Kalibrierbad mit mehreren Fühlern beladen: Homogenität, Rührwirkung und gegenseitige Erwärmung berücksichtigen

→ Produktkategorie: Kalibriertechnik

 

Ein Kalibrierbad ist auf:

100,00 °C

eingestellt.

Ein Referenzfühler und ein Prüfling befinden sich im Bad.

Die Temperatur ist stabil und die Kalibrierung beginnt.

Nun sollen aus Effizienzgründen weitere:

5 Temperaturfühler

gleichzeitig eingesetzt werden.

Kann davon ausgegangen werden, dass alle Fühler weiterhin exakt derselben Temperatur ausgesetzt sind?

Nicht automatisch.

Ein gerührtes Kalibrierbad bietet gegenüber einem Trockenblock einen wesentlichen Vorteil:

Die Kalibrierflüssigkeit kann die unterschiedlich geformten Prüflinge direkt umströmen und dadurch einen sehr guten thermischen Kontakt herstellen.

Mit zunehmender Beladung verändert sich jedoch das thermische und strömungstechnische System.

Zusätzliche Fühler können:

• die Flüssigkeitsströmung behindern,
• lokale Temperaturunterschiede vergrößern,
• Wärme über ihre Schäfte ein- oder austragen,
• die Einschwingzeit verlängern,
• durch elektrische Eigenerwärmung zusätzliche Wärme einbringen,
• die nutzbare homogene Messzone verkleinern.

Damit müssen bei Mehrfachkalibrierungen mindestens drei Eigenschaften getrennt betrachtet werden:

Stabilität = Temperaturänderung über die Zeit

Homogenität = Temperaturunterschied zwischen verschiedenen Orten

Beladungseinfluss = Änderung durch eingebrachte Prüflinge

Ein Bad kann zeitlich sehr stabil sein und gleichzeitig relevante räumliche Temperaturunterschiede besitzen.

Ebenso kann ein unbeladenes Bad hervorragend homogen sein, während eine große Zahl von Fühlern die Strömung so beeinflusst, dass sich die tatsächliche Temperaturverteilung verändert.

Für präzise Kalibrierungen müssen deshalb:

Bad + Flüssigkeit + Rührer + Referenz + Prüflinge + Einbauposition

als vollständiges Messsystem betrachtet werden.

Temperaturkalibratoren und Kalibrierbäder finden Sie bei ICS Schneider unter Kalibriertechnik.

Warum Flüssigkeitsbäder für mehrere Fühler geeignet sind

Bei einem Kalibrierbad befinden sich Referenzfühler und Prüflinge direkt in einer temperierten Flüssigkeit.

Die Flüssigkeit übernimmt den Wärmetransport zwischen:

• Heizung beziehungsweise Kühlung,
• Referenzfühler,
• Prüflingen.

Vorteil gegenüber einem Trockenblock

Bei einem Trockenblock benötigt jeder Fühler einen möglichst gut passenden Bohrungsdurchmesser.

Im Flüssigkeitsbad können dagegen auch:

• unterschiedliche Durchmesser,
• abgewinkelte Fühler,
• kurze beziehungsweise spezielle Bauformen

einfacher thermisch angekoppelt werden.

Direkter Temperaturkontakt

Die Flüssigkeit umströmt den Prüfling.

Dadurch entfällt der bei einem Trockenblock mögliche isolierende Luftspalt zwischen Fühler und Einsatzbohrung.

Aber

Die gute Wärmeübertragung funktioniert nur, wenn die Flüssigkeit:

ausreichend und gleichmäßig zirkulieren kann

.

Genau deshalb ist die Beladung des Bades relevant.

Stabilität und Homogenität unterscheiden

Zwei Begriffe werden bei Temperaturkalibratoren häufig miteinander verwechselt:

Temperaturstabilität

und:

Temperaturhomogenität

Stabilität

Die Stabilität beschreibt, wie stark sich die Temperatur an einem bestimmten Ort über die Zeit verändert.

Vereinfacht:

ΔTstab = Tmax(t) − Tmin(t)

Beispiel

Ein Referenzfühler zeigt innerhalb eines definierten Zeitraums:

99,98 … 100,02 °C

Dann beträgt die beobachtete Schwankungsbreite:

0,04 K

Homogenität

Die Homogenität beschreibt dagegen die Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Positionen im Bad.

Vereinfacht:

ΔThom = Tmax(Position) − Tmin(Position)

Beispiel

Zur gleichen Zeit werden gemessen:

links: 100,01 °C

Mitte: 100,00 °C

rechts: 99,96 °C

Das Bad kann dabei zeitlich vollkommen stabil sein.

Trotzdem besteht zwischen den Positionen eine räumliche Differenz.

Wichtiger Unterschied

Ein stabiler Reglerwert beweist keine homogene Temperaturverteilung im gesamten Bad.

Was bedeutet Beladungseinfluss?

Die Eigenschaften eines Kalibrierbades werden durch die eingebrachten Prüflinge beeinflusst.

Dieser Effekt wird als:

Beladungseinfluss

bezeichnet.

Ein zusätzlicher Fühler verändert das System

Er besitzt:

• Volumen,
• Masse,
• Wärmekapazität,
• Wärmeleitfähigkeit,
• einen Fühlerschaft mit Verbindung zur Umgebung.

Beim Einsetzen

hat ein Prüfling zunächst häufig Umgebungstemperatur.

Wird beispielsweise ein:

23 °C

warmer Fühler in ein:

150 °C

heißes Kalibrierbad eingebracht, nimmt er Wärme aus der Flüssigkeit auf.

Umgekehrt

kann ein warmer Prüfling ein kaltes Bad lokal erwärmen.

Nach dem Einschwingen

verschwindet dieser transiente Effekt weitgehend.

