Ein Trockenblockkalibrator wird auf 100,00 °C eingestellt. Nach der Aufheizphase zeigt das Gerät stabil 100,00 °C an. Ein zu prüfender Pt100 zeigt dagegen 100,32 °C. Auf den ersten Blick scheint die Sache eindeutig: Der Prüfling weicht um +0,32 K ab.
Wird zusätzlich ein kalibrierter externer Referenzfühler direkt neben dem Prüfling eingesetzt, kann sich jedoch ein anderes Bild ergeben. Die Referenz misst beispielsweise 100,11 °C. Für eine Vergleichskalibrierung beträgt die relevante Abweichung des Prüflings dann nicht +0,32 K gegenüber der Blockanzeige, sondern:
ΔT = 100,32 °C - 100,11 °C = +0,21 K
Genau dieser Unterschied ist der Kern einer hochwertigen Vergleichskalibrierung. Die Anzeige des Trockenblocks beschreibt die Temperatur, die das Kalibratorsystem an seiner definierten internen Referenzposition ermittelt beziehungsweise regelt. Sie ist jedoch nicht automatisch identisch mit der tatsächlich am externen Referenzfühler und am sensitiven Element des Prüflings vorhandenen Temperatur.
Dazwischen können unter anderem axiale und radiale Temperaturgradienten, Beladung des Blocks, unterschiedliche Eintauchtiefen, Luftspalte, Wärmeableitung über die Fühlerschäfte und noch nicht vollständig abgeschlossene thermische Stabilisierung liegen.
Die wichtigste Regel lautet deshalb: Bei einer Vergleichskalibrierung mit externer Referenz müssen Sollwert, Blockanzeige, Referenztemperatur und Prüflingswert als unterschiedliche Größen behandelt werden. Für die eigentliche Prüflingsabweichung ist die definierte Referenztemperatur maßgeblich – nicht automatisch die Zahl auf dem Display des Trockenblocks.
Welche vier Temperaturwerte müssen unterschieden werden?
Bei einer Temperaturkalibrierung mit externem Referenzfühler können gleichzeitig mehrere Temperaturen angezeigt werden. Werden diese Werte begrifflich nicht sauber getrennt, entstehen schnell falsche Abweichungen und fehlerhafte Prüfprotokolle.
| Größe | Bedeutung | Typische Verwendung |
|---|---|---|
| Sollwert | Temperatur, auf die der Kalibrator eingestellt wird | Vorgabe für den Prüfpunkt |
| Blockanzeige / interne Referenz | Vom Kalibrator intern ermittelte beziehungsweise geregelte Temperatur | Regelung, Stabilitätsbeobachtung und Geräteüberwachung |
| Externe Referenztemperatur | Temperatur, die ein kalibrierter Referenzfühler an seiner tatsächlichen Position im Block misst | Referenzwert für die Vergleichskalibrierung |
| Prüflingsanzeige | Wert des zu kalibrierenden Sensors oder Messgerätes | Wird mit der definierten Referenz verglichen |
Im Idealfall liegen Sollwert, Blockanzeige und externe Referenz sehr nahe beieinander. Sie müssen deshalb aber nicht numerisch exakt identisch sein.
Ein hochwertiger Kalibrator kann beispielsweise auf 100,000 °C eingestellt sein, intern 100,006 °C anzeigen und ein externer Referenzfühler misst an der konkreten Prüflingsposition 100,018 °C. Diese Zahlen widersprechen sich nicht zwangsläufig. Sie beschreiben unterschiedliche Punkte beziehungsweise Funktionen innerhalb desselben thermischen Systems.
Für die Bewertung des Prüflings muss vor Beginn der Kalibrierung eindeutig festgelegt werden, welcher Wert die Referenzgröße darstellt.
Was zeigt ein Trockenblockkalibrator tatsächlich an?
Ein Trockenblockkalibrator besitzt einen Metallblock beziehungsweise Kalibriereinsatz, der elektrisch beheizt und – je nach Gerät – aktiv gekühlt wird. Ein interner Temperaturfühler erfasst die Temperatur an einer konstruktiv definierten Position. Die Regelung verändert die Heiz- beziehungsweise Kühlleistung so, dass der vorgegebene Sollwert erreicht und stabil gehalten wird.
Die auf dem Display angezeigte Temperatur basiert damit auf dem internen Mess- und Regelungssystem des Kalibrators.
Das bedeutet jedoch nicht, dass jeder Punkt im gesamten Kalibriereinsatz exakt dieselbe Temperatur besitzt.
Ein realer Block besitzt immer eine räumliche Temperaturverteilung. Besonders wichtig sind:
- axiale Temperaturgradienten entlang der Eintauchtiefe,
- radiale Unterschiede zwischen verschiedenen Bohrungen,
- lokale Veränderungen durch die eingesetzten Prüflinge,
- Wärmeabgabe an die Umgebung an der Blockoberseite.
