Trockenblockkalibrator mit falscher Hülse: Luftspalt, Eintauchtiefe und axiale Homogenität als Fehlerquelle

→ Produktkategorie: Kalibriertechnik

 

Ein Trockenblockkalibrator kann sehr stabil regeln und trotzdem ein falsches Kalibrierergebnis liefern. Die Ursache liegt dann häufig nicht im Kalibrator selbst, sondern in der thermischen Kopplung zwischen Kalibrierblock und Temperaturfühler.

Besonders kritisch sind:

• eine zu große Bohrung in der Kalibrierhülse,
• ein daraus entstehender Luftspalt,
• eine zu geringe Eintauchtiefe,
• unterschiedliche Einstecktiefen von Prüfling und Referenzfühler,
• axiale und radiale Temperaturgradienten im Block,
• Wärmeableitung über Fühlerschaft, Anschlusskopf oder Kabel.

Das Problem wird mit steigenden Genauigkeitsanforderungen immer wichtiger. Während ein ungünstiger Aufbau bei einer einfachen Funktionsprüfung eventuell kaum auffällt, kann derselbe Aufbau bei einer Kalibrierung mit einer angestrebten Messunsicherheit von wenigen Zehntel Kelvin bereits die dominierende Fehlerquelle sein.

Entscheidend ist deshalb nicht nur, welche Temperatur der Blockkalibrator anzeigt, sondern welche Temperatur das eigentliche Messelement des Prüflings tatsächlich erreicht.

Weitere Lösungen finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider sowie bei unseren Temperaturkalibratoren.

Wie funktioniert ein Trockenblockkalibrator?

Ein Trockenblockkalibrator erzeugt eine definierte Temperatur in einem beheizten beziehungsweise beheizten und gekühlten Metallblock.

In diesen Block wird eine austauschbare Kalibrierhülse eingesetzt.

Die Hülse besitzt eine oder mehrere Bohrungen, in die:

• Temperaturfühler,
• Thermometer,
• Thermoelemente,
• Widerstandsthermometer,
• Temperaturschalter

eingesteckt werden.

Der Wärmeweg verläuft damit vereinfacht

Heizelement → Kalibrierblock → Kalibrierhülse → Prüfling → Messelement

Jeder dieser Übergänge kann einen Temperaturunterschied erzeugen.

Die Temperaturanzeige des Kalibrators sagt deshalb zunächst aus, welche Temperatur das interne Referenz- beziehungsweise Regelsystem des Gerätes erfasst.

Sie sagt nicht automatisch:

Das Messelement des Prüflings besitzt exakt dieselbe Temperatur.

Wie gut beide Temperaturen übereinstimmen, hängt wesentlich von Aufbau, Einstecktiefe und thermischer Kopplung ab.

Welche Aufgabe hat die Kalibrierhülse?

Die Kalibrierhülse – häufig auch als:

• Insert,
• Einsatz,
• Adapterhülse,
• Übergangshülse

bezeichnet – stellt den thermischen Übergang zwischen dem temperierten Block und dem Prüfling her.

Idealerweise erreicht sie zwei Ziele gleichzeitig

Der Fühler soll:

leicht einführbar und wieder entnehmbar

sein.

Gleichzeitig soll:

der Luftspalt zwischen Fühler und Bohrung möglichst klein

bleiben.

Eine zu enge Bohrung ist ebenfalls problematisch

Der Fühler darf nicht:

• eingepresst,
• verkantet,
• mit Gewalt eingeschoben

werden.

Temperaturfühler können geringe Durchmessertoleranzen, leichte Verformungen oder Oberflächenunregelmäßigkeiten besitzen.

Die Hülse benötigt deshalb ein definiertes Spiel.

Warum ist ein großer Luftspalt problematisch?

Metalle besitzen im Vergleich zu ruhender Luft eine erheblich bessere Wärmeleitfähigkeit.

Liegt ein Temperaturfühler eng in einer geeigneten Metallhülse, kann Wärme relativ gut zwischen:

Kalibrierblock ↔ Hülse ↔ Fühler

übertragen werden.

Bei einer deutlich zu großen Bohrung

befindet sich dagegen rund um den Fühler eine größere Luftschicht.

Der Wärmeübergang wird schlechter.

Dadurch reagiert der Prüfling langsamer

und kann trotz scheinbar stabiler Blocktemperatur noch nicht vollständig auf die Solltemperatur eingeschwungen sein.

Zusätzlich nimmt der Einfluss der Umgebung zu

Der Fühler steht gleichzeitig thermisch in Verbindung mit:

• dem Kalibrierblock,
• der Umgebungsluft,
• dem Anschlusskopf,
• dem Anschlusskabel.

