Bimetallstreifen-Thermometer: Funktionsweise und Anwendungen

Was ist ein Bimetallstreifenthermometer?

Ein Bimetallstreifenthermometer ist ein Gerät, das das Prinzip der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Festkörpern zur Messung von Temperaturen nutzt. Es besteht aus zwei Metallstreifen (z. B. Stahl und Messing) mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die entlang ihrer Länge fest miteinander verbunden sind. Wenn der Bimetallstreifen erhitzt oder abgekühlt wird, biegt oder dreht er sich aufgrund der ungleichen Ausdehnung oder Kontraktion der beiden Metalle. Die Menge der Biegung oder Drehung ist proportional zur Temperaturänderung und kann durch einen Zeiger auf einer kalibrierten Skala angezeigt werden.

Bimetallstreifenthermometer werden in verschiedenen Industrien und Anwendungen aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit und geringen Kosten weit verbreitet eingesetzt. Sie können Temperaturen von unter -100 °C bis über 500 °C messen, je nach den Materialien und dem Design des Bimetallstreifens. Sie sind vollständig mechanische Geräte, die keine Stromquelle oder elektrische Schaltung benötigen.

Wie funktioniert ein Bimetallstreifenthermometer?

Die grundlegende Struktur und das Prinzip eines Bimetallstreifenthermometers sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Bimetallstreifen besteht aus zwei Metallstreifen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Beispiel Stahl und Messing. Der Stahlstreifen hat einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Messingstreifen, was bedeutet, dass er bei gleicher Temperaturänderung weniger expandiert oder kontrahiert als der Messingstreifen.

Abbildung: Struktur und Prinzip eines Bimetallstreifens

Wenn der Bimetallstreifen erhitzt wird, expandiert der Messingstreifen stärker als der Stahlstreifen, wodurch der Bimetallstreifen mit der Messingseite auf der Außenseite der Kurve biegt. Umgekehrt, wenn der Bimetallstreifen abgekühlt wird, kontrahiert der Messingstreifen stärker als der Stahlstreifen, wodurch der Bimetallstreifen mit der Messingseite auf der Innenseite der Kurve biegt.

Die Biegung oder Drehung des Bimetallstreifens kann verwendet werden, um einen an einem Ende des Streifens befestigten Zeiger zu bewegen, der die Temperatur auf einer kalibrierten Skala anzeigt. Alternativ kann die Biegung oder Drehung des Bimetallstreifens dazu verwendet werden, einen elektrischen Kontakt zu öffnen oder zu schließen, was eine Temperatursteuerung oder ein Sicherheitsgerät auslösen kann.

Arten von Bimetallstreifenthermometern

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Bimetallstreifenthermometern, die auf dem Markt erhältlich sind: Spiral- und Helix-Typ. Beide Arten verwenden einen gewickelten Bimetallstreifen, um die Empfindlichkeit und Kompaktheit des Geräts zu erhöhen.

Spiral-Typ-Bimetallthermometer

Ein Spiral-Typ-Bimetallthermometer verwendet einen Bimetallstreifen, der in eine flache Spirale gewickelt ist. Das innere Ende der Spirale ist am Gehäuse befestigt, während das äußere Ende der Spirale mit einem Zeiger verbunden ist. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wenn die Temperatur steigt oder fällt, dreht sich die Spirale mehr oder weniger, wodurch der Zeiger entlang einer kreisförmigen Skala bewegt wird.

Abbildung: Bimetallthermometer (Spiraltyp)

Ein Spiral-Typ-Bimetallthermometer ist einfach und kostengünstig herzustellen und zu betreiben. Es hat jedoch einige Einschränkungen, wie:

• Das Zifferblatt und der Sensor sind nicht voneinander getrennt, was bedeutet, dass das gesamte Gerät dem Medium ausgesetzt sein muss, dessen Temperatur gemessen werden soll.

• Die Genauigkeit und Auflösung des Geräts hängen von der Qualität und Gleichmäßigkeit des Bimetallstreifens und seiner Verbindung ab.

• Das Gerät kann durch mechanische Schocks oder Vibrationen beeinträchtigt werden, die Fehler oder Beschädigungen verursachen können.