Andere Beladungseffekte bleiben jedoch bestehen, insbesondere:

• veränderte Flüssigkeitsströmung,
• Wärmeleitung über die Fühlerschäfte,
• elektrische Eigenerwärmung,
• veränderte Wärmeabgabe an die Umgebung.

Warum die Rührwirkung entscheidend ist

Ein gerührtes Kalibrierbad erzeugt nicht allein durch die Flüssigkeit eine homogene Temperatur.

Entscheidend ist die:

kontinuierliche Umwälzung der Kalibrierflüssigkeit

Ohne ausreichende Bewegung

können sich Temperaturgradienten bilden.

Beispielsweise:

warme Zone → kalte Zone

Der Rührer transportiert Wärme

Die Flüssigkeit wird fortlaufend zwischen:

• wärmeren,
• kälteren,
• zentralen,
• randnahen

Bereichen bewegt.

Dadurch verbessert sich

• radiale Homogenität,
• axiale Homogenität,
• Ansprechzeit der Prüflinge,
• Reproduzierbarkeit zwischen unterschiedlichen Positionen.

Strömungsabschattung durch mehrere Fühler

Jeder zusätzliche Fühler bildet ein Hindernis für die Flüssigkeitsströmung.

Bei geringer Beladung

kann die Flüssigkeit den Prüfling von allen Seiten gut umströmen.

Bei dichter Beladung

können mehrere Fühler dagegen:

• Strömungswege blockieren,
• lokale Wirbel erzeugen,
• strömungsarme Bereiche bilden,
• den Rührer beeinflussen.

Problematische Anordnung

Beispielsweise:

Fühler Fühler Fühler Fühler Fühler

sehr dicht nebeneinander.

Besser

Die Fühler sollten so angeordnet werden, dass:

Kalibrierflüssigkeit zwischen ihnen zirkulieren kann

Keine universelle Mindestdistanz

Ein allgemein gültiger Abstand in Millimetern lässt sich nicht nennen.

Er hängt unter anderem ab von:

• Fühlerdurchmesser,
• Badgeometrie,
• Rührsystem,
• Flüssigkeitsviskosität,
• Temperatur,
• geforderter Messunsicherheit.

Wie viele Fühler dürfen gleichzeitig ins Bad?

Auch dafür gibt es keine universelle Zahl.

Die Frage:

Kann ich acht Fühler gleichzeitig kalibrieren?

kann nicht allein anhand des Badvolumens beantwortet werden.

Entscheidend ist nicht nur, ob die Fühler hineinpassen

Entscheidend ist:

Bleibt die geforderte Temperaturhomogenität unter dieser Beladung erhalten?

Ein kleines Bad mit dünnen Fühlern

kann mehrere Prüflinge gut aufnehmen.

Dieselbe Anzahl großer Schutzrohre

kann dagegen einen erheblichen Teil des Flüssigkeitsquerschnitts blockieren.

Praxisregel

Die maximal sinnvolle Anzahl von Prüflingen sollte durch die validierte Kalibrierprozedur und nicht durch den verbleibenden freien Platz im Bad bestimmt werden.

Abstand zwischen den Fühlern

Temperaturfühler sollten nach Möglichkeit:

• einander nicht berühren,
• die Behälterwand nicht berühren,
• nicht auf dem Tankboden aufliegen,
• den Rührmechanismus nicht behindern.

Warum kein direkter Kontakt?

Berühren sich zwei Metallfühler, kann Wärme zusätzlich über die Metallflächen zwischen ihnen übertragen werden.

Damit wird die beabsichtigte thermische Kopplung:

Fühler ↔ Kalibrierflüssigkeit

teilweise durch:

Fühler ↔ Fühler

ergänzt.

Außerdem

entsteht zwischen dicht aneinanderliegenden Fühlern möglicherweise ein strömungsarmer Bereich.

Einstecktiefe richtig wählen

Die Eintauchtiefe ist einer der wichtigsten Faktoren bei einer Temperaturkalibrierung.

Idealer Zustand

Der temperaturempfindliche Bereich des Prüflings befindet sich vollständig innerhalb der homogenen Kalibrierzone.

Zu geringe Eintauchtiefe

führt zu Wärmeableitung beziehungsweise Wärmeeintrag über den Fühlerschaft.

Dadurch kann der empfindliche Bereich eine andere Temperatur besitzen als die umgebende Flüssigkeit.

Besonders kritisch bei

• dicken metallischen Schutzrohren,
• kurzen Fühlern,
• großen Temperaturdifferenzen zur Umgebung,
• hoher Wärmeleitfähigkeit des Schafts.

Bei mehreren Prüflingen

sollten vergleichbare Messstellen nach Möglichkeit:

auf derselben wirksamen Eintauchtiefe

positioniert werden.

Axiale Temperaturgradienten

Axiale Homogenität beschreibt die Temperaturverteilung entlang der Tiefe des Kalibrierbades.

Typischer Gradient

In der Nähe der Badoberfläche nimmt der Einfluss der Umgebung zu.

Dadurch kann die Temperatur von der tieferen Messzone abweichen.

Folge

Ein Referenzfühler mit Messstelle bei:

120 mm Eintauchtiefe

und ein Prüfling mit wirksamer Messstelle bei:

70 mm Eintauchtiefe

messen möglicherweise nicht dieselbe tatsächliche Temperatur.

Auch wenn beide im selben Bad stehen

Die bloße gemeinsame Flüssigkeit garantiert keine identische Temperatur an unterschiedlichen Höhen.

Radiale Temperaturgradienten

Radiale Homogenität beschreibt Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Positionen auf derselben Höhe.

Beispielsweise

kann sich die Temperatur unterscheiden zwischen:

• Badmitte,
• Randbereich,
• Bereich vor dem Rührer,
• Bereich hinter einer Gruppe großer Prüflinge.

