Thermomètre

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Contexte

Un thermomètre est un appareil utilisé pour mesurer la température. Le thermoscope, développé par Galilée vers 1592, fut le premier instrument utilisé pour mesurer qualitativement la température. Ce n'est qu'en 1611 que Sanctorius Sanctorius, un collègue de Galilée, a conçu et ajouté une échelle au thermoscope, facilitant ainsi la mesure quantitative du changement de température. À cette époque, l'instrument s'appelait le thermomètre, des mots grecs therme ("chaleur") et métron ("mesure"). Vers 1644, il devint cependant évident que cet instrument, comprenant une grande fiole à bulbe avec un long col ouvert, utilisant du vin pour indiquer la lecture - était extrêmement sensible à la pression barométrique. Pour atténuer le problème, le grand-duc Ferdinand II de Toscane a développé un procédé pour sceller hermétiquement le thermomètre, éliminant ainsi l'influence barométrique extérieure. La forme de base a peu varié depuis.

Il existe de nombreux types de thermomètres utilisés aujourd'hui :le thermomètre enregistreur utilise un stylo sur un tambour rotatif pour enregistrer en continu les lectures de température; les thermomètres à lecture numérique souvent couplés à d'autres appareils de mesure météorologique ; et les types de ménages typiques accrochés à un mur, à un poteau ou à ceux utilisés à des fins médicales.

Avec un thermomètre, la température peut être mesurée à l'aide de l'une des trois unités principales :Fahrenheit, Celsius ou Kelvin. À un moment donné au cours du XVIIIe siècle, près de 35 échelles de mesure avaient été développées et étaient en usage.

En 1714, Gabriel Daniel Fahrenheit, un luthier néerlandais connu pour son savoir-faire artisanal, a développé un thermomètre utilisant 32 (le point de fusion de la glace) et 96 (la température standard du corps humain) comme points fixes. Il a depuis été déterminé que 32 et 212 (le point d'ébullition de l'eau) sont les points fixes de l'échelle, 98,6 étant accepté comme la température corporelle normale et saine.

Le scientifique suédois Anders Celsius, en 1742, a attribué 0 degré comme point d'ébullition de l'eau et 100 degrés comme point de fusion de la glace. Ces deux chiffres ont finalement été intervertis, créant l'échelle que nous connaissons aujourd'hui, avec 0 degré comme point de congélation de l'eau et 100 degrés comme point d'ébullition. L'utilisation de cette échelle s'est rapidement répandue en Suède et en France, et pendant deux siècles elle fut connue sous le nom d'échelle centigrade. Le nom a été changé en 1948 en Celsius pour honorer son inventeur.

En 1848, un autre scientifique, Lord Kelvin (William Thomson), proposa une autre échelle basée sur les mêmes principes que le thermomètre Celsius, avec le point fixe du zéro absolu fixé à l'équivalent de -273,15 degrés Celsius (les unités utilisées sur cette échelle sont appelées Kelvin [K]). Les points de congélation et d'ébullition de l'eau sont respectivement enregistrés à 273 K et 373 K. L'échelle Kelvin est le plus souvent utilisée dans les études de recherche scientifique.

Conception

Le principe de fonctionnement d'un thermomètre est assez simple. Une mesure connue de liquide (mercure, alcool ou fluide à base d'hydrocarbures) est scellée sous vide dans un tube en verre. Le liquide se dilate ou se contracte lorsque l'air est chauffé ou refroidi. Lorsque le niveau de liquide change, une échelle de température correspondante peut être lue pour indiquer la température actuelle.

Les fabricants de thermomètres commencent avec des ébauches de verre avec des alésages au milieu ; ceux-ci sont généralement reçus des fabricants de verre. Le réservoir de l'ampoule est formé en chauffant une extrémité du tube de verre et en le pinçant pour le fermer. L'ampoule est scellée à sa base, laissant un tube ouvert au sommet.
Ensuite, avec l'extrémité ouverte vers le bas dans une chambre à vide, l'air est évacué du tube de verre et le fluide hydrocarboné est introduit dans le vide jusqu'à ce qu'il pénètre dans le tube d'environ 1 pouce. En raison de préoccupations environnementales, les thermomètres contemporains sont fabriqués moins avec du mercure et plus avec un hydrocarbure liquide rempli d'alcool.

