Thermometer - Ondokei (English spelling) thermometer

Japanese: 温度計 - おんどけい（英語表記）thermometer

A device for measuring the temperature of a substance or environment. Thermometers that utilize the expansion and contraction of gases, liquids, and solids that accompany temperature changes have been used for a long time. However, various thermometers that use different measurement principles are also used in various fields of natural science and engineering. Temperature is a measure that quantitatively expresses the heat or coldness of an object or environment.

[Taka Watanabe]

History of the Thermometer

The origin of the thermometer is said to be the thermoscope, which utilized the expansion and contraction of air due to changes in temperature. This was made by Galileo around 1592. Then, in the early 17th century, there is a record of Santorio, who taught anatomy at the University of Padua, using a thermometer for medical purposes. The prototype of the thermometer or clinical thermometer that is widely used in homes today is the alcohol thermometer made by Galileo's students in the mid-17th century.

Thermometers were created, firstly, because of the need to measure temperature in everyday life, and secondly, because it was necessary to measure body temperature to maintain human life and health. The mercury thermometer made by Fahrenheit of Germany in 1724 was set at 0°C, noting that the lowest temperature that could be reached in daily life was a mixture of salt and snow in a 1:3 weight ratio. He also set the body temperature of a sheep (about 38°C) at 100°C. This method of determining temperature standards tells us directly about daily life in Europe in the 17th and 18th centuries. However, the temperature that the mixture of ice and salt mentioned here reaches is now known to be -22.0°C (the eutectic point or eutectic point), which corresponds to -8°C on Fahrenheit's scale.

[Taka Watanabe]

Thermometer types

Thermometers currently in use are classified into the following categories based on their measurement principles:

(1) Thermometers that use thermal expansion These include gas thermometers, liquid thermometers, and bimetal thermometers. Liquid thermometers include mercury thermometers and thermometers that use kerosene. Thermometers with a red liquid column are generally thought to be alcohol thermometers, but this is not the case. With alcohol, condensation is likely to occur in the space above the liquid column, which can easily cause errors in the readings, so kerosene has been used since around 1950. Household thermometers and clinical thermometers are also liquid thermometers. There are also maximum and minimum thermometers ( Figure A ) and Beckmann thermometers that use liquid thermometers. Bimetal thermometers ( Figure B ) use a bimetal made by bonding two metal plates with different expansion coefficients, for example, two thin plates of copper and nickel. With this bimetal, the expansion coefficient of copper is greater than that of nickel, so the plate bends toward the nickel when it gets hot, and toward the copper plate when it gets cold. This is used to display the temperature.

(2) Those that utilize the temperature change in electrical resistance. This includes resistance thermometers.

(3) Thermocouple thermometer A loop-shaped circuit through which electricity flows is created by contacting the two ends of wires made of two different metals or alloys. When a temperature difference is applied between the two ends, a thermoelectromotive force is generated at both ends, causing an electric current to flow. This is the Peltier effect (thermoelectric effect). A thermometer that applies this effect is called a thermocouple thermometer. The generated thermoelectromotive force is measured using a potentiometer or a millivoltmeter with a large internal resistance, and the temperature is determined from a temperature = thermoelectromotive force correction table. This is the most widely used method for measuring temperature in the natural sciences and engineering. This is because the volume of the metal junction, which is the temperature-sensing part, is extremely small, the error due to heat capacity is small, and it has excellent responsiveness. Thermocouples that are used include platinum wire and platinum-rhodium alloy wire, and copper wire and constantan wire (copper-nickel alloy wire).

(4) Measuring color temperature by light There are optical pyrometers and radiation pyrometers. Optical pyrometers, also called optical pyrometers, are a method of determining the color temperature of an object being measured by comparing it with a standard color temperature, and are used to measure high temperatures from about 700°C to 2500°C. Radiation pyrometers focus the heat rays emitted from the object being measured using a lens or concave mirror, place a thermistor at the focus, and measure the temperature from the change in resistance caused by the rise in temperature of the thermistor. One type of radiation pyrometer is the thermography thermometer, which uses a semiconductor temperature-sensing element that detects infrared rays. These are used to investigate the distribution of the Earth's surface temperature from satellites, and to measure the distribution of human skin temperature, etc.

(5) Others There are the Segel cone thermometer and the thermocolor thermometer. The Segel cone thermometer is a triangular pyramid about 10 cm high made from a mixture of silicate and metal oxide. It is placed in various places inside a kiln and used to measure the temperature distribution inside the furnace by observing how the pyramid melts when heated. The thermocolor thermometer is a thermometer that uses a material (thermocolor) that changes color with temperature. It is a thermometer that uses the phenomenon that complex salts such as cobalt-chromium show a reversible color change depending on the temperature, and this material is mixed with clay and dried to become thermoclay. There is also a liquid crystal thermometer that uses the temperature properties of liquid crystals.

