Qualifizierung von Gold- / Platin-Thermoelementen für die hochgenaue Kalibrierung an Temperaturfixpunkten

Qualifizierung von Gold- / Platin-Thermoelementen für die hochgenaue Kalibrierung an Temperaturfixpunkten

Qualifizierung von Gold- / Platin-Thermoelementen für die hochgenaue Kalibrierung an Temperaturfixpunkten

Thomas Klasmeier, Klasmeier Kalibrier- und Messtechnik GmbH

Kurzfassung

Gold/Platin-Präzisions-Thermoelement können als Alternative zu Typ R und Typ S Thermoelementen sowie Silberpunktwiderstandsthermometern eingesetzt werden. Um die Leitungsfähigkeit dieser Thermoelemente einschätzen zu können, zeigt dieser Beitrag einen bilateralen Vergleich von zwei Au/Pt Thermoelementen zwischen ISOTECH und der Klasmeier Kalibrier- und Messtechnik GmbH.

1. Einleitung

In DKD Laboratorien und in der Industrie werden zur Approximation der Internationalen Temperaturskala von 1990 im Temperaturbereich von über 660°C in der Regel Thermoelemente des Typs „S“ oder „R“ bevorzugt. Die Thermopaare aus Platin-Rhodium/Platin bieten sich für diese Aufgabe an, da sie sich als sehr stabil erwiesen haben und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Kennlinie besitzen. Gold/Platin-Thermoelemente können auch als Alternative zu den sogenannten Silberpunktwiderstandsthermometern, die bis zum Silbererstarrungspunkt (962°C) eingesetzt werden, verwendet werden. Diese Thermometer haben einen R0,01 von 0,25 Ohm oder 2,5 Ohm und sind somit mit den in der Industrie üblich verwendeten Messbrücken nicht mehr auslesbar. Um die Leistungsfähigkeit dieser Thermoelemente betrachten zu können, wurde mit zwei selbst gefertigten Gold/Platin-Thermoelementen ein bilateraler Vergleich zwischen ISOTECH – Isothermal Technology Ltd (UKAS) und der Klasmeier Kalibrier- und Messtechnik GmbH (DKD) durchgeführt. Dabei sind die Thermoelemente mehrfach an den Temperaturfixpunkten von Silber (nur bei ISOTECH), Aluminium und Zink sowie dem Tripelpunkt von Wasser kalibriert worden. Des weiteren wurden Untersuchungen der Inhomogenität der Thermoelemente an der Mess- und an der Vergleichsstelle am Wassertripelpunkt durchgeführt.

2. Aufbau

Kalibrieranlage

Die Kalibrieranlage besteht bei ISOTECH aus offenen Temperaturfixpunkten mit einer Eintauchtiefe von 200mm und bei Klasmeier aus schlanken Fixpunktzellen, die in einen Metallmantel gefasst sind und eine Eintauchtiefe von 140mm besitzen. Als Temperaturvergleichsstelle wird kein Eis-Wassergemisch sondern Wassertripelpunktzellen verwendet. Die entsprechende Temperaturabweichung wird nach der Kennlinie für Gold/Platin-Thermoelemente [1] zurückgerechnet. Zum Messen der Thermospannungen werden die Multimeter HP 3457A und ein PREMA 8017 benutzt.

Pt / Au Thermoelement

pt au TE

Bild 1: Skizze Gold/Platin Thermoelement

 

Die beiden Gold/Platin-Thermoelemente (Bild 1) wurden in Übereinstimmung mit den Empfehlungen des Dokumentes NRCC/27703 „The Au/Pt Thermocouple“ von E.H. Mc Laren und E. G. Murdock [2] gefertigt. Um Aufschluss über die Reinheit der verwendeten Goldbzw. Platindrähte zu bekommen, ist eine Reinheitsanalyse durchgeführt worden. Die Analyse der Goldschenkel hat folgende Ergebnisse erbracht: Cu <0,1 ppm, Ag <0,5 ppm und Fe 8,4 ppm. Bei den Platinschenkeln konnten folgende Verunreinigungen festgestellt werden: Pd 0,3 ppm, Rh 0,7 ppm, Ir 1,0 ppm, Ru 0,5 ppm, Os <0,1 ppm, Au 0,5 ppm, Ag 1,1 ppm, Bi <0,1 ppm, Ca <0,1 ppm, Cu 0,8 ppm, Fe 0,9 ppm, Mn <0,1 ppm, Ni <0,1 ppm, Pb 0,5 ppm, Sb 1,4 ppm, Sn <0,5 ppm und Zn <1,0 ppm. Besonders zu beachten ist die Goldbrücke zwischen dem Gold- und dem Platindraht, um die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu kompensieren (Bild 2).

bild 2 pt au

Bild 2: Pt/Au Thermoelement mit Goldbrücke

 

3. Versuchsdurchführung und Ergebnisse

Die beiden Thermoelemente werden nach üblichen Kalibrierroutinen in drei Arbeitsschritten kalibriert:

  • Einganguntersuchung
  • Kalibrierung der Gold/Platin-Thermoelemente an Temperaturfixpunkten (offene und schlanke Fixpunkte)
  • Wiederholung der Kalibrierung an einem weiteren Tag

