Учимся изобретать… термометр

Мы уже знаем, что изобретение может возникнуть случайно как техническое развитие общеизвестного физического явления в виде изменения привычного предмета или даже в результате анализа неудачного эксперимента. (См. статью “Как стать изобретателем”? – “Сто друзей” N26.) О таких изобретениях еще поговорим.
А сейчас попробуем создать изобретение поисковое, то есть будем думать, конструировать, экспериментировать целеустремленно, изобретать по заданной теме.
Почему выбран термометр? Ну, во-первых, он сопровождает нас всю жизнь. В общем, этот измерительный прибор несложен и устройство его всем понятно. Во-вторых, именно из-за давнего происхождения, повсеместной распространенности и высокого совершенства трудно, а посему интересно создать что-то новое.

С чего начать?
Изобретать “с бухты-барахты” все равно, что выйти на лед мирового первенства по фигурному катанию, не умея кататься на коньках. Не выручит даже усидчивое изучение предмета. Поэтому будем не учиться, а сразу изобретать. В том, что это возможно, вы сами убедитесь. Но, в отличие от школьного экзамена, используем подсказки и нестареющий призыв: “Делай, как я”.
Что такое температура? Это показатель теплового состояния среды или объекта. Температуру нельзя увидеть, но можно ощутить. Правда, во многих случаях это ощущение субъективно. Так, например, при одинаковой температуре железо на ощупь кажется холоднее, чем дерево. Поэтому еще в древности возникла необходимость “видеть” истинную температуру. К примеру, как определить оптимальную температуру в инкубаторах (устройства для искусственного выведения цыплят, применяемые в жарких странах многие тысячелетия) и как ее контролировать. А необходимость – самый действенный стимул для изобретательства.
Поскольку диапазон температур в природе, в научных исследованиях и в технике очень широк – от абсолютного нуля до миллионов градусов, – изобретены и применяются самые различные контактные и дистанционные измерительные приборы. Свой поиск ограничим только бытовыми термометрами.
Изобретателем прототипа современного жидкостного термометра многие исследователи считают Галилео Галилея (1564-1642). Небезынтересно, что саму идею прибора он почерпнул в трудах древнегреческого механика Герона Александрийского (около I в. н.э.). Герон пытался использовать тепловое расширение воды для поднятия тяжестей. А поскольку вода при изменении температуры увеличивает или уменьшает свой объем, Галилей это физическое явление “отехничил”, поместив жидкость в тонкую трубку с делениями.
Может быть, это информационный розыгрыш, но пишут, что Галилей наполнял свои термометры не водой, спиртом или ртутью, а вином. Однажды он послал термометр своему другу в Англию с подробной инструкцией, что это и как этим пользоваться. То ли письмо затерялось, то ли друг в нем не разобрался, но через некоторое время Галилей получил благодарность за хорошее вино с просьбой повторить.
Итак, в быту мы пользуемся либо жидкостным термометром – спиртовым, толуоловым, ртутным либо твердотельным – стальная пружина со стрелкой на свободном конце (обычно в настольных календарях или в сауне), либо жидкокристаллическим – пластина с ячейками термочувствительного вещества – смеси холестериллолианата и холестериллпелорганата, которая изменяет свой цвет при определенной температуре, обычно в медицинских индикаторах и в аквариумных термометрах. Наиболее распространены жидкостные термометры для закрытых помещений, наружные, аквариумные, медицинские и другие. Казалось бы, лучше и проще не придумаешь.
Однако, как говорится, и на Солнце есть пятна. Термометрические жидкости, как правило, токсичные или ядовитые, заключены в стеклянном капилляре. Он хрупок. А поскольку объемное расширение жидкостей незначительно (ртутный медицинский термометр содержит 1-2 миллилитра ртути с приращением объема на 1 градус всего на 2-4 десятитысячные доли мл. Поэтому капилляр делают тонюсеньким, отчего столбик ртути едва заметен. Коэффициент теплового расширения у спирта или толуола в 5-6 раз больше, поэтому у таких термометров трубка толще и столбик жидкости более заметен. Однако со временем краситель обесцвечивается, жидкость возгоняется и термометр начинает “врать”.
Не случайно разработчики и производители термометров время от времени объявляют конкурсы на создание экологически чистого термометра. На одном из таких конкурсов Центрального правления Всероссийского общества слепых (1973 год) автор этих строк получил вторую премию за создание принципиально нового дискретного термометра для слабовидящих. О конструкции этого термометра и пойдет речь.

