Grundlagen der Kalibrierung von Temperaturmessgeräten · Klasse 2 600 1700 ±0,0025 • ItI ± 1,5°C Klasse 3 600 1700 ±0,005 • ItI ± 4,0°C Testo •industrial services GmbH

1 Testo • industrial services GmbH, Seminar Kalibriertage Temperatur

Grundlagen der Kalibrierung von

Temperaturmessgeräten

Munich Calibration Day

19./20.10.2016

Dipl.-Ing.

Raimund Föhrenbacher

Testo industrial services GmbH

2 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016

Einheiten der Temperatur

Definition Temperatur = Maß für die einem Körper innewohnende Energie und die mittlere Geschwindigkeit seiner Teilchen

Besitzt ein Körper keine Wärmeenergie mehr, sind seine Moleküle im Ruhezustand. Man spricht dann vom absoluten

Nullpunkt 0Kelvin .

0K 273,15K 373,15K

Kelvin tK K 1 Kelvin (K) ist der 273,16te Teil der

Temperatur des Tripelpunktes von Wasser.

Celsius tC °C

0°C 100°C

Das Grad Celsius ist betragsmäßig gleich dem

Kelvin.

Der Nullpunkt der Celsiusskala liegt bei

273,15K.


Metrologische Rückführung Temperatur

Freiburg 23°C

München 25°C

Sydney 15°C

Moskau 5°C

Los Angeles 33°C

St. Petersburg -5°C


Entwicklung der Temperaturskala

1742 Celsius-Skala

1852 Kelvin-Skala

1927 ITS 27

1968 IPTS-68

1990 ITS 90

+1300

+1200

+1100

+1000

+900

+800

+700

+500

+600

+400

+200

+300

+100

0

-200

-100

-300

1084,620°C Kupfer(Cu)

1064,180°C Gold(Au)

961,780°C Silber(Ag)

660,323°C Aluminium(Al)

419,527°C Zink(Zn)

-38,834°C Quecksilber(Hg)

231,928°C Zinn(Sn)

156,599°C Indium(In)

29,765°C Gallium(Ga) 0,010°C Wasser

-218,792°C Sauerstoff(O)

-248,594°C Neon(Ne)

-189,344°C Argon(Ag)

-259,347°C Helium(He)

-273,150°C absoluter Nullpunkt

°C

Fixpunkte Schmelzpunkt / Erstarrungspunkt

Siedepunkt / Kondensationspunkt

Tripelpunkt


ITS 90 – Fixpunkt-Kalibrierung bei Testo

Präparierung der

Wassertripelpunktzelle…

Bad für Quecksilber-

Fixpunktzelle…

Ausbau einer offenen

Metall-Fixpunktzelle…

Einbau Indium-

Fixpunktzelle

Überprüfung

Wassertripelpunktzelle

Temperaturanzeige Gallium-

Fixpunktzelle


Temperaturmessgeräte und ihre Eigenschaften

Widerstandsthermometer

Thermoelemente

Änderung der elektrischen Eigenschaft von Stoffen in

Abhängigkeit der Temperatur


NTC-/PTC-Sensoren | Platin-Widerstandsthermometer

PTC-Sensoren, Kaltleiter NTC-Sensoren, Heißleiter Platin-Widerstandsthermometer (Pt100)

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Widerstandsthermometer

Fehlerquellen:

Eigenerwärmungsfehler

Instabilität und Alterung

Einfluss des Isolationswiderstandes

Zuleitungs- und Klemmwiderstände (Zwei-, Drei- oder Vierleiter-Technik)

Klasse Gültigkeitsbereich Grenzabweichung

Drahtgewickelte Widerstände Schichtwiderstände

AA -50 °C….+250 °C 0 °C…+150 °C 0,1 °C + 0,0017 ∙|t|

A -100 °C…+450 °C -30 °C…+300 °C 0,15 °C + 0,002 ∙|t|

B -196 °C…+600 °C -50 °C…+500 °C 0,3 °C + 0,005 ∙|t|

C -196 °C…+600 °C -50 °C…+600 °C 0,6 °C + 0,01 ∙|t|

Toleranzklassen nach DIN EN 60751


Thermoelemente

Beispiel:

