Thermometer-Arten und Methoden der Temperaturmessung

Das Psychrometer und die Feuchtemessung

Das Psychrometer ist eine besondere Art von Hygrometer. Es besteht aus zwei Thermometern: Eines misst die Trockentemperatur, das andere die Feuchttemperatur. Eine neuere Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung basiert auf der Tatsache, dass bestimmte Stoffe ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchtigkeit verändern.

Funktionsweise von Thermoelementen

Ein Thermoelement ist ein Sensor zur Messung der Temperatur. Er besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. An dieser Verbindungsstelle wird bei Temperaturdifferenzen eine kleine Spannung erzeugt (Seebeck-Effekt). Diese Spannung wird durch ein Messgerät erfasst und in einen Temperaturwert umgerechnet.

Widerstandsthermometer (RTD)

Ein Widerstandsthermometer ist ein Instrument, das die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Metallen, Legierungen und Halbleitern nutzt. Durch diese Eigenschaft kann bestimmt werden, ob es sich bei dem Material um einen Leiter, Isolator oder Halbleiter handelt.

Anforderungen an Leiterwerkstoffe

• Hoher Temperaturkoeffizient: Damit das Messgerät eine hohe Empfindlichkeit aufweist.
• Hohe Widerstandsfähigkeit: Ein größerer Grundwiderstand führt zu einer deutlicheren Variation und somit zu höherer Präzision.
• Lineare Beziehung: Ein lineares Verhältnis zwischen Widerstand und Temperatur vereinfacht die Messung.
• Steifigkeit und Zähigkeit: Dies erlaubt die Fertigung feiner Drähte und Wicklungen in der Sonde für eine schnelle Ansprechzeit.

Häufig verwendete Materialien für Sonden

• Platin
• Nickel
• Kupfer

Das Gasthermometer

Ein Gasthermometer mit konstantem Volumen besteht aus einem Kolben, der mit Helium, Wasserstoff oder Stickstoff gefüllt ist (je nach Temperaturbereich), und einem Manometer. Der Gaskolben wird in die zu messende Umgebung gebracht. Über eine Quecksilbersäule wird das Volumen konstant gehalten. Die Höhe der Quecksilbersäule zeigt den Gasdruck an, aus dem die Temperatur berechnet werden kann.

Grundlagen der Temperaturmessung

Die Temperatur eines Körpers ist definiert durch seinen thermischen Zustand und seine Fähigkeit, Wärme auf andere Körper zu übertragen oder von ihnen aufzunehmen. In der Thermodynamik ist die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie (Geschwindigkeit) der Moleküle.

Bezugspunkte und thermometrische Skalen

Die Temperaturmessung erfolgt auf Basis festgelegter Skalen und Bezugspunkte. Die Celsius-Skala nutzt den Schmelzpunkt von Eis (0 °C) und den Siedepunkt von Wasser (100 °C) bei Normaldruck als Fixpunkte. In der Fahrenheit-Skala entsprechen diese Punkte 32 °F und 212 °F.

In der Wissenschaft wird die Kelvin-Skala (absolute Temperatur) verwendet. Der absolute Nullpunkt (0 K) ist der Zustand, in dem die molekulare Geschwindigkeit eines idealen Gases theoretisch gleich Null ist.

Dies basiert auf der kinetischen Gastheorie: Wenn ein Gas erhitzt wird, beschleunigen sich die Moleküle und dehnen sich aus. Beim Abkühlen verlangsamen sie sich und das Volumen nimmt ab.

Definition und Geschichte des Thermometers

Das Thermometer (von griechisch thermos für „warm“ und metron für „Maß“) ist ein Gerät zur Temperaturmessung. Seit seiner Erfindung hat es sich, insbesondere durch die digitale Elektronik, stark weiterentwickelt.

Ursprünglich nutzte man die thermische Ausdehnung von Materialien. Besonders Quecksilber wurde aufgrund seines hohen Ausdehnungskoeffizienten in Glasrohren mit Skala verwendet.

Verschiedene Arten von Thermometern

Quecksilberthermometer

Diese werden oft zur Messung der Außentemperatur verwendet. Die Thermometerkugel ist meist reflektierend beschichtet, um Strahlungseinflüsse zu minimieren und die reine Lufttemperatur präzise zu erfassen.

Bimetall-Thermometer

Ein Bimetall-Thermometer nutzt die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zweier fest verbundener Metallstreifen. Bei Temperaturänderung verbiegt sich der Streifen. Diese Bewegung wird über eine Spirale auf einen Zeiger übertragen, der die Temperatur auf einer Skala anzeigt. Sie sind robust und in Wetterstationen weit verbreitet.

Gasdruckthermometer

Diese gehören zu den genauesten Thermometern. Für die Industrie bestehen sie aus einem Messelement (z. B. Rohrfeder), einer Kapillare und einem mit Stickstoff gefüllten Kolben. Das Volumen des Kolbens muss deutlich größer sein als das der Kapillare, um Messfehler zu vermeiden.

Thermistoren (NTC und PTC)

Ein Thermistor ist ein ohmscher Temperatursensor auf Halbleiterbasis. Man unterscheidet zwei Arten:

• NTC (Heißleiter): Der Widerstand sinkt bei steigender Temperatur (negativer Koeffizient).
• PTC (Kaltleiter): Der Widerstand steigt bei steigender Temperatur (positiver Koeffizient).

Digitale Thermometer nutzen oft diese Wandler, um Spannungsschwankungen elektronisch in Temperaturwerte umzurechnen.

Spezialformen: Globe- und Feuchtthermometer

Das Globe-Thermometer dient der Messung der Strahlungstemperatur. Das Feuchtthermometer hingegen ist ein mit einem feuchten Baumwolltuch umwickeltes Thermometer. Durch die Verdunstungskälte sinkt die Temperatur; die Differenz zum Trockenthermometer erlaubt Rückschlüsse auf die Luftfeuchtigkeit.

Maximum- und Minimum-Thermometer

Das Maximum-Thermometer (Quecksilber) besitzt eine Kapillarverengung, die den Rückfluss des Quecksilbers verhindert, sodass der Höchstwert stehen bleibt. Das Minimum-Thermometer (meist mit Alkohol gefüllt) zeichnet den niedrigsten Wert des Tages auf.

Pyrometer: Berührungslose Messung

Ein Pyrometer misst die Temperatur eines Stoffes ohne direkten Kontakt durch die Erfassung der Infrarotstrahlung. Der Messbereich liegt typischerweise zwischen -50 °C und +4000 °C. Dies ist ideal für flüssiges Eisen oder Glas.

Funktionsprinzip und Emissionsfaktor

Jeder Körper über dem absoluten Nullpunkt strahlt Energie aus. Die Intensität steigt mit der vierten Potenz der Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz). Der Emissionsfaktor gibt an, wie viel Strahlung ein Objekt im Vergleich zu einem „Schwarzen Körper“ abgibt. Bei glänzenden Oberflächen muss dieser Faktor manuell oder automatisch am Gerät angepasst werden.

Typen von Pyrometern

• Strahlungspyrometer: Erfassen die gesamte Strahlung mittels Thermosäule.
• Optische Pyrometer: Vergleichen die Helligkeit eines glühenden Objekts (ab ca. 700 °C) mit einem elektrisch beheizten Faden.
• Infrarot-Pyrometer: Arbeiten ähnlich wie Strahlungspyrometer, sind aber auf das IR-Spektrum begrenzt.

Pyrometer werden bevorzugt eingesetzt, wenn Thermoelemente durch die Atmosphäre beschädigt würden, sich Objekte bewegen oder extrem hohe Temperaturen herrschen.