Temperaturblog

Das Wissen darüber, wie und was das jeweilige Thermometer misst, ist der bedeutendste Aspekt für eine erfolgreiche Kalibrierung. Denn jedes Thermometer hat eine „eigene“ Eigenerwärmung, eine andere thermische Masse, auch die Eintauchtiefe muss für jedes Thermometer angepasst werden. All diese und weitere Effekte führen, wenn sie nicht beachtet werden, dazu, dass das Thermometer eine andere Temperatur misst, als der Anwender zu erwarten hätte. Der Anwender muss also die Effekte abschätzen und sie entweder eliminieren oder sie in das Messunsicherheitsbudget einrechnen.

In dem Buch „Traceable Temperatures: An Introduction to Temperature Measurement and Calibration“ (genaue Literaturangabe im Anschluss an die Aufzählung der 10 Tipps) wird beschrieben, welche Effekte ein Thermometer wie beeinflussen und bietet Lösungsansätze, wie mit diesen beeinflussenden Faktoren richtig umgegangen werden kann.

Thermoelemente messen eine Temperaturdifferenz zwischen dem Messpunkt und der Vergleichsstelle. Wenn Thermoelemente kalibriert werden, müssen beide Enden des Thermoelementes berücksichtigt werden, um die Differenz messen zu können (und jede Verbindung dazwischen).

In den meisten Fällen werden einem Kalibrierlabor jedoch nur ein Messteil und möglicherweise noch zwei Ausgleichsleitungen, um das Thermoelement an das Messgerät anzuschließen, geliefert. Effektiv bedeutet das, dass die Hälfte des Thermoelementes fehlt. Normalerweise müssen die Messunsicherheiten dann verdoppelt werden.

In dem Buch „Handbook of Temperature Measurement (Volumes 1-3)“ (genaue Literaturangabe im Anschluss an die Aufzählung der 10 Tipps) finden Sie ein komplettes Kapitel zu Thermoelementen.

Bei Thermoelementen wird die Thermospannung über einen Temperaturunterschied erzeugt und nicht an den Verbindungsstellen. Die Thermospannung wird entlang des kompletten Thermoelementes, an der Stelle, an der ein Temperaturunterschied (Temperaturgradient) auftritt, erzeugt.

Wenn das Temperaturprofil, in dem das Thermoelement eingesetzt wird, nicht bekannt ist, ist es schwierig, eine Kalibrierung durchzuführen.

Sämtliche Aspekte, die bei der Handhabung von Thermoelementen und für die Thermoelement-Kalibrierung benötigt werden, sind ebenfalls im „Handbook of Temperature Measurement (Volumes 1-3)“ beschrieben (genaue Literaturangabe im Anschluss an die Aufzählung der 10 Tipps).

Eine weit verbreitete Regel besagt, dass die Mindesteintauchtiefe eines Thermometers 15 mal dem Außendurchmesser plus der 1 ½ fachen Länge des Messwiderstandes entspricht.

Eine weitere, in der Praxis angewandte Regel, besagt, dass eine Eintauchtiefe eines Thermometers in einer umgewälzten Flüssigkeit, die 5 mal dem Außendurchmesser plus die Länge des Messwiderstandes entspricht, einen Temperaturanzeigenfehler von 1% ergibt.

Wird ein Thermometer 10 mal dem Außendurchmesser plus der Länge des Messwiderstandes eingetaucht, variiert die angezeigte Temperatur in einem Bereich von 0,003 % von der „wahren“ Flüssigkeitstemperatur. Wenn ein Thermometer, anstatt in umgewälzte Flüssigkeit, in die Bohrung eines Metallblockes geführt wird, sollte man, um den Fehler zu erreichen die Eintauchtiefe verdoppeln.

Widerstand kann nicht direkt gemessen werden! Um den Widerstand berechnen zu können, wird Strom durch einen Widerstand geleitet und die Spannung gemessen. Unter Anwendung der „Ohm-Gesetze“ kann dann der Widerstand ermittelt werden.

Wenn Strom durch einen Widerstand fließt, wird der Draht aufgeheizt. Im Besonderen dann, wenn der Draht noch dünner ist als menschliches Haar. Der Draht ändert also während eines Versuches die Temperatur. Um die Eigenerwärmungstemperatur des Thermometers ermitteln zu können, werden üblicherweise zwei unterschiedliche Ströme durch ein Thermometer geleitet. Beide Temperaturen werden dann gemessen und daraus wird die Eigenerwärmung berechnet.

Mehr zu dem Thema Eigenerwärmung finden Sie im Buch „Traceable Temperatures: An Introduction to Temperature Measurement and Calibration“ (genaue Literaturangabe im Anschluss an die Aufzählung der 10 Tipps).

