Ausstattung eines industriellen Kalibrierlabors

Temperaturanzeiger werden oft anhand elektrischer Simulatoren geprüft und kalibriert. Diese werden an den Fühlereingang des Instrumentes angeschlossen. Das Gerät kann dann sehr einfach überprüft werden, indem entsprechende Temperaturwerte elektrisch simuliert werden.

Betrachtet man die Temperaturerfassung als Messkette, so hat der Temperaturfühler das größere Potenzial zum Driften. Unter Drift versteht man eine Änderung des elektrischen oder physikalischen Wertes eines Fühlers durch die regelmäßige thermische Belastung. Es ist somit sehr wichtig, den Temperaturfühler oder noch besser die Messkette, mit einer bekannten Wärmequelle zu kalibrieren und damit zu überprüfen. Es wird grundsätzlich empfohlen, den an das Instrument angeschlossenen Fühler als Messkette zu kalibrieren.

Geräteauswahl

Es steht eine große Auswahl an Wärmequellen für die industrielle Kalibrierung zur Verfügung. Am weitesten verbreitet sind die so genannten Metallblockkalibratoren. Auch die Multifunktionskalibratoren und die tragbaren Flüssigkeitsbäder werden in der Industrie gerne verwendet.

Die Wärmequellen bestehen in der Regel aus einem Kalibriervolumen, in das der Temperaturfühler gegeben wird, und einem Temperaturregler, um die gewünschte Temperatur auswählen zu können. Es folgt eine Beschreibung der Kalibratoren bzw. Bäder.

1. Metallblockkalibratoren

Metallblockkalibratoren bestehen aus einem Metallblock zur Aufnahme der zu kalibrierenden Temperaturfühler. Der Block wird geheizt oder gekühlt bis die gewünschte Temperatur erreicht ist. Es gibt zwei Typen von Metallblockkalibratoren. In dem einen Metallblockkalibrator gibt es einen großen Block mit einer bestimmten Anzahl von Bohrungen zur Aufnahme der Temperaturfühler. Diese Geräte haben eine große thermische Kapazität. Die zweite Variante hat eine einzige große Bohrung, in welche ein austauschbarer Metallblock, also ein „Einsatz“ hinein gegeben werden kann. Diese Variante ist flexibler und führt zu präziseren Ergebnissen, vorausgesetzt die Einsatztemperatur wird gemessen. Die Metallblockkalibratoren werden grundsätzlich in drei Temperaturbereiche eingeteilt, abhängig von dem verfügbaren Material und der Heiz- und Kühltechnologie:

– Metallblockkalibratoren, geheizt und gekühlt über thermoelektrische Wärmetauscher oder Peltiermodule; typischer Temperaturbereich: -40°C bis +140°C

– elektrisch geheizte Metallblockbäder; typischer Temperaturbereich: 30°C bis 700°C

– Kleine Öfen; typischer Temperaturbereich: 150°C bis 1200°C

Blockkalibrator

Blockkalibrator

1.1. Geräte mit Peltierelementen

Peltierelemente sind elektrische Wärmepumpen. Wenn ein Gleichstrom durch die Peltierelemente fließt, wird ein Wärmestrom transportiert. Wird die Flussrichtung des Stroms gewechselt, ändert sich auch der Wärmestrom. Das heißt also, entweder kühlen diese Elemente oder sie heizen. Die Peltierelemente unterliegen technischen Grenzen, die durch das verwendete Halbleitermaterial gesteckt werden. Die verwendeten Lötmittel begrenzen die maximale Arbeitstemperatur. Darüber hinaus sind die Peltierelemente nicht für bestimmte maximale oder minimale Arbeitstemperaturen verwendbar, sondern für eine maximale „Differenztemperatur“ zwischen zwei Punkten.

In der Arbeitspraxis bedeutet das, dass die niedrigste Arbeitstemperatur von der Raumtemperatur abhängig ist. Bei der Auswahl solcher Geräte sollte der Anwender sich immer versichern, unter welchen Bedingungen die minimale Arbeitstemperatur erreicht werden kann.

