Fehlerquellen bei der Temperatur-Kalibrierung

Fehlerquellen bei der Temperatur-Kalibrierung

Die Analyse von Fehlerquellen stellt für einen Kalibrieringenieur stets eine Herausforderung dar. Im Rahmen physikalischer und technischer Messungen treten immer eine Reihe von Fehlerquellen auf, die es zu identifizieren gilt. Denn manchmal sind die Ergebnisse einer Messung anders als erwartet oder nicht reproduzierbar. Oder die Temperaturfühler sind zu kurz, um kalibriert werden zu können. Die Liste von möglichen Fehlerquellen ist sehr lang und in diesem Kapitel soll auf die 11 häufigsten Fehlerquellen in Bezug auf die Verwendung von Platin-Widerstandsthermometern und Thermoelementen hingewiesen werden.

Fehlerquelle 1: Wärmeableitung

Bei Platin-Widerstandsthermometern sind die Wärmeableitung bzw. der Eintauchfehler die „klassischen“ Fehlerquellen. Die Bilder zeigen ein typisches industrielles Platin-Widerstandsthermometer (IPRT). Eine genaue Beschreibung zu den IPRT´s ist im Kapitel über die industriellen Laboratorien nachzulesen.

Das Metallschutzrohr hat einen Durchmesser von 6 mm. An der Spitze befindet sich das Messelement, ein drahtgewickelter Platin-Temperaturmesswiderstand, mit einer Länge von 15 mm.

Es stellt sich nun die Frage, wie tief solch ein Thermometer in das zu messende System eingetaucht werden sollte, um dessen Temperatur zu messen.

Wird die Messwiderstandslänge nur zur Hälfte eingetaucht (oberes Bild rechts), kann nachvollzogen werden, warum das nicht ausreicht. Angenommen die Raumtemperatur liegt bei 20°C und das System hat 100°C. Das Thermometer würde dann irgendeinen Wert zwischen 20°C und 100°C anzeigen.

Welche Temperatur würde das Thermometer anzeigen, wenn es über die gesamte Messwiderstandslänge eingetaucht wird? Leider immer noch nicht die 100°C, da es entlang der Konstruktion, in der sich das Thermometer befindet, zu einer Wärmeableitung kommt.

Das Thermometer muss also tiefer eingetaucht werden, um der Wärmeableitung entgegenzuwirken bzw. den Eintauchfehler zu verhindern. Wird das Thermometer also so tief eingetaucht, bis ein weiteres Eintauchen des Thermometers zu keiner Veränderung an der Temperaturanzeige mehr führt, ist es tief genug. Es lässt sich demnach sehr einfach feststellen, ob ein Thermometer weit genug eingetaucht ist. Es muss nur um circa 1 cm herausgezogen und beobachtet werden, ob sich die angezeigte Temperatur verändert. Die Versuchsbedingungen sollten dabei nicht verändert werden, damit das System homogen und isothermal bleibt.

Wärmeableitung

Wärmeableitung

Bsp. Wärmeableitung

Bsp. Wärmeableitung

Fehlerquelle 2: Thermospannung

Thermospannungsfehler können sich signifikant auswirken, besonders bei höheren Temperaturen. Bei einem industriellen Platin-Widerstandsthermometer wird für den Messwiderstand Platin verwendet, doch die internen Drähte und das Kabel sind aus einem anderen Material. Wenn ein Temperaturgradient zwischen den Verbindungen der unterschiedlichen Metalle herrscht, wird eine Thermospannung erzeugt. Die Thermospannung der Materialkombination von Kupfer und Platin beträgt typischerweise 6-8 μV/°C. Bei Messgeräten, die mit einer ungeschalteten Gleichspannungsmessung arbeiten, erzeugt der Messstrom eine Thermospannung, die einen Fehler verursacht. Bei einem Gerät, dass mit einem Messstrom von 1 mA arbeitet und einem Temperaturgradienten von 1°C entlang der Platin-/Kupferverbindung ausgesetzt wird, entsteht ein Fehler von 0,02°C bei 500°C. Dieser Fehler kann vermieden werden, wenn Geräte verwendet werden, die mit Wechselstrom arbeiten oder bei denen die Polarität des Gleichstromes geschaltet wird, um dann durch eine Mittelwertbildung die erzeugte Thermospannung zu eliminieren.

Fehlerquelle 3: Ansprechempfindlichkeit

Verschiedene Thermometer haben unterschiedliche Ansprechempfindlichkeiten. Wenn zwei Thermometer unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeiten zusammen in einem Kalibrierbad eingetaucht werden und dieses Bad Temperaturschwankungen hat, dann zeigen die Thermometer, wegen ihrer unterschiedlichen Ansprechempfindlichkeiten, verschiedene Werte an. Die Differenz zwischen den beiden Widerstandsthermometern wird mit der Zeit schwanken.

