Messunsicherheit beim Blockkalibrator: Stabilität, Homogenität und Referenzfühler getrennt berücksichtigen

→ Produktkategorie: Kalibriertechnik

 

Ein Blockkalibrator kann über mehrere Minuten eine nahezu unveränderte Temperatur anzeigen und trotzdem an zwei verschiedenen Bohrungen unterschiedliche Temperaturen erzeugen. Ebenso kann ein hochgenauer Referenzfühler die tatsächliche Temperatur an seiner eigenen Position sehr präzise erfassen, ohne damit automatisch die Temperatur am Prüfling exakt zu kennen.

Genau an diesem Punkt entstehen bei anspruchsvollen Temperaturkalibrierungen häufig falsche Unsicherheitsabschätzungen. Stabilität, räumliche Homogenität, Referenzgenauigkeit und Eintauchsituation beschreiben unterschiedliche physikalische Effekte und müssen deshalb getrennt betrachtet werden.

Die auf dem Display eines Blockkalibrators angezeigte Temperatur ist somit nicht automatisch gleichbedeutend mit der Temperatur am sensitiven Element des Prüflings. Zwischen beiden können unter anderem zeitliche Schwankungen, axiale und radiale Temperaturgradienten, Beladungseffekte sowie Wärmeableitung über den Fühlerschaft liegen.

Für eine belastbare Kalibrierung muss deshalb nicht nur gefragt werden, wie genau der Blockkalibrator ist, sondern wie groß die Unsicherheit der tatsächlich am Prüfling wirksamen Referenztemperatur unter dem konkreten Kalibrieraufbau ist.

Ein geeignetes Beispiel für diese Betrachtung ist der bei ICS Schneider angebotene Druck PTC200 Premium-Temperaturkalibrator. Der Trockenblock deckt einen Temperaturbereich von -55 bis 200 °C ab und kann sowohl mit interner als auch mit externer Referenztemperatur betrieben werden.

Weitere Lösungen finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.

Warum Genauigkeit und Messunsicherheit nicht dasselbe sind

Im Datenblatt eines Blockkalibrators finden sich häufig mehrere Temperaturangaben wie:

• Anzeigegenauigkeit,
• Stabilität,
• axiale Temperaturverteilung,
• radiale Temperaturverteilung,
• Lasteinfluss.

Diese Werte beschreiben unterschiedliche Eigenschaften des Kalibrators.

Es wäre deshalb falsch, lediglich einen dieser Werte herauszugreifen und ihn als:

Messunsicherheit der Temperaturkalibrierung

zu verwenden.

Die Messunsicherheit einer realen Kalibrierung entsteht aus mehreren Beiträgen.

Vereinfacht:

Kalibrator + Referenz + Temperaturverteilung + Kalibrieraufbau + Prüfling + Ablesung

bestimmen gemeinsam die erreichbare Unsicherheit.

Ein wichtiger Unterschied

Ein Block kann beispielsweise zeitlich extrem stabil sein und trotzdem einen relevanten axialen Temperaturgradienten besitzen.

Ebenso kann eine sehr genaue externe Referenz an einer Stelle des Blocks messen, während das sensitive Element des Prüflings einige Zentimeter höher positioniert ist.

Eine kleine Stabilitätsangabe allein beweist deshalb noch keine entsprechend kleine Kalibrierunsicherheit.

Welches Messmodell liegt einer Blockkalibrierung zugrunde?

Bei einer Vergleichskalibrierung wird die Anzeige des Prüflings mit einer Referenztemperatur verglichen.

Vereinfacht kann die Abweichung des Prüflings beschrieben werden als:

ΔT = TPrüfling − TReferenz

Die Schwierigkeit liegt darin, den Wert:

TReferenz

mit ausreichend kleiner Unsicherheit der tatsächlichen Temperatur am Prüfling zuzuordnen.

Dazu müssen neben der Referenzmessung auch die thermischen Eigenschaften des Blocks berücksichtigt werden.

Ein vollständigeres Modell kann beispielsweise berücksichtigen

ΔT = TDUT − TRef + δTstab + δTax + δTrad + δTload + δTimm + ...

Dabei stehen die zusätzlichen Terme beispielsweise für:

• zeitliche Stabilität,
• axiale Temperaturverteilung,
• radiale Temperaturverteilung,
• Beladungseinfluss,
• Eintauch- beziehungsweise Wärmeableitungseffekte.

Anzeigegenauigkeit des Blockkalibrators

Die Anzeigegenauigkeit beschreibt, wie gut die vom Kalibrator angezeigte Temperatur der tatsächlichen Temperatur an der für diese Angabe definierten Referenzposition entspricht.

Sie sollte nicht mit:

Temperaturstabilität

oder:

Temperaturhomogenität

verwechselt werden.

Beim Druck PTC200

werden abhängig von der verwendeten Referenz unterschiedliche Werte angegeben.

Für den Trockenblock nennt Druck:

• mit externer Referenz: Anzeigegenauigkeit ±0,27 °C,
• mit interner Referenz: Anzeigegenauigkeit ±0,34 °C.

Wichtig für hochwertige Vergleichskalibrierungen

ist jedoch, dass die Kalibratoranzeige nicht zwingend die alleinige Referenzgröße sein muss.

Wird eine kalibrierte externe Referenz direkt neben dem Prüfling eingesetzt, kann die Vergleichsmessung auf der tatsächlich gemessenen Referenztemperatur basieren.

Dann entsteht ein anderes Unsicherheitsmodell als bei ausschließlicher Verwendung des internen Kalibratorfühlers.

Temperaturstabilität als zeitlicher Einfluss

Temperaturstabilität beschreibt, wie stark sich die Temperatur an einer definierten Position innerhalb eines bestimmten Zeitfensters verändert.

Sie beantwortet die Frage:

Wie stark schwankt die Temperatur mit der Zeit?

Beispiel

Ein Kalibrator steht auf:

100,000 °C

Die tatsächliche Referenztemperatur verändert sich während der Messperiode beispielsweise zwischen:

99,995 °C und 100,005 °C

Dann liegt ein zeitlicher Schwankungsbereich vor, obwohl sich der Messaufbau räumlich überhaupt nicht verändert hat.

Beim PTC200

gibt Druck für den Trockenblock an:

• mit externer Referenz: ±0,003 °C Stabilität,
• mit interner Referenz: ±0,020 °C Stabilität.

Aber

Eine Stabilität von ±0,003 °C bedeutet nicht, dass zwei Prüflinge an unterschiedlichen Positionen im Einsatz ebenfalls nur um ±0,003 °C voneinander abweichen können.

Diese Differenz wird durch die räumliche Temperaturverteilung bestimmt.

Homogenität als räumlicher Einfluss

Die Homogenität beschreibt Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Positionen im Kalibrierblock.

Sie beantwortet damit eine andere Frage als die Stabilität:

Wie unterschiedlich ist die Temperatur an verschiedenen Orten?

Bei Blockkalibratoren werden insbesondere unterschieden

• axiale Temperaturverteilung entlang der Bohrung,
• radiale Temperaturverteilung zwischen verschiedenen Bohrungen beziehungsweise Positionen.

Deshalb gilt

Stabilität = zeitlich

Homogenität = räumlich

Beide Beiträge müssen getrennt betrachtet werden.

Axiale Temperaturverteilung

Die axiale Temperaturverteilung beschreibt den Temperaturverlauf entlang der Tiefe einer Bohrung.

Der untere Bereich eines Kalibriereinsatzes ist normalerweise gezielt so ausgelegt, dass dort die beste Temperaturhomogenität erreicht wird.

Beim PTC200

nennt Druck als homogene Temperaturzone:

die unteren 40 mm des Adaptereinsatzes

Die spezifizierte axiale Temperaturverteilung beträgt

±0,250 °C

Warum ist dieser Wert wichtig?

Zwei Sensoren können unterschiedlich lange sensitive Elemente besitzen.

Ein kurzer Pt100 kann seine temperaturabhängige Messzone unmittelbar an der Fühlerspitze besitzen, während ein anderer Sensor über eine deutlich längere aktive Zone verfügt.

Damit erfassen beide Sensoren nicht zwangsläufig exakt dieselbe mittlere Temperatur.

