Осуществление практически любых ремонтно-строительных работ неразрывно связано с необходимостью выполнения разнообразных замеров. Для решения подобных задач существует множество специальных приборов, от простейших до уникальных в своей многофункциональности. Тем не менее из этого ряда можно без особого труда выделить несколько устройств, получивших наибольшую популярность среди пользователей, причем как профессиональных, так и не являющихся таковыми.
Речь идет в первую очередь, разумеется, о дальномерах, а во вторую – о приборах для измерения температуры и влажности. Эти устройства «карманного» формата имеются в распоряжении если не всех, то абсолютного большинства бригад, занимающихся строительством домов, ремонтом, отделкой и перепланировкой помещений, прокладкой инженерных коммуникаций, сборкой мебели… Выражаясь языком классиков, «и тут Остапа понесло», т. к. приводимый список можно продолжать воистину до бесконечности. Действительно незаменимые помощники специалистов самых разнообразных профессий. Начнем, как водится, с начала.
Измерение расстояний
Про дальномеры написано столько различных статей, очерков, обзоров и тестов, что нет ни малейшего смысла в очередной раз подробно изучать эти замечательные устройства. Несмотря на тот факт, что они выступают под номером один в рейтинге популярности рассматриваемых в настоящей статье приборов, рассказ будет довольно сжатым, а информация не более чем самой общей.
Итак, дальномеры бывают ультразвуковыми и лазерными. Первые работают по принципу эхолота, посылая направленный пучок звуковых волн в ультразвуковом диапазоне и улавливая их отражение от поверхности, до которой ведется измерение. Скорость распространения звука известна, остается только засечь время прохождения им пути туда-обратно, и на основании этого вычислить искомое расстояние, выведя цифры на дисплей. Недостатки такой технологии очевидны: относительно небольшая эффективная дальность работы при высокой погрешности измерений и низкой помехоустойчивости. Среди бесспорных плюсов – «демократичная» стоимость, хотя, если честно, в последние годы ценовое различие между ультразвуковыми дальномерами и их намного более удобными, точными, функциональными и современными лазерными аналогами стало довольно незначительным.
Принцип работы лазерных дальномеров также заключается в измерении времени, затраченного на этот раз уже лазерным лучом на прохождение расстояния от источника до удаленного объекта и обратно. Суть та же, однако эффективная дальность и точность в данном случае заметно выше, а помехоустойчивость намного лучше, чем у ультразвуковых приборов. Как следствие, ассортимент лазерных дальномеров чрезвычайно широк, здесь можно найти самые разнообразные модели на любой вкус, кошелек и список решаемых задач. Производители оснащают свои изделия дополнительными функциями, среди которых возможность изменения точки отсчета (от передней либо задней части корпуса), выполнение косвенных измерений и операций сложения/вычитания, что позволяет без лишних хлопот быстро вычислить площадь и объем помещения, наличие модуля беспроводной связи для передачи данных на ПК или смартфон. Некоторые модели имеют пыле- и влагонепроницаемый корпус, встроенный уровень и уклономер, оптический либо цифровой визир для упрощения позиционирования при работе на больших дистанциях и т. д. Надо отметить, что правило «шире возможности – выше стоимость» в данном случае никто не отменял. Следовательно, выбор прибора должен осуществляться в зависимости от условий его дальнейшей эксплуатации и того списка конкретных задач, которые предстоит решать приобретаемому устройству.
Измерение температуры
Любой школьник прекрасно знает, что температура измеряется при помощи термометров. Но прежде чем приступить к их рассмотрению, необходимо рассказать об используемых основных единицах измерения. Их всего три: градусы Фаренгейта, градусы Цельсия и градусы Кельвина.
Исторически самой первой появилась шкала Фаренгейта. В 1724 году ее предложил немецкий ученый Габриэль Фаренгейт. Точкой отсчета (нулевым значением) была определена температура замерзания смеси воды, соли и нашатыря (1:1:1). Соответственно, точка таяния воды находится на отметке +32 °F, точка кипения – на отметке 212 °F, а один градус по Фаренгейту равен 1/180 разности этих температур. Рассматриваемая шкала являлась основной в англоязычных странах (Великобритании и США) до перехода на систему СИ, но и сейчас в быту здесь, как правило, используются градусы Фаренгейта.
Следующей появилась шкала Цельсия. Ее создал в 1742 году шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий, а доработали физики Христиан Гюйгенс (Голландия) и Роберт Гук (Великобритания). Первоначально в качестве нуля была принята точка кипения воды, а за 100 °С – температура плавления льда, однако уже в XVIII веке шкалу «перевернули» и сейчас 0 °C соответствует температура замерзания воды, а кипение этой жидкости происходит, как всем известно, при 100 °С.
