Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie funktionieren Gasdruck-Federthermometer?
  • Welche Vorteile bieten Gas-Federthermometer im Vergleich zu Flüssigkeitsthermometer?
  • Wie kann der Einfluss der Gehäusetemperatur auf die Temperaturmessung minimiert werden?

Im Gegensatz zu Flüssigkeits-Federthermometern wird in Gasdruck-Federthermometern anstelle einer Flüssigkeit ein Gas als thermometrische Substanz verwendet (auch als Gas-Federthermometer oder Gasthermometer bezeichnet). Gemessen wird wie bei Flüssigkeits-Federthermometer wiederum der Druckanstieg der bei konstantem Volumen mit einer Temperaturerhöhung einhergeht. Bei konstantem Volumen ist der Druck eines idealen Gases nämlich nur durch die Temperatur bestimmt (isochorer Prozess).

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Abbildung: Gasdruck-Federthermometer

In Gasdruck-Federthermometern wird der Druckanstieg der mit einer Temperaturerhöhung verbunden ist zur Temperaturmessung verwendet!

Die untere Abbildung zeigt das Funktionsprinzip eines Gasthermometer, bei der die Druckmessung auf dem Einsatz einer Rohrfeder beruht (auch als Bourdon-Feder bezeichnet). Dabei handelt es sich im Prinzip um ein C-förmig gebogenes Rohr, in dem sich ein Inertgas wie Stickstoff, Helium oder Argon unter hohem Druck befindet. Die Rohrfeder ist mit dem eigentlichen Messrohr verbunden. Das gesamte System ist allseitig gasdicht verschlossen.

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Abbildung: Schnitt durch ein Gasdruck-Federthermometer

Wird das Rohr, und mit diesem das darin befindliche Gas erwärmt, so steigt der Druck, da sich das Gas nicht ausdehnen und dem Druck nachgeben kann (die relativ geringe Wärmeausdehnung des Rohres kann dabei vernachlässigt werden). Das gebogene Rohr biegt sich ähnlich einer Feder durch ansteigenden Druck auf. Diese elastische Verformung infolge des Druckanstiegs dient als Maß für die Temperatur und kann an einer kalibrierten Skala abgelesen werden.

Um die Messempfindlichkeit zu steigern wird die relative geringe Verformung des Rohres bei Druckanstieg nicht direkt auf einer Skala ausgegeben sondern zunächst über einen Hebelmechanismus mit Zahnstange und Ritzel verstärkt und auf einen Zeiger übertragen.

Um den Zeiger aufgrund des Vorhandenen Spiels zwischen Zahnstange und Ritzel zu stabilisieren wird eine Spiralfeder eingebaut, die direkt mit dem Ritzel verbunden ist. Ansonsten würde man je nachdem ob die Temperatur steigt oder sinkt leicht unterschiedliche Temperaturen ablesen, da das Ritzel an jeweils unterschiedlichen Zahnflanken der Zahnstange anliegt.

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Abbildung: Aufbau eines Gasdruck-Federthermometers

Auch Gas-Federthermometer können wie Flüssigkeits-Federthermometer zur Überbrückung von größeren Distanzen mit einer Kapillarleitung ausgestattet werden. Bei großen zu überbrückenden Höhenunterschieden minimiert der relativ große Überdrück im Messsystem den Einfluss des hydrostatischen Drucks auf das Messergebnis.

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Abbildung: Gasdruck-Federthermometer mit flexibler Kapillarleitung

Meist nicht vernachlässigt werden kann jedoch, dass die angezeigte Temperatur strenggenommen nicht nur von der Temperatur des Messfühlers sondern auch von der Temperatur der Rohrfeder beeinflusst wird (das geringe Gasvolumen in der Kapillarleitung ist hingegen meist vernachlässigbar). Wird die Anzeige und damit die Rohrfeder einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, dann steigt zusätzlich der Druck in der Feder und zeigte eine höhere Temperatur als eigentlich am Messfühler vorhanden ist an.

Um diesen Einfluss der Gehäusetemperatur zu minimieren kann auf die Rohrfeder ein Bimetallstreifen als Kompensation aufgebracht werden. Bei einer Erwärmung des Gehäuses ist der Kompensations-Bimetallstreifen dann versucht die Rohrfeder wieder etwas aufzubiegen, um die ansonsten zu hoch angezeigte Temperatur wieder zu korrigieren.

Auch Gas-Federthermometer lassen sich wie Bimetall– oder Flüssigkeits-Federthermometer mit Schaltkontakten ausführen, um regelungstechnische Aufgaben übernehmen zu können. Aufgrund der relativ geringen Wärmekapazität von Gasen, haben Gas-Federthermometer eine sehr kurze Reaktionszeit, d.h. sie reagieren sehr schnell auf Temperaturänderungen. Dafür sind Gas-Federthermometer aufgrund ihres komplexeren Aufbaus teurer als Flüssigkeits-Federthermometer. Je nach thermometrischem Gas können Temperaturen bis zu -200 °C bzw. bis zu über +700 °C mit einem Gas-Federthermometer gemessen werden. Der abgedeckte Temperaturbereich ist somit etwas größer als bei Flüssigkeits-Federthermometern.

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Abbildung: Gasdruck-Federthermometer mit Schaltkontakt

Anmerkung: Nach demselben Prinzip wie das Gas-Federthermometer arbeiten Druckmessgeräte. Anstelle eines geschlossenen Messrohres wird lediglich ein offenes Rohr verwendet, das direkt in das Medium eingebracht wird dessen Druck gemessen werden soll. Anstelle von Temperaturwerten werden auf der Skala Druckwerte abgelesen.