Helix-Typ-Bimetallthermometer

Ein Helix-Typ-Bimetallthermometer verwendet einen Bimetallstreifen, der in eine Helix gewickelt ist, ähnlich wie eine Feder. Das untere Ende der Helix ist an einem Wellenrohr befestigt, während das obere Ende der Helix frei beweglich ist. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, wenn die Temperatur steigt oder fällt, expandiert oder kontrahiert die Helix axial, wodurch das Wellenrohr rotiert. Die Rotation des Wellenrohrs kann über ein Zahnradsystem auf einen Zeiger übertragen werden, der die Temperatur auf einer linearen Skala anzeigt.

Abbildung: Bimetallthermometer (Helix-Typ)

Ein Helix-Typ-Bimetallthermometer hat einige Vorteile gegenüber dem Spiral-Typ, wie:

• Das Zifferblatt und der Sensor können durch Verwendung eines flexiblen Kapillarrohres voneinander getrennt werden, was es ermöglicht, das Gerät in entfernten oder schwer zugänglichen Orten einzusetzen.

• Die Genauigkeit und Auflösung des Geräts sind höher als beim Spiral-Typ, aufgrund der größeren Verschiebung und Hebelwirkung der Helix.

• Das Gerät ist weniger anfällig für mechanische Schocks oder Vibrationen, die die Spirale beeinflussen könnten.

Anwendungen von Bimetallstreifenthermometern

Bimetallstreifenthermometer haben eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen und Industrien, wie:

• Temperatursteuergeräte: Bimetallstreifenthermometer können verwendet werden, um eine Kühl- oder Heizanlage zu aktivieren oder deaktivieren, wenn die Temperatur einen vordefinierten Wert erreicht. Zum Beispiel kann ein Bimetallstreifen verwendet werden, um einen Wasserkocher auszuschalten, wenn das Wasser kocht, oder um einen Ventilator einzuschalten, wenn die Raumtemperatur zu hoch ist.

• Klimaanlagen und Kälteanlagen: Bimetallstreifenthermometer können verwendet werden, um die Temperatur in Luftkanälen, Kühlschränken, Gefrierschränken und anderen Kühl- oder Heizeinrichtungen zu messen und zu regeln. Zum Beispiel kann ein Spiral-Typ-Bimetallthermometer in einem Klimathermostat verwendet werden, um den Luftstrom entsprechend der gewünschten Temperatur zu justieren.

• Industrielle Prozesse: Bimetallstreifenthermometer können verwendet werden, um die Temperatur in verschiedenen industriellen Prozessen, wie Ölraffinerie, Reifenvulkanisation, Löten, Heizdrahtheizung und anderen, zu überwachen und zu steuern. Zum Beispiel kann ein Helix-Typ-Bimetallthermometer in einem Ölverbrenner verwendet werden, um die Brennstoffzufuhr entsprechend der Flammtemperatur zu regeln.

• Temperaturmessung und -anzeige: Bimetallstreifenthermometer können verwendet werden, um die Temperatur verschiedener Medien, wie Flüssigkeiten, Gase, Feststoffe und Oberflächen, zu messen und anzuzeigen. Zum Beispiel kann ein Bimetallstreifenthermometer verwendet werden, um die Wasser temperatur in einem Heizrohr oder die Oberflächentemperatur eines Motors zu messen.

Bimetallstreifenthermometer sind für diese Anwendungen geeignet, weil sie:

• Einfach und kostengünstig: Bimetallstreifenthermometer haben eine einfache Struktur und Gestaltung, die leicht herzustellen und zu bedienen sind. Sie benötigen keine Stromquelle oder elektrische Schaltung, was die Kosten und Wartung des Geräts reduziert.

• Robust und haltbar: Bimetallstreifenthermometer bestehen aus metallischen Materialien, die korrosions-, verschleiß- und stoßbeständig sind. Sie können hohe Temperaturen und Drücke ohne Verlust ihrer Genauigkeit oder Funktionalität aushalten.

• Mechanisch und analog: Bimetallstreifenthermometer sind mechanische Geräte, die ein analoges Signal erzeugen, das direkt proportional zur Temperaturänderung ist. Sie benötigen keine Kalibrierung oder Justierung und werden nicht durch elektromagnetische Störungen oder Rauschen beeinflusst.

Vorteile und Nachteile von Bimetallstreifenthermometern