Sve što nikad niste znali o staklenim termometrima (a trebali biste)

22.04.2021. | termometri, Umjeravanje, Upravljanje kvalitetom |

Kada bismo prosječnog građanina pitali kako izgleda termometar, većina bi vjerojatno opisala stakleni termometar sa živom, iako smo već godinama okruženi različitim vrstama digitalnih termometara. Stakleni termometri su se jednostavno urezali u svijest čovjeka gotovo kao Platonova ideja termometra da ponekad čujemo da ih nazivaju i “pravim termometrima”. Često čujemo da ljudi ne vjeruju digitalnim termometrima kojima se temperatura ljudskog tijela mjeri ispod pazuha, pa se žale kako je šteta da nemaju “pravi termometar” koji bi pokazao baš točno, najtočnije. To nema nikakvih osnova. Današnji digitalni termometri za mjerenje ljudskog tijela u prosjeku su jednako pouzdani kao i stakleni. Međutim, nas posebno zanimaju stakleni termometri koji se koriste u laboratorijima.

U današnje se vrijeme stakleni termometri u laboratorijima koriste u rasponu temperatura od -80 ºC do +400 ºC, a uz korištenje različitih aditiva čak i od -190 ºC do +600 ºC. Kemijska stabilnost stakla je fantastična, mjerenje je lako, a rezultat očit – živa (ili neka druga tekućina) se rasteže pred našim očima. (Kod digitalnih termometara ne možemo vidjeti promjenu otpora ili razlike potencijala, a kod stakla promjenu obujma tekućine svakako vidimo.) No istovremeno se uz staklene termometre vežu i velike poteškoće i opasnosti budući da staklo lako puca, a živa je otrovna.

Prvenstveno zbog opasnosti povezanih sa živom današnji trend je napuštanje staklenih termometara, digitalne zamjene su često jeftinije i jednostavnije, međutim stakleni termometri ipak nisu i neće nestati preko noći. Između ostalog, koriste se i zbog mnogih starih izdanja normi i preporuka, no bez obzira na to uvijek su izvrsno rješenje kada imamo specifični mali raspon temperatura koje trebamo mjeriti. (Digitalni termometri uvijek imaju veliki raspon, i ako želimo u tom velikom rasponu postići veliku točnost, to će nas koštati znatno, znatno više od nekog specijaliziranog staklenog termometra koji mjeri samo oko 0 ºC ili npr. između +49 ºC i +51 ºC.)

OD ČEGA SE SASTOJI STAKLENI TERMOMETAR?

Svaki stakleni termometar sastoji se od 4 osnovna dijela, iako ih može biti i znatno više, kao na slici. Ali četiri osnovna dijela svakog termometra, bez kojih on ne može biti funkcionalan jesu:

 

Kada govorimo o tekućini u kapilari, prva nam na pamet uvijek pada živa, ali koriste se i druge, npr. organske tekućine poput etanola (“alkohola”), pentana, toluena i sl. Etanol ima puno veći koeficijent ekspanzije od žive, što znači da za porast temperature od 1 ºC etanol puno više promjeni svoj obujam nego živa. Ako razmislimo o tome, onda nam se logično čini da je etanol bolji od žive za mjerenje temperature, jer je osjetljiviji. I jest osjetljiviji, međutim glavna prednost žive spram svih organskih tekućina jest da je promjena njenog obujma jako linearna spram temperature. Zbog tog živinog svojstva linearnosti, iako su organske tekućine osjetljivije na promjenu temperature (i to u prosjeku 7-8 puta!) od nje, živa je jedina koju ozbiljno uzimamo u obzir za garanciju točnosti bolju od ±1 ºC. Naravno, pod uvjetom da ne trebamo mjeriti temperature niže od -37 ºC na kojima živa pređe u kruto stanje, a organske tekućine ne.

Koliko je odziv obujma žive fantastično linearan u odnosu na temperaturu vidimo iz ove jednadžbe, odnosno njezinih koeficijenata.

Najveći koeficijent, a koji nije linearan, čak je 5 redova veličine manji od onog linearnog! Osim te glavne i najvažnije prednosti žive, etanol je k tomu i proziran, pa mu se moraju dodavati i boje kada se njime pune kapilare za termometre.

