Zur Temperaturmessung werden üblicherweise zwei Arten von Sensoren verwendet: Thermoelemente und Pt100 Widerstandsthermometer. Auf dieser Seite finden Sie ausführlichere Informationen zu:
- Geschichte der Temperaturmessung und das erste gute Thermometer von Fahrenheit
- Thermoelement (Spannungsmessung):
- Funktionsprinzip von Thermoelementen
- korrekter Anschluss von Thermoelementen (Thermoelementleitung, Ausgleichsleitung, Thermoelementstecker)
- häufige Fehler bei Thermoelementen
- Pt100 Widerstandsthermometer (RTD) und SPRT (Standard Platin Widerstandsthermometer für Kalibrierzwecke)
- Messprinzipien und korrekter Anschluss von Pt100 Sensoren (2-, 3- oder 4-Leiter)
- Unterschiede zwischen Thermoelementen und Pt100/SPRT Sensoren
- Genauigkeitsklassen von Thermoelementen und Pt100/SPRT Sensoren
Geschichte der Temperaturmessung
Subjektive Temperaturmessung
Innerhalb eines normalen Temperaturbereichs können wir durch Berühren grob abschätzen, wie heiß etwas ist. Dies kann jedoch unzuverlässig sein: Wenn Sie eine Hand in kaltes Wasser, eine in warmes Wasser und dann beide in lauwarmes Wasser legen, zeigt eine Hand an, dass es heiß ist, während sich die andere kalt anfühlt.
Bei etwas, das zu heiß ist um an zu fassen, können wir oft ein Gefühl dafür bekommen, wie heiß es ist, indem wir näher herangehen und die Strahlungswärme spüren.
Wenn die Temperatur ausreichend ansteigt, beginnt es zu glühen und man kann dan sehen, dass es heiß ist!
Das Problem mit diesem subjektiven Wärmeempfinden ist, dass es nicht bei jedem gleich ist. Wenn sich unsere Hände nicht darauf einigen können, ob Wasser heiß oder kalt ist, wie stehen dann die Chancen, dass eine Gruppe von Menschen einen einheitlichen Standard festlegen kann?
Wir müssen ein Gerät entwickeln, das auf einfache, messbare Weise auf die Temperatur reagiert – wir brauchen ein Thermometer.
Temperaturunterschiede erkennen: Philo von Byzanz (Alexandria, klassische Antike)
Eines der ersten dokumentierten Temperaturmessexperimente ist das Thermoskop des griechischen Ingenieurs Philo von Byzanz (ca. 280–220 v. Chr.).
Er nahm eine hohle Bleikugel, die gasdicht mit einem Ende eines Rohrs verbunden war. Das andere Ende des Rohrs war in einem anderen Gefäß versenkt.
Um Philo zu zitieren:
- Wenn Sie die Kugel im Sonne setzen, entweicht ein Teil der Luft im Inneren des Rohrs, da es sich erwärmt. Dies ist daran zu erkennen, dass die Luft aus dem Rohr ins Wasser sinkt, es aufwirbelt und eine Reihe von Blasen erzeugt.
- Wird die hohle Bleikugel nun wieder in den Schatten gestellt, also dort, wo die Sonnenstrahlen sie nicht erreichen, steigt das Wasser auf und fließt durch das Rohr.
- Egal, wie oft Sie die Aktion wiederholen, es wird immer das Gleiche passieren.
- Tatsächlich ist das Ergebnis dasselbe, wenn Sie die hohle Bleikugel mit Feuer erhitzen oder sogar heißes Wasser darüber gießen.
Beachten Sie, dass Philo das tat, was ein echter Forscher tun sollte: Er überprüfte, ob das Experiment reproduzierbar war, und stellte fest, dass die Ausdehnung der Luft eine Reaktion auf die auf die Kugel ausgeübte Wärme war und unabhängig von der Wärmequelle war.
Das erste Thermometer: Galileo Galilei (Italien, Renaissance)
Im Nordosten Italiens wurde das Thermometer spätestens 1612 von Santorio Santorre oder Galileo Galilei in Padua oder Venedig erfunden.
Aus diesem Jahr stammen Briefe zwischen Sagredo und Galilei, in denen es um Thermometer geht. Sagredo schreibt Santorio zunächst die Erfindung zu, doch Galilei korrigiert ihn und behauptet, die Thermometer selbst erfunden zu haben. Später betrachten italienische Wissenschaftler Galilei als den Erfinder des Thermometers.
Im selben Jahr veröffentlichte Santorio ein Buch mit dem Titel „Kommentare zu Galen“, in dem er ein Thermometer und seine Verwendung in der Medizin beschreibt. Santorio nennt Hero als Inspiration für dieses Gerät.
Die italienische Geschichte wird durch ein Buch, das Telioux 1611 in Rom schrieb, noch komplizierter. Seine Beschreibung der Funktionsweise ist völliger Unsinn, und das Bild, das er zeichnet, lässt sich nicht rekonstruieren. Obwohl es früher entstand, hat er es eindeutig nicht selbst erfunden.
Da Telioux aus Rom schrieb, müssen Thermometer bereits in ganz Norditalien verbreitet gewesen sein. W.E. Knowles Middleton, Autor von A HISTORY OF THE THERMOMETER AND ITS USE IN METEOROLOGY (1966), geht davon aus, dass das Thermometer höchstwahrscheinlich in den 1590er oder 1600er Jahren erfunden wurde, als Santorio und Galileo gemeinsam an der Universität Padua studierten. Da sich Telioux’ Diagramm jedoch deutlich von den Paduaner Thermometern unterscheidet, ist es möglich, dass es sich um die grobe Darstellung einer anderen, unabhängigen Erfindung aus Mittelitalien handelt.
(links) Santorios Thermometer:
- Die obere Kugel ist mit Luft befüllt
- Der untere Teil des Rohres enthält gefärbtes Wasser
- Der breitere Teil unten ist mit dem Wasser im Rohr verbunden und mit der Luft
- Das Thermometer verfügt nicht über eine Skala, daher wurden Schnüre verwendet, um die verschiedenen Werte anzuzeigen.
(rechts) Telioux‘ Zeichnung eines Thermometers:
- Besteht aus zwei ineinander gesteckten Langhalskolben. Beachten Sie, dass Sie diese beiden Kolben nicht auf diese Weise verbinden können, da beide eine ausgestellte Spitze haben.
- Der obere Kolben enthält Luft
- Der untere Kolben enthält Wasser.
- Es gibt deutlich erkennbar eine Skala, um den Wasserstand zwischen den beiden Kolben zu messen.
Galileis Thermometer Experiment
In einem Brief an Ferdinando Cesarini (ca. 1606–1646) vom 20. September 1638 beschrieb Benedetto Castelli (1577/8–1643) die Verwendung des Thermoskops: „Ich erinnere mich an ein Experiment, das mir unser Meister Galileo vor mehr als 35 Jahren zeigte“:
- Er nahm eine Glasflasche von der Größe eines kleinen Hühnereis, mit einem Hals so lang wie zwei Handflächen und so dünn wie ein Gerstenhalm.
