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Vorrichtung zur Temperierung eines Flüssigkeitsthermometers Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung eines Flüssigkeitsthermometers mit einem
Ausdehnungsgefäß und einer Ausdehnungskapillare, wobei das Ausdehnungsgefäß innerhalb
eines Bades steht, dessen Temperatur zu messen ist.
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Die Temperaturmessung mittels Flüssigkeitsthermometern ist eine bekannte
und weitverbreitete Methode. Für genaue Messungen muß aber bei den bisherigen Thermometern
an den von den Thermometerskalen abgelesenen Temperaturwerten u.a. eine Korrektur
angebracht werden, deren Ursache darin liegt, daß ein Fehler durch den sogenannten
herausragenden Faden bzw. die Ausdehnungskapillare verursacht wird. Die Skalen der
meisten Thernometer sind für den Fall geteilt, daß sich das Flüssigkeitsvorratsgefäß
und der Faden in der Ausdehnungskapillare auf gleicher Temperatur befinden.
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Hat der Faden eine niedrigere Temperatur als das Thermonetergefaß,
so zeigt das Thermometer eine niedrige Temperatur-an und umgekehrt.
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Für die praktische Durchführung der Messungen rit derartigen bekannen
Thermometern bedeutet das aber, daß das Thermometer bis über die Ablesestelle hinaus
in ein temperaturkonstantes Bad eingetaucht werden muß. Bei der Länge üblicher Thermometer
ist das nicht immer möglich. Auch die Verwendung von Thermometern mit abgekürzter
Skala (sogenannte J.G.-Thermometer mit einem Meßbereichsumfang von nur 10 - 20 °C)
bringt nicht immer Abhilfe, weil entweder der Raumbereich, dessen Temperatur ermittelt
werden soll, zu klein ist, um das Thermometer über die Ablesestelle aufzunehmen
oder weil die eingetauchte Ablesestelle nicht abgelesen werden kann, wie z.B. in
undurchsichtigen Schmelzen oder Lösungen oer in Ofen, Autoklaven usw.
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Mit einem Centigrade-Normal-Quecksilberthermometer aus Jenaer-Normal-Thermometerglas
16 III, das etwa 50 cm lang ist und eine von 0 bis 100 °C reichende Skala mit l/lo
°C-Unterteilung aufweist, ist eine Ablesung von 0,02 ° möglich. Für dieses Thermometer,
welches etwa 7 cm in ein Bad eingetaucht ist, muß eine Korrektur für den herausragenden
Faden bei einer Temperatur von etwa 100 0C von + 0,80 + 0,10 °C berücksichtigt werden.
Sie warte durch Vergleich mit einem eingetauchten Thermometer und durch Messung
des Wassersiedepunktes bestimmt. Die hohe UnsioherhIt rührt von der Inkonstanz des
Temperaturfeldes her, in dem sich cr herausragende Faden befindet. Eine Korrektur
dieser Größe muß für genaue Messungen unbedingt angebracht werden. Da die Korrektur
aber nur mit großer Unsicherheit zu bestimmen ist, geht die an sich mögliche Meßgenauigkeit
von 0,02 °C verloren.
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Bei dem in H. Lux, Anorganisch-chemische Experimentierkunst, zweite
Auflage, Seite 91, angegebenen Temperaturmeßverfahren wird die Temperatur eines
Aluminiumblocks durch Einstecken eines der üblichen bis 360 °C reichenden Ouecksilberthermometer
in eine 100 mm tiefe Bohrung des Blocks gemessen. Die Korrektur für die am Thermometer
abgelesene Temperatur von 360 °C, bei einer mittleren Temperatur des herausragenden
Fadens von 60 °C, errechnet sich zu + 12,25 3",.
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Dieser Betrag ist so groß, daß der unkorrigierte Meßwert schon bei
geringen Genauigkeitsanforderungen praktisch unbrauchbar ist.
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Es sind aber auch schon Jo.tichkungen bekannt, mit deren Hilfe das
ganze Kapillarrohr eines Flüssigkeitsthermometers auf der Temperatur des Ausdehnungsgefäfles
gehalten wird. Es handelt sich dabei uri Thermometer, die derart aufgebaut sind,
daß die Ausdehnungskapillare mit einem Wärmerohr mindestens teilweise im Wärmekontakt
steht und bei dem ein wärmeaufnehmender Verdampferteil des Wärmerohres räumlich
getrennt in der Nähe des Ausdehnungsgefäßes angeordnet ist. Dabei befindet sich
die zu temperierende Ausdehnungskapillare innerhalb des temperierenden Wärmerohres
oder es ist ein fester Teil der Wärmterohrwand bzw; es ist mit der Wärmerohrwand
in Wärmekontakt.