SENZOR I INDIKATOR

Kada bismo Vas pitali što je kod staklenog termometra njegov senzor, a što indikator, što biste odgovorili? (Kod npr. digitalnih otporničkih termometara situacija je jednostavna – senzor je žica na vrhu sonde kojoj se otpor mijenja s temperaturom, a indikator je “ohmmetar” koji očitava taj otpor i preračunava ga u temperaturu.) Većina obično misli da je senzor staklenog termometra njegov rezervoar, u kojem se nalazi većina žive (ili neke druge tekućine, ali uvijek ćemo radi jednostavnosti govoriti samo o živi), a njegov indikator da je vrh stupca žive gdje očitavamo dokle se popeo. Ali to je jako daleko od prave istine koja je nažalost izuzetno komplicirana. Kod staklenog termometra je senzor – indikator, a indikator je istovremeno – senzor. Nerazdvojni su, jer ne možemo spriječiti živu da se prestane širiti nakon što izađe iz rezervoara, pa je zbog toga sva živa u termometru – senzor, čak i ona na vrhu gdje očitavamo temperaturu na skali. Zbog te zavrzlame stakleni termometar se puno češće neispravno koristi od digitalnih kontaktnih termometara, a ako ga nije moguće koristiti na ispravan način možemo se izvući dodatnim mjerenjima i s malo računanja, ali koje uključuje parcijalne derivacije i nije baš prikladno za svakodnevna mjerenja u laboratorijima. Samo kao upozorenje (ne želite to raditi!), pogledajte dio izračuna koje Metroteka koristi pri umjeravanju Vaših staklenih termometara:

 

REZERVOAR I KAPILARA

Rezervor staklenog termometra je tanka staklena ovojnica u kojoj se nalazi najveći dio žive. Ako se zbog nekog razloga obujam tog rezervoara promijeni, promjenit će se i pokazivanje termometra. Kada bi se npr. rezervoar smanjio, automatski bi termometar pokazivao previše, jer bi se živa potjerala prema gore. Zbog toga se staklo od kojeg se rezervoar izrađuje vrlo pomno bira i nerijetko je različito od stakla od kojeg se izrađuje kapilara. No bez obzira na sve što pokušavalo tijekom procesa proizvodnje, promjena obujma rezervoara pri mjerenju ipak postoji i ona daleko najviše (otprilike 90%) pridonosi nelinearnosti staklenih termometara. Vjerovali ili ne, kod proizvodnje dužih staklenih termometara, nisu sve crtice na skali jednako udaljene, nego se utiskuje dio po dio skale, kako bi se kompenzirala ta nelinearnost zbog širenja rezervoara žive.

Kapilara staklenog termometra je poseban “uređaj” koji prostorno širenje žive pretvara u linearno, a koje onda možemo pretvoriti pomoću skale u vrijednosti – temperature. Važno je da je uniformna, čista i glatka, a u proizvodnji se to provjerava puštanjem kapljice žive da pada kroz kapilaru. Ako kapljica klizi bez ubrzavanja ili zastajkivanja znači da je kapilara glatka, a ako se njena duljina ne mijenja – to znači da kapilara konstantnog promjera, ili drugim riječima – nije grbava.

Osim ranije spomenuta četiri osnovna dijela staklenog termometra, na vrhu kapilare se često nalazi jasno vidljivo proširenje, tj. komora za širenje ili ekspanzijska komora. Mnogi se ljudi pitaju čemu ona služi, pa ćemo i reći. Ona služi za sprečavanje stvaranja visokog tlaka i pucanja kapilare kada nadiruća živa komprimira plin koji se nalazi u gornjem dijelu. Ekspanzijska komora ne utječe na mjerenje, a plinu kojeg živa potiskuje daje prostor. Osim te komore na vrhu, puno rjeđe stakleni termometri imaju i drugu komoru, proširenje kapilare, na sredini kapilare. Njena svrha je sasvim drukčija i puno trivijalnija. Takvi termometri mjere dva odvojena područja temperature (npr. oko 0 ºC i oko +100 ºC i proširenje na sredini kapilare im omogućava da ostanu precizni, a da ne budu 2 ili 3 metra dugački; živa se u tom prostoru slobodno širi od +2 ºC do +98 ºC, bez potrebe za skalom).

POTPUNO I DJELOMIČNO URANJANJE

Zbog ranije spomenute zavrzlame oko neodvojivosti senzora i indikatora, svaki stakleni termometar ima samo jednu jedinu ispravnu dubinu uranjanja u sredstvo čiju temperaturu mjeri. Dubina uranjanja staklenog termometra nikad NIJE proizvoljna, iako velik broj ljudi tako misli, tj. misli da je važno samo da je rezervoar žive u sredstvu.