NiCr-Ni Typ K NiCr

Ni KCA

KCA

t1 t2

21 tttmess


Toleranzen Thermoelemente

*Grenzabweichungen nach DIN EN 60584 Typ Material Toleranz- Temperatur [°C] Toleranz*

klasse von bis relativ absolut

J Fe-CuNi

Klasse 1

-40 750

±0,004 • ItI ± 1,5°C

Klasse 2 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C

Klasse 3

T Cu-CuNi

Klasse 1 -40 350

±0,004 • ItI ± 0,5°C

Klasse 2 ±0,0075 • ItI ± 1,0°C

Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 1,0°C

K Ni-CrNi

Klasse 1 -40 1000 ±0,004 • ItI ± 1,5°C

Klasse 2 -40 1200 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C

Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 2,5°C

N NiSi-CrNiSi

Klasse 1 -40 1000 ±0,004 • ItI ± 1,5°C

Klasse 2 -40 1200 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C

Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 2,5°C

E NiCr-CuNi

Klasse 1 -40 800 ±0,004 • ItI ± 1,5°C

Klasse 2 -40 900 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C

Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 2,5°C

S Pt10Rh-Pt Klasse 1 0 1600 ±1+(ItI-1100)•0,003 ± 1,0°C

Klasse 2 -40 1600 ±0,0025 • ItI ± 1,5°C

B Pt30Rh-Pt6Rh Klasse 2 600 1700 ±0,0025 • ItI ± 1,5°C

Klasse 3 600 1700 ±0,005 • ItI ± 4,0°C


Thermoelemente

Fehlerquellen

Klemmentemperatur / Vergleichsstellentemperatur

Polarität

Alterung (hohe Temperaturen, NE-TC stärker als E-TC)

mangelhafter Isolationswiderstand (kenntlich durch unplausible oder stark schwankende Werte)

Bruch oder Kurzschluss

Thermoelement mit geöffnetem Glasseidemantel


Ausnutzung des elektromagnetischen Strahlungssepktrums

Strahlungsthermometer | Pyrometer | Wärmebildkamera


Einsatzmöglichkeiten von Pyrometern

Objekte mit kleiner

Wärmekapazität

sehr kleine Objekte

sehr hohe

Temperaturen

bewegte Objekte

Schnelle Temperatur-

änderungen


Realer Körper

Ein Teil der Strahlung wird reflektiert bzw. geht hindurch (Emissionsgrad <

1)


Beispiel für Reflektion

Aufnahme mit der Wärmebildkamera durch Schüler der Kirchzartener Realschule während des

Projektes „Gebäudeisolierung“.

Das Bild zeigt die „Spiegelung“ durch die an der Glasscheibe reflektierte Körperwärme.

Infrarot Bild Original Bild


Fühler Bauformen

Für jede Anwendung ist der passende Fühler zu wählen!

Einsatz für die vorgesehene Messung und das entsprechende Medium

Man misst nie die Temperatur des zu messenden Mediums, sondern immer die

Sensortemperatur!

Ansprechzeit: T99-Zeit = Zeit, bis

Fühler 99% des Temperatursprunges anzeigt


Fühler Bauformen

Tauch-/Einstechfühler zur Messung in Flüssigkeiten und plastischen

Stoffen

Luftfühler für schnelle Lufttemperatur-Messungen

Oberflächenfühler für plane Oberflächen (Pilzkappenfühler)

Kreuzbandfühler für unebene Oberflächen

Infrarot-Messwertaufnehmer

Einbaufühler


Kalibrier-Einrichtungen für unterschiedliche Bauformen/Messverfahren

Kalibrierung an Fixpunkten

Kalibrierung in thermostatisierten Bädern

Kalibrierung in Trockenkalibratoren

Kalibrierung an Oberflächen (berührend und berührungslos)

Kalibrierung im Klimaschrank


Kalibrierung an Fixpunkten

Wassertripelpunktzelle

Messunsicherheiten ab 0,5 mK

Eispunkt

Messunsicherheiten ab 5 mK


Kalibrierung in Flüssigkeitsbädern und Blockkalibratoren


a) Angleichzeit

b) Eintauchtiefe

c1) gleiche Höhe und

eng zusammen

c2) Durchmesser der Bohrung

d) zeitliche Stabilität Kalibriereinrichtung

e) Räumliche Temperaturverteilung Kalibriereinrichtung

Referenz- System

Prüfling

Was muss bei einer Kalibrierung beachtet werden?

