Temperaturblog

Dieser Blogeintrag knüpft an den letzten Eintrag (Platin/Gold Thermoelemente I: Grundlagen) vom 13. September 2010 an. Nach den Grundlagen zu Platin/Gold Thermoelementen, befasst sich dieser Eintrag mit der Messtechnik in Bezug auf die Pt/Au-Thermoelemente.

Konstruktion der Messstelle
Aufgrund der stark unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten können die Gold-und Platindrähte nicht direkt miteinander verbunden werden. Stattdessen wird als Verbindungsstelle eine Spirale verwendet, die sich bei steigender Temperatur ausdehnen kann.

Die Messstelle
Am oberen Ende des Handgriffs befindet sich eine dünne Kupferröhre. Diese Kupferröhre dient dem Thermoelement zum Sauerstoffaustausch. Hochwertige Platin/Gold-Thermoelemente besitzen solch eine Kupferröhre, da sich hoch reines Platin in sauerstoffreicher Atmosphäre am langzeitstabilsten verhält. Darüber hinaus kann die Kupferröhre auch verwendet werden, um Experimente mit dem Thermoelement durchzuführen. Der Quarzmantel des Thermoelementes kann zum Beispiel mit verschiedenen Gasen gefüllt werden. Für den normalen Gebrauch im Kalibrierlabor wird allerdings empfohlen die Kupferröhre unverändert zu verwenden.

Die Thermoelement-Vergleichsstelle
Die Thermoelement-Vergleichsstelle ist der Bereich, an dem die Platin- beziehungsweise Golddrähte mit Kupferdrähten verbunden werden. Um mit kleinsten Messunsicherheiten arbeiten zu können, wird die Vergleichsstelle üblicherweise in einem Wassertripelpunkt realisiert (0,01 °C). Dabei ist zu beachten, dass die gemessene Thermospannung nach der internationalen IEC Norm (IEC 62460: 2008) von 0,01 °C auf 0,0 °C umgerechnet werden muss. Darüber hinaus sollten die Kupferdrähte direkt ohne Steckverbindung an das Messgerät angeschlossen wwerden, da die Verbindung zu Kupfersteckern sonst ungewollte Thermospannungen produzieren kann.

Messunsicherheit
Aufgrund der nicht linearen Empfindlichkeit der Platin/Gold-Thermoelemente variieren die Messunsicherheiten der Thermoelemente über den Temperaturbereich. Folgende Messunsicherheiten können erreicht werden (UKAS und NIST):

Wasser-Tripelpunkt (0,01 °C) ±0,06 °C
Zink-Fixpunkt (419,527 °C) ±0,05 °C
Aluminium-Fixpunkt (66 0,323 °C) ±0,05 °C
Silber-Fixpunkt (961,78 °C) ±0,05 °C

Wird das Thermoelement zusätzlich mit einer Kennlinie verwendet, beträgt die Messunsicherheiten circa 0,10 °C. Die kleinsten Messunsicherheiten, die bisher im DKD (Deutscher Kalibrierdienst) vergeben wurden, beträgt für Platin/Gold-Thermoelemente ±0,2 °C.

Bei der Verwendung von Platin/Gold-Thermoelementen (Pt/Au-Thermoelemente) sind einige wichtige Aspekte zu beachten. In diesem und nächsten Blogeintrag wird ein kleiner Überblick über Pt/Au-Thermoelemente geben.

Einführung
Temperatur kann nicht direkt gemessen werden. Temperatur wird über „Umwege“ ermittelt. Dafür werden Messinstrumente benötigt, die eine temperaturabhängige physikalische Größe messen, um diese dann in Temperatur umzurechnen. Die Messinstrumente werden zuvor an physikalisch definierten Temperaturen kalibriert, den so genannten Temperatur-Fixpunkten, welche durch die Internationale Temperaturskale von 1990 (ITS-90) definiert sind. Beispielhaft seien der Wassertripelpunkt, der Galliumschmelzpunkt und Aluminiumerstarrungspunkt genannt. Zwischen den Fixpunkten dienen die Messinstrumente als Interpolationsinstrumente und Transfernormale.