- Er erwärmte die Flasche mit seinen Handflächen und stülpte dann ihre Öffnung über ein darunter stehendes Gefäß, das mit ein wenig Wasser befüllt wurde.
- Als er die Glasflasche aus der Wärme seiner Hände löste, begann das Wasser plötzlich den Hals hinaufzusteigen und stieg mehr als eine Handbreit über den Wasserspiegel in das Rohr.
Galileo benutzte diesen Effekt, um ein Instrument zu entwickeln, mit dem sich der Grad von Hitze und Kälte bestimmen ließ.“
Skaleneinteilung
Später platzierten Galileo oder sein Kollege Santorio Santorio eine Papierskala neben das Rohr, um Veränderungen des Wasserstands abzulesen. Damit war es zweifellos ein Thermometer, aber wer zuerst darauf kam, ist unklar (darüber waren sie sich nicht einig).
Eigentlich handelt es sich bei diesem Thermometertyp um ein Luft-thermometer.
Problem: Das Luft-thermometer ist auch ein Barometer
Abgesehen davon, dass man ab und zu Wasser nachfüllen musste, fragte man sich, warum diese Luft-thermometer nicht gut geeignet war für das Aufzeichnen von täglicher Temperaturänderungen.
Die Antwort darauf lautet: weil es auch ein Barometer ist! Galileo wusste derzeit jedoch nicht, dass es einen atmosphärischen Luftdruck gibt.
Torricelli, einer von Galileis Studenten, erkannte kurz nach Galileis Tod als Erster, dass die wahre Antriebskraft hinter der Saugkraft der äußere atmosphärische Luftdruck war. Dies war eine zufriedenstellende mechanische Erklärung im Gegensatz zur philosophischen Theorie, dass „die Natur ein Vakuum verabscheut“.
In den 1640er Jahren wies Pascal darauf hin, dass die Variabilität des Luftdrucks das Luft-thermometer unzuverlässig machte.
Lösung: Das erste versiegelte Thermometer mit Flüssigkeit im Glas: Florentiner Thermometer
Dann begannen die ersten Experimente mit Thermometern, bei denen eine Flüssigkeit in Glas verwendet wurde, um die Empfindlichkeit gegenüber dem Luftdruck auszuschließen.
Das erste versiegelte Thermometer mit Flüssigkeit in Glas wurde 1654 von einer privaten Akademie von Wissenschaftlern hergestellt, darunter viele ehemalige Studenten Galileis. Die Akademie wurde vom Großherzog der Toskana, Ferdinand II. (1610–1670), gefördert und aktiv unterstützt. Dieses Thermometer wurde Florentiner Thermometer genannt.
Florentiner Thermometer waren versiegelte Glasröhrchen, die mit Alkohol (Weindestillat) befüllt waren. Sie waren die ersten Thermometer, die nicht gleichzeitig Barometer waren und daher unabhängig von der Luftdruck.
Obwohl es sich um eine wichtige Entwicklung handelte, war das Florentiner Thermometer ungenau und hatte keine standardisierte Skala (die Skalen variierten zwischen den Thermometern):
- die unterste Punkt der Skalierung war der kälteste Tag in Florenz im Jahr der Herstellung eines bestimmten Instruments
- das hochste Punkt war der heißeste Tag des Jahres
Dies führte dazu, dass die Messergebnisse der Florentiner Thermometer nicht gleich waren zwischen unterschiedliche Instrumente.
Ab diesem Zeitpunkt wurden die ersten meteorologischen Daten erfasst.
Einheitlichkeit bei der Temperaturmessung: Newton
Die erste systematische Darstellung einer Reihe unterschiedlicher Temperaturen, „Degrees of Heat“, oder der „Newton Scale“ , wurde von Newton verfasst, aber 1701 anonym veröffentlicht. Vermutlich hielt er dieses Projekt nicht für so wichtig wie seine andere Erfindungen.
Indem er den Gefrierpunkt von Wasser auf null setzte, fand Newton heraus, dass die Temperatur von kochendem Wasser fast dreimal so hoch war wie die des menschlichen Körpers und dass der Schmelzpunkt von Blei achtmal höher war (tatsächlich 327 °C, während 8 x 37 = 296 °C, also ziemlich gut!). Bei höheren Temperaturen, wie denen eines Holzfeuers, unterschätzte er die Werte jedoch erheblich.
Er verwendete flüssiges Leinöl in einem Glasthermometer, das auf den Schmelzpunkt von Zinn (232 °C) erhitzt wurde. (Leinöl siedet erst bei 343 °C, aber das ist auch seine Selbstentzündungstemperatur!)
Newton versuchte, höhere Temperaturen indirekt abzuschätzen. Er erhitzte ein Stück Eisen im Feuer und ließ es dann in einer stetigen Brise abkühlen. Er entdeckte, dass die Temperatur zumindest bei den niedrigeren Temperaturen, die er mit seinem Thermometer messen konnte, geometrisch abnahm. Das heißt, wenn es fünf Minuten dauerte, um von 80 °C auf 40 °C über der Lufttemperatur zu fallen, dauerte es weitere fünf Minuten, um auf 20 °C über der Lufttemperatur zu fallen, weitere fünf Minuten, um auf 10 °C über der Lufttemperatur zu fallen, und so weiter.
Er nahm dann an, das die selbe Abnahme des Temperaturabfalls auch bei hohen Temperaturen außerhalb des Bereichs seines Thermometers zutrifft, und schätzte so die Temperatur des Feuers und des glühenden Eisens. Dies war nicht sehr genau: Er (unter)schätzte die Temperatur des Feuers auf etwa 600 °C.
Das erste gute Thermometer und die erste Temperaturskala: Daniel Gabriel Fahrenheit
Das erste wirklich gute Thermometer, bei dem sich Quecksilber aus einer kleiner Glaszylinder in einer Kapillare ausdehnte, wurde Anfang der 1720er Jahre in Amsterdam von dem deutschen Physiker, Erfinder, Instrumentenbauer und im polnischen Danzig geboren Daniel Gabriel Fahrenheit hergestellt.
Das Leben von Daniel Gabriel Fahrenheit (Danzig, 24. Mai 1686 – Den Haag, 16. September 1736) ist so bemerkenswert, dass wir näher darauf eingehen werden.
Eine turbulente Kindheit
Der junge Fahrenheit hatte eine turbulente, kriminelle Kindheit. Seine Eltern starben im 1701 schon früh an die Folgen des Verzehrs giftiger Pilze. Seine von der Regierung in Danzig eingesetzten Vormünder zwangen ihn, in die Fußstapfen seines sehr wohlhabenden Vaters zu treten und auch in den Handel einzusteigen.
Daniel war ein ausgezeichneter Schüler mit besonderem Interesse an den Naturwissenschaften; er hatte nicht das geringste Interesse daran, in den Handel einzusteigen. Im 1702 wurde er gegen seinen Willen bei Herman van Beuningen, einem Mitglied einer angesehenen niederländischen Kaufmannsfamilie, in die Lehre gegeben und nach Amsterdam geschickt, um Buchhaltung und Handel zu lernen.
Fahrenheits erster Kontakt mit Florentiner Thermometern
Während seines Studiums begegnete der junge Fahrenheit erstmals den in Europa sehr begehrten Florentiner Thermometern.
