Techniklexikon

Thermometer

Supraleitung, Tieftemperaturphysik und -technik Thermodynamik und statistische Physik, Temperaturfühler, Geräte zur Messung der Temperatur von Objekten. Sie können auf sehr unterschiedlichen physikalischen, auch chemischen, Prinzipien beruhen.

Man unterscheidet Primärthermometer, die zur Bestimmung der Temperaturfixpunkte (Fixpunkte) dienen, und anwendungsfreundlichere Sekundärthermometer, die den Temperaturbereich dazwischen vermessen. Im Bereich ultratiefer Temperaturen kommen vor allem magnetische Thermometer zur Anwendung. Oberhalb ca. 4 K werden Dampfdruckthermometer und Metall-Widerstands-Thermometer benutzt. Ab ca. Raumtemperatur überwiegen Ausdehnungsthermometer und Thermoelemente, die auch bis zu sehr hohen Temperaturen (ca. 3 500 K) funktionieren.

Dem Messprinzip nach werden zwei Gruppen unterschieden: Berührungsthermometer messen nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes immer nur ihre eigene Temperatur, nehmen jedoch bei optimalem Wärmekontakt praktisch die Temperatur des Messobjektes an. Abhängig vom physikalischen Effekt arbeiten diese Thermometer z.B. auf Grundlage von Zustandsänderungen – etwa infolge der Wärmeausdehnung eines Stoffes wie beim Ausdehnungsthermometer (siehe Abb. 1+2), Dampfdruckthermometer, Gasthermometer (siehe Abb. 3), Metallausdehnungsthermometer – , der Änderung des elektrischen Widerstandes (Widerstandsthermometer), thermoelektrischer Eigenschaften von Werkstoffpaarungen (Thermoelement), der Farbänderung (Temperaturmessfarben), der durch Temperaturänderungen bedingten Veränderung der Eigenfrequenz eines Fühlers wie beim Quarzthermometer, der Thermolumineszenz, der Änderung des thermischen Rauschens elektrischer Widerstände wie in der Rauschthermometrie (3-1 100 K) oder auf der Basis einer Änderung der magnetischen Suszeptibilität bestimmter Salze.

Beim berührungslosen Thermometer bzw. Strahlungsthermometer kommt das Thermometer mit dem Messobjekt nicht in Berührung, sondern misst die Temperatur über die vom Messkörper emittierte Strahlung (Pyrometer, Spektralpyrometer 700-2500 K, Gesamtstrahlungspyrometer 220-420 K). Andere nutzen die Interferenz zwischen einem neben dem warmen Körper gebeugten Lichtstrahl mit einem zweiten Lichtstrahl des gleichen Strahlenbündels (Lichtinterferenzthermometer), die von einem Messmedium abgestrahlten Radiowellen (Mikrowellenthermometer), die Raman-Streuung eines Laserstrahls (Temperaturmessung mit Lasern) oder die Schallausbreitung im Messkörper (akustisches Thermometer, 2-20 K).

Thermometer besitzen auch je nach Einsatz- und Verwendungszweck unterschiedliche Ausführungsformen und Genauigkeitsanforderungen. (Temperaturmessung, Temperaturskala, Internationale Temperaturskala von 1990)

Thermometer 1: Ausdehnungsthermometer; in der dünnen Glaskapillare dehnt sich bei Erwärmung eine farbige Flüssigkeit aus (z.B. Quecksilber oder gefärbtes Ethanol). Falls der Durchmesser der Kapillare überall gleich ist, ist die Temperaturänderung DT proportional zur Längenausdehnung DL.

Thermometer 2: Bimetallthermometer; die beiden Streifen aus unterschiedlichen Metallen dehnen sich bei Erwärmung unterschiedlich aus, was zu einer Biegung des Streifens führt. Die Winkeländerung Dq ist der Temperaturänderung DT proportional.

Thermometer 3: a) Konstantes-Volumen-Gasthermometer; der bewegliche Schenkel rechts wird so lange verschoben, bis der Pegel im linken Schenkel des Quecksilber-Manometers die Referenz-Markierung (untere gestrichelte Linie) erreicht hat, d.h. das Gasvolumen bleibt konstant. Die Verschiebung des rechten Schenkels Dh ist proportional zum Druck des idealen Gases (meistens He) im Glasbehälter, aus dem sich dann seine Temperatur und im thermischen Gleichgewicht damit die des Probekörpers K ableiten lässt. b) Konstanter-Druck-Gasthermometer; hier ist der Druck des Gases in den beiden Schenkeln immer gleich dem Aussendruck p_a, der rechte Schenkel wird so lange verschoben, bis der Hg-Pegel in beiden Schenkeln gleich ist. Dh ist dann dem Volumen des Gases proportional.