DE60016385T2

DE60016385T2 - Maximum/minimum-thermometer

Info

Publication number: DE60016385T2
Application number: DE60016385T
Authority: DE
Inventors: Montgomery John Carlisle HAMILTON; Graham Peter Crieff PERKINS
Original assignee: Brannan & Sons Ltd S; S Brannan and Sons Ltd
Current assignee: Brannan & Sons Ltd S; S Brannan and Sons Ltd
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 2000-03-07
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-03-08
Also published as: WO2000054014A1; US7011445B1; EP1157262A1; EP1157262B1; GB9905216D0; CA2365725C; DE60016385D1; CA2365725A1; ATE284025T1; AU2930500A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Maximum/Minimum-Thermometer.
Maximum/Minimum-Thermometer sind im Stand der Technik bekannt; man kennt sie bereits seit ungefähr zweihundert Jahren. Zum Beispiel beschrieb J. Six (1731 bis 1793) der Royal Society ein solches Thermometer bereits im Jahre 1782.
Die US-Patentschrift 4,627,741 offenbart ein typisches Maximum/Minimum-Thermometer, das einen verbesserten Indexrückführungsmechanismus aufweist.
Wie leicht verständlich ist, werden Maximum/Minimum-Thermometer der in der US-Patentschrift 4,627,741 beschriebenen Art oft aus einem eine Flüssigkeit enthaltenden, U-förmigen Rohr konstruiert, in dem in der Krümmung des U-Abschnitts metallisches Quecksilber bereitgestellt ist und sich in die beiden Schenkel des U- Rohrs erstreckt. Das Quecksilber dient als sogenannte "Transferflüssigkeit".
Zusätzlich zu dem Quecksilber enthält das U-Rohr eine Expansionsflüssigkeit, die in Kontakt mit dem Quecksilber steht und mit diesem nicht mischbar ist. Die durch Temperaturänderungen ausgelöste Expansion oder Kontraktion der Expansionsflüssigkeit bewirkt, dass sich das Quecksilber bewegt.
Außerdem sind zwei in dem U-förmigen Rohr enthaltene Temperaturanzeigeindizes oder Anzeigestifte bereitgestellt. Im Betrieb sind die Indizes anfangs so angeordnet, dass sie in Kontakt mit dem Quecksilber stehen und an dessen Oberfläche schwimmen. Infolge des Vorrückens einer Quecksilberfront wird der in Kontakt mit der vorrückenden Quecksilberfront stehende Index in dem U-Rohr entlangbewegt.
Die Indizes können als unidirektionale Vorrichtungen beschrieben werden, da auf den Rückzug der Quecksilberfront von dem Index hin der Index seine Position in dem U-Rohr beibehält, was typischerweise mittels einer Rückhaltemethode erreicht wird. Zum Beispiel wird eine Rückhaltemethode durch eine anziehende magnetische Kraft zwischen dem Index und einen neben dem U-Rohr angeordneten Magnetstreifen bereitgestellt.
Eine alternative Indexrückhaltemethode kann von einer Reibungskraft zwischen der Innenwand des U-Rohrs und einem an dem Index befestigten, gefederten Glashaar bereitgestellt werden.
Dadurch, dass zwei Indizes – einer an jeder Front des Quecksilbers – verwendet werden, ist die Aufzeichnung der Temperatur an jeder der Extrempositionen eines Temperaturbereichs möglich. Ein Index entspricht dann einer Position, die die maximale, und der andere einer Position, die die minimale, im Laufe eines bestimmen Zeitraumes beobachtete Temperatur darstellt. Auf einer neben dem U-Rohr angeordneten Teilstrichskala sind Temperaturmarkierungen bereitgestellt, so dass die Maximal- und Minimaltemperaturen direkt abgelesen werden können.
Derzeit ist allerdings aufgrund seiner geeigneten physikalischen Eigenschaften, wie etwa seiner hohen Dichte (d.h. 13,6 g/cm³) und seiner Nichtmischbarkeit mit vielen Expansionsflüssigkeiten, Quecksilber die Transferflüssigkeit der Wahl. Darüber hinaus verbleibt metallisches Quecksilber über einen weiten Temperaturbereich hinweg flüssig (d.h. Quecksilber hat einen Schmelzpunkt von –38,9 °C und einen Siedepunkt von 356,6 °C), wodurch es sich zur Verwendung in vielen Maximum/Minimum-Thermometeranwendungen eignet.
Ungeachtet der zuvor genannten geeigneten Eigenschaften von Quecksilber ist doch offensichtlich, dass die Verwendung von Quecksilber aufgrund des derzeitigen gesteigerten Umweltbewusstseins nicht wünschenswert ist. Quecksilber ist beispielsweise hochgradig toxisch. Daher erfordert Quecksilber im Falle eines Auslaufens, zum Beispiel infolge Thermometerbruchs, besondere Handhabungs- und Entsorgungsverfahren. Zudem ist Quecksilber auch vergleichsweise teuer.
Es liegt im Rahmen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, eines oder mehrere der obengenannten Probleme, die mit Thermometern, die Quecksilber als Transferflüssigkeit verwenden, verbunden sind, zu beseitigen oder zumindest abzumildern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Maximum/Minimum-Thermometer bereitzustellen, das eine Transferflüssigkeit umfasst, die im Wesentlichen oder, besonders bevorzugt, vollständig quecksilberfrei ist.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Maximum/Minimum-Thermometer bereitgestellt, das Folgendes umfasst: eine Expansionsflüssigkeit, die durch Temperaturänderungen expandiert oder kontrahiert, eine Transferflüssigkeit, die mit der Expansionsflüssigkeit im Wesentlichen nicht mischbar ist, und zwei Indizes, die durch die Wirkung der Transfer- oder Expansionsflüssigkeit bewegt werden können, wobei die Transferflüssigkeit quecksilberfrei ist.