Bei Mehrfachkalibrierung besonders relevant

Ein Prüfling steht zwangsläufig an einer anderen Position als die Referenz.

Je größer der Abstand, desto wichtiger wird die Kenntnis der radialen Homogenität.

Referenzfühler richtig positionieren

Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollte nicht allein der interne Regelfühler des Kalibrators als Temperaturreferenz verwendet werden.

Externe Referenz

Ein kalibrierter Referenztemperaturfühler misst die tatsächliche Temperatur innerhalb der verwendeten Kalibrierzone.

Referenz möglichst repräsentativ anordnen

Der Referenzfühler sollte:

• innerhalb der validierten Messzone liegen,
• eine vergleichbare Eintauchtiefe besitzen,
• nicht an Wand oder Boden anliegen,
• die Strömung nicht unnötig behindern,
• räumlich sinnvoll zu den Prüflingen angeordnet sein.

Bei mehreren Prüflingen

ist eine Referenzposition zwischen beziehungsweise innerhalb der Gruppe häufig aussagekräftiger als eine weit entfernte Position am Rand.

Aber

Die optimale Referenzposition hängt von der charakterisierten Messzone des konkreten Bades ab.

Erwärmen sich mehrere Fühler gegenseitig?

Diese Frage wird häufig gestellt.

Die einfache Aussage:

mehr Fühler = mehr gegenseitige Erwärmung

ist technisch jedoch zu pauschal.

Passive Fühler erzeugen nach dem Einschwingen nicht automatisch dauerhaft Wärme

Ein vollständig temperierter passiver Fühler besitzt im Idealfall dieselbe Temperatur wie die umgebende Flüssigkeit.

Die wesentlichen gegenseitigen Einflüsse entstehen vielmehr durch

• Strömungsbehinderung,
• Wärmeleitung über Fühlerschäfte,
• thermische Masse beim Einsetzen,
• elektrische Eigenerwärmung aktiver Messkreise.

Deshalb ist der Begriff „gegenseitige Erwärmung“ besser zu verstehen als

gegenseitige thermische Beeinflussung

Eigenerwärmung von Widerstandsthermometern

Ein Pt100 oder anderer Widerstandssensor benötigt einen Messstrom.

Dadurch entsteht elektrische Verlustleistung:

P = I² × R

Diese Leistung wird in Wärme umgesetzt

Der Sensor kann dadurch geringfügig wärmer werden als das ihn umgebende Medium.

Temperaturerhöhung vereinfacht

Die resultierende Eigenerwärmung hängt ab von:

• Messstrom,
• Sensorwiderstand,
• Sensorbauform,
• Wärmeübergang zur Flüssigkeit.

Flüssigkeitsbad als Vorteil

Die gute Wärmeübertragung in bewegter Flüssigkeit reduziert typischerweise den Eigenerwärmungseffekt gegenüber schlechter thermischer Ankopplung.

Trotzdem relevant bei hoher Genauigkeit

Insbesondere Referenzfühler sollten mit einem für die Messaufgabe geeigneten Messstrom betrieben werden.

Wärmeleitung über den Fühlerschaft

Ein Fühlerschaft verbindet zwei unterschiedliche Temperaturbereiche:

Kalibrierbad ↔ Umgebung

Beispiel

Badtemperatur:

180 °C

Raumtemperatur:

23 °C

Über den Metallmantel

wird Wärme aus dem Bad nach außen transportiert.

Bei vielen großen Prüflingen

kann sich dieser Wärmefluss summieren.

Dadurch erhöht sich die thermische Last für die Regelung.

Bei niedrigen Badtemperaturen

läuft der Wärmefluss in die andere Richtung:

warme Umgebung → Fühlerschaft → kaltes Bad

Thermische Masse der Prüflinge

Ein dünner Pt100 mit 3-mm-Schutzrohr beeinflusst ein Bad anders als ein massiver Temperaturfühler mit:

15 mm Schutzrohrdurchmesser

Große Prüflinge besitzen

• mehr Masse,
• größere Wärmekapazität,
• größere verdrängte Flüssigkeitsmenge.

Beim Einsetzen

benötigen sie mehr Energie, um auf Badtemperatur gebracht zu werden.

Folge

Die Stabilisierung kann deutlich länger dauern.

Stabilisierungszeit nach dem Beladen

Ein häufiger Fehler besteht darin, weitere Fühler einzusetzen und unmittelbar danach Messwerte aufzunehmen.

Jede Veränderung der Beladung ist ein thermischer Eingriff

Nach dem Einsetzen neuer Prüflinge muss das System erneut stabilisieren.

Nicht nur auf die Sollwertanzeige achten

Der interne Regler kann bereits wieder:

100,00 °C

anzeigen, obwohl:

• ein großer Prüfling noch nicht vollständig temperiert ist,
• der Referenzfühler noch driftet,
• zwischen mehreren Positionen noch Temperaturunterschiede bestehen.

Messbereitschaft besser anhand der tatsächlichen Messwerte beurteilen

Relevant sind:

• Referenztemperatur,
• Prüflingsanzeigen,
• zeitliche Änderung der Werte.

Der langsamste Prüfling zählt

Bei einer Mehrfachkalibrierung darf die Messung erst beginnen, wenn auch Prüflinge mit hoher thermischer Masse ausreichend eingeschwungen sind.

Kalibrierflüssigkeit und Viskosität

Die Flüssigkeit beeinflusst entscheidend:

• Wärmeübertragung,
• Rührwirkung,
• Homogenität,
• Temperaturbereich.

Typische Kalibrierflüssigkeiten

Je nach Temperaturbereich können beispielsweise geeignete:

• Wasser-basierte Flüssigkeiten,
• Silikonöle

verwendet werden.

