Akademik

Thermometer

 

das, österreichisch und schweizerisch auch der, -s/-, Temperaturmesser, jedes Instrument zur Messung der Temperatur. Die Funktion der Thermometer beruht auf mechanischen, elektrischen, magnetischen oder optischen Erscheinungen, die mit der Temperatur über bekannte physikalische Gesetzmäßigkeiten verbunden sind. Messprinzipien der am häufigsten verwendeten Berührungsthermometer sind die Volumenänderung fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe und die Änderung des elektrischen Widerstandes, jeweils in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, und bei Thermoelementen der Seebeck-Effekt. Der Messfühler von Berührungsthermometern wird mit dem Messobjekt in engen thermischen Kontakt gebracht, wodurch er dessen Temperatur annimmt. Bei Strahlungsthermometern (Bolometer, Pyrometer) ist dagegen eine Berührung nicht erforderlich. Bei Thermometern, die auf der thermischen Ausdehnung (Ausdehnungsthermometer) beruhen, unterscheidet man entsprechend dem sich ausdehnenden Stoff Flüssigkeitsthermometer, Metallausdehnungsthermometer, Dampfdruckthermometer und Gasthermometer.

 

Flüssigkeitsthermometer oder Flüssigkeitsglasthermometer bestehen aus einem kleinen Glaskolben zur Aufnahme der Thermometerflüssigkeit mit angeschmolzener kalibrierter Glaskapillare (Haarröhrchen konstanten Durchmessers) und einer Anzeige. Entsprechend der Temperaturänderung ändert die Flüssigkeit ihr Volumen und steigt beziehungsweise sinkt in der Kapillare. Die Temperatur wird aus dem Stand der Flüssigkeit in der Kapillare auf Skalenmarkierungen abgelesen, die nach einer bestimmten Temperaturskala eingeteilt sind. Der Raum über der Flüssigkeit ist evakuiert, bisweilen auch mit einem unter hohem Druck stehenden neutralen Gas (Argon, Stickstoff) gefüllt, um das Verdampfen der Flüssigkeit zu verhindern. Je nach dem gewünschten Messbereich verwendet man als Messflüssigkeit organischer Flüssigkeiten, z. B. Alkohol (Alkoholthermometer oder Äthylalkoholthermometer, Messbereich —110 ºC bis 50 ºC), Toluol (—90 ºC bis 110 ºC) oder Pentan (—200 ºC bis 35 ºC) und sehr häufig Quecksilber, das wegen seiner Eigenschaft, Glas nicht zu benetzen, bevorzugt wird. Quecksilberthermometer sind von —39 ºC (Erstarrungspunkt) bis rd. 150 ºC (merkliche Verdampfung) einsetzbar. Bei Verwendung von Quarzglas und Gasdruck bis 50 bar kann der Messbereich bis 750 ºC erweitert werden. Für höhere Temperaturen ist flüssiges Gallium als Thermometerflüssigkeit geeignet. Sonderformen des Quecksilberthermometers sind das Beckmann-Thermometer, das Hypsothermometer (Hypsometer), das zur Betätigung elektrischer Schaltvorrichtungen dienende Kontaktthermometer (Quecksilber schließt beziehungsweise öffnet bei einer vorgewählten Temperatur über eingeschmolzene Kontakte einen Stromkreis) sowie das Maximumthermometer und das Minimumthermometer zur Bestimmung des Höchst- beziehungsweise Tiefstwertes der Temperatur. Beim Maximumthermometer ist zwischen Thermometergefäß und Kapillare eine Verengung angebracht, durch die das Quecksilber bei steigender Temperatur in die Kapillare, bei sinkender Temperatur jedoch nicht von selbst wieder in das Thermometergefäß zurückgelangen kann. Die Neueinstellung erfolgt durch kräftiges Schütteln nach unten (z. B. beim Fieberthermometer), wodurch sich der abgerissene Quecksilberfaden wieder mit dem Quecksilber des Thermometergefäßes vereinigt. Beim Minimumthermometer befindet sich in der Kapillare ein gefärbter beweglicher Glasstift, der bei sinkender Temperatur mit der Flüssigkeit (durch die Oberflächenspannung) mitgeführt wird. Bei steigender Temperatur fließt die Flüssigkeit an dem Stift vorbei; dieser bleibt liegen und zeigt die tiefste erreichte Temperatur an. Das Maximum-Minimum-Thermometer ist ein u-förmig gebogenes Alkoholthermometer, in dessen Kapillare die Flüssigkeit durch einen Quecksilberfaden unterbrochen ist; auf beiden Enden des Quecksilberfadens liegt je ein Eisenstäbchen, das mit dem Quecksilberfaden jeweils in Richtung maximaler oder minimaler Temperaturanzeige verschoben wird und nach dem Ablesen durch Lösen des festhaltenden Magneten auf die Quecksilbersäule zurückgebracht werden kann.

 

Metallausdehnungsthermometer werden im Temperaturbereich von 0 ºC bis 1 000 ºC eingesetzt; für Temperaturen bis 300 ºC bestehen sie aus Messing, bis 600 ºC aus Nickel und bis 1 000 ºC aus Chromnickel. Stabthermometer sind Metallausdehnungsthermometer, die die unterschiedliche Ausdehnung zweier verschiedener Metallstäbe ausnutzen. Sie dienen ausschließlich als Schalter, mit dem ein elektrischer Kontakt betätigt wird. Das Bimetallthermometer besteht aus einem Bimetallstreifen, der sich abhängig von der Temperatur krümmt. Die Krümmung kann durch einen Zeiger sichtbar gemacht oder durch eine Schreibvorrichtung aufgezeichnet werden (Thermograph).

 

Widerstandsthermometer nutzen die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands aus. Bei Temperaturfühlern aus Metallen, z. B. Kupfer, Nickel oder Platin, erhöht sich der ohmsche Widerstand proportional zur Temperatur, bei Verwendung von Thermistoren aus verschiedenen halbleitenden Materialien (Halbleiterthermometer) ist es umgekehrt. Um die Wärmeableitung möglichst gering zu halten, sind die Widerstandsdrähte auf Glimmer oder Keramik gewickelt und von Schutzrohren aus Glas, Nickel oder, bei höheren Temperaturen, von Quarzglas oder glasiertem Porzellan umgeben. Als Normale bei der Darstellung der Kelvin-Skala im Gebiet von 13 K bis 1 235 K verwendet man Widerstandsthermometer aus spektroskopisch reinem Platin. Die Messunsicherheit liegt hier zwischen 3 und 100 mK. Für technische Zwecke eignen sich Widerstandsthermometer mit einem Sollwert von 100 Ω bei 0 ºC. Die Fehler bei 20 ºC betragen etwa 0,3 ºC, bei 500 ºC etwa 2,5 ºC. Die Signalverarbeitung erfolgt in einer Messbrücke. Digitalthermometer enthalten Halbleiterdioden, Transistoren oder integrierte Schaltungen als Messfühler sowie eine Stromstabilisierungsschaltung und ein digital anzeigendes, in ºC geeichtes Digitalvoltmeter; sie nutzen die weitgehend lineare Spannungs-Temperatur-Charakteristik eines p-n-Übergangs bei konstantem Strom in Durchlassrichtung.

 

Sonderverfahren zur Temperaturmessung, bei denen flüssige Kristalle, Temperaturfarben, Temperaturfarbstifte, Temperaturmesskörper und Segerkegel verwendet werden, zeigen durch Farbumschlag beziehungsweise Schmelzen jeweils nur eine bestimmte Temperatur an. (Thermochromie)