In Kalibrierzertifikaten ist oft zu lesen, dass die Messungen nur zu dem Zeitpunkt gültig sind, an dem sie vorgenommen wurden. Diese Klausel wurde eingeführt, da es durch den Transport eines guten Normal-Platinwiderstandsthermometer, wegen der Beeinflussung der eingebauten Platinspirale, zu einem Anstieg des Normalwiderstandes kommt.

Der Kunde muss also nach Erhalt des kalibrierten Thermometers das Zertifikat erneut bestätigen. Dazu sollte die Messung des Widerstandes am Wassertripelpunkt oder, bei nicht so präzisen Normalen, am Eispunkt durchgeführt werden. Falls das Ergebnis dann nicht zufriedenstellend ist, muss das Thermometer getempert werden, um dann den Wassertripelpunktwert bei einer erneuten Messung am Wassertipelpunkt wieder auf den zertifizierten Wert zu bringen.

Normale sollten regelmäßig überprüft werden. Neben dem Wassertripelpunkt ist auch ein schneller Stabilitäts-Check über den Galliumpunkt möglich. Der Galliumpunkt ist einfach zu handhaben und sehr stabil.

Wenn der Anwender bei der Überprüfung des Normals feststellt, dass es gedriftet ist, dann sind alle Zertifikate, die mit diesem Normal erstellt wurden, ab dem Zeitpunkt der letzten Überprüfung ungültig. Es empfiehlt sich also, nicht zu viel Zeit zwischen den einzelnen Überprüfungen verstreichen zu lassen.

Auch mit nicht hochwertigen Kalibratoren können durch gute Verfahren und genaue Kenntnisse der Eigenschaften gute Ergebnisse erzielt werden. Es folgen ein paar nützliche Tipps:

- Es ist wichtig ausreichend viel Zeit zur Stabilisierung des Kalibrators, des Normals und des unbekannten Thermometers bis zur Erreichung eines thermischen Gleichgewichts zu investieren.

- Besitzen Sie mehr als einen Referenzfühler.

- Nehmen Sie mehrere Messwerte auf.

- Tauschen Sie das Referenzthermometer und das zu kalibrierende Thermometer aus und bilden Sie einen Mittelwert.

- Beide Thermometer, das Referenzthermometer und das zu kalibrierende Thermometer, sollten die gleiche Eintauchtiefe haben.

Je mehr Messwerte genommen werden, umso besser ist die statistische Sicherheit der Messwerte. Die Messunsicherheit kann reduziert werden, indem die Messwerte quadriert werden.

Zum Beispiel:

4 Messwerte halbieren die Messunsicherheit.

16 Messwerte vierteln die Messunsicherheit.

Als Beispiel soll die Kalibrierung eines Normalthermometers am Wassertripelpunkt betrachtet werden.

Zuerst werden alle Messunsicherheitsanteile betrachtet:

1. Die Wassertripelpunktzelle hat eine Messunsicherheit von ± 0,15mK.

3. Das Thermometer hat eine kalibrierte Messunsicherheit von ± 0,6mK. Es wird die Eigenerwärmung und die Eintauchtiefen-Charakteristik berücksichtigt.

4. Die Messbrücke, die einen Normalwiderstand mit dem Thermometer vergleicht und ein Brückenverhältnis anzeigt, hat eine Kalibrierung von ± 0,1mK.

5. Der Normal-Widerstand hat einen zertifizierten Wert von ± 50mK. Da die Messunsicherheit des Widerstands nahezu 100 mal größer ist als alle anderen Anteile der Messunsicherheitsbeiträge, können diese anderen Beiträge nahezu ignoriert werden. Solange der Normalwiderstand nicht 100 mal besser rekalibriert werden kann, kann das Labor keine präziseren Messergebnisse erreichen.

„Wenn man hören kann, wie ein Normal-Platinwiderstandsthermometer abgelegt wurde, ist das Thermometer schon beschädigt.“ Das trifft in der Tat meistens zu. Ein Normalthermometer muss also sehr vorsichtig behandelt werden, jeder thermische und mechanische Schock des Thermometers ist unbedingt zu verhindern.

Literaturangabe

1. „Traceable Temperatures: An Introduction to Temperature Measurement and Calibration“                                                                                                               J. V. Nichols & D. R. White                                                                        Wiley                                                                                                                  ISBN 0-471-49291-4

2. „Handbook of Temperature Measurement (Volumes 1-3)“                                      Robin E. Bentley                                                                                                    Springer Verlag                                                                                                     ISBN 981-4021-12-1 (set)

Literatur-Tipp

1. Technische Temperaturmessung                                                                           Frank Bernhard                                                                                                     Springer Verlag                                                                                                    ISBN 3-540-62672-7