Thermometer

Hintergrund

Ein Thermometer ist ein Gerät zur Temperaturmessung. Das um 1592 von Galileo entwickelte Thermoskop war das erste Instrument zur qualitativen Temperaturmessung. Erst 1611 erfand Sanctorius Sanctorius, ein Kollege von Galileo, eine Skala und fügte dem Thermoskop eine Skala hinzu, die eine quantitative Messung der Temperaturänderung ermöglichte. Zu dieser Zeit wurde das Instrument Thermometer genannt, von den griechischen Wörtern therme ("Hitze") und Metron ("messen"). Um 1644 wurde jedoch klar, dass dieses Instrument – ​​bestehend aus einem großen Kolbenkolben mit langem, offenem Hals, der mit Wein um den Messwert anzuzeigen – war äußerst empfindlich gegenüber dem Luftdruck. Um das Problem zu lindern, entwickelte Großherzog Ferdinand II. von Toskana ein Verfahren, um das Thermometer hernetisch zu versiegeln, wodurch äußere barometrische Einflüsse eliminiert werden. Die Grundform hat sich seitdem wenig verändert.

Heutzutage werden viele Arten von Thermometern verwendet:Das Aufzeichnungsthermometer verwendet einen Stift auf einer rotierenden Trommel, um die Temperaturmesswerte kontinuierlich aufzuzeichnen; die Thermometer mit Digitalanzeige, die oft mit anderen Wettermessgeräten gekoppelt sind; und die typischen Haushaltstypen, die an einer Wand, einem Pfosten hängen oder für medizinische Zwecke verwendet werden.

Mit einem Thermometer kann die Temperatur mit einer von drei Haupteinheiten gemessen werden:Fahrenheit, Celsius oder Kelvin. Irgendwann im 18. Jahrhundert wurden fast 35 Maßskalen entwickelt und verwendet.

1714 entwickelte Gabriel Daniel Fahrenheit, ein niederländischer Instrumentenbauer, der für seine hohe Handwerkskunst bekannt ist, ein Thermometer mit 32 (dem Schmelzpunkt von Eis) und 96 (der Standardtemperatur des menschlichen Körpers) als Fixpunkte. Inzwischen wurde festgestellt, dass 32 und 212 (der Siedepunkt von Wasser) die Fixpunkte der Skala sind, wobei 98,6 als gesunde, normale Körpertemperatur akzeptiert wird.

Der schwedische Wissenschaftler Anders Celsius ordnete 1742 0 Grad als Punkt an, an dem Wasser kochte und 100 Grad als Punkt, an dem Eis schmolz. Diese beiden Zahlen wurden schließlich vertauscht – so entstand die Skala, die wir heute kennen – mit 0 Grad als Gefrierpunkt von Wasser und 100 Grad als Siedepunkt. Die Verwendung dieser Skala verbreitete sich schnell in Schweden und Frankreich und war zwei Jahrhunderte lang als Celsius-Skala bekannt. Der Name wurde 1948 in Celsius geändert, um seinen Erfinder zu ehren.

Im Jahr 1848 schlug ein anderer Wissenschaftler, Lord Kelvin (William Thomson), eine andere Skala vor, die auf den gleichen Prinzipien wie das Celsius-Thermometer basiert, wobei der feste Punkt des absoluten Nullpunkts auf -273,15 Grad Celsius festgelegt wurde (die auf dieser Skala verwendeten Einheiten heißen Kelvin [K]). Der Gefrier- und Siedepunkt von Wasser werden bei 273 K bzw. 373 K registriert. Die Kelvin-Skala wird am häufigsten in wissenschaftlichen Studien verwendet.

Design

Das Funktionsprinzip eines Thermometers ist recht einfach. Ein bekanntes Flüssigkeitsmaß (Quecksilber, Alkohol oder eine Flüssigkeit auf Kohlenwasserstoffbasis) wird in einem Glasröhrchen vakuumversiegelt. Die Flüssigkeit dehnt sich aus oder zieht sich zusammen, wenn Luft erwärmt oder abgekühlt wird. Bei Änderung des Flüssigkeitsspiegels kann eine entsprechende Temperaturskala abgelesen werden, um die aktuelle Temperatur anzuzeigen.

Thermometerhersteller beginnen mit Glasrohlingen mit Bohrungen in der Mitte; diese werden in der Regel von Glasherstellern bezogen. Das Kolbenreservoir wird durch Erhitzen eines Endes des Glasrohrs und Zusammendrücken desselben gebildet. Die Glühbirne ist unten verschlossen, sodass oben ein offenes Rohr verbleibt.
Als nächstes wird mit dem offenen Ende nach unten in einer Vakuumkammer Luft aus dem Glasrohr evakuiert, und die Kohlenwasserstoffflüssigkeit wird in das Vakuum eingeführt, bis es das Rohr etwa 1 Zoll durchdringt. Aus Umweltgründen werden moderne Thermometer weniger mit Quecksilber und mehr mit einer mit Spiritus gefüllten Kohlenwasserstoffflüssigkeit hergestellt.