Besonders kritisch ist

wenn ein Prüfling nicht bis in die vorgesehene homogene Zone eingeschoben werden kann.

Dann kann der axiale Temperaturgradient zu einem der dominierenden Unsicherheitsbeiträge werden.

Radiale Temperaturverteilung

Die radiale Temperaturverteilung beschreibt Unterschiede zwischen verschiedenen Positionen beziehungsweise Bohrungen eines Kalibriereinsatzes.

Beim PTC200

gibt Druck hierfür:

±0,070 °C

an.

Dieser Einfluss wird besonders wichtig

wenn Referenzfühler und Prüfling in getrennten Bohrungen sitzen.

Beispiel

Die Referenz befindet sich in der zentralen Bohrung, der Prüfling in einer äußeren Bohrung.

Auch wenn beide Sensoren:

• gleich tief eingetaucht sind,
• gleichzeitig abgelesen werden,
• vollständig stabil sind,

kann zwischen beiden Positionen ein Temperaturunterschied bestehen.

Deshalb gilt

Eine externe Referenz eliminiert die radiale Homogenität nicht automatisch. Sie reduziert den Referenzfehler nur an ihrer eigenen Position.

Einfluss des Referenzfühlers

Der Referenzfühler selbst besitzt ebenfalls eine Messunsicherheit.

Zum Unsicherheitsbudget können unter anderem gehören:

• Kalibrierunsicherheit des Referenzfühlers,
• Kalibrierunsicherheit des Auswertegeräts,
• Langzeitdrift seit der letzten Kalibrierung,
• Auflösung,
• Wiederholbarkeit,
• Eigenerwärmung,
• Hysterese,
• thermische Ableitung über den Fühlerschaft.

Ein häufiger Fehler

besteht darin, nur den Wert aus dem Kalibrierschein des Referenzfühlers zu übernehmen.

Ein Kalibrierschein beschreibt jedoch zunächst den Zustand bei der Kalibrierung unter den dort genannten Bedingungen.

Für die spätere Anwendung müssen gegebenenfalls weitere Beiträge berücksichtigt werden.

Interne und externe Referenz unterscheiden

Ein Blockkalibrator besitzt in der Regel einen internen Temperaturfühler zur Regelung beziehungsweise Anzeige der Blocktemperatur.

Dieser Sensor befindet sich konstruktiv an einer definierten Stelle im Kalibrator.

Bei einer Vergleichskalibrierung mit externer Referenz

wird zusätzlich ein Referenzfühler möglichst nahe am Prüfling positioniert.

Der Vorteil

besteht darin, dass Schwankungen beziehungsweise Abweichungen der tatsächlich lokalen Blocktemperatur direkt gemessen werden können.

Aber auch dann bleiben

• räumliche Differenzen zwischen Referenz und Prüfling,
• unterschiedliche Eintauchtiefen,
• unterschiedliche Schaftdurchmesser,
• Wärmeableitung

relevant.

Beim PTC200

kann zwischen interner und externer Referenztemperaturmessung gewählt werden.

Für hohe Genauigkeitsanforderungen ist diese Möglichkeit besonders interessant, weil die Referenz näher an der tatsächlichen Messstelle positioniert werden kann.

Eintauchtiefe und sensitive Länge

Bei einer Temperaturkalibrierung wird nicht der gesamte Fühler gleichmäßig ausgewertet. Entscheidend ist die Position des temperaturempfindlichen Elements.

Deshalb muss bekannt sein

• wo sich das sensitive Element befindet,
• wie lang die sensitive Zone ist,
• wie tief der Sensor tatsächlich eingetaucht ist.

Ein typischer Fehler

besteht darin, zwei unterschiedlich konstruierte Sensoren auf die gleiche Gesamtlänge einzuschieben.

Dadurch können ihre sensitiven Elemente trotzdem auf unterschiedlichen Höhen liegen.

Besser ist

die Messzonen von Referenz und Prüfling möglichst:

auf gleicher Höhe innerhalb der homogenen Zone

zu positionieren.

Bohrungsdurchmesser und thermischer Kontakt

Zwischen Prüfling und Kalibriereinsatz sollte ein möglichst guter thermischer Kontakt bestehen.

Ist die Bohrung deutlich größer als der Fühlerdurchmesser, entsteht ein Luftspalt.

Luft besitzt eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit

Dadurch verlängert sich nicht nur die Ansprechzeit.

Es kann auch ein stärkerer Einfluss entstehen durch:

• Wärmeleitung entlang des Fühlerschafts,
• Umgebungstemperatur,
• Position innerhalb der Bohrung.

Deshalb sollte

eine zum Prüflingsdurchmesser passende Einsatzbohrung verwendet werden.

Für Präzisionskalibrierungen

ist der Luftspalt nicht nur eine Frage der Stabilisierungszeit, sondern kann selbst zu einem relevanten Unsicherheitsbeitrag werden.

Wärmeableitung über den Fühlerschaft

Ein Temperaturfühler verbindet die heiße beziehungsweise kalte Messzone mit der Umgebung.

Über das metallische Tauchrohr kann deshalb Wärme entlang des Fühlerschafts transportiert werden.

Besonders relevant wird dieser Effekt bei

• kurzer Eintauchtiefe,
• dicken Metallfühlern,
• großen Temperaturdifferenzen zur Umgebung,
• kurzen sensitiven Bereichen nahe der Blockoberfläche.

Das Ergebnis kann sein

dass das sensitive Element nicht exakt die lokale Blocktemperatur annimmt.

Eine einfache Plausibilitätsprüfung

besteht darin, die Eintauchtiefe schrittweise zu verändern.

Bleibt der Messwert bei zusätzlicher Eintauchtiefe nicht konstant, deutet dies auf einen relevanten Wärmeableitungs- beziehungsweise Eintaucheffekt hin.

Beladung des Blocks

Ein Blockkalibrator verhält sich thermisch nicht zwangsläufig identisch, wenn eine einzelne dünne Referenz oder mehrere massive Prüflinge eingesetzt werden.

Jeder zusätzliche Prüfling

kann Wärme aus dem Block:

• ableiten,
• zuführen,
• räumlich umverteilen.

Dieser Effekt wird als

Lasteinfluss beziehungsweise Block Loading

bezeichnet.

Beim PTC200 nennt Druck

für den Trockenblock:

• mit externer Referenz: ±0,070 °C Lasteinfluss,
• mit interner Referenz: ±0,220 °C Lasteinfluss.

Für die Praxis bedeutet das

Eine Charakterisierung mit nur einem Referenzfühler beschreibt nicht automatisch den thermischen Zustand bei maximaler Beladung mit mehreren Prüflingen.

Hysterese und Anfahrtrichtung

Auch die Richtung, aus der ein Kalibrierpunkt angefahren wird, kann einen kleinen Einfluss besitzen.

Beim PTC200

wird eine Hysterese von:

±0,010 °C

angegeben.

Hysterese bedeutet

dass sich bei derselben Solltemperatur geringfügig unterschiedliche Zustände ergeben können, je nachdem, ob der Punkt:

von einer niedrigeren Temperatur

oder:

von einer höheren Temperatur

angefahren wurde.

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen

sollten deshalb Aufwärts- und Abwärtszyklen berücksichtigt oder der Kalibrierablauf eindeutig definiert werden.

Auflösung von Kalibrator und Prüfling

Eine Anzeige mit drei Nachkommastellen bedeutet nicht automatisch eine Genauigkeit von 0,001 °C.

Auflösung beschreibt lediglich

den kleinsten darstellbaren beziehungsweise erfassbaren Schritt.

Beim PTC200

kann die Temperaturanzeige zwischen:

0,1 / 0,01 / 0,001 °C

gewählt werden.

Die Messunsicherheit bleibt jedoch

durch zahlreiche weitere Beiträge bestimmt.

Auch der Prüfling besitzt eine Auflösung

Ein digitales Thermometer mit:

0,1 °C Anzeigeauflösung

kann beispielsweise schon durch seine Quantisierung einen relevanten Beitrag zum Unsicherheitsbudget liefern.

Wiederholbarkeit des Prüflings

Ein Prüfling zeigt bei mehrfacher Messung unter identischen Bedingungen nicht zwangsläufig exakt denselben Wert.