Kalibrierung in Flüssigkeitsbädern und Blockkalibratoren


Kalibrierung an Oberflächen mit berührenden OF-Fühlern

Messfehler in

Abhängigkeit der

Angleichzeit


Kalibrierung an Oberflächen

Messplatz für DAkkS-Kalibrierung

Messplatz für Werks-Kalibrierung


Einflussfaktoren auf die Oberflächentemperaturmessung

Messgerätegenauigkeit

Genauigkeit Sensor

Fühlerbauform

Oberflächenbeschaffenheit

Oberflächenmaterial

Umweltbedingungen / räumliche

Gegebenheiten (Zugluft,

Klimaanlage)

Anpresskraft

Anwendungsfehler


Oberflächen-Kalibrierung mit schwarzem Strahler

Emissionsgrad = 0,9994

Schematischer Aufbau


Emissionsgrad

Messfleck / IR-Messbereich

Abstand

Störgrößen wie Staub/Dampf

Oberflächen-Kalibrierung mit schwarzem Strahler

Was muss bei der Kalibrierung beachtet werden?





Was muss bei einer Kalibrierung beachtet werden?

Angleichzeit

Luftzirkulation

Abstand Prüfling - Referenz

zeitliche Stabilität

räumliche Temperaturverteilung (0,5 … 1,0K)


Ermittlung der zulässigen Abweichung / Systemgenauigkeit

Hersteller-

angaben

Berechnung/

Ergebnis

Beispiel:

Kalibrierung

eines

Temperatur-

messgerätes

bei +60 °C

Genauigkeit Messgerät: testo 925

(Werte aus Hersteller-Datenblatt):

±(0.5 °C +0.3% v. Mw.) (-40 ... +900 °C)

+/- 0,68°C

Genauigkeit Fühler / Sensor: NiCr-Ni-TE;

Typ K; Klasse 2 (laut DIN-Norm):

+/- 2,5 °C

Auflösungsfehler (Digit-Fehler): Messgerät testo

925:

+/- 0,1 °C

Te m pe ra tur

e inge st . W e rt

Tole ra nz

M e ssge rä t

D igit

M e ssge rä t

Tole ra nz

Fühle r

Syste m -

Ge na uigke it

60°C +/ - 0,68°C +/ - 0,1°C +/ - 2,5°C +/ - 3 ,2 8 K

Systemgenauigkeit:


Auswahl des Kalibrierverfahrens

Eine Kalibrierung sollte sich an der Praxis orientieren, d.h. die Kalibrierpunkte liegen in der Nähe des

Einsatz-/Arbeitsbereichs der Prüfmittel

Mindestens drei Kalibrierpunkte

in einem definierten Messbereich!

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

Oberster Prozesspunkt

Unterster

Prozesspunkt

Prozesspunkt in der Mitte

des Kalibrierbereichs

49,5 149 247 Ist-Werte

in °C

Soll-Werte

in °C


Auswahl der Kalibrierung / Kalibrierverfahren

Die Messunsicherheit, die den Messwerten des Bezugs- oder Gebrauchsnormals beigeordnet ist,

sollte 1/3 der angestrebten Messunsicherheit, die den Messwerten des Kalibriergegenstandes

voraussichtlich beigeordnet wird, nicht überschreiten.

Das zur Kalibrierung verwendete Referenzmessgerät muss auf ein nationales oder internationales

Normal rückführbar sein.

Geeignete Referenzmessgeräte


Messtechnik und Statistik

100% sichere Ergebnisse sind statistisch nicht möglich!

Systematische Messfehler

nominelle Abweichung des Messwertes zum Referenzwert

Zufällige Messfehler

Unsicherheiten des Verfahrens:

zeitliche und räumliche Verteilungen der Kalibriereinrichtung, Kalibrierunsicherheit,

Alterung und Drift der Referenz...

Unsicherheiten des Prüflings:

Kalibrierunsicherheit, Alterung und Drift des Prüflings...


Messprotokoll

Beispiel:

DAkkS -Kalibrierung eines

Temperaturmessgerätes

bei +60 °C im Umwälz-

thermostat

Te m pe ra turAnze ige w e rt

Re fe re nz

Anze ige w e rt

P rüfling

Ab-

w e ic hung

Sta nda rd-

a bw e ic hung s

6 0 6 0 ,0 1 6 1,1 0 ,0876

Eing este llte r

W ert6 0 ,0 4 6 1,2

m ittle re

Standard -

6 0 ,0 2 6 1,3 0 ,0277

6 0 ,0 4 6 1,3Unsiche rhe it

Prü fling (u *2 )