Die interne Anzeige ist deshalb eine wichtige Größe für die Bedienung und Regelung des Kalibrators. Sie darf aber nicht ohne Prüfung automatisch mit der Temperatur am sensitiven Element eines beliebigen Prüflings gleichgesetzt werden.
Was bringt eine externe Referenz?
Ein externer Referenzfühler wird direkt in eine geeignete Bohrung des Kalibriereinsatzes eingebracht. Damit kann die Temperatur wesentlich näher an der eigentlichen Messstelle des Prüflings bestimmt werden.
Das ist besonders hilfreich, wenn höhere Genauigkeitsanforderungen bestehen oder wenn die reale lokale Blocktemperatur von der internen Kalibratoranzeige getrennt bewertet werden soll.
Die externe Referenz ersetzt dabei nicht den Trockenblock. Der Block erzeugt weiterhin die stabile Temperaturumgebung. Die Referenz übernimmt die Aufgabe, die tatsächlich an ihrem Messpunkt vorhandene Temperatur möglichst genau zu bestimmen.
Vereinfacht entstehen damit zwei getrennte Funktionen:
Trockenblock = Temperatur erzeugen und stabilisieren
Externe Referenz = tatsächliche lokale Temperatur messen
Gerade diese Trennung ist für eine nachvollziehbare Vergleichskalibrierung sehr wertvoll.
Eine externe Referenz beseitigt allerdings nicht automatisch jeden Fehler. Misst der Referenzfühler an einer anderen Höhe oder in einer thermisch deutlich anderen Bohrung als der Prüfling, bleibt eine räumliche Temperaturdifferenz bestehen.
Wie wird die Prüflingsabweichung berechnet?
Bei einer Vergleichskalibrierung wird die Anzeige beziehungsweise der Messwert des Prüflings mit dem Wert der definierten Referenz verglichen.
Vereinfacht:
ΔT = TDUT - TRef
Dabei ist:
- TDUT = angezeigte beziehungsweise gemessene Temperatur des Prüflings,
- TRef = Temperatur des externen Referenzfühlers,
- ΔT = Abweichung des Prüflings gegenüber der Referenz.
Beispiel:
Blockanzeige = 100,00 °C
Externe Referenz = 100,12 °C
Prüfling = 100,37 °C
Dann beträgt die relevante Prüflingsabweichung:
ΔT = 100,37 - 100,12 = +0,25 K
Würde stattdessen die Blockanzeige als Referenz verwendet, ergäbe sich fälschlicherweise:
100,37 - 100,00 = +0,37 K
Die Differenz von 0,12 K stammt in diesem Beispiel nicht aus dem Prüfling, sondern aus dem Unterschied zwischen interner Blockanzeige und lokal gemessener externer Referenztemperatur.
Genau deshalb sollte im Prüfprotokoll nachvollziehbar dokumentiert sein, welcher Wert zur Berechnung der Abweichung verwendet wurde.
Referenz und Prüfling richtig positionieren
Die externe Referenz sollte möglichst nah am Prüfling platziert werden. Der Grund ist die radiale Temperaturverteilung im Kalibriereinsatz.
Zwei weit voneinander entfernte Bohrungen können geringfügig unterschiedliche Temperaturen besitzen. Je kleiner die angestrebte Messunsicherheit ist, desto wichtiger wird deshalb eine vergleichbare Position.
Ideal ist eine Kalibrierhülse, in der Referenz und Prüfling in unmittelbar benachbarten Bohrungen eingesetzt werden können.
Wenn mehrere Bohrungen vorhanden sind, sollte die Referenz nicht einfach dort eingesetzt werden, wo noch Platz frei ist. Ihre Position gehört zur Prüfmethodik.
Für wiederkehrende Kalibrierungen ist es sinnvoll, immer dieselbe Bohrung für die Referenz und dieselbe beziehungsweise definierte Position für den Prüfling zu verwenden.
Dadurch wird der Aufbau besser reproduzierbar und eine Veränderung des Ergebnisses lässt sich leichter dem Prüfling statt einer veränderten Messgeometrie zuordnen.
Eintauchtiefe und sensitive Messzone berücksichtigen
Entscheidend ist nicht nur, wie tief der sichtbare Fühlerschaft in den Block reicht. Entscheidend ist die Lage des tatsächlichen temperaturempfindlichen Elements.
Ein kurzer Pt100 besitzt seine sensitive Zone häufig nahe der Spitze. Bei einem anderen Widerstandsthermometer kann sich das Messelement über eine längere Strecke erstrecken. Thermoelemente können wiederum einen sehr kleinen Messpunkt besitzen.