Thermometer werden nach vordefinierten Standards des National Institute of Standards and Technology (NIST, ehemals National Bureau of Standards) und Standardherstellungsverfahren entwickelt. Innerhalb der behördlichen Richtlinien gibt es Bestimmungen für die kundenspezifische Herstellung von Thermometern. Maßgefertigte Thermometer können so unterschiedlich sein wie die, die sie verwenden. Es gibt verschiedene Größen für die Menge, das Gewicht und die Länge des verwendeten Glases, die Art der in das Glas eingefüllten Flüssigkeit, die Häufigkeit der auf das Glasrohr oder das Glasgehäuse aufgebrachten Abstufungen und sogar die Farbe der Abstufungsskalenmarkierungen.

Ein Konstrukteur wird sich die Hubgrenzen für die im Thermometer zu verwendende Flüssigkeit ansehen. Sobald genaue Grenzen festgelegt sind, können die Abmessungen des Glasrohres und die Größe des Glaskolbens bestimmt werden.

Die Verwendung elektronischer Komponenten in Thermometern hat zugenommen. Viele der heute weit verbreiteten Thermometer enthalten digitale Anzeigen und Beispielprogrammzyklen, um die aktuelle Temperatur an eine Leuchtdiode (LED) zurückzugeben oder Flüssigkristallanzeige (LCD) Tafel. Bei aller verfügbaren elektronischen Zauberei muss ein Thermometer immer noch ein Hitze-Kälte-sensibilisierendes Element enthalten, um auf Umweltveränderungen reagieren zu können.

Rohstoffe

Thermometer bestehen aus drei Grundelementen:mit Spiritus gefüllte Flüssigkeit, die auf Veränderungen von Hitze und Kälte reagiert; ein Glasrohr zum Aufnehmen der Temperaturmessflüssigkeit; und schwarzer Tinte zum Einfärben der gravierten Skalenmarkierungen mit lesbaren Zahlen. Darüber hinaus sind für die Herstellung von Thermometern weitere Elemente erforderlich, darunter eine Wachslösung zum Gravieren der Skalenmarkierungen auf dem Glasrohr; eine Graviermaschine, die permanente Abstufungen auf dem Glasrohr vornimmt; und eine Fluorwasserstoffsäurelösung, in die das Glasrohr getaucht wird, um die Gravurmarkierungen zu versiegeln.

Das den Körper des Thermometers bildende Glasmaterial wird normalerweise von einem externen Hersteller bezogen. Einige Thermometerprodukte werden mit einem Gehäuse hergestellt, das aus Kunststoff oder Verbundwerkstoffen bestehen kann und Skalenabstufungen enthalten kann, anstatt diese auf dem Glasrohr selbst zu haben. Das Gehäuse dient auch zum Schutz und zur Befestigung des Thermometers an einer Wand, einem Pfosten oder in einem Wetterschutzkasten.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Obwohl es zahlreiche Arten von Thermometern gibt, wird im Folgenden der Herstellungsprozess der gängigsten – der klassischen Haushaltssorte – beschrieben.

Der Glaskolben

• 1 Zuerst wird das Rohglasmaterial von einem externen Hersteller bezogen. Das Rohr ist über seine gesamte Länge mit einem feinen Durchgang oder einer Bohrung versehen. Die gebohrten Rohre werden auf Qualität geprüft; alle zurückgewiesenen Teile werden zum Austausch an den Hersteller zurückgesendet.
• 2 Das Glühbirnenreservoir wird durch Erhitzen eines Endes des Glasrohrs, Zusammendrücken desselben und durch Glasblasen und Anwenden eines luftbetriebenen Brenners gebildet, um es zu vervollständigen. Alternativ kann die Glühbirne durch Blasen eines separaten Stücks Labormaterial hergestellt werden, das dann mit einem Ende des Glasrohrs verbunden wird. Die Glühbirne ist unten verschlossen, sodass oben ein offenes Rohr verbleibt.

Hinzufügen der Flüssigkeit

• 3 Mit dem offenen Ende nach unten in einer Vakuumkammer wird dann Luft aus dem Glasrohr evakuiert und die Kohlenwasserstoffflüssigkeit wird in das Vakuum eingeführt, bis es das Rohr etwa 2,54 cm (1 Zoll) durchdringt. Aus Umweltgründen werden moderne Thermometer weniger mit Quecksilber und mehr mit einer mit Spiritus gefüllten Kohlenwasserstoffflüssigkeit hergestellt. Eine solche Praxis wird (mit Toleranz für eine begrenzte Verwendung von Quecksilber) von der Environmental Protection Agency (EPA) vorgeschrieben.

  Das Vakuum wird dann allmählich reduziert, wodurch die Flüssigkeit in der Nähe des oberen Endes des Röhrchens nach unten gedrückt wird. Der Vorgang ist bei der Verwendung von Quecksilber der gleiche, außer dass auch in der Vakuumkammer Wärme zugeführt wird.

