DE4322893C2 - Thermometer mit analoger Temperaturanzeige - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermometer mit analoger Temperaturanzeige, mit einem allseitig ge­ schlossenen, zumindest teilweise transparenten, vorzugsweise zylindrischen Behälter, der durch eine Flüssigkeit, in der sich ein in Abhängigkeit von der Temperatur unter dem Einfluß der Schwerkraft seine vertikale Position verändernder Schwimmkörper befindet, sowie ein Gasreservoir ausgefüllt ist.

Thermometer sind in analog oder digital arbeitenden Ausführungsformen bekannt und gebräuchlich. Neben mit Skalen versehenen Quecksilber- und Alkohol- Thermometern finden elektronisch arbeitende, bei­ spielsweise eine Thermospannung oder den Widerstand eines Siliziumkristalls messende Digitalthermometer sowie ebenfalls mit einer stufenweise arbeitenden Anzeige versehene Galilei-Thermometer Verwendung, wie sie z. B. aus der Druckschrift DE 34 10 513 A1 be­ kannt sind.

Galilei-Thermometer bestehen in ihrem grundsätzli­ chen Aufbau aus einem geschlossenen, teilweise flüssigkeitsgefüllten Behälter, in dem mehrere, un­ terschiedliche spezifische Dichten aufweisende Schwimmkörper eingebracht sind. Die Funktion beruht auf dem archimedischen Prinzip und darauf, daß die Dichte einer Flüssigkeit temperaturabhängig ist, während die der Festkörper näherungsweise konstant bleibt. Falls die Dichte eines Schwimmkörpers ge­ ringer als die der Flüssigkeit ist, wird er sich aufgrund des Auftriebsprinzips an der Oberfläche befinden. Unterschreitet die Dichte der Flüssigkeit nach einer Temperaturerhöhung jedoch die Dichte ei­ nes Schwimmkörpers, sinkt er auf den Boden des Be­ hälters ab. Anhand mehrerer, unterschiedliche Dich­ ten aufweisender Schwimmkörper kann - anhand einer Temperaturangabe auf dem jeweils zuletzt abgesun­ kenen bzw. aufgestiegenen - eine stufenweise Tempe­ raturablesung erfolgen. Die Vorteile des Galilei- Thermometers bestehen neben einer von externen Stromquellen unabhängigen Funktion in der leichten, parallaxenfreien Ablesbarkeit, dem repräsentativen, ästhetisch ansprechenden Aussehen sowie darin, daß die aufschwimmenden bzw. absinkenden Schwimmkörper das Interesse eines Beobachters auf sich ziehen und ihn zu Reflexionen über die Funktionsweise des Ge­ rätes anregen.

Als nachteilig ist jedoch anzusehen, daß lediglich eine stufenweise, für einige Anwendungen nicht hin­ reichend präzise Temperaturmessung möglich ist und daß eine hohe Anzahl mit präzise kalibrierten Dich­ ten versehener, jeweils einer Temperatur zugeordne­ ter Schwimmkörper erforderlich ist.

Weiterhin zeigt die Patentschrift US 35 20 189 einen teilweise in einer Flüssigkeit befindlichen Festkörper, dessen Eintauchtiefe bei Temperaturän­ derungen kontinuierlich variiert, so daß aus ihr die Flüssigkeitstemperatur bestimmbar ist. Dabei ist es für die Funktion des Thermometers jedoch er­ forderlich, daß der Festkörper an der Flüssig­ keitsoberfläche schwimmt.

Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfin­ dung das Problem zugrunde, ein Thermometer so zu gestalten, daß unter einer Beibehaltung des Funkti­ onsprinzips und dem ästhetisch ansprechenden Äuße­ ren eines Galilei-Thermometers sowie unter redu­ zierten Herstellungskosten eine stufenlose Ablesung möglich ist.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß der Behälter zwei entmischbare Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte enthält, sich der Schwimm­ körper teilweise in der einen und teilweise in der anderen Flüssigkeit befindet, und dem Schwimmkörper eine ablesbare Temperaturskala zugeordnet ist.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte innerhalb eines geschlossenen Behälters einzubringen und den Schwimmkörper so anzuordnen, daß er sich teilweise in der einen und teilweise in der anderen Flüssig­ keit befindet und seine vertikale Position in Ab­ hängigkeit von der Temperatur ändert. Eine im Inne­ ren oder Äußeren des teilweise transparenten Behäl­ ters oder an einer zur Montage an der Wand geeigne­ ten Befestigung montierte Skala erlaubt anhand ei­ ner Markierung auf dem Schwimmkörper eine stufen­ lose Temperaturablesung. Die Funktionsweise des Thermometers ist wie folgt: Die beiden entmischba­ ren Flüssigkeiten ordnen sich aufgrund der Gravita­ tion derart an, daß sich die dichtere Flüssigkeit am Boden des Behälters ansammelt und durch eine ho­ rizontale Ebene von der darüber angeordneten, weni­ ger dichten Flüssigkeit getrennt ist. Oberhalb der Flüssigkeiten befindet sich ein kompressibles, eine Volumenänderung der Flüssigkeiten erlaubendes Gas­ reservoir, das auch ausschließlich aus Dampf der weniger dichten Flüssigkeit bestehen kann, wobei der gasdichte Verschluß des Behälters verhindert, daß sich das Volumen der Flüssigkeiten durch aus­ tretende Dämpfe verringert. Der mit beiden Flüssig­ keiten in Kontakt stehende Schwimmkörper nimmt nach dem archimedischen Prinzip eine Position ein, in der der Betrag der Auftriebskraft (d. h. die Ge­ wichtskraft der verdrängten Flüssigkeit) gleich seiner Gewichtskraft ist. Falls bei einer Tempera­ turerniedrigung die Dichte einer der Flüssigkeiten steigt, - die Änderung tritt gewöhnlich in der dün­ neren, oberen Schicht in einem höheren Maße als in der unteren auf - wächst gleichzeitig die Auf­ triebskraft, so daß sich der Schwimmkörper anhebt. Da nunmehr ein Volumenanteil des Schwimmkörpers vom unteren, dichteren Medium in das dünnere übertritt, sinkt die Auftriebskraft (um einen dem Produkt der Volumenänderung und dem Dichteunterschied entspre­ chenden Betrag) ab, so daß der Schwimmkörper eine neue, vertikal höhere Gleichgewichtsposition er­ reicht. Bei einer Verringerung der Dichte als Folge einer Temperaturerhöhung sinkt der Körper in analo­ ger Weise ab. Im Gegensatz zu den bekannten Gali­ lei-Thermometern wird durch die Verwendung zweier Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte die bei ei­ ner Dichtesenkung der Flüssigkeit ansteigende Auf­ triebskraft durch die sinkende Auftriebskraft des Volumenanteils des Schwimmkörpers, der das dünnere Medium erreicht, kompensiert, was eine - ablesbare - Verschiebung des Schwimmkörpers zum Ergebnis hat. Die "digitale" Funktionsweise der bekannten Gali­ lei-Thermometern entsteht dadurch, daß die Auf­ triebskraft von der Position der Schwimmkörper un­ abhängig ist, mit dem Ergebnis, daß er sich, falls die Dichte des Schwimmkörpers größer als die der Flüssigkeit ist, am Boden befindet, falls sie je­ doch geringer ist, an der Oberfläche schwimmt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen vornehmlich darin, daß nur noch ein Schwimmkörper erforderlich ist, der weiterhin eine stufenlose Ablesung von Zwischenwerten anhand einer Skala ermöglicht. Mit­ tels einer entsprechenden Kalibrierung ist eine für die meisten Anwendungsgebiete hinreichende Präzi­ sion erzielbar. Neben der für einen Beobachter in­ teressanten, ihn zu physikalischen Überlegungen an­ regenden Funktionsweise sind auch die gegenüber ei­ nem Galilei-Thermometer reduzierten Gestehungsko­ sten als vorteilhaft anzusehen.

Zum Ablesen einer Skala ist eine bleibende und tem­ peraturunabhängige Ausrichtung des Schwimmkörpers erforderlich. Hierzu ist der Schwimmkörper aus ei­ nem Oberteil beliebiger Form und einem Unterteil aufgebaut, das eine größere Dichte als das Oberteil aufweist. Durch die aus den unterschiedlichen Dich­ ten resultierenden Auftriebskräfte wird sich der Schwimmkörper stets so ausrichten, daß das Oberteil vertikal über dem Unterteil angeordnet ist; die An­ bringung einer horizontalen Skalenmarkierung ist unschwer möglich.

Die Abmessung des Schwimmkörpers kann so erfolgen, daß sich das Oberteil nur innerhalb der Flüssigkeit geringerer Dichte befindet. Vorteilhaft ist eine starke Temperaturabhängigkeit der vertikalen Posi­ tion des Schwimmkörpers, die dann erreichbar ist, wenn das mit beiden Flüssigkeiten im Kontakt ste­ hende Unterteil ein gegenüber dem Oberteil geringes Volumen aufweist. Die bei einer Dichteänderung der Flüssigkeiten entstehende Auftriebskraftsänderung wird durch eine Verschiebung eines Anteils des Un­ terteils des Schwimmkörpers von einem Medium ins andere kompensiert, wobei wegen der Konstanz des Volumens die Höhenänderung umso größer, je geringer der Querschnitt des Unterteils ist.