Wer Referenz und Prüfling lediglich an der Oberkante auf gleiche Einstecktiefe bringt, stellt deshalb noch nicht automatisch sicher, dass ihre sensitiven Bereiche auf gleicher Höhe liegen.
Für hochwertige Vergleichsmessungen sollten die temperaturempfindlichen Zonen soweit möglich:
- in derselben axialen Höhe liegen,
- vollständig innerhalb der spezifizierten homogenen Zone des Blocks liegen,
- ausreichend weit von der Blockoberfläche entfernt sein.
Ist ein Prüfling zu kurz, um die homogene Zone zu erreichen, kann eine externe Referenz besonders hilfreich sein. Sie erlaubt eine lokale Bestimmung der Temperatur näher am tatsächlichen Messpunkt des kurzen Prüflings.
Allerdings kann sie auch hier den Eintaucheffekt des Prüflings nicht vollständig beseitigen. Der Prüfling selbst muss weiterhin thermisch so eingebracht werden, dass sein Messwert repräsentativ ist.
Bohrungsdurchmesser und Kalibrierhülse passend wählen
Zwischen Fühlerschaft und Bohrungswand befindet sich häufig ein kleiner Luftspalt. Luft besitzt eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als Metall.
Je größer dieser Spalt ist, desto schlechter wird die thermische Kopplung zwischen Block und Fühler.
Dadurch können:
- die Stabilisierungszeit steigen,
- Wärmeableitung über den Fühlerschaft stärker wirken,
- Unterschiede zwischen Referenz und Prüfling zunehmen.
Referenz und Prüfling sollten deshalb in für ihren jeweiligen Durchmesser geeigneten Bohrungen sitzen.
Es ist nicht erforderlich, dass beide Fühler denselben Schaftdurchmesser besitzen. Entscheidend ist, dass jeder Fühler in einer passenden Bohrung thermisch gut gekoppelt ist und seine Messzone korrekt positioniert wird.
Eine externe Präzisionsreferenz in einer sehr gut passenden Bohrung kann ansonsten scheinbar stabil messen, während der Prüfling in einer deutlich zu großen Bohrung wegen schlechter Wärmeübertragung eine andere tatsächliche Temperatur annimmt.
Wann ist ein Kalibrierpunkt wirklich stabil?
Das Erreichen des Sollwertes auf der Kalibratoranzeige bedeutet nicht automatisch, dass Referenz und Prüfling bereits thermisch stabil sind.
Nach einer Temperaturänderung müssen mehrere Komponenten ihr thermisches Gleichgewicht erreichen:
- Heiz- beziehungsweise Kühlblock,
- Kalibriereinsatz,
- externer Referenzfühler,
- Prüfling,
- gegebenenfalls weitere gleichzeitig eingesetzte Prüflinge.
Ein massiver Prüfling kann wesentlich länger benötigen als der interne Fühler des Trockenblocks.
Eine robuste Prüfstrategie beobachtet deshalb nicht nur die Meldung „stabil“ des Kalibrators, sondern zusätzlich den zeitlichen Verlauf von Referenz und Prüfling.
| Beobachtung | Interpretation | Empfehlung |
|---|---|---|
| Blockanzeige stabil, Referenz steigt noch | Lokaler Referenzpunkt noch nicht im Gleichgewicht | Weiter warten |
| Referenz stabil, Prüfling driftet noch | Prüfling thermisch noch nicht stabilisiert | Messwert noch nicht aufnehmen |
| Block und Referenz stabil, beide unterscheiden sich konstant | Reproduzierbarer lokaler Offset möglich | Externe Referenz als Vergleichswert verwenden |
| Referenz schwankt stärker als erwartet | Blockstabilität, Kontakt oder Referenzmesskette prüfen | Ursache vor Kalibrierung klären |
| Prüfling reagiert beim zusätzlichen Eintauchen deutlich | Wärmeableitungs- beziehungsweise Eintaucheffekt | Einbau und Eintauchtiefe optimieren |
Bei automatisierten Kalibrierungen sollte die Stabilitätsbedingung ebenfalls eindeutig definiert sein. Ein fester Zeitwert allein ist nur dann sinnvoll, wenn zuvor nachgewiesen wurde, dass er für die verwendeten Prüflinge und Temperaturpunkte ausreichend ist.
Sollwert, Blockwert und Referenzwert nicht vermischen
Der Sollwert ist zunächst nur die gewünschte Zieltemperatur der Kalibrierung.
Beispielsweise:
Sollwert = 200,00 °C
Nach Stabilisierung können gleichzeitig folgende Werte vorliegen:
Blockanzeige = 200,04 °C
Externe Referenz = 199,91 °C
Prüfling = 200,16 °C
Für den Prüfling ergibt sich gegenüber der externen Referenz:
ΔT = 200,16 - 199,91 = +0,25 K
Der Sollwert von 200,00 °C bleibt trotzdem ein sinnvoller Bestandteil des Prüfprotokolls, weil er dokumentiert, welcher Kalibrierpunkt angefahren werden sollte.
