Die Empfindungen von Hitze und Kälte sind grundlegend für die menschliche Erfahrung, doch die Suche nach Möglichkeiten zur Temperaturmessung hat viele große Geister herausgefordert. Es ist unklar, ob die alten Griechen oder Chinesen über Methoden zur Temperaturmessung verfügten, daher begann die Geschichte der Temperatursensoren, soweit wir wissen, in der Renaissance.
Die Herausforderung der Messung
Robert Hooke 
Ole Roemer Wärme ist ein Maß für die Energie in einem Körper oder Material – je mehr Energie, desto heißer ist es. Aber im Gegensatz zu physikalischen Eigenschaften wie Masse und Länge ist es schwierig zu messen. Die meisten Methoden sind indirekt, indem sie die Wirkung von Wärme auf etwas beobachten und daraus die Temperatur ableiten.
Die Erstellung einer Messskala war ebenfalls eine Herausforderung. Im Jahr 1664 schlug Robert Hooke vor, den Gefrierpunkt von Wasser als Nullpunkt zu verwenden und die Temperaturen davon ausgehend zu messen. Etwa zur gleichen Zeit erkannte Ole Roemer die Notwendigkeit von zwei Fixpunkten, zwischen denen eine Interpolation möglich ist. Die von ihm gewählten Punkte waren Hookes Gefrierpunkt und der Siedepunkt von Wasser. Damit bleibt natürlich die Frage offen, wie heiß oder kalt Dinge werden können.
Diese Frage wurde von Gay-Lussac und anderen Wissenschaftlern beantwortet, die sich mit den Gasgesetzen befassten. Im 19. Jahrhundert untersuchten sie den Einfluss der Temperatur auf Gas bei konstantem Druck und stellten fest, dass das Volumen pro Grad Celsius um den Bruchteil 1/267 ansteigt (später revidiert auf 1/273,15). Dies führte zum Konzept des Absoluten Null bei minus 273,15 °C.
Beobachtung der Ausdehnung: Flüssigkeiten und Bimetalle
Galileo soll um 1592 ein Gerät gebaut haben, das Temperaturänderungen anzeigte. Dabei wurde offenbar die Kontraktion von Luft in einem Gefäß genutzt, um eine Wassersäule anzuheben, deren Höhe den Grad der Abkühlung anzeigte. Allerdings wurde dies stark vom Luftdruck beeinflusst und war kaum mehr als eine Neuheit.
Das Thermometer, wie wir es kennen, wurde 1612 im heutigen Italien von Santorio Santorii erfunden. Er versiegelte Flüssigkeit in einem Glasrohr und beobachtete, wie sie sich beim Ausdehnen im Rohr nach oben bewegte. Eine Skala auf dem Rohr erleichterte das Ablesen der Veränderungen, aber dem System fehlte die Präzision bei den Einheiten.
Daniel Gabriel Fahrenheit arbeitete mit Roemer zusammen. Er begann mit der Herstellung von Thermometern, wobei er sowohl Alkohol als auch Quecksilber als Flüssigkeit verwendete. Quecksilber ist ideal, da es über einen großen Messbereich sehr linear auf Temperaturänderungen reagiert, aber Bedenken hinsichtlich seiner Toxizität haben zu einer geringeren Verwendung geführt. Inzwischen wurden andere Flüssigkeiten entwickelt, die es ersetzen. Flüssigkeitsthermometer sind nach wie vor weit verbreitet, allerdings ist es wichtig, die Tiefe zu kontrollieren, in der die Kugel eingetaucht ist. Die Verwendung einer Schutzhülse trägt zu einer guten Wärmeübertragung bei.
Der Bimetall-Sensor wurde Ende des 19. Jahrhunderts erfunden. Er nutzt die unterschiedliche Ausdehnung zweier miteinander verbundener Metallstreifen. Temperaturänderungen verursachen eine Biegung, die zur Aktivierung eines Thermostats oder eines Messgeräts ähnlich denen in Gasgrills verwendet werden kann. Die Genauigkeit ist gering – vielleicht plus oder minus 2 Grad –, aber diese Sensoren sind kostengünstig und finden daher vielfältige Anwendungen.
