Thermometer mit Bimetallsensor

Das Bimetall besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Metallstreifen, die jeweils einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Bei einer Änderung der Temperatur dehnen sich die beiden Metalle unterschiedlich stark aus und bewirken damit eine Krümmung des Bimetalls.
Beim Thermometer wird aus der Stärke der Krümmung bzw. des resultierenden Winkels dann über eine Skala die Temperatur abgelesen.

Durch die rein mechanische Arbeitsweise muss man recht große Toleranzen (bis 10 %) in Kauf nehmen, dafür ist das Thermometer aber einfach und kostengünstig herzustellen.

Das temperaturempfindliche Sensorelement eines Bimetallthermometers ist ein als Spiralfeder ausgeführter Bimetallstreifen. Eine Temperaturänderung wird durch die einseitig fest eingespannte Bimetallfeder in eine Drehwinkeländerung umgewandelt. Einfachste Thermometerausführungen bestehen lediglich aus einer Spiralfeder mit Zeigerwelle, an deren Ende ein Zeiger aufgesetzt ist. Der Temperaturmesswert kann an der Skalenteilung des Thermometer-Zifferblattes abgelesen werden.

Der Temperatureinsatzbereich von Bimetallthermometern liegt zwischen -80°C und +550°C. Der bevorzugte Anwendungsbereich reicht von -50°C bis etwa 400°C.

Als Basismaterial der Spiralen oder Schraubenfedern werden Schichtverbundwerkstoffe nach DIN 1715, sogenannte Thermobimetalle, eingesetzt. Sie bestehen aus zwei etwa gleichstarken, mittels Schweißverfahren (Platierverfahren) untrennbar miteinander verbundenen Metallschichten (Komponenten) unterschiedlicher thermischer Ausdehnung. Die Werkstoffkomponenten werden so gewählt, dass sich eine möglichst große Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten ergibt.

Die Komponente mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, der typisch über liegt, wird oft als die „aktive“ Komponente des Bimetalls bezeichnet. Sie besteht in den meisten Fällen aus einer Legierung, die Eisen, Nickel, Mangan oder Chrom in verschiedenen Zusammensetzungen enthält.

Als „passive“ Komponente mit dem kleineren, unter liegenden Ausdehnungskoeffizienten wird häufig eine Eisen-Nickel-Legierung mit 36 % Nickel (Invar) verwendet. Dieser preisgünstige Werkstoff weist bei Raumtemperatur (20 °C) einen sehr kleinen Ausdehnungskoeffizienten auf.

Unter Temperatureinfluss krümmt sich der Bimetallstreifen zu der Komponente mit dem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hin, also zur passiven Seite.