Thermometer

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Ein Thermometer (altgriechisch θερμός thermós „warm“ und μέτρον métronMaß, Maßstab“) ist ein Messgerät zur Bestimmung der Temperatur.

Viele Thermometer basieren auf der Temperaturabhängigkeit der Ausdehnung von Flüssigkeiten, Gasen oder Festkörpern, deren Ausdehnungskoeffizient bekannt ist. Dazu muss die Messstelle des Thermometers die Temperatur des Messgegenstands annehmen. Neben diesem mechanischen Messeffekt werden verschiedene von der Temperatur abhängige elektrische Einflüsse genutzt, z. B. der Einflusseffekt der Temperatur auf den elektrischen Widerstand.

Pyrometer hingegen messen ohne Berührung des Messgegenstands anhand seiner für die Temperatur charakteristischen ausgesendeten Temperaturstrahlung.

Das größte Thermometer in Deutschland am Turm des Deutschen Museums in München, 1930

Jedes Thermometer besteht aus einem Temperatur-Sensor (in dem der Messeffekt auftritt) und einer Anzeige (z. B. anhand einer Skale) oder einer Anschlussstelle für ein elektrisches Signal.

Thermometer werden anhand von festen Temperaturpunkten, wie den Tripel- oder Schmelzpunkten bestimmter Materialien, oder anhand eines geeichten Referenzthermometers justiert.

Geschichte

Die Entwicklung des Thermometers lässt sich sicher nicht der Erfindung einer einzelnen Person zuordnen.[1] Vielmehr waren zahlreiche wissenschaftliche Erkenntnisse notwendig, die zu unserem heutigen Temperaturbegriff führten und die Einführung einer Temperaturskala, sowie deren technische Umsetzung ermöglichten.

Der Zusammenhang der Wärmeausdehnung von Luft war bereits in der Antike bekannt (Philon von Byzanz, Heron von Alexandria). Für das Thermoskop wurde ein Glasbehälter in Wasser getaucht und je nach Temperatur stieg oder fiel der Wasserstand. Im zweiten Jahrhundert nach Christus führte Galen acht „Grade der Hitze und Kälte“ ein, die er mit einem Gemisch aus Eis und kochendem Wasser definiert.

In einer Biographie über Galileo Galilei zitiert Giambattista Nelli Briefe zwischen Galileo und seinem Schüler Giovanni Francesco Sagredo aus den Jahren 1612 und 1615, in dem von einem Instrument zum Messen der Wärme die Rede ist. Der Arzt Santorio Santorio aus Padua, der mit Galileo in Kontakt war, nutzte dessen wissenschaftliche Erkenntnisse medizinisch und verwendete sowohl Thermoskope zur Temperaturmessung, als auch Pendel zum Pulsmessen.[2] Santorio hat zwei Referenzpunkte (Schnee und Kerzenflamme) zur Eichung des Thermoskops verwendet. Ebenfalls um diese Zeit bezogen sich der Holländer Cornelius Drebbel und der Engländer Robert Fludd auf den Versuchsaufbau von Heron, aber auch auf ein Manuskript aus dem 12. Jahrhundert.

Alle bis dahin verwendeten Thermoskope nutzten nicht die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit, sondern die der Luft. Sie glichen im Grunde einem Barometer und waren daher insbesondere auch vom Luftdruck abhängig, wie spätestens 1643/44 durch Evangelista Torricelli bekannt war. Ferdinando II. de’ Medici, Großherzog von Toscana, ließ 1654 das erste Thermometer herstellen, das die Ausdehnung von Alkohol in einem geschlossenen Glasrohr ausnutzte.

1724 schlug Daniel Gabriel Fahrenheit die nach ihm benannte Temperaturskala vor, die den kältesten Punkt einer Kältemischung als 0 °F, den Schmelzpunkt von Wasser als 32 °F und die Körpertemperatur des Menschen als 96 °F definierte. Anders Celsius legte seine Skala 1742 anhand von Schmelz- und Siedepunkt von Wasser fest, allerdings andersherum als die heute nach ihm benannte Skala.

1859 formulierte Gustav Robert Kirchhoff das nach ihm benannte Strahlungsgesetz, das den Grundstein für auf Wärmestrahlung basierende Thermometer legte.

Arten von Thermometern

Raumluft-Thermometer mit Funk-Thermometeranzeige für Außentemperatur

Berührungsthermometer

Berührungsthermometer erfordern einen Wärmekontakt zum Messobjekt. Messfehler treten hier vor allem aufgrund unzureichenden Wärmekontaktes zum Messobjekt oder bei zu großer Wärmeableitung durch das Thermometer auf.