Er ist aber nicht zwingend der tatsächliche Referenzwert.
Für eine revisionssichere Dokumentation sollten diese Größen deshalb nicht in einer einzigen Spalte „Temperatur“ zusammengefasst werden.
Externe Referenz nur messen oder damit regeln?
Nicht jedes System mit externer Referenz arbeitet auf dieselbe Weise.
Bei einer einfachen Vergleichsanordnung regelt der Trockenblock weiterhin mit seinem internen Sensor. Die externe Referenz wird unabhängig davon ausgelesen und dient ausschließlich als metrologischer Vergleichswert.
Andere Kalibratoren beziehungsweise Betriebsarten ermöglichen eine Regelung oder spezielle Kalibrierfunktion auf Basis einer externen Referenz.
Diese beiden Betriebsweisen sollten klar unterschieden werden:
| Betriebsart | Regelgröße | Referenz für Prüfling |
|---|---|---|
| Interne Regelung + externe Vergleichsreferenz | Interner Blockfühler | Externer Referenzfühler |
| Externe Referenz in die Kalibratorfunktion integriert | Geräteabhängig externe Referenz beziehungsweise spezieller Algorithmus | Externe Referenz |
| Nur interne Referenz | Interner Blockfühler | Kalibratoranzeige gemäß definierter Methode |
Für die spätere Auswertung muss bekannt sein, welche Betriebsart verwendet wurde.
Ein häufiger Fehler besteht darin, einen externen Referenzfühler anzuschließen und anschließend stillschweigend davon auszugehen, der Kalibrator würde automatisch auf diesen Wert regeln. Das ist geräte- und funktionsabhängig und muss in der jeweiligen Konfiguration geprüft werden.
Welche Beiträge bleiben trotz externer Referenz bestehen?
Eine gute externe Referenz kann die Temperatur am Prüfpunkt genauer bestimmen. Sie macht den gesamten Trockenblockaufbau jedoch nicht automatisch fehlerfrei.
Weiterhin relevant bleiben beispielsweise:
- Kalibrierunsicherheit des Referenzfühlers,
- Drift der Referenz seit der letzten Kalibrierung,
- Auflösung und Messunsicherheit des Referenzmessgerätes,
- zeitliche Blockstabilität,
- radiale Temperaturdifferenz zwischen Referenz und Prüfling,
- axiale Temperaturverteilung,
- Beladung des Blocks,
- Eintauchtiefe und Wärmeableitung,
- Eigenerwärmung des Referenzfühlers,
- Auflösung und Wiederholbarkeit des Prüflings.
Die externe Referenz reduziert also vor allem die Abhängigkeit von der Annahme, dass die interne Blockanzeige exakt die Temperatur am Prüfling repräsentiert.
Sie ersetzt nicht die Betrachtung des vollständigen Messmodells.
Gerade bei sehr kleinen angestrebten Unsicherheiten sollte deshalb nicht nur die Spezifikation des Referenzfühlers betrachtet werden. Die gesamte Anordnung aus Block, Einsatz, Referenz, Prüfling und Positionierung muss bewertet werden.
Praxisbeispiel bei 150 °C
Ein Pt100-Messgerät soll bei 150 °C geprüft werden. Der verwendete Trockenblock wird auf:
150,00 °C
eingestellt.
Nach Erreichen der internen Stabilitätsanzeige werden zunächst folgende Werte beobachtet:
Blockanzeige = 150,01 °C
Externe Referenz = 149,86 °C
Prüfling = 150,18 °C
Nach weiteren fünf Minuten zeigt die externe Referenz:
149,93 °C
und der Prüfling:
150,24 °C
Die Blockanzeige hat sich in dieser Zeit kaum verändert.
Würde bereits beim ersten Zeitpunkt ausgewertet, entstünde gegenüber der externen Referenz:
ΔT = +0,32 K
Nach zusätzlicher Stabilisierung beträgt die Differenz:
ΔT = 150,24 - 149,93 = +0,31 K
Die Prüflingsabweichung ist damit nahezu gleich geblieben, obwohl Referenz und Prüfling beide noch geringfügig weitergewandert sind.
Dieses Beispiel zeigt einen Vorteil des direkten Vergleichs: Entscheidend ist nicht, ob jeder einzelne Wert exakt auf dem nominalen Sollwert steht, sondern ob Referenz und Prüfling unter stabilen und vergleichbaren thermischen Bedingungen erfasst werden.
