معرفی انواع ترمومتر ها – قسمت اول

در مقاله‌ی “ترمومتر چیست و به چه منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد؟” سعی کردیم تا کاربرد ترمومتر را شرح دهیم و نگاه مختصری به روند اختراع و تکامل آن داشته باشیم. در این مقاله اما قصد داریم تا شما را با انواع ترمومترها آشنا کرده و نحوه‌ی عملکرد ترمومتر مایع در شیشه، ترمومتر جیوه‌ای، ترمومتر الکلی، ترمومتر سیکس و ترمومتر کریستال مایع را به صورت خلاصه شرح دهیم.

انواع ترمومتر (دماسنج)

دماسنج ها در انواع و سایزهای مختلفی طراحی و ساخته می‌شوند که برخی از آن‌ها عبارتند از:

1. ترمومتر مایع در شیشه
2. ترمومتر ماکزیمم مینیمم (ترمومتر سیکس^[1])
3. دما نگار
4. ترمومتر کریستال مایع
5. ترمومتر گوشت
6. ترمومتر شیرینی
7. ترمومتر مادون قرمز
8. ترمومتر مقاومت الکتریکی
9. ترمومتر گالیله
10. ترمومتر معکوس

ترمومتر مایع در شیشه

این دماسنج یک لوله بسیار باریک شیشه‌ای مسدود است که در انتهای آن محفظه‌ای تعبیه و از مایع پُر شده است. گرم و سرد شدن مخزن، باعث گرم و سرد شدن مایع درون مخزن شده و متعاقب آن باعث بالا و پایین رفتن مایع در داخل لوله موئین می‌شود، با مشاهده سطح مایع و قرائت عددی که روی بدنه شیشه نوشته شده است، دما مشخص می‌شود.

حباب^[2]، معمولاً یک محفظه شیشه‌ای با دیواری نازک است که به‌عنوان مخزن مایع استفاده می‌شود. ساقه^[3] یک لوله شیشه‌ای است که حاوی سوراخی مویرگی برای مایع است که مایع درون آن بالا و پایین می‌رود. درجه‌بندی^[4]، یک سری خطوط جهت خواندن دما هستند. خط غوطه‌وری^[5] هم بیانگر عمق مناسب جهت غوطه‌وری ترمومتر است. یک ترمومتر دقیق دارای محفظه انقباض و انبساط نیز می‌باشد. این محفظه‌ها در امتداد لوله موئین هستند. محفظه انقباض بین درجه‌بندی و حباب قرار دارد. این محفظه ظرفیت لوله موئین را افزایش داده و از منقبض‌شدن تمام مایع درون حباب در دماهای پایین جلوگیری می‌کند. محفظه انبساط بالای درجه‌بندی قرار دارد و هدف آن جمع‌آوری مایع در دماهای بیشتر از درجه‌بندی است. بنابراین محفظه انبساط از شکستن دماسنج در دماهای بالا جلو‌گیری می‌کند.

باید توجه داشت که هیچکدام از این محفظه‌ها، در دماهای خیلی بالاتر یا خیلی پایین‌تر از دامنه کاربرد ترمومتر ، موثر نیستند. عملکرد یک ترمومتر مایع در شیشه، به اختلاف بین ضریب انبساط حرارتی شیشه و مایع بستگی دارد. مایع معمولا جیوه است که ضریب انبساط حجمی آن تقریبا 8 برابر شیشه است.

برای یک تغییر دمای مشخص، تغییر ارتفاع ستون مایع، وابسته است به سطح مقطع عرضی لوله موئین. بنابراین با کوچکتر نمودن این سطح مقطع، می‌توان ترمومتر دقیق‌تری ساخت.

ترمومترهای مایع در شیشه، ترمومترهایی پایدار و دقیق‌بوده و خواندن آن‌ها آسان است. بنابراین از این ترمومترها در آزمایشگاه‌ها برای کنترل دمای حمام‌ها و کالیبراسیون سنسورهای حرارتی دیگر استفاده می‌کنند.

 ترمومترهای جیوه‌ای

اگر مایع درون ترمومتر جیوه باشد، به آن ترمومتر جیوه‌ای می‌گویند. فضای بالای جیوه می‌تواند خلاء بوده یا اینکه توسط نیتروژن پُر شود.

مشخصات جیوه

1. نقطه جوش بالایی دارد (حدود Cء°356/73). بنابراین می‌توان برای سنجش دماهای بالا تا Cء°357 از آن استفاده نمود.
2. دمای انجماد جیوه Cء°38/83- است. بنابراین برای ثبت دماهای پایین و البته نه خیلی پایین مناسب است.
3. غیرشفاف و با درخشش نقره‌ای می‌باشد. بنابراین به‌طور واضح درون لوله موئین دماسنج قابل مشاهده است.
4. برای انبساط به حرارت خیلی کمی نیاز دارد. بنابراین به راحتی می‌توان دمای جسم را اندازه گرفت بدون آن‌که سبب کاهش دمای آن جسم شود.
5. به اطرف لوله موئین داخل ترمومتر نمی‌چسبد. بنابراین امکان اندازه‌گیری دقیق دما را به ما می‌دهد.
6. انتقال‌دهنده‌ی خوب حرارت است.
7. به‌طور نسبی گران است.

