Ratgeber
Um auf Veränderungen der Umwelt schnell und gezielt zu reagieren, nutzen Menschen seit Jahrtausenden Hilfsmittel der Messtechnik. Geht es um Temperaturveränderungen, tritt das Thermometer auf den Plan. Eine Form dieser Geräte ist das Bimetall-Thermometer. Wie funktioniert das? Wie exakt messen diese Thermometer und wann werden Bimetallthermometer eingesetzt? Im Conrad-Ratgeber erhalten Sie die wichtigsten Fakten kurz und bündig.
Bereits in der Antike nutzten Menschen das Prinzip der thermischen Ausdehnung für erste Thermomessungen. Ab dem 17. Jahrhundert entwickelten sich die Vorläufer der heute bekannten Geräte, zu denen auch das Bimetallthermometer gehört. Bimetallthermometer sind Messgerät, die es für den Menschen ermöglichen, eine aktuell vorherrschende Temperatur auf einer Anzeige abzulesen.
Um diese Funktion zu erfüllen, besitzen sie drei Elemente:
Metallstreifen
Ein Streifen aus zwei unterschiedlichen Metallen bildet das Kernstück. Die beiden Schichten werden in ihrer Kombination als Thermobimetall, kurz Bimetall, bezeichnet und sind Namensgeber für die Bimetall-Zeigerthermometer. Sie reagieren auf die Änderung der Temperatur.
Schutzrohr
Meist befinden sich die Bimetallstreifen in einem Schutzrohr, das häufig so gestaltet ist, das es auch als Tauchhülse in eine Flüssigkeit getaucht werden kann. Zwei alternative Namen sind daher Tauchrohr oder Tauchschaft. Das Rohr wird dauerhaft so installiert, dass es an der gewünschten Messstelle die Temperaturänderungen des Messmediums registriert.
Gehäuse mit Anzeige
Die gemessene Temperatur wird auf einer Skala mit Zeiger abgelesen. Der Zeigerausschlag sorgt dafür, dass dieser sich bewegt und in Grad Celsius (selten auch Fahrenheit) den Messwert ablesbar macht.
Die verwendeten Materialien sind neben dem Bimetall entweder Messing oder Edelstahl für das Schutzrohr, Kunststoff oder Edelstahl für das Gehäuse sowie Glas (häufig Acrylglas) für die Scheibe auf dem Anzeigebereich.
Unterschiedliche Arten der Thermometer nutzen andere Prozesse. Viele haben jedoch gemein, dass sie erfassen, wie stark sich Flüssigkeiten, Gase oder Festkörper durch schwankende Temperaturen ausdehnen und zusammenziehen. Diese Wärmeausdehnung kann zur Temperaturmessung genutzt werden, wenn die sogenannten Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt sind. Die Ausdehnung oder das Zusammenziehen kann dann in den Messbereich für Temperatur umgerechnet werden.
Bimetall-Thermometer funktionieren ebenfalls nach dem Grundprinzip der Wärmeausdehnung. Genutzt wird ein Bimetallstreifen aus zwei Metallen, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Der Streifen ist in der Form einer Wendelfeder oder Spiralfeder gebogen. Ein Ende befindet sich direkt am Zeiger, das andere am Gehäuse. Bei steigenden Temperaturen dehnt sich eine Metallschicht schneller als die andere aus und es kommt zu einer Krümmung. Diese Verdrehung des Bimetalls wirkt über die Achse auf den Zeiger ein, der je nach Stärke der Krümmung entsprechend ausschlägt und im Anzeigebereich die Temperatur angibt.
Eine Sonderform der Bimetallthermometer können zusätzlich mit Schaltkontakten ausgestattet sein. In diesem Fall führt die Wärmeausdehnung zur Betätigung von Micro-Schaltern. Die Thermometer fungieren so als Thermostate, denn über einen vorab eingestellten Sollwert wird der Abschaltpunkt festgelegt.
Bimetall-Thermostat als Sensor
Dasselbe Funktionsprinzip nutzen alle Bimetall-Thermostate. In ihrem Fall überträgt sich die Krümmung jedoch nicht auf einen Zeiger zur Ablesung der Temperatur, sondern sie wird genutzt, um einen Stromkreis zu öffnen beziehungsweise zu schließen. Wird beispielsweise die gewünschte Raumwärme erreicht, wird die Heizung ausgeschaltet.
Die Messgeräte kommen sowohl in privaten Haushalten als auch in Unternehmen und der Industrie zum Einsatz. Bei der Nutzung muss beachtet werden, dass Bimetall-Thermometer aufgrund ihrer Funktionsweise eine relativ hohe Ungenauigkeit besitzen. Teils sind Abweichungen bis zu zehn Prozent zu erwarten.
Der enorme Vorteil auf der anderen Seite: Bimetallthermometer benötigen keinen Strom und können fernab aller Stromanschlüsse verwendet werden. Da die Bimetalle nach dem Abkühlen wieder in ihre Ausgangslage zurückkehren, können die Thermometer zudem viele Jahrzehnte im Einsatz sein.
Am bekanntesten sind sie als Hilfsmittel in Heizungsanlagen wie der Fußbodenheizung, wo sie als Überhitzungsschutz dienen. Auch in der Gastronomie werden sie genutzt, etwa in Kühlsystemen oder als Einstichthermometer, die mit wenig Aufwand die Temperatur eines Lebensmittels im Backofen anzeigen.
Weitere Einsatzbereiche sind:
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Anlagen- und Maschinenbau
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Straßen- und Gleisbau
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Lebensmittelindustrie
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Landwirtschaft
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Verfahrenstechnik
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Versorgungstechnik
Für den sachgemäßen und sicheren Einsatz der Messtechnik achten Sie vor dem Kauf auf folgende Kriterien:
Temperaturbereich
Das Thermometer muss passend zu den erwarteten Temperaturen gewählt werden. Hier wird zwischen Messbereich und Anzeigebereich unterschieden. Während der Anzeigebereich von der abgebildeten Skala vorgegeben wird, ist der Messbereich jener Bereich, den der Zeiger erreichen kann. Der Anzeigebereich kann beispielsweise zwischen 0 und 160 Grad Celsius liegen, der Messbereich aber kann kleiner ausfallen und 20 bis 140 Grad abdecken.
Genauigkeit
Nach EN 13190 werden Bimetallthermometer in Klassen wie 1,0 und 1,5 oder 2,0 unterteilt. Eine geringere Toleranz besitzen Modelle der Klasse 1 und liefern damit genauerer Messergebnisse.
Länge und Durchmesser des Schutzrohres
Für die geplanten Messungen muss das Edelstahl-Schutzrohr tief genug bis zum geplanten Messbereich geschoben werden können. Kleine Ausführungen beginnen bei einer Schaftlänge von 40 Millimetern, andere liegen bei 100 oder 200 Millimetern. Entscheidend ist zudem der Durchmesser, damit das Schutzrohr gegebenenfalls auch in engen Rohrleitungen eingesetzt werden kann.
Tolerierter Druck
Für die Langlebigkeit und Sicherheit der Messgeräte müssen sie dem maximalen Druck der Umgebung standhalten. Hier unterscheiden sich die Modelle teils stark: Einfache Schutzrohre arbeiten bis 6 bar, andere bis 25 bar.
Schutzart
Der Einsatzbereich entscheidet darüber, wie hoch die Schutzart ausfallen muss. Häufig werden Thermometer mit IP 43 angeboten, es gibt aber auch Modelle höherer Schutzklassen wie IP 51 oder IP 56.