Je schlechter die Kopplung zum Block ist, desto stärker können diese zusätzlichen Wärmeströme das Messelement beeinflussen.

Ein großer Luftspalt erzeugt deshalb nicht einfach nur eine längere Wartezeit. Er kann eine systematische Temperaturabweichung verursachen.

Wie groß sollte die Bohrung der Hülse sein?

Grundsätzlich sollte die Bohrung möglichst gut zum tatsächlichen Außendurchmesser des Prüflings passen.

Beispiel

Ein Temperaturfühler besitzt einen Außendurchmesser von:

6,0 mm

.

Eine Bohrung von beispielsweise:

12 mm

wäre thermisch ausgesprochen ungünstig.

Die Hülse sollte wesentlich näher am realen Fühlerdurchmesser liegen.

Herstellervorgaben beachten

Wie viel Spiel vorgesehen ist, hängt vom verwendeten Kalibrator, Hülsensystem und Prüfling ab.

Bei bestimmten Kalibratorsystemen werden beispielsweise Bohrungen verwendet, die nur wenige Zehntelmillimeter größer als der Prüfling sind.

Für eine genaue Kalibrierung sollte deshalb möglichst eine passende Einzelbohrung beziehungsweise eine speziell für die verwendeten Fühlerdurchmesser gefertigte Mehrlochhülse eingesetzt werden.

Warum ist die Eintauchtiefe so wichtig?

Selbst eine perfekt passende Hülse kann eine schlechte Kalibrierung nicht vollständig kompensieren, wenn der Prüfling zu wenig tief eingesteckt wird.

Das Messelement benötigt einen ausreichend langen temperierten Bereich

Ein Teil des Fühlers befindet sich im heißen beziehungsweise kalten Block.

Der obere Teil befindet sich dagegen bei Umgebungstemperatur.

Dadurch entsteht entlang des Fühlers ein axialer Wärmestrom.

Beispiel

Blocktemperatur:

300 °C

Umgebung:

23 °C

.

Zwischen beiden Bereichen besteht damit eine Temperaturdifferenz von:

277 K

.

Der metallische Fühlerschaft kann Wärme aus dem Block nach außen transportieren.

Liegt das Messelement zu nahe am oberen Rand des Blocks, kann seine Temperatur dadurch niedriger als die lokale Blocktemperatur sein.

Bei Temperaturen unter Umgebung

kehrt sich die Richtung um.

Dann gelangt Wärme über den Schaft aus der Umgebung in den kalten Kalibrierbereich.

In beiden Fällen entsteht ein sogenannter:

Stem Conduction Error

beziehungsweise ein Wärmeableitungsfehler über den Fühlerschaft.

Wärmeableitung über den Fühlerschaft verstehen

Die Wärmeleitung entlang des Fühlers hängt unter anderem ab von:

• Werkstoff des Schutzrohres,
• Fühlerdurchmesser,
• Wandstärke,
• Fühlerlänge,
• Aufbau des Messeinsatzes,
• Temperaturdifferenz zur Umgebung,
• Einstecktiefe.

Ein massiver Fühler

kann mehr Wärme entlang seiner Längsachse transportieren als ein sehr dünner Fühler mit geringer metallischer Querschnittsfläche.

Auch Anschlussköpfe spielen eine Rolle

Bei kurzen industriellen Widerstandsthermometern befindet sich häufig ein relativ großer metallischer Anschlusskopf unmittelbar oberhalb des Kalibrators.

Dieser kann wie ein zusätzlicher Kühlkörper beziehungsweise Wärmeeintrag wirken.

Das ist insbesondere dann kritisch, wenn der eigentliche Messeinsatz nur wenige Zentimeter tief in den Block reicht.

Was bedeutet axiale Homogenität?

Die Temperatur ist innerhalb eines Trockenblocks nicht an jeder vertikalen Position exakt gleich.

Man spricht deshalb von der:

axialen Temperaturverteilung

.

Der untere Bereich des Blocks

ist konstruktiv meist besonders gut temperiert.

In Richtung der oberen Öffnung nimmt dagegen der Einfluss der Umgebung zu.

Dadurch kann ein axialer Temperaturgradient entstehen.

Das bedeutet für die Praxis

Zwei identische Sensoren können unterschiedliche Temperaturen anzeigen, wenn:

Sensor A

mit seinem Messelement tief im Block sitzt und:

Sensor B

sein Messelement deutlich höher positioniert.

Obwohl beide im selben Kalibrator stecken, befinden sich ihre Messelemente dann nicht zwingend auf derselben Temperaturhöhe.

Für Vergleichskalibrierungen sollten die empfindlichen Messelemente von Prüfling und Referenz deshalb möglichst auf derselben axialen Höhe positioniert werden.