Das Hauptproblem der Florentiner Thermometer bestand jedoch darin, dass sie sehr unterschiedliche Skalen hatten, was dazu führte, dass die Messungen zwischen den Thermometern nicht richtig verglichen werden konnten.
In den letzten Jahren seines Studiums begann Fahrenheit mit experimente um eine verbesserte Thermometer zu Entwicklen.
Eine verbesserte Thermometer
Fahrenheits Ziel war es, ein Thermometer zu entwicklen mit den folgenden Eigenschaften:
- einfacher zu produzieren
- einfach zu kalibrieren
- zuverlässiger
- genauer
- hohe Reproduzierbarkeit
Fahrenheits erste Thermometer: 1705-1706
Seine ersten Thermometer verwendeten, wie alle anderen Thermometer dieser Zeit, alkoholische Destillate aus Wein.
Im Jahr 1706 begann er mit der Herstellung und Auslieferung von Thermometern, die mit einer Florentiner Temperaturskala ausgestattet waren.
Cruquius und Fahrenheit: 1705
Der Wasserbauingenieur Nicolaus Cruquius war der erste, der das Fahrenheit Thermometer für meteorologische Beobachtungen einsetzte. Seine Messreihe begann Ende 1705 in Delft und bescherte den Niederlanden damit drei Jahrhunderte an Temperaturmessungen.
Haftbefehl und Antrag auf Deportation nach Ostindien: 1707
Laut einem Brief seiner Vormünder an den Bürgermeister von Danzig aus dem Jahr 1706 geriet Daniel in Schwierigkeiten, sobald er Amsterdam betrat.
Laut seinen Vormündern stahl er Geld und lief wiederholt davon. Sein Verhalten war so abstoßend, dass man es nicht einmal beschreiben konnte. Späteren Biographen zufolge schaffte Fahrenheit es zwar, sein vierjähriges Studium abzuschließen, doch in seinen letzten Jahren hatte er bereits meteorologische Instrumente hergestellt und verkauft. Das Geld, das er laut seinen Vormündern gestohlen hatte, war in Wirklichkeit geliehen, um seine Thermometer-Experimente zu finanzieren.
Als er die Schulden nicht zurückzahlen konnte, waren seine Vormünder gezwungen, sie aus seinem Erbe zu begleichen.
Fahrenheits Vormünder hatten es satt, sich mit ihm herumzuschlagen, und beschlossen, ihn mit der Niederländischen Ostindien-Kompanie ins Ausland zu schicken. Im 1706 schrieben sie an den Bürgermeister von Danzig und forderten den Stadtrat auf, einen Haftbefehl gegen Daniel Fahrenheit und seine Deportation nach Ostindien zu erlassen. Im Januar 1707 kam der Bürgermeister der Bitte nach.
Auf der Flucht und Besuch beim dänischen Astronomen Ole Roemer: 1708
Der inzwischen 20-jährige Daniel reiste mit einem Haftbefehl ständig durch Deutschland, Schweden und Dänemark, weit entfernt von der Reichweite der Behörden. Im 1708 besuchte er den dänischen Astronomen Ole Roemer in Kopenhagen.
Roemer war nicht nur der erste Astronom, der die Lichtgeschwindigkeit bestimmte, er arbeitete auch an Thermometern und erfand seine eigene Temperaturskala.
Da Florentiner Thermometer sehr unterschiedliche Skalen verwendeten (der niedrigste Punkt war der kälteste Tag in Florenz und der höchste Punkt der heißeste Tag des Herstellungsjahres), beschloss Roemer, eine feste Skala von 60 Grad einzuführen:
- 0: erfrierende Sole
- 60: kochendes Wasser
- und weil Wasser bei 1/8 der Skala vom niedrigste Punkt (0) bis zur höchste Punkt (60) erfriert, teilte er diese Skala in acht Teile von 7,5 Grad auf.
Es war Roemer, der Fahrenheit von der großen Nachfrage nach genauen Thermometern erzählte. Dieser Besuch bei Roemer inspirierte Fahrenheit dazu, –noch bessere- Thermometer zu entwickeln.
Haftbefehl aufgehoben
Kurz nach Fahrenheits Besuch an Roemer wurde der Haftbefehl gegen ihn aufgehoben.
Möglicherweise hatte Roemer dabei seine Finger im Spiel, da er nicht nur eine wichtige Persönlichkeit in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, sondern auch Polizeichef von Kopenhagen war.
Reisen und technische Probleme mit Thermometern lösen 1709–1712
Im 1709 kehrte Fahrenheit nach Danzig zurück und machte Beobachtungen mit seinen Barometern und Thermometern. Im 1710 reiste er weiter und kehrte im 1711 nach Danzig zurück, um den Nachlass seiner Eltern zu regeln. Nach einer weiteren Reise nach Königsberg und Mitau im Jahr 1711 kehrte er im 1712 nach Danzig zurück und blieb dort zwei Jahre. Während dieser Zeit arbeitete er an der Lösung technischer Probleme mit seinen Thermometern.
Erste Versuche mit Quecksilberthermometern und Erlernen des Glasblasens 1713–1714
Aufgrund all seiner Forschungen und Experimente stellte Fahrenheit die Genauigkeit der Gefrier- und Kochpunkte von Wasser in Frage (die vom Luftdruck abhängen, eine Tatsache, die damals noch nicht bekannt war).
Fahrenheit begann daher im 1713 mit Quecksilberthermometern zu experimentieren. Damals verwendete Fahrenheit für seine Thermometer eine modifizierte Version von Roemers Skala, aus der später seine eigene Fahrenheit-Skala hervorging.
Es ist nicht einfach, eine Kapillare mit gleichmäßigem Durchmesser herzustellen. Deshalb verließ Fahrenheit im 1714 Danzig und ging nach Berlin und Dresden, um eng mit den dortigen Glasbläsern zusammenzuarbeiten. Fahrenheit erlernte das Glasblasen, um seine eigenen Thermometerröhren herstellen zu können.
Letztlich gelang es Fahrenheit als erstem, Thermometer mit völlig identischen Thermometerröhren herzustellen.
Im Jahr 1714 schrieb der Philosoph Christian Wolff in einem Magazin über Fahrenheits Thermometer, nachdem er einige seiner alkoholbasierten Instrumente erhalten hatte, was dazu beitrug, Fahrenheits Ruf in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu stärken
Boerhaave und Fahrenheit: immer bessere Thermometer
Fahrenheit hatte viel Kontakt mit dem Arzt und Professor Herman Boerhaave, der den menschlichen Körper eher als eine Art mechanische Maschine mit Pumpe und Ventilen denn als ein göttliches Wunder betrachtete.
Boerhaave war sich besser als jeder andere darüber im Klaren, dass die medizinische Verwendung von Körpertemperaturthermometern natürlich ein wichtiges Instrument für die Diagnose und medizinische Forschung war.
Boerhaave gab Fahrenheit viele gute Beratung und darum wurden seine Thermometer immer besser und besser.