• 4 Sobald das Röhrchen voll ist, wird es auf das Kolbenende gelegt. Ein Aufheizvorgang wird dann durchgeführt, indem das Thermometer in ein warmes Bad gelegt und die Temperatur auf 400 Grad Fahrenheit (204 Grad Celsius) erhöht wird. Als nächstes wird die Temperatur auf Raumtemperatur reduziert, um die Restflüssigkeit wieder auf ein bekanntes Niveau zu bringen. Das offene Ende des Thermometers wird dann verschlossen, indem es über eine Flamme gelegt wird.

Anwenden der Skala

• 5 Nachdem das Röhrchen versiegelt wurde, wird eine Skala angebracht, die auf dem Stand der Flüssigkeit basiert, wenn sie in ein Wasserbad mit 100 Grad Celsius (212 Grad Fahrenheit) und 0 Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit) eingeführt wird. Diese Bezugspunkte für die gewünschte Skala werden vor dem Gravieren oder Siebdrucken auf dem Glasrohr markiert, um Abstufungen zu füllen.
• 6 Die Reichweitenlängen variieren je nach verwendeter Ausführung. Es wird eine Skala ausgewählt, die am besten den geraden Markierungen zwischen den Referenzpunkten entspricht. Aus Gründen der Genauigkeit ist die Gravur die bevorzugte Markierungsmethode. Die Markierungen werden von einer Graviermaschine gemacht, nachdem das Thermometer in Wachs gelegt wurde. Die Zahlen werden auf das Glas geritzt und nach Fertigstellung wird das Thermometer in Flusssäure getaucht, um die eingravierten Markierungen zu versiegeln. Anschließend wird Tinte in die Markierungen gerieben, um die Skalenwerte hervorzuheben. Bei der Verwendung von Gehäusen auf den Waagen wird ein Siebdruckverfahren verwendet, um die Markierungen aufzubringen.
• 7 Abschließend werden die Thermometer entsprechend verpackt und an die Kunden versandt.

Qualitätskontrolle

Der Herstellungsprozess wird durch weit verbreitete Industriestandards und spezifische interne Maßnahmen kontrolliert. Zu den Überlegungen zum Fertigungsdesign gehören Qualitätskontrollprüfungen während des gesamten Produktionsprozesses. Die zur Ausführung von Fertigungsaufgaben verwendete Ausrüstung muss ebenfalls sorgfältig gewartet werden, insbesondere mit aktualisierten Konstruktionsprotokollen.

Bei der Herstellung anfallende Abfallmaterialien werden gemäß den umweltrechtlichen Vorschriften entsorgt. Während des Herstellungszyklus müssen die zum Erhitzen, Evakuieren und Gravieren des Thermometers verwendeten Geräte regelmäßig überprüft und kalibriert werden. Toleranztests werden auch unter Verwendung eines bekannten Standards durchgeführt, um die Genauigkeit der Temperaturmesswerte zu bestimmen. Alle Thermometer haben eine Genauigkeitstoleranz. Für den gemeinsamen Haushalt beträgt diese Toleranz normalerweise plus oder minus 2 Grad Fahrenheit (16 Grad Celsius). Für Laborarbeiten sind im Allgemeinen plus oder minus 1 Grad akzeptabel.

Die Zukunft

Obwohl sich das langjährige einfache Glasthermometer wahrscheinlich nicht ändern wird, sind andere Thermometer Nachdem der Kolbenbehälter gebildet und die Flüssigkeit eingesetzt wurde, wird die Einheit erhitzt und versiegelt. Als nächstes werden die Skalenmarkierungen hinzugefügt. Dies geschieht durch eine Gravur, bei der die Glühbirne in Wachs getaucht, die Markierungen graviert und die Glühbirne in Flusssäure getaucht wird, um die Markierungen auf dem Glas zu versiegeln. Formen entwickeln sich weiter. Mit technologischen Fortschritten und der weit verbreiteten Verwendung leichterer und festerer Materialien können Hersteller von elektronisch integrierten Temperaturmessgeräten genauere Temperaturmessungen mit minimalem Gerätevolumen und zu einem erschwinglichen Preis anbieten. Analoge Box-Thermometer zum Beispiel wurden früher unter anderem mit langem Draht und Fühlerspitze für Temperaturmessungen im Erdreich verwendet. Heute sind die Tastspitzen aus leichteren Materialien und die mit digitaler Elektronik beladenen Boxen sind nicht mehr so ​​sperrig und quadratisch. Vorausschauend können weitere Arbeiten mit dem Mikrochip den Anstoß geben, den Temperaturmessprozess vollständig zu digitalisieren. Außerdem kann es eventuell möglich sein, einen Infrarotstrahl in den Boden zu richten und einen Temperaturmesswert aus einer Zieltiefe zu extrahieren, ohne den Boden auch nur zu berühren.