Wie funktioniert ein Bimetall-Thermometer?

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Ein Bimetall-Thermometer nutzt das Prinzip der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Metallen zur Temperaturmessung. Zwei fest miteinander verbundene Metallstreifen, beispielsweise aus Stahl und Messing, dehnen sich bei Erwärmung unterschiedlich stark aus, wodurch sich der Streifen verbiegt. Diese Verbiegung dient als Maß für die Temperatur und kann auf einer kalibrierten Skala abgelesen werden.

Bimetall-Thermometer sind aufgrund ihrer metallischen Werkstoffe in einem breiten Temperaturbereich von unter -100 °C bis über 500 °C einsetzbar. Die Herstellung erfolgt durch Walzen und anschließendes Erhitzen der Metallbleche, wodurch sie sich durch Diffusion stoffschlüssig verbinden. Aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit werden Bimetallstreifen auch als Sicherheitsbauteile zur automatischen Abschaltung genutzt. Beispielsweise enthalten Wasserkocher Bimetallstreifen, die sich bei Erreichen der Siedetemperatur verbiegen und dadurch den Stromkreis unterbrechen, um das Gerät auszuschalten.

Um die Mess-Empfindlichkeit eines Bimetallstreifens zu erhöhen, wird dieser häufig platzsparend aufgerollt und als Bimetallfeder verwendet. Dabei gibt es zwei Bauarten: die Bimetall-Spiralfeder und die Bimetall-Schraubenfeder. Bei der Bimetall-Spiralfeder wird der aufgerollte Bimetallstreifen zu einer Spirale geformt. Das innere Ende der Spirale ist fest mit dem Gehäuse verbunden, während am äußeren Ende ein Zeiger angebracht wird. Die gemessene Temperatur kann dann auf einer Skala abgelesen werden. Diese Bauweise ist platzsparend und kostengünstig, jedoch befindet sich der gesamte Temperatursensor im zu messenden Medium, was bedeutet, dass Anzeige und Sensor nicht voneinander getrennt sind. Solche Thermometer werden beispielsweise in Kühlschränken, Gefrierschränken oder zur Bestimmung der Raumtemperatur eingesetzt.

In vielen Anwendungen ist es jedoch notwendig, die Temperaturanzeige vom Sensor zu trennen, etwa in der Heizungstechnik, wenn die Wassertemperatur in einem Heizungsrohr gemessen werden soll. Auch in der Lebensmittelindustrie muss häufig die Temperatur im Inneren von Lebensmitteln bestimmt werden, während die Anzeige sich außerhalb befindet. In solchen Fällen kommen Bimetall-Thermometer mit einer Bimetall-Schraubenfeder zum Einsatz. Die Schraubenfeder ist an einem Ende fest mit dem Inneren eines Messrohres verbunden und an einem zylindrischen Stift angebracht, der fest in den Messschaft eingepresst wird. Eine drehbar gelagerte Metallstange, die mit dem losen Ende der Spiralfeder verbunden ist, wird durch diese Schraubenfeder geführt. Am oberen Ende dieser Stange befindet sich ein Zeiger. Erwärmt sich das Messrohr, windet sich die Schraubenfeder auf, wodurch die Metallstange gedreht wird. Auf einer kalibrierten Skala kann dann die entsprechende Temperatur abgelesen werden.

Zusätzlich können Bimetall-Thermometer mit Schaltkontakten ausgestattet werden, die bei Überschreiten oder Unterschreiten bestimmter Temperaturen einen elektrischen Kontakt schließen oder öffnen. Dadurch lassen sich regelungstechnische Aufgaben übernehmen. Ein Beispiel ist ein Thermostat für Fußbodenheizungen: Bei zu hohen Temperaturen schaltet es aus Sicherheitsgründen die Heizungspumpe ab und aktiviert sie wieder, sobald die Temperatur unter einen festgelegten Wert fällt.

00:00 Aufbau eines Bimetalls
01:16 Bimetall-Spiralfeder (Bimetallfeder)
02:34 Bimetall-Schraubenfeder
03:43 Schaltkontakte