Es versteht sich, dass sich der Begriff "Transferflüssigkeit" auf diejenige Flüssigkeit in einem Maximum/Minimum-Thermometer bezieht, die durch die thermische Expansion/Kontraktion der Expansionsflüssigkeit bewegt wird, und deren Zweck darin besteht, bei der Bestimmung der maximalen und minimalen Temperatur über eine bestimmte Zeitspanne hinweg behilflich zu sein, indem sie ein Mittel bereitstellt, das dazu dient, die Indizes zu Positionen zu bewegen, welche die Maximal- und Minimaltemperaturen anzeigen.
Das Maximum/Minimum-Thermometer kann in einer typischen U-Rohr-Ausführung vorliegen, wobei sich die Transferflüssigkeit in der Krümmung des U-Rohrs befindet und sich in jeden der Schenkel desselben erstreckt. Im Betrieb ruhen die Indizes anfangs an jeder der Fronten der Transferflüssigkeit. Die Maximal- und Minimaltemperaturen können über die endgültigen Ruhelagen der Indizes von einer Temperaturskala abgelesen werden, die mit dem U-Rohr verbunden ist.
Es versteht sich im Allgemeinen, dass die Transferflüssigkeit die folgenden Eigenschaften haben sollte: Sie sollte:

i) mit der Expansionsflüssigkeit nicht mischbar sein,
ii) an und zwischen dem oberen und dem unteren Temperaturlimit des verwendeten Thermometers im Wesentlichen in einem beweglichen, flüssigen Zustand verbleiben, und
iii) eine von der Dichte der Expansionsflüssigkeit verschiedene Dichte aufweisen.

Der Fachmann versteht, dass, um sicherzustellen, dass die Transferflüssigkeit innerhalb eines beliebigen vorgegebenen Temperaturbereichs im flüssigen Zustand verbleibt, der Inhalt des U-Rohrs entsprechend unter Druck stehen kann. Beispielsweise ermöglicht eine Drucksteigerung bei einer gegebenen Transferflüssigkeit das Vorliegen des flüssigen Zustands bei höheren Temperaturen.
Wünschenswerterweise kann die Transferflüssigkeit auch:

– ein geringes thermisches Expansionsvermögen aufweisen,
– eine niedrige Toxizität zeigen, und
– farbig sein oder so beschaffen sein, dass sie sich färben lässt.

In Abhängigkeit einer speziellen Anwendung kann der Fachmann zusätzlich zu den generell unabdingbaren Eigenschaften i), ii) und iii) alle oder jede geeignete Kombination der obenerwähnten wünschenswerten Eigenschaften wählen.
Typischerweise weist die Transferflüssigkeit eine höhere Dichte auf als die Expansionsflüssigkeit. Wenn also beispielsweise ein U-förmiges Maximum/Minimum-Thermometer in aufrechter Lage benutzt wird, d.h. mit nach oben zeigenden Schenkeln des U-Rohrs, so ruht die Transferflüssigkeit unterhalb der Expansionsflüssigkeit, durchquert die Krümmung in dem U-Rohr und erstreckt sich in die beiden Schenkel hinein. Es sollte jedoch klar sein, dass es möglich ist, Maximum/Minimum-Thermometer zu entwerfen, die statt in aufrechter Lage in Seitenlage ruhen, oder die andere Formen haben können.
Es versteht sich, dass im Falle eines Thermometers, das in aufrechter Lage verwendet werden soll, die Wahl der Transferflüssigkeit durch die Dichte der verwendeten Expansionsflüssigkeit festgelegt werden kann. Wenn zum Beispiel Toluen (Dichte 0,87 g/cm³) – eine typische Expansionsflüssigkeit – benutzt wird, wird die Transferflüssigkeit eine Dichte aufweisen, die größer als 0,87 g/cm³ ist.
Maximum/Minimum-Thermometer werden oft benutzt, um, beispielsweise in einem Gewächshaus, eine maximale/minimale Lufttemperatur zu messen. Folglich sollte die Transferflüssigkeit vorzugsweise bis zu der höchsten erwarteten Temperatur und über diese hinaus im Wesentlichen flüssig bleiben. Es ist daher im Allgemeinen erforderlich, dass die Transferflüssigkeit bis zu 50 °C und darüber hinaus, vorzugsweise bis über 70 °C, im Wesentlichen flüssig bleibt. Es versteht sich allerdings, dass die Wahl der Transferflüssigkeit letztendlich von der Anwendung abhängt, der das Maximum/Minimum-Thermometer zugeführt wird. Folglich ist es möglich, die Transferflüssigkeit zur Verwendung in Thermometern bei wesentlich höheren Temperaturen auszuwählen, zum Beispiel bei über 150 °C.
Andererseits sollte die Transferflüssigkeit bei einer Temperatur, die unter der niedrigsten bei der Verwendung eines Maximum/Minimum-Thermometers zu erwartenden Temperatur liegt, vorzugsweise im wesentlichen flüssig bleiben. Somit sollte beispielsweise für die Außenanwendung der im Wesentlichen flüssige Zustand der Transferflüssigkeit vorzugsweise unterhalb von – 30 °C, oder noch besser unterhalb von – 50 °C, aufrechterhalten werden.