Was bedeutet radiale Homogenität?

Neben der vertikalen Temperaturverteilung existieren auch Temperaturunterschiede über den Querschnitt des Blocks.

Dies wird als:

radiale Homogenität

bezeichnet.

Bei einer Mehrlochhülse

kann sich ein Fühler beispielsweise:

• nahe der Blockmitte,
• weiter außen

befinden.

Die Temperaturen an diesen Positionen können geringfügig voneinander abweichen.

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen

sollten deshalb:

• Referenz und Prüfling möglichst nahe beieinander liegen,
• die verwendeten Bohrungen definiert bleiben,
• dieselbe Konfiguration bei Wiederholungsmessungen verwendet werden.

Externen Referenzfühler richtig positionieren

Ein externer Referenzfühler kann die tatsächliche Temperatur unmittelbar in der Nähe des Prüflings erfassen.

Das ist insbesondere bei anspruchsvollen Vergleichskalibrierungen sinnvoll.

Wichtig ist jedoch die Positionierung

Der Referenzfühler sollte nicht einfach irgendwo im Block sitzen.

Sein empfindliches Messelement sollte möglichst:

auf gleicher Höhe wie das Messelement des Prüflings

liegen.

Warum?

Bei einem axialen Gradient könnten sonst beispielsweise:

Referenz = 200,00 °C

und:

Prüflingposition = 200,35 °C

vorliegen.

Die Differenz würde anschließend fälschlicherweise vollständig dem Prüfling zugerechnet.

Tatsächlich stammt ein Teil davon aus der unterschiedlichen Position im Block.

Wo sitzt das Messelement im Prüfling?

Die äußere Spitze eines Temperaturfühlers ist nicht automatisch die Position des tatsächlichen Messelementes.

Bei einem Widerstandsthermometer

kann sich der Pt100 beispielsweise einige Millimeter oder Zentimeter hinter der Fühlerspitze befinden.

Bei einem Thermoelement

hängt die Position von der Bauform der Messstelle ab.

Für eine genaue Kalibrierung ist deshalb wichtig zu wissen:

Wo befindet sich der temperaturempfindliche Bereich tatsächlich?

Diese Position sollte für Referenz- und Prüfling möglichst vergleichbar im homogenen Bereich des Kalibrators liegen.

Stabilisierungszeit richtig wählen

Die Anzeige:

200,0 °C

am Kalibrator bedeutet noch nicht automatisch, dass der Prüfling bereits:

200,0 °C

erreicht hat.

Nach Erreichen des Sollwertes müssen sich noch stabilisieren

• Kalibrierblock,
• Hülse,
• Referenzfühler,
• Prüfling.

Ein großer Luftspalt verlängert diesen Prozess zusätzlich.

Die notwendige Zeit hängt ab von

• Fühlermasse,
• Durchmesser,
• Hülsenspiel,
• Temperatursprung,
• Kalibratortyp,
• Anzahl der eingesetzten Prüflinge.

Statt eine pauschale Wartezeit anzunehmen, sollte die tatsächliche Stabilität der Messwerte beobachtet werden.

Mehrere Fühler gleichzeitig kalibrieren

Mehrlochhülsen ermöglichen die gleichzeitige Kalibrierung mehrerer Fühler.

Das erhöht den Durchsatz, verändert aber die thermischen Randbedingungen.

Jeder zusätzliche Prüfling

bringt:

• zusätzliche Masse,
• zusätzliche Wärmeleitung nach außen,
• eine weitere thermische Last

in den Block ein.

Deshalb sollte eine Kalibrierung mit fünf Fühlern

nicht automatisch als identisch zu einer Kalibrierung mit nur einem Prüfling betrachtet werden.

Bei anspruchsvollen Kalibrierungen sollte die tatsächliche Beladung des Blocks Bestandteil des definierten Prüfverfahrens sein.

Kurze Temperaturfühler als Sonderfall

Kurze Temperaturfühler sind für Trockenblöcke besonders anspruchsvoll.

Das Problem

Der Fühler kann möglicherweise gar nicht tief genug in den homogenen Bereich des Blocks eingebracht werden.

Beispiele sind:

• kurze Einschraubsensoren,
• Temperaturschalter mit kurzem Prozessanschluss,
• Sensoren mit unmittelbar anschließendem großen Gehäuse,
• kompakte Maschinenfühler.

Eine passende Bohrung allein löst dieses Problem nicht

Ist die mögliche Einstecktiefe konstruktiv begrenzt, kann der Wärmeableitungsfehler weiterhin groß bleiben.