امروزه ترمومترهای جیوه‌ای، به صورت گسترده در هواشناسی استفاده می‌شوند. هر چند در سایر زمینه‌ها به‌طور چشمگیری در حال کنار گذاشته شدن هستند. در بسیاری از کشورها، این ترمومترها را از سیستم پزشکی خارج نموده‌اند. بعضی از کارخانه‌ها از آلیاژ گالیم، ایندیم و قلع به عنوان جایگزین جیوه استفاده می‌کنند.

در ایالات‌متحده توصیه می‌شود که در منزل، از ترمومترهای جیوه‌ای استفاده نشود‌.

در ترمومتر های جیوه‌ای، عموما رنگ شیشه‌ها به صورت زرد انتخاب می‌شود تا بتوان قرائت دقیقی در قیاس با شیشه با زمینه‌ی سفید داشت.

اگر یک ترمومتر جیوه‌ای بشکند چه باید کرد؟

1. افراد غیرضروری را از محیط خارج نموده و هوا را تهویه نمائید.
2. لباس محافظ مناسب بپوشید.
3. روی قطرات جیوه راه نروید.
4. بدون دستکش به جیوه دست نزنید. (از دستکش لاتکس استفاده نمایید.)
5. قطرات از هم جدا شده جیوه را جمع نمایید. برای این کار از وسیله مناسب مثل پی‌پت مکنده یا قاشق استفاده نمائید.
6. از بُرس یا جارو برای تمیز نمودن قطرات جیوه استفاده نکنید زیرا اینکار سبب می‌شود که قطرات جیوه از هم جدا شده و ریزتر شوند.
7. برای تمییز نمودن قطرات از جارو برقی استفاده نکنید زیرا این کار سبب افزایش بخار جیوه در هوا می‌شود که خطرناک است.
8. لباس آلوده به جیوه را در ماشین لباسشویی نشویید. ممکن است آلودگی درون ماشین لباسشویی پخش شده و آب آن را آلوده کند.
9. اطراف لباس‌ها و کفش‌های آلوده راه نروید.
10. جیوه یک زباله خطرناک است. آن را درون سطل زباله نریزید.
11. پس از جمع‌نمودن قطرات جیوه، باید آن را درون یک ظرف با آب‌بندی مناسب قرار دهید.

ترمومتر  ماکزیمم: نوع خاصی از ترمومتر جیوه‌ای

 یک نوع خاص از ترمومترهای جیوه‌ای، ترمومتر ماکزیمم است. اغلب نیاز است علاوه‌بر دمای معمولی هوا، حداکثر دمایی که در طول یک دوره معین مثلا یک شبانه روز اتفاق افتاده است نیز اندازه‌گیری و تثبیت شود. برای این منظور، از دماسنج ماکزیمم استفاده می‌شود. در این نوع دماسنج، لوله مویین آن در محلی که به مخزن منتهی می‌شود، بسیار باریک شده است. هنگامی که دما زیاد می‌شود، جیوه داخل مخزن منبسط شده و نیروی حاصل می‌تواند باعث راندن جیوه از داخل مجرای باریک بالای مخزن به قسمت بالای لوله گردد و به این ترتیب ارتفاع جیوه در داخل مخزن بالا می‌رود. با کاهش دما، مایع داخل مخزن منقبض می‌شود ولی باریک‌بودن لوله از برگشت مایع به داخل مخزن جلوگیری می‌کند و سطح مایع در داخل لوله در محلی که بالاترین دمای قبلی اتفاق افتاده است، باقی می‌ماند بنابراین سطح فوقانی جیوه، نشان‌دهنده حداکثر دمای اتفاق افتاده است.

ترمومتر  الکلی

 کارکرد این ترمومتر، شبیه دماسنج جیوه‌ای است با این تفاوت که در داخل آن به جای جیوه، الکل قرار دارد. فضای بالای ستون مایع، مخلوطی است از نیتروژن و بخار مایع.

بر مبنای دمای کارکرد، می‎توان این ترمومترها را با اتانول خالص، تولوئن، کروزن و یا ایزو-آمیل استات پُر نمود. چون این مایعات شفاف هستند، با اضافه‌نمودن رنگینه‌های قرمز یا آبی، آن را قابل خواندن می‌کنند. برای راحت‌تر خواندن مقیاس، پشت ستون موئین را با رنگ سفید یا زرد می‌پوشانند. از مایعات آلی در ترمومترهای ارزان قیمت یا در جایی که آزاد شدن جیوه غیرقابل قبول است، استفاده می‌کنند. دمای قابل استفاده این ترمومتر ها، به دمای انجماد و جوش مایع به کار رفته بستگی دارد.