Die ersten beiden Thermometer mit identischen Ergebnissen: 1714
Im Jahr 1714 demonstrierte Fahrenheit seinen Erfolg, indem er zwei Thermometer herstellte, die trotz ihrer unterschiedlichen Betriebsbereiche über den gesamten Temperaturbereich nahezu identische Ergebnisse lieferten. Dies war ein großer Durchbruch.
Im selben Jahr hatte er noch ein Durchbruch, als er Alkohol durch Quecksilber ersetzte.
Das erste Quecksilberthermometer: 1714
- Beim Konstruktion von Thermometern und der Definition von Temperaturskalen muss berücksichtigt werden, dass sich nicht alle Flüssigkeiten bei Erwärmung gleichmäßig ausdehnen.
- Beispielsweise zieht sich Wasser bei Erwärmung über den Gefrierpunkt zusammen und beginnt sich dann bei etwa 40 Grad Celsius auszudehnen.
- Fahrenheid kam auf die Idee um Quecksilber zu verwenden, durch die Bemerkung eines Kollegen, dass man den Barometerwert korrigieren müsse, um die Schwankung der Wasserdichte mit der Temperatur zu berücksichtigen.
- Fahrenheit führte eine Reihe von Untersuchungen durch, basiert auf die Arbeit von der dänischen Astronomen Ole Roemer. Dabei bestimmte er den Kochpunkt von Wasser und anderen Flüssigkeiten und untersuchte die Ausdehnung (Volumenzunahme) von Quecksilber.
- Diese Experimente führten zu der Entdeckung, dass der Kochpunkt von Wasser abhängig ist von der Luftdruck.
- Fahrenheit entdeckte auch die Methode zur Unterkühlung von Wasser, d. h., es unter seinen normalen Gefrierpunkt abzukühlen, ohne dass es zu Eis wird. Er tat dies, indem er dem Eiswasser Meersalz hinzufügte.
- Bei Fahrenheits Forschungen stellte er fest, dass sich Quecksilber gleichmäßiger zusammenzieht und ausdehnt als Alkohol.
- Wenn man davon ausgeht, dass die Ausdehnung und Kontraktion von Quecksilber gleichmäßig ist, dann stellt man fest, dass dies sehr genau mit der wirkliche Temperaturskala übereinstimmt.
- Darüber hinaus ist Quecksilber über einen größeren Bereich genauer und ermöglicht die Messung von Temperaturen, die deutlich unter dem Gefrierpunkt von Sole und über dem Kochpunkt von Wasser liegen.
- Dadurch konnte das Fahrenheit Quecksilberthermometer niedrigere und höhere Temperaturen mitviel feineren Abstufungen dazwischen genau aufzeichnen.
Sonstige Projekte und Finanzbedarf: 1715
Neben seinem Interesse an meteorologischen Instrumenten arbeitete Fahrenheit um 1715 auch an Ideen für eine Quecksilberuhr, ein Perpetuum mobile und einen Heliostat.
Er begann einen Briefwechsel mit Leibnitz über einige dieser Projekte. Aus dem Briefwechsel geht hervor, dass Fahrenheit während der Arbeit an seinen Projekten das Geld ausging und er Leibnitz um Hilfe bei der Suche nach einer Festanstellung bat, damit er seine Arbeit fortsetzen konnte.
Fahrenheits Werkstatt in Amsterdam: 1717 oder 1718
- Im 1717 oder 1718 kehrte Fahrenheit nach Amsterdam zurück und eröffnete dort eine Werkstatt. Ab 1718 unterrichtete er auch Chemie (damals Alchemie).
- Er begann, Barometer, Hydrometer und seine Quecksilber- und Alkoholthermometer gewerblich zu verkaufen.
- Der Erfolg von Fahrenheits Thermometern beruhte auf seiner Methode zur Reinigung von Quecksilber.
- Außerdem führte er die Verwendung zylindrischer Formen an der Unterseite seiner Thermometer anstelle der üblichen sphärischen ein.
Im 1721 hatte Fahrenheit den Prozess der Herstellung und Standardisierung seiner Thermometer perfektioniert.
Allerdings veröffentlichte er sein detailliertes Verfahren zur Herstellung von Thermometern erst viele Jahre später, da er seine Methoden geheim halten wollte.
Die Erfindung der Fahrenheit-Skala im Jahr 1724
- Alle Experimente und Forschungen von Fahrenheit ließen ihn an der Zuverlässigkeit der Gefrier- und Kochpunkte von Wasser zweifeln.
- Fahrenheit ließ sich von Roemers Skala inspirieren und schuf eine eigene, weniger umständlich angelegte Skala mit drei festen Kalibrierpunkte:
- 0°F: Eiskalte Salzlake (eine Mischung aus Eis, Wasser und Meersalz)
- 32°F: eiskaltes Wasser (schmelzendes Eis im Wasser)
- 96 °F (später korrigiert auf 98,6 °F): „Blutwärme“ oder Körpertemperatur eines gesunden Menschen.
- Dieser letzte Kalibrierpunkt wurde später erfallen, als der Kochpunkt von Wasser auf etwa 212 °F (ein willkürlich gewählter Punkt) festgelegt wurde.
- Er entschied sich für einen Faktor acht statt Roemers 7,5 und teilte dann jedes Grad durch vier.
- Hij koos ervoor om een factor acht te gebruiken in plaats van Roemers 7,5 en deelde vervolgens elke graad door vier.
- Multiplizieren Sie acht mit vier und Sie erhalten 32.
- Durch diese zufälligen Umstände war der Gefrierpunkt auf der Fahrenheit Skala 32 Grad.
Die Überlegenheit seiner Quecksilberthermometer gegenüber alkoholbasierten Thermometern machte sie sehr beliebt und führte zur weiten Verbreitung seiner Fahrenheit Skala.
Mitglied der Royal Society und Kontroverse
Fahrenheit verbrachte den Rest seines Lebens in Amsterdam.
Im Jahr 1724 besuchte er England und wurde am 5. Mai zum Fellow der Royal Society gewählt. In diesem Jahr veröffentlichte er nicht weniger als fünf Artikel in lateinischer Sprache zu verschiedenen Themen für die wissenschaftliche Zeitschrift der Royal Society, Philosophical Transactions.
In seinem zweiten Artikel „Experimenta et observationes de congelatione aquæ in vacuo factæ“ beschreibt er seine Thermometer und die Referenzpunkte, die er zu ihrer Kalibrierung verwendete. Zwei Jahrhunderte lang blieb dieses Dokument die einzige Beschreibung von Fahrenheits Thermometerherstellungsprozess.
Laut diesem 2. Artikel von Fahrenheit aus dem Jahr 1724 basiert er seine Skala auf drei Referenzpunkte:
- Der Nullpunkt wurde ermittelt, indem das Thermometer in eine Mischung aus Eis, Wasser und Ammoniumchlorid (einem Salz) gelegt wurde, die eine Temperatur von −17,8 °C aufweist. Dies war damals eine gängige Methode, um eine niedrige Temperatur zu erreichen, und Fahrenheit konnte sie auf seinen Reisen verwenden.
- Den zweiten Referenzpunkt, 32 °F, ermittelte er, indem er das Thermometer in reines Wasser legte, auf dem sich Eis bildete (die Temperatur des Wassers, wenn Eis beim konstanten Gefrierpunkt darauf schwimmt).
