Thermometrie - Technik

• Flüssigkeitsthermometer
• Bimetallthermometer
• Elektrische Thermometer
• Anleitung zur Instandsetzung von in Unordnung geratener Thermometer
• Wie funktioniert ein Six-Thermometer?
• Wie funktioniert eine Maximum-Anzeige?

Flüssigkeitsthermometer

(stoe-pr) Am weitesten verbreitet sind heute immer noch die Flüssigkeitsthermometer. Ihre Funktion beruht, auf einer Volumenänderung der Thermometerflüssigkeit. Diese steigt bei Erwärmung vom Ausdehnungsgefäß in eine Kapillare auf, die vor einer Messskala befestigt ist. Je enger die Kapillare, desto weiter wird die Anzeige gespreizt. Dadurch sind Messgenauigkeiten von 1/10 Grad bei Präzisionsthermometern kein Problem.

Als Thermometerflüssigkeiten finden bzw. fanden je nach Anwendungsbereich folgende Stoffe Verwendung:

Aus der obigen Tabelle können Sie ersehen, dass für höhere Messtemperaturen Quecksilber unschlagbar ist. In Verbindung mit Stickstoff, Argon oder Kohlendioxyd über der Messflüssigkeit, damit das Quecksilber nicht verdampft und einem besonderen Glasmaterial (Quarzglas), sind Temperaturen bis 800 ^oC messbar. Somit lässt sich also mit Flüssigkeitsthermometern ein Messbereich von ca. -200 ^oC bis +800 ^oC abdecken.

Thermometer - Messungenauigkeiten und Bauformen

Messungenauigkeiten bei Flüssigkeitsthermometern ergeben sich:

1. Durch die Wärmeausdehnung des Glases

Bei Erwärmung des Thermometers dehnt sich neben der Thermometerflüssigkeit natürlich auch das Thermometerglas aus. Dies muss bei der Eichung berücksichtigt werden!

2. Durch die thermische Nachwirkung

Erwärmt man eine Thermometerröhre, um sie gleich anschließend wieder auf die Ursprungstemperatur abzukühlen, so zeigt das Thermometer vorübergehend einen zu niedrigen Wert an. Nach einiger Zeit verschwindet diese Erscheinung wieder. Dies liegt am zeitlichen Nachhinken der Kontraktion des Glases gegenüber der Anzeigeflüssigkeit.

3. Durch eine unstimmige Kalibrierung der Kapillare

Um eine exakt lineare Anzeige zu gewährleisten, muss der Kapillarquerschnitt des Glasrohres über die gesamte Länge gleich sein. Es ist deshalb ein Qualitätsmerkmal, wenn bei billigen Thermometern die Gradintervalle infolge von Engstellen nicht gleichmäßig groß sind.

4. Durch das Herausragen des Fadens

Zur genauen Messung eines Mediums muss das gesamte Thermometer davon umgeben sein. Es genügt also nicht, nur das "Ausdehnungsgefäss" einzutauchen!

5. Durch die Ableseparallaxe

Ist die Kapillare nicht direkt vor der Skala befestigt, so kann es bei der Ablesung zu Fehlern kommen. Der Flüssigkeitsspiegel und das Auge des Betrachters sollten deshalb zur Ablesung auf gleicher Höhe sein!

Einige Bauformen der Flüssigkeitsthermometer:

1. Innen- und Außenthermometer

Lassen sich durch ihre Messbereiche leicht unterscheiden. Bei den Außenthermometern reicht der Minusbereich wenigstens bis -20 ^oC. Außerdem ist wegen der Korrosionsgefahr der Kapillarträger meist aus einem witterungsbeständigen Werkstoff gefertigt (Kunststoff, Metall, Glas). Bei den Metallen wird gerne Aluminium, emailliertes, lackiertes oder verzinktes Blech verwendet (Abb. 1).

Als Messort sollte immer ein gut belüfteter Platz ohne direkte Sonneneinstrahlung gewählt werden!

