Was ist der Unterschied zwischen einem Bimetall-Thermometer und einem Druckthermometer?

Die Temperaturmessung in Industrie-, Prozess- und Maschinenbauanwendungen beruht auf mehreren grundlegend unterschiedlichen physikalischen Prinzipien. Die Wahl des falschen Gerätetyps für eine bestimmte Anwendung kann zu schlechter Genauigkeit, vorzeitigem Ausfall, Sicherheitsrisiken oder unnötigen Kosten führen. Zwei der am weitesten verbreiteten mechanischen Thermometertypen – das Bimetall-Thermometer und das Druckthermometer (auch als Gasdruck- oder Füllsystem-Thermometer bezeichnet) – werden häufig direkt verglichen, da es sich bei beiden um in sich geschlossene Instrumente mit lokaler Anzeige handelt, die keine externe Stromversorgung benötigen. Ihre Funktionsprinzipien, Konstruktion, Leistungsmerkmale und idealen Anwendungen unterscheiden sich jedoch in wichtigen und praktisch bedeutsamen Punkten. In diesem Artikel werden beide Gerätetypen eingehend untersucht, um Ingenieuren, Anlagenbetreibern und Beschaffungsspezialisten eine fundierte Auswahl zu erleichtern.

So funktioniert ein Bimetall-Thermometer

A Bimetall-Thermometer basiert auf dem Prinzip der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zweier unterschiedlicher Metalle, die entlang ihrer Länge dauerhaft miteinander verbunden sind. Wenn der Verbundstreifen erhitzt oder abgekühlt wird, dehnen sich die beiden Metalle unterschiedlich schnell aus oder ziehen sich zusammen – abhängig von ihren jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten –, wodurch sich der verbundene Streifen proportional zur Temperaturänderung krümmt. Indem dieser Bimetallstreifen zu einer Schrauben- oder Spiralspule gewickelt und ein Ende mit einem festen Anker verbunden wird, während das andere Ende über eine mechanische Verbindung einen Zeiger antreibt, wird die Drehbewegung des Spulenendes in einen Zeigerausschlag über eine kalibrierte Skala übersetzt.

Die in Bimetall-Thermometern am häufigsten verwendete Metallpaarung ist Invar (eine Nickel-Eisen-Legierung mit einem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten), gebunden an eine Legierung mit hoher Ausdehnung wie Messing, Kupfer oder Edelstahl. Die nahezu Null-Ausdehnungsrate von Invar maximiert die Differenzbewegung bei einer gegebenen Temperaturänderung und verbessert so die Empfindlichkeit und den Skalenbereich. Die spiralförmige Spulenform wird bei Zeigerthermometern einer einfachen flachen Spirale vorgezogen, da sie ein längeres Bimetallelement innerhalb eines kompakten Schaftdurchmessers ermöglicht, wodurch die Winkeldrehung pro Grad Temperaturänderung erhöht und somit die Ablesbarkeit und Genauigkeit verbessert wird.

Das Sensorelement – ​​die spiralförmige Bimetallspule – ist in einem schützenden Schutzrohr oder Tauchschaft untergebracht, der in das zu messende Prozessmedium eingeführt wird. Der Schaft überträgt die Wärme vom Medium auf das Bimetallelement und schützt es gleichzeitig vor direktem Kontakt mit der Flüssigkeit. Der Zifferblattkopf, der den Zeiger, die Skala und manchmal ein Schutzfenster enthält, ist oben am Schaft montiert und zeigt die Temperatur direkt an. Es sind weder Strom noch externe Signalaufbereitung oder Fernauslesegeräte erforderlich – die gesamte Mess- und Anzeigekette ist mechanisch.

So funktioniert ein Druckthermometer

Ein Druckthermometer – genauer gesagt ein gefülltes Thermosystem oder Dampfdruckthermometer – funktioniert nach einem völlig anderen physikalischen Prinzip. Ein abgedichtetes System, bestehend aus einem Kolben (dem Sensorelement), einem Kapillarrohr und einem Bourdon-Rohr-Druckelement, wird mit einer temperaturempfindlichen Substanz – entweder einem Gas, einer Flüssigkeit, einem Dampf oder einer Kombination davon – gefüllt und hermetisch abgedichtet. Wenn der Kolben der Prozesstemperatur ausgesetzt wird, dehnt sich das Füllmedium aus (in flüssigkeitsgefüllten und gasgefüllten Systemen) oder erzeugt einen charakteristischen Dampfdruck (in Dampfdrucksystemen), wodurch der Druck im gesamten abgedichteten System erhöht wird. Die Bourdon-Röhre am Instrumentenende reagiert auf diese Druckänderung, indem sie sich leicht aufrichtet und über eine mechanische Verbindung einen Zeiger antreibt, der die Temperatur auf einer kalibrierten Skala anzeigt.