Galileo Galilei 
Santorio Santorii 
Grabplatte von Daniel Gabriel Fahrenheit Thermoelektrische Effekte
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war Elektrizität ein spannendes Gebiet der wissenschaftlichen Forschung, und Wissenschaftler entdeckten bald, dass Metalle unterschiedliche Widerstände und Leitfähigkeiten aufweisen. Im Jahr 1821 entdeckte Thomas Johann Seebeck, dass eine Spannung entsteht, wenn die Enden unterschiedlicher Metalle miteinander verbunden und unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden. Peltier entdeckte, dass dieser Thermoelement-Effekt umkehrbar ist und zur Kühlung genutzt werden kann.
Im selben Jahr demonstrierte Humphrey Davey, wie der elektrische Widerstand eines Metalls mit der Temperatur zusammenhängt. Fünf Jahre später schlug Becquerel vor, ein Platin-Platin-Thermoelement zur Temperaturmessung zu verwenden, aber es dauerte bis 1829, bis Leopoldo Nobili das Gerät tatsächlich entwickelte.
Platin wird auch in dem 1932 von C.H. Meyers erfundenen Widerstandstemperatursensor verwendet. Dieser misst den elektrischen Widerstand eines Platin-Drahtes und gilt allgemein als der genaueste Sensor. RTDs mit Draht sind von Natur aus empfindlich und für industrielle Anwendungen ungeeignet. In den letzten Jahren wurden Folien-RTDs entwickelt, die zwar weniger genau, aber robuster sind.
Im 20. Jahrhundert wurden auch Halbleiter-Temperaturmessgeräte erfunden. Diese reagieren mit guter Genauigkeit auf Temperaturänderungen, wiesen jedoch bis vor kurzem keine Linearität auf.
Wärmestrahlung
Samuel Langley 
William Herschel Sehr heiße und geschmolzene Metalle glühen und geben Wärme und sichtbares Licht ab. Sie strahlen auch bei niedrigeren Temperaturen Wärme ab, jedoch bei längeren Wellenlängen. Der englische Astronom William Herschel erkannte um 1800 als Erster, dass dieses „dunkle” oder infrarote Licht Wärme verursacht. In Zusammenarbeit mit seinem Landsmann Melloni fand Nobili einen Weg, diese abgestrahlte Energie zu erfassen, indem er Thermoelemente in Reihe schaltete, um eine Thermosäule zu bauen.
Darauf folgte 1878 das Bolometer. Es wurde vom Amerikaner Samuel Langley erfunden und bestand aus zwei Platinstreifen, von denen einer geschwärzt war, in einer Wheatstone-Brückenanordnung. Die Erwärmung durch Infrarotstrahlung verursachte eine messbare Änderung des Widerstands.
Bolometer sind empfindlich für Infrarotlicht über einen breiten Messbereich an Wellenlängen. Im Gegensatz dazu reagieren die seit den 1940er Jahren entwickelten Photonendetektoren in der Regel nur auf Infrarotstrahlung in einem begrenzten Messbereich an Wellenlängen. Bleisulfid-Detektoren sind empfindlich für Wellenlängen bis zu 3 Mikrometern, während die Entdeckung der ternären Legierung HgCdTe im Jahr 1959 den Weg für Detektoren ebnete, die auf bestimmte Wellenlängen zugeschnitten sind.
Heute sind kostengünstige Infrarot-Pyrometer weit verbreitet, und Wärmebildkameras finden mit sinkenden Preisen immer mehr Anwendungen.
Temperaturskalen
Lord Kelvin 
Anders Celsius Als Fahrenheit Thermometer herstellte, erkannte er, dass er eine Temperaturskala benötigte. Er legte den Gefrierpunkt von Salzwasser auf 30 Grad und seinen Siedepunkt auf 180 Grad höher fest. Später entschied man sich für reines Wasser, das bei einer etwas höheren Temperatur gefriert, sodass der Gefrierpunkt bei 32 °F und der Siedepunkt bei 212 °F liegt.
Ein Vierteljahrhundert später schlug Anders Celsius die Skala von 0 bis 100 vor, die heute seinen Namen trägt. Später erkannte William Thomson, später Lord Kelvin, den Vorteil eines festen Punktes an einem Ende der Skala und schlug vor, den absoluten Nullpunkt als Ausgangspunkt des Celsius-Systems zu verwenden. Dies führte zur Kelvin-Skala, die heute in der Wissenschaft verwendet wird.
Heute sind Temperaturmessskalen in einem Dokument mit dem Titel „Internationales Messsystem 90” (ITS-90) definiert. Leser, die ihre Maßeinheiten überprüfen oder besser verstehen möchten, sollten sich ein Exemplar dieses Dokuments besorgen.
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