Wäre dagegen nur die Blockanzeige betrachtet worden, wäre nicht sichtbar gewesen, dass sich die lokale Temperatur an der Referenzposition noch verändert hat.
Kurze Prüflinge mit externer Referenz bewerten
Kurze Sensoren stellen Trockenblockkalibrierungen vor besondere Herausforderungen. Ihr temperaturempfindlicher Bereich erreicht möglicherweise nicht die tiefste und homogenste Zone des Kalibriereinsatzes.
Dadurch steigt der Einfluss von:
- axialen Temperaturgradienten,
- Umgebungsluft,
- Wärmeleitung über Gehäuse und Anschluss,
- Konvektion an der Blockoberseite.
Eine externe Referenz kann hier gezielt auf eine ähnliche Höhe gebracht werden wie der sensitive Bereich des Prüflings.
Damit wird nicht mehr ausschließlich die tiefe Blocktemperatur betrachtet, sondern die Temperatur näher am tatsächlichen Prüfpunkt.
Das ist besonders hilfreich, wenn der Prüfling konstruktiv nicht weiter eingetaucht werden kann.
Allerdings muss dann bedacht werden, dass die lokale Temperatur außerhalb der optimalen homogenen Zone eine größere Unsicherheit besitzen kann. Eine externe Referenz macht diesen Zustand messbar, sie verbessert aber nicht automatisch die Homogenität des Blocks an dieser Stelle.
Mehrere Prüflinge gleichzeitig kalibrieren
Mehrloch-Einsätze ermöglichen die parallele Kalibrierung mehrerer Temperaturfühler. Das kann den Arbeitsaufwand erheblich reduzieren.
Mit jedem zusätzlichen Prüfling verändert sich jedoch die thermische Beladung des Blocks.
Ein massiver Temperaturfühler kann Wärme stärker aus dem Block ableiten als ein dünner Referenzfühler. Werden mehrere große Prüflinge gleichzeitig eingesetzt, kann sich die lokale Temperaturverteilung gegenüber einem fast unbeladenen Block verändern.
Die externe Referenz sollte deshalb während der eigentlichen Prüflingskonfiguration eingesetzt werden und nicht nur separat in einem unbeladenen Block gemessen werden.
Auch die räumliche Zuordnung ist wichtig. Eine einzelne externe Referenz kann die Temperatur an ihrer eigenen Position sehr genau erfassen. Sie beweist damit noch nicht, dass ein Prüfling auf der gegenüberliegenden Seite eines großen Kalibriereinsatzes exakt dieselbe Temperatur sieht.
Bei mehreren Prüflingen sollte deshalb geprüft werden, ob die radiale Homogenität des eingesetzten Kalibrators für die gewünschte Unsicherheit ausreichend ist.
Welche Werte sollten dokumentiert werden?
Eine gute Dokumentation macht später nachvollziehbar, wie das Kalibrierergebnis zustande gekommen ist.
Für eine Vergleichskalibrierung mit externer Referenz sind je nach Qualitätsanforderung insbesondere folgende Informationen sinnvoll:
- Kalibrator einschließlich Seriennummer,
- verwendeter Kalibriereinsatz beziehungsweise Hülsen-ID,
- externer Referenzfühler einschließlich Seriennummer,
- Referenzmessgerät beziehungsweise Messkanal,
- Kalibrierstatus von Kalibrator und Referenz,
- Prüflings-ID,
- Solltemperatur,
- Blockanzeige,
- externe Referenztemperatur,
- Prüflingswert,
- berechnete Prüflingsabweichung,
- Eintauchtiefe und Position, soweit relevant,
- Stabilisierungs- beziehungsweise Messzeit,
- Umgebungsbedingungen, wenn sie für das Verfahren relevant sind.
Besonders hilfreich ist eine getrennte Darstellung der drei Temperaturwerte:
Block / Referenz / DUT
Damit lässt sich später sofort erkennen, ob eine Abweichung zwischen Block und Referenz oder zwischen Referenz und Prüfling entstanden ist.
Unplausible Differenzen systematisch prüfen
Zeigt eine externe Referenz einen deutlich anderen Wert als die Blockanzeige, muss dies nicht sofort einen defekten Kalibrator bedeuten.