Нет предела совершенству
Если трудно изобретать с “пустой головой”, то также непрактично “ломиться в открытую дверь”, то есть работать над тем, что уже известно. Правда, совершенству нет предела и, кроме того, ознакомление с “чужими” конструкциями может подсказать новые технические идеи.
Соска-термометр. Корпус у нее прозрачный и заполнен глицерином. В нем плавает шарик из натурального холестерина, чувствительного к изменению температуры. Если она нормальная – шарик зеленый, если повышенная – становится черным.
Термометр одноразовый. Это тонкая алюминиевая полоска, на которую нанесены “точки” безвредного химического вещества. В зависимости от температуры (пластину кладут под язык на 15 секунд) определенные “точки” изменяют свой цвет. Прибор после использования выбрасывают, что гигиенически очень удобно. Правда, термометр можно вклеить в историю болезни.
Шкала отделена от датчика. При массовых обследованиях, например, в детском саду, пациентам раздают маленькие пластмассовые трубки, заполненные воском. Воск, поглощая тепло, удерживает его некоторое время, достаточное, чтобы вставить трубку в электронный измерительный прибор.
Температура на расстоянии. Поставить градусник под мышку льву или страусу не так-то просто. На этот и подобные случаи изобретен дистанционный термометр, который с расстояния до 30 метров определяет температуру животного за 2 секунды. Небезынтересно, что идею градусника ветеринары позаимствовали у астрономов, измеряющих температуру звезд с помощью термоэлементов.
Надо только открыть рот. Любые контактные термометры неудобны тем, что требуют стерилизации после каждого больного. Если применить емкостный ферроэлектрический болометр (прибор для измерения энергии электромагнитного излучения), то достаточно издали “заглянуть” датчиком в рот пациента. Однако у прибора есть недостаток – необходимо точно соблюдать эту дистанцию. Для этого к прибору прикрепляют штангу размером 7,5 сантиметра, которой упираются пациенту в подбородок.
Проглачиваемый термометр. Он выполнен в виде таблетки с миниатюрным радиопередатчиком. Когда капсула медленно движется по пищеварительному тракту, она непрерывно передает на наружное приемное устройство температуру больного.

Это любопытно
Чехол для термометра. В первые годы ХIХ века московский журнал “Друг просвещения” опубликовал устройство для измерения температуры почвы. Оригинальность новинки была в том, что термометр находился внутри пустотелого металлического кола. “По убеждению в пользе, – писал журнал, – общество земледелия дало изобретателю в ободрение награду”.
Живые термометры. Энтомологи заметили, что сверчки и цикады издают звуки в точной зависимости от температуры окружающей среды. Английские ученые даже составили переводные таблицы, по которым по количеству и частоте звуков можно рассчитать температуру воздуха.
Птичий термостат. В Эфиопии водятся птички трохилосы. Так назвал их еще в древности Геродот, удивленный их смелостью: они залетали в открытый рот крокодила и чистили его зубы. Но еще более трохилосы удивили современных ученых. Оказывается, птички клювом определяют температуру песка. Если она высокая, что опасно для кладки яиц, они летят к ближайшему водоему, опускают в воду хвостик, а затем стряхивают влагу над кладкой яиц. Как они догадались, что при испарении воды испаряющая поверхность охлаждается?

