Temperatur-Multifunktionskalibratoren

Temperatur-Multifunktionskalibratoren

Ein komplettes Kalibrierlabor in einem Gerät

von P. Klasmeier

Einleitung

Die Kalibrierung von Thermometern kann ein komplizierter Prozess sein, weil es industrielle Thermometer in einer Vielfalt von Variationen und Modellen gibt. Variationen, wie Thermistoren, Thermoelemente, Widerstandsthermometer und auch Flüssigkeits-Glasthermometer sind bekannt.

Aber auch Ausführungen, wie optische oder Strahlungspyrometer und auch Oberflächentemperaturfühler, die eine Oberfläche, deren Temperatur sie messen sollen, berühren, kommen dazu. Temperaturfühler können lang oder kurz sein, dick oder dünn, abgewinkelt oder in Bauformen, die im ersten Moment eine Kalibrierung für nicht möglich erscheinen lassen.

Die Kalibrierung dieser unterschiedlichen Ausführungen erfordert die Einrichtung eines Kalibrierlabors mit unterschiedlichen Kalibratoren zur Aufnahme der zu kalibrierenden Temperaturfühler-Ausführungen. Der Autor schätzt, dass 95 % der Temperaturkalibrierungen mit so genannten Metallblockkalibratoren, oder auch Trockenblockkalibratoren genannt, durchgeführt werden. Diese Kalibratoren haben einen Metallblock zur Aufnahme der zu kalibrierenden Fühler und des Referenzthermometers, der geheizt oder gekühlt wird, um die Kalibriertemperatur darzustellen. Solch ein Metallblock kann nur gerade Fühler mit begrenzten Außendurchmessern aufnehmen. Für die Kalibrierung von Temperaturfühlern anderer Bauformen oder Ausführungen, z.B. nicht berührende Thermometer, müssen andere Aufnahmen zur Kalibrierung zur Verfügung stehen.

Entwicklungsidee

Wie schon aus dem Einleitungstext hervor geht, können zwar die meisten, aber eben nicht alle Temperaturfühler mit den herkömmlichen Metallblockkalibratoren kalibriert werden. Temperaturfühler die z.B. im vorderen Bereich abgewinkelt sind, können nicht in die Bohrungen eingeführt werden. Zusätzlich ist die Messunsicherheit einer Kalibrierung mit Metallblockkalibratoren sehr begrenzt und kann kaum verringert werden. Nach einigen Überlegungen wurde sehr schnell deutlich, dass die auf dem Markt befindlichen Temperaturkalibratoren nur sehr eingeschränkt verwendbar und in ihren Funktionen praktisch nicht zu erweitern sind. Daraus ist die Idee entstanden, einen Temperatur-Multifunktionskalibrator zu entwickeln, der durch austauschbare Kalibriereinsätze alle bekannten Kalibrierverfahren abdeckt.

Nach folgenden Verfahren muss ein Temperatur-Multifunktionskalibrator, der alle Kalibriermöglichkeiten abdecken soll, arbeiten:

  • Als Metallblockkalibrator
  • Als Flüssigkeitsbad
  • Als Sekundärfixpunktkalibrator (z.B. Eis-Wassergemisch und Siedepunkt von Wasser)
  • Als ITS-90 Fixpunktkalibrator
  • Als Oberflächenfühlerkalibrator
  • Als Schwarzer Strahler

Metallblockkalibrator

Ein Metallblock hat mehrere Bohrungen zur Aufnahme der zu kalibrierenden geraden Temperaturfühler und eines Referenzthermometers zur Vergleichskalibrierung. Der Block wird zu einer gewünschten Kalibriertemperatur aufgeheizt oder gekühlt. Wenn die stabile Temperatur erreicht ist, werden die zu kalibrierenden Temperaturfühler mit dem Referenzthermometer verglichen. Das Dokumentieren dieses Vergleiches bedeutet die Kalibrierung.

Flüssigkeitsbad

Abgewinkelte Fühler, Fühler mit größeren Durchmessern oder mit absonderlichen Bauformen können in einem Block nicht kalibriert werden. Dafür haben Temperatur-Multifunktionskalibratoren ein umgewälztes Flüssigkeitsbad, das anstelle des Metallblockes eingesetzt wird. Die Flüssigkeit wird über einen Magnetrührer umgewälzt und sorgt damit für eine sehr gute Temperaturverteilung im Bad. Die verwendeten Flüssigkeiten werden entsprechend der gewünschten Kalibriertemperatur ausgewählt.