چنانچه دماسنج الکلی شکست و مایع آن با چشمانتان برخورد کرد، چشمان خود را با آب کاملا بشویید و اگر همچنان احساس ناراحتی می‌کردید، به پزشک مراجعه کنید. در صورت استنشاق و یا قورت‌دادن مایع بدانید که تاثیرات آن در دمای محیط قابل چشم‌پوشی است. گرچه در دمای بالا، بخار حاصل از آن ممکن است غشای مخاطی را تحریک کند. در این شرایط سعی کنید تا هوای موجود در آن محدوده را تخلیه نمایید و از استنشاق آن خودداری نمایید.

مشخصات اتیل الکل (اتانول)

1. نقطه انجماد پایینی دارد (Cء°114/3-). بنابراین برای دماسنج ‌هایی که دمای خیلی پایین را می‌سنجند، مناسب است.
2. نقطه‌جوش پایینی دارد (Cء°78/4). بنابراین برای سنجش دماهای بالا نمی‌توان از آن استفاده نمود.
3. می‌توان به الکل رنگ اضافه نمود و آن را به‌طور واضح درون شیشه قابل رویت ساخت.
4. الکل بیشتر از جیوه منبسط می‌شود.
5. ارزان است.
6. شیشه را مرطوب می‌کند.
7. انتقال‌دهنده حرارت خوبی نیست.

ترمومتر سیکس ‌(ترمومتر ماکزیمم، مینیمم)

ترمومتر ماکزیمم، مینیمم توسط جیمز سیکس در سال 1782 اختراع شد. این ترمومتر در طول یک بازه زمانی، حداکثر و حداقل دما را نشان می‌دهد. این دماسنج از یک لوله شیشه‌ای U شکل و دو درجه‌بندی مجزای دما تشکیل شده است. یکی از این درجه‌بندی‌ها برای دمای ماکزیمم و یکی برای دمای مینیمم است. دو انتهای لوله U مسدود و دارای حباب می‌باشد. قسمت پایینی لوله U شکل با جیوه پُر شده است. حبابی که بالای ستون مینیمم قرار دارد، به‌طور کامل از الکل پُر شده است اما حبابی که بالای ستون ماکزیمم قرار دارد، حاوی الکل، بخار الکل با فشار کم یا یک نوع گاز می‌باشد. در هر ستون و در داخل الکل، شاخصی رنگی که یک سوزن در وسط آن تعبیه شده است، وجود دارد. در هر لحظه، موقعیت جیوه باید به گونه‌ای باشد که مقدار دمای خوانده شده در ستون ماکزیمم و مینیمم یکسان باشد. در غیر این‌صورت وسیله به درستی درجه‌بندی نشده است.

جیوه با فشار انبساطی یا انقباضی الکل، در لوله U شکل جابه‌جا می‌شود. در واقع این الکل است که دما را می‌سنجد و جیوه این دما را در دو ستون نشان می‌دهد. وقتی‌که جیوه حرکت می‌کند، شاخص‌های موجود در ستون ماکزیمم و مینیمم را حرکت می‌دهد. این شاخص‌ها، دورترین نقطه‌ای را که جیوه در هر ستون به آن رسیده است، ثبت می‌کنند. وقتی‌که دما برعکس می‌شود و جیوه در اثر انقباض یا انبساط الکل در جهت مخالف حرکت می‌کند، شاخص‌ها در محل قبلی خود (دورترین محلی که به وسیله جیوه هُل داده شده‌اند) باقی می‌مانند. بنابراین آن‌ها ماکزیمم و مینیمم دما را از لحظه‌ای که برای آخرین بار تنظیم (ریست) شده‌اند، نشان می‌دهند.

در بعضی از مدل‌ها، با کمک آهنربا، این شاخص‌ها را صفر می‌کنند (یعنی انتهای شاخص روی سطح جیوه قرار می‌گیرد). در بعضی از مدل‌ها، دکمه‌ای روی ترمومتر تعبیه شده که با فشردن آن، شاخص‌ها مجددا تنظیم (ریست) می‌شوند. در بعضی از طراحی‌ها، در حالت عادی تیوپ U به صورت افقی است و برای ریست نمودن شاخص، باید آن را به صورت عمودی نگه‌داشت تا بر اثر نیروی جاذبه، شاخص‌ها روی سطح جیوه قرار بگیرند.

توجه به این نکته لازم است که مایع ترمومتری، الکل است و جیوه تنها نقش نشان‌دهنده را بازی می‌کند.

ترمومتر کریستال مایع

ترمومترهای کریستال مایع، دما را به‌صورت رنگ به تصویر می‌کشند و می‌توان از آن‌ها برای تعقیب تغییرات دما در اثر جریان گرمایی استفاده نمود. از آن‌ها می‌توان برای مشاهده جریان گرمایی به صورت رسانایی، همرفتی یا تابشی استفاده نمود.

دماسنج های کریستال مایع یکبار مصرف، برای مصارف خانگی و پزشکی توسعه یافته‌اند. با قراردادن آن‌ها بر پیشانی می‌توان دمای بدن را اندازه گرفت. ترمومتر های کریستال مایع ایمن‌تر از ترمومتر های جیوه‌ای هستند اما همیشه جواب دقیقی نمی‌دهند (به خصوص انواع کوچکتر آن).

واژه‌نامه: