Blockkalibrator

Blockkalibrator

Auswahlkriterien Blockkalibrator

Viele Temperaturkalibrierungen in der Industrie und Forschung werden durch den Einsatz von tragbaren Blockkalibratoren durchgeführt. Die richtige Auswahl des Blockkalibrators kann Kosten sparen und die Arbeit erleichtern.

Folgende Kriterien sollten beachtet werden:

  • Temperaturbereich
  • Austauschmöglichkeit des Einsatzes
  • Messunsicherheit und Stabilität
  • Transportierbarkeit
  • Eintauchtiefe
  • Referenzthermometer
  • Rechnerunterstützung (Remotefähigkeit)

Temperaturbereich des Blockkalibrators

Der Temperaturbereich des Blockkalibrators sollte sich mit den Prozesstemperaturen der zu kalibrierenden Thermometer decken. Tragbare Blockkalibratoren decken einen Temperaturbereich von -100 °C bis 1200 °C ab. Leider gibt es keinen Blockkalibrator, der es ermöglicht, diesen gesamten  Temperaturbereich mit nur einem Gerät abzudecken.

Liegt ein Kalibrierpunkt unterhalb der Umgebungstemperatur, wird der Blockkalibrator üblicherweise mit Hilfe von Peltier-Elementen gekühlt. Diese Technologie ist kostengünstig, schnell und präzise. Der Nachteil von Blockkalibratoren mit Peltier-Elementen liegt in der maximalen Kalibriertemperatur von 140 C°. Soll die Kalibrierung einen größeren Temperaturbereich abdecken, müssen mehrere Blockkalibratoren eingesetzt werden.

Idealerweise sollten Temperaturfühler an den Temperaturen kalibriert werden, an denen Sie in der Praxis auch eingesetzt werden. Die Interpolation von Kalibrierergebnissen ist zulässig, die Extrapolation nicht. Das heisst, ein Temperaturfühler, der im Bereich von 0°C bis 100°C kalibriert worden ist, sollte nicht bei 121°C eingesetzt werden.

Austauschmöglichkeit des Kalibriereinsatzes

Ein Blockkalibrator sollte immer mindestens 2 Bohrungen haben. Eine Bohrung für das Referenzthermometer, die andere für das zu kalibrierende Thermometer. Die Bohrungen müssen eine gewisse Passgenauigkeit haben, dürfen aber nicht zu eng ausfallen. Die Temperatur „fließt“ besser über einen metallischen Kontakt. Luft ist dabei ein schlechter Wärmeleiter. Die Temperaturfühler sollten deshalb im Einsatz am Boden des Kalibriereinsatzes aufsitzen und der Luftspalt nicht so groß sein.

Da in der Praxis oft Temperaturfühler mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden, empfiehlt es sich, Blockkalibratoren mit auswechselbaren Einsätzen zu verwenden. Wärmeübertragungsmittel wie Öl, Wärmeleitpaste oder Quarzsand führen zur Verschmutzung der Kalibriereinsätze und sollten deswegen vermieden werden. Ölrückstände oder alte Wärmeleitpaste können zusätzlich eine Isolierschicht bilden und verhindern einen guten Wärmeübergang. Die Temperatur des Kalibriereinsatzes  kann in diesem Fall nicht den Referenzfühler oder den zu kalibrierenden Fühler „erreichen“.

Kalibriereinsatz für Blockkalibratoren

Kalibriereinsatz für Blockkalibratoren

Multifunktionale Blockkalibratoren haben neben der Verwendung von auswechselbaren Kalibriereinsätzen, auch die Möglichkeit, ein umgewälztes Flüssigkeitsbad anstelle des Kalibriereinsatzes zu verwenden. Damit können auch Temperaturfühler kalibriert werden, die aufgrund ihrer Form und ihrer Abmessungen nicht in Kalibriereinsätze passen.

Messunsicherheit, Messgenauigkeit und Stabilität

Für das Abschätzen von Messunsicherheiten ist es zunächst notwendig, die genauen Definitionen der obigen Begriffe zu betrachten. Das internationale Wörterbuch der Metrologie definiert: Messunsicherheit:

„Dem Messergebnis zugeordneter Parameter, der die Streuung der Werte kennzeichnet, die vernünftigerweise der Messgröße zugeordnet werden könnte.“

Genauigkeit eines Messgerätes:

Fähigkeit eines Messgerätes, Werte der Ausgangsgröße in der Nähe eines wahren Wertes zu liefern

ANMERKUNG: „Genauigkeit“ ist ein qualitativer Begriff und der Begriff „Stabilität“ wird in der Metrologie nicht näher definiert.

Leider findet man in den Datenblättern unterschiedlicher Blockkalibratoren unterschiedliche Spezifikationen zur Darstellung der Messunsicherheit. Sehr oft sind Angaben dabei wie: Anzeigegenauigkeit, Kalibriergenauigkeit, Messunsicherheit, Gleichmäßigkeit, Genauigkeit/ Auflösung, Genauigkeit/ Stabilität.

Diese undefinierten Angaben führen dazu, dass unterschiedliche Blockkalibratoren von verschiedenen Herstellen (vor allem international) praktisch nicht verglichen werden können. 