Les thermomètres sont conçus selon des normes prédéfinies identifiées par le National Institute of Standards and Technology (NIST, anciennement le National Bureau of Standards) et des pratiques de fabrication standard. Les directives réglementaires contiennent des dispositions pour la fabrication sur mesure de thermomètres. Les thermomètres personnalisés peuvent être aussi variés que ceux qui les utilisent. Différentes tailles existent pour la quantité, le poids et la longueur du verre utilisé, le type de liquide rempli dans le verre, la fréquence des gradations posées sur le tube de verre ou l'enceinte, et même la couleur des marques de l'échelle de gradation.

Un ingénieur concepteur examinera les limites de déplacement du liquide à utiliser dans le thermomètre. Une fois les limites précises établies, les dimensions du tube de verre et la taille de l'ampoule de verre peuvent être déterminées.

L'utilisation de composants électroniques dans les thermomètres a augmenté. De nombreux thermomètres largement utilisés aujourd'hui contiennent des affichages numériques et des exemples de cycles de programme pour renvoyer la température actuelle à une diode électroluminescente (DEL) ou affichage à cristaux liquides (LCD) panneau. Pour toute la magie électronique disponible, un thermomètre doit toujours contenir un élément sensibilisateur à la chaleur et au froid afin de répondre aux changements environnementaux.

Matières premières

Les thermomètres se composent de trois éléments de base :un liquide rempli d'alcool, qui réagit aux changements de chaleur et de froid; un tube en verre pour loger le liquide de mesure de température ; et de l'encre noire pour colorier les graduations gravées avec des chiffres lisibles. De plus, d'autres éléments sont nécessaires à la fabrication des thermomètres, notamment une solution de cire utilisée pour graver les marques d'échelle sur le tube de verre; un moteur de gravure qui réalise des gradations permanentes sur le tube de verre; et une solution d'acide fluorhydrique dans laquelle le tube de verre est plongé pour sceller les marques de gravure.

Le matériau en verre formant le corps du thermomètre est généralement reçu d'un fabricant extérieur. Certains produits de thermomètre sont fabriqués avec une enceinte, qui peut être en plastique ou en composite et peut contenir des gradations d'échelle au lieu de les avoir sur le tube de verre lui-même. L'enceinte sert également à protéger et à monter le thermomètre sur un mur, un poteau ou dans une boîte à l'abri des intempéries.

Le processus de fabrication

Bien qu'il existe de nombreux types de thermomètres, le processus de production du plus courant d'entre eux, la variété domestique classique, est décrit ci-dessous.

L'ampoule en verre

• 1 Premièrement, la matière première du verre est reçue d'un fabricant extérieur. Le tube est réalisé avec un passage fin, ou alésage, sur toute sa longueur. Les tubes forés sont contrôlés pour la qualité ; toutes les pièces rejetées sont renvoyées au fabricant pour remplacement.
• 2 Le réservoir de l'ampoule est formé en chauffant une extrémité du tube de verre, en le pinçant pour le fermer et en utilisant le soufflage du verre et l'application d'une torche à air comprimé pour le compléter. Alternativement, l'ampoule peut être fabriquée en soufflant un morceau séparé de matériau de laboratoire qui est ensuite joint à une extrémité du tube de verre. L'ampoule est scellée à sa base, laissant un tube ouvert au sommet.

Ajout du fluide

• 3 Avec l'extrémité ouverte vers le bas dans une chambre à vide, l'air est ensuite évacué du tube de verre, et le fluide d'hydrocarbure est introduit dans le vide jusqu'à ce qu'il pénètre dans le tube d'environ 1 pouce (2,54 centimètres). En raison de préoccupations environnementales, les thermomètres contemporains sont fabriqués moins avec du mercure et plus avec un hydrocarbure liquide rempli d'alcool. Une telle pratique est mandatée (avec tolérance pour une utilisation limitée de mercure) par l'Environmental Protection Agency (EPA).

  Le vide est ensuite progressivement réduit, forçant le fluide à descendre près du sommet du tube. Le processus est le même lorsque le mercure est utilisé, sauf que de la chaleur est également appliquée dans la chambre à vide.

