Thermometrie - Technik
Wie funktioniert ein Six-Thermometer?
in Kooperation mit dem Thermometermuseum Geraberg, von Helmut Hofmann, 2005
Besonders bei der Messung von Aussentemperaturen interessieren die während eines
Beobachtungszeitraumes, z.B. während eines Tages oder einer Nacht, aufgetretenen
Minimal- und Maximalwerte der Temperatur. Dazu müssen diese Werte vom Thermometer
mit einem speziellen Maximum-Minimum-System gespeichert werden.
Ein solches Maximum-Minimum-System wurde von James Six 1782 entwickelt. Die sogenannten Six-Thermometer besitzen ein u-förmig gebogenes Kapillarrohr, in dem sich ein Quecksilberfaden befindet. Dieser dient aber nicht der eigentlichen Temperaturmessung, sondern trennt das eigentliche, mit einer glasklaren organischen Flüssigkeit gefüllte Glasthermometer im linken Schenkel ("MINIMA", Temperaturskale von oben nach unten) von einem ebenfalls mit organischer Flüssigkeit gefüllten rechten Schenkel ("MAXIMA", Temperaturskale von unten nach oben), der in ein teilweise mit Luft gefülltes Ausdehnungsgefäß mündet. Jeweils über dem trennenden Quecksilberfaden befinden sich in beiden Schenkeln der Kapillare dünne mit Glas umschmolzene Eisenstifte, die an ihren Enden verdickt sind. Sie können durch den Quecksilberfaden leicht nach oben verschoben werden. Durch eine spezielle Form der Verdickung bzw. durch einen angeschmolzenen federnden Glasfaden wird erreicht, dass die Stifte in der jeweils am höchsten erreichten Stellung verbleiben.
Bei steigender Temperatur dehnt sich die thermometrische Flüssigkeit im Gefäß
aus und verschiebt den Quecksilberfaden im linken Kapillarschenkel nach unten
und im rechten nach oben. Das Quecksilber wiederum hebt den im rechten Schenkel
befindlichen Stift an.
Bei fallender Temperatur zieht sich die Flüssigkeit im Gefäß wieder zusammen, wodurch der Quecksilberfaden im rechten Kapillarschenkel nach unten und im linken nach oben verschoben wird. Der rechte Stift verbleibt in seiner Lage und sein unteres Ende zeigt nun die jeweils höchste erreichte Temperatur an (MAX). Der linke Stift wird vom Quecksilberfaden nach oben mitgenommen. Sein unteres Ende zeigt dann die niedrigste Temperatur des Beobachtungs-Zeitraumes an (MIN). Die beiden Enden des Quecksilberfadens zeigen sowohl auf der linken als auch auf der rechten Skale die augenblickliche Temperatur des Thermometers an.
Die Rückstellung der Metallstifte auf die momentanen Temperaturen nach der Ablesung der Extremwerte erfolgt durch einen Magnet, der über die Kapillaren geführt wird.
Es gibt auch Ausführungen von Six-Thermometern für eine waagrechte Gebrauchslage mit frei beweglichen Glasstiften, die in der durch den Quecksilberfaden bewirkten Stellung liegen bleiben. Die Rückstellung erfolgt dann über die Schwerkraft nach Drehung des Thermometers in seine senkrechte Lage.
Neuere Ausführungen für eine senkrechte Gebrauchslage benutzen wiederum Metallstifte, die durch magnetisierte Gummistreifen hinter den Kapillaren in ihrer Position festgehalten werden (siehe linkes Bild). Die Rückstellung erfolgt durch die Schwerkraft über einen Druckknopf, der die an der Skalenträger-Rückwand anliegenden Magnet-Gummistreifen einige mm weit abdrückt.
Als thermometrische Flüssigkeit wird für Six-Thermometer meist eine Buchenholzkreosot-Alkohol-Mischung verwendet, weil sie einen großen Ausdehnungskoeffizienten mit einer für die Dauer-Funktionsfähigkeit des Maximum-Minium-Systems wichtigen bestimmten Zähigkeit verbindet. Ein Nachteil dieser Thermometer ist jedoch ihre geringe Empflindlichkeit (ihre Skalen sind nur in ganzen Gradschritten geteilt), da zur Herstellung verhältnismäßig weite Kapillaren verwendet werden müssen. Man muss auch deswegen mit einem Messfehler von +/- 1 Grad rechnen.
Wie funktioniert eine Maximum-Anzeige?
von Helmut Hofmann, 2005
Für viele Messaufgaben z.B. in der Medizin (Fieber-Thermometer, Sterilisatoren) oder auch in der Konservenindustrie und in der Meteorologie ist es notwendig, einen maximal erreichten Temperaturwert zu speichern, um ihn auch bei abgekühltem Thermometer ablesen zu können.
