De thermoscoop
De eerste temperatuurmetingen werden uitgevoerd
met een thermoscoop. Deze bestaat uit een kom
met vloeistof
en een glazen bol die uitmondt in een lange
glazen buis en in de vloeistof wordt gestoken.
De eerste thermoscoop is uitgevonden door
Santorio Santorio, die het gebruikte om de
temperatuur van een mens te meten. Deze nam het
bolletje wat aan het einde van de thermoscoop
zat in zijn mond of klemde het in de hand.
Het duurde soms wel 25 minuten voordat de
temperatuur kon worden afgelezen.
In 1610 maakte ook Galileo Galilei zo een
instrument. Vóór de meting wordt wat lucht uit
de bol gezogen. Vervolgens wordt de bol
omgekeerd met het uiteinde van de buis in de
vloeistof gestoken. De onderdruk zuigt de
vloeistof omhoog
de buis in. Als de lucht in de glazen bol wordt
verwarmd, zal het niveau van de vloeistofkolom
in de buis dalen, omdat
de hogere luchtdruk de vloeistof terugduwt.
Het omgekeerde gebeurt
met afkoelen. Met een op de buis aangebrachte
schaalverdeling kan de thermoscoop worden
afgelezen.
De eerste thermoscopen waren onnauwkeurig en er
ontbrak een echte ijking.
Rond 1630 wordt de vloeistofthermometer
uitgevonden door de Franse arts Jean Rey.
Daarmee worden veranderingen van de temperatuur
aangegeven door middel van de thermische
uitzetting van de vloeistof.
Vloeistof thermometer
De vloeistof
thermometer
Daniel Gabriel Fahrenheit vervolmaakt de
thermometer. In 1709 maakt hij een
vloeistofthermometer op basis van alcohol. In
1724 gebruikte hij voor het eerst kwik. Het
voordeel van kwik is dat de thermische
uitzettingscoëfficiënt groot is en bovendien
vrijwel constant over een groot
temperatuurbereik. Een kwikkolom is ook
makkelijk af te lezen. Kwik blijft niet aan de
glaswand hangen en heeft een groot
temperatuurbereik. Kwik bevriest bij -38,9 °C en
kookt pas bij 356,9 °C.
De kwikthermometer heeft daarom voor dagelijks
gebruik ruim voldoende bereik.
Fahrenheit koos als laagste temperatuur de
temperatuur van een mengsel van ijs, water en
keukenzout. Dit was de laagste temperatuur die
destijds bereikbaar was. Het smeltpunt van ijs
is het tweede vaste punt, dat zet hij op 32
graden Fahrenheit. Het derde 'ijkpunt' is de
lichaamstemperatuur, voor Fahrenheit 96 graden.
Met deze ijking meet hij het kookpunt van water
als 212 graden Fahrenheit.
De hoogste temperatuur die met een
vloeistofthermometer kan worden gemeten wordt
beperkt door de dampspanning van de vloeistof en
de sterkte van de glazen buis waarin deze is
opgesloten.
In de praktijk betekent dit dat een
kwikthermometer niet veel hoger dan 350°C (het
kookpunt van kwik) kan komen.
Voor veel organische vloeistoffen geldt dat deze
bij dat soort temperaturen niet stabiel zijn,
dus deze grens zal ook
daar niet worden overschreden.
De laagste temperatuur
die met een vloeistofthermometer kan worden
gemeten wordt beperkt door het smeltpunt.
Voor kwik is dat -39°C, met alcohol kan -114°C
worden bereikt.
Spelend met materialen kunnen heel vreemde
vloeistofthermometers worden gemaakt: als men
een vloeistof met een lage
uitzettingscoëfficiënt insluit in een buis met
een hoge uitzettingscoëfficiënt, kan men hiermee
zelfs een thermometer maken waarvan de
vloeistofkolom daalt als de temperatuur stijgt.
Schaalverdeling thermometers:
De schaalverdeling voor thermometers is lang een
discussiepunt geweest. Nog steeds (2003) worden
er verschillende schaalverdelingen gebruikt:
Kelvin
De in het SI-systeem vastgestelde eenheid voor
temperatuur. Het laagst mogelijke waarde heeft
in deze schaal de waarde 0.
Smeltend ijs heeft een temperatuur van ongeveer
273,15 K (de exacte waarde is afhankelijk van de
luchtdruk),
het tripelpunt van water 273,16 K (per
definitie).
Celsius
Door de Zweedse astronoom Anders Celsius in 1742
gedefinieerd: 0 graden is de temperatuur van
smeltend ijs,
100 graden de temperatuur van kokend water.
Fahrenheit
Gebaseerd op de minimumtemperatuur die in het
laboratorium kon worden geproduceerd (in de tijd
van Fahrenheit, met een mengsel van ijs, water
en zout), deze werd gesteld op 0, en de
maximumtemperatuur op aarde van ongeveer 40 °C,
die op 100 werd gesteld. De schaal wordt nog
steeds veel gebruikt in Engelstalige landen.
Réaumur
Deze loopt van 0 (smeltend ijs) tot 80 (kokend
water).
Rankine
De laagst mogelijke waarde is 0, het vriespunt
van water is 491,7. Dit staat tot de
Fahrenheitschaal als Kelvin staat tot Celsius.
Soorten
Thermometers
Kwikthermometer
Dit is een thermometer waarvan de uitlezing
geschiedt met een kwikkolom.