Die SAMA-Klassifizierung (Scientific Apparatus Makers Association) unterteilt gefüllte Thermosysteme basierend auf dem Füllmedium in vier Klassen. Systeme der Klasse I verwenden eine Flüssigkeitsfüllung (typischerweise Silikonöl oder Quecksilber in älteren Instrumenten), Systeme der Klasse II verwenden eine Dampfdruckfüllung (eine Flüssigkeits-Dampf-Mischung, die die Sättigungskurve der Füllflüssigkeit ausnutzt), Systeme der Klasse III verwenden eine Gasfüllung (typischerweise Stickstoff) und Systeme der Klasse V verwenden Quecksilber. Jede Klasse hat unterschiedliche Temperaturbereiche, Anforderungen an die Kompensation der Umgebungstemperatur und Genauigkeitseigenschaften, aber alle haben das gemeinsame Merkmal einer Fernlampe, die über eine Kapillare mit dem Anzeigekopf verbunden ist – eine Funktion, die es ermöglicht, den Messpunkt und den Ablesepunkt physisch über Entfernungen von bis zu mehreren Metern zu trennen.

Wichtige strukturelle und betriebliche Unterschiede

Während beide Instrumente eine lokale mechanische Temperaturmessung ohne externe Stromversorgung liefern, führt ihre interne Konstruktion zu erheblichen Betriebsunterschieden, die sich direkt auf ihre Eignung für verschiedene Anwendungen auswirken.

Position des Sensorelements und Fernablesung

Bei einem Bimetall-Thermometer befindet sich das Sensorelement (die Bimetallspule) im Instrumentenschaft direkt unter dem Zifferblattkopf. Die Skala muss daher am oder sehr nahe am Messpunkt positioniert werden – normalerweise nur wenige Zentimeter vom Prozessanschluss entfernt. Dies beschränkt Bimetall-Thermometer auf Anwendungen, bei denen der direkte Zugriff auf den Messpunkt zum Ablesen praktisch und sicher ist. Im Gegensatz dazu trennt ein Druckthermometer die Glühbirne (Sensorelement) vom Anzeigekopf über ein Kapillarrohr, das um Hindernisse herum, durch Wände oder über große Entfernungen geführt werden kann. Aufgrund dieser Fernablesbarkeit sind Druckthermometer unverzichtbar für Anwendungen, bei denen der Messpunkt physisch unzugänglich ist, sich an einem gefährlichen Ort oder in großer Höhe befindet oder bei denen sich das Personal während des Betriebs nicht dem Prozess nähern darf.

Reaktionszeit

Bimetall-Thermometer haben im Vergleich zu anderen Temperatursensortypen eine relativ langsame thermische Reaktion, da Wärme von der Prozessflüssigkeit durch die Schutzrohrwand in das Bimetallelement geleitet werden muss, bevor sich die Anzeige ändert. Die Reaktionszeiten liegen typischerweise im Bereich von 30–120 Sekunden, um 90 % einer Schrittänderung der Prozesstemperatur zu erreichen, abhängig vom Schaftdurchmesser, dem Schutzrohrmaterial und der Geschwindigkeit der Prozessflüssigkeit. Druckthermometer mit großen Kolben, die direkt in die Prozessflüssigkeit eingetaucht sind, reagieren bei flüssigkeitsgefüllten Systemen etwas schneller, obwohl die Kapillare eine kleine zusätzliche Verzögerung mit sich bringt. Keiner der Gerätetypen eignet sich für Anwendungen, die eine schnelle Temperaturverfolgung erfordern – elektronische Sensoren wie Thermoelemente oder RTDs mit dünnwandigen Schutzrohren sind weitaus schneller.