От рассуждений к практике!
Все жидкостные термометры основаны на том принципе, что жидкость при нагревании расширяется, то есть, сохраняя массу, увеличивают свой объем. При охлаждении все происходит наоборот: жидкости становится как бы меньше. Посмотрим на это физическое явление “с другой стороны” (кстати, это один из распространенных изобретательских приемов). Поскольку жидкость при одинаковой массе “дышит”, значит, изменяется и ее удельный вес! Нельзя ли измерять температуру по изменению удельного веса? Но как сделать его видимым?
Повторим известный по школьному курсу физики опыт. Нальем в прозрачный стакан воду и осторожно погрузим в нее свежее куриное яйцо. Оно, естественно, утонет, ибо средний удельный вес яйца больший, чем у воды. Будем постепенно растворять в воде соль, доводя раствор до такой концентрации, чтобы яйцо оказалось где-то посередине, как бы в невесомости. Поставим стакан на подоконник и понаблюдаем за поведением яйца.
Рано утром, когда прохладно, яйцо всплывет к поверхности, а после того, как вода прогреется, оно утонет. “Обнаучим” это явление: яйцо – не что иное, как твердое тело с постоянной массой и практически неизменяемым объемом (удельным весом). Жидкость – вода, в зависимости от температуры, как мы уже знаем, изменяет объем и плотность также при постоянной массе. При этом твердое тело (яйцо) наглядно показывает изменение плотности! “Так это же готовый, принципиально новый термометр!” – воскликнете вы. И будете правы, но отчасти.
Конечно, единожды измерив обычным термометром температуру раствора соли, когда яйцо в “невесомости”, можно будет впредь уже без термометра по положению яйца в жидкости определять температуру. Но для этого надо неотрывно часами наблюдать за положением яйца. Непрактично, однако, если ориентироваться только по тому, где находится яйцо, – на поверхности или на дне, можно в любое время считать, что температура в данный момент ниже или выше определенного значения. Подобные приборы с граничным отсчетом называют индикаторами.
Но мы “не лыком шиты” и подберем два яйца с небольшой разницей в удельном весе. Диапазон измерения температуры значительно расширится. Мы уже сможем наглядно контролировать соблюдение заданного теплового диапазона. Где этот индикатор может пригодиться? Да в том же древнем инкубаторе, температура в котором когда-то контролировалась с помощью тающих шариков из смеси сала и масла. В более позднее время стали использовать ртутный термометр с впаянными в капилляр на разном уровне электрическими контактами.
А мы опытным путем подберем такой удельный вес жидкости и яиц (в дальнейшем будем называть такие твердые тела в жидкости датчиками), чтобы они занимали противоположные положения в диапазоне температуры, оптимальной для выведения цыплят (в среднем между 36 и 38 градусами С). Не торопитесь иронизировать, пока это всего лишь мысли вслух, не имеющие прикладного значения. Но кто нам мешает этой идее придать приемлемое конструктивное оформление и практический смысл.
Когда я начал думать над созданием термометра, основанного на измерении плотности жидкости, прежде всего стал подбирать материал для датчиков. Чтобы будущий термометр был экологически чистым, пришлось сразу исключить жидкости с большим объемным расширением (спирт, толуол, бензин, ацетон и другие). В их среде твердое тело, например, пустотелый металлический или стеклянный шарик, вело бы себя при изменении температуры весьма наглядно. Вода экологически безупречна, но у нее чрезвычайно маленький коэффициент теплового расширения. Никакой твердый материал с относительно неизменным объемом для этих целей непригоден.
А что, если подобрать твердый датчик из материала с большим тепловым расширением? Пожалуй, лучше всего подходила гуттаперча, у нее, пожалуй, самый высокий коэффициент расширения. (Из гуттаперчи когда-то делали игрушки.) Но это сырье привозное, довольно редкое и дорогое. В мое время (70-е годы ХХ века) достать его было сложно. В одном из институтов дали несколько кусочков гуттаперчи. Прибежав домой, стал плавить ее на огне газовой плиты, чтобы потом отлить датчики. Но гуттаперча только пузырилась, и ничего из этой затеи не вышло.
Стал покупать изделия из различных пластмасс и портить, отламывая образцы для экспериментов. Лучше всего показал себя полиэтилен высокого давления (низкой плотности). У него настолько большой коэффициент теплового расширения, что, оперируя с ним, можно было считать тепловое расширение воды нулевым.

