnabar-vermilion
            https://history.wikireading.ru/96032

            Если уж ртути совсем найти не получится, самое то для попаданца-самогонщика использовать изоамилацетат (относителтно легко сделать из сивухи), дающий диапазон от -70 до 130, или, что хуже, высококипящие фракции сивушныз масел.

          • 4eshirkot

            Касательно поволжья
            https://www.google.com/url?q=https://elibrary.ru/item.asp%3Fid%3D12975763&sa=U&ved=2ahUKEwj1p8GD7rbrAhUOx4sKHTFBDwIQFjAAegQIBRAB&usg=AOvVaw3UHlbTuaFAGSVDFtDemxyx
            https://www.google.com/url?q=http://www.ipgg.sbras.ru/ru/files/publications/lithology2013/%25D0%25A2%25D0%25BE%25D0%25BC_2_185-188.pdf&sa=U&ved=2ahUKEwj1p8GD7rbrAhUOx4sKHTFBDwIQFjABegQIARAB&usg=AOvVaw1QzlSHhuIFy7jnYOXXTUxo

            Вообще, ртуть полезна попаданцу во многих облястях, поэтому поискать ее стоит, тем более месторождений много в любой части света

            • // Ртуть в пределах участка обнаружена в 500 литохимических пробах (третья часть всех отобранных литохимических проб) в количестве от «следов» до 15х10-5% .
              // Содержание Hg в них достигает пpедела наcыщения (>3мг/м3).

              в таких количествах…

              • 4eshirkot

                Зерна киновари обнаруживаются в шлихах, что говорит о проимходящей рядом эрозии рудных жил.

                3 мг на кубометр в ВОДЕ. Сульфид ртути крайне мало растворим в воде, эта предельно достижимая концентрация свидетельствует о контакте этих вод с киноварью.

                Это лишь геохимические индикаторы, по которым можно судить о присутствии ртутных отложений гле то неподалеку

              • 4eshirkot

                Абзац полностью
                «Ртуть в пределах участка обнаружена в 500 литохимических пробах (третья часть всех отобранных литохимических проб) в количестве от «следов» до 15х10-5 %. Пробы с ртутью образуют ряд ореолов, ориентированных в северо-восточном направлении, что почти совпадает с общим простиранием отложений. Ореолы рассеяния ртути располагаются в пределах развития пород мелового и юрского возрастов. В структурном отношении они приурочены к крыльям небольших антиклинальных структур, тяготея к их осевым частям, т.е. к зонам наиболее интенсивной трещиноватости и проницаемости пород. Необходимо добавить, что столь интенсивные ореолы рассеяния ртути отмечаются на Южном Урале в непосредственной близости от коренных проявлений киновари

                • // от «следов» до 15х10-5 %

                  Это я цитировал, десятитысячная процента, те миллионная — грамм на тонну. И что-то мне подсказывает без современного оборудования такое содержание фиг увидишь глазами.

                  В любом случае шариться по диким местам попаданцу часто очень опасно, идеал все таки — найти распространненую жидкость с хорошей линейностью. Пусть и дорогую/токсичную/тп тд.

                  • 4eshirkot

                    Грамм на тонну — это просто во взятых пробах при литохимической съемке. Т.е. в пределах исследуемого участка берутся практически от балды пробы в пару ведер песка/глины/грязи и в них определяется содержание интересуемых минералов. Если в такой пробе есть граммы на тонну какого-то минерала, то с огромной вероятностью где-то рядом находится его источник с содержанием уже в килограммы на тонну и выше.
                    Вообще эти ссылки приведены лишь для чтобы показать, что в обозначенном регионе минералы ртути есть, и шансы для попаланца ее там найти вовсе не нулевые.
                    Хотя киноварь не самый распространенный минерал, встречается она достаточно часто во всех частях света, применялась как краска с неолита. С Древнего Египта и Античности и сама ртуть доступна.
                    https://elementy.ru/kartinka_dnya/949/Kraski_Drevnego_mira_kinovar
                    https://www.metmuseum.org/blogs/collection-insights/2018/cinnabar-vermilion
                    https://history.wikireading.ru/96032

                    Если уж ртути совсем найти не получится, самое то для попаданца-самогонщика использовать изоамилацетат (относительно легко сделать из сивухи), дающий измеряемый диапазон от -70 до 130, или, что хуже, просто высококипящие фракции сивушных масел.

                  • dan14444

                    > найти распространненую жидкость с хорошей линейностью. Пусть и дорогую/токсичную/тп тд.

                    Сначала желательно понять — для чего градусник мастрячим. Потребный диапазон, точность… тогда и с материалами понятно станет.
                    Для медицинского — сойдёт что угодно, для погоды и сельхоза — тоже. Да и не особо-то они нужны.

                    Если в ректификацию идти — особой точности поначалу не надо, но вот жидкостью может потребоваться что-то высококипящее. Но гнаться непременно за ртутью — смысла нет, разумеется — пока аналоги тянут. В первую очередь по температуре кипения, остальные преимущества ртути менее… актуальны.

                    Для металлургии — от жидкостных вообще уходим. Самое простое там — биметаллический.

                    Какие ещё задачи остались?

                    Ну а введение метрической системы в большой империи — совсем другое развлечение )).

      • dan14444

        > но еще остается проблема определения момента/режима кипения

        так я для этого о кипелках и написал, с ними всё предсказуемо

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>