Сегодня шкала Цельсия получила наиболее широкое распространение, несмотря на то, что еще в 1848 году для системы СИ была предложена новая единица измерения температуры – градус Кельвина (К). Отметке 0 по Кельвину соответствует абсолютный ноль (-273,15 °C), т. е. минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной.
Термометры
Как известно, первые термометры, дающие приемлемую точность измерений, были ртутными. Современные же электронные приборы в качестве сенсора используют термопары и терморезисторы. Каждый из сенсоров имеет свои достоинства и недостатки.
Например, термопары обладают наибольшим диапазоном измерений. С их помощью можно определять температуру практически от абсолютного нуля (-273,15 °С) до 1000 °С и даже выше. Термопара состоит из двух сваренных между собой проводников с разными показателями по электропроводимости. В основе принципа действия устройства лежит термоэлектрический эффект – возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в спаянных проводниках при разной температуре.
Термометры на основе терморезистора, как может быть понятно из названия, используют эффект изменения сопротивления при изменении температуры. Основным рабочим элементом здесь выступает полупроводниковый материал. Впрочем, наиболее точными и стабильными считаются приборы на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Все устройства данного типа имеют меньший по сравнению с термопарами диапазон измерения температуры, что связано с ограниченными физическими возможностями сенсора.
Принято различать терморезисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) Датчики с отрицательным ТКС называют также NTC-термисторами (от англ. Negative Temperature Coefficient – «отрицательный температурный коэффициент»). Они получили наиболее широкое распространение в измерительной технике. Менее популярные датчики с положительным ТКС известны как позисторы или PTC-термисторы (от англ. Positive Temperature Coefficient – «положительный температурный коэффициент»). Очевидно, что у позисторов с ростом температуры сопротивление растет, а у NTC-термисторов, наоборот, падает.
К сожалению, универсального материала для изготовления сенсоров терморезисторов, который перекрывал бы весь диапазон измерений в технике, отличаясь стабильностью и быстротой выполнения измерений, не существует. Поэтому для решения различных задач подбираются разные полупроводники. К слову, наибольшее распространение получили NTC-термисторы с диапазоном измерений от -50 до +300 °С. Выбирая тип сенсора, приходится учитывать не только рабочий диапазон температур, но и распределение погрешности. У каждого датчика есть свой температурный режим, при котором погрешность стабильна и не выходит за определенное допустимое значение.
Очень важной деталью электронного термометра является тип его зонда. В зависимости от объекта измерений используется погружная, проникающая или поверхностная разновидность.
Отдельная категория термометров – одноразовые приспособления на основе фольги, наклеиваемые на изучаемую поверхность. В зависимости от диапазона измерений такие «датчики» можно использовать для простого контроля температуры, а также в системах управления охлаждением и нагревом. Фольга выпускается в виде круглых либо прямоугольных индикаторов, максимальная отображаемая температура обычно доходит до +280 °С. Недостатком такого метода выступает достаточно высокая погрешность измерений, которая может достигать 1,5–2 °С. Время реакции (промежуток, за который индикатор необратимо меняет цвет) составляет 1–2 секунды.
Температуру сыпучих грузов и материалов можно измерять с помощью так называемых проникающих термометров. Здесь имеется специальное жало, которое погружают в массу вещества и передает всю необходимую информацию на дисплей. Существуют как специальные проникающие термометры для пищевой и фармацевтической промышленности, так и универсальные модели.
Отдельной категорией являются термометры для работы с нефтепродуктами и измерений во взрывоопасной среде. К таким приборам предъявляются особые требования по надежности и безопасности, также здесь используются специальные погружные и проникающие зонды.
Пирометры
Бесконтактые методы измерения температуры получили общее название пиорметрия (от греч. pyr – «огонь» и metreo – «измеряю»). Сегодня это один из наиболее современных способов.
В основе пирометрии лежит использование теплового излучения. Все тела и предметы излучают электромагнитные волны: по их интенсивности можно судить о температуре объекта – чем она выше, тем интенсивнее излучение (или, наоборот, поглощение). Долгое время пирометрия использовалась для определения высоких температур за пределами температурного диапазона ртутного термометра.