Viskosität ist temperaturabhängig

Besonders bei Ölen kann die Flüssigkeit bei niedrigen Temperaturen deutlich zähflüssiger werden.

Folge

Der Magnetrührer muss gegen einen höheren Strömungswiderstand arbeiten.

Bei gleichzeitig hoher Fühlerbeladung kann die Umwälzung zusätzlich erschwert werden.

Deshalb

muss die verwendete Flüssigkeit zum:

• Temperaturbereich,
• Kalibrator,
• Rührsystem,
• Kalibrierverfahren

passen.

Rührgeschwindigkeit richtig einstellen

Die optimale Rührgeschwindigkeit ist nicht zwangsläufig:

Maximum

Zu geringe Rührgeschwindigkeit

kann zu schlechter Temperaturverteilung führen.

Eine unnötig hohe Rührgeschwindigkeit

kann je nach Bad und Flüssigkeit unter anderem:

• starke Oberflächenbewegung,
• Wirbelbildung,
• Lufteintrag,
• zusätzliche Verdunstung

begünstigen.

Ziel

Eine stabile, gleichmäßige Umwälzung der gesamten verwendeten Messzone.

Bei geänderter Beladung

kann es erforderlich sein, die Rührwirkung erneut zu beurteilen.

Luftblasen und Benetzung

Zwischen Flüssigkeit und Fühler sollte ein möglichst direkter thermischer Kontakt bestehen.

Luft ist ein schlechter Wärmeleiter

Bleibt beispielsweise eine Luftblase an einer ungünstigen Stelle eines Prüflings haften, kann die Wärmeübertragung lokal verschlechtert werden.

Relevant insbesondere bei

• komplizierten Fühlergeometrien,
• Vertiefungen,
• Übergängen,
• mehreren dicht angeordneten Prüflingen.

Nach dem Einsetzen

sollte daher sichergestellt werden, dass die Prüflinge vollständig und reproduzierbar von der Kalibrierflüssigkeit benetzt werden.

Messstrom bei Pt100 und Referenzfühlern

Bei Widerstandsthermometern beeinflusst der Messstrom die Eigenerwärmung.

Vereinfachter Zusammenhang

Messstrom ↑ → Verlustleistung ↑ → mögliche Eigenerwärmung ↑

Besonders relevant bei Referenzmessungen

Wenn zwei Messgeräte denselben Pt100 mit unterschiedlichen Messströmen betreiben, können geringfügig unterschiedliche Temperaturen entstehen.

SIKA Referenzfühler

ICS weist bei seinen Kalibrier-Referenzfühlern darauf hin, dass bei den untersuchten Ausführungen Messströme:

≤ 1 mA

ideal geeignet sind, um den Eigenerwärmungseinfluss vernachlässigbar zu halten.

Grundsätzlich

ist immer die Kombination aus:

Referenzfühler + Messgerät + Messstrom

zu betrachten.

Mehrfachkalibrierung systematisch durchführen

Bei wiederkehrenden Mehrfachkalibrierungen sollte die Fühleranordnung nicht jedes Mal spontan gewählt werden.

1. Kalibrierflüssigkeit festlegen

Die Flüssigkeit muss für den benötigten Temperaturbereich geeignet sein.

2. Rührbetrieb einstellen

Eine reproduzierbare Rührgeschwindigkeit festlegen.

3. Referenz positionieren

Die Referenz in einer repräsentativen Position innerhalb der vorgesehenen Messzone einsetzen.

4. Prüflinge verteilen

Zwischen den Fühlern ausreichend Raum für Flüssigkeitszirkulation lassen.

5. Gleiche Eintauchtiefe herstellen

Soweit die Fühlerbauformen dies ermöglichen.

6. Kontakt mit Wand und Boden vermeiden

Die Prüflinge sollten frei von der Kalibrierflüssigkeit umströmt werden.

7. System stabilisieren lassen

Nach jeder wesentlichen Änderung der Beladung erneut warten.

8. Referenztrend beobachten

Eine nahezu konstante Regleranzeige reicht allein nicht aus.

9. Mehrere Messungen aufnehmen

Dadurch lässt sich die verbleibende zeitliche Streuung beurteilen.

10. Positionen dokumentieren

Bei anspruchsvollen Kalibrierungen sollte dokumentiert werden:

• welcher Fühler an welcher Position stand,
• welche Eintauchtiefe verwendet wurde,
• welche Rührgeschwindigkeit eingestellt war,
• welche Flüssigkeit verwendet wurde.

Einfluss auf die Messunsicherheit

Bei höheren Genauigkeitsanforderungen darf die Unsicherheit des Referenzfühlers nicht als einzige Unsicherheitsquelle betrachtet werden.

Typische Beiträge sind

• Kalibrierunsicherheit des Referenzfühlers,
• Referenzmessgerät,
• Auflösung,
• zeitliche Badstabilität,
• radiale Homogenität,
• axiale Homogenität,
• Beladungseinfluss,
• Eintauchtiefe,
• Wärmeableitung über den Schaft,
• Eigenerwärmung,
• Reproduzierbarkeit des Prüflings.

Beispiel

Ein Referenzsystem besitzt möglicherweise eine sehr kleine Messunsicherheit.

Wenn die Temperaturverteilung zwischen den sechs Prüflingspositionen jedoch:

0,15 K

beträgt, kann genau dieser räumliche Einfluss das Unsicherheitsbudget dominieren.

Darum

Je genauer die Referenz wird, desto wichtiger werden die scheinbar kleinen mechanischen und thermischen Details des Kalibrieraufbaus.