Ein besonderer Typ von Außenthermometern sind die Fensterthermometer. Sie werden am Fensterrahmen oder mit Sauger direkt an der Scheibe befestigt (hält aber meist nicht gut!) und erlauben dem Benutzer eine Ablesung, ohne das Fenster öffnen zu müssen. Die "Wiener Thermometer" erlauben zusätzlich noch eine horizontale Drehung der Messskala zum Beobachter hin.

2. Einschlußthermometer

Hierbei ist die Thermometerkapillare samt Skala in einer Glasröhre "eingeschlossen" (Abb. 2). Beide werden gemeinsam kalibriert. Solche Thermometer werden für genaueste Messungen verwendet. Man findet sie deshalb hauptsächlich in Labors. Wegen ihrer Zerbrechlichkeit, gibt es Metall-Schutzhülsen dazu. z.B. Fieberthermometer, Präzisions-Laborthermometer.

Aber auch im Haushalt ist diese Art gebräuchlich, wenngleich hier die Qualitätsanforderungen deutlich geringer sind.

z.B. bei Einkochthermometern, Erdbodenthermometern für den Gartenfreund.

3. Maximum-Thermometer

Wie der Name schon sagt, erlauben diese Thermometer die Anzeige einer Extremtemperatur, hier des Temperaturhöchststandes innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Der bekannteste Vertreter davon ist das Fieberthermometer. Seine Funktion basiert auf einer Engstelle innerhalb der Kapillare unterhalb der Skala, durch welche die Flüssigkeit beim Ansteigen hindurchgedrückt, aber nicht mehr durch eigene Kraft beim Sinken der Temperatur zurückfindet. Der Faden reißt ab und kann nur durch starkes Schleudern wieder vereint werden.

4. Minima-Maximathermometer

Es ist eine Kombination eines Minimum- u. Maximumthermometers und erlaubt das Ablesen der tiefsten und höchsten Temperatur innerhalb eines Beobachtungszeitraumes. Zum ersten Mal wurde es von dem Engländer James Six im Jahre 1782 gebaut, weshalb es auch noch häufig als "Six-Thermometer" bezeichnet wird. Es besteht aus einer u-förmigen Kapillare, welche an einem Ende das mit Kreosot gefüllte Gefäß trägt, während das andere Ende in dem ebenfalls mit Kreosot gefüllten Ausdehnungsgefäß endet. Dazwischen befindet sich ein Quecksilberfaden, welcher auf seinen beiden Enden jeweils ein bewegliches Eisenstäbchen vor sich herschiebt, den so genannten "Schwimmer". Diese Schwimmer tragen feine Glaswimpern, die infolge ihrer Reibung an der Kapillarinnenwand beim zurückgehen des Quecksilberfadens hängen bleiben. Als eigentliche Thermometerflüssigkeit fungiert das Kreosot. Da dieses eine nichtlineare Wärmeausdehnung hat und sich der Quecksilberfaden natürlich ebenfalls mitverändert, haben alle Six-Thermometer eine Skalenteilung, die zu höheren Temperaturen hin deutlich weiter wird (Abb. 3).

Nach dem Ablesen müssen die Schwimmer wieder mittels eines Magneten an den Quecksilberfadenherangeführt werden. Dieser Magnet kann auch im Gehäuse untergebracht sein und wird dann mit einem Druckknopf bedient.

Bimetall-Thermometer

Das Funktionsprinzip der basiert auf der ungleichen Längenausdehnung zweier miteinander verschweißter, aber unterschiedlicher Metalle bei Temperaturänderung. Verwendung finden hierzu z.B. Stahl und Messing oder wegen der noch besseren Verschweißbarkeit zwei verschiedene Stahlsorten.

Da sie fest miteinander verbunden sind, können sie sich nicht gegeneinander verschieben, sondern krümmen sich. Ist der Bimetallstreifen spiralförmig und das eine Ende auf der Grundplatine fixiert, so kann das andere Ende entsprechend der Längenänderung einen Zeiger bewegen. Jetzt fehlt nur noch die geeichte Temperaturskala.

