Back to the topics list

thermometer

Ein Thermometer ist ein Gerät, das die Temperatur oder den Temperaturgradienten nach verschiedenen Prinzipien misst. Ein Thermometer hat zwei wichtige Elemente - den Temperatursensor, bei dem eine physikalische Änderung mit der physikalischen Temperatur auftritt, z. B. die Glühbirne eines Quecksilberthermometers und einer Feder oder ein anderes Mittel, um diese physikalische Änderung in einen Wert umzuwandeln, z. B. die Skala eines Quecksilberthermometers.

Es gibt verschiedene Arten von Thermometern.

1. Die Flüssigkeit in Glasthermometern

Das Flüssigkeits-in-Glas-Thermometer nutzt die Variation des Volumens einer Flüssigkeit in der Temperatur. Sie nutzen die Tatsache, dass sich die meisten Flüssigkeiten beim Erhitzen ausdehnen. Die Flüssigkeit ist in einem versiegelten Glaskolben enthalten, und ihre Ausdehnung wird unter Verwendung einer Skala gemessen, die in den Schaft des Thermometers geätzt ist. Da wir wissen, dass sich das Thermometer dann nicht als physikalische Eigenschaft ausdehnt, nutzt es die Variation der Flüssigkeitslänge mit der Temperatur.

Die Flüssigkeiten, die üblicherweise in Flüssig-in-Glas-Thermometern verwendet werden, sind Quecksilber und Alkohol. Basierend auf der verwendeten Flüssigkeit gibt es zwei Arten: Quecksilber-in-Glas-Thermometer und Alkohol-in-Glas-Thermometer.

Das Flüssigkeitsthermometer besteht aus zwei Grundteilen:

• Die Glühbirne: Sie dient als Reservoir für die Flüssigkeit, deren Volumen sich mit der Temperatur ändert. Die Glühlampe fungiert auch als Sensor oder Messgerät, das in den Körper eingesetzt wird, dessen Temperatur gemessen werden soll.
• Der Stiel: Er enthält die Skala, die die Temperatur misst, und eine Kapillare, durch die sich die Flüssigkeit entsprechend ausdehnen und zusammenziehen kann.

Vorteile:

• Sie sind billig herzustellen
• Sie sind leicht zu tragen und zu handhaben

Nachteile:

• Sie haben tendenziell hohe Wärmekapazitäten und sind nicht empfindlich genug, dh sie können keine schnellen Temperaturänderungen messen.

1.1. Das Quecksilber im Glasthermometer

Diese wurden von einem deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit erfunden.

Dieses Thermometer besteht aus Quecksilber in einer Glasröhre. Die kalibrierten Markierungen auf dem Röhrchen ermöglichen es, die Temperatur anhand der Länge des Quecksilbers im Röhrchen abzulesen. Die Länge des Quecksilbers im Rohr variiert je nach Temperatur. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, befindet sich normalerweise eine Quecksilberbirne am Ende des Thermometers, die den größten Teil des Quecksilbers enthält. Expansion und Kontraktion dieses Quecksilbervolumens werden in der viel engeren Bohrung des Rohres verstärkt. Der Raum über dem Quecksilber kann mit Stickstoff gefüllt sein oder es kann ein Vakuum sein.

Das Quecksilber-in-Glas-Thermometer deckt einen weiten Temperaturbereich von - 38 ° C bis 356 ° C ab, obwohl das Einbringen eines Gases in das Instrument den Bereich auf 600 ° C oder darüber hinaus erhöhen kann.

Vorteile eines Quecksilber-in-Glas-Thermometers

• Quecksilber ist eine natürlich undurchsichtige Flüssigkeit (Silber). Dies bedeutet, dass es direkt in seiner reinen Form verwendet werden kann.
• Quecksilber benetzt kein Glas. Wenn es sich in der Kapillare auf und ab bewegt, lassen die starken kohäsiven Eigenschaften von Quecksilber keine Spuren in der Kapillare zurück.
• Quecksilber ist ein flüssiges Metall. Als Metall hat es hohe förderliche Eigenschaften, die es empfindlich machen als das Alkohol-in-Glas-Thermometer.

