Naukowiec Amator - Precyzyjny Termometr Własnej Roboty

Świat Nauki 05/1999

Jak zbudować własny precyzyjny termometrt? Po co? Coćby do pomiaru Punktu Potrójnego Wody lub bezpiecznego testowania zjawiska Leidenfrosta (ołów rozgrzany powyżej 300°C nie powoduje nawet najmniejszych oparzeń ręki; przykład tutaj). Zresztą każdy naukowiec amator znajdzie dla niego zastosowanie.
Polecam.
Citronian-Man 
----------------------------------------------------------------
      W poprzednim miesiącu opisywałem, jak zbudować wzorzec punktu potrójnego wody odtwarzający unikalną temperaturę 0.01 °C, w której woda istnieje w równowadze jednocześnie w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Wzorzec może być stosowany do kalibrowania najnowocześniejszych termometrów, niewielu jednak amatorów będzie na nie stać, ponieważ kosztują tysiące dolarów.

Na szczęście George Schmermund, pomysłowy wynalazca z Vista (Kalifornia), ten sam, który opracował wzorzec punktu potrójnego, zaprojektował również mierzący temperaturę z dokładnością do tysięcznych stopnia Celsjusza termometr. Co więcej, termometr ten daje się zbudować za niecałe 100 dolarów. Schmermund zastosował w nim tzw. rezystancyjny czujnik temperatury RTD, w którego działaniu wykorzystuje się fakt, że oporność platyny zmienia się z temperaturą w dokładnie znany sposób. Zmiana temperatury o jeden stopień wywołuje typowo zmianę rezystancji o 0.00385 Q na każdy om. Jeśli na przykład opór twojego RTD wynosi 100 Q, zmiana temperatury o jeden stopień zmieni jego opór o 0.385 Q. Znając więc rezystancję próbnika w określonej temperaturze, powiedzmy, w punkcie potrójnym wody, możesz dla dowolnej rezystancji znaleźć odpowiadającą jej temperaturę.

Ryc1

Po lewej:

PRECYZYJNE POMIARY TEMPERATURY z dokładnością do tysięcznych stopnia można wykonać za pomocą termometru wykorzystującego rezystancyjny czujnik temperatury, którego zasada działania opiera się na zmianie rezystancji platyny wraz z temperaturą. Zależność jest liniowa - opisana wzorem po lewej, gdzie alfa wynosi typowo 0.00385, a R_tp jest rezystancją sensora w 0.01°C, czyli potrójnym punkcie wody. Rezystancję czujnika mierzy cyfrowy multimetr.

W przeszłości oporowe czujniki temperatury wykonywano z drutu. Musiał on być wystarczająco gruby, aby wytrzymać proces produkcji; drut o większej średnicy ma mniejszą rezystancję niż cieńszy z tego samego materiału, temperatura pracy była więc ograniczona do mniej więcej 100 Q. Ostatnio jednak pojawiła się nowa generacja rezystancyjnych czujników temperatur - powstają przez nałożenie ultracienkiej powłoki platynowej na ceramiczne podłoże. Rezystancja niektórych z nich sięga 2000 Q. Bogaty wybór tych cudów techniki znajdziesz w katalogu Omega Engineering ze Stanford (Connecticut) (www.omega.com; 800-826-6342). Do projektu potrzebujesz modelu takiego jak F3141 - mały, nie obudowany 1000-omowy przyrząd.

Dzięki tym nowym oporowym czujnikom temperatury możesz dokonać w swoim domowym laboratorium na- prawdę dokładnych pomiarów. Stosując wysokiej jakości podręczny multimetr, który mierzy rezystancje wynoszące 1000 Q z dokładnością do 0.02 Q, amatorzy potrafią teraz określić temperaturę z dokładnością do 0.005°C - dwudziestokrotnie dokładniej niż za pomocą termometru cieczowego i dziesięciokrotnie precyzyjniej niż z użyciem termopary.

A możesz osiągnąć nawet lepsze rezultaty. W praktyce czułość czujnika rezystancyjnego temperatury jest ograniczona dokładnością pomiaru rezystancji, określanej na podstawie pomiaru spadku napięcia odpowiadającego określonemu natężeniu prądu. W przypadku typowego cyfrowego multimetru przewody do prowadzające są częścią obwodu, a więc ich rezystancja ma wpływ na wyniki Wyeliminujesz ten błąd, jeśli zmierzysz spadek napięcia bezpośrednio na rezystorze, korzystając z osobnego zestawu przewodów. Instrumenty takie, zwane omomierzami czteroprzewodowymi, mają osobne wejścia do pomiaru natężenia prądu źródła i napięcia.

Po lewej:

PRZYRZĄD składa się rezystancyjnego czujnika temperatury RTD połączonego z dwoma zgiętymi na pół drutami przewleczonymi przez szklane kapilary.

Zgrabny HP 34401A (wart około 1000 dolarów multimetr Hewletta-Packarda) wykorzystujący czteroprzewodową metodę pomiaru mierzy rezystancje wielkości 1000 Q z dokładnością 0.001 Q; najdoskonalsze natomiast instrumenty tego typu, kosztujące 30 tys. dolarów, osiągają dokładność do dziesięciu milionowych stopnia i są używane przez profesjonalistów. Wykorzystujący rezystancyjny czujnik temperatury termometr w konfiguracji czteroprzewodowej jest nazywany standardowym platynowym termometrem rezystancyjnym.

Do realizacji projektu Schmermunda będziesz potrzebował probówki ze szkła żaroodpornego długości 30 cm i o średnicy 8 mm. Na jednym końcu musisz ukształtować pojemnik długości 5 cm na czujnik rezystancyjny.