Fehlerquelle 4: Fehler durch Leitungswiderstände

Der Widerstand der Anschlussleitungen einerseits und die Verbindung des industriellen Widerstandsthermometers und dem Messinstrument andererseits erzeugen ebenfalls Fehler.

Die einfache Zwei-Leiter-Schaltung sollte als Anschlussmöglichkeit vermieden werden.

Die Anschlussleitung kann nicht kompensiert werden und damit wird das gesamte Widerstandssystem, bestehend aus Messwiderstand und Anschlussleitung, zu einem Thermometer.

Wheatstonsche Messbrücke

Wheatstonsche Messbrücke

Leitungswiderstände

Leitungswiderstände

Viele industrielle Geräte verwenden einen Drei-Leiter-Anschluss. Dabei wird eine zusätzliche Leitung (RL 2) zu einem Kontakt des Widerstandsthermometers geführt. Es bilden sich somit zwei Messkreise, von denen einer als Referenz genutzt wird.

3-Leiter-Anschluss

3-Leiter-Anschluss

In den Laborgeräten wird üblicherweise die Vier-Leiter-Technik verwendet, welche wiederum der Drei-Leiter-Technik vorzuziehen ist. Hierbei wird der Spannungsabfall am Messwiderstand über die Messleitungen gemessen. Der ermittelte Spannungsabfall ist unabhängig von den Eigenschaften der Zuleitung.

4-Leiter-Anschluss

4-Leiter-Anschluss

Fehlerquelle 5: Eigenerwärmung

Der Messstrom, der durch ein Widerstandsthermometer fließt, erzeugt zwangsläufig einige Verlustleistung. Sie ist gleichzusetzen mit dem Strom im Quadrat multipliziert mit dem Widerstand (I²R). Laborgeräte können üblicherweise die Verlustleistung reduzieren, indem der Strom um den Faktor 0,707 reduziert wird. Das ermöglicht, die Wärmeableitung zu berechnen und dementsprechend zu kompensieren. Zum Beispiel: Ein Thermometer zeigt 660,327°C. Der Strom wird von 1mA auf 0,707mA reduziert. Das Thermometer zeigt nun 660,325°C. Durch die Halbierung des Messstromes wird die Temperatur um 0,002°C geändert. Es wird angenommen, dass die Halbierung der Leistung auch die Eigenerwärmung halbiert und daraus folgt, dass die Gesamteigenerwärmung 0,004°C beträgt. Die Thermometeranzeige muss bei einem Messstrom von 0 mA auf 660,323°C korrigiert werden.

Fehlerquelle 6: Ladungsfehler

Die Masse des Temperaturfühlers sollte im Vergleich zu der Masse des Kalibrierbades geringer sein, so dass der oder die Fühler das Kalibrierbad nicht überladen und dadurch zu viel Wärme aus dem Bad ableiten.

Fehlerquelle 7: Thermoelemente

Thermoelemente sind die am weit verbreitetsten Temperaturfühler. Sie sind in vielen Bereichen einsetzbar und unterscheiden sich hinsichtlich der Thermoelement-Typen, der Konstruktionen und der Temperaturbereiche.

Grundschaltung Thermoelement

Grundschaltung Thermoelement

Thermoelemente sind preisgünstig herzustellen, haben einen sehr breiten Anwendungsbereich und sind robust. Sie produzieren eine Thermospannung, die abhängig ist von der Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungen zweier unterschiedlicher Metalldrähte. Man beachte, dass Thermoelemente keine Temperaturen, sondern eine Temperaturdifferenz messen.

Thermoelement

Thermoelement

Um Temperatur messen zu können, muss eine der Verbindungen auf einer bekannten (Referenz-)Temperatur gehalten werden. Diese Verbindung wird „kalte Vergleichsstelle“ genannt.

Üblicherweise liegt diese bei 0°C. Diese Temperatur kann zum Beispiel durch ein Eis/Wasser-Gemisch realisiert werden. Ist die Erstellung eines Eis/Wasser-Gemisches zu aufwändig, kann die Vergleichsstelle elektrisch durch Hinzufügen der entsprechenden Thermospannung realisiert werden.

Die bekannten Norm-Spannungsreihen sind für eine Vergleichsstelle von 0°C in der DIN IEC 584-1 und DIN EN 60584-1 nachzulesen. Thermoelemente messen immer eine Differenz, auch wenn man keine kalte Vergleichsstelle sehen kann. Im dargestellten Beispiel sind die Thermoelementdrähte an sog. thermospannungsfreie Miniaturstecker angeschlossen. Ein physikalischer Eispunkt ist nicht vorhanden, die kalte Vergleichsstelle wird simuliert. Dabei misst ein Sensor die Temperatur an der Steckverbindung und kompensiert elektrisch die durch die Temperatur entstandene Thermospannung.