Der Fachmann versteht, dass Änderungen der Umgebungstemperatur im Allgemeinen langsam stattfinden, weswegen es möglich ist, nötigenfalls eine viskose Transferflüssigkeit zu benutzen. Eine viskose Flüssigkeit ist zwar beweglich, bewegt sich jedoch vergleichsweise langsam. Alternativ kann die Transferflüssigkeit nicht vollständig homogen sein, d.h., sie darf schwebende Feststoffteilchen oder Flüssigkeitströpfchen enthalten; eine derartige Transferflüssigkeit kann kolloidal sein.
Vorzugsweise zeigt die Transferflüssigkeit eine niedrige thermische Expansion. Obwohl also eine Expansionsflüssigkeit auf Temperaturänderungen reagiert, indem sie expandiert/kontrahiert, ist es vorzuziehen, dass die Transferflüssigkeit auf Temperaturänderungen mit einem geringen Grad an Expansion/Kontraktion reagiert. Wenn allerdings die Transferflüssigkeit doch einen gewissen Grad an thermischer Expansion zeigt, kann dies durch eine angemessene Ausführung der Temperaturskala berücksichtigt werden. Bei einer solchen Ausführung kann es sich um eine nichtlineare Temperaturskala handeln.
Da die Transferflüssigkeit innerhalb des U-Rohrs durch Expansion/Kontraktion der Expansionsflüssigkeit bewegt wird, muss die Transferflüssigkeit im Wesentlichen nicht mit der Expansionsflüssigkeit mischbar sein und/oder im Wesentlichen keine chemische Wechselwirkung mit der Expansionsflüssigkeit aufweisen.
Es ist außerdem wünschenswert, dass die Transferflüssigkeit eine geringe Toxizität zeigt oder mindestens als weniger toxisch als Quecksilber angesehen werden kann.
Obwohl im Allgemeinen in erster Linie die Indizes dazu dienen, die Maximal- und die Minimaltemperatur anzuzeigen, ist es aus ästhetischen Gründen vorzuziehen, dass die Transferflüssigkeit farbig ist oder gefärbt werden kann, so dass sie im Thermometer leicht gesehen werden kann. Typischerweise ist es möglich, die Transferflüssigkeit durch Zugabe geeigneter Färbemittel zu färben. In Abhängigkeit von der verwendeten Transferflüssigkeit können Eurocert Grün S oder wasserlösliche Salze anorganischer Komplexionen, wie etwa das Kupfer(II)-(Tetraammoniato)-Ion oder das Hexacyanatoferration, zu den geeigneten Färbemitteln zählen. Selbstverständlich ist es möglich, dass der Fachmann die Verwendung anderer geeigneter Färbemittel ins Auge fasst.
Ein geeignetes Färbemittel kann anhand seiner bevorzugten Löslichkeit des Färbemittels in der Transferflüssigkeit im Vergleich zu seiner Nichtlöslichkeit in der Expansionsflüssigkeit ausgewählt werden.
Beispiele für geeignete Transferflüssigkeiten, die mindestens einige der zuvor genannten bevorzugten Eigenschaften besitzen, sind u.a. Lösungen, die anorganische oder metallorganische Verbindungen umfassen, zum Beispiel Lösungen von Verbindungen von in den Gruppen III, IV, V, VI und VII des Periodensystems vorkommenden Elementen (siehe Tabelle 1, nachstehend), oder Gemische davon, sowie organische Flüssigkeiten, wie etwa Mitglieder der Reihe der Halogenalkenverbindungen.
Tabelle 1
Außerdem hat ein kürzliches Wiederaufleben des Interesses an der Chemie der Salzschmelzen zur Untersuchung und Entwicklung von niedrigschmelzenden ionischen Flüssigkeiten geführt. Hierbei handelt es sich um Salzmischungen, die bei Zimmertemperatur flüssig sind, und es existieren Beispiele, die bis herunter zu – 90 °C flüssig sind. Etliche mögliche Systeme liegen bereits vor, und viele weitere sind vorstellbar. Der größte Teil des derzeitigen Wissens betrifft binäre Systeme mit den Verbindungen Aluminiumtrichlorid, Phosphorpentafluorid und Bortrifluorid. Bei Mischung mit quaternären Ammoniumsalzen, bei denen die Substituenten Alkanketten verschiedener Längen sein können, entsteht eine Flüssigkeitsreihe. In solchen Salzen können die quaternisierbaren Stickstoffatome in Ringen, wie etwa in Pyridin- oder Imidazolringen, vorliegen.
Um Beispiele zu nennen, ist es möglich, durch Kombination von 1-Alkyl-3-Methyl-Imidazoliumchlorid mit Bortrifluorid über Metathese des Chlorids der ersteren Verbindung mit Natriumtetrafluoroborat eine Reihe solcher niedrigschmelzenden Flüssigkeiten zu erzeugen.
Es ist vorstellbar, dass Flüssigkeiten mit Dichten in dem in anderen Abschnitten dieser Patentschrift genannten nützlichen Bereich synthetisiert werden können. Die Schmelzen sind von niedriger Toxizität und können mit organischen Standardfärbemitteln gefärbt werden. Einige der Flüssigkeiten können in der vorliegenden Erfindung gemeinsam mit einigen der Expansionsflüssigkeiten, die aus den in dieser Patentschrift erwähnten ausgewählt sind, als Transferflüssigkeiten eingesetzt werden.
Eine in besonderem Maße bevorzugte Transferflüssigkeit ist eine Lösung, die ionische Verbindungen umfasst, typischerweise eine Lösung, die mindestens ein Erdalkali- oder Alkalimetallsalz umfasst.
Bei der Lösung kann es sich um eine wässrige Lösung handeln, in welcher das wenigstens eine Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalz gelöst ist. Die Lösung kann jedoch auch eine organische Flüssigkeit, wie etwa einen Alkohol, ein Keton, einen Ether oder Gemische davon, umfassen.
Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalze werden wegen ihrer hohen Wasserlöslichkeiten besonders bevorzugt. Zum Beispiel ist es möglich, wässrige Lösungen zu erzeugen, in denen die Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalzmenge zwischen 80 % und 400 % w/v liegt, zum Beispiel zwischen 100 % und 200 % w/v.
Das Auflösen des Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalzes in Wasser senkt den Gefrierpunkt unter 0 °C ab. Wie stark der Gefrierpunkt abgesenkt wird, hängt vom Molekulargewicht des gelösten Stoffs, seiner prozentualen Konzentration in Lösung und der Anzahl von Ionen, in die er in wässriger Lösung dissoziiert, ab. Jedes "Teilchen" in der Lösung trägt getrennt zur Absenkung des Gefrierpunkts (dem Van-'t-Hoff-i-Faktor) bei. Dies führt dazu, dass Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalze beim Absenken des Gefrierpunkts sehr effizient sind. Unter Verwendung von Feststoffen von solch hoher Löslichkeit ist es möglich, den Gefrierpunkt einer konzentrierten wässrigen Lösung auf – 40 °C bis – 50 °C abzusenken.
Derartige Salzlösungen, die hohe Anteile von Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalzen umfassen, weisen außerdem größere Dichten als Wasser auf. Zum Beispiel weisen Calciumbromidlösungen mit 110 % w/v, 120 % w/v und 125 % w/v Dichten von jeweils 1,62, 1,66 und 1,68 g/cm³ auf. Die Temperatur, bei der entweder durch Gefrieren oder durch Ausscheidung gelöster Stoffe Feststoff aus den einzelnen Lösungen ausfällt, liegt bei ungefähr – 51 °C.
Zudem sieden Salzlösungen wie die hier beschriebenen oberhalb von 100 °C, da die gelöste Substanz in Übereinstimmung mit dem Gesetz von Raoult auch den Siedepunkt von Wasser anhebt. Dies führt dazu, dass die Substanzen vorzüglich zur Verwendung als Transferflüssigkeit geeignet sind, da der Siedepunkt wesentlich über der höchsten Temperatur auf einer typischen Maximum/Minimum-Thermometerskala liegt.
Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass diese wässrigen Lösungen nur eine begrenzte Selbstexpansion aufweisen, da das Salz in Form von Ionen vorliegt. Die Expansionsfähigkeit wird daher ähnlich sein wie die von Wasser selbst, welche wiederum nur ein wenig mehr als die von Quecksilber und ungefähr ein Fünftel der von Toluen, einer üblichen Thermometerexpansionsflüssigkeit, beträgt.
Im Falle einer Transferflüssigkeit auf Wasserbasis besteht eine Grenzflächenwechselwirkung nur mit anderen Flüssigkeiten, mit denen Wasser mischbar ist oder direkt reagiert. Derartige Flüssigkeiten sind im Allgemeinen anorganisch, oder es sind oxygenierte organische Verbindungen, z.B. Alkohole, Ketone, Phenole oder, möglicherweise, Organohalogenverbindungen. Das bedeutet, dass verschiedene andere organische Flüssigkeiten existieren, die als Expansionsflüssigkeit benutzt werden können, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, wie etwa Toluen, Xylole, Kerosin, Benzin, oder deren Gemische.
Außerdem weisen aufgelöste Erdalkali- oder Alkalimetallsalze unterschiedliche Toxizitätsgrade auf, aber einige sind im Wesentlichen nichttoxisch und haben aufgrund der hohen Siedepunkte der Lösungen niedrige Dampfdrücke. Unfälle mit Bruch des Thermometers würden daher keine Gefahr darstellen, und eventuelle Rückstände könnten ohne weiteres mit Wasser fortgespült werden.
Im Allgemeinen kann das Erdalkali- oder Alkalimetallsalz aus Verbindungen wie etwa Halogeniden (zum Beispiel Fluoride, Chloride, Bromide, Jodide), Sulfaten, Hydroxiden, Carbonaten, Chloraten, Dichromaten, Chromaten, Carboxylaten (zum Beispiel Acetate), Nitraten, Nitriten, Phosphaten, Ammoniumverbindungen oder anderen Salzen, umfassend ein Erdalkali- oder Alkalimetallion und eine kationische Spezies, ausgewählt sein.
Geeignete Beispiele für Metallsalze, die verwendet werden können, sind: CaI₂, CaBr₂, CsBr, CsF, CsOH, Cs₂SO₄, CH₃COOCs, KF·2H₂O, HCOOK, KI, KNO₂, RbF, NaClO₄·H₂O, Na₂Cr₂O₇·2H₂O oder NaI·2H₂O.
Besonders bevorzugte Salze sind aus den Erdalkalimetallhalogeniden ausgewählt, wie etwa CaI₂ und CaBr₂.
Im Allgemeinen sind Lösungen der obenerwähnten Salze farblos oder nur schwach naturfarben. Farbstoffe können jedoch ohne weiteres eingeführt werden, indem während der Herstellung wasserlösliche, nichttoxische Färbemittel benutzt werden.
Es versteht sich, dass die gleichen Eigenschaften auch unter Verwendung von nicht miteinander reagierenden Gemischen der zuvor genannten Salze erreicht werden können.
Auch kann es möglich sein, eine organische Verbindung hoher Dichte als Transferflüssigkeit einzusetzen. Hierbei handelt es sich fast ausschließlich um halogenierte Verbindungen, und einige dieser Verbindungen sind toxisch. Wenn allerdings ein derartiges organisches Material benutzt würde, müsste die Beschaffenheit der Expansionsflüssigkeit so geändert werden, dass diese zur Grenzfläche passt (d.h. nicht mischbar ist). Da organische Flüssigkeiten generell ein hohes thermisches Expansionsvermögen haben, wäre außerdem an einer Seite der Thermometerskala eine wesentliche Korrektur notwendig. Ebenso wären Gemische aus organischen Flüssigkeiten möglich und würden von den gleichen Grundsätzen geleitet.