In solchen Fällen sollte geprüft werden, ob:

• ein spezieller Kalibriereinsatz,
• ein Multifunktionskalibrator,
• ein Flüssigkeitsbad,
• eine andere Kalibriermethode

geeigneter ist.

Dünne und dicke Fühler unterscheiden

Der Fühlerdurchmesser beeinflusst sowohl die thermische Zeitkonstante als auch die Wärmeleitung.

Dünne Fühler

besitzen häufig:

• geringe thermische Masse,
• schnelle Reaktion,
• geringere axiale Wärmeleitung.

Dicke Fühler

können dagegen:

• länger zum Stabilisieren benötigen,
• mehr Wärme aus dem Block ableiten,
• den Block stärker thermisch belasten.

Deshalb können zwei unterschiedlich aufgebaute Sensoren trotz identischem Außendurchmesser ein unterschiedliches Kalibrierverhalten zeigen.

Besonderheiten bei Thermoelementen

Bei Thermoelementen wird die Thermospannung durch Temperaturdifferenzen entlang eines Materialpaares bestimmt.

Für die Trockenblockkalibrierung ist deshalb wichtig

• die tatsächliche Position der Messstelle,
• ausreichende Eintauchtiefe,
• geeignete Ausgleichs- beziehungsweise Thermoleitungen,
• korrekte Vergleichsstellenkompensation.

Ein Fehler im elektrischen Anschluss kann dabei genauso zu einer Abweichung führen wie eine ungünstige thermische Kopplung.

Besonderheiten bei Pt100 und Widerstandsthermometern

Bei Pt100-Sensoren wird der elektrische Widerstand des Messelementes ausgewertet.

Für eine hochwertige Vergleichskalibrierung müssen zusätzlich zur thermischen Einbausituation unter anderem berücksichtigt werden:

• 2-, 3- oder 4-Leiteranschluss,
• Leitungswiderstand,
• Messstrom,
• Eigenerwärmung des Pt100,
• Isolationszustand des Fühlers.

Auch ein perfekt temperierter Sensor kann deshalb einen falschen Messwert liefern, wenn die elektrische Messung nicht korrekt ausgeführt wird.

Material und Zustand der Kalibrierhülse

Die Hülse ist ein thermisch relevantes Bauteil und sollte entsprechend behandelt werden.

Problematisch können sein

• starke Oxidation,
• Verschmutzungen,
• Beschädigungen der Bohrung,
• Verformung,
• Rückstände von Wärmeleitmitteln.

Auch das Hülsenmaterial ist nicht beliebig

Hersteller wählen Materialien passend zum:

• Temperaturbereich,
• Blockmaterial,
• Ausdehnungsverhalten,
• gewünschten Wärmeübergang.

Eigengefertigte Hülsen sollten deshalb nicht nur geometrisch passend sein, sondern auch hinsichtlich Material und Temperatureignung geprüft werden.

Eintauchtiefe mit einem Rückzugstest überprüfen

Wenn unklar ist, ob die Einstecktiefe ausreicht, kann ein einfacher Vergleich sehr hilfreich sein.

Ausgangszustand

Der Prüfling wird so tief wie vorgesehen in die Kalibrierhülse eingesetzt.

Nach vollständiger Stabilisierung wird der Messwert dokumentiert.

Anschließend

wird der Sensor beispielsweise geringfügig weiter aus dem Block herausgezogen.

Nach erneuter Stabilisierung wird der Messwert erneut aufgenommen.

Ändert sich die Anzeige deutlich

ist dies ein Hinweis darauf, dass die Messstelle noch wesentlich durch den axialen Temperaturgradienten beziehungsweise die Wärmeableitung beeinflusst wird.

Bleibt der Messwert praktisch unverändert

spricht dies dafür, dass sich das Messelement bereits in einem ausreichend homogenen Bereich befindet.

Die zulässige Änderung muss dabei immer im Verhältnis zur geforderten Messunsicherheit beurteilt werden.

Warum die Blockanzeige nicht automatisch die Prüflingstemperatur ist

Ein häufiger Denkfehler lautet:

Kalibrator zeigt 100,00 °C → Prüfling befindet sich bei 100,00 °C

.

Tatsächlich existieren mehrere Temperaturen:

• Temperatur am internen Regelfühler,
• Temperatur an der Kalibrierbohrung,
• Temperatur an der Prüflingsoberfläche,
• Temperatur am eigentlichen Messelement.

Bei einem hochwertigen und korrekt aufgebauten System liegen diese sehr nahe beieinander.

Sie sind jedoch physikalisch nicht automatisch identisch.

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen

ist deshalb eine Vergleichskalibrierung mit einem externen Referenzthermometer häufig vorteilhaft.