Wird die Längenänderung des Bimetallstreifens mittels eines Hebelmechanismus auf eine Schreibvorrichtung übertragen, so spricht man von einem Thermographen.

Die Vorteile der Bimetallthermometer gegenüber den Flüssigkeitsthermometern liegen darin, dass sie unempfindlich gegenüber Stoß und Erschütterungen, sowie nahezu unzerbrechlich sind. Mit einer entsprechend großen Skala sind sie auch aus der Ferne gut ablesbar. Für Präzisionsmessungen sind sie aber nicht geeignet (Abb. 4).

Anwendungen: Raumklimamesser, Autothermometer, Kühlschrankthermometer, Bratenthermometer, Kesselthermometer.

Elektrische Thermometer

1. Widerstandsthermometer

Widerstandsthermometer basieren auf der Änderung des elektrischen Widerstandes von reinen Metallen bei Temperaturerhöhung. Ihr Widerstand steigt bei Erwärmung an. Da sich diese Widerstandsänderung nicht bei allen Metallen linear vollzieht, müssen hierfür geeignete Metalle ausgewählt werden. Abhängig vom Messbereich eignet sich Kupfer für den Bereich 0 - 100 ^oC besonders gut. Einen sehr weiten Anwendungsbereich hat auch das Platin von -200 ^oC bis +550 ^oC.

Es wird nun also aus solch einem dünnen Metallfaden ein elektrischer Widerstand hergestellt, indem man viele Windungen auf einen Isolierkörper aufwickelt und in ein Glasröhrchen so einschmilzt, dass die beiden Drahtenden als Kontakte herausschauen. Zum mechanischen Schutz kann diese Mess-Sonde noch in eine Hülle aus Metall oder sogar wasserdicht eingeschweißt werden, was allerdings die thermische Trägheit etwas erhöht.

Stellt man nun mittels einer Batterie und eines Widerstandsmessers, dessen Skala in Celsius geeicht ist, einen Stromkreis her, so ist das Thermometer bereits funktionsfähig.

Die Vorteile bei elektronischen Thermometern liegen darin, dass der Messort vom Ableseort weit entfernt sein kann (Fernthermometer), die Anzeige sehr flink auf Änderungen reagiert und das elektrische Signal bequem in anderen Systemen weiterverarbeitet werden kann.

Als Nachteil der Widerstandsmessung könnte man die notwendige Spannungsquelle (Batterie) betrachten.

2. Das Thermoelement

Die Temperaturmessung mit Thermoelementen macht sich die von Thomas Johann Seebeck (1770-1831) im Jahre 1821 entdeckte Thermoelekrizität zu Nutze.

Diese beruht darauf, dass beim Verbinden zweier Drähte unterschiedlicher Metalle oder Metalllegierungen bei Erwärmung der Lötstelle eine geringe Kontaktspannung auftritt. Schließt man die freien Enden zu einem geschlossenen Stromkreis, so fließt ein kleiner elektrischer Strom, der umso größer ist, je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Lötstelle und der Kontaktstelle ist. Ist die Temperatur gleich, so ist der Strom gleich Null.

Dieser Thermoelektrische Effekt ist aber nicht nur von der Temperaturdifferenz, sondern auch von den zur Verwendung kommenden Metallen abhängig. Eine beliebte Kombination ist diejenige von Eisen und Konstantan, da hierbei eine fünfmal größere Thermospannung auftritt als z.B. bei der Kombination von Platin und Rhodium. Allerdings ergibt letztere einen weiteren Messbereich und eine bessere Linearität.

