Thermometer technisch erklärt: So funktioniert das Messgerät

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Ein Thermometer ist technisch betrachtet ein Fühler, der die Temperatur messen kann und auf einer Skala wiedergibt. Es gibt viele unterschiedliche Thermometer, die verschiedene Messbereiche und Skalen aufweisen. Auch die Messtechnik unterscheidet sich. Am häufigsten sind heutzutage die elektronischen und die Flüssigkeitsthermometer anzutreffen.

Wozu man ein Thermometer braucht

Wir Menschen können über unsere Haut Temperaturunterschiede wahrnehmen. Unsere Sinneszellen merken also, wenn die Umgebungstemperatur fällt oder ansteigt. Dieses Empfinden ist aber stark subjektiv geprägt und unterliegt keiner Skala. So kommt es, dass ein Raum für manche Menschen sehr warm, für andere dagegen wohltemperiert und für wieder andere sogar zu kalt sein kann.

Unser Temperaturempfinden ist außerdem abhängig von unserem derzeitigen körperlichen Status. Wenn wir uns bewegt haben, die Muskeln warm sind und wir bei guter Gesundheit sind, dann empfinden wir Kälte weniger unangenehm. Sind wir dagegen müde, hungrig oder krank, schlottern wir schon, wenn die Temperatur nur um ein paar Grad fällt. Ein Mensch kann also unmöglich nur über sein Temperaturempfinden eine korrekte Aussage über die exakte Temperatur machen.

Fassen wir einen Gegenstand an, und haben kalte Hände, erscheint er uns ganz anders temperiert, als wenn wir warme Hände haben. Und Schluss endlich wird unser Temperaturempfinden auch vom Material des Objektes beeinflusst. Während wir Gegenstände aus Holz eher warm einschätzen, erscheinen uns

Gegenstände aus Metall oder Glas kühler, selbst wenn alle drei dieselbe Temperatur aufweisen. Unser körpereigener Temperatursinn dient also hauptsächlich dazu, für uns individuell zu arbeiten. Eine valide Messung, wie mit einem Thermometer ist nicht möglich.

Wir Menschen können über unsere Haut Temperaturunterschiede wahrnehmen. Unsere Sinneszellen merken also, wenn die Umgebungstemperatur fällt oder ansteigt. Dieses Empfinden ist aber stark subjektiv geprägt und unterliegt keiner Skala. ( Foto: Shutterstock- _Xmentoys )

Wir Menschen können über unsere Haut Temperaturunterschiede wahrnehmen. Unsere Sinneszellen merken also, wenn die Umgebungstemperatur fällt oder ansteigt. Dieses Empfinden ist aber stark subjektiv geprägt und unterliegt keiner Skala. ( Foto: Shutterstock- _Xmentoys )

Was unser Temperatursinn leistet im Gegensatz zum Thermometer

 

Temperaturbeurteilung Mensch Thermometer
Vergleichbarkeit Subjektive Messung abhängig vom physischen Zustand, den individuellen Vorlieben und dem Material Bei entsprechender Kalibrierung sind die Messwerte immer vergleichbar
Individuelle Bedeutung Menschen beurteilen die Temperatur immer aus ihrer aktuellen Situation heraus. So weiß man schnell, ob etwas zu warm oder zu kalt für den Körper ist. Der Messwert lässt nur eingeschränkt einen direkten Rückschluss auf die individuelle Bedeutung zu. So kann eine Wassertemperatur von 30 Grad Celsius kalt sein, wenn man zuvor eine Sauna besucht hat und warm, wenn man zuvor in der Kälte stand.
Genauigkeit Der Mensch kann Temperaturunterschiede wahrnehmen aber keine absolute Temperatur Angabe in einer genauen Maßeinheit (Kelvin, Celsius, Fahrenheit oder Réaumur)

Geht es also darum, eine exakte Temperatur zu ermitteln, dann liegt das Thermometer technisch weit vorne. Intuitiv eine Temperatur zu beurteilen, das funktioniert hingegen hervorragend und ohne weitere Vorkenntnisse über unsere Sinne.