Metallblockkalibratoren dieser Bauart haben den Vorteil, dass sie geheizt und gekühlt werden können. Sie sind oftmals tragbar und haben typischerweise eine schnelle Heiz- und Kühlrate.

Peltierelemente

Peltierelemente

1.2. Elektrisch geheizte Metallblockkalibratoren

Bei diesen Geräten wird zur Wärmeerzeugung eine elektrische Heizung verwendet.Verglichen mit Peltiergeräten hat man hier die Vorteile eines weiteren Temperaturbereiches, niedrigere Kosten und meistens auch ein weitaus größeres Kalibriervolumen. Üblicherweise arbeiten diese Geräte bis zu einer maximalen Temperatur von 650 bis 700°C. Der Nachteil dieser Geräte liegt darin, dass sie nur heizen können (und nicht kühlen) und darum nicht unterhalb der Umgebungstemperatur arbeiten können. Es ist deswegen zu beachten, dass zum Beispiel eine Spezifizierung in einem Temperaturbereich von 0 bis 600°C bedeutet, dass zwei Bäder benötigt werden.

1.3. Kleine Öfen

Für höhere Temperaturen werden die metallummantelten elektrischen Heizelemente durch einen keramischen Rohrofen ersetzt. Bei den Metallblockkalibratoren wird üblicherweise eine Heizpatrone verwendet, um den Block aufzuheizen, oder eine Heizwicklung um den Metallblock angebracht. Die Öfen sind anders konstruiert. Üblicherweise wird bei ihnen ein Keramikrohr zur Aufnahme des austauschbaren Metallblocks verwendet, auf welchem eine entsprechende Heizwicklung aufgebracht ist. Die Geräte werden meistens verwendet, um Thermoelemente bis 1200°C zu kalibrieren. Der Nachteil dieser Öfen, verglichen mit den Metallblockkalibratoren für einen niedrigeren Temperaturbereich, ist die oftmals geringere Temperaturgleichmäßigkeit und die längeren Heiz- und Abkühlphasen.

Kleine Kalibrieröfen

Kleine Kalibrieröfen

2. Tragbare Flüssigkeitsbäder

Tragbare Flüssigkeitsbäder haben eine Bohrung, die mit Flüssigkeit gefüllt wird. Die Flüssigkeit wird bis zu der gewünschten Temperatur umgewälzt und geheizt oder gekühlt. Die Temperaturfühler werden direkt in die Flüssigkeit gegeben. Aus diesem Grund wird kein speziell gebohrter Block benötigt. Das ist ideal für kurze Fühler oder für ungewöhnliche Fühlerformen. Abgewinkelte Fühler passen beispielsweise nicht gut in einen Metallblock, können aber sehr gut in einem Flüssigkeitsbad kalibriert werden. Die Messunsicherheiten sind grundsätzlich besser als bei Metallblockkalibratoren, da keine Luftspalte vorhanden ist und die Temperaturgleichmäßigkeit der umgewälzten Flüssigkeit besser ist. Die Nachteile der Flüssigkeitsbäder gegenüber den Metallblockkalibratoren sind zum einen niedrigere Arbeitstemperaturen wegen der verwendeten Flüssigkeiten und zum anderen das Risiko der Entflammung der Flüssigkeiten. Durch das Verdampfen des Kalibriermediums können Flüssigkeitsbäder ein Labor verschmutzen.

Tragbares Flüssigkeitsbad

Tragbares Flüssigkeitsbad

3. Multifunktionskalibratoren

Eine Kombination aller erwähnten Geräte nennt man Multifunktionskalibratoren. Diese bieten sechs verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Standardmäßig können diese Geräte als Metallblockkalibrator mit einem auswechselbaren Metallblock, der zur Aufnahme von Temperaturfühlern gebohrt wurde, verwendet werden. Der Block kann herausgenommen werden und durch ein Flüssigkeitsbehältnis ersetzt werden. Die verwendete Flüssigkeit wird umgewälzt, geheizt und gekühlt. Anderes Zubehör ermöglicht die Benutzung zur Kalibrierung von Oberflächenthermometern und Infrarotthermometern. Diese Geräte erlauben auch den Einsatz von Schlanken Fixpunktzellen. Ein Großteil der Geräte arbeitet unter 0°C und ermöglicht damit auch die Inbetriebnahme des Eispunktes.