Zur Herstellung eines Thermoelementes werden dünne Drähte bzw. Streifen der geeigneten Metalle an einem Ende miteinander verlötet oder verschweißt. Da die auftretenden Spannungen sehr klein sind, werden gleich mehrere solcher Einzelelemente zu einer sog. "Thermosäule" hintereinander geschaltet. Zu beachten ist hierbei, dass jede zweite Lötstelle eine "kalte" ist, die zur Messung mit der Vergleichstemperatur in Kontakt kommt. Hierzu wird an das Thermoelement eine Ausgleichsleitung angeschlossen, die zu einem Ort möglichst konstanter Temperatur führen soll. Die Elementdrähte sind untereinander isoliert.

Die Hauptvorteile bei diesem Meßsystem sind: 1. die Punktförmigkeit der Messstelle. 2. wiederum die Möglichkeit der Fernmessung und 3. wird im Gegensatz zur Widerstandsmessung keine Stromquelle benötigt.

Ein Nachteil ist die benötigte konstante und von der eigentlichen Messtemperatur möglichst stark differierende Vergleichstemperatur, sowie die notwendige Vorabeichung.

Schlußwort:

In den letzten Jahren ist zu beobachten, dass die Flüssigkeitsthermometer zunehmend von den elektronischen Thermometern (Abb. 5) verdrängt werden, was die Thermometerindustrie in eine schwierige wirtschaftliche Situation gebracht hat. Dieser Vorgang hat sich noch dadurch beschleunigt, dass die stromsparenden LCD-Anzeigen immer billiger wurden. Elektronische Thermometer dringen deshalb in nahezu alle Anwendungsbereiche vor!

Die einfachsten Vertreter davon zeigen nur eine einzelne Temperatur an. Es gibt aber auch solche, die es mittels einer Messleitung oder Funkstrecke erlauben, sowohl die Innentemperatur als auch die Außentemperatur manchmal auch mit Umschalter, auf einem oder zwei getrennten Displays darzustellen. Besitzt das Gerät zusätzlich noch einen Datenspeicher (Memory), so können die niedrigste bzw. höchste Temperatur eines Zeitraumes abgerufen oder mit dargestellt werden (Minima-Maxima- Funktion).

Für wissenschaftliche Zwecke gibt es Präzisionsinstrumente, die über Datenleitung und Interface an einen Computer angeschlossen werden können.

Gerhard Stoehr 2002.4

Anleitung zur Instandsetzung von in Unordnung geratener Thermometer

aus Alt, Eberhardt & Jäger - Illustrierte Preisliste über Thermometer, Barometer etc. - Ilmenau 1915

A. Thermometer mit Weingeistfüllung

Bei diesen Thermometern kommt es zuweilen vor, dass während des Transportes kleine Alkoholteilchen sich von der Säule lostrennen und in der Kapillarröhre haften bleiben. Man vereinigt die zerrissene Säule wieder, indem man das Thermometer am oberen Ende anfasst und kräftig nach unten schleudert bis zur Wiedervereinigung aller getrennten Teilchen. Es ist zu empfehlen, dass man diese Thermometer stets senkrecht stellt oder aufhängt.

B. Thermometer mit Quecksilberfüllung

Thermometer, die auf dem Transport oder durch andere Einwirkungen in Unordnung geraten sind und getrennte Quecksilbersäulen aufweisen, können auf folgende einfache Art wieder richtig gestellt werden. Man stellt das Thermometer auf den Kopf, also mit der Kugel nach oben und lässt durch leises Klopfen das Quecksilber in die Spitze vorlaufen, dann richtet man das Thermometer wieder auf, damit das Quecksilber in die Kugel zurückfließen kann. Man wiederhole dieses solange, bis das Quecksilber in einer geschlossenen Säule vereinigt ist. In den meisten Fällen wird es gelingen, das Quecksilber zu vereinigen. Sollte dies nicht gehen, so treibt man den Quecksilberfaden durch vorsichtiges Erwärmen der Kugel bis zur Spitze und verfährt nach dem Erkalten wie oben angegeben. Man muss sich aber hüten, die Röhre zu überhitzen, da sie sonst springt.

C. Einfache Minimum - und Maximum Thermometer

Bei Minimum-Thermometern, die gewöhnlich mit gefärbtem Weingeist gefüllt sind, vereinigt man die getrennte Säule in gleicher Weise, wie unter A. angegeben, also durch kräftiges Schleudern. Die etwa mit zurückgeschleuderte, in dem Weingeist schwimmende Marke lässt man durch ruhiges Neigen des Instrumentes wieder vorlaufen.

Bei Maximum-Thermometern, die stets mit Quecksilber gefüllt sind, vereinigt man die getrennte Säule, indem man das Instrument umgekehrt hält, durch leises Klopfen das Quecksilber in die Spitze vorlaufen lässt und es alsdann wieder aufrichtet. In den meisten Fällen wird es so gelingen, das Quecksilber zu vereinigen. Sollte dies aber durchaus nicht gehen, so erwärmt man die Spitze des abgenommenen Rohres vorsichtig, entweder durch Eintauchen in heißes Wasser oder durch Drehen über einer Spiritus- oder Gasflamme, oder man treibt durch Erwärmen der Kugel den Quecksilberfaden bis in die Spitze vor und verfährt wie unter B. angegeben.

D. Six-Thermometer

Um ein in Unordnung geratenes Six-Thermometer (Minimum-Maximum-Thermometer) wieder gebrauchsfähig zu machen, verfährt man folgendermaßen: Um die getrennte Index-Flüssigkeit (Kreosot) wieder zu vereinigen, werden zunächst die beiden Stahlmarken vermittels des Magnetes soweit wie möglich nach oben gezogen. Dann bringt man dem Instrumente in senkrechter Lage einige leichte Stöße bei, indem man mit der rechten Hand, welche das Thermometer hält, so in die linke schlägt, dass das Instrument unberührt bleibt und sich demselben die Erschütterung nur mittelbar mitteilt. Man kann das Instrument auch ähnlich wie ein gewöhnliches Thermometer mit ausgestrecktem Arm kräftig schleudern, wodurch die Flüssigkeitsteilchen aus dem Quecksilber heraustreten.

Um die Stahlmarken aus dem Quecksilber zu bringen, wird die Stelle der Röhre, an welcher der Stift sitzt, soweit erwärmt, bis derselbe frei wird. Ist dieses geschehen, so wird die Marke soweit als möglich gegen die Erweiterung in der Röhre geschüttelt und dann die Kugel erwärmt, bis das Quecksilber den Stift wieder erreicht. Nun wird wieder wie anfangs die Röhre an der Stelle, wo nun die Marke steckt, erwärmt, vorgeschüttelt, die Kugel erhitzt und dieses Verfahren so oft wiederholt, bis der Stift mit dem über demselben befindlichen Quecksilber die Erweiterung am Ende der Röhre erreicht. Die linke Kugel oder das mittlere Treibgefäß wird nun soweit erwärmt, bis ein kleiner Tropfen Quecksilberin die Erweiterung eintritt. Nach der Abkühlung wird nun durch schwaches Schütteln und Klopfen das Quecksilber sich leicht vereinigen. Das Erwärmen über freier Flamme hat keine Gefahr, so lange die Erweiterung nicht über ein Drittel mit Quecksilber gefüllt ist.

E. Schauthermometer

Bei Thermometern mit Weingeistfüllung, deren Säule sich getrennt hat, genügt in der Regel schon, das Instrument eine Zeit lang (eine Nacht hindurch) senkrecht zu stellen oder aufzuhängen, um es wieder in Ordnung zu bringen. Auch durch stoßartiges Schleudern von oben nach unten in freier Luft (ohne unten aufzustoßen) ist eine Wiedervereinigung der getrennten Säule leicht herbeizuführen.

Bei Thermometern mit Quecksilberfüllung vereinigt man die getrennte Säule einfach dadurch, dass man das Thermometer auf den Kopf stellt und durch leichtes Schütteln das Quecksilber vorlaufen lässt.