- Der dritte und letzte Referenzpunkt wurde durch die Körpertemperatur eines gesunden Menschen bestimmt, gemessen im Mund oder unter der Achselhöhle. Der Temperaturunterschied zwischen diesem dritten und dem zweiten Punkt ist etwa doppelt so groß wie zwischen dem Nullpunkt und dem zweiten Punkt, also etwa 64 °F. Er legte diesen dritten Punkt auf 96 °F fest (später korrigiert auf 98.6 °F).
Auf diese Weise betrug der Unterschied zwischen dem Schmelzpunkt von Eis (32 °F) und der Körpertemperatur (96 °F) 64 Grad. Dies ermöglichte ihm, seine Skala auf seine Instrumente anzuwenden, indem er das Intervall sechsmal halbierte. Wasser kocht bei (ungefähr) 212 °F.
Im 20. Jahrhundert entdeckte der niederländische Chemiker Ernst Cohen einen Briefwechsel zwischen Fahrenheit und dem Arzt und Professor Herman Boerhaave. Dieser Briefwechsel weckte erhebliche Zweifel an der Originalität von Fahrenheits Artikel, in dem er die Referenzpunkte seiner Skala erläuterte. Darüber hinaus gab es Zweifel daran, dass Fahrenheit seine Skala nicht selbst erfunden, sondern weitgehend von der Skala des dänischen Astronomen Roemer. abgeleitet hatte. Dies lag wahrscheinlich am Wunsch des Instrumentenbauers, seine Methoden geheim zu halten, damit sie nicht kopiert werden konnten.
Fahrenheits Tod und Wille: 1736
Ab August 1736 hielt sich Fahrenheit im Haus von Johannes Frisleven am Plein in Den Haag auf, um ein Patent zu bekommen von der niederländischen Staaten für eine Maschine zum Pumpen von Wasser aus Poldern.
Anfang September erkrankte er und am 7. hatte sich sein Gesundheitszustand so verschlechtert, dass er den Notar Willem Ruijsbroek mit der Erstellung seines Testaments beauftragte.
Am 11. kam der Notar erneut vorbei, um einige Änderungen vorzunehmen. Für Interessierte hier das Testament, darunter Fahrenheits zittrige Unterschrift, die deutlich zeigt, dass er schwer krank war.
Fünf Tage später starb Fahrenheit im Alter von fünfzig Jahren. Er erhielt ein Begräbnis vierter Klasse, d. h. er war mittellos, in der Kloosterkerk in Den Haag. Fahrenheit hatte nie geheiratet.
In dieser Kirche wurde 2002 zu seinen Ehren eine Gedenktafel enthüllt. Außerhalb seines Grabes hängt ein großes Fahrenheit Thermometer (Bild rechts). Wir gehen davon aus, dass es funktioniert und die Temperatur der Umgebungsluft anzeigt, nicht die Fahrenheit-Temperatur seiner sterblichen Überreste.
Noch existierende bekannte Fahrenheit Thermometer
Aufgrund der verwendeten Materialien hat praktisch kein originales Fahrenheit Thermometer den Test der Zeit überstanden. Weltweit sind nur drei Fahrenheit Thermometer bekannt.
Die beiden Thermometer aus den Jahren 1718 (Mitte) und 1727 (links) befinden sich derzeit im Boerhaave Museum im niederländischen Leiden.
2012 wurde ein originales Fahrenheit Thermometer mit seiner Unterschrift auf der Rückseite und unbekanntem Herstellungsdatum bei Christie’s versteigert (Bild ganz rechts). Ein Foto dieses Thermometers ist noch heute auf der Auktionswebsite zu finden und lässt sich vollständig vergrößern. Beachten Sie, dass die Temperatur zum Zeitpunkt der Aufnahme78 °F betrug, es also ein warmes Auktionshaus war. Das Thermometer wurde für 67.250 Pfund (107.802 Dollar) verkauft – eine beachtliche Summe. Wir gehen davon aus, dass es begeisterte Gebote auslöste.
Wo wird die Fahrenheit Skala noch verwendet?
Die Temperaturmessung in Grad Fahrenheit wird heute nur noch in den Vereinigten Staaten von Amerika und in der älteren Generation des Vereinigten Königreichs, Australiens, Südafrikas, Kanadas, Irlands, Indiens und Jamaikas verwendet, da in diesen Ländern zuvor auch die Fahrenheit Temperaturskala verwendet wurde.
Aus diesem Grund sind Temperaturregler weiterhin zwischen Grad Celsius und Fahrenheit umschaltbar.
Für den Einsatz in den USA und Kanada kann der HeatManager für Wärmebehandlungen auch auf Fahrenheit umgestellt werden.
Die Réaumur Skala und das Lyon Thermometer
Im Jahr 1730 schlug der französische Entomologe Réaumur eine Temperaturskala vor, die auf dem Gefrierpunkt (0 °R) und dem Kochpunkt (80°R) von Wasser basiert war. Diese Skala wird als Réaumur Temperaturskala bezeichnet.
Réaumur entschied sich für Alkohol (Ethanol), da dieser sich stärker ausdehnt und der Temperaturunterschied dadurch besser sichtbar wird. Aus diesem Grund waren seine Thermometer immer sehr groß und lang.
Diese Skala wurde in Europa seit langem verwendet, insbesondere in Frankreich, Deutschland und Russland.
Die Celsius Skala
Im Jahr 1742 entwickelte ein schwedischer Wissenschaftler namens Anders Celsius (1701–1744) eine Thermometerskala, die den Gefrier- und Kochpunkt von Wasser in 100 Grad unterteilte.
Celsius wählte 0 Grad als Kochpunkt von Wasser und 100 Grad als Gefrierpunkt.
Unabhängig von Celsius hatte der französische Physiker Jean-Pierre Christin im 1743 eine Skala entwickelt, bei der 0 den Schmelzpunkt von Eis und 100 den Kochpunkt darstellte.
Im Jahr 1744 schlug der schwedische Arzt und Biologe Carl Linnaeus vor, die Temperaturskala von Anders Celsius umzukehren, sodass 0 den Gefrierpunkt von Wasser und 100 den Kochpunkt darstellte.
Im Jahr 1948 wurde Cristins modifizierte Celsius Skala international anerkannt und wird Heute noch verwendet.
Absoluter Nullpunkt: Die Kelvin Skala
Der britische Wissenschaftler Lord Kelvin entwickelte im 19. Jahrhundert die Kelvin Skala und schlug sie 1848 erstmals vor. Die Schritte pro Grad entsprechen den Schritten der Celsius Skala. Im frühen 20. Jahrhundert wurde sie daher oft als „absolute Celsius-Skala“ bezeichnet.
Im Jahr 1859 schlug der schottische Ingenieur und Physiker Rankine eine ähnliche Rankine Skala vor, allerdings in der Schrittgroße der Fahrenheit Skala.
Das Kelvin wurde 1954 offiziell in das Internationale Einheitensystem aufgenommen, wobei 273,16 K als Tripelpunkt von Wasser definiert wurde. Anschließend wurden die Celsius-, Fahrenheit- und Rankine-Skalen anhand dieser Definition in Bezug auf die Kelvin-Skala neu definiert.
