Viele Thermometer basieren auf der Temperaturabhängigkeit der Ausdehnung von Flüssigkeiten, Gasen oder Festkörpern, derenAusdehnungskoeffizient bekannt ist. Dazu muss die Messstelle des Thermometers die Temperatur des Messgegenstands annehmen. Neben diesem mechanischenMesseffekt werden verschiedene von der Temperatur abhängige elektrische Einflüsse genutzt, z. B. der Einflusseffekt der Temperatur auf denelektrischen Widerstand.
Pyrometer hingegen messen ohne Berührung des Messgegenstands anhand seiner für die Temperatur charakteristischen ausgesendetenTemperaturstrahlung.
Das größte Thermometer in Deutschland am Turm desDeutschen Museums in München, 1930
Jedes Thermometer besteht aus einem Temperatur-Sensor (in dem der Messeffekt auftritt) und einerAnzeige (z. B. anhand einerSkale) oder einer Anschlussstelle für einelektrisches Signal.
Thermometer werden anhand von festen Temperaturpunkten, wie denTripel- oderSchmelzpunkten bestimmter Materialien, oder anhand eines geeichten Referenzthermometersjustiert.
Die Entwicklung des Thermometers lässt sich nicht der Erfindung einer einzelnen Person zuordnen.[1] Vielmehr waren zahlreiche wissenschaftliche Erkenntnisse notwendig, die zu unserem heutigen Temperaturbegriff führten und die Einführung einerTemperaturskala sowie deren technische Umsetzung ermöglichten.
Die Empfindungen „heiß“ und „kalt“ sind unmittelbar mit demTastsinn verbunden, der aber kaum eine zuverlässige Bestimmung verschiedener Wärmegrade zulässt. Die griechische Philosophie behandelte das Gegensatzpaar heiß–kalt in ihren Betrachtungen, machte aber keinen Versuch einer zahlenmäßigen Beschreibung.[2] Der griechische ArztGalen führte im zweiten Jahrhundert acht „Grade der Hitze und Kälte“ ein: Jeweils vier Grade über und unter einem neutralen Mittelpunkt, der einer Mischung gleicher Mengen von Eiswasser und kochendem Wasser entsprechen sollte.[2]
Bereits in der Antike war die durch Temperaturänderungen bewirktethermische Ausdehnung von Luft dazu verwendet worden, verschiedene Mechanismen in Bewegung zu setzen, so etwa durchPhilon von Byzanz oderHeron von Alexandria. Aber erst im frühen 17. Jahrhundert wurde dieses Prinzip in einem Vorläufer des Thermometers, demThermoskop, zur Bestimmung von Temperaturen benutzt. Es handelte sich um eine Glaskugel mit einem angesetzten langen dünnen Glasrohr, dessen untere Öffnung in Wasser tauchte.[3][4] Die durch Temperaturänderungen verursachten Volumenänderungen der eingeschlossenen Luft ließen die Wassersäule im Rohr steigen oder fallen.[3] Das Thermoskop hatte zumindest anfänglich noch keine Skala, die Länge der Wassersäule wurde mit einem Zirkel abgegriffen.[5]
Giovanni Francesco Sagredo beschrieb ab 1612 in Briefen anGalileo Galilei, wie er solche Instrumente, deren Erfindung er Galilei zuschrieb, in verschiedenen Formen herstellte.[4] Er beobachtete damit die Temperatur der kalten Winterluft, führte Buch über eine sommerliche Hitzewelle und verglich die Temperaturen verschieden großer Seen.[6] Der ArztSantorio 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.[7] Santorio benutzte Schnee und eine Kerzenflamme als zwei Referenzpunkte zur Eichung des Thermoskops.
Alle bis dahin verwendeten Thermoskope nutzten nicht die thermische Ausdehnung der Flüssigkeit, sondern die der Luft. Sie glichen im Grunde einemBarometer und waren daher insbesondere auch vom Luftdruck abhängig, wie spätestens 1643/44 durchEvangelista 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.Réaumur entwickelte 1730[8] ein Alkohol-Thermometer und die nach ihm benannteTemperaturskala.
Ab etwa 1714 ersetzteDaniel Gabriel Fahrenheit in Amsterdam den Alkohol durchQuecksilber und erfand dasQuecksilberthermometer. 1702 entwickelte der dänische AstronomOle Rømer eineSkala mit zwei Fixpunkten.[9] 1724 schlug Daniel Gabriel Fahrenheit die nach ihm benannteTemperaturskala vor, die den kältesten Punkt einerKältemischung 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.
Anton de Haen verwendete in seinen Krankengeschichten die Temperaturmessung. AuchJames Currie verwertete in seinen 1797 veröffentlichtenMedical reports on the effect of water cold and warm as a remedy in fever and other diseases die Temperatur für therapeutische Zwecke.[10]
Berührungsthermometer erfordern einen Wärmekontakt zum Messobjekt.Messabweichungen treten hier vor allem aufgrund unzureichenden Wärmekontaktes zum Messobjekt oder bei zu großer Wärmeableitung durch das Thermometer auf.
Folienthermometer,Temperaturmessstreifen, Klebepads mit irreversiblem Farbwechsel oderFlüssigkristall-Thermometer (z. B. Weinflaschenthermometer) beruhen auf denthermochromen Eigenschaften von Flüssigkristallen.
