Thermometer: Fühler für die gesamte Prozesskette

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Thermometer sind sowohl im gewerblichen wie industriellen Bereich und auch in der Medizin zu finden. Kaum ein Fertigungsprozess, der auf Temperaturfühler verzichten könnte.

Ohne Temperaturmessung kein leckeres Brot

Ohne Temperaturmessung kein leckeres Brot (#01)

Thermometer: Exakte Messung der Temperaturen

Wäre ein Welt ohne Thermometer denkbar? Ohne exakte Bestimmung der Körpertemperatur beim Verdacht auf bestimmte Krankheiten, ohne Möglichkeit, das Badewasser für das Baby exakt zu temperieren. Eine Welt ohne Messung der Kerntemperatur bei bestimmten Speisen und ohne Temperaturmessung in der Produktion. Gerade hier gäbe es kein Warnsignal, wenn Maschinen und Anlagen überhitzen würden. Generell wäre die Messung der Temperatur ohne Thermometer eine recht subjektive Sache ohne exakte Bestimmbarkeit. Gut, dass schon die Menschen in der Antike begannen, an den ersten Thermometern zu tüfteln.

Die meisten Thermometer setzen auf die Ausdehnung von Flüssigkeiten oder Gasen bei einer Veränderung der Temperatur. Wer sich noch an den Physikunterricht erinnert, weiß ganz sicher, dass sich Körper und Flüssigkeiten bei Wärme ausdehnen, bei Kälte ziehen sie sich wieder zusammen. Das Thermometer nutzt dies bzw. setzt auf den Ausdehnungskoeffizienten. Die Messstelle des Thermometers muss dafür die Temperatur annehmen, die auch das Messobjekt besitzt. Dies wird als „mechanischer Messeffekt“ bezeichnet. Außerdem wird für die Funktion des Thermometers auf das Vorhandensein verschiedener elektrischer Einflüsse gesetzt, denn die Temperatur wirkt sich unter anderem auch auf den elektrischen Widerstand aus.

Es müssen übrigens nicht alle Thermometerarten mit dem Messobjekt in Berührung kommen, denn inzwischen ist auch die berührungslose Temperaturmessung möglich. Sie nutzt die Tatsache, dass alle Messobjekte Wärme abstrahlen und diese per Infrarotmessung erfasst werden kann.

Jedes Thermometer besitzt einen Sensor für die Temperatur, der den Messeffekt aufnimmt. Des Weiteren ist eine Anzeige vorhanden. Diese kann eine Skala sein, an der die Temperatur direkt abgelesen werden kann. Ein digitales Thermometer hingegen präsentiert die gemessenen Werte als Zahl auf dem Display. Häufig gibt ein solches digitales Gerät zusätzlich einen Signalton aus, der eine kritische Temperaturveränderungen anzeigt. Ein Beispiel dafür sind Fieberthermometer, die das Überschreiten der kritischen Marke hörbar werden lassen.

Die Geschichte des Thermometers: Wer hat’s erfunden?

Sicherheit in der Produktion dank hochleistungsfähiger Thermometer

Sicherheit in der Produktion dank hochleistungsfähiger Thermometer(#02)

Genau Angaben können über die Entstehung des Thermometers nicht gemacht werden, denn allem Anschein nach war nicht nur eine einzelne Person daran beteiligt. Verschiedene wissenschaftliche Erkenntnisse flossen zusammen und führten zu dem heute bekannten Begriff der Temperatur und der Messung derselben.

Schon in der Antike war bekannt, dass sich Objekte bei Wärme ausdehnen und es wurde das Thermoskop entwickelt. Hierfür nahmen die antiken Wissenschaftler einen Glasbehälter, tauchten diesen ins Wasser und konnten in der Folge beobachten, wie sich der Wasserstand veränderte.

In Briefen zwischen Galileo Galilei und Giambattista Nelli aus den Jahren zwischen 1612 und 1615 geht hervor, dass beiden ein Instrument zur Wärmemessung bekannt war. Auch ein Galilei bekannter Arzt aus Padua verwendete das Thermoskop zur Messung der Temperatur. Des Weiteren setzte Santorio Santorio aus Pendel, mit denen er den Puls maß. Er verwendete Schnee und Kerzenflammen zur Eichung seiner Thermoskope.

Wichtiges Detail: Die Thermoskope setzten damals nicht auf die Ausdehnung der Flüssigkeit, sondern auf die der Luft. Sie waren vom Prinzip wie ein Barometer aufgebaut, welches den Luftdruck bestimmt. Diese Thermoskope waren daher auch vom Luftdruck abhängig.

