Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie funktionieren Bimetall-Thermometer?
  • Warum wird das Bimetall zu einer Spirale oder einer Schraube aufgewickelt?
  • Weshalb werden manche Bimetall-Thermometer mit Schaltkontakten ausgerüstet?

Funktionsweise

Eine Möglichkeit Temperaturen zu messen, beruht auf dem Prinzip der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Festkörpern. Hierzu werden zwei Metallstreifen (z.B. Stahl und Messing) mit unterschiedlich starkem Ausdehnungsverhalten fest miteinander verbunden. Bei Erwärmung kommt es aufgrund der unterschiedlich starken Ausdehnung zu einem Verziehen des Metallstreifens. Die Verbiegung ist dabei ein Maß für die Temperatur und kann über eine kalibrierte Skala abgelesen werden.

Aufbau und Funktion eines Bimetall-Streifens
Abbildung: Aufbau und Funktion eines Bimetall-Streifens

In Bimetallthermometern wird die unterschiedliche starke Ausdehnung von Metallen und die damit verbundene Verformung zur Messung der Temperatur genutzt!

Animation: Funktionsweise eines Bimetall-Thermometers

Bimetallthermometer können aufgrund ihrer metallischen Werkstoffe bei Temperatur von unter -100 °C bis über 500 °C eingesetzt werden.

Hergestellt werden Bimetallstreifen durch Walzen der aufeinandergelegten Metallbleche und anschließendem erhitzen, sodass sich die Metalle an der Verbindungsstelle durch Diffusionsprozesse stoffschlüssig verbinden (Kaltverschweißung).

Anmerkung: Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Bimetallstreifens wird dieses auch häufig als Sicherheitsbauteil zur automatischen Abschaltung verwendet. So findet man Bimetallstreifen bspw. in Wasserkochern wieder, die bei zu starker Erwärmung (bzw. bei Erreichen der Siedetemperatur) den Wasserkocher durch Öffnen des Stromkreises selbsttätig abzuschalten.

Arten von Biemetall-Thermometer

Die Biegung und somit die Messempfindlichkeit eines Bimetallstreifens beim Einsatz als Temperatursensor ist umso größer, je länger der Streifen ist. Deshalb wird sehr häufig ein langer Bimetallstreifen möglichst platzsparend aufgerollt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Bimetallfeder. Je nachdem ob die Bimetallfeder zu einer Spirale oder einer Schraube verdreht wird, können zwei unterschiedliche Bauarten unterschieden werden.

Bimetall-Spirale
Abbildung: Bimetall-Spirale
Animation: Bimetall-Spirale

Bimetall-Thermometer mit Spiralfeder

Die einfachste und zugleich am häufigsten verwendete Bauart eines Bimetall-Thermometers besteht im Aufwickeln des Bimetallstreifens zu einer Spiralfeder. Das innere Ende der Spirale wird dabei fest mit dem Gehäuse verbunden. Am äußeren Ende wird auf dem Bimetallstreifen ein Zeiger angebracht. An einer kalibrierten Skala kann dann die entsprechende Temperatur abgelesen werden.

Bimetall-Thermometer (spiralform)
Abbildung: Bimetall-Thermometer (spiralform)

Eine solche Bauweise mittels Bimetall-Spiralfeder ist nicht nur sehr platzsparend sondern auch kostengünstig. Nachteilig ist jedoch, dass der die Anzeige und der Temperatursensor nicht voneinander getrennt sind. Das gesamte Bimetallthermometer muss sich also direkt im Medium befinden, dessen Temperatur gemessen werden soll. Eingesetzt werden solche Thermometer zum Beispiel in Kühl- oder Gefrierschränken oder zur Bestimmung der Zimmertemperatur in Räumen.

Animation: Funktionsweise eines Bimetall-Thermometers (spiralform)

Bimetall-Thermometer mit Schraubenfeder

In vielen Fällen ist es nötigt die Temperaturanzeige vom Temperaturfühler zu trennen. Zum Beispiel wenn wie in der Heizungstechnik üblich die Wassertemperatur in einem Heizungsrohr gemessen werden soll. Der Temperatursensor muss sich dann im Inneren des Rohres befinden, während die Anzeige zur Temperaturablesung außerhalb angebracht werden muss. Oder auch in der Lebensmittelindustrie ist eine Trennung von Anzeige und Sensor nötig, wenn bspw. die Temperatur im Inneren von Lebensmittel gemessen werden muss (“Einstechthermometer”).

Bimetallthermometers (schraubenform)
Abbildung: Bimetallthermometers (schraubenform)
Abbildung: Funktionsweise eines Bimetallthermometers (schraubenform)

In diesen Fällen werden Bimetallthermometer mit einer Bimetall-Schraubenfeder ausgestattet. Die Schraubenfeder ist an einem Ende fest mit dem Inneren eines Messrohr verbunden (die Schraubenfeder ist hierzu an einem zylindrischen Stift angebracht, der fest in den Messschaft eingepresst wird). Durch diese Schraubenfeder und den Stift wird eine drehbar gelagerte Metallstange geführt, die mit dem losen Ende der Spiralfeder verbunden ist. Am oberen Ende der Metallstange ist ein Zeiger angebracht. Wird das Messrohr nun erwärmt, dann windet sich die Schraubenfeder auf und dreht die Metallstange. An einer kalibrierten Skala kann schließlich die entsprechende Temperatur abgelesen werden.

Aufbau eines Bimetallthermometers (schraubenform)
Abbildung: Aufbau eines Bimetallthermometers (schraubenform)
Funktionsweise eines Bimetallthermometers (schraubenform)
Abbildung: Funktionsweise eines Bimetallthermometers (schraubenform)

Solche Bimetall-Thermometer können auch mit Schaltkontakten ausgerüstet werden, die bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer bestimmten Temperatur einen elektrischen Kontakt schließen und entsprechend ein elektrisches Signal auslösen. Schaltkontakte können somit regelungstechnische Aufgaben übernehmen, z.B. als Thermostat für Fußbodenheizungen, das bei zu hohen Temperaturen die Heizungspumpe aus Sicherheitsgründen abschaltet und bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur wieder einschaltet.

Bimetallthermometer mit Schaltkontakt
Abbildung: Bimetallthermometer mit Schaltkontakt