De Duitse natuurkundige Gabriel Fahrenheit heeft
als eerste een goed bruikbare thermometer
ontworpen. Vroegere thermometers maakten gebruik
van de uitzetting van lucht of van alcohol. Ook
Fahrenheit maakte in eerste instantie gebruik
van alcohol die hij in een smalle glazen buis
liet lopen naar een reservoir.
Bij verwarming zette de alcohol uit en liep
vanuit het reservoir de buis in. Via een
schaalverdeling kon de temperatuur worden
afgelezen. Deze schaalverdeling liep vanaf de
toen laagst bereikbare temperatuur die hij de
waarde "0" gaf. Zijn tweede ijkpunt was de
temperatuur van het menselijk lichaam die hij in
eerste instantie
Kwik thermometer
Opmerkelijk de waarde van 12 gaf. Al snel
verving hij de alcohol door kwik, waardoor
hogere temperaturen konden worden gemeten.
Kwikthermometers worden wegens de breekbaarheid
van de glazen buis en reservoir met kwik niet of
nauwelijks meer toegepast.
Bij breuk komt metallisch kwik in het milieu
vrij dat vervolgens sublimeert en als kwikdamp
gezondheidsrisico's geeft.
Werking bimetaal. Links koude toestand,
rechts warm. In onderste tekeningen zijn
beide strips vastgeklonken.
Bimetaal
thermometer
Bimetaal bestaat uit twee verschillende op
elkaar gewalste stukken metaal (vaak Invar en
RVS). Deze twee materialen hebben verschillende
uitzettingscoëfficiënten, waardoor het bimetaal
bij temperatuursverandering zal gaan buigen: het
ene gedeelte zet immers sterker uit dan het
andere.
Met bimetaal kunnen ook temperatuurgevoelige
schakelaars worden gemaakt. Bimetaalschakelaars
worden onder andere toegepast in
thermostaatschakelaars om de bij een voor
ingestelde temperatuur te schakelen. Bijv.
kastverwarming om de temperatuur in de kast
constant te houden.
Weerstandsthermometer
Metaalweerstanden bezitten een kleine positive
temperatuurcoefficient. Voor een
metaalweerstandtemperatuurmeter wordt vaak
gebruik gemaakt van platina. Bekend is de zgn.
Pt100 temperatuuropnemer. De weerstand bedraagt
100 bij 00 C. Een dergelijke
meter is te gebruiken over een tamelijk groot
temperatuurgebied (-200 tot 8500 C) Helaas is de
Pt100 niet over het gehele meetgebied lineair
zodat lineairisering nodig is.
Weerstandstemperatuurmeters kunnen bijv. worden
gebruiktom de temperatuur van een
airco-installatie te meten.
PT-100 sensor
NTC weerstanden
KTY-10
Een NTC-weerstand is een
weerstand met een negatieve
temperatuurcoëfficiënt. Dit betekent dat de
elektrische weerstand afneemt als de temperatuur
toeneemt. Het verband tussen weerstand en
temperatuur is. Een nadeel van een NTC weerstand
is naarmate het component meer elektrisch
vermogen opneemt, zal de temperatuur hoger zijn
dan de omgevingstemperatuur. Hierdoor is een NTC
niet geschikt om te worden gebruikt voor
meteorologische waarneming.
Een andere type sensor
(KTY-10) is de halfgeleider weerstand. Dit is
een temperatuur afhankelijke weerstand met een
postive temperatuur coefficient. De sensor heeft
een weerstand van 2000 Ohm en heeft een
meetbereik van -50 tot +150° met een
nauwkeurigheid van 1%.
Dit type is een goedkope sensor die goed te
gebruiken is voor meteorologische waarnemeningen.
Electronische
thermometer sensoren
Sinds er temperatuur wordt gemeten is men op
zoek naar sensoren die ook eenvoudig uit te
lezen zijn met een digitale meter of met een
interface zodat deze op een computer is aan te
sluiten.
Een paar voorbeelden zijn:
- LM35: temperatuurbereik van -40 tot +110°C,
Uitlezing 0,1V per graad °C.
- DS18S20: temperatuurbereik van -55 tot +125°C,
Uitlezing via een 1-draads interface.
DS18D20 en DS18S20
Infrarood
tempertuurmeter
Infraroodmeters
(stralingstemperatuurmeters of pyrometers)
Alle voorwerpen boven het absolute nulpunt
stralen infrarode energie uit.
Infraroodmeters meten de hoeveelheid
uitgestraalde energie als een maat voor de
temperatuur.
De infraroodmeter registreert met behulp van een
lens het temperaturverschil tussen het voorwerp
en de meter. Als voordeel geldt dat contactloos
gemeten kan worden zodat ook temperaturen van
draaiende of moeilijk bereikbare voorwerpen
kunnen worden gemeten. Als nadeel kan worden
genoemd dat reflectie van glimmende voorwerpen
de nauwkeurigheid nadelig beinvloedt en dat
alleen oppervlakte-temperatuur kan worden
gemeten.
Infraroodmeters zijn geschikt voor een
temperatuurbereik tussen de -40 en +25000 C.
Hun nauwkeurigheid is +/- 10 C.
Gasthermometers.
Deze werken op grond van de
variaties van druk als het gas wordt verwarmd of
afgekoeld. Als regel wordt waterstof, helium of
stikstof gebruikt. Dit zijn de nauwkeurigste en
gevoeligste thermometers, maar ze zijn moeilijk
in het gebruik
Thermokoppel. Deze bestaat uit twee draden van
verschillend metaal. Op het contactpunt ontstaat
een elektrische spanning die afhankelijk is van
de temperatuur