Die Wirkungsweise und das damit zu erzielende Ergebnis eines Blockkalibrators kann nur über die Summe von Einzelfehlern dargestellt werden, also über ein Messunsicherheitsbudget. Die DKD-DAkkS-Richtlinie DKD-R 5-4 definiert Einzelfehler wie axiale Temperaturhomogenität, Temperaturunterschiede zwischen den Bohrungen, Beladungsfehler, zeitliche Stabilität, Temperaturabweichungen durch Wärmeableitung und Abweichung zwischen der Anzeige des Kalibratorthermometers und der Temperatur in der Messzone. Alle diese Einzelfehler müssen in einem Messunsicherheitsbudget berücksichtigt werden. Die Wirkungsweise eines Blockkalibrators kann also nicht nur mit einer Spezifikation dargestellt werden.

Am sinnvollsten ist es, einen Kalibrator typentsprechend der DKD-DAkkS-Richtlinie auszumessen und in einem Untersuchungsbericht die Zusammensetzung der Fehler darzustellen. Noch besser ist es, den Blockkalibrator gemäß der Richtlinie kalibrieren zu lassen. Internationale Untersuchungen / Kalibrierungen reichen zum Vergleichen von Blockkalibratoren nicht aus. Die Kalibrier-Richtlinien und die daraus resultierenden Messunsicherheiten unterscheiden sich im internationalen Vergleich enorm. 

DAkkS Kalibrierung

Nur ein DAkkS-Kalibrierschein (oder vergleichbares) dokumentiert eine Systemmessunsicherheit an den Kalibrierpunkten, die dann wiederum benutzt werden kann, um die eigene rückführbare Messunsicherheit darzustellen.

In der Kalibrierhierachie sollte das verwendete Kalibriernormal besser sein, als das zu kalibrierende Prüfmittel. Faktor 3 ist ein guter Erfahrungswert.

Der Anwender muß deswegen sehr sorgfältig die technischen Daten und  die kleinsten angebbaren Messunsicherheiten eines Blockkalibrators und des Kalibrierlabors prüfen. Eine Rückrechnung des zu prüfenden Temperaturfühlers, im Hinblick auf die Kalibrierhierachie, zeigt die Grenzen der technischen Spezifikation einiger Blockkalibratoren sehr schnell.

 

Tragbare Blockkalibratoren

Blockkalibratoren werden oft zur „Vor Ort“-Kalibrierung eingesetzt. Sie müssen damit leicht und handlich sein. Die Angabe der Abmessungen und des Gewichtes gehört in jede Spezifikation. Für ein schnelles Überprüfen von Temperaturfühlern reichen oftmals Tester aus. Hier stehen „Kalibratoren für die Aktentasche“ zur Verfügung. Für die „Vor Ort“-Kalibrierung müssen die Geräte zusätzlich stabil und robust sein.

Eintauchtiefe

Hier wird in Abhängigkeit von der gewünschten Messunsicherheit eine Mindesteintauchtiefe ermittelt. Eine von Fachleuten gern benutzte Faustformel gibt dem Anwender eine einfache Lösung:

Durchmesser des Temperaturfühlers mal 15 plus 1,5fache Länge des Messwiderstandes ist gleich die Mindesteintauchtiefe.

Für einen normalen industriellen Temperaturfühler mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge des verwendeten Messwiderstandes von 35 mm ergibt sich eine Mindesteintauchtiefe von 142,5 mm.

Eine davon abweichende geringere Eintauchtiefe verursacht erhebliche Wärmeableitungsfehler. Ob ein Fühler genügend eingetaucht ist, kann man auch durch eine einfache Überprüfung feststellen: Nachdem sich eine Temperaturfühler-Anzeige stabilisiert hat, zieht man den Temperaturfühler 2x um je einen Zentimeter wieder heraus. Ändert sich dabei die Anzeige des Temperaturfühlers, ist er nicht ausreichend eingetaucht.

„Mehr-Zonen“ Heizungen und Kühlungen, sowie auch unsymmetrische Heizwicklungen sind zur Erzeugung eines homogenen Kalibriervolumens notwendig und bei guten Blockkalibratoren Standard. Dieses Prinzip ändert aber nichts am Effekt der Wärmeableitung. Diese ist physikalisch in erster Linie abhängig von der Konstruktion des zu kalibrierenden Temperaturfühlers und der Eintauchtiefe.

Referenzthermometer

Eine Kalibrierung darf erst durchgeführt werden, wenn der zu kalibrierende Temperaturfühler die Temperatur des Blockkalibrators erreicht hat. Die tatsächliche wahre Temperatur des Kalibriereinsatzes ermittelt ein Referenzthermometer, das zu dem zu kalibrierenden Thermometer in den Kalibriereinsatz eingetaucht sein muss. Dabei ist sehr sorgfältig darauf zu achten, dass das Referenzthermometer tatsächlich in derselben Umgebung sitzt, wie das zu kalibrierende Thermometer. Ein im Blockkalibrator irgendwo eingebautes Thermometer unterliegt immer einem Temperaturgradienten entlang des Wärmeflusses.

Der Regelfühler sitzt zur optimalen Regelung immer im Bereich der Heizung/Kühlung und damit auch immer örtlich entfernt vom Kalibriereinsatz, also vom Kalibriervolumen. Ein DAkkS Kalibrierschein dokumentiert den Sollwert und den Istwert des Reglers, die mit dem Referenzthermometer gemessene Temperatur am Boden des Kalibriereinsatzes und die tatsächlich herrschende wahre Temperatur am Boden des Kalibriereinsatzes, die mit einem Normalthermometer des DAkkS-Kalibrierlabors ermittelt wurde.

bild 2 mb

Bild 2: Kalibratoraufbau nach ISO9000 und DKD

Blockkalibratoren von Klasmeier

 

1 Kommentar