Vorzugsweise weist die Transferflüssigkeit jedoch ein verglichen mit der Expansionsflüssigkeit geringes thermisches Expansionsvermögen auf. Nichtsdestotrotz kann die Skala des Thermometers zur Berücksichtigung geringer Volumenänderungen der Transferflüssigkeit in einer nichtlinearen Weise unterteilt sein, um so Fehler zu korrigieren, die andernfalls aufträten, wenn die Temperaturskala linear wäre.
Unter einem weiteren Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung außerdem die Verwendung von Lösungen wie den hier beschriebenen als Transferflüssigkeiten in Maximum/Minimum-Thermometern bereit.
Wünschenswerterweise sollte die Expansionsflüssigkeit:

i) ein hohes thermisches Expansionsvermögen besitzen,
ii) im Wesentlichen nicht mit der Transferflüssigkeit mischbar sein,
iii) an und zwischen dem oberen und dem unteren Temperaturlimit des Thermometers im Wesentlichen in einem beweglichen, flüssigen Zustand verbleiben, und
iv) eine Dichte aufweisen, die sich von derjenigen der Transferflüssigkeit unterscheidet.

Unter der Voraussetzung der obenstehenden Spezifikationen können ein Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen als Expansionsflüssigkeit benutzt werden, falls die Transferflüssigkeit eine wässrige Lösung sein sollte. Kohlenwasserstoffe sind scharf von Wasser trennbar und können ohne weiteres mit Organohalogenverbindungen gemischt werden, um die Dichte gleichmäßig zu erhöhen.
Abhängig vom gewählten System könnten Kohlenwasserstoffe, wie etwa Toluen, die Xylole, Kerosin, Benzin, oder deren Gemische sowie eine Vielzahl anderer organischer Verbindungen entweder allein oder mit Beimengungen benutzt werden. Diese Stoffe sind billig, ohne weiteres verfügbar und oft von niedriger Toxizität. Wenn die Transferflüssigkeit selbst organisch wäre, wäre eine andere Wahl der Expansionsflüssigkeit notwendig. Eine alternative Wahl für diese Rolle könnte in letzterem Falle eine hydroxylierte/oxygenierte organische Verbindung, wie etwa ein Alkohol, Ether, Keton oder Ester oder eine Mischung davon, darstellen.
Die Indizes müssen derart ausgeführt sein, dass sie mit der gewählten Transferflüssigkeit und der gewählten Expansionsflüssigkeit angemessen funktionieren.
Vorzugsweise sollten die Indizes sowohl gegenüber der Transferflüssigkeit als auch gegenüber der Expansionsflüssigkeit chemisch und physikalisch stabil sein.
Im Allgemeinen werden die Indizes eine Dichte aufweisen, die kleiner ist als die Dichte der Transferflüssigkeit, und an der Oberfläche der Transferflüssigkeit schwimmen können. Daher werden solche Indizes durch die Wirkung der Transferflüssigkeit bewegt. Die Indizes können dergestalt magnetisch sein oder magnetisch gemacht werden, dass ein Magnet bzw. Magneten, die neben oder nahe dem Thermometer angeordnet sind, dazu in der Lage sind, die Indizes in ihrer Lage zu halten. Der Magnet hält den Index zurück, nachdem sich die Transferflüssigkeit von diesem Index zurückgezogen hat.
Beispielsweise ist es möglich, für das Thermometer einen Index auf Glasbasis zu konstruieren, indem man ein Glasrohr mit sehr dünnen Wänden formt und ein kleines Stück Eisendraht einsetzt. Die Gesamtdichte des Index kann durch überlegtes Kombinieren der Dichtenbeiträge des Glases, des Drahtes und der in dem Rohr enthaltenen Luft vorbestimmt werden.
Ein geeigneter Index kann unter Verwendung eines Kunststoffmaterials mit niedriger Dichte (z.B. Polypropylen oder Polyethylen niedriger oder hoher Dichte oder ein anderes Material mit einer Dichte im Bereich von 1,0 g/cm³) in Form eines Röhrchens, das ein Stück Eisenmetall enthält, angefertigt werden. Genau wie zuvor bei dem Index auf Glasbasis können die Abmessungsparameter, d.h. Länge, Durchmesser und Wanddicke, verändert werden, um einen Gesamtindex mit einer geeigneten Dichte zu erzeugen. Die Dichte der Expansionsflüssigkeit kann daraufhin entsprechend der Dichte des Index eingestellt werden, um einen Auftrieb zu bewirken; ein angemessener Index kann eine Dichte im Bereich von 1.0 g/cm³ aufweisen.
Eine dritte Ausführung eines festen Index kann konstruiert werden, indem man zunächst einen Kunststoff mit intrinsischen magnetischen Eigenschaften synthetisiert. Dies kann durch Mischen oder Zusammenschmelzen des gewählten Kunststoffs oder dessen Komponenten mit einer Menge von Magnetpulver, wie etwa Eisenspäne, Magnetit (Fe₃O₄), Strontiumferrit oder andere magnetische Pulver, erfolgen. Die Mengen der einzelnen Komponenten können angepasst werden, um eine geeignete magnetische Stärke zu erzielen und gleichzeitig eine niedrige Dichte aufrechtzuerhalten, so ergeben zum Beispiel 10 bis 15 % Magnetit mit Polypropylen einen Kunststoff mit einer Dichte von 0,98 bis 1,02 g/cm³. Dieser Kunststoff wird anfangs als feste Masse hergestellt und kann daraufhin geschmolzen, extrudiert oder in die Länge gezogen werden, um so eine dünne Faser zu erhalten. Diese wird daraufhin zerhackt, und es ergeben sich magnetische Kunststoffindizes. Daraufhin muss eine Dichtenanpassung der Expansionsflüssigkeit an die Indexdichte durchgeführt werden.