U tom smislu termometre možemo podijeliti u 2 skupine. Radi jednostavnosti i de facto neprimjetnih razlika u korištenju, “total immersion” i “complete immersion” termometre na slici lijevo smatrat ćemo istom skupinom – onima za koje je bitno da je sva živa ili u praksi barem gotovo sva živa u sredstvu čiju temperaturu mjeri, tj. termometrima sa potpunim uranjanjem. (Kod “total immersion” je bitno da je komora za širenje plina na vrhu kapilare na sobnoj temperaturi.) Većina termometara na hrvatskom i susjednim tržištima je upravo takva, iako se vrlo često koriste pogrešno, a to uzrokuje značajne pogreške u mjerenju. Ako na Vašem termometru ne postoji nikakva oznaka ili fizičko zadebljanje koje bi ukazivalo na to da je termometar konstruiran za uranjanje samo do točno određene dubine, onda gotovo sigurno imate takav termometar. Njih možete bez razmišljanja koristiti za mjerenje temperature okoliša, budući da je u tom slučaju on čitav uronjen u sredstvo i problema – nema. Međutim, ako ga ne možete čitavog uroniti u sredstvo (npr. mjerite temperaturu u nekoj tekućini), onda osigurajte da ste ga uronili tako da iz tog sredstva viri taman komadić žive u kapilari koji Vam je dovoljan da izvršite očitanje. Ako je potrebno, pred očitanje nagnite termometar (umjesto da ga vadite iz tekućine) jer morate svakako gledati okomito na tijelo termometra tijekom očitavanja.

S druge strane, termometri s djelomičnim uranjanjem (partial immersion thermometers) predviđeni su za mjerenje na način da je samo točno određeni dio tijela termometra u sredstvu čiju temperaturu mjerimo. Skala takvog termometra napravljena je tako da kompenzira činjenicu da stupac žive izvan sredstva nije na temperaturi sredstva i da se rasteže manje nego kad bi bio u sredstvu. Kod takvih termometara ili piše koliko mora biti uronjen (npr. 76 mm) ili mu je tijelo konstrukcijski izvedeno tako da je očito da ga se ne može uroniti u cjelosti, već samo djelomično i to do točno određene dubine. (Najbolji termometri s djelomičnim uranjanjem imaju osim dubine uranjanja naznačenu i predviđenu temperaturu na kojoj bi se trebao nalaziti onaj dio žive u kapilari koji je izvan sredstva.)

Pogreške u mjerenju temperature koje možemo uzrokovati nepravilnim uranjanjem našeg staklenog termometra (npr. ako termometar s djelomičnim uranjanjem uronimo potpuno, ili puno češće i gore – termometar s potpunim uranjanjem uronimo djelomično) mogu biti jako velike. Nećemo ovdje ići u komplicirane jednadžbe, ali možemo reći da su te pogreške to veće što je veća razlika u temperaturi između temperature sredstva i temperature okoliša, i da su pogreške puno veće kod alkoholnih nego kod živinih termometara. U prijevodu, kod živinih termometara te pogreške mogu biti i otprilike 10 ºC kod mjerenja sredstava na temperaturama od recimo +350 ºC, dok kod alkoholnih mogu biti takve već i kod +100 ºC. Ovu tvrdnju možete isprobati i sami tako da uzmete svoj stakleni alkoholni termometar s potpunim uranjanjem i pokušate izmjeriti temperaturu kipuće vode tako da u nju uronite samo rezervoar (neispravno) i tako da uronite čitav, odnosno gotovo čitav stupac alkohola.

STAKLENI TERMOMETRI PREMA KONSTRUKCIJI

Staklene termometre možemo podijeliti i prema konstrukciji, i to na “enclosed scale” i “solid stem”. Iskreno, ne znamo kako bismo to najsretnije preveli, pa neka ostane na engleskim terminima. U svijetu je više “solid stem” primjeraka, međutim kod nas i u okolici prevladavaju “enclosed scale”, moguće i zbog toga što ih je TLOS u Zagrebu proizvodio. Svjetski podaci govore da nema neke posebne razlike u točnosti, no prema iskustvu Metroteke na lokalnim tržištima su točniji “solid stem”, naravno u prosjeku. Razlika u njihovoj konstrukciji je što je “solid stem” izveden tako da su tijelo termometra, kapilara i skala – neodvojivi, a kod “enclosed scale” (u koje spadaju i oni klasični humani toplomjeri “za pod pazuh”) termometara kapilara se nalazi unutar puno šire staklene ovojnice i zaljepljena je na pločicu na kojoj se nalazi skala.

Osim same točnosti, koja može i ne mora biti faktor, općenito se “solid stem” teže razbiju, skala  im se ni teorijski ne može odvojiti od kapilare, a i vremenska konstanta (brzina odziva) im je manja, tj. bolja, brže reagiraju na promjene temperature i zbog toga ih mi osobno favoriziramo. Kod “enclosed scale” je ipak teže pogriješiti kod očitanja zbog paralakse, da ne ispadne da oni nemaju nikakvih prednosti.