Eine lineare Skala ist aus ästhetischen Gründen und aufgrund der leichteren Kalibrierbarkeit des Ther­ mometers anhand zweier Referenztemperaturen bevor­ zugt. Sie liegt in guter Näherung dann vor, wenn das Unterteil des Schwimmkörpers eine in axialer, d. h. Auftriebsrichtung konstante, vorzugsweise kreisförmige Querschnittsfläche aufweist. Ein wei­ terer Vorteil besteht darin, daß der Abstand h zwi­ schen der Unterseite des Oberteils und der Grenze beider Flüssigkeiten anhand physikalischer Überle­ gungen durch eine einfache Gleichung berechnet wer­ den kann. Befindet sich das Oberteil, das ein Volu­ men V₁ und die Dichte d₁ aufweist, in der Flüssig­ keit mit der (geringeren) Dichte d₃ und weist das Unterteil das Volumen V₂, die Dichte d₂ und einen in axialer Richtung konstanten Querschnitt auf, gilt folgende Gleichung:

h = H/(d₃ - d₄) . (V₁/V₂ . d₁ + d₂ - V₁/V₂ . d₃ - d₄),

wobei H die Höhe des Unterteils und d₄ die Dichte der unteren Flüssigkeit ist. Da primär die Dichten der Flüssigkeiten temperaturabhängig sind, läßt sich die obige Gleichung vereinfachen:

h = H . (V₁/V₂ . d₃ + d₄)/(d₄ - d₃) + c,

wobei c eine Konstante ist. Da die Dichte der unte­ ren Flüssigkeit höher als die der oberen ist und gewöhnlich weniger stark von der Temperatur ab­ hängt, erhält man eine zum Produkt aus der Dichte der oberen Flüssigkeit und zum Quotienten beider Volumen proportionale Höhe des Schwimmkörpers, wo­ bei ein besonders hoher Hub entsteht, falls das Oberteil ein wesentlich größeres Volumen als das Unterteil aufweist. Falls die Dichte der oberen Flüssigkeit näherungsweise linear von der Tempera­ tur abhängt, erhält man eine in guter Näherung li­ neare Skala, wobei der Schwimmkörper bei steigender Temperatur normalerweise - im Gegensatz zu Queck­ silber- und Alkoholthermometern - absinkt. Falls das Thermometer zu Präzisionsmessungen eingesetzt werden soll, kann eine Skala anhand bekannter Dich­ ten und Volumina mittels obiger Gleichungen berech­ net werden.

Die Form des Behälters ist im Rahmen des erfin­ dungsgemäßen Gedankens beliebig. Aus optischen Gründen und zur leichteren Herstellbarkeit ist je­ doch eine zylindrische Form bevorzugt. Das Unter­ teil des Schwimmkörpers befindet sich zweckmäßiger­ weise innerhalb eines radial verengten Abschnitts des Behälters, so daß auch die laterale Position des Schwimmkörpers (d. h. in horizontaler Richtung) festgelegt ist.

Ein Behälter und/oder Schwimmkörper aus Glas zeich­ net sich durch Transparenz, leichte Herstellbarkeit und ansprechendes Aussehen aus.

Weiterhin ist vorgeschlagen, das Unter- und/oder Oberteil des Schwimmkörpers zumindest teilweise mit einer flüssigen Füllung zu versehen. Der Vorteil besteht darin, daß das spezifische Gewicht des Schwimmkörpers anhand der eingefüllten Füllung leicht auf einen gewünschten Wert einstellbar ist, sowie darin, daß die Oberseite der Füllung als Mar­ kierung zum Ablesen der Skala dienen kann.

Im speziellen ist als flüssige Füllung Methanol vorgeschlagen.

Um die Oberseite der Füllung des Schwimmkörpers leichter erkennen und die Skala leichter ablesen zu können, ist eine gefärbte Füllung bevorzugt.

Als Flüssigkeit höherer Dichte ist Wasser, als Flüssigkeit geringerer Dichte Paraffin empfohlen. Als vorteilhaft sind das niedrige Preisniveau sowie die Umweltfreundlichkeit dieser ungiftigen Stoffe anzusehen. Aufgrund ihrer bei Raumtemperatur nied­ rigen Dampfdrücke entweicht nur wenig Flüssigkeit aus evtl. vorhandenen Leckstellen des Behälters, so daß der Pegelstand der Flüssigkeiten und damit die Genauigkeit der Temperaturangaben über einen langen Zeitraum erhalten bleiben. Ein weiterer Vorteil be­ steht darin, daß Wasser und Paraffin leicht ent­ mischbar sind.

Schließlich ist vorgeschlagen, die Flüssigkeiten mit chemischen Substanzen zu versetzen, die ihre Oberflächenspannung herabsetzen. Aufgrund des Ka­ pillareffektes würde anderenfalls eine der Flüssig­ keiten Teile der Oberfläche des Schwimmkörpers und oder des Behälters unter- oder oberhalb ihres ei­ gentlichen Pegels benetzen, so daß durch eine Änderung der Auftriebskräfte Verfälschungen des an­ gezeigten Meßwertes entstehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Thermometer gemäß der Erfindung.