Typische Fehler beim Beladen eines Kalibrierbades

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Äußere Fühler zeigen andere Werte als Fühler in der Mitte	Radialer Temperaturgradient	Positionen mit Referenzfühler vergleichen
Fühler nahe der Oberfläche zeigen zu niedrige Werte bei heißem Bad	Zu geringe Eintauchtiefe beziehungsweise Wärmeableitung	Eintauchtiefe erhöhen und axialen Gradient prüfen
Nach Einsetzen weiterer Prüflinge sinkt die Referenztemperatur kurzzeitig	Thermische Masse der kalten Prüflinge	Neue Stabilisierung abwarten
Temperatur bleibt nach zusätzlicher Beladung dauerhaft leicht verschoben	Beladungseinfluss beziehungsweise geänderte Wärmebilanz	Referenzwert und Beladungskonfiguration vergleichen
Werte verschiedener Positionen werden bei hoher Beladung schlechter	Strömungsabschattung	Fühlerabstand und Rührwirkung prüfen
Messwerte ändern sich beim Verschieben der Fühler	Räumliche Inhomogenität	Homogenitätsprofil beziehungsweise Messzone prüfen
Großer Prüfling driftet lange nach	Hohe thermische Masse	Längere Einschwingzeit einplanen
Referenz zeigt leicht höher als erwartet	Mögliche Eigenerwärmung	Messstrom des Referenzsystems prüfen
Rührer läuft hörbar, Homogenität wird trotzdem schlechter	Fühler behindern die Flüssigkeitszirkulation	Beladung reduzieren beziehungsweise Anordnung ändern
Bei niedriger Temperatur verschlechtert sich die Homogenität	Erhöhte Viskosität der Flüssigkeit	Medium und Rührgeschwindigkeit prüfen
Prüflinge berühren sich	Zu dichte Anordnung	Abstände vergrößern und direkte Wärmeleitung vermeiden
Regler zeigt stabil, Prüflinge driften weiter	Prüflinge noch nicht vollständig temperiert	Stabilisierungszeit verlängern

Praxisbeispiel: sechs Pt100 gleichzeitig kalibrieren

In einem Kalibrierlabor sollen sechs industrielle Pt100-Fühler gleichzeitig bei:

100 °C

geprüft werden.

Zusätzlich wird ein kalibrierter Referenzfühler eingesetzt.

Schritt 1: Bad vorbereiten

Die für 100 °C geeignete Kalibrierflüssigkeit wird eingefüllt.

Der Rührer wird auf die validierte Betriebsstellung eingestellt.

Schritt 2: Referenz einsetzen

Der Referenzfühler wird in einer repräsentativen Position innerhalb der vorgesehenen Messzone platziert.

Schritt 3: Sechs Prüflinge einsetzen

Die Fühler werden:

• mit ausreichendem Abstand,
• ohne gegenseitigen Kontakt,
• ohne Wandkontakt,
• mit möglichst vergleichbarer wirksamer Eintauchtiefe

angeordnet.

Schritt 4: Referenz beobachten

Unmittelbar nach dem Einsetzen sinkt die Badtemperatur zunächst geringfügig.

Grund:

thermische Masse der zunächst kälteren Prüflinge

Schritt 5: Einschwingen abwarten

Die Kalibrierung beginnt erst, wenn:

• Referenztemperatur stabil ist,
• alle Prüflinge stabil sind,
• keine relevante Drift mehr beobachtet wird.

Schritt 6: Positionseinfluss prüfen

Bei einer vorherigen Validierung der Prozedur können Prüflings- beziehungsweise Referenzpositionen getauscht werden.

Ändert sich ein Messwert systematisch mit seiner Position, weist dies auf einen räumlichen Temperatureinfluss hin.

Schritt 7: Beladung bewerten

Die Ergebnisse werden mit einer geringeren Beladung verglichen.

Beispielsweise:

1 Referenz + 2 Prüflinge

gegen:

1 Referenz + 6 Prüflinge

Wenn sich die Ergebnisse relevant verändern

muss der Beladungseinfluss:

• in der Messunsicherheit berücksichtigt

oder:

• die maximale Anzahl gleichzeitig kalibrierter Fühler reduziert

werden.

Ergebnis

Eine effiziente Mehrfachkalibrierung ist möglich, sofern die verwendete Fühleranzahl, Anordnung, Eintauchtiefe, Rührwirkung und Referenzposition für die geforderte Messunsicherheit validiert wurden.

Passende ICS-Produkte für Mehrfachkalibrierungen im Flüssigkeitsbad

SIKA TP3M255E.2 – Multifunktions-Temperaturkalibrator

Für das Thema Mehrfachkalibrierung besonders interessant ist der bei ICS gelistete:

SIKA TP3M255E.2

ICS nennt unter anderem

• Temperaturbereich Raumtemperatur bis 255 °C,
• Kalibriervolumen beziehungsweise Einsatz Ø 60 x 163 mm,
• Multifunktion als Trockenblock, Kalibrierbad, Infrarot- und Oberflächenkalibrator,
• großes Kalibriervolumen zum gleichzeitigen Kalibrieren vieler Prüflinge,
• optional integriertes Messinstrument.

Mikrobadfunktion

Für außergewöhnliche Fühlerformen kann das Gerät als Flüssigkeitsbad verwendet werden.

ICS beschreibt hierfür:

• direkten thermischen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Prüfling,
• stufenlose Regelung des Magnetrührers,
• herausnehmbaren Sensorkorb,
• eine durch die Flüssigkeitsverwirbelung erzeugte große Messzone.

Besonders interessant für dieses Thema

Im technischen Datenblatt wird ausdrücklich ein:

Einfluss durch Beladung

für die unterschiedlichen Betriebsarten aufgeführt.

Für das gerührte Kalibrierbad mit Direktfüllung und externer Referenz wird beispielsweise angegeben:

±0,100 °C

Beladungseinfluss.