Berührungslos messende Thermometer

Berührungslose Temperaturmessung mit Niedertemperatur-Pyrometer (Laser-Messfleckmarkierung)

Berührungslos messende Thermometer nutzen die Eigenschaft, dass Objekte aufgrund ihrer Eigentemperatur eine elektromagnetische Temperaturstrahlung aussenden. Bei unter 500 °C (bis zum Einsetzen von Rotglut) liegt sie im Bereich der Infrarotstrahlung. Zur berührungslosen Temperaturmessung in diesem Bereich sind demnach Infrarotsensoren erforderlich.

  • Ramanthermometer, basierend auf der Ramanspektroskopie (siehe auch Faseroptische Temperaturmessung), benutzen einen frequenzstabilen Messstrahl und werten dessen Rückstreuung aus. Sie können ortsaufgelöst entlang einer Dimension messen.
  • Strahlungsthermometer (Pyrometer) messen anhand der Wärmestrahlung des Messobjektes und wurden in der Vergangenheit in folgende Kategorien unterteilt:
    • Niedertemperaturpyrometer (etwa −20…200 °C), Messwellenlänge um 5 µm…15 µm
    • Hochtemperaturpyrometer (400…3000 °C), Messwellenlängen 1 µm…1,5 µm
Mittlerweile werden die Strahlungsthermometer jedoch anders unterteilt:
  • Langwellig messende Pyrometer (−50…1600 °C), Messwellenlänge: 3,43 µm…14 µm
  • Kurzwellig messende Pyrometer (50…3000 °C), Messwellenlänge: 0,8 µm…2,7 µm

Eine Anwendung ist das Fieberthermometer mit Infrarot-Strahlung.

Eine weitere Anwendung ist die Thermografie-Kamera. Sie liefert zweidimensionale Temperaturprofile (Thermobilder) die im Maschinenbau, der Automatisierung, im F&E-Bereich, in der Medizin, der Sicherheits-/ Überwachungstechnik und im Bauwesen verwendet werden. Für die Darstellung der durch Thermografie erzeugten Bilder dient in der Regel eine Software. Die oft verwendete Falschfarbendarstellung ordnet jeder Farbe eine Temperatur zu. Im Bild ist dazu häufig ein Farbkeil mit einer Temperaturskala eingeblendet.

Sonstige

Ein auf Schwerkraft und temperaturabhängiger Dichte einer Flüssigkeit basierendes Thermometer, das Galileo-Thermometer, wurde nicht von Galileo Galilei erfunden, sondern nur nach ihm benannt.

Kalibrierung

Für die Kalibrierung von Thermometern gibt es den internationalen Standard ITS-90. Anhand dieses Standards kalibriert die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (bzw. der Deutsche Kalibrierdienst oder in Großbritannien die UKASUnited Kingdom Accreditation Service) Platin-Thermometer, die dann als Referenz für Hersteller hergenommen werden. Dabei werden die folgenden Temperaturpunkte verwendet:[3][4][5][6]

Definierende Fixpunkte
Gleichgewichtszustand Temperatur
Absoluter Nullpunkt −273,15 °C      0 K (exakt)
Tripelpunkt des Wasserstoffs im Gleichgewichtszustand −259,3467 °C    13,8033 K
Gleichgewichtswasserstoff bei Dampfdruck 32,9 kPa −256,1 °C ≈ 17,0 K
Gleichgewichtswasserstoff bei Dampfdruck 102,2 kPa −252,9 °C ≈ 20,3 K
Tripelpunkt des Neons −248,5939 °C    24,5561 K
Tripelpunkt des Sauerstoffs −218,7916 °C    54,3584 K
Tripelpunkt des Argons −189,3442 °C    83,8058 K
Tripelpunkt des Quecksilbers   −38,8344 °C  234,3156 K
Tripelpunkt des Wassers     +0,01 °C  273,16 K (exakt)
Schmelzpunkt des Galliums   +29,7646 °C  302,9164 K
Erstarrungspunkt des Indiums   156,5985 °C  429,7485 K
Erstarrungspunkt des Zinns   231,928 °C  505,078 K
Erstarrungspunkt des Zinks   419,527 °C  692,677 K
Erstarrungspunkt des Aluminiums   660,323 °C  933,473 K
Erstarrungspunkt des Silbers   961,78 °C 1234,93 K
Erstarrungspunkt des Goldes 1064,18 °C 1337,33 K
Erstarrungspunkt des Kupfers 1084,62 °C 1357,77 K

Die Kalibrierung der Referenzthermometer findet in sogenannten Fixpunktzellen statt. Das sind Dewargefäße, in denen zum einen der Temperaturfixpunkt realisiert wird, indem zum Beispiel Indium zu seinem Schmelzpunkt erhitzt wird. Andererseits ermöglicht eine Röhre, den Sensor des Referenzthermometers einzubringen.

