Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie funktioniert ein Flüssigkeits-Federthermometer?
  • Weshalb sollte der Innendurchmesser des aufgewickelten Rohres so gering wie möglich gehalten werden?
  • Wie können große Distanzen zwischen Messstelle und Anzeige überbrückt werden?
  • Was muss bei großen zu überwindenden Höhenunterschieden zwischen Messstelle und Anzeige beachtet werden?

In Flüssigkeitsdruck-Federthermometern (auch Flüssigkeits-Federthermometer oder Tensionsthermometer genannt) wird wie in Flüssigkeits-Glasthermometern eine Flüssigkeit als thermometrische Substanz verwendet. Gemessen wird dabei allerdings nicht die Ausdehnung der Flüssigkeit, sondern vielmehr der Druckanstieg der mit einer Temperaturerhöhung einhergeht, wenn die Flüssigkeit ein geschlossenes Volumen restlos einnimmt. Das Volumen der thermometrischen Flüssigkeit bleibt im Gegensatz zu Flüssigkeits-Glasthermometern also konstant.

Flüssigkeitsdruck-Federthermometer
Abbildung: Flüssigkeitsdruck-Federthermometer

Je höher die Temperatur der Flüssigkeit dabei ist, desto stärker ist diese versucht sich auszudehnen und umso stärker wird bei konstantem Volumen (d.h. bei Verhinderung der Volumenausdehung) der Druckanstieg sein. Dieses Prinzip kann man folglich nutzen, um an einer kalibrierten Skala aus dem Druckanstieg die entsprechende Temperatur zu ermitteln.

Flüssigkeits-Federthermometer (Tensionsthermometer) nutzen als Messprinzip den Druckanstieg einer Flüssigkeit, wenn dieses ein geschlossenes Volumen restlos einnimmt!

Bei Flüssigkeits-Federthermometern muss folglich der Druck gemessen werden und per Anzeige in einen Temperaturwert überführt werden. Hierzu wird bspw. ein Rohr spiralförmig aufgewickelt und mit einer thermometrischen Flüssigkeit gefüllt und anschließend beidseitig verschlossen.

Schnitt durch ein Flüssigkeitsdruck-Federthermometer
Abbildung: Schnitt durch ein Flüssigkeitsdruck-Federthermometer

Steigt die Temperatur der Flüssigkeit und damit der Druck, dann versucht dieser das spiralförmige Rohr ähnlich einer Feder aufzubiegen. Aus diesem Grund wird das gebogene Rohr auch als Rohrfeder bezeichnet (auch Bourdon-Feder oder Bourdon-Rohr genannt). Das elastische Aufbiegen des Rohres bei einer Temperaturerhöhung wird direkt auf einen drehbar gelagerten Zeiger übertragen. An einer kalibrierten Skala kann dann schließlich die entsprechende Temperatur abgelesen werden.

Animation: Funktionsweise eines Flüssigkeitsdruck-Federthermometers

Damit Temperaturanzeige und Temperaturfühler räumlich getrennt werden können, hat die spiralförmige Rohrfeder nur einen relativ geringen Innendurchmesser und beinhaltet somit nur ein geringes Flüssigkeitsvolumen. Das größte Flüssigkeitsvolumen befindet im eigentlichen Messfühler, der der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird. Damit reagiert das Flüssigkeits-Federthermometer hauptsächlich auf die Temperaturänderung im Messfühler und nicht auf Temperaturänderungen im Gehäuse.

Wenn große Distanzen überbrückt werden müssen, können Flüssigkeits-Federthermometer auch mit einer Kapillarleitung ausgestattet werden, die eine zusätzliche Distanz zwischen Bourdon-Feder (Temperaturanzeige) und Temperaturfühler schafft. Wenn sehr große Höhenunterschiede mit einer Kapillarleitung überbrückt werden sollen, muss jedoch eventuell ein Druckgradient aufgrund des hydrostatischen Druckes beachtet werden, der das Messergebnis verfälscht.

Flüssigkeitsdruck-Federthermometer mit flexibler Kapillarleitung
Abbildung: Flüssigkeitsdruck-Federthermometer mit flexibler Kapillarleitung

Darüber hinaus können Flüssigkeits-Federthermometer auch mit Schaltkontakten ausgestattet werden, die ein elektrisches Signal bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einer bestimmten Temperatur auslösen. Auf diese Weise können Flüssigkeits-Federthermometer auch in der Regelungstechnik eingesetzt werden.

Flüssigkeitsdruck-Federthermometer mit Schaltkontakt
Abbildung: Flüssigkeitsdruck-Federthermometer mit Schaltkontakt

Dabei muss jedoch beachtet werden, dass diese Thermometerart relativ träge auf Temperaturänderungen reagiert. Dies ist auf die relativ große Wärmekapazität der thermometrischen Flüssigkeit zurückzuführen, da Flüssigkeiten im Allgemeinen eine relativ lange Zeit benötigen bis sie sich der Temperatur des zu messenden Mediums angepasst haben. Deutlich schneller als Flüssigkeiten reagieren Gase auf Temperaturänderungen. Auf dieser Grundlage basieren die im nachfolgenden Abschnitt näher erläuterten Gas-Federthermometer.