Der Wert zeigt anschaulich, dass die Anzahl und thermische Belastung durch Prüflinge auch bei einem präzisen gerührten Bad eine eigenständige Einflussgröße ist.

Der konkret anzusetzende Wert muss immer aus den technischen Daten der tatsächlich verwendeten Geräteausführung und Betriebsart übernommen werden.

SIKA TP3M165E.2

Für niedrigere Temperaturen führt ICS außerdem den:

SIKA TP3M165E.2

mit:

• Temperaturbereich -33 … 165 °C,
• Kalibriervolumen beziehungsweise Einsatz Ø 60 x 163 mm,
• Trockenblock-, Kalibrierbad-, Infrarot- und Oberflächenfunktion,
• großem Kalibriervolumen für mehrere Prüflinge.

SIKA TP M165S – Kalibrierbad-Temperaturkalibrator

Als reines Kalibrierbad führt ICS den:

SIKA TP M165S

ICS nennt

• Temperaturbereich -35 … 155 °C,
• Kalibrierbad Ø 60 x 163 mm,
• Genauigkeit ±0,1 °C,
• Eignung für Prüflinge mit spezieller Fühlergeometrie.

SIKA TP M255S

Für höhere Temperaturen steht innerhalb derselben Baureihe der:

SIKA TP M255S

zur Verfügung.

ICS nennt:

• Temperaturbereich Raumtemperatur bis 255 °C,
• Kalibrierbad Ø 60 x 163 mm,
• Genauigkeit ±0,2 °C.

Kalibrier-Referenzfühler

Für anspruchsvollere Vergleichskalibrierungen führt ICS außerdem spezielle:

Kalibrier-Referenzfühler

für Temperaturkalibratoren.

Bei der Untersuchung der Eigenerwärmung nennt ICS für die entsprechenden Referenzfühler Messströme:

≤ 1 mA

als ideal, sodass der Eigenerwärmungseffekt vernachlässigbar bleibt.

Welche Lösung passt?

Anwendung	Passende ICS-Lösung
Mehrere unterschiedliche Fühler gleichzeitig im Flüssigkeitsbad	SIKA TP3M255E.2 beziehungsweise TP3M165E.2 prüfen
Spezielle Fühlergeometrien bei -35 … 155 °C	SIKA TP M165S
Kalibrierbad bis 255 °C	SIKA TP M255S beziehungsweise TP3M255E.2
Trockenblock und Flüssigkeitsbad mit einem Gerät	SIKA TP3M165E.2 beziehungsweise TP3M255E.2
Höhere Genauigkeitsanforderung	Kalibrator mit externem kalibriertem Referenztemperaturfühler einsetzen
Mehrfachkalibrierung mit niedrigem Unsicherheitsbudget	Beladung, Homogenität, Position und Referenzführung separat validieren

Eine Übersicht finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.

Fazit

Kalibrierbäder eignen sich hervorragend zur gleichzeitigen Kalibrierung mehrerer Temperaturfühler.

Die Flüssigkeit ermöglicht eine direkte thermische Ankopplung auch bei unterschiedlichen:

• Durchmessern,
• Fühlerformen,
• Schutzrohren.

Mehr Fühler bedeuten jedoch eine veränderte Messsituation

Zusätzliche Prüflinge beeinflussen:

• Flüssigkeitsströmung,
• Wärmebilanz,
• Einschwingzeit,
• räumliche Temperaturverteilung.

Stabilität und Homogenität dürfen nicht verwechselt werden

Ein Bad kann zeitlich sehr stabil sein, während zwischen verschiedenen Prüflingspositionen trotzdem Temperaturunterschiede bestehen.

Der Rührer ist entscheidend

Eine ausreichende und ungestörte Umwälzung sorgt dafür, dass die Wärme innerhalb des Bades verteilt wird.

Eine große Zahl eng nebeneinanderliegender Fühler kann diese Strömung jedoch behindern.

„Gegenseitige Erwärmung“ richtig verstehen

Passive Fühler heizen sich nach vollständiger Temperierung nicht einfach gegenseitig auf.

Relevant sind vielmehr:

• Strömungsabschattung,
• Wärmeleitung über die Schäfte,
• thermische Masse,
• elektrische Eigenerwärmung.

Für hohe Genauigkeit wird die Position selbst zur Messgröße

Referenz und Prüflinge sollten:

• innerhalb der charakterisierten Messzone,
• mit ausreichender Eintauchtiefe,
• ohne Wand- oder Bodenkontakt,
• mit ausreichendem Abstand

angeordnet werden.

Besonders wichtig

Nach jeder Änderung der Beladung muss das System erneut stabilisieren.

Die Regleranzeige allein beweist nicht, dass alle Prüflinge bereits thermisch eingeschwungen sind.

Für Mehrfachkalibrierungen gilt deshalb

Nicht die größtmögliche Anzahl von Fühlern ist das Ziel, sondern die größtmögliche Anzahl, für die Homogenität, Stabilität und Beladungseinfluss noch innerhalb der geforderten Messunsicherheit nachgewiesen sind.

Der SIKA TP3M255E.2 zeigt diesen Zusammenhang besonders anschaulich, da das zugehörige Datenblatt den Beladungseinfluss für die unterschiedlichen Betriebsarten ausdrücklich spezifiziert.

Für die Praxis gilt:

Temperaturbereich bestimmen → geeignete Kalibrierflüssigkeit auswählen → Rührbetrieb festlegen → Referenz positionieren → Prüflinge mit Abstand einsetzen → gleiche wirksame Eintauchtiefe herstellen → Wand- und Bodenkontakt vermeiden → Rührströmung kontrollieren → nach jeder Beladungsänderung neu stabilisieren → Referenz- und Prüflingstrends beobachten → axiale und radiale Homogenität berücksichtigen → Eigenerwärmung und Schaftwärmeleitung bewerten → Beladungseinfluss in das Unsicherheitsbudget aufnehmen → zulässige Fühleranzahl validieren → Aufbau und Positionen dokumentieren.