Zunächst sollte die komplette Messanordnung geprüft werden.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| Referenz und Block unterscheiden sich konstant | Lokale Temperaturdifferenz beziehungsweise bekannte Charakteristik | Position, Kalibrierzertifikat und Verfahren prüfen |
| Referenz driftet weiter, obwohl Block stabil meldet | Referenz beziehungsweise lokaler Blockbereich noch nicht stabil | Stabilisierungszeit verlängern |
| Referenz ändert sich beim Umsetzen in andere Bohrung | Radiale Temperaturverteilung | Bohrungsposition reproduzierbar festlegen |
| Prüfling verändert sich beim tieferen Einstecken | Eintauch- oder Wärmeableitungseffekt | Messzone und Eintauchtiefe prüfen |
| Referenz reagiert sehr langsam | Großer Luftspalt, massive Bauform oder falsche Hülse | Bohrung und thermische Kopplung kontrollieren |
| Abweichung verändert sich bei mehreren Prüflingen | Beladungseinfluss des Blocks | Beladung und Messaufbau standardisieren |
Besonders aussagekräftig ist ein reproduzierbarer Vergleich. Wird die Referenz nach vollständiger Stabilisierung wiederholt an derselben Position gemessen und ergibt sich derselbe Offset zur Blockanzeige, deutet dies auf ein anderes Verhalten als eine unregelmäßig wandernde Differenz hin.
Systematischer Prüfablauf
Für eine nachvollziehbare Trockenblockkalibrierung mit externer Referenz bietet sich ein fester Ablauf an.
- Prüfpunkt festlegen: Solltemperatur beziehungsweise Temperaturfolge definieren.
- Kalibrator prüfen: Kalibrierstatus, Einsatzbereich und Betriebsbedingungen kontrollieren.
- Referenz auswählen: Temperaturbereich, Unsicherheit und Kalibrierstatus prüfen.
- Kalibrierhülse auswählen: Passende Bohrungen für Referenz und Prüfling verwenden.
- Sensitive Bereiche bestimmen: Lage der Messelemente von Referenz und Prüfling soweit möglich kennen.
- Eintauchtiefen festlegen: Messelemente möglichst in derselben homogenen Zone positionieren.
- Referenz und Prüfling einsetzen: Mechanisch spannungsfrei und reproduzierbar positionieren.
- Sollwert anfahren: Trockenblock auf den gewünschten Temperaturpunkt regeln lassen.
- Blockstabilität abwarten: Herstellerkriterium beziehungsweise definierte Stabilitätsbedingung erfüllen.
- Referenztrend beobachten: Sicherstellen, dass die externe Referenz ausreichend stabil ist.
- Prüflingstrend beobachten: Prüfling ebenfalls thermisch stabilisieren lassen.
- Werte gleichzeitig erfassen: Blockanzeige, Referenz und Prüfling möglichst zeitgleich dokumentieren.
- Abweichung berechnen: Prüfling minus externe Referenz.
- Messunsicherheit bewerten: Relevante Referenz-, Block- und Prüflingseinflüsse berücksichtigen.
- Nächsten Prüfpunkt anfahren: Vorgehen reproduzierbar wiederholen.
- Ergebnisse dokumentieren: Aufbau, Werte, Abweichungen und gegebenenfalls As-Found/As-Left festhalten.
Wichtig ist, dass zwischen den Prüfpunkten nicht unbemerkt die Referenzbohrung, Eintauchtiefe oder Kalibrierhülse geändert wird. Jede solche Änderung kann einen neuen thermischen Aufbau erzeugen.
Häufige Fehler bei externer Referenz
Die Blockanzeige weiterhin als alleinigen Referenzwert verwenden
Wenn eine externe Referenz bewusst für die Vergleichskalibrierung eingesetzt wird, muss vorab definiert sein, welche Größe für die Abweichungsberechnung maßgeblich ist.
Referenz und Prüfling auf unterschiedliche Höhen setzen
Dadurch können beide Sensoren unterschiedliche Bereiche des axialen Temperaturprofils erfassen.
Externe Referenz automatisch mit perfekter Blocktemperatur gleichsetzen
Die Referenz misst nur die Temperatur an ihrer eigenen Position. Eine räumliche Differenz zum Prüfling bleibt möglich.
Sofort nach Erreichen des Sollwertes messen
Kalibratoranzeige, Referenz und Prüfling besitzen unterschiedliche thermische Zeitkonstanten. Alle relevanten Signale müssen ausreichend stabil sein.
Die Kalibrierung der externen Referenz nicht berücksichtigen
Auch ein hochwertiger Referenzfühler besitzt eine Kalibrierunsicherheit und kann zwischen Kalibrierungen driften.
Zu große Bohrungen verwenden
Ein großer Luftspalt verschlechtert die thermische Kopplung und kann Referenz und Prüfling unterschiedlich beeinflussen.
Nur eine einzige Referenzmessung aufnehmen
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen kann eine kurze Messreihe beziehungsweise Mittelwertbildung deutlich aussagekräftiger sein als ein einzelner Momentanwert.
Blockstabilität mit räumlicher Homogenität verwechseln
Ein zeitlich sehr stabiler Block kann trotzdem unterschiedliche Temperaturen an verschiedenen Positionen besitzen.
Externe Referenz anschließen und automatisch externe Regelung annehmen
Ob die externe Referenz nur angezeigt, zur Vergleichskalibrierung verwendet oder tatsächlich in die Regelung einbezogen wird, hängt von Gerät und Betriebsart ab.