Eingangsuntersuchung

Anhand der Eingangsuntersuchung wird festgestellt, ob die Kalibrierfähigkeit der Gold/Platin-Thermoelemente gegeben ist. Hauptkriterium ist das Abweichen der Thermospannungen von der bekannten Kennlinie. Weichen die ersten Messungen in der Eingangsuntersuchung zu weit von den Vorgabewerten ab, kann davon ausgegangen werden, dass das Material der Thermopaare nicht den Reinheitsanforderungen entspricht. Des weiteren werden durch die Eingangsuntersuchung erste Abschätzungen von Inhomogenitäten der Thermoelemente durchgeführt. Zunächst werden die Vergleichs- und die Messstellen der Thermoelemente in je eine Wassertripelpunktzelle positioniert. Das Ergebnis zeigt die Kennlinienabweichung am Wassertripelpunkt. Inhomogenes Verhalten kann festgestellt werden, indem nun in cm-Abständen jeweils die Messstelle und anschließend die Vergleichsstelle aus der Wassertripelpunktzelle herausgezogen wird.

Tabelle 1: Ergebnisse der Eingangsuntersuchung (TE G23)

Position Messwert [µV] Temperatur
Messstelle Vergleichsstelle [°C]
Boden Boden 0,1000 0,0166
-3cm Boden 0,0667 0,0110
-2cm Boden 0,0192 0,0032
-1cm Boden 0,0980 0,0162
Boden Boden 0,1230 0,0204
Boden -3cm 0,0782 0,0129
Boden -2cm 0,1010 0,0167
Boden -1cm 0,1116 0,0185
Boden Boden 0,1295 0,0214

Kalibrierung der Gold/Platin-Thermoelemente

Nach der erfolgreichen Eingangsuntersuchung werden die beiden Thermoelemente an den Temperaturfixpunkten Silber(nur bei ISOTECH), Aluminium und Zink kalibriert. Da Inhomogenitäten nicht nur orts- sondern auch temperaturabhängig sind, werden zusätzlich an der Thermoelementmessstelle Untersuchungen der Inhomogenität durchgeführt. Das kann durch Herausziehen der Messstelle aus der Fixpunktzelle geschehen. Bevor Messwerte aufgenommen werden, müssen sich die Thermoelemente in den Temperaturfixpunkten 20 Minuten stabilisieren, bis auf dem Voltmeter keine Schwankungen mehr erkennbar sind. Des weiteren werden Messwerte über 10 Minuten mitgeschrieben, und anschließend Mittelwerte gebildet. Diese Maßnahme soll Schwankungen bedingt durch Umgebungseinflüsse minimieren.

Tabelle 2: Ergebnisse der Kalibrierung (TE G23)

Position
Messstelle
Silber Aluminium Zink
Messwert [µV] Temp.*[°C] Messwert[µV] Temp.* [°C] Messwert[µV] Temp.* [°C]
Boden 16113,71 – 9315,67 4942,63
-4cm 16113,95 0,010 9315,55 -0,006 4942,65 0,001
-2cm 16113,86 0,006 9315,36 -0,015 4943,05 0,026

* Jeweilige Temperaturdifferenz zur Bodenmessung

Wiederholung der Kalibrierung an einem weiteren Tag

Um mehr Vertrauen in die durchgeführte Kalibrierung zu schaffen, wird die komplette Kalibrierung an einem anderen Tag wiederholt. Wichtig ist, alle Temperaturfixpunkte neu zu präparieren und die Messgeräte zwischenzeitlich auszuschalten.

Tabelle 3: Ergebnisse der Wiederholung der Kalibrierung (TE G23)

Silber Aluminium Zink
Messwert [µV] Temp.*[°C] Messwert[µV] Temp.* [°C] Messwert[µV] Temp.* [°C]
16113,59 0,005 9315,67 -0,015 4942,65 0,002

* Jeweilige Temperaturdifferenz zur ersten Messung

Die gesamte Kalibrierung wird an schlanken Temperaturfixpunkten wiederholt, und führt zu folgenden Endergebnissen (Bild 3):

bild 3 pt au

Bild 3: Ergebnisse der Kalibrierung

 

Die gesamte Kalibrierung wird an schlanken Temperaturfixpunkten wiederholt, und führt zu folgenden Endergebnissen. Die Messunsicherheit der einzelnen Messungen lässt sich exemplarisch am Silberfixpunkt darstellen. Dabei ist zu beachten, dass sich aufgrund der nicht linearen Empfindlichkeiten [1] der Gold/Platin-Thermoelemente die Messunsicherheit mit sinkenden Temperaturen vergrößert.

4. Zusammenfassung

Der bilaterale Vergleich hat gezeigt, dass bei einem Einsatz von Gold/Platin-Thermoelementen mit einer Messunsicherheit von ca. 100mK gerechnet werden kann. Deswegen können Gold/Platin-Thermoelemente dazu verwendet werden, die erreichbaren Messunsicherheiten von den genormten und verbreiteten Thermoelementtypen „S“ und „R“ zu verringern.

5. Literatur

[1] G.W. Burns, G.F. Strouse, B.M. Liu, B.W. Mangum: Gold versus Platinum
Thermocouples: Performance Data and an ITS-90 Based Reference Function, in:
Temperature, Its Measurement and Control in Science and Industry, Vol. 6, edited by J.F.
Schooley, New York, AIP, 1992, S. 531-536

[2] „The Au/Pt Thermocouple“, E.H. Mc Laren und E. G. Murdock, NRCC/27703