Do czujnika przymocuj przewody. Jeśli użyjesz lutu lub przewodów w koszulkach z tworzywa sztucznego, zdołasz zmierzyć temperatury poniżej punktu topnienia tych materiałów. W wielu zastosowaniach nie stanowi to problemu. Aby jednak uzyskać maksymalny zakres temperatur, Schmermund przyspawał czujnik do gołych przewodów niklowych o średnicy 0.25 mm, które następnie zaizolował, umieszczając w cienkich rurkach ze szkła żaroodpornego. Rurki te, długości 46 cm, zamówił u szklarza, można jednak w tym celu posłużyć się kapilarami dostępnymi w każdym sklepie z pomocami naukowymi - nawlecz je na druty jak paciorki naszyjnika.

Gdy termometr ma być używany z czteroprzewodowym omomierzem, Schmermund łączy cztery z tych długich rurek i delikatnie owija je na jednym końcu taśmą. Następnie zgina dwa metrowe odcinki drutu na pół i przewleka każdą połówkę przez rurkę, zaczynając od końca nie owiniętego taśmą. Teraz punktowo spawa czujnik do zagięć pary drutów. (Uwaga: jeśli nie zamierzasz stosować czteroprzewodowej metody pomiarów, po prostu przyłącz po jednym drucie do każdej z końcówek czujnika.)

Ryc4

Po lewej:

PLASTIKOWY POJEMNIK chroni listwę zaciskową, która łączy termometr z kablem prowadzącym do cyfrowego multimetru.

Aby zabezpieczyć wnętrze urządzenia i skutecznie zapobiec tworzeniu się prądów konwekcyjnych, Schmermund wypełnia urządzenie malutkimi szklanymi koralikami, z których każdy ma zaledwie 25 pm średnicy. Są drogie, a w dodatku dostępne tylko w sklepie z pomocami naukowymi. Na szczęście na nasze potrzeby wystarczy bardzo drobny piasek, którego kilkukilogramowy worek możesz kupić za niewielkie pieniądze.

Ponieważ wilgoć, jeśli dostanie się do termometru, będzie wpływać na wskazania, przed zmontowaniem urządzenia musisz usunąć wszelkie ślady wody zarówno z wypełniacza, jak i ze szklą. Wypraż wszystko łącznie z czujnikiem w 120°C - niech to trwa mniej więcej dwie godziny.

Następną czynność musisz wykonać, gdy wszystko jest jeszcze gorące, użyj więc rękawic, ochronnych okularów i odpowiedniego stroju. Większą probówkę umieść w imadle. Owiń wcześniej każdą ze szczęk imadła czystą ściereczką, co pozwoli je zacisnąć na rurce bez uszkodzenia. Włóż czujnik do probówki i przez mały lejek zasyp wyprażonym piaskiem - czujnik powinien być zupełnie przykryty. Unieś go trochę, tak aby znalazł się mniej więcej 2 mm nad dnem. Usuń taśmę i powoli napełnij probówkę gorącym piaskiem do wysokości 0.5 cm od krawędzi, często przerywając i leciutko pukając w probówkę, aby piasek wypełnił dokładnie wolne przestrzenie.

Zamknij hermetycznie termometr gorącym klejem. Jeśli zastosowałeś nieizolowane przewody, ogrzewaj je przez parę sekund suszarką do włosów, dopóki klej się nie zestali, tak aby druciki się w nim zatopiły.

W celu zminimalizowania interferencji sygnałów przyłącz próbnik do swojego omomierza mikrofonowym kablem stereofonicznym, złożonym z dwóch skręconych par drutów umieszczonych w metalowej osłonce, którą musisz uziemić. Aby przyłączyć każdą skręconą parę do urządzenia, użyj czteroprzewodowej listwy zaciskowej. Przy- lutuj przewody i umieść pasek wewnątrz plastikowego pojemniczka po filmie fotograficznym.

Ten domowej roboty instrument, którego temperatura pracy sięga 400°C, pozwoli ci na przeprowadzenie nowych fascynujących badań. Chociaż urządzenie nie będzie zbyt poręczne w terenie, może posłużyć do dokładnej kalibracji innych termometrów. W laboratorium zbadasz nim naturę zmian stanu skupienia czy siłę wiązań chemicznych [pomysły znajdziesz w NAUKOWCU AMATORZE z maja 1996 rokuj. Odrobina wyobraźni uczyni ten termometr potężnym narzędziem badawczym i bardzo wzbogaci twój arsenał technik pomiarowych.

Tłumaczyła Elżbieta Wieteska

Society for Amateur Scientists oferuje czteroprzewodowy termometr Schmermunda (bez omomierza) w kompletnym zestawie z przyspawanymi drutami niklowymi, rurkami ze szkła żaroodpornego i koralikami izolacyjnymi za jedyne 250 dolarów. Można go zamówić, pisząc pod adresem 4735 Clairemont Square, Suite 179, San Diego, CA 92117, lub telefonując pod numer 619-239-8807. Więcej informacji uzyskasz na stronie internetowej towarzystwa web2.thesphere.com/SAS/W

Autor: Shawn Carlson

Ważne linki dotyczące autora:
.
Literatura uzupełniająca:
.
Multimedia:

Pogrmcy Mitów testuują efekt Leidenfrosta na rozgrzanym ołowiu - co ciekawe im gorętszy ołów tym bezpieczniejsze doświadczenie! ps. Warto naśladować ich środki bezpieczeństwa.




.

Zachęcamy do dyskusji na temat podanych w artykule treści
oraz wklejania linków do materiałów multimedialnych.
Redakcja