Messabweichung bei Berührungsthermometern

Statische Abweichung

Eine Messabweichung eines Thermometers wird verursacht

  • einerseits durch die begrenzte Ablesbarkeit: Weder kann der Flüssigkeitsstand in einem herkömmlichen Flüssigkeitsthermometer kaum genauer als auf ein Millimeter ablesen werden, noch ist es möglich, mit einem digitalen Thermometer die Temperatur genauer abzulesen als auf einen Ziffernschritt. Entsprechendes gilt für elektrische Messgeräte.
  • andererseits durch die begrenzte Justierbarkeit: Der Hersteller kann nur innerhalb gewisser Grenzabweichungen die Übereinstimmung mit dem richtigen Wert garantieren. Für Flüssigkeitsthermometer sollen sie in einem zugehörigen Datenblatt angegeben sein. Für industriell eingesetzte Thermoelemente und Platin-Widerstandsthermometer gibt es genormte Festlegungen in verschiedenen Genauigkeitsklassen.

Bei Flüssigkeits-Glasthermometern tritt eine weitere Fehlerquelle auf: Nicht nur die thermometrische Flüssigkeit, sondern auch die Kapillare dehnt sich mit steigender Temperatur aus. Beide müssen dieselbe Temperatur angenommen haben wie die Messstelle. Wird das Thermometer unter anderen Bedingungen betrieben als bei seiner Justierung, ist eine Fadenkorrektur erforderlich. Weiter ist bei Flüssigkeitsglasthermometern der häufig auftretende Parallaxenfehler zu vermeiden. Auch ist darauf zu achten, ob sich die Flüssigkeit bei der Lagerung evtl. in der Kapillare verteilt hat und erst wieder durch Klopfen oder Schleudern zu einem Faden verbunden werden muss.

Dynamische Abweichung

Bei allen Temperaturänderungen folgt der Messwert der tatsächlichen Temperatur mit Verzögerung, weil zur Temperaturangleichung Wärme transportiert werden muss. Für den thermischen Kontakt des Thermometers mit dem Messobjekt sind zu berücksichtigen,

  • ob es für einen Laborversuch eingesetzt werden soll, oder ob es in einen Produktionsprozess vor korrosiven, aggressiven und abrasiven Medien geschützt werden muss
  • ob eine Gas- oder Flüssigkeits-Temperatur gemessen werden soll
  • mit welcher Geschwindigkeit das Messgut das Thermometer umströmt

in
mm
Luft mit 1,0 m/s Wasser mit 0,4 m/s
in s in s in s in s
Flüssigkeits-Glasthermometer (Hg) 6 40–60 120–180 3 – 5 6 – 10
Dampfdruckfederthermometer in Schutzrohr 22 350–400 1200–1400 80–90 240–300
Thermoelement-Messeinsatz 6 40–60 150–180 0,3–0,8 1,0–1,5
Thermoelement in Schutzrohr Form C 11 100–120 320–400 7–9 30–50
Thermoelement in Schutzrohr Form D 24 320–400 900–1200 10–20 60–120
Mantelthermoelement, Messstelle isoliert 3 20–25 70–90 0,4–0,6 1,0–1,2
Mantelthermoelement, Messstelle isoliert 1,5 8–12 28–40 0,11–0,18 0,35–0,5
Widerstandsthermometer Übergangszeiten 10 % bis 25 % größer als bei
vergleichbar gebauten Thermoelementen
  • sein Durchmesser (⌀).

Kennzeichnend für das Zeitverhalten sind Übergangszeiten, in denen der Messwert einer sprunghaften Temperaturänderung folgt, und zwar zu 50 % und zu 90 %. Die nebenstehende Tabelle gibt auszugsweise Erfahrungswerte an aus VDI/VDE 3511, Blatt 2 (Berührungsthermometer).

Siehe auch

Literatur

Weblinks

 Commons: Thermometer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Thermometer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Gerhard Stöhr: Thermometrie – Geschichte. Freunde alter Wetterinstrumente, 2002, abgerufen am 6. Dezember 2010.
  2. Fritz Burckhardt: Die Erfindung des Thermometers, Basel 1867, nach G. Schör.
  3. Herbert Windisch: Thermodynamik: Ein Lehrbuch für Ingenieure. de Gruyter Oldenbourg, 5. Aufl. 2014, S. 15
  4. Klaus Irrgang (Hrsg.): Temperaturmesspraxis mit Widerstandsthermometern und Thermoelementen. Vulkan, 2004, S. 3
  5. Frank Bernhard (Hrsg.): Handbuch der Technischen Temperaturmessung. Springer Vieweg, 2. Aufl. 2014, S. 39 u. 524ff
  6. Peter Stephan, Karlheinz Schaber, Karl Stephan, Franz Mayinger: Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: Einstoffsysteme. Springer Vieweg, 19. Aufl. 2013, S. 17