So funktioniert’s in der Technik

Temperaturmessung

Von mechanischen Systemen bis zu automatisierten Prozessen – die Temperatur ist eine der am häufigsten gemessenen technisch-physikalischen Größen. Grund genug, die populärsten Messmethoden kurz vorzustellen.Bild: Hadrian / Shutterstock.com150629_VDI_RL_702x363-V1-T12

Ob man Fieber hat oder das Badewasser für das Kind angenehm ist, messen wir mit der Hand beziehungsweise mit dem Finger. In direktem Kontakt mit Stirn oder Wasser dient uns unsere Körpertemperatur dabei als Referenzwert. Haben wir die Wanne zu heiß einlaufen lassen, bemerken wir das bereits, wenn unsere Hand sich der Wasseroberfläche nähert. Und schon haben wir nach den beiden Prinzipien die Temperatur „gemessen“, nach denen es auch in der Technik funktioniert: durch Messungen mit und ohne Berührung des Messobjekts.

Technische Temperaturmessung im Alltag
Die technische Temperaturmessung begegnet uns im täglichen Leben oft: Wasch- und Spülmaschine, Bügeleisen, Elektroherd, Backofen, Motoren von Autos und Motorrädern – die vorliegende Ist-Temperatur wird dabei auf die – meist von uns voreingestellte – Soll-Temperatur geregelt. Die Messung von Temperatur ist aber nicht nur bei Regelungen von Bedeutung. Sie ist auch bei Messungen anderer Größen zusätzlich notwendig, weil praktisch alle mechanischen, elektrischen, magnetischen oder optischen Stoffeigenschaften mehr oder weniger stark temperaturabhängig sind. Die Temperaturabhängigkeit der Stoffeigenschaften ist zugleich die Grundlage vieler Methoden zur Temperaturmessung. Bestes Beispiel ist hier die temperaturabhängige Dichte von Quecksilber, das in analogen Fieberthermometern zur Anwendung in wissenschaftlichen und medizinischen Bereichen steckt. Und nicht zuletzt sind Stoffwerte ausgewählter Materialien Basis der internationalen Temperaturskala.

Internationale Temperaturskala
Die Internationale Temperaturskala von 1990, ITS-90 , definiert Temperaturen in den Einheiten Kelvin und Celsius und ist Basis für die Vergleichbarkeit von Temperaturmessungen. Das Kelvin ist mittels des absoluten Nullpunkts (0 K) und des Tripelpunkts von Wasser (273,16 K, 0,01° C) definiert. Diese Definition bei Temperaturen zu verwenden, die vom Tripelpunkt des Wassers weit entfernt sind, ist sehr unhandlich, da entsprechende Verfahren zur Bestimmung der absoluten Temperatur extrem aufwendig und mit hoher Unsicherheit verbunden sind. Deshalb legt die ITS-90 spezielle Temperaturen fest, beginnend bei 0,65 K bis zu den höchsten Temperaturen, die praktisch mithilfe des planckschen Strahlungsgesetzes messbar sind. Zu den Fixpunkten gehören die Tripelpunkte von Neon, Sauerstoff, Argon und Quecksilber, der Schmelzpunkt des Galliums, die Erstarrungspunkte von Indium, Zinn, Zink, Aluminium, Silber, Gold und Kupfer, der Dampfdruck des Heliums und des Gleichgewichtswasserstoffs sowie dessen Tripelpunkt. Temperaturen zwischen den Fixpunkten werden mit festgelegten Normalgeräten gemessen, die an den Fixpunkten kalibriert werden. Aus den Anzeigen der Normalgeräte erhält man die Temperatur mithilfe vorgeschriebener Definitionsgleichungen, wie sie in Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI/VDE 3511 zu finden sind.

Methoden der Temperaturmessung
Abhängig davon, in welchem Temperaturbereich man messen möchte, kommen verschiedene Thermometer zum Einsatz. Am häufigsten sind dies sogenannte Berührungsthermometer. Dazu zählen Flüssigkeits- und Widerstandsthermometer sowie Thermoelemente, die alle das zu messende Medium berühren oder in dieses eingetaucht werden. Ein berührungsloses Verfahren ist die Thermografie oder auch Strahlungsthermometrie genannt. Mit ihr sind Temperaturmessungen möglich, an denen direkte Messungen nicht vorgenommen werden können, zum Beispiel bei sehr hohen Temperaturen wie bei Abgasen von Verbrennungsprozessen. Die Temperaturmessung bei Instandhaltungsaufgaben oder zur Qualitätssicherung kann mit berührungslosen auch in-line, das heißt ohne Unterbrechung des Produktionsablaufs, stattfinden. Zudem stehen die Messergebnisse schnell bereit, sogar in Echtzeit.
Im 19. Jahrhundert entdeckten die Herren Stefan und Boltzmann die Messmethode, deren Funktionsprinzip darauf beruht, dass jeder Körper entsprechend seiner Temperatur Energie in Form von Lichtwellen im Infrarotbereich ausstrahlt. Je höher die Temperatur des Objekts, desto mehr Energie gibt es ab. Die Infrarotsysteme wandeln die Wärmestrahlung über einen Detektor in elektrische Signale um und errechnen aus diesen Informationen die Temperatur. Zu den IR-Messgeräten gehören Pyrometer für die Überwachung von Punkten an Oberflächen, Zeilenkameras, zum Beispiel für die Überwachung von Produktionsprozessen, und Matrix- oder FPA-Kameras für die Überwachung von flächenhaften Strukturen. Mit dieser Art von Wärmebildkameras sucht beispielsweise die Polizei in Wäldern nach Vermissten oder Flüchtigen. Auch die Isolierung, genauer gesagt die Wärmeverluste an Häusern, lässt sich damit überprüfen.

In unserem Film „Messtechnik – Unsichtbare Präzision überall“ fassen wir die verschiedenen Aspekte der Messtechnik zusammen:

Iris_LindnerAutorin: Iris Lindner
Die Diplom-Ingenieurin (FH) ist für uns in Sachen Berichterstattung rund um die VDI-Richtlinien in den sozialen Netzwerken unterwegs.

Kommentare & Pingbacks

2 Gedanken zu “Temperaturmessung

  1. Sehr geehrte Damen und Herren,

    ich finde es sehr positiv mit dem eingestellten Video für die VDI Richtlinien zu werben.
    Kann dieses Video auch für Schulungen und Seminare in denen VDI Richtlinien vorgestellt werden
    zur Verfügung gestellt werden?

    Mit freundlichen Grüßen
    W. Mühlberger

  2. Hallo Herr Mühlberger,
    wir freuen uns, dass Ihnen unser Video gefällt. Gerne können Sie den Film für Ihren Unterricht verwenden.
    Viele Grüße
    Stephan Hasselbach

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