Дурные примеры заразительны
Додуматься до того, чтобы применить не один, не два, а несколько (примерно десяток) датчиков, было, как говорят, делом техники. Чтобы датчики всплывали не одновременно, прикрепил к ним грузы разного веса. В стеклянной банке датчики всплывали при разной температуре, но бессистемно. Нанес на каждый датчик температуру всплытия и по датчику, находящемуся в состоянии “невесомости”, определял температуру воды в емкости. Если такого не оказывалось, определял температуру по датчику с самым большим значением из числа всплывших.
Примерно в это время попалась на глаза информация о том, что американский профессор Голдинг изобрел шариковый плотномер для контроля качества молока. Для этого использовалось 10 шариков разного удельного веса и разной окраски. Их вбрасывали в прозрачную емкость с молоком. По цвету утонувших и всплывших шариков (на утонувшие смотрели через зеркало, под дном емкости) узнавали, какого шарика не хватает (остался внутри жидкости – в “невесомости”). По таблице определяли его цвет и, соответственно, плотность. Не говоря о том, что шарики затем надо было отфильтровать и промыть, этот способ вряд ли мог иметь широкое распространение. Естественно, подобные шарики можно было бы применить и в качестве термометра. Правда, об этом в информации не говорилось. Но сама идея визуализации удельного веса была, по существу, опорочена. Мое “новшество” изобретением бы не признали. Но я “лапки кверху” не поднял.
Следующим шагом было упорядочение датчиков, чтобы температуру они показывали не скопом, а однозначно. Выстроил их по вертикали в один ряд с одним промежутком, равным диаметру датчика. Датчики расположил в порядке возрастания удельного веса сверху вниз. Такого термометра я не встречал ни в продаже, ни в патентной литературе. Подал заявку на изобретение под названием “Дискретный термометр” в феврале 1968 года. Изобретение было признано (N283631). Заключение головной организации в области термометрии сначала было отрицательным: “Указанный термометр не может быть настольного типа и не может применяться даже в условиях весьма ограниченных колебаний здания, так как в этом случае поплавки будут то всплывать, то тонуть, показывая все время различную температуру”. Даже после того как изготовил опытный образец и доказал абсурдность рецензии, ученые изменить формулировку отказались. Это к тому, что любое изобретение, даже объективно полезное обществу, почти всегда ущемляет интересы конкретных лиц и встречает яростное сопротивление. Так что, если изобретать всерьез, то надо еще уметь отстоять свое детище.
После публикации в “Комсомольской правде” и в журнале “Изобретатель и рационализатор” к пластмассовому водяному термометру проявили интерес Общество слепых, Управление по внедрению новых лекарственных средств Минздрава СССР, кафедра хирургии Новокузнецкого института усовершенствования врачей, приборостроительный завод “Омега” в г. Уральске, “Зоообъединение” (Москва), НИИАвтопром, многие плодоовощные базы, опытный завод приборов в Армении и другие. А любители аквариумных рыбок буквально завалили письмами редакции и автора.

Изобретай лучше, оригинальнее
Я знавал одного плодовитого изобретателя, который, зацепившись на какую-нибудь техническую идею, разграфлял большой лист бумаги на клеточки и в каждую вписывал возможные варианты будущих изобретений. И многие из них осуществлял. Я этого не делал, но фактически так получалось, что обнаружил через три десятилетия, когда сочинял этот опус.
В формуле изобретения (краткое описание-аннотация того, что уже известно (прототип или аналог), каковы отличия предлагаемого новшества, с какой целью оно сделано и как оно устроено. Причем все должно быть изложено в одной фразе. Случается, что формула изобретения занимает несколько страниц машинописного текста.
Так вот, “формула” моих “температурных” изобретений (кроме одного) неизменно начинается фразой: “Дискретный термометр, содержащий прозрачный герметичный резервуар с жидкостью и погруженными в нее поплавковыми датчиками температуры с различным объемным весом, отличающийся тем, что…”
Как видите, под одной “шапкой” может быть неограниченное число изобретений. Пользуюсь случаем, чтобы предложить вам для разработки и патентования необычный термометр. Он одновременно и аналоговый, и дискретный. С чего вдруг такое меценатство? Поясняю: преклонный возраст и доверху заполненный личный изобретательский портфель исключают хлопоты и затраты, которые необходимы для патентования. Поэтому от меня претензий не будет, и первый из вас, кто оформит заявку на это изобретение, патент получит. (Впрочем, не возражаю быть соавтором.)
В чем суть предлагаемого термометра? Преамбула изобретения остается неизменной, а отличия в том, что в емкость с водой загружают миниатюрные датчики с разным удельным весом в таком количестве, чтобы между ними и верхней частью емкости оставался небольшой свободный промежуток. При изменении температуры промежуток перемещается, открывая цифры температурной шкалы. Получается, возможно, первый в мире аналого-дискретный термометр. Его устройство видно на рисунке. (Цифры нанесены на обратной стороне прозрачного корпуса.) Датчики могут быть в виде полиэтиленовых шариков с грузами или однородного полиэтилена, армированного песком или другим наполнителем (рис. 1). Вам также предоставляется возможность разработать свои оригинальные конструкции водяных термометров.