LJUDSKE POGREŠKE KOD KORIŠTENJA STAKLENIH TERMOMETARA

Staklene termometre je kako smo ranije rekli vrlo jednostavno koristiti, ali ih je teško koristiti ispravno :). Velik dio problema je uzrokovan time što je njihov senzor ujedno i indikator, a zbog vrste indikatora od svih vrsta termometara najteže ih je očitati kad smo dekoncentrirani ili npr. pijani. Svaki pijanac će bez problema očitati digitalni termometar, ali probajte mu dati stakleni.

Obećajemo da nećemo ići u detalje, pa ćemo ovdje nabrojati “samo” 9 osnovnih uzroka koji mogu dovesti do pogrešnog očitanja temperatura staklenim termometrom.

1. Vrijeme odaziva

Imajte strpljenja. Kada gledate kapilaru žive kako se penje (ili spušta) sigurno ste primijetili da je njeno kretanje sve sporije, i sporije, i sporije… i odjednom vam se čini da je stala i očitate jer nemate vremena još čekati. Imajte. Također budite svjesni da je potrebno gotovo 20x dulje vrijeme za rast ili pad žive u kapilari kod mjerenja u zraku nego kod mjerenja u vodi. Što je Vaš termometar uži, bit će i brži (ali i krhkiji).

2. Toplinski kapacitet

Pazite ako mjerite temperaturu male količine neke tekućine i sjetite se srednje škole. Tekućina grije termometar, ali time temperatura tekućine pada. Dakle termometar “hladi” tekućinu samim svojim mjerenjem (ili grije, ako je tekućina u startu hladnija od termometra). Stakleni termometri općenito stvaraju veće probleme u ovom slučaju jer su glomazniji od sondi digitalnih termometara i time mogu (i za mjerenje moraju) na sebe primiti više topline. Ukratko – za mjerenje malih količina tekućina (koje se ne održavaju na konstantnoj temperaturi) nemojte koristiti staklene termometre.

3. Utjecaj tlaka

Držite termometar vertikalno jer je predviđen za to. Također, ovojnica rezervoara žive je tanka i čak i varijacije vanjskog tlaka mogu na nju utjecati (to doduše ne možete spriječiti i nema prevelik utjecaj u odnosu na druge stvari). Nemojte slučajno stiskati, naslanjati ili koristiti termometar kao miješalicu – to dovodi do dugoročnih promjena. Sjetite se da mnogi stakleni termometri u kapilari imaju plin, pa vrhove termometara držite podalje od izvora topline koji bi uzrokovali širenje plina. Na visokim temperaturama posebno pripazite da se termometar ne razbije jer kao što znate – živa je otrovna upravo kao para.

4. Promjene rezervoara

Staklo se vrlo sporo, ali s vremenom – skuplja. Stakleni termometri imaju izraženiju dugoročnu histerezu od otporničkih digitalnih termometara. Kod naglog hlađenja može doći do tzv. “freeze in” efekta, i zbog toga ih nikad nemojte naglo hladiti. Dopustite termometru da se ohladi prirodno.

5. Ljepljivost kapilare.

Što je kapilara tanja (uža) to je preciznija, budući da će u tom slučaju neka promjena obujma žive dovesti do većeg (duljeg) linearnog širenja. Međutim, zbog površinske napetosti pogotovo kod jako uskih kapilara može doći do ljepljenja za stijenku. Taj problem možete riješiti tako da prije očitavanja termometar lagano kvrcnete prstom kako biste eventualno ljepljenje eliminirali.

6. Odvajanja stupca živa u kapilari

To je nešto što i nas izbezumljuje, pogotovo kad na umjeravanje dobijemo nov novcat termometar kod kojeg je zbog neadekvatnog postupanja u transportu, živa već odvojena. Osim odvajanja tim mehaničkim putem, uzrok može biti i isparavanje unutar kapilare, no ono se pokušava riješiti tako da se u proizvodnji kapilara napuni dušikom. Taj dušik sprječava da do odvajanja dođe, ali ako dođe onda nam postaje neprijatelj jer nas sprječava da ga ponovno spojimo. Osim navedenog moguća je pojava i mjehurića plina u stupcu žive.