Zu beachten bei der Auswahl von industriellen Kalibriergeräten:

1. Temperaturbereich

Ein zu kalibrierendes Thermometer wird in das Kalibriervolumen gegeben. Das kann entweder ein Metallblock sein oder ein Gefäß mit umgewälzter Flüssigkeit. Bei den einfachsten Modellen kann die angezeigte Temperatur des zu kalibrierenden Thermometers mit dem Anzeigewert des Temperaturreglers verglichen werden.

Für einfache Testaufgaben und für Anforderungen, die große Messunsicherheiten erlauben, kann auf diese Art kalibriert werden. Ein solcher Aufbau wird meistens für moderate Temperaturbereiche verwendet, wenn die Temperaturquelle einen nicht austauschbaren Metallblock hat. Die daraus resultierenden großen Messunsicherheiten entstehen durch die abweichende Temperatur des Regelsensors, der nicht im Kalibriervolumen platziert werden kann. Es befindet sich immer ein Temperaturgradient zwischen dem zu kalibrierenden Fühler und Regelsensor.

Genauere Messergebnise können mit einem Referenzthermometer erreicht werden, das ebenfalls in das Kalibriervolumen hineingegeben wird. Anschließend wird es mit den Messwerten des zu kalibrierenden Thermometers verglichen. In den meisten Fällen erfolgt eine rückführbare Kalibrierung anhand dieser Methode. Die Vergleichsmethode ist die übliche Methode bei Messungen großer Temperaturbereiche und wenn austauschbare Einsätze verwendet werden.

Aufbau Kalibrierung

Aufbau Kalibrierung

In dem hier dargestellten Beispiel, befindet sich die Referenz-Temperaturanzeige in dem Kalibrator und bietet damit eine unabhängige Lösung. Das unabhängige System wird in diesem Fall als Referenz genommen, das mit dem zu kalibrierenden Thermometer verglichen wird. Diese Methode ermöglicht eine gute Genauigkeit, eliminiert größtenteils Temperaturgradientenfehler, Beladungsfehler und ergibt eine rückführbare Temperaturkalibrierung. Wenn das Anzeigegerät im Gerät eingebaut ist, muss der Metallblockkalibrator als System für jede Rekalibrierung in ein Kalibrierlabor gegeben werden.

Rückführbare Kalibrierung

Rückführbare Kalibrierung

Werden mehrere Metallblockkalibratoren in einem Labor verwendet, ist es empfehlenswert einen externen Anzeiger zu benutzen. Dieser Anzeiger kann dann mit allen Metallblockkalibratoren verwendet werden. Im Falle einer Rekalibrierung ist es dann nur noch notwendig den externen Anzeiger mit dem Referenzthermometer zu kalibrieren. Die Verwendung eines externen Anzeigers erlaubt zudem eine problemlose Erweiterung der Kalibriereinrichtung. Eine gleichzeitige Kalibrierung mehrerer Fühler wird durch das Nachrüsten eines rechnerunterstützten Messstellenumschalters und einer Kalibrier-Software ermöglicht.

2. Kalibriervolumen

Neben dem Temperaturbereich gibt es eine Reihe anderer Kriterien, die berücksichtigt werden sollten, wenn Geräte ausgewählt werden. Ein sehr wichtiges Kriterium ist die Größe des Kalibriervolumens, denn viele Thermometer benötigen eine relativ große Eintauchtiefe, um Wärmeableitungsfehler zu minimieren. Die Mindesteintauchtiefe bei einer Kalibrierung von industriellen Fühlern in Blockkalibratoren kann grob berechnet werden, indem der Fühlerdurchmesser mit 15 multipliziert wird und dazu die 1 ½fache Länge des Messwiderstandes addiert wird. Ein Beispiel: Ein Platinwiderstandsthermometer ist 180mm lang und hat einen Durchmesser von 6mm. Die Mindesteintauchtiefe beträgt 6mm x 15 + 1,5 x Länge des Messwiderstandes (30 mm) = 135 mm.