Zur Bewertung der Wiederholbarkeit

können mehrere Messungen durchgeführt werden.

Aus deren Streuung lässt sich ein statistischer Unsicherheitsbeitrag ableiten.

Besonders sinnvoll ist dies

bei:

• hochgenauen digitalen Thermometern,
• Temperaturschaltern,
• Fühlern mit auffälliger Signalstreuung,
• Kalibrierungen mit sehr kleinem Zielunsicherheitsbudget.

Eigenerwärmung bei Widerstandsthermometern

Bei Widerstandsthermometern fließt für die Widerstandsmessung ein elektrischer Messstrom durch das Messelement.

Dadurch entsteht eine geringe Verlustleistung.

Vereinfacht

P = I² × R

Diese Leistung

kann das Messelement geringfügig erwärmen.

Der dadurch verursachte Temperaturfehler hängt unter anderem ab von:

• Messstrom,
• Sensoraufbau,
• Wärmeübergang zum Block,
• Eintauchsituation.

Bei sehr kleinen Messunsicherheiten

kann deshalb auch die Eigenerwärmung des Referenz- oder Prüffühlers relevant werden.

Wann ist ein Kalibrierpunkt wirklich stabil?

Das Erreichen des Sollwerts auf dem Display bedeutet noch nicht automatisch, dass der gesamte Kalibrieraufbau thermisch eingeschwungen ist.

Nach einem Temperatursprung müssen sich stabilisieren

• Kalibrierblock,
• Einsatz,
• Referenzfühler,
• Prüfling,
• gegebenenfalls mehrere weitere Sensoren.

Beim PTC200

werden bei Verwendung einer externen Referenz Stabilisierungszeiten angegeben von:

• ab 1 Minute bis ±0,05 °C,
• ab 5 Minuten bis ±0,005 °C.

Diese Werte beschreiben die Leistungsfähigkeit des Kalibrators

Der konkrete Prüfling kann aufgrund seiner:

• Masse,
• Bauform,
• Eintauchtiefe,
• thermischen Kopplung

zusätzliche Zeit benötigen.

Eine robuste Praxisregel ist deshalb

nicht nur auf die Solltemperatur zu warten, sondern gleichzeitig:

Referenzsignal + Prüflingssignal

auf ausreichende zeitliche Stabilität zu beobachten.

Unsicherheitsbudget richtig aufbauen

Ein Unsicherheitsbudget listet alle relevanten Einflussgrößen auf und überführt sie in vergleichbare Standardunsicherheiten.

Für eine typische Blockkalibrierung können beispielsweise berücksichtigt werden

Einflussgröße	Ursprung	Typische Bedeutung
Kalibrierung der Referenz	Kalibrierschein	Unsicherheit des Temperaturstandards
Drift der Referenz	Historie / Spezifikation	Änderung seit letzter Kalibrierung
Stabilität	Blockkalibrator	Zeitliche Temperaturschwankung
Axiale Homogenität	Blockkalibrator / Charakterisierung	Temperaturunterschied über die Eintauchtiefe
Radiale Homogenität	Blockkalibrator / Charakterisierung	Temperaturunterschied zwischen Bohrungen
Beladung	Blockkalibrator	Temperaturänderung durch zusätzliche Prüflinge
Hysterese	Kalibrator / Prüfling	Abhängigkeit von Anfahrtrichtung
Eintaucheffekt	Kalibrieraufbau	Wärmeableitung entlang des Schafts
Auflösung Referenz	Auswertegerät	Quantisierung der Referenzanzeige
Auflösung Prüfling	Prüfling	Quantisierung der DUT-Anzeige
Wiederholbarkeit	Messreihe	Statistische Streuung

Wichtig

Nicht jeder theoretisch denkbare Einfluss muss zwangsläufig ein großer Beitrag sein.

Aber jeder relevante Einfluss muss:

identifiziert → bewertet → dokumentiert

werden.

Von Grenzwerten zur Standardunsicherheit

Die einzelnen Angaben können nicht einfach als ±-Werte quadratisch addiert werden.

Zunächst müssen sie in Standardunsicherheiten überführt werden.