Thermoelemente
Geschichte
Um 1821 experimentierte der deutsche Physiker Seebeck mit Magnetismus.
Er entdeckte, dass sich die Nadel eines Kompasses zu drehen begann, wenn er sie in die Nähe eines Schaltkreises aus mehreren Metallen hielt und nur, wenn er eines der Metalle erhitzte.
Später stellte man fest, dass beim Erhitzen eines der Metalle ein sehr geringer Strom floss. Dieser Effekt wurde als Seebeck-Effekt bezeichnet.
Thermoelement Messprinzip
Die Abbildung am rechterseite macht diesen Seebeck-Effekt etwas deutlicher:
- Ein Rotationsvoltmeter besteht aus zwei Kupferdrähten, die mit Drähten aus zwei verschiedenen Metallen verbunden sind.
- Die beide verschiedene Metalle werden miteinander in Kontakt gebracht: das Thermoelement, und dieser Punkt wird erhitzt
- ein sehr kleiner Strom beginnt zu fließen und das Messgerät schlagt aus
Kalte Verbindung/cold-junction
Hinweis: so wird derTemperaturdifferenz gemessen. Um die tatsächliche absolute Temperatur zu ermitteln, muss zur gemessenen Temperaturdifferenz die Umgebungstemperatur am Übergang der Metalle A und B in Kupferdrähte hinzugerechnet werden.
Der Punkt, an dem sich die Metalle des Thermoelements in Kupfer verwandeln, muss gemessen werden. Dies ist die Kalte Verbindung (cold junction) Temperatur.
Hier ist ein praktisches Beispiel mit einem Thermometer von RKC Instrument:
- Links im Bild ein Glasrohrthermometer zur Messung der Kalte Verbindung (cold junction) Temperatur
- Am Rotationsvoltmeter Temperaturdifferenz ablesen: z.B. 100°C, dazu den am Glasrohrhermometer abgelesenen Wert der Umgebungstemperatur addieren: z.B. 21°C.
- Die tatsächliche absolute Temperatur des Thermoelements ist also 100+21=121°C
Temperaturdifferenz abhängige Spannung
Zur Umrechnung der gemessenen Spannung in eine Temperaturdifferenz stehen internationale Standardtabellen zur Verfügung.
- Lesen Sie die gemessene Spannung in mV am Messgerät ab. Beispiel: 6,1 mV
- Suchen Sie in der Tabelle der Platz, das 6,1 mV am nächsten kommt. Das sind 50 °C auf der x-Achse und 100 °C auf der y-Achse.
- Der Temperaturdifferenz beträgt also: 150°C
- Hinzu kommt die Umgebungstemperatur am Übergang des Thermoelements ins Kupfer (oft: Anschlusspunkt am Regler): Angenommen, dort herrschen 25°C, dann beträgt die tatsächliche absolute Temperatur des Thermoelements 175°C.
Temperaturmessung mit einem Multimeter im Millivolt (mV) Messbereich
- Im Notfall können Sie mit Ihrem Multimeter im Millivolt-Messbereich (mV) die Temperaturdifferenz von einem Thermoelement messen.
- Um die gemessene Temperaturdifferenz abzulesen, verwenden Sie die entsprechende Tabelle (für jeden Thermoelementtyp gibt es eine Tabelle).
- Beachten Sie, dass Sie zur Ermittlung der tatsächlichen absoluten Temperatur auch die Umgebungstemperatur des Anschlusspunkts des Thermoelements an das Multimeter hinzurechnen müssen: Dies ist die Kalte Verbindung (cold-junction) Kompensation!
Maßumrechnungstabellen finden Sie im Anhang am Ende unseres Gesamtkatalogs ab Seite 143.
Automatische Kalte Verbindung (cold-junction) Kompensation
Moderne elektronische Geräte, wie beispielsweise der Temperaturregler der FB Serie von RKC Instrument, führen diese Kalte Verbindung (cold-junction) Kompensation automatisch durch. Oftmals befindet sich an den Anschlüssen ein zusätzlicher Temperatursensor zur Messung der Umgebungstemperatur. Die Elektronik addiert diese Temperatur automatisch zur gemessenen Spannung des Thermoelements.
Moderne Regler verfügen außerdem über die richtigen Millivolt-Temperatur Tabellen und wandeln Spannung automatisch in Temperatur um.
Thermoelemente richtig anschließen
Beim Anschluss von Thermoelementen sollten Sie einige Dinge beachten. Häufig werden beim Anschluss von Thermoelementen Fehler gemacht, zum Beispiel:
- Klemmenblock zur Verlängerung eines Thermoelements
- falscher Typ Thermoelement Kompensationskabel verwendet
- Polarität falsch angeschlossen
- falscher Thermoelement Messeingangstyp am Regler eingestellt
Thermoelementleitung verlängern: keine anderen Metalle einführen!!!
- Das Funktionsprinzip eines Thermoelements basiert auf der Erzeugung eines kleinen Stroms, der durch einen Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Metallen verursacht wird.
- Werden nun auch andere Metalle in die Leitungen eingebracht, beispielsweise durch die Verlängerung der Thermodrähte mit der berüchtigten Klemmenblock, entstehen zwei zusätzliche Metallverbindungen (Thermodraht-Kupfer). Auch diese Verbindung erzeugt einen temperaturabhängigen Strom.
- Dies bedeutet, dass nicht nur die gewünschte Temperatur des eigentlichen Thermoelementanschlusspunkts nicht gemessen wird, sondern dass auch zusätzliche Temperaturabweichungen aufgrund der zusätzlichen Metallübergänge im Klemmenblock eingeführt werden.
- Dieses Problem tritt auch auf, wenn Sie ein Thermoelement mit einfachem Kupferdraht anschließen.
- Um maximale Genauigkeit zu erreichen, schließen Sie die Thermoelementkabel ohne Aderendhülsen an den Regler an. Selbst Aderendhülsen (die aus einem anderen Metall bestehen) können zu leichten Abweichungen führen.
Thermoelement-Kompensationskabel: Verwenden Sie den richtigen Typ!
- Um Thermoelemente richtig anzuschließen, muss der richtige Typ von Thermoelement-Kompensationskabel verwendet werden.
- Jeder Thermoelementtyp hat seinen eigenen Typ von Thermoelement-Kompensationskabel.
- Die Farbe des Kabels und die Farben der Adern geben an, für welchen Thermoelementtyp das Kabel geeignet ist
- Es sind mehrere internationale Standards im Einsatz. Stellen Sie sicher, dass Sie den richtigen Standard verwenden!
Thermoelement Polarität
- Ein Thermoelement erzeugt je nach Temperaturdifferenz einen kleinen Gleichstrom.
- Dieser Strom fließt nur in eine Richtung.
- Daher ist es wichtig, beim Anschluss eines Thermoelements an einen Regler auf die richtige Polarität des Thermoelements zu achten.
- Bei falscher Polarität fällt die Messung am Regler häufig ab, während die Temperatur am Thermoelement steigt.
- Dies lässt sich einfach überprüfen, indem Sie das Thermoelement mit einer Tasse heißem Wasser oder einem Feuerzeug erhitzen. Die angezeigte Temperatur sollte dann steigen.