Vorteil der Platin/Gold Thermoelemente
Nach Empfehlung der ITS-90 werden bis zu einer Temperatur von 961,78 °C (Silber-Fixpunkt) Normal-Widerstandsthermometer als Interpolationsinstrument verwendet. Diese haben jedoch bei Temperaturen über 660 °C den Nachteil, dass sie nur mit äußerster Sorgfalt eingesetzt werden können. So müssen Normalthermometer beispielsweise durch bestimmte Alterungszyklen abgekühlt werden. Dies ist technisch sehr aufwändig und vor allem zeitintensiv. In der Praxis hat sich deshalb ein alternatives Messinstrument durchgesetzt. Über 660,323 °C (Aluminium-Fixpunkt) verwenden viele Kalibrierlaboratorien Platin/Gold-Thermoelemente. Es sind beispielsweise keine speziellen Behandlungen notwendig, um die Pt/Au-Thermoelemente von der Einsatztemperatur auf die Umgebungstemperatur abzukühlen. Dieser, in der alltäglichen Kalibrierarbeit, bedeutender Aspekt macht die Thermoelemente sehr beliebt. Auch wenn die Messunsicherheiten der Pt/Au-Thermoelemente höher sind als die von Hochtemperatur-Normal-Widerstandsthermometer überwiegen die Vorteile der praktischen Handhabung.

Herstellung der Platin/Gold-Thermoelemente
Die meisten kommerziell verfügbaren Platin/Gold-Thermoelemente werden in Anlehnung an eine Veröffentlichung von McLaren und Murdock (“The Pt/Au thermocouple”) hergestellt. Die Veröffentlichung ist heute unter der Dokumentennummer NRCC/27703 verfügbar. In dem Dokument wird maßgeblich beschrieben, wie die Gold- beziehungsweise Platindrähte vor der Verarbeitung behandelt werden müssen. Des weiteren sind mechanische Anleitungen zum Einbau der Mess- beziehungsweise Vergleichsstelle zu finden.

Quarzentglasung
Quarz ist eine unterkühlte Flüssigkeit. Dies trifft auf die meisten Glassorten zu, wie auch beim Fensterglas. Sollte bei einem Quarz der Entglasungsprozess einsetzen, zerfällt das Quarz in kleine Körner. Im schlimmsten Fall führt das zur Beschädigung des Quarzmantels, der dann brechen kann. Die Entglasung kann vermieden werden, indem der Quarzmantel des Platin/Gold-Thermoelementes vor jeder Verwendung sehr gründlich mit Alkohol gereinigt wird und die Pt/Au-Thermoelemente nicht zu großen Temperaturgradienten ausgesetzt werden.

>Der Begriff der Messunsicherheit, herausgearbeitet aus dem Begriff der Genauigkeit, ist der einzige Begriff, der die Funktion eines Gerätes beschreibt.<

Erklärung
Wenn sich jemand für den Kauf eines bestimmten Produktes interessiert, dann sieht der erste Schritt meistens immer gleich aus. Und dabei ist es unbedeutend, ob es sich um ein Auto, eine Bohrmaschine oder einen Temperatur-Kalibrator handelt.

Zu Beginn eines Kaufprozesses werden in der Regel die technischen Angaben aller zur Verfügung stehenden Produkte miteinander verglichen. Doch ist dies in Bezug auf Temperatur-Kalibratoren gar nicht so einfach, wie mir kürzlich ein Kunde mitteilte.

Im Grunde geht es um die Genauigkeit der Messgeräte. Doch ist nichts ungenauer als die Angabe der Genauigkeit. Messeinrichtungen arbeiten nämlich nie „genau“. Alle Parameter können Messabweichungen enthalten, die aus dem Endergebnis herausgerechnet bzw. in ihrer Größe abgeschätzt werden müssen. Dieser vergleichbare Endwert wird in der Messtechnik über ein Messunsicherheitsbudget ermittelt. Der wichtigste Vergleichswert für Temperatur-Kalibratoren ist also die Messunsicherheit. Leider werden viel zu oft Angaben, wie Toleranz und Stabilität oder eben Genauigkeit und Auflösung angegeben.

Zusatzinformation
Das internationale Wörterbuch der Metrologie definiert: „Messunsicherheit – Dem Messergebnis zugeordneter Parameter, der die Streuung der Werte kennzeichnet, die vernünftiger Weise der Messgröße zugeordnet werden könnte.“

Unser Kalibrierlexikon (http://www.klasmeier.com/kalibrierlexikon/) definiert: „Messunsicherheit ist ein gerechneter oder geschätzter Wert eines Bereiches, indem der wahre Wert der gemessenen physikalischen Größe liegt.“

Die alte Thermoelement-Theorie
In der so genannten alten Thermoelement-Theorie wird davon ausgegangen, dass Thomson-, Peltier- und Seebeck-Effekte in einer festen Beziehung zueinander stehen. Daraus resultiert die Vorstellung, dass die Entstehungsquellen von Thermospannungen die Verbindungsstellen der Thermopaare sind. Dem entsprechend wird in der alten Thermoelement-Theorie den Kontaktstellen eine übergeordnete Rolle zugewiesen.