Die Referenz misst dann die tatsächlich am Prüfpunkt vorhandene Temperatur wesentlich näher am Prüfling.

Einfluss auf die Messunsicherheit

Bei einer Trockenblockkalibrierung kann das Unsicherheitsbudget unter anderem Beiträge enthalten aus:

• Kalibrierung der Referenz,
• Stabilität des Kalibrators,
• axialer Homogenität,
• radialer Homogenität,
• Beladung des Blocks,
• Wiederholbarkeit,
• Auflösung,
• Wärmeableitung,
• thermischer Kopplung zwischen Hülse und Prüfling.

Eine falsche Hülse kann mehrere Beiträge gleichzeitig verschlechtern

Ein großer Luftspalt kann:

• die Stabilisierung verlängern,
• die Kopplung verschlechtern,
• den Einfluss der Umgebung erhöhen,
• die Wiederholbarkeit verschlechtern.

Deshalb sollte die Auswahl der Kalibrierhülse Bestandteil des Kalibrierverfahrens und nicht nur eine mechanische Nebenfrage sein.

Praxisbeispiel: Pt100 mit zu großer Kalibrierbohrung

Ein industrieller Pt100 mit:

Ø 6 mm

soll bei:

200 °C

geprüft werden.

Erster Aufbau

Der Sensor wird mangels passender Hülse in eine deutlich größere Bohrung eingesetzt.

Der Kalibrator stabilisiert bei:

200,00 °C

.

Der Prüfling zeigt jedoch nach kurzer Wartezeit:

198,9 °C

.

Erste Vermutung

Der Sensor besitzt offenbar eine Abweichung von:

-1,1 K

.

Danach wird eine passendere Hülse eingesetzt

Der Sensor wird außerdem vollständig bis in den vorgesehenen homogenen Bereich des Blocks eingeschoben.

Nach ausreichender Stabilisierung zeigt er:

199,8 °C

.

Die Interpretation ändert sich vollständig

Ein großer Teil der zuerst beobachteten Differenz stammte nicht vom Pt100 selbst, sondern vom ungünstigen Kalibrieraufbau.

Genau deshalb darf eine festgestellte Temperaturabweichung nicht automatisch dem Prüfling zugerechnet werden, bevor die thermische Ankopplung geprüft wurde.

Trockenblock oder Flüssigkeitsbad?

Trockenblockkalibratoren besitzen viele praktische Vorteile:

• saubere Anwendung,
• kein Kalibriermedium notwendig,
• mobil einsetzbar,
• schnelles Aufheizen beziehungsweise Abkühlen,
• einfacher Wechsel zwischen Temperaturpunkten.

Ein Flüssigkeitsbad bietet dagegen

bei geeigneter Konstruktion einen sehr direkten thermischen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Prüfling.

Dadurch kann es insbesondere bei:

• ungewöhnlichen Fühlerdurchmessern,
• mehreren verschiedenen Sensorformen,
• hohen Anforderungen an die Homogenität

Vorteile besitzen.

Der Trockenblock bleibt jedoch häufig die praktischere Lösung

wenn:

• passende Hülsen verwendet werden,
• ausreichende Eintauchtiefe möglich ist,
• das Unsicherheitsbudget zur Anwendung passt.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Prüfling zeigt deutlich weniger als der heiße Block	Wärmeableitung oder zu großer Luftspalt	Hülse und Eintauchtiefe prüfen
Prüfling benötigt sehr lange zur Stabilisierung	schlechte thermische Kopplung	Bohrungsdurchmesser mit Fühlerdurchmesser vergleichen
Messwert verändert sich beim tieferen Einschieben	unzureichende Eintauchtiefe	Rückzugs- beziehungsweise Eintauchtiefentest durchführen
Referenz und Prüfling unterscheiden sich trotz guter Sensoren	unterschiedliche axiale Position	Messelemente auf gleiche Höhe bringen
Äußere Bohrung zeigt anderen Wert als innere Bohrung	radialer Temperaturgradient	Referenz und Prüfling näher zusammen positionieren
Messwert hängt stark von Anzahl der eingesetzten Fühler ab	Beladung des Blocks	Kalibrieraufbau standardisieren
Kurzer Einschraubsensor zeigt große Abweichung	Messstelle erreicht homogenen Bereich nicht	alternative Kalibriermethode prüfen
Wert ändert sich nach mehreren Minuten weiter	Prüfling noch nicht thermisch stabil	längere Stabilisierung verwenden
Abweichung nimmt bei höheren Temperaturen zu	zunehmende Wärmeableitung durch größere Temperaturdifferenz	Eintauchtiefe und Hülsenspiel prüfen
Abweichung wechselt beim Kalibrieren unterhalb Umgebungstemperatur das Vorzeichen	Wärmeeintrag über Fühlerschaft	axiale Wärmeleitung untersuchen
Wiederholungsmessung nach Hülsenwechsel anders	geänderte thermische Kopplung	Hülsentyp im Prüfverfahren eindeutig festlegen
Blockanzeige stabil, Prüfling schwankt noch	unterschiedliche thermische Zeitkonstanten	Stabilität des Prüflings separat beobachten

