Inhomogenitäten-Scan von Thermoelementen
Die Thermospannung eines Thermoelementes wird im Temperaturgradienten der Messstelle d.h. beispielsweise im Bereich des Schutzrohres (und nicht an der Schweißstelle) generiert.
Die Entstehung der Thermospannung im Temperaturgradienten
Treten innerhalb von diesem Temperaturgradienten örtliche Inhomogenitäten auf, kommt es zu Abweichungen des Messwertes. Dieser Messfehler aufgrund von Inhomogenitäten kann erheblich sein und stellt bei Messunsicherheitsbetrachtungen oftmals den größten Beitrag dar. Die Ursache dieser örtlichen Inhomogenitäten ist im metallischen Zustand und der Zusammensetzung des Thermomaterials zu suchen. Edelmetall-Thermoelemente besitzen üblicherweise bessere Homogenitäts-Eigenschaften als die preisgünstigeren Nicht-Edelmetall-Thermoelemente. Oftmals haben Inhomogenitäten aber auch physikalische Ursachen. So führt z.B. eine Verformung der Thermodrähte (Biegen von Mantelthermoelementen!) fast immer zu messbaren Fehlern.
Inhomogenität und Kalibrierung
Bei einer hochwertigen Kalibrierung muß die Inhomogenität eines Thermoelementes fest gestellt werden. Das kann z.B. geschehen, indem ein Thermoelement mit verschiedenen Eintauchtiefen kalibriert wird. Diese Untersuchungen sind sehr aufwendig.
Bei preisgünstigen Thermoelementen und größeren Stückzahlen wird oftmals auf eine Untersuchung der Inhomogenität bei Kalibrierungen verzichtet. Schließlich muß die Untersuchung per Hand an jedem einzelnen Thermoelement durchgeführt werden und kann nicht voll automatisiert werden (Das widerspricht dem Workflow vieler Kalibrierlaboratorien).
Dem Anwender muß aber bewusst sein, dass solch eine Kalibrierung zu Risiken führt. Das Thermoelement ist im Sinne der Qualitätssicherung rückgeführt. Bei vielen Parametern wie z.B. Druck oder elektrische Größen reicht dieser Nachweis aus. Ist aber bei Thermoelementen die Inhomogenität nicht bekannt, sind erhebliche Messfehler zu erwarten.
Die DAkkS-DKD R 5-3 Richtlinie zum Kalibrieren von Thermoelementen merkt an, dass Thermoelemente homogen sein müssen und die Kalibrierbedingungen den gegebenen Messbedingungen entsprechen müssen. Andernfalls können „fehlerhafte Ergebnisse“ mit „systematischen Abweichungen von mehreren Grad Celsius“ entstehen (Kapitel 6.1.). Und das trotz DAkkS Kalibrierschein!
Die Umsetzung dieser Empfehlung ist problematisch. Es ist praktisch nicht möglich sicherzustellen, dass ein Thermoelement in einem industriellen Umfeld nur so eingesetzt wird, wie es kalibriert wurde. Mit der Konsequenz, dass die entsprechenden Messfehler allgegenwärtig sind.
Thermoelement Inhomogenitäten-Scanner
Eine maßgebliche Verbesserung der Alltagstauglichkeit und eine realistische (richtige!) Abschätzung der Messunsicherheit von Thermoelementen wird durch einen Thermoelement Inhomogenitäten-Scanner erreicht.
Inhomogenitäten-Scanner von Klasmeier
Zum Inhomogenitäten-Scan wird ein Thermoelement in den Scanner eingesetzt. Eine bewegliche Wärmequelle fährt mit einer definierten Temperatur die Messstelle (Schutzrohr) des Thermoelementes ab. Wichtig ist es, mit dem richtigen Verhältnis zwischen Geschwindigkeit und Temperatur zu arbeiten. So wird eine hohe Reproduzierbarkeit verschiedener Typen erreicht. Die Auswerte-Einheit des Inhomogenitäten-Scanners bestimmt die relative Inhomogenität des Thermoelementes in Abhängigkeit der Thermospannung.
Relative Inhomogenität eines Typ R Thermoelementes
Die Auswertung des Inhomogenitäten-Scans ist Teil der Kalibrierung. Sie fließt in die Betrachtung der Messunsicherheit ein. Das Protokoll wird der Dokumentation jeder Kalibrierung beigelegt.
Die relative Inhomogenität kann in Abhängigkeit vom Typ und der Einsatztemperatur in eine absolute Inhomogenität in Grad Celsius umgerechnet werden. Bei der Umrechnung handelt es sich um eine ungefähre Abschätzung, da der Messfehler von mehreren Faktoren wie z.B. dem Temperaturgradienten abhängig ist.
Absolute inhomogenität eines Typ R Thermoelementes (ungefähre Abschätzung)
Das kalibrierte Thermoelement kann damit unabhängig von den Kalibrierbedingungen für seine eigentliche Messaufgabe verwendet werden.
Eine praktische Anwendung des Inhomogenitäten-Scanners der Firma Klasmeier finden Sie bei der Produktion der eXacal Thermoelemente und bei der DAkkS Kalibrierung von Thermoelementen.