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Die Funktionsweise eines Wärmerohres selbst ist ebenfalls bekannt.
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Es bildet eine kontinuierlich arbeitende Wärmetransporteinrichtung
mit einem allseitig geschlossenen Arbeitsgefäß, in dem als Wärmeübertragungsmedium
eine kleine Menge überall an den Wänden verteilter Flüssigkeit eincs~schlossen ist.
Befindet sich die Wand des Wärmerohres nich an allen Stellen auf gleicher Temperatur,
so wird an dem heißeren Wandteil Flüssigkeit verdampfen, wobei der Wand die Verdampfungsenthalpie
entzogen wird; wegen des Dampfdruckunterschiedes strömt der Dampf zu den kälteren
Wandteilen und kondensiert dort unter Abgabe seiner Verdampfungsenthalpie.
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Für das Wärmerohr ist kennzeichnend, daS der Rucktransport des Kondensats
zum Merdarnpfer durch Oberflächenkräfte auch gegen äußere Massen- und Beschleunigungskräfte
erfolgt. Das Wärmerohr ist innerhalb seines im wesentlichen vom Dampfdruck der Arbeitsfltssigkeit
bestimmten Arbeitsbereich auf seiner ganzen Oberfläche nahezu isotherm. Die Isothermie
ist umso besser, je weniger Wärme transportiert werden muß.
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Diese o.g., mit einem Wärmerohr in engen, baulichen Kontakt sich befindlichen,
temperierbaren Thermometer sind zwar zur exakten Messung der Temperatur eines Bades
oder dgl. zu verwenden, jedoch beiden sie jeweils Sonderanfertigungen, d.h. herkömmliche
Glasthermometer sind nur unter Schwierigkeiten mit ihnen baulich zu verbinden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Vorrichtung
zu finden, mit der auch herkömmliche Flüssigkeitsthermometer ohne besondere Umbaumaßnahmen
temperierbar sind, zumindest abr die Ausdehnungskapillare vom Ausdehnungsgefäß des
Thermometers bis zum Ablesebereich der Temperatur.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausdehnungskapillare zumindest bis zu dem Bereich, in dem die Temperatur
ablesbar ist, von einem Wärmerohr umgeben ist, dessen Verdampferteil auf der gleichen
Temperatur wie das Ausdehnungsgefäß liegt, und daß das Wärmerohr den Raum zwischen
dem freien Teil der Ausdehnungskapillare vom Bad bis zum Ablesebereich auf die Temperatur
des Bades aufheizt. Dabei kann das Wärmerohr als doppelwandiger Hohlkörper ausbildbar
sein, bei dem der Innenraum zwischen den Wänden am in das Bad zu tauchenden Ende
ein ringförmiger Verdampferteil von beliebigem Querschnitt ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Hohlkörper
ein konzentrischer oder exzentrischer Hohlzylinder ist, in dessen Zwischenraum die
zu temperierenden Teile der Ausdehnungskapillaren untergebracht sind.
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Andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können
vorsehen, daß der Hohlzylinder an dem dem Verdampferteil gegenüberliegenden Ende
offen oder verschlossen ist.
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Weiterführungen der Erfindung sehen vor, daß die Wandungen des Hohlkörpers,
zumindest im Bereich des Verdampferteils, aus gut wärmeleitendem Material, z.B.
Metall, bestehen. Dabei kann in allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
der Hohlkörper bzw. der Hohlzylinder derart ausgebildet sein, daß der Ablesebereich
der Ausdehnungskapillaren einzusehen ist.
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Eine geringe bauliche ferärderung an dem zu temperierenden Flüssigkeitsthermometer
kann vorgenommen werden, derart, daß an dem Hüllrohr des Flüssigkeitsthermometers
Abstandshalterungen angebracht werden, mit dem das Flüssigkeitsthermometer gegenüber
dem Hohlkörper zentrier- und arretierbar ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele
mittels der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
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In Figur 1 ist ein handelsübliches Einschlußthermometer 1 dargestellt,
welches aus dem in das Bad 2 getauchten Ausdehnungsgefäß 8, der Ausdehnungskapillare
9, dem Hüllrohr 10 und der Skalierung 11 besteht. Als einzige bauliche Veränderung
wurden an dem Hüllrohr 10 des Thermometers 1 Abstandshalter 4 angebracht, die aber
auch entfallen könnten. Diese Abstandshalter 4 arretieren und zentrieren das Thermometer
1 gegenüber dem als Hohlkörper ausgebildeten Warmerohr bzw. Temperierwärmerohr 3.