Zusätzlich ermöglicht dieser Flüssigkeitseinsatz die Darstellung von Sekundär-Fixpunkten, wie den Eispunkt und den Siedepunkt von entmineralisiertem Wasser. Damit hat der Anwender die Möglichkeit, seine Arbeitsnormal-Thermometer regelmäßig an diesen Sekundär-Fixpunkten zurückzuführen.

Kalibrierung von Pyrometern

Das Kalibriervolumen von Temperatur-Multifunktionskalibratoren ist schwarz eingefärbt. Durch den Einsatz einer speziellen Matrixscheibe auf dem Boden des Kalibriervolumens wird aus dem Temperatur-Multifunktionskalibrator ein Schwarzkörper – Primärstrahler. Es wird eine Emission von > 0,995 erreicht. Damit können die im Betrieb eingesetzten Strahlungspyrometer an einem Schwarzen Strahlungsgeber kalibriert werden. Die Temperatur des Schwarzen Strahlungsgebers wird durch das Referenzthermometer ermittelt und über das zusätzlich eingebaute digitale Anzeigegerät angezeigt.

Oberflächenkalibratoren

Die Kalibrierung von Oberflächen-Temperaturfühlern ist sehr schwierig und nicht unumstritten. Der auf der Oberfläche aufgesetzte Temperaturfühler leitet Wärme von der Oberfläche ab und erzeugt damit einen kalten Fleck auf der zu messenden Oberfläche. In dem entwickelten Temperatur-Multifunktionskalibrator wird die Kalibriertemperatur in einem massiven Block erzeugt und direkt unter der Oberfläche mit einem Referenzthermometer gemessen. Das Referenzthermometer ermittelt damit auch die Temperatur des kalten Fleckes und bietet somit eine wahre Temperaturkalibrierung von Oberflächen-Temperaturfühlern an.

ITS-90 Fixpunkte

Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90) werden in einem Temperatur-Kalibrierlabor benötigt, um Normalthermometer zu überprüfen und zu kalibrieren. Die Problematik der Temperatur-Vergleichskalibrierung ist die Abhängigkeit der Kalibration von dem Referenztemperaturfühler. Dieser Referenztemperaturfühler mit seinem angeschlossenen Anzeigegerät unterliegt als Messkette aber auch einer Drift bzw. Alterung.

Die Größe dieses Messunsicherheitsbeitrages wird bei der regelmäßigen Rekalibrierung festgestellt. In der Zeit zwischen den Rekalibrierungen hat das Kalibrierlabor keine Information über den wahren Zustand des Referenzthermometers. Eine regelmäßige Rückführung an Fixpunkten aber gibt dem Kalibrierlabor einen detaillierten Hinweis auf den Zustand seines Messmittels. Für Temperatur-Multifunktionskalibratoren stehen Fixpunkte, wie der Tripelpunkt von Wasser und Quecksilber und die Schmelzpunkte von Gallium und Indium zur Verfügung und ermöglichen dem Labor eine Absolut-Kalibrierung der Referenzthermometer sowie die Kalibrierung von Prüfmitteln mit einer Messunsicherheit von 0,001 k bei -40°C, 0°C, 30°C und 156°C.

Aus den aufgeführten Möglichkeiten ist zu erkennen, dass die entwickelten Temperatur-Multifunktionskalibratoren alle erforderlichen Funktionen zur Darstellung von Temperaturen eines kompletten Temperatur-Kalibrierlabors erfüllen.

Temperatur-Multifunktionskalibratoren stehen in unterschiedlichen Bauformen zur Verfügung, so dass für eine genügende Eintauchtiefe gesorgt ist. Tragbare Geräte haben eine Mindest-Eintauchtiefe von 160 mm, was für die meisten industriellen Temperaturfühler ausreichend ist. Die Wärmeableitung von industriellen Fühlern wird damit überwiegend eliminiert. Für Temperaturfühler, die aufgrund ihres Aufbaus und der Bauform längere Eintauchtiefen benötigen, stehen Temperatur-Multifunktionskalibratoren mit Eintauchtiefen bis zu 285 mm zur Verfügung. Damit können nahezu alle Anforderungen, die die verschiedenen Bauformen der Temperaturfühler an den Kalibrieringenieur stellen, erfüllt werden.