Temperaturfühler zur Messung von Oberflächentemperaturen werden in verschiedenen Bauformen angeboten und es besteht der Bedarf an rückführbaren Kalibrierungen. Die Kalibrierung von Präzisionsthermometern erfolgt in Laboratorien häufig unter Bedingungen, die nicht ohne weiteres auf die in der Praxis vorliegenden Messbedingungen übertragbar sind. Besonders deutlich wird dies am Beispiel der Messung von Oberflächentemperaturen mit Berührungsthermometern.
Raimund Föhrenbacher Dipl.-Ing. (FH), Testo CAL GmbH, Lenzkirch Dr. Erich Tegeler, PTB, Berlin; Dr. Hans-Ullrich Demisch, Testo GmbH & Co.,Lenzkirch;
Es ist offenkundig, dass durch das Aufsetzen eines Berührungsthermometers auf eine Oberfläche die zu messende Temperatur merklich verändert werden kann. Eine Kalibrierung von Berührungsthermometern zur Messung von Oberflächentemperaturen muss diesen Effekt natürlich berücksichtigen. Kalibrierungen von derartigen berührenden Oberflächenthermometern in Thermostaten sind daher unzureichend. Die Problematik lässt sich am einfachsten an einem Beispiel erklären:
Ein Oberflächentemperaturfühler wird bei 200 °C in einem Umwälzthermostat im Kalibrierlaboratorium ohne Berücksichtigung der besonderen Effekte der berührenden Oberflächentemperaturmessungen kalibriert. Die ermittelte Abweichung beträgt lediglich + 0,2 °C. In der täglichen Anwendung, zum Beispiel bei der Bestimmung der Oberflächentemperatur eines Rohres (Bild 2), soll eine Oberflächentemperatur von 200 °C durch rückführbare Messung nachgewiesen werden. Obwohl die Oberflächentemperatur tatsächlich 200 °C beträgt, zeigt das Thermometer aufgrund der Störeffekte nur 185 °C an. Der Anwender wird aufgrund des Messergebnisses eine falsche Entscheidung treffen. Wäre durch die Kalibrierung eine Abweichung von – 15 °C ermittelt worden, hätte dies berücksichtigt werden können.
Kalibriereinrichtung
In einem gemeinsamen Projekt mit Teilnehmern der Technischen Universität Ilmenau, der PTB und drei DKD-Labors wurde daher eine Kalibrierstation für Oberflächenfühler entwickelt (siehe Bild 1). Diese Station besteht unter anderem aus geeignet konstruierten und beheizten Prüfkörpern, um eine berechenbare Temperaturverteilung zu erzeugen. Die Temperatur wird mit drei integrierten Thermoelementen gemessen, wodurch eine Extrapolation auf die ungestörte Temperatur der Oberfläche möglich wird. Die Wärmeableitung durch den aufgesetzten Fühler und die dadurch verursachte Änderung der Oberflächentemperatur hängt vom Material des Prüfkörpers und seiner Oberfläche ab. Durch die unterschiedlichen Prüfkörper entstehen verschiedene Kalibrierergebnisse und eine genaue Spezifikation durch den Auftraggeber ist unerlässlich. Zur Kalibriereinrichtung gehört eine Einspann- und Aufsetzvorrichtung, in die der Temperaturfühler eingespannt und anschließend senkrecht ausgerichtet wird. Damit wird ein definiertes und reproduzierbares Aufsetzen des Fühlers auf die Oberfläche des Prüfkörpers mit einstellbarer Auflagekraft ermöglicht (Bild 3).
Mit der Kalibriereinrichtung können Oberflächentemperaturfühler verschiedener Bauart auf horizontalen Oberflächen verschiedenen Materials kalibriert werden. Zur Zeit gibt es routinemäßig Prüfkörper aus Edelstahl, Kupfer und Aluminium. Darüber hinaus kann über eine Referenzplatte mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit eine Kalibrierung durchgeführt werden. Beim Aufsetzen des Fühlers ändert sich dann die Oberflächentemperatur nur sehr geringfügig. Der Kalibrierbereich der Einrichtung erstreckt sich von + 50 bis + 500 °C. Die kleinste Messunsicherheit beträgt 0,8 Proeznt der eingestellten Temperatur (gemessen in °C), mindestens jedoch 0,8 K (Bild 1).
Die Durchlaufzeit für die DKD-Kalibrierung von Oberflächenthermometern beträgt bei Testo CAL zehn Arbeitstage. Es sollte mitgeteilt werden, auf welchem Material kalibriert werden soll.
DKD setzt Maßstäbe
Im Vorfeld der Akkreditierung wurden Vergleichsmessungen zwischen der PTB und den an einer Akkreditierung interessierten Laboratorien durchgeführt. Diese Messungen beschränkten sich zunächst auf die Kalibrierung eines Fühlers vom Typ Kreuzband-Thermoelement auf der Referenzplatte und einem Edelstahl-Prüfkörper bei Temperaturen von + 200 und + 400 °C. Die Vergleichsmessungen ergaben eine Übereinstimmung innerhalb der genannten Unsicherheiten. Auf dieser Grundlage erfolgte inzwischen die Akkreditierung von DKD-Kalibrierlaboratorien für die Kalibrierung von Fühlern zur Messung von Oberflächentemperaturen.
Der DKD nimmt damit eine Vorreiterstellung innerhalb der European Cooperation for Accredidation (EA) ein. Ein geplanter EA-Ringvergleich für Oberflächenfühler scheiterte bisher, da in anderen Ländern bisher so gut wie keine Akkreditierungen für diese Art von Messungen erfolgt sind. Zur Vereinheitlichung der Messverfahren sollen daher zunächst Vergleichsmessungen zwischen einigen metrologischen Staatsinstituten in Europa stattfinden.
Weitere Informationen A QE 303
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