Empfohlener Ablauf einer Trockenblockkalibrierung

1. Prüfling identifizieren: Fühlertyp, Messbereich und Bauform dokumentieren.
2. Außendurchmesser bestimmen: Tatsächlichen Fühlerdurchmesser messen beziehungsweise Herstellerangabe prüfen.
3. Position des Messelementes bestimmen: Soweit aus Datenblatt oder Aufbau bekannt.
4. Geeignete Kalibrierhülse auswählen: Bohrung möglichst passend zum Fühler wählen.
5. Hülse kontrollieren: Sauberkeit, Beschädigungen und Verformungen prüfen.
6. Ausreichende Einstecktiefe sicherstellen: Messelement möglichst tief im homogenen Bereich positionieren.
7. Referenzfühler positionieren: Empfindliches Element möglichst auf gleicher axialer Höhe wie beim Prüfling.
8. Bohrungen sinnvoll auswählen: Referenz und Prüfling möglichst nahe beieinander anordnen.
9. Beladung definieren: Anzahl und Anordnung weiterer Prüflinge dokumentieren.
10. Kalibrator auf Solltemperatur fahren: Regelung stabilisieren lassen.
11. Prüfling zusätzlich stabilisieren lassen: Nicht ausschließlich die Blockanzeige beobachten.
12. Referenzwert aufnehmen: Falls mit externer Referenz gearbeitet wird.
13. Prüflingswert aufnehmen: Elektrische Messung entsprechend dem Sensortyp durchführen.
14. Messwertdifferenz bestimmen: Prüfling mit tatsächlicher Referenztemperatur vergleichen.
15. Bei Zweifel Eintauchtiefentest durchführen: Sensor geringfügig zurückziehen und Änderung beobachten.
16. Weitere Temperaturpunkte prüfen: Reihenfolge und Stabilisierung eindeutig definieren.
17. Messunsicherheit berücksichtigen: Homogenität, Stabilität und thermische Kopplung einbeziehen.
18. Kalibrieraufbau dokumentieren: Hülsentyp, Bohrung und Einstecktiefe festhalten.
19. Bei Wiederholungsprüfungen denselben Aufbau verwenden: Vergleichbarkeit sicherstellen.

Passende Kalibriertechnik bei ICS Schneider

WIKA CTD9100 – Temperatur-Blockkalibrator für Labor und Vor-Ort-Service

Der WIKA CTD9100 ist für die schnelle und trockene Überprüfung beziehungsweise Kalibrierung von Temperaturfühlern vorgesehen.

Wechselbare Einsätze ermöglichen die Anpassung an unterschiedliche Fühlerdurchmesser und machen das System insbesondere für:

• Instandhaltung,
• Mess- und Regelwerkstätten,
• Maschinenbau,
• Vor-Ort-Kalibrierungen

interessant.

SIKA TP17165 – kompakter Trockenblockkalibrator

Der SIKA TP17165 ist ein kompakter Trockenblockkalibrator für mobile und stationäre Temperaturkalibrierungen.

Durch passende Übergangshülsen lassen sich unterschiedliche gerade Temperaturfühler thermisch an den Block ankoppeln.

Kalibrier- und Übergangshülsen

Für genaue Trockenblockkalibrierungen ist das Zubehör ebenso wichtig wie der Kalibrator selbst.

Unter Kalibrierhülsen und Zubehör stehen unterschiedliche Übergangshülsen und Bohrungskonfigurationen zur Verfügung.

Dadurch können die Einsätze an unterschiedliche:

• Fühlerdurchmesser,
• Fühleranzahlen,
• Kalibrieraufgaben

angepasst werden.

Weitere Blockkalibratoren, Flüssigkeitsbäder und Referenzthermometer finden Sie unter Temperaturkalibratoren bei ICS Schneider.

Fazit

Bei einer Trockenblockkalibrierung entscheidet nicht nur die Genauigkeit des Kalibrators über das Ergebnis.

Die Kalibrierhülse ist Teil der Messkette

Eine deutlich zu große Bohrung erzeugt einen Luftspalt und verschlechtert den Wärmeübergang zwischen Block und Prüfling.

Die Eintauchtiefe ist ebenso entscheidend

Das empfindliche Messelement muss ausreichend tief im homogenen Bereich des Blocks liegen.