6 0 ,0 6 6 1,1

6 0 ,0 4 6 1,3

6 0 ,0 4 6 1,2

6 0 ,0 3 6 1,3

6 0 ,0 4 6 1,1

6 0 ,0 6 6 1,2

Erg eb nis 6 0 ,0 4 6 1,2 +1,16Syste m atische r

M e ssfe h le r

1n

)x(xs

2i

n1i

ns

u


MU-Budget [vereinfacht dargestellt]

Bezugs-/ Gebrauchsnormal

Messunsicherheit des Normales SN

Kalibriergegenstand

Auflösung der Anzeige SK

Unsicherheit des Prüflings während

der Kalibrierung

Kalibrierverfahren

inhomogene räumliche Verteilungen SV

zeitliche Stabilität (k=2 für 95%)

m m 2s m 2s

Die erweiterte Messunsicherheit U setzt sich aus den Anteilen

sN , sK und sV nach folgender Formel zusammen:

2

V

2

K

2

N ssskU


MU Budget [vereinfacht dargestellt]

Messpunkt + 60°C im Umwälzthermostat

Gr ö ße B e ze ic hnung Uns ic he r he it Que lle Ve r te ilung

Div is o r zur

B e r e c hnung d e r

Stand ar d m e s s -

uns ic he r he it

Stand ar d m e s s -

uns ic he r he it uEinhe it

u1

inhom ogene

räum liche

Verte ilung

100Info aus DAkkS-

LaborRechteck 2 57,74 m K

u2zeitliche

Stabilität50

Info aus DAkkS-

LaborRechteck 2 28,87 m K

u3 Referenz 60

Genauigkeit

Gerät & Fühler

(aus

Kalibrierschein)

Norm al 2 30,00 m K

u4 Dig it Referenz 5Toleranzangabe

des Herste llersRechteck 2,89 m K

u5Alterung / Drift

Referenz20

Vergangen-

heitsdaten,

Schätzung

Rechteck 11,55 m K

u6Unsicherheit

Prüfling55

eigene

Ausw ertungNorm al 2 27,50 m K

u7 Dig it Prüfling 50Toleranzangabe

des Herste llersRechteck 28,87 m K

82,449 m K

erw eiterte

U: (k*u)K=2 16 4 ,9 0 m K

2UxMU

3

3

3

3

3

20 10

77,452

154,90

SV

SN

SK

Zufälliger

Messwert

±0,15K


Beispiel

Kalibrierung eines Temperaturmessgerätes bei +60 °C

eingestellter Wert: +60°C

OSG: 63,32°C

USG: 56,76°C

richtiger Wert: 60,04°C

Anzeigewert: 61,2°C

Anzeigewert + MU: 61,35°C

Anzeigewert - MU: 61,05°C

Beurteilung des Ergebnisses

Systematische

Abweichung +1,16K

zufällige Mess-

abweichung ±0,15K


Was sagt mein DAkkS-Kalibrierschein aus?

Bezugswert: Temperatur des Referenzsensors

Anzeige des Prüflings: Anzeige des Prüflings, Mittelwert aus 10 Messungen

Abweichung: Anzeige Prüfling – Bezugswert

Messunsicherheitsbeitrag

des Prüflings: Schwankung während der Kalibrierung + Digit

Messunsicherheitsbeitrag

des Bezugswertes: Messunsicherheit gem. Berechnung nach GUM

Gesamtmessunsicherheit: Gesamtmessunsicherheit der Kalibrierung


Sprache

Beschreibung und Identifikation

des zu kalibrierenden Messmittels

(Gerät, Sonde, Typ, Serien-Nr.,

Inventar-Nr., EQ-Nr.,)

Angaben zum Auftraggeber

(Name, Kunden-Nr.,

Auftrags-Nr.)

Datum der Kalibrierung

Empfehlung für Rekalibrierdatum

Konformitätsaussage

Hinweis zur Berechnung

der Messunsicherheit

eindeutige Zertifikatsindikation

Geheimhaltungsverpflichtung

für den Kunden

Identifikation des Kalibrierlabors

und des Bearbeiters

Referenz / Rückführbarkeit

Umgebungsbedingungen

Messverfahren

Messergebnisse

Besondere Bemerkungen

Das Kalibrierzertifikat


Gerne beantworte ich Ihre weiteren Fragen…

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Raimund Föhrenbacher

Dipl. Wirtschaftsingenieur (FH)

Geschäftsführer

Tel. +49 7661 90901-8246

[email protected]

Testo industrial services GmbH

Gewerbestraße 3

79199 Kirchzarten

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