Для тех, кто умеет “думать руками”
При изготовлении водяного термометра наиболее трудоемко изготовление датчиков. Ведь каждый из них должен реагировать (всплывать или тонуть в воде) на определенную температуру. Лучше всего заготавливать сразу побольше полиэтиленовых пластин, дисков или цилиндров. К одному из них прикрепить обрезок медной, цинковой, бронзовой, свинцовой, алюминиевой или другой нержавеющей в воде проволоки. Погрузив образец в воду комнатной температуры, вы сразу увидите, удачно ли подобрана масса груза. Если датчик энергично тонет, груз слишком тяжел, если всплывает, как пробка, – слишком легок. Соответственно груз следует откорректировать, удалив часть материала в первом случае или увеличив массу – во втором. Примерно таким грузом оснастить остальные датчики. Между прочим, следует иметь в виду, что датчики, во избежание большой инерционности термометра, не следует делать “толстыми”.
Теперь можно приступить к тарировке. Вначале все датчики погружаете в кипяченую воду при температуре на несколько градусов больше высшего предела измерения. Для комнатного термометра это примерно 31-32 градуса С. Все датчики должны всплыть к поверхности. Не всплывшие удалить (уменьшить массу груза кусачками или надфилем). Затем датчики погрузить в охлажденный кипяток с температурой на несколько градусов ниже минимальной при измерении. Это примерно 12-13 градусов С. Все датчики должны утонуть. Оставшиеся на поверхности удалить и увеличить массу груза.
Датчики, уложившиеся в заданный диапазон измерения, опять погрузить в воду при температуре 12 градусов и очень медленно нагревать на водяной “бане”. По мере всплытия датчиков отмечать температуру начала всплытия каждого и извлекать его из воды. При селективном отборе только какое-то количество датчиков будет соответствовать заданной температуре всплытия. (Оптимальный диапазон – от 12 до 32 градусов через два градуса: 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 и 32.) Недостающие датчики придется доводить индивидуально.
Корпус термометра следует склеить из прозрачного материала, например из оргстекла (плексигласа). Расположите датчики в корпусе сверху вниз по возрастающему удельному весу. На обратной стороне нарисуйте (приклейте) цифры, также возрастающие сверху вниз. Размер цифр должен соответствовать диаметру датчиков. Верхнюю крышку приклейте после закладки датчиков и заполнения водой (не до верха). Дополнить объем воды лучше с помощью шприца через тонкое отверстие в крышке, которое затем заклеить. Высота корпуса n + 1 (n – количество датчиков), зазор между стенками и датчиками – 2-3 миллиметра.
В результате этой работы-исследования вы получите экологически абсолютно чистый, безопасный в обращении, механически прочный и оригинальный термометр со шкалой, хорошо видной на значительном расстоянии. И, что немаловажно, приобретете конструкторские, технологические и дизайнерские навыки.

Иосиф ЭЛЬШАНСКИЙ,
исполнительный директор и ведущий Всероссийского конкурса молодых изобретателей