Fehlerquelle 8: Homogenität

Für die Temperatur-Kalibrierung von Thermoelementen ist es wichtig zu wissen, wo die Thermospannung erzeugt wird und wie sie durch die Homogenität der Thermoelementdrähte beeinflusst wird. Die produzierte Spannung ist proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Verbindungen. Die Thermospannung wird jedoch nicht an den Verbindungen erzeugt, sondern in dem Teil der Drähte, der sich im Temperaturgradienten befinden. Das Diagramm zeigt, dass die Spannung dort erzeugt wird, wo das Thermoelement den Block verlässt, also dort, wo der Temperaturgradient ist. Ein weiterer Temperaturgradient ist an der kalten Vergleichsstelle. In diesem Beispiel befindet sich die Vergleichsstelle in dem Eis/Wasser- Gemisch.

Thermospannung

Thermospannung

Drähte sind manchmal zu lang. So kommt es vor, dass die Vergleichsstelle im ungünstigsten Fall kilometerweit vom Kalibrierlabor entfernt ist. Weist ein Draht in seinem Verlauf verschiedene Eigenschaften auf, dann ist die ganze Temperatur-Kalibrierung anzuzweifeln. Die einfachste Lösung ist es, in solchen Fällen die Unedelmetall-Thermoelemente einfach durch Neue zu ersetzen, in der Hoffnung, dass die neuen Drähte homogen sind.

Fehlerquelle 9: Normal-Thermoelemente

Kalibrierlabore benutzen in Öfen Normal-Thermoelemente für Hochtemperatur-Kalibrierungen. Die am besten ausgestatteten Ausführungen haben eine externe physikalische Vergleichsstelle, die in ein Eis/Wasser-Gemisch eingetaucht wird oder in einen automatischen Vergleichsstellen-Thermostat eingesetzt wird. Durch diese Konstruktion wird höchste Genauigkeit erlangt und es werden viele Messunsicherheiten vermieden, die über die Vergleichsstellen erzeugt würden.

Empfindlichkeit Thermoelemente

Empfindlichkeit Thermoelemente

Normal-Thermoelemente werden aus Edelmetallen hergestellt, wie beispielsweise Typ R und Typ S. Beide bestehen aus einem Platin und einem Platin/Rhodium-Schenkel. Edelmetall-Thermoelemente haben eine bessere Reproduzierbarkeit als andere Typen, aber die Spannungsempfindlichkeit ist gering. Bei einer Änderung von 1°C kommt es zu einer Veränderung von nur wenigen μV. Die nebenstehende Tabelle zeigt die Empfindlichkeit. Um Thermospannung zu messen, werden hohe Anforderungen an die Messgeräte gestellt.

Präzisions-Thermoelement

Präzisions-Thermoelement

Fehlerquelle 10: Unedel-Thermoelemente

Unedelmetall-Thermoelemente, wie zum Beispiel Typ K, bei dem Nickel/Chrom- und Nickel/ Aluminium-Legierungen verwendet werden, sind preiswerter als Edelmetall-Thermoelemente. Diese Modelle sind jedoch verglichen mit Edelmetalltypen grundsätzlich schlechter reproduzierbar. Das oft verwendete Thermoelement Typ K hat außerdem eine große Hysterese, die sich mit der Temperaturrichtung bemerkbar macht.

Eine besondere Thermoelement-Konstruktion hat das mineralisolierte Thermoelement mit Metallmantel. Es kann üblicherweise bis 1300°C eingesetzt werden.

Isolierte Drahtausführungen werden üblicherweise mit PTFE, PVC, Glasfaser oder Keramik isoliert und erreichen damit typische Temperaturbereiche von 70°C, 200°C, 350°C und 1800°C.

Fehlerquelle 11: Thermoelement-Anschluss

Ein weiterer Fehler entsteht bei dem Anschluss der Thermoelemente. Um Thermoelemente am Messgerät anschließen zu können, ist es oft notwendig, Kabel zu verlängern. Es gibt zwei Arten von Anschlusskabeln:

Ausgleichsleitung:

Als Anschlussdraht wird eine Legierung verwendet, die ein ähnliches thermisches Verhalten zeigt wie die entsprechenden Thermodrähte. Die Anschlussdrähte sind preisgünstig. Es wird beispielsweise das Thermomaterial Typ U benutzt, um Platin-Thermoelemente zu verlängern. Für Temperaturen, die in der Nähe der Umgebungstemperatur liegen, hat das Material der Ausgleichsleitung ähnliche Eigenschaften wie die Thermoelemente Typ R und S. Es enthält jedoch kein Platin und ist dadurch preisgünstiger.

Thermoleitung:

Bei Thermoleitungen werden die selben Legierungen verwendet wie bei den Thermoelementtypen. Diese Leitungen sind teurer. Dennoch sollten, wenn immer es möglich ist, grundsätzlich diese Leitungen verwendet werden.

Man sollte sich für eine Art der Leitung entscheiden, also entweder Ausgleichsleitungen oder Thermoleitungen, um größere Fehler zu verhindern. Eine Temperatur-Kalibrierung der Thermoleitungsdrähte wird empfohlen.

Thermoleitung

Thermoleitung