Messunsicherheit nur aus dem Referenzkalibrierschein ableiten
Die Unsicherheit der Referenz ist nur ein Teil des vollständigen Unsicherheitsbudgets. Blockhomogenität, Beladung, Eintauchtiefe und Prüflingseinflüsse bleiben relevant.
Passende Kalibriertechnik bei ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet Trockenblockkalibratoren, Multifunktionskalibratoren, Referenzfühler, Kalibriereinsätze und Zubehör für Temperaturkalibrierungen im Labor und im Feldeinsatz an.
Der Druck PTC200 Premium-Temperaturkalibrator deckt einen Temperaturbereich von −55 bis +200 °C ab. Für Trockenblockanwendungen sind sowohl interne als auch externe Referenztemperaturmessungen vorgesehen. Damit eignet sich das Gerät besonders für Anwendungen, bei denen Blocktemperatur und lokale Referenztemperatur bewusst getrennt betrachtet werden sollen.
Für den PTC200 werden die thermischen Eigenschaften getrennt für interne und externe Referenz angegeben. Dies verdeutlicht unmittelbar, dass die gewählte Referenzmethode Bestandteil der Messaufgabe ist und nicht nur optionales Zubehör.
Der SIKA TP3M255E.2 kombiniert Trockenblock, Kalibrierbad, Infrarot- und Oberflächenkalibrierung. Abhängig von Funktion und Ausführung können Kalibrierungen mit externer Referenz durchgeführt werden.
Für entsprechende Vergleichskalibrierungen bietet ICS außerdem spezielle Kalibrier-Referenzfühler auf Pt100-Basis an. Diese eignen sich insbesondere zur lokalen Temperaturbestimmung im Kalibriereinsatz beziehungsweise für Anwendungen, bei denen die interne Blockreferenz nicht allein als Vergleichsgröße verwendet werden soll.
Zur Anpassung an unterschiedliche Prüflingsdurchmesser stehen passende Kalibriereinsätze und Hülsen zur Verfügung. Die Wahl der richtigen Bohrung ist ein wesentlicher Bestandteil eines reproduzierbaren Messaufbaus.
Temperaturkalibratoren bei ICS Schneider
Kalibriertechnik bei ICS Schneider
Fazit
Eine externe Referenz macht aus einem Trockenblockkalibrator kein vollkommen temperaturhomogenes System. Sie ermöglicht jedoch, die tatsächlich an einer definierten Position vorhandene Temperatur unabhängig von der internen Blockanzeige zu erfassen.
Bei einer Vergleichskalibrierung mit externer Referenz sollte deshalb nicht automatisch die Blockanzeige vom Prüflingswert abgezogen werden. Maßgeblich ist die im Prüfverfahren definierte Referenztemperatur.
Sollwert, interne Blockanzeige, externe Referenz und Prüflingswert erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Der Sollwert beschreibt den gewünschten Prüfpunkt. Die Blockanzeige beschreibt das interne Mess- und Regelungssystem des Kalibrators. Die externe Referenz misst die lokale Temperatur am Prüfaufbau. Der Prüflingswert wird schließlich mit dieser Referenz verglichen.
Damit diese Vorgehensweise tatsächlich eine bessere Kalibrierung liefert, müssen Referenz und Prüfling thermisch vergleichbar positioniert werden. Eintauchtiefe, sensitive Messzone, passende Bohrung, Stabilisierung und Blockbeladung bleiben weiterhin entscheidend.
Besonders wichtig ist eine reproduzierbare Dokumentation. Werden Blockwert, Referenzwert und Prüflingswert getrennt aufgezeichnet, lässt sich später nachvollziehen, ob eine Veränderung vom Prüfling, von der lokalen Blocktemperatur oder vom gesamten Kalibrieraufbau ausgegangen ist.
Wer die externe Referenz deshalb nicht nur als zusätzlichen Sensor, sondern als Bestandteil eines klar definierten Messmodells versteht, kann Trockenblockkalibrierungen wesentlich belastbarer und transparenter durchführen.
FAQ zur externen Referenz im Trockenblock
Ist die Anzeige eines Trockenblockkalibrators die tatsächliche Prüflingstemperatur?
Nicht automatisch. Die Blockanzeige basiert auf dem internen Referenz- beziehungsweise Regelfühler. Am Prüfling können durch Temperaturgradienten, Eintauchtiefe und Wärmeableitung geringfügig andere Temperaturen auftreten.
Wofür wird ein externer Referenzfühler eingesetzt?
Er misst die lokale Temperatur im Kalibriereinsatz möglichst nahe am Prüfling und kann damit als Referenz für eine Vergleichskalibrierung verwendet werden.