Bei Quecksilber-Glas-Thermometern kann das dadurch erreicht werden, dass der Quecksilberfaden beim Absinken der Temperatur von ihrem höchsten Wert abreisst und in dieser entsprechenden maximalen Länge in der Kapillare verbleibt. Sein Meniskus zeigt die maximal erreichte Temperatur an.
Ein
dafür geeignetes Maximumsystem, das in jeder Gebrauchslage exakt arbeitet, wurde
um die Mitte des 19. Jahrhunderts von NEGRETTI & ZAMBRA entwickelt
und ist heute unter dem Namen Stift-Maxiumum-Vorrichtung bekannt. Fieberthermometer
in Einschluss-Form mit diesem System wurden bis Mitte des 20. Jahrhunderts gebaut.
Bei dieser Maximum-Vorrichtung ist am Gefäßboden des Thermometers ein sehr dünner konischer Glasstift so eingeschmolzen, dass er etwa 2 bis 3 mm in die Öffnung der Kapillare hineinragt und diese auf ca. 8 bis 12 µm verengt. (Beim fertigen Thermometer ist dieser Glasstift nicht mehr zu sehen). Die verbleibende Öffnung muss sichelförmig und die Kapillare luftleer sein.
Steigt die Temperatur, dehnt sich das Quecksilber stärker aus als das Gefäß. Der dadurch im Gefäß entstehende Druck presst das Quecksilber auch durch die kleine verbleibende Öffnung in die Kapillare. Sinkt die Temperatur des Thermometers wieder, reißt der Quecksilberfaden an der durch den Stift verengten Stelle ab.
Ist die Ablesung erfolgt und das Thermometer wieder abgekühlt, so kann durch kräftiges Schleudern wieder ein Druck erzeugt werden, der den abgetrennten Quecksilberfaden in das Gefäß zurück presst. Die Verengung darf dabei weder zu groß noch zu klein sein. Verengt der Stift den Kapillarenanfang zu stark, reicht die beim Schleudern erzeugte und auf den abgetrennten Quecksilberfaden wirkende Fliehkraft nicht aus, um die Verengung zu überwinden. Ist die Öffnung zu groß, zieht das Quecksilber im Gefäß trotz der relativ kleinen Kohäsionskraft von Quecksilber den Faden in die Kapillare von selbst nach. Er reißt nicht ab.
Später
wurde von HICK eine neue Maximum-Vorrichtung auf den Markt gebracht und
im wesentlichen bei Fieberthermometern in Stabform, den sogenannten "prismatischen
Fieberthermometern" angewendet. Diese wird auch als Maximumsystem nach
dem Vakuum-Einzugsverfahren bezeichnet.
Der Abreißvorgang beruht auch hier auf einer besonders verengten Stelle in der Kapillare. Dazu wird eine spezielle Verbindungskapillare zwischen Quecksilber-Gefäß und Messkapillare etwa 3 - 5 mm oberhalb des Gefäßes an dieser Stelle zunächst örtlich erhitzt und mit Luftdruck zu einer winzigen Kugel, auch Blase genannt, aufgeblasen.
Der Thermometer wird nun mit Quecksilber gefüllt und luftleer gemacht. Dann wird die Blase "durchstochen". Unter "Durchstechen" wird ein nochmaliges einseitiges Erhitzen des Glases an der kleinen Blase mit einer sehr spitzen Flamme verstanden. Da das Innere der Kapillare luftleer ist, zieht sich diese nach dem Erweichen des Glases durch das Einwirken des äußeren Luftdruckes von vorn nach hinten zusammen. Sie verengt sich zu einem sichelförmigen Spalt.
Dieser Verengungsvorgang wird optisch abgetastet und bei Erreichung eines bestimmten Verengungsgrades abgebrochen.
Eine sichere Funktion von Abreißvorgang und Rückstellung durch Schleudern ist wie bei der Verengung nach NEGRETTI & ZAMBRA von Abmessungen und Form der Verengung anhängig.
Ab Mitte des 20. Jahrhunderts wurde das HICK'sche Maximumsystem auch bei Fieberthermometern in Einschlussform angewandt und damit das in der Herstellung sehr zeitaufwendige Stiftsystem abgelöst.
Die Anwendung dieser Maxiumumvorrichtungen ist auf Thermometer mit einem Messbereich bis etwa +230 Grad Celsius begrenzt, da die Siedetemperatur des Quecksilbers unter Normaldruch bei 280 Grad Celsius liegt und sein Hg-Dampfdruck in der luftleeren Kapillare schon ab +230 Grad Celsius merklich ansteigt.
© Thermometermuseum Geraberg 2005
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