- Wenn Sie sich bezüglich der Polarität unsicher sind, können Sie die oben beschriebene Messmethode mit einem Multimeter im Millivolt (mV) Messbereich mit warmem Wasser oder einem Feuerzeug verwenden, um die richtige Polarität zu ermitteln.
- Wenn Sie die Rauheit der Thermoelementdrähte vorsichtig mit den Fingern abtasten, werden Sie einen Unterschied feststellen. Oft ist ein Draht rauer als der andere. Dadurch lässt sich auch die Polarität des Thermoelements bestimmen.
Informationen zu verschiedenen Thermoelementdrähten und Kompensationskabel finden Sie im folgenden Dokument ab Seite 81.
Thermoelement Steckverbinder
- Der korrekte Anschluss von Thermoelementen muss ebenfalls mit den richtigen Thermoelement Steckern und Gehäuseteilen erfolgen.
- Jeder Thermoelementtyp verfügt über eigene Anschlüsse und Gehäuseteile.
- Die Farbe des Steckers bzw. Chassisteils entspricht dem Typ des Thermoelements.
- Die Leiter in den Thermoelement-Steckern bestehen aus dem gleichen Material wie das Kompensationskabel, sodass die gemessene Temperatur nicht beeinflusst wird.
- Sie können Thermoelement-Steckverbinder verwenden, um Thermoelement Kabel ordnungsgemäß zu verlängern.
Falscher Typ des Thermoelement Messeingangs am Regler eingestellt
- Wichtig ist natürlich auch, dass Sie den richtigen Thermoelementtyp für den Messeingang des Reglers auswählen. Andernfalls wird die falsche Millivolt-/Temperaturdifferenz-Umrechnungstabelle verwendet, was zu Messabweichungen und möglicherweise sogar zu gefährlichen Situationen führen kann (tatsächliche Temperatur höher als gemessen!!!).
- Siehe hierzu Parametergruppe F21. Als Beispiel folgt hier eine Anleitung für einen RB Regler von RKC Instrument.
Widerstandsthermometer: Pt100, (S)PRT Referenz Thermometer
Klassifizierungen von Widerstandsthermometern:
- Ultrapräzise Platin Widerstandsthermometer (UPRTs):
- großer Messbereich: −200 °C bis 1000 °C
- Genauigkeit +/- 0,001 °C über den gesamten Messbereich.
- UPRTs werden für den Laborgebrauch entwickelt
- Standard Platin Widerstandsthermometer (Standard PRTs oder SPRTs) Laborreferenzstandards:
- Meetbereik: -200 °C tot 670 °C
- Genauigkeit +/- 0,03 °C über den gesamten Messbereich.
- (S)PRTs sind wie UPRTs gebaut, aber aus billigeren Materialien.
- Industrielle Platin Widerstandsthermometer (PRTs):
- Entwickelt um im industriellen Umgebungen standzuhalten.
- Kann fast so zuverläßig sein wie ein Thermoelement.
Geschichte
Gleichzeitig mit dem Seebeck-Effekt entdeckte Humphry Davy im Jahr 1821, dass der spezifische Widerstand von Metallen abhängig ist von der Temperatur.
Die praktische Anwendung dieser Eigenschaft in elektrischen Leitern wurde erstmals im 1871 von Wilhelm Siemens während der Bakerian Lecture vor der Royal Society in Großbritannien beschrieben, wo Siemens Platin als geeignetes Element vorschlug. Siemens präsentierte auch eine Interpolationsformel mit drei Termen.
Aufgrund der Instabilität der Temperaturmessung geriet das Siemens Widerstandsthermometer jedoch schnell in Ungnade.
Hugh Longbourne Callendar entwickelte 1885–1886 das erste kommerziell erfolgreiche Platin Widerstandsthermometer (RTD). Dieses Widerstandsthermometer konnte Temperaturen von -190 °C bis +660 °C genau messen (später verbesserte er es auf -200 °C bis +1000 °C).
Temperaturabhängiger Widerstand
Die folgende Tabelle zeigt die Widerstandswerte für einen Pt100 Sensor von 0 °C bis 800 °C.
Messprinzipien: 2-, 3- oder 4-Leiter
Ein wichtiger Aspekt, der sehr oft übersehen wird, ist das Messprinzip.
Eine Pt100 Sensor wird oft gerade wegen ihrer Genauigkeit gewählt. Bei einem Anschluss in 2 Leiter Konfiguration wird diese höhere Genauigkeit jedoch komplett zunichte gemacht!
Daher empfehlen wir in diesem Fall eine 3- oder 4-Leiter Messkonfiguration.
2-Leiter: 1 Ohm zusätzlicher Widerstand: ca. 3°C Abweichung!!!
- Die einfachste Konfiguration mit einem Widerstandsthermometer verwendet zwei Drähte.
- Dieses Messprinzip wird nur dann eingesetzt, wenn keine hohe Genauigkeit erforderlich ist.
- Der Widerstand der Anschlussdrähte addiert sich zu dem des Sensors, was zu großen Messabweichungen führt.
- Beachten Sie, dass bei 200 °C ein zusätzlicher Widerstand von 1 Ohm bereits etwa 3 °C beträgt!!!
3-Leiter: Messleitungen gleicher Länge kompensiert
- Um die Auswirkungen des Leitungswiderstands zu minimieren, wird eine 3-Leiter konfiguration verwendet.
- Wenn die 3 Anschlussdrähte zum Pt100 die gleiche Dicke und Länge haben, ist dieses Anschlussprinzip für eine gute Genauigkeit mehr als ausreichend: Das 4-Leiter Messprinzip ist dann nicht notwendig.
- Die empfohlene Einstellung für die gezeigte Konfiguration ist mit R1 = R2 und R3 etwa in der Mitte des Bereichs des Pt100/RTD.
- Betrachtet man die dargestellte Wheatstone-Brückenschaltung, beträgt der Spannungsabfall unten links V_rtd + V_lead und unten rechts V_R3 + V_lead. Die Brückenspannung (V_b) ergibt sich somit aus der Differenz: V_rtd − V_R3. Der Spannungsabfall durch den Widerstand der Zuleitungen wird kompensiert. Dies gilt immer dann, wenn R1 = R2 und R1, R2 >> RTD, R3.
- R1 und R2 können verwendet werden, um den Strom durch den RTD zu begrenzen. Beispielsweise bei einem Pt100 würde die Begrenzung auf 1 mA und 5 V einen Begrenzungswiderstand von etwa R1 = R2 = 5/0,001 = 5000 Ohm nahelegen.
4-Leiter: Kompensation unterschiedlicher Messleitungen
- Die 4-Leiter Messkonfiguration erhöht die Genauigkeit der Widerstandsmessung bei Unterschieden in den Messleitungen.
- eliminiert Spannungsabfälle durch die Messleitungen.
- Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, werden alle durch unterschiedliche Leitertypen oder Schraubverbindungen erzeugten thermoelektrischen Restspannungen durch Umkehrung der Richtung des 1-mA Stroms und der Messleitungen zum DVM (Digitalvoltmeter) eliminiert. Die thermoelektrischen Spannungen werden nur in einer Richtung erzeugt. Durch Mittelung der umgekehrten Messungen werden die thermoelektrischen Fehlerspannungen eliminiert.