[Taka Watanabe]

Maximum and minimum thermometer structure (Fig. A)
©Shogakukan ">

Maximum and minimum thermometer structure (Fig. A)

Structure of a bimetal thermometer (Fig. B)
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Structure of a bimetal thermometer (Fig. B)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

物質や環境の温度を測定する装置。温度変化に伴う気体・液体および固体の膨張と収縮を利用した温度計が古くから用いられている。一方、これとは測定の原理が異なる種々の温度計も自然科学、工学の諸分野において用いられている。温度は物体や環境の暑さ（熱さ）、寒さ（冷たさ）を数量的に表現する物差しである。

［渡辺　昂］

温度計の歴史

温度計の始まりは、空気の温度変化による膨張と収縮を利用したサーモスコープであるといわれている。これは1592年ごろガリレイが作製した。ついで17世紀の初めにパドバ大学で解剖学を教えていたサントリオが医療に体温計を用いた記録がある。現在家庭でも広く使われている温度計または体温計の原形は、17世紀なかばにガリレイの弟子たちによってつくられたアルコール温度計である。

　温度計は、一つには、日常生活の場で温度の計測が必要であったことから、もう一つは、人間の生命と健康を維持していくうえで、体温の測定が必要であったことから生み出されたものと考えられる。1724年、ドイツのファーレンハイトによってつくられた水銀温度計は、食塩と雪の重量比1対3の混合物が日常得られる最低温度であることに着目して、これを0度とした。また、ヒツジの体温（約38℃）を100度とした。この温度の基準の決め方は、そのまま17～18世紀のヨーロッパの日常生活を物語っている。もっとも、ここに述べた氷と塩の混合物の到達温度は現在では零下22.0℃（共晶点あるいは共融点）であることが知られているが、これはファーレンハイトのスケールでは零下8に相当する。

［渡辺　昂］

温度計の種類

現在使用されている温度計を、測定原理に基づいて以下に分類する。

(1)熱膨張を利用するもの　これには、気体温度計、液体温度計、バイメタル温度計がある。そのうち液体温度計には、水銀温度計と灯油を使用する温度計がある。液柱が紅色の温度計は、一般にアルコール温度計と思われているが、そうではない。アルコールでは、液柱上部の空間に凝縮をおこしやすく、指示に誤差を生じやすいために1950年ころから灯油が用いられるようになった。家庭用の寒暖計、体温計もこの液体温度計の一つである。また、この液体温度計を用いた、最高最低温度計（図A）、ベックマン温度計がある。バイメタル温度計（図B）は、膨張係数の異なる2種類の金属板、たとえば、銅とニッケルの薄板2枚を密着させたバイメタルを使用する。このバイメタルでは、銅の膨張係数がニッケルの膨張係数よりも大きいために、高温になると板はニッケル側に曲がる。低温になると銅板側に曲がる。これを利用して温度を表示する。

(2)電気抵抗の温度変化を利用するもの　これには抵抗温度計がある。

(3)熱電対(ねつでんつい)温度計　異なった2種類の金属または合金の針金の両端を接触させて電気の流れるループ状の回路をつくる。こうして接触させた両端に温度差を与えると、その両端に熱起電力が発生して電流が流れる。これがペルチエ効果（熱電効果）である。この効果を応用した温度計が熱電対温度計である。発生した熱起電力の測定は電位差計または内部抵抗の大きいミリボルト計によって行い、温度＝熱起電力の補正表より温度を決める。これは、自然科学、工学における温度計測にもっとも広く用いられる。その理由は、感温部である金属接合部の容積がきわめて小さく、熱容量による誤差が小さく、応答性に優れていることによる。用いられる熱電対としては、白金線と白金ロジウム合金線、銅線とコンスタンタン線（銅とニッケルの合金線）などがある。

(4)光による色温度の測定　これには光高温計と放射高温計がある。光高温計は、オプティカルパイロメーターともいわれ、被測定体の色温度を標準色温度との比較測定によって求める方法で、700℃～2500℃くらいまでの高温の測定に用いる。放射高温計は、被測定体より放射される熱線を、レンズまたは凹面鏡によって集光し、焦点にサーミスターを置いて、サーミスターの温度上昇による抵抗値の変化から測温する。放射高温計の一種に、赤外線に対する半導体感温素子を使用したサーモグラフィー用温度計がある。これを用いて、人工衛星から地球の表面温度の分布を調べたり、人体の皮膚温度分布などの測定が行われる。

(5)その他　ゼーゲル錐(すい)温度計とサーモカラー温度計がある。ゼーゲル錐温度計はケイ酸塩と金属酸化物を練り合わせてつくった高さ10センチメートル程度の三角錐である。これを窯炉内各所に配置し、加熱による三角錐の融けぐあいから炉内の温度分布を調べる目的に使われる。サーモカラー温度計は、温度によって色が変化する材料（サーモカラー）を利用した温度計である。おもにコバルト・クロムなどの錯塩が、温度によって可逆的に色変化を示す現象を利用した温度計で、この材料を粘土と練り合わせて乾燥させたものをサーモクレイという。また、液晶の温度特性を利用した液晶温度計もある。

［渡辺　昂］