Ein Beispiel wie sich Thermometer und Sinneswahrnehmung im Alltag ergänzen: Eine Mutter misst bei ihrem Kind Fieber. Zunächst wird Sie ihre Hand auf die Stirn des Kindes legen, um herauszufinden, ob diese ungewöhnlich warm ist. So kann sie feststellen: Ja, das Kind hat Fieber oder nein, es ist alles in Ordnung. Bei einem erhärteten Fieberverdacht erfolgt die exakte Messung der Körpertemperatur über ein Thermometer. Erst jetzt kann die Mutter gesichert feststellen, ob Medikamente notwendig sind, oder gar Gefahr droht.

Thermometer technisch erklärt: Flüssigkeitsthermometer

Diese kennen die meisten noch aus ihrer Kindheit. Eine Glasphiole ist mit einer Flüssigkeit gefüllt und zusammen mit einer Messskala in einen Glaskolben eingeschlossen. Unten befindet sich eine Metallspitze, die als Temperaturfühler dient.

Um die exakte Temperatur zu bestimmen, muss zunächst die Flüssigkeit in der Phiole heruntergeschüttelt werden. Dann wird die Messspitze auf das Objekt aufgesetzt, dessen Temperatur man bestimmen will. Das kann ein Lebewesen oder Ding sein, aber auch Badewasser und sogar mit der umgebenden Luft funktioniert das Thermometer.

Das zu Grunde liegende Prinzip ist recht einfach erklärt. Flüssigkeit dehnt sich bei ansteigender Temperatur aus, und zieht sich bei fallender Temperatur zusammen. Steigt die Temperatur nun an, dann steigt auch der Flüssigkeitsspiegel im Anzeigeröhrchen. Auf einer Skala kann man die Temperatur ablesen.

Die Flüssigkeit im Thermometer ist in der Regel Alkohol. Wasser ist ungeeignet. Es gefriert bei 0 Grad Celsius und es dehnt sich nicht gleichmäßig bei ansteigender Temperatur aus. Früher wurde in Thermometern auch Quecksilber verwendet. Allerdings ist das flüssige Metall hochgiftig. Daher kommt es heute nicht mehr zum Einsatz und ist sogar in Deutschland für den Vertrieb verboten.

Wer dennoch ein Thermometer mit silbriger Flüssigkeit im Einzelhandel findet, der kann davon ausgehen, dass Galinstan verwendet wurde. Ein ungefährliches Gemisch aus Gallium, Indium und Zinn. Ob Alkohol in dem Röhrchen verwendet wurde, erkennt man an der Farbe. Alkohol wird, zur besseren Sichtbarkeit, eingefärbt, meistens rot oder blau.

Wer auf eine exakte Temperaturmessung besteht, der ist mit dem Flüssigkeitsthermometer gut beraten. ( Foto: Shutterstock- Madele )

Wer auf eine exakte Temperaturmessung besteht, der ist mit dem Flüssigkeitsthermometer gut beraten. ( Foto: Shutterstock- Madele )

Vor- und Nachteile des Flüssigkeitsthermometers

Wer auf eine exakte Temperaturmessung besteht, der ist mit dem Flüssigkeitsthermometer gut beraten. Die Skala kann frei definiert werden und so sind sowohl Messungen von 35 bis 42 Grad mit genauen Abstufungen in Zehntelgraden (Fieberthermometer) als auch Messungen von -30 bis +30 Grad Celsius (Wetterstation) möglich.

Da die Säule länger stehen bleibt, hat das Flüssigkeitsthermometer quasi eine eingebaute Memoryfuntkion, praktisch für den medizinischen Einsatz. Ein weiterer Vorteil ist die Zuverlässigkeit dieser mechanischen Messung. Solange das Messröhrchen intakt ist und die Skala ablesbar, liefert das Thermometer exakte Werte.
Aber es ist auch empfindlich. Es kann herunterfallen und zerbrechen. Das ist der größte Nachteil des Flüssigkeitsthermometers.