FAQ: Mehrere Fühler im Kalibrierbad

Kann ich mehrere Temperaturfühler gleichzeitig in einem Kalibrierbad kalibrieren?

Ja. Kalibrierbäder eignen sich grundsätzlich sehr gut für Mehrfachkalibrierungen. Die zulässige beziehungsweise sinnvolle Anzahl hängt jedoch von Badgröße, Fühlergeometrie, Flüssigkeitsströmung und geforderter Messunsicherheit ab.

Warum verändert sich ein Kalibrierbad durch zusätzliche Fühler?

Jeder Prüfling besitzt Masse und Volumen, verdrängt Flüssigkeit, beeinflusst die Strömung und kann Wärme über seinen Schaft zwischen Bad und Umgebung transportieren.

Was bedeutet Beladungseinfluss?

Damit wird die Veränderung der thermischen Eigenschaften beziehungsweise Temperaturanzeige bezeichnet, die durch die in das Kalibriersystem eingebrachten Prüflinge verursacht wird.

Ist Beladungseinfluss dasselbe wie Homogenität?

Nein. Homogenität beschreibt räumliche Temperaturunterschiede. Beladungseinfluss beschreibt die Veränderung des Systems durch die eingebrachten Prüflinge.

Was bedeutet Temperaturstabilität?

Sie beschreibt die zeitliche Schwankung der Temperatur an einer bestimmten Position nach dem Einschwingen.

Was bedeutet Homogenität?

Sie beschreibt die Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Positionen innerhalb der verwendeten Messzone.

Kann ein Bad stabil und trotzdem inhomogen sein?

Ja. Die Temperatur kann an jedem einzelnen Punkt zeitlich konstant sein, während zwischen zwei Positionen trotzdem ein Temperaturunterschied besteht.

Warum muss ein Kalibrierbad gerührt werden?

Die Flüssigkeitsumwälzung verteilt Wärme im Bad und reduziert räumliche Temperaturgradienten.

Was passiert bei zu geringer Rührwirkung?

Es können stärkere radiale beziehungsweise axiale Temperaturunterschiede entstehen und Prüflinge können langsamer einschwingen.

Können zu viele Fühler den Rührer beeinflussen?

Ja. Eine dichte Beladung kann Strömungswege einschränken und damit die wirksame Umwälzung der Flüssigkeit verschlechtern.

Wie viele Fühler kann ich gleichzeitig einsetzen?

Eine universelle Zahl gibt es nicht. Die Anzahl sollte anhand der charakterisierten Messzone, der Fühlerabmessungen und der geforderten Messunsicherheit festgelegt werden.

Ist entscheidend, wie viele Fühler physisch ins Bad passen?

Nein. Entscheidend ist, wie viele Fühler eingesetzt werden können, ohne die erforderliche Homogenität und Messunsicherheit unzulässig zu verschlechtern.

Sollten sich die Fühler berühren?

Nach Möglichkeit nicht. Direkter Kontakt kann zusätzliche Wärmeleitwege erzeugen und die Flüssigkeitsströmung zwischen den Prüflingen behindern.

Dürfen die Fühler die Behälterwand berühren?

Für präzise Vergleichskalibrierungen sollte dies vermieden werden, da Wandtemperatur und Wärmeübergang von der charakterisierten Messzone abweichen können.

Dürfen die Fühler auf dem Boden stehen?

Sie sollten entsprechend der vorgesehenen Messzone positioniert werden und den Rührmechanismus nicht behindern. Ein unkontrollierter Kontakt mit dem Tankboden sollte vermieden werden.

Warum ist die Einstecktiefe wichtig?

Bei zu geringer Eintauchtiefe kann Wärme über den Fühlerschaft zwischen Messstelle und Umgebung abgeleitet beziehungsweise eingetragen werden.

Müssen alle Fühler gleich tief eingetaucht werden?

Bei vergleichbaren Fühlerbauformen ist eine möglichst gleiche wirksame Eintauchtiefe vorteilhaft, damit die Messstellen innerhalb derselben axialen Temperaturzone liegen.

Was ist ein axialer Temperaturgradient?

Ein Temperaturunterschied entlang der Tiefe beziehungsweise Höhe des Kalibrierbades.

Was ist ein radialer Temperaturgradient?

Ein Temperaturunterschied zwischen verschiedenen seitlichen Positionen auf vergleichbarer Höhe.

Wo sollte der Referenzfühler positioniert werden?

Innerhalb der charakterisierten Messzone, möglichst repräsentativ zu den Prüflingen und mit vergleichbarer wirksamer Eintauchtiefe.

Kann ich einfach die Anzeige des Kalibrierbades als Referenz verwenden?

Für viele praktische Prüfungen kann die interne Anzeige ausreichend sein. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen ist jedoch häufig eine externe kalibrierte Referenz sinnvoll, da sie die tatsächliche Temperatur an der verwendeten Messposition erfasst.

Erwärmen sich mehrere Fühler gegenseitig?

Passive, vollständig temperierte Fühler erzeugen nicht automatisch dauerhaft Wärme. Wichtiger sind Strömungsbeeinflussung, Wärmeleitung über die Schäfte, thermische Masse und mögliche elektrische Eigenerwärmung.

Was ist Eigenerwärmung bei einem Pt100?

Der elektrische Messstrom erzeugt im Widerstandssensor eine Verlustleistung. Dadurch kann der Sensor geringfügig wärmer als das umgebende Medium werden.