Die Magneten zur Verwendung mit einem magnetische Indizes umfassenden Maximum/Minimum-Thermometer liegen im Allgemeinen hinter den Rohrschenkeln, und die Transferflüssigkeit muss in der Lage sein, die Indizes vor sich herzuschieben, während diese sich in dem Magnetfeld befinden, die Indizes müssen jedoch "fixiert" in ihrer Lage verbleiben, wenn sich die Transferflüssigkeit zurückzieht. Erstere Anforderung wird im Allgemeinen erfüllt, indem der Auftrieb in der Expansionsflüssigkeit auf eine Weise angepasst wird, die es der Transferflüssigkeit ermöglicht, den Index durch lediglich geringfügiges "Anschieben" weiterzubewegen. Aus dem gleichen Grunde wird nur eine geringe magnetische Anziehungskraft benötigt, um den Index in seiner Lage zu halten, wenn sich die Transferflüssigkeit zurückzieht.
Es sollte sich verstehen, dass andere Indizes, wie etwa die in der Einführung erwähnte Ausführung, die ein gefedertes Glashaar verwendet, oder andere Reibungsvorrichtungen, ebenso verwendet werden können. Überdies ist es möglich, dass die Indizes keine Reibungs- oder Magneteigenschaften benötigen, wenn das U-Rohr in horizontaler Lage benutzt wird. Die Indizes müssen von der Transferflüssigkeit vor sich her geschoben werden können und können zurückgesetzt werden, indem das Thermometer in eine aufrechte Lage gekippt und den Indizes erlaubt wird, in den Kontakt mit der Oberfläche der Transferflüssigkeit zurückzukehren.
Wie oben erwähnt wurde, sollte die Dichte des Index im Allgemeinen geringer sein als die der Transferflüssigkeit, so dass der Index an der Oberfläche der Transferflüssigkeit ruht. Aus der Fluidstatik folgt jedoch, dass der Index in die Oberfläche höherer Dichte teilweise bis zu einer durch die beiden relativen Dichten bestimmten Tiefe einsinkt. Aus ästhetischen Gründen ist dies bei einem Maximum/Minimum-Thermometer im Allgemeinen nicht wünschenswert, kann aber durch angemessenes Anheben der Dichte der Expansionsflüssigkeit vermieden werden. Dies kann erfolgen, indem in die Hauptexpansionsflüssigkeit eine Menge einer Flüssigkeit höherer Dichte gemischt wird. Wenn zum Beispiel Toluen (Dichte 0,87 g/cm³) als Hauptkomponente der Expansionsflüssigkeit benutzt wird, kann Brombenzol (Dichte 1,491 g/cm³) oder 1,3-Dibrompropan (Dichte 1,989 g/cm³) hinzugefügt werden. Dies steigert den Auftrieb der Expansionsflüssigkeit und ermöglicht dem Index, auf der Oberfläche der Transferflüssigkeit zu ruhen.
Die hier beschriebenen Maximum/Minimum-Thermometer sind im Allgemeinen aus Glas geformt. Es können jedoch auch geeignete Kunststoffe benutzt werden.
Es wurde beobachtet, dass es geschehen kann, dass sich die Transferflüssigkeit nicht vollkommen frei in dem Thermometer bewegt und in einigen Fällen dazu neigen kann, am Glas zu haften. Da dies so ist, kann es wünschenswert sein, der Transferflüssigkeit ein reibungssenkendes Additiv, wie etwa ein Tensid, hinzuzufügen.
Die vorliegende Erfindung lässt sich besser unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung einer "Testvorrichtung" verstehen, welche die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Grundsätze zeigt, sowie unter Bezugnahme auf 1 und 2, die eine solche "Testvorrichtung" zeigen.
Eine in 1 gezeigte Maximum/Minimum-Thermometer-Testvorrichtung (1) wurde konstruiert, um die genannten Grundsätze zu demonstrieren und um das Experimentieren sowohl mit Transfer- als auch mit Expansionsflüssigkeiten und mit verschiedenen Indexausführungen zu ermöglichen.
Die Vorrichtung (1) ist als U-förmiges Rohr (3) ausgeführt. Die Bohrung des U-Rohrs beträgt 5 mm und weist an seinen beiden Enden einen Reservoirkolben (5) (Fassungsvermögen ca. 6 ml) und einen Stopfen (7) auf, die zur Reinigung und zum erneuten Befüllen abnehmbar sind.
In diesem Beispiel ist das U-Rohr (3) teilweise mit einer Transferflüssigkeit (9) gefüllt, bei der es sich um eine Lösung von Calciumbromid in Wasser mit 120 % w/v handelt. Wie man sieht, füllt die Calciumbromidlösung (9) bei aufrechter Lage des U-Rohrs (3) die Krümmung (11) des U-Rohrs (3) aus und erstreckt sich in jeden der Schenkel (13, 15) des U-Rohrs (3). Die Calciumbromidlösung (9) kann mit jedem beliebigen wasserlöslichen Färbemittel getönt werden, in diesem Fall mit Eurocert Grün S mit einem Anteil von ca. 0,05 Gewichtsprozent.