Первый пирометр был изобретен еще в XVIII столетии голландским ученым и изобретателем первого конденсатора (лейденской банки) Питером ван Мушенбруком. Но только со второй половины прошлого века температура, измеряемая пирометрами, стала снижаться. Именно в это время были сделаны открытия, позволившие сделать рассматриваемые приборы компактными и измерять ими температуру «холодных» объектов. Первый компактный пирометр изготовила американская компания Wahl в 1967 году: в основе принципа измерения температуры лежало использование инфракрасного приемника, который определял количество излучаемой тепловой энергии.
Современные приемники инфракрасного (ИК) излучения компактны и достаточно дешевы, однако к этой компактности наука шла тернистым путем. Только открытия в области полупроводников и оптики позволили уменьшить размеры и стоимость ИК-приемников, а также понизить диапазон измеряемых температур.
Пирометры делятся на несколько групп: оптические (основанные на визуальном сравнении цвета нагретого тела с эталоном), цветовые или спектральные (значение температуры вычисляют при сравнении теплового излучения в разных спектрах), а также радиационные, определяющие температуру посредством пересчета мощности теплового излучения.
Уже из описания самого принципа действия становятся очевидными сложность прибора и зависимость точности измерения температуры от параметров среды и отсутствия помех – пыли, пара, аэрозолей. Чистота линз также играет не последнюю роль, поэтому оптику рекомендуется очищать специальной салфеткой или продувать сжатым воздухом под небольшим давлением. По сравнению с салфетками сжатый воздух имеет важное достоинство: удаляя пыль, он не оставляет на линзе микроскопических царапин, однако охлаждает ее при контакте, что снижает точность измерений. Поэтому специалисты не рекомендуют использовать устройство сразу после продувки. Кроме того, самому прибору необходима адаптация к температуре, следовательно, пирометр нужно хранить в том месте, где будут выполняться измерения.
Рассматриваемое оборудование измеряет только наружную температуру объекта, в отличие от термометров проникающего типа. Для удобства пользования многие современные пирометры оснащаются лазерным целеуказателем. Еще одной особенностью устройства является изменение площади, с которой производится «съём» заданного (среднего, минимального, максимального) значения температуры, при увеличении расстояния до объекта измерения. Например, если в паспорте пирометра указано соотношение 10:1, то на расстоянии 0,5 м диаметр пятна будет составлять 66 мм, на расстоянии 1 м он увеличится до 116 мм, а на расстоянии 2 м – до 216 мм.
Гигрометры
Так называются устройства для измерения влажности, уровень которой должен контролироваться не только на стройплощадке, например, для обеспечения оптимальных условий высыхания штукатурки или схватывания бетона, но и во многих других случаях, в частности, на складах и в жилых помещениях. Возможность управления влажностью имеется у любой мало-мальски современной климатической системы.
Первым прибором для измерения влажности стал человеческий волос, который в зависимости от внешних условий удлиняется или укорачивается. Так появился волосной гигрометр. Позже возникли другие разновидности – психрометр, анализатор точки росы и емкостной сенсор влажности. Психрометр применяется и по сей день, хотя его главными недостатками являются сложность в эксплуатации и длительный цикл измерений. Например, психрометр Августа состоит из двух ртутных или спиртовых термометров. Резервуар одного из них обернут марлей, смоченной дистиллированной водой, причем конец марли помещен в сосуд с той же жидкостью. Для выполнения измерений психрометр изолируют от внешних температурных воздействий на 15 минут: за это время термометры покажут разные значения температуры, что позволит определить уровень влажности по специальным таблицам.
Принцип действия анализатора точки росы (он широко используется в нефтегазовой отрасли, промышленности, строительстве и металлургии) основан на охлаждении специального зеркала до выпадения конденсата. Такие приборы отличаются значительными размерами, широким диапазоном измерений и высокой точностью. Однако для быстрых измерений такое устройство, как и психрометр, не годится.
Более подходящими для указанных целей приборами стали гигрометры на основе емкостного датчика влажности, разработанного 15 лет назад фирмой testo и положившего начало широкой гамме компактных, надежных и точных устройств. Датчик влажности представляет собой диэлектрическую пластину с двумя не соприкасающимися электродами, поверх которых нанесен специальный полимер, меняющий диэлектрические свойства в зависимости от влажности.
Отдельной категорией приборов для измерения влажности являются так называемые логгеры – компактные устройства, выполняющие измерения в автоматическом режиме и сохраняющие их в памяти. Логгеры могут иметь разную канальность, т. е. количество запоминаемых параметров. Как правило, их два: температура и влажность. Данные обычно записываются как во встроенную память, так и на внешний съемный накопитель. Такие приборы могут использоваться для контроля условий перевозки, например, скоропортящихся грузов.
Текст: Максим Кубай