Nachteile eines Quecksilber-in-Glas-Thermometers

• Quecksilber stellt eine potenzielle toxische Gefahr dar, wenn der Glasbehälter zerbrochen wird.

1.2. Das Alkohol-in-Glas-Thermometer

Als Flüssigkeit werden Ethylalkohol, Toluol und technisches Pentan verwendet, die bis zu -200 ° C verwendet werden können. Sein Bereich liegt zwischen -200 ° C und 80 ° C, obwohl der Bereich in der Regel stark von der Art des verwendeten Alkohols abhängt.

Vorteil: Der größte Vorteil ist, dass sehr niedrige Temperaturen gemessen werden können.

Nachteil: Da Alkohol transparent ist, benötigt er einen Farbstoff, um sichtbar zu werden. Farbstoffe neigen dazu, Verunreinigungen hinzuzufügen, die möglicherweise nicht den gleichen Temperaturbereich wie der Alkohol haben. Dies erschwert das Ablesen insbesondere an den Grenzen jeder Flüssigkeit. Auch Alkohol benetzt Glas.

2. Das Widerstandsthermometer

Das Widerstandsthermometer oder der Widerstandstemperaturdetektor (RTD) verwendet den Widerstand eines elektrischen Leiters zur Messung der Temperatur. Der Widerstand des Leiters variiert mit der Zeit. Diese Eigenschaft des Leiters wird zur Messung der Temperatur verwendet. Die Hauptfunktion des Widerstandsthermometers besteht darin, eine positive Änderung des Widerstands mit der Temperatur zu erzielen.

Das Metall hat einen Hochtemperaturkoeffizienten, dh seine Temperatur steigt mit steigender Temperatur. Kohlenstoff und Germanium haben einen Niedertemperaturkoeffizienten, der zeigt, dass ihr Widerstand umgekehrt proportional zur Temperatur ist.

Das Widerstandsthermometer verwendet ein empfindliches Element aus extrem reinen Metallen wie Platin, Kupfer oder Nickel. Der Widerstand des Metalls ist direkt proportional zur Temperatur. Meistens wird Platin in einem Widerstandsthermometer verwendet. Das Platin hat eine hohe Stabilität und kann hohen Temperaturen standhalten.

Gold und Silber werden für RTD nicht verwendet, da sie einen geringen spezifischen Widerstand aufweisen. Wolfram hat einen hohen spezifischen Widerstand, ist jedoch extrem spröde. Kupfer wird zur Herstellung des RTD-Elements verwendet, da es einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist und außerdem kostengünstiger ist. Der einzige Nachteil des Kupfers ist seine geringe Linearität. Die maximale Temperatur des Kupfers beträgt ca. 120 ° C.

Das RTD-Material besteht aus Platin, Nickel oder Nickellegierungen. Die Nickeldrähte werden für einen begrenzten Temperaturbereich verwendet, sind jedoch nichtlinear.

Im Folgenden sind die Anforderungen des in den Widerstandsthermometern verwendeten Leiters aufgeführt

• Der spezifische Widerstand des Materials ist hoch, so dass das minimale Volumen des Leiters für die Konstruktion verwendet wird

• Die Temperaturänderung des Materials sollte so hoch wie möglich sein.

• Der Widerstand des Materials hängt von der Temperatur ab

Das Widerstandsthermometer befindet sich im Schutzrohr, um den Schutz vor Beschädigungen zu gewährleisten. Das Widerstandselement wird gebildet, indem der Platindraht auf die Keramikspule gelegt wird. Dieses Widerstandselement befindet sich im Rohr, das aus Edelstahl oder Kupferstahl besteht.

Der Anschlussdraht dient zum Verbinden des Widerstandselements mit dem externen Anschluss. Der Anschlussdraht wird von dem isolierten Rohr abgedeckt, das ihn vor Kurzschluss schützt. Das Keramikmaterial wird als Isolator für Hochtemperaturmaterial und für Niedertemperaturfasern oder -glas verwendet.