Es besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus ei­ nem zumindest teilweise transparenten Behälter (1), der zwei übereinander angeordnete, entmischbare Flüssigkeiten (3, 4) unterschiedlicher Dichte, ein Gasreservoir (2) sowie einen Schwimmkörper (5) ent­ hält. Der Schwimmkörper (5) besteht aus einem hohlzylindrischen Unterteil (7) sowie einem sphäri­ schen, ebenfalls hohlen Oberteil (6), die mit einer gefärbten Füllung (8) versehen sind. Der untere, mit der dichteren Flüssigkeit (4) gefüllte Teil des Behälters (1) weist eine radiale Verengung (9) auf, innerhalb der sich das Unterteil (7) des Schwimm­ körpers (5) befindet.

Die Funktionsweise ist wie folgt: Falls sich bei einer Temperaturerhöhung die Dichte beider Flüssig­ keiten (3, 4) verringert, sinken die Auftriebskräfte auf den Schwimmkörper (5) ab, während sich sein Vo­ lumen, da er ein Festkörper ist, nur in einem ver­ nachlässigbaren Maße ändert. Aufgrund des reduzier­ ten Auftriebs wird er in vertikaler Richtung nach unten sinken, bis die Auftriebskräfte im Gleichge­ wicht mit der Schwerkraft sind. Bei einer Tempera­ turreduzierung vergrößert sich die Dichte der Flüs­ sigkeiten (3, 4), woraufhin der Schwimmkörper (5) vertikal aufsteigt. Die Aufgabe des Gasreservoirs (2) besteht darin, eine Expansion oder Kontraktion der Flüssigkeiten (3, 4) zu ermöglichen, ohne daß eine Verformung oder Beschädigung des Behälters (1) eintritt. Die verwendeten Flüssigkeiten (3, 4) sind im speziellen Paraffin als Flüssigkeit geringerer Dichte (3) und Wasser als Medium hoher Dichte (4). Eine Temperaturablesung erfolgt anhand einer mit dem Behälter (1) verbundenen oder an ihm angebrach­ ten, kalibrierten Skala, wobei der Pegel der Fül­ lung (8) des Schwimmkörpers (5) zur Ablesung dienen kann.

Im Ergebnis erhält man ein Thermometer mit einer analogen Temperaturanzeige, das sich durch Preis­ würdigkeit und Präzision auszeichnet und einen Be­ obachter zu Überlegungen über die Funktionsweise anregt.

Claims (12)

1. Thermometer mit analoger Temperaturanzeige, mit einem allseitig geschlossenen, zumindest teilweise transparenten, vorzugsweise zylindrischen Behälter, der durch eine Flüssigkeit, in der sich ein in Ab­ hängigkeit von der Temperatur unter dem Einfluß der Schwerkraft seine vertikale Position verändernder Schwimmkörper befindet, sowie ein Gasreservoir aus­ gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Behäl­ ter (1) zwei entmischbare Flüssigkeiten (3, 4) un­ terschiedlicher Dichte enthält,
daß sich der Schwimmkörper (5) teilweise in der einen Flüssigkeit (3) und teilweise in der anderen Flüssigkeit (4) befindet, und
dem Schwimmkörper (5) eine ablesbare Temperatur­ skala zugeordnet ist.

2. Thermometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwimmkörper (5) aus einem Oberteil (6) und aus einem Unterteil (7) aufgebaut ist, das eine größere Dichte als das Oberteil (6) aufweist.

3. Thermometer nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich das Oberteil (6) des Schwimmkör­ pers (5) nur im Kontakt mit der Flüssigkeit (3) gerin­ gerer Dichte befindet.

4. Thermometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Unterteil (7) des Schwimmkör­ pers (5) eine in axialer Richtung konstante, vor­ zugsweise kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die des Oberteils (6) ist.

5. Thermometer nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Unterteil (7) des Schwimmkörpers (5) innerhalb eines radial verengten Abschnitts (9) des Behälters (1) angeordnet ist.

6. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Schwimmkörper (5) und/oder Behälter (1) aus Glas.

7. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil (7) oder Oberteil (6) des Schwimmkörpers (5) zumindest teil­ weise eine flüssige Füllung (8) enthalten.

8. Thermometer nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die flüssige Füllung (8) Methanol ist.

9. Thermometer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die flüssige Füllung (8) gefärbt ist.

10. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (4) höherer Dichte Wasser ist.

11. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (3) gerin­ gerer Dichte Paraffin ist.

12. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeiten (3, 4) mit chemischen Substanzen versetzt sind, die ihre Oberflächenspannung herabsetzen.