Welcher Wert wird bei einer Vergleichskalibrierung vom Prüflingswert abgezogen?
Wenn das Prüfverfahren eine externe Referenz vorsieht, wird üblicherweise der Wert dieser Referenz verwendet: ΔT = TDUT - TRef.
Warum kann sich die externe Referenz von der Blockanzeige unterscheiden?
Interner Regelfühler und externe Referenz befinden sich an unterschiedlichen Positionen. Räumliche Temperaturverteilung, Beladung und Wärmeübergang können deshalb kleine Unterschiede erzeugen.
Ist die Blockanzeige dann wertlos?
Nein. Sie bleibt wesentlich für Regelung, Bedienung, Stabilitätsbeobachtung und Dokumentation. Sie erfüllt lediglich eine andere Aufgabe als die externe metrologische Referenz.
Müssen Referenz und Prüfling in derselben Bohrung sitzen?
Nein. Sie müssen getrennt eingesetzt werden, sollten aber möglichst benachbarte und thermisch vergleichbare Positionen besitzen.
Sollten Referenz und Prüfling gleich tief eingesteckt werden?
Entscheidend ist, dass ihre sensitiven Messbereiche möglichst auf vergleichbarer Höhe innerhalb der homogenen Zone liegen. Die sichtbare Schafttiefe allein ist nicht immer ausreichend.
Warum ist der sensitive Bereich des Fühlers wichtig?
Nur dort wird die Temperatur tatsächlich erfasst. Zwei Fühler mit gleicher Gesamtlänge können ihre Messelemente an unterschiedlichen Positionen besitzen.
Was passiert bei einem zu großen Luftspalt?
Die thermische Kopplung zum Block wird schlechter. Dadurch steigen Ansprechzeit und Einfluss von Wärmeableitung und Umgebung.
Wann darf ein Messwert aufgenommen werden?
Erst wenn Block, externe Referenz und Prüfling entsprechend dem definierten Prüfverfahren ausreichend stabilisiert sind.
Reicht die Stabilitätsanzeige des Trockenblocks aus?
Sie ist wichtig, beweist aber nicht automatisch, dass auch ein massiver oder schlecht gekoppelter Prüfling bereits thermisch stabil ist. Referenz- und Prüflingstrend sollten ebenfalls betrachtet werden.
Macht eine externe Referenz die Blockhomogenität unwichtig?
Nein. Die Referenz misst nur ihre eigene Position. Temperaturdifferenzen zwischen Referenz- und Prüflingsbohrung bleiben mögliche Unsicherheitsbeiträge.
Kann eine externe Referenz bei kurzen Prüflingen helfen?
Ja. Sie kann auf eine ähnliche Messhöhe gebracht werden und so die lokale Temperatur näher am tatsächlichen sensitiven Bereich des kurzen Prüflings bestimmen.
Regelt der Trockenblock automatisch nach der externen Referenz?
Nicht zwangsläufig. Das hängt vom Gerät und der gewählten Betriebsart ab. Bei manchen Aufbauten dient die externe Referenz ausschließlich als unabhängiger Vergleichswert.
Kann man mehrere Prüflinge gleichzeitig mit einer externen Referenz kalibrieren?
Ja, sofern Kalibriereinsatz, Blockhomogenität und Beladung dafür geeignet sind. Die Referenz beschreibt jedoch zunächst nur die Temperatur an ihrer eigenen Position.
Muss die externe Referenz selbst kalibriert sein?
Für eine rückführbare Vergleichskalibrierung muss die Referenz entsprechend dem Qualitäts- und Kalibrierkonzept rückführbar kalibriert und innerhalb ihres gültigen Einsatzbereiches verwendet werden.
Ersetzt ein hochwertiger Referenzfühler das Unsicherheitsbudget?
Nein. Referenzkalibrierung ist nur ein Beitrag. Blockstabilität, Homogenität, Beladung, Eintauchtiefe und Prüflingseigenschaften müssen ebenfalls berücksichtigt werden.
Welche Werte sollte ein Kalibrierprotokoll enthalten?
Mindestens Sollwert, Blockanzeige, externe Referenztemperatur, Prüflingsanzeige und berechnete Abweichung. Bei höheren Anforderungen kommen Aufbau, Eintauchtiefe, Referenz-ID, Unsicherheit und Umgebungsbedingungen hinzu.
Welche Trockenblockkalibratoren unterstützen externe Referenzen?
Bei ICS sind unter anderem der Druck PTC200 sowie verschiedene SIKA- beziehungsweise WIKA-Kalibratoren und Multifunktionskalibratoren für entsprechende Vergleichskalibrierungen beziehungsweise externe Referenzkonfigurationen verfügbar. Die konkrete Funktion hängt von Modell und Ausstattung ab.