Widerstandsthermometer ersetzen langsam Thermoelemente in industriellen Anwendungen mit viel niedrigeren Temperaturen (unter 600 ° C). Widerstandsthermometer gibt es in verschiedenen Konstruktionsformen und bieten eine größere Stabilität, Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Der Widerstand neigt dazu, nahezu linear mit der Temperatur zu sein.

Vorteile

• Je nach verwendetem Metall können Widerstandsthermometer große Temperaturbereiche abdecken. Maximalwerte beziehen sich im Allgemeinen auf die Schmelzpunkte des verwendeten Metalls.
• Die Variation des Widerstands mit der Temperatur ist über einen weiten Temperaturbereich stabil.
• Sehr akkurat

Nachteile:

• Im Vergleich zu Flüssigkeiten in Glasthermometern sind sie tendenziell teuer.
• Benötigen Sie andere Geräte, um die Temperatur zu messen
• Sie weisen hohe Wärmekapazitäten auf und sind daher nicht empfindlich gegenüber Temperaturänderungen, was bedeutet, dass sie nicht zur Messung schneller Temperaturänderungen verwendet werden können

3. Thermoelemente

Thermoelemente sind Sensoren, die aus zwei Metallen bestehen und elektromotorische Kräfte (EMFs) oder Spannungen erzeugen, wenn zwischen ihnen Temperaturunterschiede bestehen. Die erzeugte Spannungsmenge hängt von diesen Unterschieden ab. Thermoelemente arbeiten nach dem Prinzip des Seebeck-Effekts.

Der Seeback-Effekt wurde vom deutschen Arzt Thomas Johann Seebeck entdeckt. Er fand heraus, dass er eine Spannung erzeugen konnte, wenn er eine Reihe von Schaltkreisen durch Bilden einer Verbindung zweier verschiedener Metalle mit einem Metall bei einer höheren Temperatur als das andere erzeugte. Je größer der Unterschied, desto höher die Spannung, und er stellte fest, dass die Ergebnisse unabhängig von der Form des Metalls waren.

Ein Thermoelement besteht aus einer Verbindung, die aus zwei Metalllegierungen besteht. Ein Teil der Verbindungsstelle befindet sich auf einer Quelle, deren Temperatur gemessen werden soll, während das andere Ende gemäß dem nullten Hauptsatz der Thermodynamik auf einer konstanten Referenztemperatur gehalten wird. Ältere Thermoelemente verwenden Eisbäder als Temperaturquelle, moderne jedoch einen Festkörpertemperatursensor.

Thermoelemente sind in Wissenschaft und Technik aufgrund ihrer Genauigkeit, schnellen Reaktionszeit, geringen Größe und Fähigkeit zur Messung extremer Temperaturen wertvoll. Die letztere Fähigkeit basiert auf den verwendeten Metallkombinationen; Eine Nickel-Nickel-Kombination kann -50 ° C bis 1410 ° C messen, während eine Rhenium-Rhenium-Kombination 0 ° C bis 2315 ° C messen kann. Die gebräuchlichsten Kombinationen sind Eisen-Konstantan, Kupfer-Konstantan und Chromel-Alumel. Die Nachteile von Thermoelementen bestehen darin, dass die erzeugten Signale möglicherweise nicht linear sind und daher sorgfältig kalibriert werden müssen.

4. Gasthermometer

Ein Gasthermometer misst die Temperatur anhand der Änderung des Volumens oder des Drucks eines Gases. Gasthermometer funktionieren am besten bei sehr niedrigen Temperaturen.

Es gibt zwei Haupttypen von Gasthermometern - einen mit konstantem Volumen und einen mit konstantem Druck.

