Thermometers

Dial thermometers

Niet alle thermometers werken echter op deze manier. De thermometer op onze bovenste foto heeft een metalen wijzer die op en neer beweegt op een cirkelvormige schaal. Als u zo’n thermometer openmaakt, zult u zien dat de wijzer is gemonteerd op een opgerold stuk metaal, een bimetaalstrip, die zo is ontworpen dat hij uitzet en buigt als hij warmer wordt (zie ons artikel over thermostaten om te zien hoe dat werkt). Hoe warmer de temperatuur, hoe meer de bimetaalstrip uitzet, en hoe meer hij de wijzer omhoog duwt.

Artwork: Hoe een wijzerplaatthermometer werkt: Dit is het mechanisme dat een typische wijzerthermometer aandrijft, geïllustreerd in een octrooi van Charles W. Putnam uit 1905. Bovenaan zien we de gebruikelijke opstelling van wijzer en wijzerplaat. De onderste afbeelding laat zien wat er achterin gebeurt. Een bimetaalstrip (geel) is strak opgerold en zowel aan het frame van de thermometer als aan de wijzer bevestigd. De strip bestaat uit twee verschillende metalen die aan elkaar zijn gelijmd en die verschillend uitzetten naarmate ze warmer worden. Naarmate de temperatuur verandert, kromt de bimetalen strip zich meer of minder strak (krimpt of zet uit) en de wijzer, die eraan vastzit, beweegt op de schaalverdeling omhoog of omlaag. Artwork from US Patent 798,211: Thermometer courtesy of US Patent and Trademark Office.

Photo: Hier ziet u de opgerolde bimetalen strip van een echte wijzerthermometer (de vriezerthermometer op onze bovenste foto). Het is gemakkelijk te zien hoe het werkt: als u de wijzer met uw hand in de richting van koudere temperaturen draait, wordt de opgerolde strip strakker; draait u de wijzer de andere kant op, dan wordt de strip losser.

Elektronische thermometers

Eén probleem met kwik- en wijzerthermometers is dat het even duurt voordat ze op temperatuurveranderingen reageren. Elektronische thermometers hebben dat probleem niet: u drukt de thermometersonde gewoon op het voorwerp waarvan u de temperatuur wilt meten en het digitale display geeft u (bijna) onmiddellijk de temperatuur weer.

Photo: Elektronische medische thermometer uit 2010. Je steekt de metalen sonde in je mond, of ergens anders op je lichaam, en leest de temperatuur af op het LCD-scherm.

Elektronische thermometers werken op een heel andere manier dan mechanische die gebruikmaken van kwikdraadjes of ronddraaiende wijzers. Ze zijn gebaseerd op het idee dat de weerstand van een stuk metaal (het gemak waarmee elektriciteit erdoorheen stroomt) verandert als de temperatuur verandert. Naarmate metalen heter worden, gaan atomen binnenin het metaal meer trillen, waardoor elektriciteit moeilijker kan stromen en de weerstand toeneemt; naarmate metalen afkoelen, gaan de elektronen vrijer bewegen en daalt de weerstand. (Bij temperaturen die dicht bij het absolute nulpunt liggen, de theoretisch laagst mogelijke temperatuur van -273,15°C of -459,67°F, verdwijnt de weerstand volledig in een verschijnsel dat supergeleiding wordt genoemd.)

Een elektronische thermometer werkt door een spanning op zijn metalen sonde te zetten en te meten hoeveel stroom er doorheen loopt. Als je de sonde in kokend water legt, zorgt de hitte van het water ervoor dat de elektriciteit minder gemakkelijk door de sonde stroomt, zodat de weerstand met een nauwkeurig meetbare hoeveelheid stijgt. Een microchip in de thermometer meet de weerstand en zet deze om in een meting van de temperatuur.

Foto: Elektrische weerstandsthermometer uit 1912: Dit voorbeeld van een weerstandsthermometer van het brugtype werd gebouwd door Leeds en Northrup en gebruikt voor temperatuurmetingen bij het US National Bureau of Standards (nu NIST) in het begin van de 20e eeuw. Ondanks zijn lompe en onhandige uiterlijk is hij nauwkeurig tot op 0,0001 graden.Foto met dank aan National Institute of Standards and Technology Digital Collections, Gaithersburg, MD 20899.

Het grote voordeel van thermometers als deze is dat ze een onmiddellijke meting kunnen geven in elke temperatuurschaal die je maar wilt -elsius, Fahrenheit, of wat het dan ook is. Maar een van hun nadelen is dat ze de temperatuur van moment tot moment meten, zodat de getallen die ze aangeven nogal kunnen schommelen, wat het soms moeilijk maakt om een nauwkeurige meting te doen.

Nauwkeurige elektrische thermometers, bekend als weerstandsthermometers, gebruiken vier weerstanden die in een ruitvormig circuit zijn gerangschikt, een zogenaamde Wheatstone-brug. Als van drie van de weerstanden de waarde bekend is, is de weerstand van de vierde weerstand eenvoudig te berekenen. Als de vierde weerstand is ontworpen in de vorm van een temperatuursonde, kan zo’n schakeling worden gebruikt als een zeer nauwkeurige thermometer: door de weerstand te berekenen (uit de spanning en de stroom) kan de temperatuur worden berekend.

Extreme temperaturen meten

Als u iets wilt meten dat te heet of te koud is voor een conventionele thermometer, hebt u een thermokoppel nodig: een vernuftig apparaatje dat de temperatuur meet door elektriciteit te meten. En als je niet dichtbij genoeg kunt komen om zelfs een thermokoppel te gebruiken, kun je een pyrometer proberen, een soort thermometer die de temperatuur van een voorwerp afleidt uit de elektromagnetische straling die het afgeeft.