Thermometer technisch erklärt: Bimetallthermometer

Vielleicht hat der eine oder andere ein Bratenthermometer oder ein Kühlschrankthermometer zuhause. Hier handelt es sich meistens um Bimetallthermometer.

Sie funktionieren wie folgt:

  • Ein Bimetallstreifen (zwei verschiedene Metalle flächig aufeinander liegend verbunden) wird spiralförmig aufgewickelt. Am Ende befindet sich ein Zeiger
  • Die Biegung des Metallstreifens ändert sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung der zwei Materialien.
  • Damit bewegt sich auch der Zeiger auf der Temperaturskala.

Bimetallthermometer werden auch in der Haustechnik und beim Heizungsbau verwendet.

Vor- und Nachteile der Bimetallthermometer

Diese Thermometer sind technisch so aufgebaut, dass die Reaktion auf Temperaturänderungen sofort erfolgt. Sie können, aufgrund ihrer mechanischen Arbeitsweise auch Funktionen auslösen und so Beispielsweise in Herdplatten, Bügeleisen oder im Kühlschrank eine An- und Abschaltautomatik ermöglichen. Dabei benötigen Sie keinen Strom, was ein großer Vorteil ist gegenüber elektronischen Sensoren.

Die Sensoren können kaputt gehen, die Bimetallthermometer nicht. Für eine Sicherheitsabschaltautomatik, die zu hohe Temperaturen vermeiden soll, ist das Bimetallthermometer daher die bessere Wahl. Allerdings ist es sehr ungenau. Abweichungen von bis zu 10 Prozent sind die Regel. Es kann also nur in Bereichen eingesetzt werden, bei denen diese Ungenauigkeit keine Rolle spielt.

Thermometer technisch erklärt: Das elektronische Thermometer

Bei einem elektronischen Thermometer wird die Veränderung des Widerstandes eines elektrischen Halbleiters in Bezug zur Temperatur gesetzt. Der Halbleiter wird dabei als Messfühler eingesetzt. Verwendet man zum Beispiel einen Heißleiter, dann wird der Widerstand mit steigender Temperatur kleiner. Das elektronische Thermometer ist technisch dazu in der Lage, diese Veränderung der Temperatur auf einem Display anzugeben.

Verwendet man statt eines Halbleiters einen Metallleiter, dann nennt man dieses Thermometer Widerstandsthermometer. Die Funktionsweise bleibt jedoch gleich.

Das elektronische Thermometer ist zu Anfang sehr genau, unterliegt aber einem zeitlichen Verschleiß. ( Foto: Shutterstock- RossHelen  )

Das elektronische Thermometer ist zu Anfang sehr genau, unterliegt aber einem zeitlichen Verschleiß. ( Foto: Shutterstock- RossHelen )

Vor- und Nachteile des elektronischen Thermometers

Das elektronische Thermometer ist zu Anfang sehr genau, unterliegt aber einem zeitlichen Verschleiß. Dafür ist das Ablesen der Anzeige kinderleicht und quasi mit einer Null-Fehlerquote behaftet. Wer Zahlen lesen kann, kann auch die Temperatur korrekt ablesen. Bei einer Skala kann man sich auch einmal verschauen.

Weitere Vorteile sind, dass der Messfühler nur sehr klein sein muss und die Anzeige auch weit entfernt vom Messfühler stattfinden kann. Ein Nachteil kann die Gebundenheit an eine Stromquelle darstellen.

Andere Arten an Thermometern technisch erklärt

Ein besonders hübsches und dekoratives Thermometer ist das nach Galilei. Hier schwimmen Kugeln in einer Flüssigkeit. Die Kugeln sind ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt, die alle eine andere Dichte aufweisen. Je nach Außentemperatur wandern unterschiedliche Kugeln nach oben. Die Kugeln tragen ein kleines Schild, auf dem eine Temperaturangabe steht. So kann man diese bequem ablesen.