Berührungslose Temperaturmessung mit Niedertemperatur-Pyrometer (Laser-Messfleckmarkierung)
Berührungslos messende Thermometer (Pyrometer) nutzen die Eigenschaft, dass Objekte aufgrund ihrer Eigentemperatur eine elektromagnetischeTemperaturstrahlung aussenden. Bei unter 500 °C (bis zum Einsetzen vonRotglut) liegt sie im Bereich derInfrarotstrahlung. Zur berührungslosen Temperaturmessung in diesem Bereich sind demnachInfrarotsensoren erforderlich.Pyrometer wurden in der Vergangenheit in folgende Kategorien unterteilt:
Niedertemperaturpyrometer (etwa −20…200 °C), Messwellenlänge um 5 µm…15 µm
AuchThermografie-Kameras sind zusammen mit einer bilddarstellendenSoftware als Thermometer geeignet. Sie liefert zweidimensionale Temperaturprofile (Thermobilder), die im Maschinenbau, derAutomatisierung, imF&E-Bereich, in derMedizin, der Sicherheits-/Überwachungstechnik und imBauwesen verwendet werden. Die oft verwendeteFalschfarbendarstellung ordnet jeder Farbe eine Temperatur zu. Im Bild ist dazu häufig ein Farbkeil mit einer Temperaturskala eingeblendet.
Ein auf Schwerkraft und temperaturabhängigerDichte einer Flüssigkeit basierendes Thermometer, dasGalileo-Thermometer, wurde nicht vonGalileo Galilei erfunden, sondern nur nach ihm benannt.
Ramanthermometer, basierend auf derRamanspektroskopie (siehe auchFaseroptische Temperaturmessung), benutzen einen frequenzstabilen Messstrahl und werten dessen Rückstreuung aus. Sie können ortsaufgelöst entlang einer Dimension messen.
Die Kalibrierung der Referenzthermometer findet in sogenanntenFixpunktzellen statt. Das sindDewargefäße, in denen zum einen ein Temperaturfixpunkt realisiert wird, indem zum Beispiel Indium zu seinem Schmelzpunkt erhitzt wird. Der (oben genannte) Erstarrungspunkt stellt sich dann während des Erstarrungsvorgangs ein. Eine Röhre ermöglicht, den Sensor des Referenzthermometers in die Fixpunktzelle einzuführen.
Der Flüssigkeitsstand in einem herkömmlichen Flüssigkeitsthermometer kann kaum genauer als auf einen Millimeter abgelesen werden
Bei einem digitalen Thermometer ist die Genauigkeit auf einenZiffernschritt begrenzt. Entsprechendes gilt für elektrische Messgeräte
andererseits durch die begrenzte Justierbarkeit: Der Hersteller kann nur innerhalb gewisserGrenzabweichungen die Übereinstimmung mit demrichtigen Wert garantieren. Für Flüssigkeitsthermometer sollen sie in einem zugehörigen Datenblatt angegeben sein. Für industriell eingesetzteThermoelemente undPlatin-Widerstandsthermometer gibt es genormte Festlegungen in verschiedenen Genauigkeitsklassen
BeiFlüssigkeits-Glasthermometern tritt eine weitere Fehlerquelle auf: Nicht nur die thermometrische Flüssigkeit, sondern auch dieKapillare 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 eineFadenkorrektur erforderlich. Weiter ist bei Flüssigkeitsglasthermometern der häufig auftretendeParallaxenfehler 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.
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).
↑Gerhard Stöhr: Thermometrie – Geschichte. Freunde alter Wetterinstrumente, 2002, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 4. September 2012; abgerufen am 4. September 2012. (archiviert)
↑abW.E. Knowles Middleton:A History of the Thermometer and Its Use in Meteorology. Johns Hopkins, Baltimore 1966,ISBN 0-8018-7153-0, S. 3
↑Paul Diepgen,Heinz Goerke:Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 26.
↑Tom Shachtman:Absolute Zero and the Conquest of Cold. 2000,ISBN 978-0-547-52595-2 (englisch).
↑Georg Fischer:Chirurgie vor 100 Jahren. Historische Studie. [Gewidmet derDeutschen Gesellschaft für Chirurgie]. Verlag von F. C. W. Vogel, Leipzig 1876; Neudruck mit dem UntertitelHistorische Studie über das 18. Jahrhundert aus dem Jahre 1876 und mit einem Vorwort vonRolf Winau: Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York 1978,ISBN 3-540-08751-6, S. 372.
↑Herbert Windisch:Thermodynamik: Ein Lehrbuch für Ingenieure. 5. Auflage. de Gruyter Oldenbourg, 2014, S. 15.
↑Klaus Irrgang (Hrsg.):Temperaturmesspraxis mit Widerstandsthermometern und Thermoelementen. Vulkan, 2004, S. 3.
↑Frank Bernhard (Hrsg.):Handbuch der Technischen Temperaturmessung. 2. Auflage. Springer Vieweg, 2014, S. 39, 524ff.
↑Peter Stephan, Karlheinz Schaber,Karl Stephan, Franz Mayinger:Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen, Band 1:Einstoffsysteme. 19. Auflage. Springer Vieweg, 2013, S. 17.