Zwei Indizes (17, 19) sind in das U-Rohr (3) eingesetzt und ruhen an den beiden Fronten (21, 23) der Calciumbromidlösung (9). Die beiden Indizes (17, 19) bestehen aus Polypropylen-Rohrmaterial (Durchmesser 2,3 mm, Bohrung 0,4 mm, Länge 20 mm). Ein Stück Eisendraht (Dicke 0,1 mm, Länge 5 mm) wird in jedem der Indizes (17, 19) angeordnet, und die Enden werden durch Erhitzen und Flachdrücken versiegelt. So entsteht ein Index mit einer Dichte in der Nähe von 1 g/cm³.
Die Indizes (17, 19) sind in der Expansionsflüssigkeit (25) "ausbalanciert" worden, d.h., die Dichte der Expansionsflüssigkeit (25) ist angepasst worden, um den Indizes (17, 19) Auftrieb zu bieten, so dass jeder der Indizes (17, 19) durch Bewegung der Transferflüssigkeit (9) in dem Schenkel entgegen einem von Magneten (nicht gezeigt) bereitgestellten Magnetfeld angehoben werden kann. In diesem Beispiel besteht die Expansionsflüssigkeit (25) hauptsächlich aus Toluen, und beim Ausbalanciervorgang wurde tropfenweise 1,3-Dibrompropan hinzugefügt, um die Dichte dieser Flüssigkeit auf geeignete Weise zu erhöhen.
Eine kleine Menge der Expansionsflüssigkeit (9) wurde dem Schenkel (15) des U-Rohrs (3) hinzugefügt, um so den Index (19) zu überdecken, und der Stopfen (7) wurde angebracht. Der Reservoirkolben (5) wurde angebracht, der gesamte Schenkel (13) und der Reservoirkolben (5) wurden unter Verwendung einer Spritze vollständig mit der Expansionsflüssigkeit (25) gefüllt, und der Hahn (30) wurde geschlossen.
Es versteht sich, dass diese "Testvorrichtung" zur Darlegung der Realisierbarkeit aller der hier genannten Grundsätze nützlich ist.
Die oben beschriebene "Testvorrichtung" wurde unter vollem Eintauchen in ein Wasserbad bei Temperaturen zwischen 13,0 °C und 60,0 °C getestet, und es wurde beobachtet, dass sie in angemessener Weise funktioniert.
Zusätzlich zu den zuvor genannten Merkmalen werden Magnete benutzt, um die Indizes (17, 19) in ihrer Lage zu halten, nachdem sie von der Transferflüssigkeit (9) bewegt worden sind. Die Magnete sind hinter jedem der Schenkel (13, 15) des U-Rohrs (3) angeordnet, und ihr Abstand von dem U-Rohr (3) ist angepasst, um ein korrektes Funktionieren der Indizes (17, 19) zu ermöglichen.
Der Fachmann versteht, dass im Betrieb auch eine Temperaturskala (nicht gezeigt) hinter dem U-Rohr (3) bereitgestellt wird, so dass die Maximal- und Minimaltemperaturen von den Positionen der beiden Indizes (17, 19) in dem U-Rohr (3) abgelesen werden können.
Außerdem wurde eine detailliertere "Testvorrichtung" konstruiert, die einem kommerziellen Maximum/Minimum-Thermometer ähnelt, und deren Einzelheiten nachfolgend angegeben sind:
Normales Thermometerglas wird in Stücke geeigneter Länge geschnitten.
Ein automatischer Prozess zieht das Glas und bläst wie gezeigt (2) einen Expansionshohlraum. Der Hohlraum wird offen gelassen. Ein zweiter automatischer Prozess erhitzt das gegenüberliegende Ende des Stiels, und durch Anwendung filtrierter Luft durch den Hohlraum mit offenem Ende wird der Thermometerkolben (40) ausgebildet.
Das geradlinige Thermometer wird daraufhin in einem Vakuumbefüllungsprozess mit Toluen (Expansionsflüssigkeit) (42) befüllt.
Man setzt einen Ableseindex (44) (siehe untenstehende Spezifikation) in die Thermometerbohrung und lässt ihn bis zu dem Kolben (40) absinken.
Ein automatischer Prozess treibt das überschüssige Toluen (42) aus, wobei sich der Kolben (40) über der Umgebungstemperatur befindet, erhitzt das Thermometer (46) weiter und biegt es in eine U-Form.
Die Bohrung wird daraufhin mit gefärbtem Calciumbromid (Transferflüssigkeit, siehe untenstehende Spezifikation) (48) befüllt, wobei darauf geachtet wird, das Calciumbromid auf die Oberfläche des Toluens aufzubringen.
Das U-förmige Thermometer (46) wird nun umgekehrt, wobei der Kolben (40) über der Umgebungstemperatur gehalten wird, und überschüssiges Calciumbromid (48) wird auf einen vorgegebenen Abstand von der U-Krümmung abgezogen.
Die Bohrung und der Expansionshohlraum (49) werden daraufhin von Hand mit Toluen (50) befüllt.
Ein Ableseindex (51) wird in den Hohlraum eingesetzt und auf die Calciumbromidoberfläche (52) fallen gelassen.
Das Thermometer wird dann unter die Umgebungstemperatur abgekühlt, und der Expansionshohlraum (49) (der wegen der Kontraktion der in der Bohrung benutzten Flüssigkeiten auch Luft enthält) wird zügig versiegelt. Dies ermöglicht die Kompression von Luft in dem Falle, dass das Thermometer über seine maximale Arbeitstemperatur hinaus aufgeheizt wird.