Wärmeableitung kann systematische Fehler erzeugen

Über Fühlerschaft, Anschlusskopf und Kabel kann Wärme aus dem Kalibrierbereich heraus beziehungsweise hinein transportiert werden.

Axiale Homogenität darf nicht ignoriert werden

Referenzfühler und Prüfling sollten mit ihren Messelementen möglichst auf derselben Höhe positioniert werden.

Auch radiale Unterschiede können relevant werden

Bei niedrigen Messunsicherheiten sollten Referenz und Prüfling möglichst nahe beieinander angeordnet sein.

Eine stabile Blockanzeige bedeutet noch keinen stabilen Prüfling

Der Sensor benötigt zusätzliche Zeit, um sich thermisch vollständig anzupassen.

Ein Rückzugstest kann Probleme mit der Eintauchtiefe sichtbar machen

Ändert sich der Messwert beim geringfügigen Herausziehen deutlich, ist die Kalibrierposition möglicherweise noch stark von axialen Wärmeströmen beeinflusst.

Für die Praxis gilt

Fühlerdurchmesser bestimmen → passende Kalibrierhülse auswählen → Luftspalt möglichst klein halten → tatsächliche Position des Messelementes berücksichtigen → Prüfling ausreichend tief einsetzen → Referenz auf gleicher axialer Höhe positionieren → Referenz und Prüfling möglichst nahe beieinander anordnen → Beladung des Blocks konstant halten → Kalibrator und Prüfling vollständig stabilisieren lassen → bei Unsicherheit Eintauchtiefentest durchführen → thermische Kopplung und Homogenität im Messunsicherheitsbudget berücksichtigen → Hülsentyp, Bohrung und Einstecktiefe im Prüfprotokoll dokumentieren.

FAQ: Trockenblockkalibrator, Kalibrierhülse und Eintauchtiefe

Warum benötigt ein Trockenblockkalibrator eine Kalibrierhülse?

Die Hülse passt den Kalibrierblock an unterschiedliche Fühlerdurchmesser an und stellt einen möglichst guten thermischen Übergang zwischen Block und Prüfling her.

Was passiert, wenn die Bohrung zu groß ist?

Zwischen Fühler und Hülse entsteht ein größerer Luftspalt. Dadurch verschlechtert sich der Wärmeübergang und der Einfluss von Wärmeableitung und Umgebung kann zunehmen.

Kann eine zu große Bohrung einen Messfehler verursachen?

Ja. Der Prüfling kann eine andere Temperatur als der Block beziehungsweise Referenzfühler erreichen, obwohl die Anzeige des Kalibrators bereits stabil ist.

Wie eng sollte die Bohrung am Temperaturfühler sein?

Sie sollte möglichst gut zum Außendurchmesser des Prüflings passen und gleichzeitig ein problemloses Einführen und Entfernen ermöglichen. Maßgeblich sind die Vorgaben des jeweiligen Kalibratorherstellers.

Kann die Hülse genauso groß wie der Fühler gebohrt werden?

In der Praxis ist ein gewisses Spiel erforderlich, da Fühler und Bohrungen Maßtoleranzen besitzen und sich bei Temperatur verändern können.

Warum leitet Luft so schlecht Wärme?

Ruhende Luft besitzt im Vergleich zu metallischen Hülsen eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Ein größerer Luftspalt verschlechtert deshalb die thermische Kopplung.

Kann ich Wärmeleitpaste verwenden?

Nicht pauschal. Ob ein Wärmeleitmittel verwendet werden darf, hängt von Temperaturbereich, Kalibrator und Herstellerfreigabe ab. Bei hohen Temperaturen können ungeeignete Stoffe ausgasen, verbrennen oder Rückstände hinterlassen.

Warum ist die Eintauchtiefe wichtig?

Bei zu geringer Eintauchtiefe kann Wärme über den Fühlerschaft zur Umgebung abgeleitet beziehungsweise von dort eingetragen werden. Das Messelement erreicht dann möglicherweise nicht die tatsächliche Blocktemperatur.

Wie tief muss ein Temperaturfühler eingesteckt werden?

Es gibt keinen universellen Wert für jeden Sensortyp. Die notwendige Tiefe hängt unter anderem von Fühlerdurchmesser, Aufbau, Temperaturdifferenz, Kalibrator und gewünschter Messunsicherheit ab.

Wie kann ich prüfen, ob die Eintauchtiefe ausreicht?

Ein praktischer Ansatz ist ein Rückzugs- beziehungsweise Eintauchtiefentest. Dabei wird der stabilisierte Fühler geringfügig aus dem Block herausgezogen und beobachtet, ob sich sein Messwert relevant verändert.