Vor allen Dingen wird das Thermometer 1 im Wärmerohr 3 gegen axiales und radiales
Verschieben und gegen das besonders bruchgefährdete Verkippen festgelegt.
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Das Wärmerohr 3 ist als einseitig verschlossener ilohlzylinder mit
Doppelwandung 12, 13 aus Glas ausgebildet. Nur die in das Bad 2 eintauchende Verdampferregion
5, welche einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist, ist vorzugsweise aus Metall
gefertigt. Die Metallfertigg dient dazu, daß ein besserer Wärmeübergang von dem
Bad 2 zu der Flüssigkeit (nicht näher dargestellt) im Verdampferteil 5 entsteht.
Die nicht dargestellte Flüssigkeit dient zur Übertragung der Wärme aus dem Verdampferteil
5 in den Zwischenraum 14 zwischen den beiden Wänden 12 und 13, zumindest bis zum
Ablesebereich 15 der Ausdehnungskapillare 9. In diesem Ablesebereich muß das Wärmerohr
3 durchsichtig sein bzw. eine Öffnung aufweisen.
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Die Verdampferregion 5 kann, falls erforderlich, eine Kapillarstruktur
6 enthalten. Der Zwischenraum 14 des Wärmerohres 3 wird durch die Abziehspitze 7
mit Arbeitsmittel, z.B. einer Flüssigkeit, gefüllt und danach evakuiert und verschlossen.
Die Verwendung
von Glas als Wärmerohrbaustoff ist in demselben
Temperaturbereich sinnvoll, in dem auch gläserne Thermometer verwendet werden. Dabei
muß jedoch der Dampfdruck des Wärmerohrarbeitsmittels beachtet werden. Da die Wärmeübertragung
mit dem Arbeitsmittel aus dem Verdampferteil 5 in den Zwischenraum 14 isotherm erfolgt,
bedeutet das, daß der Innenraum 16 zwischen Wärmerohr 3 und Thermometer 1 zumindest
bis zum Ablesebereich 15 auf der gleichen Temperatur gehalten wird, die das Bad
2 aufweist. Das wiederum bedeutet aber, daß auch die Ausdehnungskapillare 9 bis
zum Ablesebereich 15 die gleiche Temperatur aufweist. Zur Halterung des Wärmerohres
3 von außen können beliebige Vorrichtungen, wie z.B. Zangen, verwendet werden. Sie
sind nicht näher dargestellt.
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Die Figur 2 zeigt einen als Hohlzylinder 17 ausgebildetes Temperierwärmerohr
mit wiederum zwei Wänden 18 und 191 in deren Zwischenraum 20 durch Übertragung des
nicht näher dargestellten Arbeitsmediums aus dem Verdampferteil 5 mit Kapillarstruktur
6 (siehe Fig. 1) die Temperatur des Bades 2 erzeugt wird. Das zu temperierende Flüssigkeitsthermometer
1 (es entspricht dem Flüssigkeitsthermometer nach Fig. 1) mit Ausdehnungskapillare
9 und Ausdehnungsgefäß 8 sowie Hüllkörper 10 weist nicht die Arretierungen 4 auf
wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Es kann jedoch durch isolierstücke (nicht
näher dargestellt) gegenüber dem Wärmerohr 17 bzw. dessen Innenwandung 19 arretiert
werden.
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Das Wärmerohr 17 selbst arbeitet genauso wie das Wärmerohr 3 nach
Figur l, im Gegensatz zu ihm ist es jedoch in seinem oberen Teil 21 nicht haubenförmig
verschlossen, sondern mit einem Stopfen 22 aus Kork oder einem ähnlichen Material.
Über die Abziehspitze 7 ist der Zwischenraum 20 mit Arbeitsmedium füll-bzw. evakuierbar.
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Auch die Wandung des Verdampferteils 5 besteht aus einem gut wärmeleitenden
Material, wie z.B. Metall.
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In manchen Fällen kann auf den Stopfen 22 in diesem Wärmerohr 17 verzichtet
werden, so daß sich das Thermometer 1 bzw. dessen Ausdehnungskapillare 9 und Hüllkörper
10 über das Wärmerohr hinaus erstrecken kann. Nur die Ablesestelle 15 muß innerhalb
des Wärmerohres 17 liegen, so daß die Ausdehnungskapillare 9 bis zu diesem Ablesebereich
temperiert ist. Eine solche Ausbildung kann nur dann benutzt werden, wenn die Wärmeverluste
des Bades 2, die mit der wärmeabgebenden Fläche wachsen, so klein wie möglich gehalten
werden können.