automatische Kalibrierung

automatische Kalibrierung

Ebenso wie die Tiefe, kann auch das Volumen für die Wahl des Gerätes bedeutend sein. Wenn mehrere Thermometer gleichzeitig kalibriert werden sollen, sollte ein großes Bad, das alle Thermometer aufnehmen kann, ausgesucht werden. Dieses Bad wird mehr kosten als ein Bad mit einem kleineren Block, aber das Einsparen von Zeit kann die Extrakosten wieder ausgleichen. Die Einsätze auf dem Bild zeigen beispielhaft unterschiedliche Kalibriervolumen.

Kalibriereinsätze

Kalibriereinsätze

3. Temperaturstabilität und Temperaturgleichmäßigkeit

Neben dem Kalibriervolumen haben die Temperaturstabilität und die Temperaturgleichmäßigkeit innerhalb eines Blockes große Bedeutung und sollten bei der Wahl berücksichtigt werden.

DKD R-5-4 ist beispielsweise eine gute Richtlinie, die beschreibt, wie die Leistung eines Metallblockkalibrators anzuwenden ist. Dieses Dokument ist als EA 10-13 auch in Europa anerkannt.

Normale für die industrielle Kalibrierung

Ein richtiges Normalthermometer ist ein Normal-Platinwiderstandsthermometer (SPRT) wie es in der ITS-90 beschrieben ist. Dessen technische Eigenschaften sind in der ITS-90 sehr genau definiert. Grundsätzlich sind SPRT´s jedoch zu zerbrechlich, zu teuer und sie erfordern eine zu große Eintauchtiefe, um für die industrielle Kalibrierung benutzt werden zu können.

Ein industrielles Arbeitsnormalthermometer wird über den benötigten Temperaturbereich ausgewählt. Industrielle Platinwiderstandsthermometer werden in der Regel in einem Temperaturbereich von –80 bis +650°C benutzt. Für höhere Temperaturbereiche werden Thermoelemente verwendet.

Oftmals werden diese Referenzfühler Arbeitsnormal-Thermometer genannt. Ein Arbeitsnormal-Thermometer wird in Kombination mit einem Temperaturanzeiger eingesetzt. Es ist praktisch, Geräte mit 2 Kanälen zu verwenden. So kann das Normal an einem Kanal angeschlossen werden und der zu kalibrierende Fühler am anderen Kanal. Werden mehrere Fühler kalibriert, so kann am Kanal 2 auch ein Messstellenumschalter angeschlossen werden.

Temperatur-Normal

Temperatur-Normal

Wenn ein Temperaturanzeiger in Verbindung mit einem Platinwiderstandsthermometer verwendet werden soll, ist es wichtig, dass das verwendete Messgerät in der Lage ist, Thermospannung zu eliminieren. Diese Funktion erfährt besondere Bedeutung, wenn das Widerstandsthermometer bei höheren Temperaturen eingesetzt wird.

Normal-Thermometer

Normal-Thermometer

In Widerstandsthermometern finden sich unterschiedliche Metalle. Die Platindrähte werden beispielsweise mit Kupferdrähten verlängert. Diese Verbindung wird möglicherweise mit einem weiteren Material zusammengelötet oder verschweißt. Ein Temperaturgradient, der zwischen diesen Verbindungen besteht, verursacht eine Thermospannung. Diese Thermospannung verursacht Fehler, wenn das Anzeigegerät mit einer festen Polarität arbeitet. Die Größe dieses Fehlers kann bei hohen Temperaturen sehr bedeutend sein. Für präzise Messungen mit Widerstandsthermometern benutzt man daher entweder eine Wechselstrommesseinrichtung oder ein Gleichstromgerät, bei dem der Messstrom permanent umgeschaltet wird, um eben diese Thermospannungsfehler zu eliminieren.