Das neue Temperaturgradienten-Modell
Die alte Thermoelement-Theorie liefert jedoch insbesondere bei der Betrachtung von Inhomogenitäten keine befriedigenden Ergebnisse. So wurde ein neues Modell entwickelt, das so genannte Temperaturgradienten-Modell. Kernaussage dieser Theorie ist die Annahme, dass Thermospannungen nicht in den Kontaktstellen der Thermopaare, sondern in dem Temperaturverlauf längs des Thermoelements, entstehen.

Erklärung
Eine Vorstellung dieser Theorie bekommt man beim Betrachten dieser Abbildung:

Schaubild Temperaturgradient und Spannung

Die Thermospannung entspricht dem Integral des Seebeck-Koeffizienten S _A/B.

Daraus resultiert die im Folgenden angegebene Thermospannung:

Dem Beispiel ist zu entnehmen, dass die Thermospannung im Bereich von T₂ – T₆ entsteht. Diese Thermospannungen werden zwischen T_V und T_M nicht an den Messstellen generiert, sondern im Temperaturverlauf des Thermoelementes. Wird davon ausgegangen, dass das Thermoelement aus einem homogenen Material besteht, hat der Temperaturverlauf zwar keinen Einfluss auf die Messergebnisse, aber dennoch Konsequenzen für die praktische Arbeit mit Thermoelementen.

Fazit
Durch die neue Theorie des Temperaturgradienten-Modells hat sich der Fokus von der Vergleichs- bzw. Messstelle zu den Temperaturverläufen und Materialeigenschaften der Thermopaare verlagert.

Seit kurzem wird von uns neben diesem Temperaturblog noch eine private Wetterstation in Fulda betrieben.

Wir messen sämtliche Daten rund um das regionale Wetter. Dazu zählt natürlich die aktuelle Temperatur, aber es werden auch Feuchte, Luftdruck, Regenmenge, Windstärke sowie Windrichtung ermittelt. Diese Information stellen wir auf einer Website frei zur Verfügung. Die Wetterdaten werden dort viertelstündlich aktualisiert.

Also, ein kurzer Blick auf www.wetter-fulda.de (oder über http://www.temperaturblog.de/wetter-fulda/) und Sie sehen schnell, ob Sie heute in Fulda eine Jacke brauchen oder nicht. Ergänzt werden unsere Daten durch die offizielle, regionale Drei-Tages-Wettervorhersage des Deutschen Wetterdienstes.

Schauen Sie mal rein!

Die Fachausschusssitzung „Temperatur und Feuchte“ des DKD (www.dkd.eu) hat am 15. und 16. Juni 2010 in Berlin getagt.

Zu diesem Anlass wurde ich eingeladen einen Vortrag über die ISO-TOWER zu halten. Da ich seit Oktober 2009 bereits auf diesem Temperaturblog über unsere Untersuchungen mit den ISO-TOWERN berichte, soll die Zusammenfassung der bislang gewonnen Erkenntnisse an dieser Stelle nicht fehlen. Neben dem Vortrag habe ich des weiteren ein Paper erstellt, das ich ebenfalls gerne diesem Eintrag beifüge.

Hier finden Sie die Folien (Fachvortrag ISO-TOWER) zu meinem Vortrag und das Paper (Paper ISO-TOWER).

„Die Thermometer sind ohne Widerrede eine der hübschesten Erfindungen der modernen Physik, welche zugleich am meisten zu deren Fortschritt beigetragen haben.“

Mit diesem Zitat des Natur- und Materialforschers René-Antoine Ferchault de Rêamur werden Interessierte auf der Website des ersten Deutschen Thermometermuseums begrüßt. Rêamur entwickelte im frühen 18. Jahrhundert eine Temperaturskala, das Grad Rêamur, welche erst 1901 vom Grad Celsius abgelöst wurde.

Die physikalische Größe Temperatur fasziniert heute wie damals die Menschen.

Seit dem Jahr 2002 werden in dem ersten Deutschen Thermometermuseums im thüringischem Geraberg sowohl historische Thermometer wie auch Exemplare der Neuzeit ausgestellt. Zudem kann ein Besucher viel über die Geschichte der Temperaturmessung erfahren, angefangen von Galileo Galilei über Berührungsthermometer bis zur heutigen technischen Temperaturermittlung durch Widerstandsthermometer, Thermoelemente und elektronische Messverfahren.