Eine andere Form eines Thermometers sind Thermostreifen. Diese verändern ja nach Temperatur ihre Farbe. Eine praktische Anwendung findet dieses Prinzip zum Beispiel bei Kinderbesteck oder Strohhalmen. Verfärben sich die Gegenstände, kann man die Temperatur der Speise oder des Getränkes besser abschätzen.

Thermometer technisch erklärt: Die Vor- und Nachteile der einzelnen Messgeräte im Überblick

Thermometer technisch eingeteilt Genauigkeit Zuverlässigkeit Bedienbarkeit und Ablesen Technische Voraussetzungen Andere Bewertungsmerkmale Einsatzgebiete

Flüssigkeitsthermometer

sehr gut sehr gut einfach zu bedienen und gut abzulesen keine sehr zerbrechlich Über dort, wo sehr genau Messungen stattfinden sollen

Bimetallthermometer

mittel sehr gut einfach zu bedienen und gut abzulesen keine sehr robust Besonders gut geeignet, wenn gleichzeitige Schaltfunktionen verlangt werden (Bügeleisen, Herd, usw.)

Elektronisches Thermometer

sehr gut Unterliegt zeitlichem Verschleiß sehr einfach abzulesen, Bedienung muss erlernt werden Stromquelle nötig (Akkus, Batterien, Netzbetrieb) Messfühler und Display können räumlich getrennt sein. Überall dort, wo eine schnelles und einfach abzulesendes Ergebnis verlangt wird (Fieber messen, Badewasser messen usw.)

Galileo Thermometer

mittel sehr gut sehr gut in Bedienung und Ablesen keine dekorativ Eine hübsche Möglichkeit einer funktionellen Raumdekoration

Thermofarben

gut gut sehr gut in Bedienung und Ablesen keine clevere Einsatzmöglichkeiten Essbesteck, Strohhalme, Armbänder zur Bestimmung der Körpertemperatur usw.

 

Wichtig zu wissen: Damit ein Thermometer ein gutes Messergebnis abliefert, muss es zunächst geeicht werden. Diesen Vorgang nennt man Kalibrierung. Zur Überprüfung wird mit exakten Referenzergebnissen die Temperaturanzeige des Thermometers bei der Produktion stichprobenartig überprüft. Wer ein genaues Thermometer sucht, sollte immer auf eines mit Kalibrierung zurückgreifen.

Die Frage nach dem besten Thermometer kann man pauschal nicht beantworten. Vielmehr muss man die unterschiedlichen Thermometer technisch unterscheiden und den jeweiligen Einsatzgebieten zuordnen.  ( Foto: Shutterstock- pamir )

Die Frage nach dem besten Thermometer kann man pauschal nicht beantworten. Vielmehr muss man die unterschiedlichen Thermometer technisch unterscheiden und den jeweiligen Einsatzgebieten zuordnen. ( Foto: Shutterstock- pamir )

Fazit

Die Frage nach dem besten Thermometer kann man pauschal nicht beantworten. Vielmehr muss man die unterschiedlichen Thermometer technisch unterscheiden und den jeweiligen Einsatzgebieten zuordnen. Sucht man beispielsweise ein Thermometer, dass eine Notabschaltung bei zu viel Hitze auslösen soll, ist ein elektronisches Gerät völlig ungeeignet, da es leicht kaputt gehen kann.

Ebenso ist ein Flüssigkeitsthermometer keine gute Wahl, da es keine Schaltungen auslösen kann. Möchte man jedoch in einem sehr engen Bereich exakt messen, tritt das Bimetallthermometer hinter den beiden gerade genannten Varianten zurück.

Geht es darum die Raumtemperatur ästhetisch darzustellen, ist das Galileo-Thermometer perfekt, und für das Thermometer das technisch auf Thermofarben basiert, muss man nicht einmal lesen und schreiben können, um es zu verstehen: Grün heißt kalt, gelb heißt warm, rot bedeutet heiß. Das verstehen sogar Kinder. Wer die Thermometer technisch in ihren Vor- und Nachteilen unterscheiden kann, tut sich mit der Wahl also nicht mehr schwer.

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