Das Anzeigegerät und der Fühler sollten als Messkette regelmäßig bei einem entsprechend akkreditierten Labor kalibriert werden. Die Messkette sollte ebenfalls regelmäßig überprüft werden, idealerweise an einer Wassertripelpunktzelle oder am Galliumfixpunkt. Eine regelmäßige Dokumentation und ein Vergleich der beiden Widerstandswerte, ermittelt am Wassertripelpunkt und am Galliumpunkt, zeigen mögliche Veränderungen der Messkette auf. Ist dies der Fall, wird eine Temperung und Rekalibrierung erforderlich.

Was ist eigentlich ein industrielles Platin-Widerstandsthermometer (IPRT)?

Um ein IPRT zu kalibrieren, ist es hilfreich grundlegende Fakten, wie die Konstruktion, die Arbeitsweise mit IPRT´s und deren Fehlerquellen zu verstehen.

Die internationale Norm IEC 60751 definiert die Toleranz und das Verhältnis von Temperatur zum elektrischen Widerstand bei den Platin-Widerstandsthermometern. Die Empfindlichkeit beträgt nominal 0,38 Ohm/1°C. Die meisten in der Industrie üblicherweise verwendeten, Widerstandsthermometer haben einen nominalen Widerstand von 100 Ohm bei 0°C.

Im Bereich von -200°C bis 0°C ist die Temperaturwiderstandsgleichung wie folgt:

Rt = R0 (1 + aT + bT2 + c(T-100°C)T3)

Und für den Bereich von 0°C bis 850°C:

Rt = R0 (1 + aT + bT2)

a = 3,9083 103 K-1

b = -5,775 107 K-2

c = -4.183 1012 K-4

IPRTs sind sehr beliebt, weil sie dem Anwender Folgendes bieten:

• kleine Messunsicherheiten

• kleine Alterung

• großen Arbeitsbereich

• anwendbar für präzise Anwendungen

Grundsätzlich werden zwei Messwiderstandskonstruktionen unterschieden: Schichtmesswiderstände und drahtgewickelte Widerstände.

Bei Schichtmesswiderständen wird eine mikrodicke Platinschicht auf ein Keramiksubstrat gedampft. Vorteile dieser Messwiderstände sind die relativ niedrigen Kosten und die schnelle Ansprechempfindlichkeit. Diese Konstruktionen sind stetig verbessert worden, obwohl die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Substrates und des Platins Stabilitäts- und Alterungseffekte zeigen.

Messwiderstand

Messwiderstand

Thermometer mit drahtgewickelten Messwiderständen besitzen üblicherweise eine geringere Messunsicherheit. Besonders bei der Verwendung bei großen Temperaturbereichen. Der Aufbau und die Konstruktionen variieren sehr stark.Die Methode der „Teilweisen Unterstützung“ ist eine beliebte Konstruktion, da sie kleine Messunsicherheiten erreicht. Die sehr feine und dünne Platinwendel wird nur teilweise im Keramikgehäuse befestigt. Damit ist ein akzeptabler Kompromiss zwischen der mechanischen Stabilität und der Möglichkeit der Ausdehnung des Drahtes realisiert. Mechanischer Druck und damit kontinuierliche Alterung wird somit minimiert.

Widerstands-Draht

Widerstands-Draht

Grenzen

Platin-Widerstandsthermometer werden für industrielle Anforderungen nur sehr begrenzt über 660°C eingesetzt.

Bei Temperaturen über 450°C wird es immer schwieriger das Platin vor der Verschmutzung durch das Ausgasen der Metallschutzrohre der Thermometer zu schützen. Das ist der Grund, warum bei Labor-Normalthermometern der Metallschutzmantel durch eine Glaskonstruktion ersetzt wird.

Hinweis: Vorsichtig behandeln!

Der äußere robuste Anschein eines IPRTs kann über die interne Zerbrechlichkeit hinwegtäuschen. Es sollten Bewegungen bei Temperaturen von über 450°C dringend vermieden werden. Denn bei Temperaturen von über 450°C ist es schnell und leicht möglich, die dann weichen Drähte durch mechanischen Druck zu beschädigen. Schon unvorsichtiges Ablegen eines IPRT´s oder eines SPRT´s kann das Thermometer beschädigen.