Kompensation der Umgebungstemperatur

Ein wesentlicher praktischer Unterschied zwischen den beiden Instrumententypen ist ihre Empfindlichkeit gegenüber der Umgebungstemperatur am Instrumentenkopf. Da sich bei Bimetall-Thermometern das gesamte Messelement auf Prozesstemperatur befindet, haben sie keinen nennenswerten Einfluss auf Änderungen der Umgebungstemperatur am Zifferblatt – die Bimetallspule reagiert nur auf die Temperatur am Schaft, nicht auf die Temperatur der Umgebungsluft am Zifferblatt. Druckthermometer, insbesondere flüssigkeitsgefüllte (Klasse I) und gasgefüllte (Klasse III) Systeme, reagieren empfindlich auf Änderungen der Umgebungstemperatur, da das Füllmedium in der Kapillare und dem Bourdon-Rohr auch von der Umgebungstemperatur und nicht nur von der Temperatur am Kolben beeinflusst wird. Dieser Effekt wird durch Kompensationsgeräte (bimetallische Kompensatoren, die in den Bewegungsmechanismus eingebaut sind) bewältigt. Restfehler der Umgebungstemperatur können jedoch in Umgebungen mit großen Umgebungstemperaturschwankungen eine erhebliche Ursache für Ungenauigkeiten sein.

Genauigkeits- und Kalibrierungsvergleich

Typische Anwendungen für Bimetall-Thermometer

Bimetall-Thermometer sind die am häufigsten verwendeten lokalen Thermometer in allgemeinen Industrie- und Prozessanwendungen und ihre Kombination aus Einfachheit, geringen Kosten, Robustheit und einfacher Installation macht sie zur Standardwahl für ein sehr breites Spektrum von Temperaturüberwachungsaufgaben.

• HVAC- und Gebäudedienstleistungen: Überwachung der Vor- und Rücklauftemperaturen in Heiz- und Kühlkreisläufen, Spulen von Lüftungsgeräten, Kühlwassersystemen sowie Kesselvor- und -rücklaufleitungen. Der kompakte Schaft und die einstellbare Ausrichtung des Zifferblatts eines Standard-Bimetall-Thermometers erleichtern die Installation in Rohrgrößen ab ½ Zoll.
• Industrielle Rohrleitungen und Behälter: Überwachung der Prozessflüssigkeitstemperatur an Pumpeneinlässen, Wärmetauscheranschlüssen, Lagertankauslässen und Mischpunkten in Lebensmittelverarbeitungs-, Chemie- und Pharmaanlagen. Bimetall-Thermometer in Sanitärqualität mit hygienischen Prozessanschlüssen sind in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung Standard.
• Kompressor- und Maschinenüberwachung: Überwachung der Öltemperatur, Austrittstemperatur und Kühlwassertemperatur an Kompressoren, Pumpen und Getrieben. Flüssigkeitsgefüllte Bimetall-Zifferblattthermometer werden bei Maschinenanwendungen mit hohen Vibrationen bevorzugt, da die Glyzerin- oder Silikonfüllung die Zeigerschwingung dämpft und den mechanischen Verschleiß des Uhrwerks verringert.
• Versorgungsüberwachung: Dampfverteilungssysteme, Druckluftleitungen, Kühlturmkreisläufe und allgemeine Versorgungsleitungen, bei denen die Temperatur eher zur Betriebskontrolle als zur präzisen Prozesssteuerung überwacht wird. Bimetall-Thermometer sind an diesen Standorten oft die kostengünstigste und wartungsfreundlichste Option.

Typische Anwendungen für Druckthermometer

Druckthermometer nehmen eine engere, aber wichtige Anwendungsnische ein, die in erster Linie durch die Notwendigkeit einer Fernanzeige – Ablesen der Temperatur an einem physisch vom Prozessmesspunkt getrennten Ort – und die Anforderung an ein vollständig mechanisches, eigenständiges Instrument an Orten definiert wird, an denen elektronische Sensoren nicht praktikabel oder zulässig sind.