Das erste Thermometer, das auf die Ausdehnung von Alkohol setzte, entstand im Jahr 1654 im Auftrag des Großherzogs der Toscana. Ab 1714 wurde Alkohol durch Quecksilber ersetzt, wofür der Niederländer Daniel Gabriel Fahrenheit verantwortlich zeichnete. Er schlug auch im Jahr 1724 die Temperaturskala vor, die nach ihm benannt werden sollte.

Danach lagen die Temperaturpunkte wie folgt verteilt:

  • 0 °F: kältester Punkt einer Kältemischung
  • 32 °F: Schmelzpunkt des Wassers
  • 96 °F: Körpertemperatur des Menschen

Erst in 1742 legte Anders Celsius seine Skala fest, die heute noch genutzt wird und die damals genau umgekehrt zu den heutigen Skala zu lesen war. Celsius legte Gefrier- und Siedepunkt des Wassers als Fixpunkte fest und wählte dafür zwei Punkte, die für alle Menschen nachvollziehbar und alltäglich waren. Außerdem können diese Punkte ohne großen Aufwand überall bestimmt werden. Sie dienen daher der Eichung von Thermometern und als weltweit vergleichbare Messpunkte.

Damit war sichergestellt, dass die Thermometer, die bei gleichem Luftdruck eingesetzt wurden, auch immer die gleichen Werte messen konnten. Celsius hat es zwar nicht erfunden, doch er gilt als Urvater des Thermometers als Messinstrument in der Physik.

Er gab die Skala jedoch mit 0 Grad für siedendes Wasser und 100 ° für gefrierendes Wasser an. Carl von Linné, seines Zeichens nach Naturwissenschaftler und Botaniker aus Schweden vertauschte später die Zahlen, sodass sie denen gleichen, die wir heute für die Temperaturmessung kennen.

Diese Arten von Thermometern sind üblich

Temperaturmessung in komplexen Anlagen

Temperaturmessung in komplexen Anlagen (03)

Zum einen sind Berührungsthermometer zu nennen. Diese benötigen den direkten Kontakt zum Messobjekt und zeigen danach dessen Temperatur an. Allerdings ist es möglich, dass dabei Messfehler auftreten. Diese entstehen vor allem durch einen nicht ausreichenden Kontakt mit dem Messobjekt oder durch eine zu kurze Messdauer. Außerdem ist es möglich, dass die Ableitung der Wärme durch das Thermometer zu groß ist und daher niedrigere Werte angezeigt werden.

Zu nennen sind hierbei die folgenden Thermometerarten:

  • Ausdehnungsthermometer
    Das Prinzip beruht auf der thermischen Ausdehnung und kann bei Fieberthermometern oder Raumthermometern beobachtet werden.
  • Dampfdruckthermometer
    Der Dampfdruck ändert sich im Messbereich stärker als die Temperatur. Dieses Prinzip nutzen diese Thermometerarten.
  • Thermoelemente
    Metallische Leiter aus verschiedenen Materialien sind an einem Ende miteinander verbunden und eignen sich dank des thermoelektrischen Effekts zur Temperaturmessung.
  • Widerstandsthermometer
    Hierbei handelt es sich um elektrische Bauelemente. Sie nutzen die Abhängigkeit der Temperatur des elektrischen Widerstands im elektrischen Leiter.
  • Temperatursensoren
    Temperatursensoren sind elektrische oder elektronische Bauelemente. Sie nutzen ein elektrisches Signal und berechnen daraus die Temperatur.
  • Temperaturmessstreifen
    Sie reagieren auf die sich ändernden Temperaturen an Oberflächen über eine thermoreaktive Beschichtung.
  • Gasthermometer
    Bei einem Gasthermometer stellt die Zustandsgröße das Volumen eines Gases dar. Dieses wirs als ideal bezeichnet. Wird der Druck gemessen, errechnen sich daraus die Temperaturwerte.

Neben den berührungslos messenden Thermometern gibt es die berührungslosen Geräte, die auf die Eigenschaft der Objekte setzen, eine elektromagnetische Strahlung auszusenden. Diese wiederum ist von der Eigentemperatur des jeweiligen Objekts abhängig.

Bei unter 500 °C liegt diese elektromagnetische Temperaturstrahlung im Bereich der Infrarotstrahlung. Sensoren sind für die Messung der Temperaturen in diesem Bereich erforderlich. Die sogenannten Pyrometer haben dabei längst den Weg aus der rein industriellen Nutzung und hin zum privaten Gebrauch geschafft.

 Infrarotthermometer messen berührungslos Temperaturen von Oberflächen

Infrarotthermometer messen berührungslos Temperaturen von Oberflächen (#04)

Unterschieden werden hierbei die Pyrometer für Niedertemperaturen, die einen Messbereich von – 20 °C bis 200 °C aufweisen. Pyrometer für Hochtemperaturen hingegen arbeiten in Temperaturbereichen zwischen 400 °C und 3000 °C.