• 4 Une fois plein, le tube est placé sur son extrémité bulbe. Un processus de chauffage est ensuite effectué en plaçant le thermomètre dans un bain chaud et en augmentant la température à 400 degrés Fahrenheit (204 degrés Celsius). Ensuite, la température est réduite à la température ambiante pour ramener le liquide résiduel à un niveau connu. L'extrémité ouverte du thermomètre est ensuite scellée en le plaçant sur une flamme.

Application de l'échelle

• 5 Une fois le tube scellé, une échelle est appliquée en fonction du niveau auquel le fluide repose lorsqu'il est inséré dans un bain-marie à 212 degrés Fahrenheit (100 degrés Celsius) contre un à 32 degrés Fahrenheit (0 degrés Celsius). Ces points de référence pour l'échelle souhaitée sont marqués sur le tube de verre avant de procéder à la gravure ou à la sérigraphie pour remplir les dégradés.
• 6 Les longueurs de gamme varient selon le design utilisé. Une échelle est choisie qui correspond le mieux aux marques égales entre les points de référence. Pour des raisons de précision, la gravure est la méthode de marquage préférée. Les marques sont faites par un moteur de gravure après que le thermomètre est placé dans la cire. Les chiffres sont gravés sur le verre et, une fois terminé, le thermomètre est plongé dans de l'acide fluorhydrique pour sceller les marques gravées. L'encre est ensuite frottée sur les marques pour mettre en évidence les valeurs d'échelle. Lorsque des boîtiers sont utilisés sur les échelles, un processus de sérigraphie est utilisé pour appliquer les marques.
• 7 Enfin, les thermomètres sont emballés en conséquence et expédiés aux clients.

Contrôle qualité

Le processus de fabrication est contrôlé par des normes industrielles largement adoptées et des mesures internes spécifiques. Les considérations de conception de fabrication incluent des contrôles de qualité tout au long du processus de production. L'équipement utilisé pour effectuer les tâches de fabrication doit également être soigneusement entretenu, en particulier avec un protocole de conception mis à jour.

Les déchets accumulés pendant la fabrication sont éliminés conformément aux normes réglementaires environnementales. Durant le cycle de fabrication, les équipements utilisés pour chauffer, évacuer et graver le thermomètre doivent être vérifiés et calibrés régulièrement. Des tests de tolérance sont également effectués, en utilisant une norme connue, pour déterminer la précision des lectures de température. Tous les thermomètres ont une tolérance de précision. Pour le ménage commun, cette tolérance est généralement de plus ou moins 2 degrés Fahrenheit (16 degrés Celsius). Pour le travail en laboratoire, plus ou moins 1 degré est généralement acceptable.

Le futur

Bien que le simple thermomètre en verre de longue date soit peu susceptible de changer, d'autres thermomètres Une fois le réservoir de l'ampoule formé et le liquide inséré, l'unité est chauffée et scellée. Ensuite, les marques d'échelle sont ajoutées. Cela se fait à l'aide d'une gravure, dans laquelle l'ampoule est trempée dans de la cire, les marques gravées et l'ampoule plongée dans de l'acide fluorhydrique pour sceller les marques sur le verre. les formes continuent d'évoluer. Avec les progrès technologiques et l'utilisation plus répandue de matériaux plus légers et plus résistants, les fabricants d'instruments de température intégrés électroniquement peuvent fournir des mesures de température plus précises avec un encombrement minimal et à un prix abordable. Les thermomètres à boîtier analogique, par exemple, étaient autrefois utilisés avec un long fil et une pointe de sonde pour les mesures de température dans le sol, entre autres utilisations. Aujourd'hui, les pointes des sondes sont faites de matériaux plus légers, et les boîtiers, chargés d'électronique numérique, ne sont pas aussi encombrants et carrés. À l'avenir, des travaux supplémentaires avec la puce électronique pourraient donner l'impulsion nécessaire pour numériser entièrement le processus de mesure de la température. En outre, il peut éventuellement être possible de diriger un faisceau infrarouge dans le sol et d'extraire une lecture de température à partir d'une profondeur cible sans même toucher le sol.