Ako Vam se tako nešto desi, a ne primjetite, doći do pogreške kod mjerenja. Ako pak primjetite, nije nerješivo (najčešće). Za početak pokušajte malo kvrckati termometar prstom, međutim to će Vam pomoći samo ako kapilara nije punjena plinom. Zatim pokušajte mahati termometrom (primjenite centrifugalnu silu!), ali vrlo pažljivo i bez naglih pokreta. Ni to vjerojatno neće pomoći, ali ako uspije, uštedit će Vam vrijeme.

Ako niste uspjeli spojiti stupac žive mehanički, vrijeme je za pothlađivanje. Budući da Vam treba zaista niska temperatura, najbolje bi bilo da imate suhi led. Termometar stavite u suhi led, pričekate da se sva živa spoji u rezervoaru i nakon toga pustite da se polako zagrije na sobnu temperaturu. Ako imate sreće, živa će biti u jednom komadu, a ako nemate – vrijeme je za posljednju mjeru, no koja gotovo uvijek upali, a to je nadgrijavanje, tj. grijanje termometra na temperaturu višu od one za koju je predviđen. Tu morate biti izuzetno oprezni jer osim što je ta mjera efikasna, lako možete termometar i uništiti. OPREZ! Nadgrijavanje pokušavajte samo ako termometar ima komoru za širenje na vrhu kapilare, i NIKAD, ali NIKAD to nemojte raditi na temperaturama iznad +100 ºC jer ako komora prsne, doći će do kontaminacije prostora živinim parama. Dakle, nadgrijavanje je vrlo efikasno, ali dolazi u obzir samo uz velik oprez, samo sa termometrima koji imaju komoru za širenje na vrhu, i nikad na visokim temperaturama. Ako ni to ni uspije, onda se predajte.

7. Očitanje meniska

Jeste li znali da alkohol ima konkavni menisk, a živa konveksni? Zapamtite da je zajedničko to da se očitanje uvijek mora vršiti na horizontalnoj tangenti meniska, a to znači – kod žive “na vrhu” meniska, a kod organskih tekućina – “na dnu”.

8. Paralaksa (i razlučivost skale)

Budite koncentrirani i stakleni termometar uvijek očitavajte gledajući okomito. U suprotnom ćete očitati ili previše ili premalo, ovisi gledate li “s visoka” ili “odozdo”. Usput, sasvim je legitimno da procjenjujete očitanje i između dvije crtice, ali nemojte biti preambiciozni. Taj prostor gotovo uvijek možete podijeliti na dva dijela (tj. procijeniti polovicu), ponekad i na pet.

9. Ispravno uranjanje

Zadnje, ali najvažnije! O tome smo govorili već ranije, ali nije na odmet da podsjetimo da postoje stakleni termometri koji su predviđeni da im čitav stupac žive bude u sredstvu čiju temperaturu mjeri, i oni koje je nužno samo djelomično uroniti što smo detaljno objasnili u poglavlju Potpuno i djelomično uranjanje. Pogreške zbog neispravnog uranjanja mogu biti zaista ogromne.

ISPRAVNO SKLADIŠTENJE

Stakleni termometri Vas mogu znatno duže dobro služiti ako pripazite kako ih skladištite dok ih ne koristite. Termometre punjene živom najbolje je držati u horizontalnom položaju, i ako je moguće – na stalcima koji ih dodiruju samo na 2 mjesta. Pritisak ne rezervoar žive svakako treba izbjeći, a isto tako i vibracije. Termometre punjene organskim tekućinama (npr. etanolom) važno je pak držati u mraku, budući da izloženost ultraljubičastoj svjetlosti može smanjiti kvalitetu boje koja nam je nužna za očitavanje.

ZAKLJUČAK

Glavne prednosti staklenih termometara u odnosu na digitalne su njihova niska cijena ako želimo veliku točnost u uskom i specijaliziranom području, te njihova neosjetljivost kako na kemijske, tako i na elektromagnetske utjecaje. S druge strane, skuplji i inferiorni digitalnim termometrima za upotrebu u širokom području temperatura, fragilni su, živa i staklo predstavljaju rizik, a ni očitavanje nije lako.

Ako se usprkos njihovim manama odlučite za staklene termometre vezano uz neke metode u Vašem laboratoriju, imajte na umu da ih je uvijek bolje kupovati tako da odaberete modele u skladu sa nekom specifikacijom (npr. ASTM E1). Zapamtite da je živa daleko bolja u mjeriteljskom pogledu spram alkohola i drugih organskih tekućina, ali i da u ekološkom smislu i smislu rizika nije najsretnije rješenje. I još jednom razmislite o digitalnom termometru 🙂 .

Podijeli ovaj članak

Prethodni članak

Kakva je to smiješna riječ “poka-yoke”?

Sljedeći članak

5 koraka do uspješne implementacije Lean Six Sigme