Wer mehr über das Deutsche Thermometermuseum erfahren möchte, wird im Internet unter www.thermometermuseum.de fündig. Einen Besuch im geraberger Museum kann ich allen Temperaturinteressierten wärmstens empfehlen.

Fixpunktzellen können mit Kunstwerken verglichen werden. Je älter sie werden, desto wertvoller sind sie und den Besitzern ist viel daran gelegen sie lange in gutem Zustand zu erhalten. Übertragen auf Fixpunktzellen heißt es Folgendes. Je öfter diese verwendet werden, desto besser kennt man das Verhalten der Zelle. Man spricht dann von deren Historie.

Leider kommt es immer wieder vor, dass Fixpunkzellen während eines Kalibriervorganges beschädigt werden. Im besonderen sind Aluminiumfixpunktzellen davon betroffen.

Wie kommt es zu einer Beschädigung und was kann der Anwender tun, um eine solche zu verhindern?

Während eines Kalibriervorganges kommt es beim Schmelzen der Fixpunktmaterialien zu einem Volumensprung. Der Grund dafür ist, dass die Temperaturfixpunkte der ITS-90 aus nichtpolymeren Kristallgittern bestehen. Der Volumensprung führt zu einer Ausdehnung des Fixpunktmaterials, die bei den meisten Materialen beherrschbar ist. Bei Aluminium ist dieser Volumensprung jedoch besonders groß. Er beträgt circa 7% des Materials. Damit dieser Volumensprung nicht, in Folge von Druckeffekten in den Fixpunkten, zu einer Beschädigung führt, muss verhindert werden, dass sich beim Schmelzen so genannte Materialbrücken im oberen Bereich des Fixpunktmaterials bilden. Die Materialbrücken können verhindert werden, indem man Kalibrierbäder mit sehr kleinen vertikalen Temperaturgradienten einsetzt, wie es zum Beispiel in Wärmerohren der Fall ist.

Werden Aluminiumfixpunktzellen nicht in Wärmerohren in Betrieb genommen, kommt es zu einer charakteristischen Beschädigung dieser Zellen. Stehen keine Wärmerohre zur Verfügung, können alternativ Kalibrieröfen mit mehreren Heizzonen verwendet werden. Die Temperatur der einzelnen Heizzonen muss regelmäßig untersucht und individuell auf jeden Fixpunkt angepasst werden. Da es keine perfekten Temperaturgradienten gibt, ist grundsätzlich zu beachten, dass die Temperatur im oberen Bereich der Fixpunktzellen beim Schmelzen höher als am Boden sein sollte. Die Art und Weise wie Temperaturgradienten ermittelt und eingestellt werden können, wurde bereits 1990 in den „Supplementary Information of the ITS-90“ veröffentlicht.

Fixpunktzellen

Das Bild zeigt zwei Fixpunktzellen. Die untere Zelle ist intakt, bei der oberen ist das Fixpunktmaterial ausgelaufen.

In dem letzten Blogeintrag über die ISO-TWOER berichtete ich von der Reproduzierbarkeit von Aluminium. Nun möchte ich die Untersuchungsergebnisse unseres Zink- und Zinn-ISO-TOWERS vorstellen.

Zielsetzung
Ziel der Untersuchungen war herauszufinden, wie reproduzierbar sich die beiden anderen ISOTOWER im Vergleich zum Aluminium-ISO-TOWER verhalten.

Ausstattung
Versuchsaufbau und Durchführung entsprechen in etwa dem der ersten Untersuchung und kann in dem Blogeintrag über die Reproduzierbarkeit von Aluminium nachgelesen werden. Folgende Ausstattung wurde verwendet:

Die Einstellung des Emersion Compensator wurde vor Versuchsbeginn einmalig ermittelt und während den Kalibrierungen nicht mehr verändert.

Als Referenzmessbrücke wird eine MicroK 400 verwendet, die mit der RS232-Schnittstelle mit dem PC verbunden ist. Dadurch können Messschriebe protokolliert und gespeichert werden.

Als Messstellenumschalter wird ein MikroSkanner verwendet. Der MicroSkanner ist mittlerweile voll im Labor integriert und wird über die MicroK angesteuert und ausgewertet. Es ist somit nicht mehr notwendig den MicroSkanner über eine Schnittstelle mit dem PC zu verbinden.