Was bedeutet Stem Conduction?

Damit ist Wärmeleitung entlang des Fühlerschaftes gemeint. Sie kann Wärme aus dem temperierten Bereich abführen oder Wärme aus der Umgebung in diesen Bereich eintragen.

Warum ist Stem Conduction bei hohen Temperaturen besonders wichtig?

Mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Kalibrator und Umgebung kann der Wärmestrom über den Fühlerschaft größer werden.

Was bedeutet axiale Homogenität?

Sie beschreibt die Temperaturverteilung entlang der vertikalen beziehungsweise axialen Richtung innerhalb des Kalibrierblocks.

Ist die Temperatur oben und unten im Block exakt gleich?

Nicht zwingend. Besonders in Richtung der Blocköffnung kann der Einfluss der Umgebung zunehmen und ein Temperaturgradient entstehen.

Was bedeutet radiale Homogenität?

Sie beschreibt Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Positionen über den Querschnitt des Kalibrierblocks beziehungsweise Einsatzes.

Warum sollten Referenzfühler und Prüfling nebeneinander sitzen?

Dadurch werden radiale Temperaturunterschiede reduziert und beide Sensoren befinden sich unter möglichst vergleichbaren thermischen Bedingungen.

Warum sollten Referenz und Prüfling gleich tief stecken?

Damit sich ihre temperaturempfindlichen Bereiche möglichst auf derselben axialen Temperaturhöhe befinden.

Muss die Fühlerspitze auf gleicher Höhe liegen?

Nicht zwingend. Entscheidend ist die Position des eigentlichen temperaturempfindlichen Messelementes, das sich je nach Sensorbauform hinter der sichtbaren Spitze befinden kann.

Kann ich mich ausschließlich auf die Anzeige des Blockkalibrators verlassen?

Für viele einfache Kalibrieraufgaben ist die interne Referenz ausreichend. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen kann eine externe Referenz direkt neben dem Prüfling jedoch den Einfluss von Blockgradienten und Beladung besser erfassen.

Warum zeigt der Prüfling nach Erreichen der Solltemperatur noch einen veränderlichen Wert?

Der Block kann bereits geregelt sein, während Hülse und Prüfling aufgrund ihrer thermischen Masse noch weiter stabilisieren.

Verlängert ein großer Luftspalt die Stabilisierungszeit?

Ja. Die schlechtere thermische Kopplung kann dazu führen, dass der Prüfling langsamer auf Temperaturänderungen reagiert.

Kann ich mehrere Temperaturfühler gleichzeitig kalibrieren?

Ja, sofern ein geeigneter Mehrlocheinsatz verwendet wird. Die zusätzliche thermische Belastung und mögliche radiale Homogenitätsunterschiede sollten jedoch berücksichtigt werden.

Warum können kurze Temperaturfühler problematisch sein?

Sie lassen sich möglicherweise nicht tief genug in den homogenen Bereich des Blocks einsetzen. Dadurch steigt der Einfluss der Wärmeableitung.

Wann ist ein Flüssigkeitsbad besser geeignet?

Ein Flüssigkeitsbad kann vorteilhaft sein, wenn unterschiedliche beziehungsweise ungünstige Fühlergeometrien, geringe mögliche Eintauchtiefen oder besonders hohe Anforderungen an den thermischen Kontakt bestehen.

Ist ein Trockenblock grundsätzlich ungenauer als ein Flüssigkeitsbad?

Nicht pauschal. Die erreichbare Messunsicherheit hängt vom verwendeten Gerät, der Anwendung, dem Prüfling, der Referenz und dem gesamten Kalibrieraufbau ab.

Was sollte im Kalibrierprotokoll zur Hülse stehen?

Bei anspruchsvollen Kalibrierungen sind Hülsentyp, verwendete Bohrung, Fühlerposition und Einstecktiefe wertvolle Informationen für die spätere Reproduzierbarkeit.

Kann eine beschädigte Hülse das Ergebnis verändern?

Ja. Verformungen, Oxidation oder Verschmutzungen können Passung und Wärmeübergang beeinflussen.

Welcher Kalibrator eignet sich für mobile Trockenblockkalibrierungen?

Der WIKA CTD9100 sowie verschiedene SIKA-Trockenblockkalibratoren sind für mobile und stationäre Temperaturkalibrierungen verfügbar.

Wo finde ich passende Kalibrierhülsen?

Passende Übergangs- und Kalibrierhülsen finden Sie unter Kalibrierhülsen und Zubehör bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Temperaturkalibratoren?

Weitere Trockenblockkalibratoren, Kalibrierbäder und Temperaturreferenzen finden Sie unter Temperaturkalibratoren bei ICS Schneider.