• Gasthermometer mit konstantem Volumen: Es besteht normalerweise aus einem Kolben, der mit einer festen Menge eines verdünnten Gases gefüllt ist, das an ein Quecksilbermanometer angeschlossen ist. Das Manometer dient zur Messung von Druckschwankungen. Dieses Thermometer funktioniert nach dem Charles'schen Gesetz, das besagt, dass bei steigender Temperatur eines idealen Gases ein entsprechender Druckanstieg auftritt. Wenn die Temperatur abnimmt, nimmt auch der Druck entsprechend ab. Auf diese Weise verfolgt das Gasthermometer mit konstantem Volumen den Temperaturanstieg mit der Druckänderung, während das Volumen konstant bleibt. Diese Arten von Thermometern werden zur Kalibrierung verschiedener anderer Thermometer verwendet.
• Konstantdruck-Gasthermometer: Das Konstantdruck-Gasthermometer basiert auf der Beziehung zwischen den Volumenänderungen und der entsprechenden Temperaturänderung, während der Druck des Prozesses konstant bleibt. Das Gasthermometer mit konstantem Druck funktioniert nach dem Gay-Lussac-Gesetz oder dem Druckgesetz, das besagt, dass für eine bestimmte Masse und ein konstantes Volumen eines idealen Gases der auf die Seiten seines Behälters ausgeübte Druck direkt proportional zu seiner absoluten Temperatur ist. Diese besteht aus einem langen, dünnen Glasrohr mit einer bekannten konstanten Luft- und Quecksilbermasse, die innen durch einen Gummistopfen verschlossen ist. Solche Prozesse werden als isobarer Prozess bezeichnet. Das Rohr, die Luft und das Quecksilber sind dann von einem größeren, offenen Rohr umgeben, durch das Flüssigkeit oder Gas frei passieren können. Beim Ändern der Temperatur des Innenrohrs dehnt sich die Luft entweder aus oder zieht sich zusammen, wodurch das Quecksilber entlang des Rohrs bewegt wird. Die Messung des Bewegungsumfangs des Quecksilbers gibt uns einen Zusammenhang damit, wie stark es sich bei bestimmten Temperaturen ausgedehnt hat.

5. Pyrometer

Ein Pyrometer ist eine Art Thermometer zur Messung hoher Temperaturen. Es dient zur Temperaturmessung ohne physischen Kontakt. Es wird zur Messung der Körpertemperatur durch Messung seiner elektromagnetischen Strahlung verwendet.

Sein Prinzip hängt von der Beziehung zwischen der Temperatur eines heißen Körpers und der vom Körper emittierten elektromagnetischen Strahlung ab. Wenn ein Körper erwärmt wird, gibt er Wärmeenergie ab, die als Wärmestrahlung bekannt ist. Es ist eine Technik zur Bestimmung der Körpertemperatur durch Messung ihrer elektromagnetischen Strahlung.

Optisches Pyrometer - Das optische Pyrometer ist ein berührungsloses Temperaturmessgerät. Es funktioniert nach dem Prinzip, die Helligkeit eines Objekts an die Helligkeit des Filaments anzupassen, das sich im Pyrometer befindet. Das optische Pyrometer wird zum Messen der Temperatur der Öfen, geschmolzenen Metalle und anderer überhitzter Materialien oder Flüssigkeiten verwendet. Es ist nicht möglich, die Temperatur des stark erhitzten Körpers mit Hilfe des Kontaktinstruments zu messen. Daher wird das berührungslose Pyrometer zur Messung ihrer Temperatur verwendet.

Vorteile eines optischen Pyrometers

• Das optische Pyrometer hat eine hohe Genauigkeit
• Die Temperatur wird gemessen, ohne den erhitzten Körper zu berühren. Aufgrund dieser Eigenschaft wird das Pyrometer für die Anzahl der Anwendungen verwendet

Nachteile eines optischen Pyrometers

• Die Arbeitsweise des Pyrometers hängt von der Intensität des vom erhitzten Körper emittierten Lichts ab. Dabei wird das Pyrometer zur Messung der Temperatur mit einer Temperatur von mehr als 700 ° C verwendet. Die Genauigkeit des Pyrometers hängt von der Einstellung des Filamentstroms ab. Das Pyrometer wird auch nicht zur Messung der Temperatur sauberer Gase verwendet.

Unterschied zwischen klinischem und Laborthermometer