Die Unterscheidung kann aber auch aufgrund anderer Eigenschaften getroffen werden. So kann ein Gesamtstrahlungspyrometer den größten Teil der Wellenlängen messen, die seitens eines Objekts emittiert werden. Ein Bandstrahlungspyrometer hingegen misst nur einen begrenzten Wellenlängenbereich und nutzt einen Fotoempfänger, um die Strahlung einzufangen. Ein Quotientenpyrometer hingegen misst zwei Wellenlängen und verringert Messfehler, die durch den Einfluss der Emissionsgrade entstehen. Diese müssen bekannt sein, damit die Messung mit größtmöglicher Genauigkeit stattfinden kann.

Strahlungsthermometer sind überdies durch ihre Messwellenlängen zu unterteilen. Hierbei gibt es die langwellig messenden Pyrometer mit einer Messwellenlänge zwischen 3,32 µm und 14 µm sowie die kurzwellig messenden Pyrometer mit der Wellenlänge zwischen 0,8 µm und 2,7 µm. Das Fieberthermometer ist ein Beispiel für die Technik des langwellig messenden Thermometers.

Bei einer Betrachtung der verschiedenen Thermometerarten dürfen die Wärmebildkameras natürlich nicht fehlen. Sie werden im Bereich der bilddarstellenden Messung angewendet und kennzeichnen unterschiedliche Temperaturbereiche mit verschiedenen Farben. Thermometer als Wärmebildkameras wurden ursprünglich nur zu militärischen Zwecken verwendet, werden heute aber auch von der Polizei und beim Schutz der Grenzen eingesetzt. Sie helfen dabei, vermisste Menschen zu finden und sind aus der Bautechnik nicht mehr wegzudenken. Dort decken sie Wärmebrücken auf und helfen bei der Dämmung von Wänden, Dach und Boden.

Sie können zudem Fehler orten und zeigen zum Beispiel bei einer Fußbodenheizung Orte des Wärmeverlusts und somit defekte Stellen an. Wärmebildkameras werden überdies im Maschinenbau, in der Medizin und in der Automatisierung verwendet. Das Display zeigt bei diesen Geräten keine Temperaturen im herkömmlichen Sinne, sondern es wird auf die sogenannte Falschdarstellung der Farben gesetzt.

Weitere Einsatzgebiete der Thermometer

Ob in Technik oder Wissenschaft, im Fertigungs- oder Lagerbereich: Es gibt eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten für Thermometer.

Thermometer in der Lebensmittelüberwachung

Thermometer in der Lebensmittelüberwachung (#05)

Bratenthermometer finden zu Hause ebenso wie im gastronomischen Bereich Anwendung und werden als Einstichthermometer dazu verwendet, die perfekte Innentemperatur von Speisen und Braten zu bestimmen. Die Genauigkeit der Thermometer ist sehr hoch, wenn sie eine gewisse Angleichzeit zugestanden bekommen. Ist der Unterschied zwischen Thermometer- und Umgebungstemperatur sehr groß, würden die angezeigten Werte nicht richtig sein bzw. wäre diese eine große Fehlerquelle.

Jeder kennt das Barometer, welches den Luftdruck misst. Es ist in Funk-Wetterstationen verbaut und zeigt im Display den aktuellen Druck an. Moderne Geräte berechnen aus den ermittelten Werten eine Vorschau und zeigen damit an, ob sich das Wetter demnächst ändern wird oder nicht. Auch die Luftfeuchtigkeit wird dabei berechnet, wobei solche Funk-Wetterstationen meist im Hause aufgestellt werden können. Sie benötigen aber einen Außensensor, der die Werte wie Windgeschwindigkeit, Niederschlagsmenge und weitere Daten aufnimmt.

Im Display werden dann meist sowohl die Innenwerte als auch die Werte vom Außensensor angezeigt, sodass Raum- und Außentemperaturen ebenso erkennbar sind wie die aktuelle Luftfeuchtigkeit drinnen und draußen. Die Genauigkeit derartiger Wetterstationen ist nicht immer gegeben, doch sie bieten inzwischen eine ausreichend gute Datenermittlung und –auswertung. Wer absolute Sicherheit haben möchte, muss allerdings auf professionelle Wetterstationen setzen, die mit äußerster Präzision arbeiten.


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Marius Beilhammer

Über 

Marius Beilhammer, Jahrgang 1969, studierte Journalismus in Bamberg. Er schreibt bereits viele Jahre für technische Fachmagazine, außerdem als freier Autor zu verschiedensten Markt- und Businessthemen. Als fränkische Frohnatur findet er bei seiner Arbeit stets die Balance zwischen Leichtigkeit und umfassendem Know-how durch seine ausgeprägte Affinität zur Technik.

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