Wählen Sie immer mindestens einen 3-Leiter Pt100
Wählen Sie im Zweifelsfall immer einen 3-Leiter Pt100 Sensor. Dieser bietet einen guten Kompromiss zwischen Kosten und Genauigkeit. Sind die 3 Leiter des Sensors identisch, dann ist ein 4-Leiter Sensor nicht notwendig; wählen Sie ihn nur, wenn höchste Präzision erforderlich ist.
Ein 2-Leiter Sensor kann allein durch die Verdrahtung schnell eine Abweichung von mehreren Grad aufweisen, die sich mit der Zeit noch vergrößern kann. Die höhere Genauigkeit eines Pt100 Sensors wird allein durch die Verdrahtung schon schnell wieder zunichte gemacht. Wählen Sie für solche Anwendungen unbedingt ein Thermoelement!
Vorteile, Nachteile und Unterschiede zwischen Thermoelementen und Widerstandsthermometern
Thermoelement
- Messbereich: -180 bis +2320°C
- Genauigkeit: Standardmäßig +/- 2°C. Mit Referenz Standard Sensor auch +/- 0,2°C möglich.
- Stabilität: gut
- Reaktionszeit: < 1 Sekunde oder sogar 0,03 Sekunden
- Abmessungen: sehr klein <1,6 mm oder sogar 50 um
- Stoßfestigkeit: sehr gut
- Relativ günstig
Pt100/RTD Widerstandsthermometer
- Messbereich: -200 bis +500°C (über 660°C schwierig wegen möglicher Verunreinigungen des Platins)
- Genauigkeit: +/- 0,001 °C (UPRT), +/- 0,0015 °C (SPRT)
- Stabilität: sehr gut, sehr geringe Drift
- Reaktionszeit: wenige Sekunden
- Abmessungen: mindestens 3–6 mm
- Stoßfestigkeit: sehr schlecht
- Im Allgemeinen teurer als Thermoelemente
Genauigkeitsklassen für Thermoelemente
- Die Norm IEC 60584-1 definiert drei Genauigkeitsklassen: 1, 2 und 3
- Eine Genauigkeitsklasse bestimmt den maximal zulässigen Fehler, den ein Thermoelement innerhalb seines kalibrierten Bereichs aufweisen darf.
Die folgende Tabelle ist eine Zusammenfassung von die Toleranzen der IEC 60584-1 für drei gängige Thermoelementtypen:
- K (Chrom-Alumel)
- J (Eisen-Konstantan)
- T (Kupfer-Konstantan)
Klasse 3: kryogene Anwendungen
- Klasse 3 ist vor allem für kryogene Anwendungen (ca. -200 °C bis +40 °C) vorgesehen.
- Thermoelementmaterialien aus unedlen Metallen erfüllen die Toleranzen der Klasse 3 für Temperaturen unter -40 °C möglicherweise nicht, wenn keine spezielle Auswahl erfolgt. Daher ist eine spezielle Bestellung und Materialauswahl erforderlich, wenn Konformität der Klasse 3 erforderlich ist.
- Da es schwierig ist, Thermoelemente der Klasse 3 herzustellen, sind sie oft teurer.
Wählen Sie das richtige Thermoelement der Klasse 1, 2 oder 3
Klasse 1: sehr kleine Toleranzen
- Sehr kleine Toleranzen
- Geeignet für Anwendungen mit:
- eine hohe Reproduzierbarkeit
- minimale Drift
- genaue Temperaturmessungen
- Typische Anwendungen:
- Kalibrierlabore
- Tests in der Luft- und Raumfahrt
- Präzisionsmetallurgie
- Halbleiterproduktion
Klasse 2: mittlere Toleranzen
- Mittlere Toleranzen: Bietet eine Kompromisse zwischen akzeptabler Genauigkeit und geringeren Kosten im Vergleich zu Klasse 1.
- Typische Genauigkeit: Im Allgemeinen Toleranzen von ungefähr ±2,5 °C oder ±0,0075|t|, ausreichend für die meisten gängigen industriellen Anwendungen.
- Typische Anwendungen:
- industrielle Prozesskontrolle
- Temperaturüberwachung in der Lebensmittelindustrie
- Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik Systeme
Klasse 3: kryogene Anwendungen
- Eingeschränkte Anwendung: Kryogene Temperaturmessungen, bei denen extrem niedrige Temperaturen genau gemessen werden müssen.
- Höhere Kosten aufgrund von Herausforderungen bei der Materialauswahl und strengen Qualitätsanforderungen.
- Typische Anwendungen:
- Kryogene Lagerung
- Flüssiggas Verarbeitung
- spezialisierte wissenschaftliche Forschung
Pt100 Genauigkeitsklassen
Normen definieren eine Art von idealen Pt100 Sensor, den Hersteller anstreben können. Wäre es möglich, den idealen Sensor zu bauen, wären Toleranzklassen irrelevant.
Da Pt100 Sensoren nicht angepasst werden können, um Fehler auszugleichen, müssen Sie einen Sensor mit einer für Ihre Anwendung geeigneten Genauigkeit kaufen.
Bei manchen Messgeräten können Sensorfehler durch bestimmte Koeffizienten korrigiert werden.
Pt100 Sensoren gibt es in verschiedenen Genauigkeitsklassen, die gängigsten sind AA, A, B und C, wie in der Norm IEC 60751 definiert.
Darüber hinaus gibt es sogenannte Bruchtoleranzklassen, wie etwa 1/3, 1/5 und 1/10. Diese waren zuvor beispielsweise in der 1987 zurückgezogenen DIN 43760:1980-10 genormt, wurden in der späteren Norm IEC 60751 jedoch nicht mehr definiert.
Die Norm IEC 60751:2022 definiert diese Toleranzklassen in Abschnitt 5.2.3.3 (Kennzeichnung von Thermometern). Die Toleranz dieser Sensoren basiert auf dem Sensor der Genauigkeitsklasse B, wobei jedoch sowohl der feste Teil (0,3 °C) als auch der relative Teil des Fehlers durch die angegebene Zahl (3, 5 oder 10) geteilt werden. Die Toleranzklassen dieser Sensoren lauten daher:
Selbstverständlig kann ein Sensorhersteller Sensoren mit eigenen Genauigkeitsklassen produzieren.
Die Formeln sind schwer vergleichbar. Daher werden die Genauigkeitsklassen in der folgenden Tabelle auf Basis der Temperatur (°C) berechnet:
Brünnen
A HISTORY OF THE THERMOMETER AND ITS USE IN METEOROLOGY von W. E. Knowles Middleton (1966)
Timeline of temperature and pressure measurement technology – wikipedia
„Thermoscoop“ experiment Philo von Byzanz (280-220 vor Christus)
The life of Fahrenheit – Beschreibung Christies Auktion von Fahrenheit Thermomometer im September 2012
Wichtige wikipedia Seite über Fahrenheit
Thermoelementen – wikipedia
Wiederstand Thermometer – wikipedia
Pt100 accuracy classes – Beamex
Thermocouple accuracy classes – Thermo Electric