• Kessel und Druckbehälter: Überwachung der Dampftemperatur, der Speisewassertemperatur und der Rauchgastemperatur an Orten, die für eine direkte Ablesung nicht sicher oder praktisch zugänglich sind. Die Glühlampe wird am Messpunkt installiert und der Anzeigekopf befindet sich in sicherer Entfernung auf einer örtlichen Schalttafel oder Steuertafel.
• Kühl- und Kryosysteme: Gasgefüllte (Klasse III) und Dampfdruck-Druckthermometer (Klasse II) werden in Kühlanlagen, Kühllagern und Flüssiggassystemen eingesetzt, wo die Temperaturen deutlich unter dem Bereich standardmäßiger Bimetallinstrumente liegen. Die Möglichkeit, Niedertemperaturfüllungen zu spezifizieren, erweitert den Messbereich auf –200 °C und darunter.
• Öl- und Gasförderanlagen: Fernablesung von Bohrlochkopftemperaturen, Abscheidertemperaturen und Wärmetauscheraustrittstemperaturen an Standorten in Prozessbereichen, die als Gefahrenzonen eingestuft sind, wo die Entfernung jeglicher elektrischer Komponenten eine Sicherheitsanforderung ist. Ein vollständig mechanisches Druckthermometer ohne elektrische Teile ist in explosionsgefährdeten Bereichen grundsätzlich sicher.
• Marine- und Offshore-Anwendungen: Überwachung der Motorraumtemperatur auf Schiffen und Offshore-Plattformen, bei denen Korrosionsbeständigkeit, mechanische Robustheit und das Fehlen von Strombedarf im Vordergrund stehen. Druckthermometer komplett aus Edelstahl mit Monel- oder Hastelloy-Kapillaren sind für die korrosivsten Meeresumgebungen geeignet.

Auswahl zwischen einem Bimetall- und einem Druckthermometer: Entscheidungsrahmen

Die Wahl zwischen einem Bimetall-Thermometer und einem Druckthermometer ist selten zweideutig, wenn die Anwendungsanforderungen klar definiert sind. Die folgende Entscheidungslogik deckt die häufigsten Unterscheidungsfaktoren ab:

• Wenn der Ablesepunkt vom Messpunkt entfernt sein muss: Wählen Sie ein Druckthermometer. Bimetallinstrumente können ihre Sensor- und Anzeigefunktionen nicht trennen. Der Abstand zwischen Kolben und Kopf, die Führung der Kapillare und die erforderliche Kapillarlänge sollten alle bei der Bestellung angegeben werden.
• Wenn die Anwendung mit starken Vibrationen verbunden ist: Beide Typen sind in vibrationsfester Ausführung erhältlich (flüssigkeitsgefüllte Bimetall-Zifferblätter; Rohrfeder-Druckthermometer mit Glycerinfüllung). Druckthermometer mit ihren Bourdon-Elementen mit größerer Masse sind in anhaltend starken Vibrationsumgebungen im Allgemeinen robuster als Bimetallinstrumente.
• Wenn die Umgebungstemperatur am Instrumentenkopf stark schwankt: Wählen Sie ein Bimetall-Thermometer, dessen Messwert nicht von der Umgebungstemperatur am Zifferblatt beeinflusst wird, oder entscheiden Sie sich für ein Dampfdruckthermometer der Klasse II, wenn auch eine Fernablesung erforderlich ist. Vermeiden Sie unkompensierte flüssigkeitsgefüllte Druckthermometer der Klasse I in Umgebungen mit großen Umgebungstemperaturschwankungen.
• Wenn die Messtemperatur unter −70 °C liegt: Ein Druckthermometer mit kryogener Füllung ist die einzige praktische mechanische Option. Bimetallinstrumente können bei Temperaturen unter etwa –70 °C aufgrund der Sprödigkeit und des Verlusts der unterschiedlichen Ausdehnung in Bimetalllegierungen mit sehr niedrigen Temperaturen nicht zuverlässig funktionieren.
• Wenn Kosten und Einfachheit die Hauptkriterien für eine unkomplizierte Anwendung zur Rohrüberwachung sind: Wählen Sie ein Bimetall-Thermometer. Es ist kostengünstiger, einfacher zu installieren und auszutauschen und vor Ort einfacher zu kalibrieren als ein Druckthermometer. Für die überwiegende Mehrheit der allgemeinen industriellen Temperaturüberwachungsaufgaben im Bereich von –70 °C bis 400 °C an zugänglichen Messpunkten bleibt das Bimetall-Thermometer die praktischste und kostengünstigste Wahl.