1. Spezifikation des Ableseindex

a) Formulierung Polypropylen PP BFC 1012 Nat.: 100 g Magnetit C1312B (Avocado): 36 pph Polypropylen
b) Compoundierung Die Materialien werden in einem Drehmomenthermometer 8 Minuten lang bei 180 °C compoundiert und mit einem Christy-Noris-Granulator granuliert.
c) Strangextrusion Die Herstellung des Extrudats erfolgt unter Verwendung eines Carter/Beher-Acer-2000-Kapillarrheometers, an das eine Kapillardüse von geeigneter Länge und von geeignetem Durchmesser angebracht ist, um einen Index mit angemessenen Abmessungen zu produzieren, der in die Bohrung des Thermometers passt.
d) Extrusion Das Extrudat wird unter Verwendung einer Verbundschneidewerkbank des Typs Gillard 350/30 1800 gezogen und in Stücke geeigneter Länge geschnitten.

Die einzelnen Indizes weisen Dichten von ungefähr 1,15 g/cm³ auf.
2. Spezifikation der Transferflüssigkeit
Formulierung
120 g CaBr₂·x H₂O
38 ml Grüner Farbstoff (Supercook)
62 ml H₂O
0,027 ml Tensid CF 32 (Rohn & Haas)
Dichte beträgt ungefähr 1,6 g/cm³
Das in 2 gezeigte U-Rohr wird daraufhin auf einem geeigneten Rahmen befestigt, hinter dem (an jedem Schenkel) ein entlang der Länge des Schenkels verlaufender Streifenmagnet angebracht ist. Diese Magneten halten die Ableseindizes in den Positionen von Maximal- bzw. Minimaltemperatur zurück, in welche sie die Menisken der Transferflüssigkeit angehoben haben.

Claims

Maximum/Minimum-Thermometer umfassend eine Expansionsflüssigkeit (42), welche durch Temperaturänderungen expandiert oder kontrahiert, eine Transferflüssigkeit (48), welche durch die Expansion oder Kontraktion der Expansionsflüssigkeit bewegt wird, und welche mit der Expansionsflüssigkeit im Wesentlichen nicht-mischbar ist, und zwei Indizes (44, 51), welche durch die Wirkung der Transferflüssigkeit oder der Expansionsflüssigkeit bewegt werden können, wobei die Transferflüssigkeit quecksilberfrei ist.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 1, wobei die Transferflüssigkeit eine Dichte aufweist, welche sich von der der Expansionsflüssigkeit unterscheidet.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 2, wobei die Dichte der Transferflüssigkeit grösser ist als die der Expansionsflüssigkeit.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 3, wobei die Transferflüssigkeit eine Dichte grösser als 0,87 g/cm³ aufweist.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transferflüssigkeit wenigstens zwischen – 30 °C und + 50 °C im Wesentlichen flüssig bleibt.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transferflüssigkeit desweiteren ein niedriges thermisches Expansionsvermögen; eine geringe Toxizität zeigt; und/oder farbig ist oder gefärbt werden kann.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 6, wobei die Transferflüssigkeit durch ein geeignetes Färbemittel gefärbt werden kann.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 7, wobei das Färbemittel ausgewählt ist aus Anilin Blau, Eurocert Grün S oder wasserlöslichen Salzen anorganischer Komplexionen, wie etwa das Kupfer(II)-(Tetraammoniato)-ion oder das Hexacyanatoferration.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Transferflüssigkeit ausgewählt ist aus Lösungen anorganischer oder metallorganischer Verbindungen, organischen Flüssigkeiten und ionischen Flüssigkeiten.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 9, wobei die Transferflüssigkeit eine Lösung ist, umfassend anorganische oder metallorganische Verbindungen von in den Gruppen III, IV, V, VI und VII des Periodensystems vorkommenden Elementen, oder Gemische davon.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 10, wobei die Verbindungen halogenhaltige Verbindungen sind.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 9, wobei die Transferflüssigkeit eine Lösung ist, umfassend ionische Verbindungen.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 12, wobei die Transferflüssigkeit eine Lösung ist, umfassend wenigstens ein Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalz.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 13, wobei die Lösung eine wässrige Lösung ist, in welcher das wenigstens eine Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalz gelöst ist.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 14, wobei die wässrige Lösung eine Menge des Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalzes von zwischen 80 % w/v und 400 % w/v umfasst.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 15, wobei das Erdalkali- und/oder Alkalimetallsalz ausgewählt ist aus Halogeniden, Sulfaten, Hydroxiden, Carbonaten, Chloraten, Dichromaten, Chromaten, Carboxylaten, Nitraten, Nitriten, Phosphaten, Ammoniumverbindungen oder anderen Salzen umfassend ein Erdalkali- oder Alkalimetallion und eine kationische Spezies.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 16, wobei das Erdalkali- oder Alkalimetallsalz ausgewählt ist aus CaI₂, CaBr₂, CsBr, CsF, CsOH, Cs₂SO₄, CH₃COOC₅, KF·2H₂O, HCOOK, KI, KNO₂, RbF, NaClO₄·H₂O, Na₂Cr₂O₇·2H₂O und NaI·H₂O.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Expansionsflüssigkeit einen Kohlenwasserstoff oder Gemische von Kohlenwasserstoffen umfasst.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Indizes eine kleinere Dichte als die der Transferflüssigkeit aufweisen, und an der Oberfläche der Transferflüssigkeit schwimmen können.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 19, wobei die Indizes die Form eines Rohres aufweisen, in welches ein Stück Eisendraht eingesetzt worden ist.
Maximum/Minimum-Thermometer gemäss Anspruch 19, wobei die Indizes aus einem Kunststoffmaterial konstruiert sind, in welches eine Menge Magnetpulver, wie etwa Eisenspäne, Magnetit (Fe₃O₄), Strontiumferrit, oder eine Menge anderer Magnetpulver gemischt und/oder geschmolzen worden ist.