Wie entsteht die Eigenerwärmung?

Die elektrische Verlustleistung kann vereinfacht mit P = I² × R beschrieben werden.

Ist Eigenerwärmung im Flüssigkeitsbad kleiner?

Die gute Wärmeabfuhr durch die Flüssigkeit kann den Effekt reduzieren. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen muss er dennoch bewertet werden.

Welchen Messstrom sollte ein Referenz-Pt100 verwenden?

Das hängt von Sensor und Messgerät ab. Für die bei ICS beschriebenen Kalibrier-Referenzfühler werden Messströme ≤ 1 mA als ideal genannt, um Eigenerwärmung vernachlässigbar zu halten.

Warum beeinflusst der Fühlerschaft die Kalibrierung?

Der Schaft kann Wärme zwischen dem Kalibrierbad und der umgebenden Luft transportieren.

Ist das bei hohen Temperaturen stärker?

Mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen Bad und Umgebung kann der Wärmefluss über den Fühlerschaft bedeutender werden.

Warum brauchen dicke Fühler länger zum Stabilisieren?

Sie besitzen meist eine größere thermische Masse und benötigen daher mehr Energie beziehungsweise Zeit, um vollständig die Badtemperatur anzunehmen.

Kann ich messen, sobald der Regler „stabil“ anzeigt?

Nicht zwangsläufig. Auch Referenz und Prüflinge müssen thermisch eingeschwungen sein.

Was passiert, wenn ich während der Kalibrierung einen weiteren Fühler einsetze?

Die thermische Belastung und Strömung ändern sich. Das System sollte anschließend erneut stabilisieren, bevor weitere Messwerte verwendet werden.

Warum beeinflusst die Viskosität die Homogenität?

Eine höhere Viskosität erschwert die Flüssigkeitsumwälzung und kann damit die Wirkung des Rührsystems verändern.

Warum ist das bei Silikonöl bei niedriger Temperatur relevant?

Öle werden bei sinkender Temperatur typischerweise viskoser. Dadurch kann die Strömung im Bad deutlich langsamer werden.

Sollte der Magnetrührer immer mit maximaler Geschwindigkeit laufen?

Nicht automatisch. Ziel ist eine gleichmäßige, stabile Umwälzung. Die geeignete Einstellung hängt von Flüssigkeit, Temperatur, Bad und Beladung ab.

Warum sind Luftblasen problematisch?

Luft besitzt eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit als die Kalibrierflüssigkeit und kann dadurch den thermischen Kontakt zum Prüfling verschlechtern.

Wie überprüfe ich den Beladungseinfluss praktisch?

Eine Möglichkeit besteht darin, den gleichen Temperaturpunkt mit geringer und hoher Beladung unter ansonsten identischen Bedingungen zu vergleichen.

Kann ich Fühlerpositionen tauschen?

Ja. Bei der Validierung einer Mehrfachkalibrierung kann ein Positionswechsel helfen, räumliche Temperaturunterschiede zu erkennen.

Was gehört in das Messunsicherheitsbudget?

Unter anderem Referenzunsicherheit, Stabilität, Homogenität, Beladungseinfluss, Eintauchtiefe, Eigenerwärmung, Wärmeableitung und Prüflingsreproduzierbarkeit.

Was ist der SIKA TP3M255E.2?

Der TP3M255E.2 ist ein bei ICS gelisteter Multifunktions-Temperaturkalibrator, der als Trockenblock, Kalibrierbad, Infrarot- und Oberflächenkalibrator eingesetzt werden kann.

Welchen Temperaturbereich besitzt der TP3M255E.2?

ICS nennt einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 255 °C.

Eignet sich der TP3M255E.2 für mehrere Prüflinge?

Ja. ICS nennt ausdrücklich ein großes Kalibriervolumen zum gleichzeitigen Kalibrieren vieler Prüflinge.

Besitzt der TP3M255E.2 einen Rührer?

In der Mikrobadfunktion arbeitet das Gerät mit einem stufenlos einstellbaren Magnetrührer und Sensorkorb.

Warum gibt es einen Sensorkorb?

ICS beschreibt ihn unter anderem als Schutz des Tankbodens und zur Sicherstellung eines ungestörten Rührbetriebs.

Ist beim TP3M255E.2 ein Beladungseinfluss angegeben?

Ja. Im technischen Datenblatt werden für unterschiedliche Betriebsarten Werte für den Einfluss durch Beladung aufgeführt.

Wie groß ist der Beladungseinfluss beim gerührten Direktfüllungsbad?

Für die im Datenblatt beschriebene Konfiguration mit externer Referenz wird ein Wert von ±0,100 °C angegeben. Für andere Betriebsarten und Konfigurationen gelten andere Werte.

Was ist der SIKA TP3M165E.2?

Er ist eine Multifunktionsausführung für einen niedrigeren Temperaturbereich von -33 … 165 °C und kann ebenfalls unter anderem als Kalibrierbad eingesetzt werden.

Was ist der SIKA TP M165S?

Der TP M165S ist ein bei ICS gelisteter Kalibrierbad-Temperaturkalibrator für -35 … 155 °C mit einem Bad von Ø 60 x 163 mm.

Was ist der SIKA TP M255S?

Der TP M255S ist ein Kalibrierbad-Temperaturkalibrator für Temperaturen von Raumtemperatur bis 255 °C.

Welche Lösung eignet sich besonders für ungewöhnliche Fühlerformen?

Ein Flüssigkeitsbad wie der TP M165S beziehungsweise die Mikrobadfunktion der Multifunktionskalibratoren ist besonders interessant, weil kein Trockenblockeinsatz mit einem exakt passenden Bohrbild benötigt wird.

Wo finde ich Temperaturkalibratoren bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.