Als Referenzwiderstände werden Tinsley-25 Ohm-Widerstände verwendet. Diese sind temperiert; die Temperatur der Widerstände wird erfasst und sie werden direkt als externe Referenzwiderstände an die MicroK 400 angeschlossen, wobei der Kalibrierwert in die MicroK einprogrammiert wird.

Schwachstellen
Schwächstes Glied der Messkette in diesem Versuchsaufbau sind die Widerstandsthermometer, da sie durch Verwendung bei hohen Temperaturen driften können. Deswegen werden hochstabile ISOTECH 670 Normalthermometer verwendet. Vor dem Einsatz sind diese vollständig ausgealtert worden und die Stabilität wurde mit Wassertripelpunkten nachgewiesen.

Komfortables Arbeiten
Um das Arbeiten mit den ISO-TOWERN möglichst einfach und komfortabel zu gestalten, können diese durch einen Timer oder die RS232-Schnittstelle automatisiert werden. Am einfachsten geht das, indem die ISO-TOWER beziehungsweise das Fixpunktmaterial in den ISO-TOWERN über Nacht durchgeschmolzen wird, sodass am Beginn des Arbeitstages nur noch die Erstarrung initiiert werden muss. Das Schmelzen kann voll automatisiert werden. Durch das Automatisieren der ISO-TOWER ist sichergestellt, dass an jedem Arbeitstag an den Temperaturfixpunkten gearbeitet werden kann. Darüber hinaus erhöht die Automatisierung die Reproduzierbarkeit der Fixpunktplateaus.

Messergebnisse
Hier sind nun die Messergebnisse der letzten Wochen. Der hydrostatische Druckeffekt und die Eigenerwärmung sind bei den angegebenen Widerstandswerten schon korrigiert.

Aluminium-ISO-TOWER
Erstarrungsplateau vom 18.11.2009: 85,64842983 Ohm
Erstarrungsplateau vom 19.11.2009: 85,64841248 Ohm
Differenz der 2 Plateaus: 0,0000173 Ohm

Zink-ISO-TOWER
Erstarrungsplateau vom 20.01.2010: 65,86012406 Ohm
Erstarrungsplateau vom 21.01.2010: 65,86012787 Ohm
Differenz der 2 Plateaus: 0,0000038 Ohm

Zinn-ISO-TOWER
Erstarrungsplateau vom 02.02.2010: 48,52849764 Ohm
Erstarrungsplateau vom 03.02.2010: 48,52849100 Ohm
Differenz der 2 Plateaus: 0,0000066 Ohm

Fazit
Diese Untersuchungsergebnisse zeigen, dass im täglichen Laborbetrieb anhand der ISO-TOWER mit relativ kleinen Messunsicherheiten und einer hohen Reproduzierbarkeit gearbeitet werden kann.

Ergänzend zu meinem letzten Blogeintrag vom 13. Januar 2010 (Hydrostatische Druckkorrektur) möchte ich heute etwas über die Eigenerwärmung von Widerstandsthermometern schreiben.

Warum sollte die Eigenerwärmung beachtet werden:
Neben der Korrektur des Hydrostatischen Drucks, kann es für eine Kalibrierung wichtig sein, die Eigenerwärmung zu berücksichtigen. Bei einer industriellen Temperaturmessung ist dies oftmals nicht notwendig, soll jedoch genau gearbeitet werden, muss die Eigenerwärmung bei der Kalibrierung von Widerstandsthermometern berechnet werden. Denn für präzise Kalibrierungen ist es bedeutend selbst kleinste Messfehler zu vermeiden.

Warum es zur Eigenerwärmung kommt:
Um den Widerstandswert eines Widerstandthermometers zu messen, ist es notwendig, mit einem Messstrom zu arbeiten. Dieser führt aber, ähnlich einer Heizspirale, dazu, dass sich der Messwiderstand erwärmt. Diese Erwärmung führt je nach Messstrom und Widerstand zu einem Messfehler von 0,1 mK bis 100 mK (Erfahrungswerte DKD Labor Firma Klasmeier).

Berechnung der Eigenerwärmung:
In der Praxis hat man sich darauf geeinigt, Messergebnisse immer beim “Messstrom Null” anzugeben. Das bedeutet, der Messstrom wird mathematisch korrigiert und auf den theoretischen Wert Null zurück gerechnet.

Das kann mit diesem mathematischen Modell geschehen:

Es ist aus der Formel zu erkennen, dass bei der Verwendung von zwei verschiedenen Messströmen zwei Widerstandswerte gemessen werden müssen. REigen ist der Korrekturfaktor, der von R1 abgezogen wird, um den theoretischen Widerstandswert bei I=0 zu erhalten.