Beispiel Kalibrierschein

Ein Referenzfühler besitzt eine erweiterte Messunsicherheit:

U = 0,040 °C bei k = 2

Dann ergibt sich die Standardunsicherheit näherungsweise zu

u = U / k

u = 0,040 / 2 = 0,020 °C

Rechteckverteilung

Wird ein Einfluss lediglich mit einem maximalen Grenzwert:

±a

angegeben und eine Rechteckverteilung als angemessen angenommen, ergibt sich:

u = a / √3

Beispiel

Ein Einfluss wird mit:

±0,030 °C

angesetzt.

Dann ergibt sich:

u = 0,030 / √3 ≈ 0,0173 °C

Entscheidend ist

Die verwendete Wahrscheinlichkeitsverteilung muss zur Herkunft und Bedeutung der jeweiligen Angabe passen. Ein Datenblatt-Grenzwert, eine Standardabweichung aus Wiederholmessungen und eine erweiterte Unsicherheit aus einem Kalibrierschein dürfen nicht identisch behandelt werden.

Kombinierte und erweiterte Messunsicherheit berechnen

Sind die relevanten Unsicherheitsbeiträge als Standardunsicherheiten bestimmt und ausreichend unabhängig, werden sie typischerweise quadratisch kombiniert.

Vereinfacht

uc = √(u1² + u2² + u3² + ...)

Die erweiterte Messunsicherheit

wird anschließend häufig angegeben als:

U = k × uc

Bei

k = 2

ergibt sich bei geeigneten Voraussetzungen näherungsweise ein Überdeckungsintervall von etwa 95 %.

Wichtig

Diese Berechnung setzt voraus, dass das zugrunde liegende Messmodell und die verwendeten Beiträge fachlich korrekt gewählt wurden.

Eine mathematisch saubere Berechnung kann ein unvollständiges Messmodell nicht korrigieren.

Beispiel eines Unsicherheitsbudgets

Das folgende Beispiel dient ausschließlich zur Veranschaulichung der Methodik. Die Werte stellen kein vollständiges Unsicherheitsbudget des PTC200 und keine allgemeingültige Kalibrierunsicherheit dar.

Einfluss	Angabe	Annahme	Standardunsicherheit
Kalibrierung Referenz	U = 0,040 °C, k = 2	Kalibrierschein	0,0200 °C
Drift Referenz	±0,020 °C	rechteckförmig	0,0115 °C
Temperaturstabilität	±0,020 °C	rechteckförmig	0,0115 °C
Radiale Homogenität	±0,050 °C	rechteckförmig	0,0289 °C
Axiale Homogenität	±0,080 °C	rechteckförmig	0,0462 °C
Lasteinfluss	±0,030 °C	rechteckförmig	0,0173 °C
Auflösung Prüfling	0,01 °C	±0,005 °C rechteckförmig	0,0029 °C
Wiederholbarkeit	s = 0,015 °C	statistisch bestimmt	0,0150 °C

Quadratische Kombination

ergibt näherungsweise:

uc ≈ 0,065 °C

Mit k = 2

ergibt sich beispielhaft:

U ≈ 0,13 °C

Besonders aufschlussreich ist

dass in diesem Beispiel nicht die Stabilität, sondern die:

axiale Homogenität

den größten Einzelbeitrag liefert.

Genau deshalb

darf die erreichbare Kalibrierunsicherheit nicht allein aus der kleinsten Zahl im Datenblatt abgeleitet werden.

Typische Fehler bei der Unsicherheitsbewertung

Beobachtung / Vorgehen	Problem	Sinnvolle Korrektur
Nur Stabilität wird als Unsicherheit verwendet	Räumliche Temperaturverteilung fehlt	Axiale und radiale Homogenität separat berücksichtigen
Kalibrator zeigt 0,001 °C Auflösung	Auflösung wird mit Genauigkeit verwechselt	Gesamtes Unsicherheitsbudget betrachten
Externe Referenz vorhanden, Homogenität wird ignoriert	Referenz und Prüfling sitzen nicht am gleichen Ort	Positionsunterschied berücksichtigen
Mehrere Prüflinge werden gleichzeitig eingesetzt	Blockbeladung verändert thermischen Zustand	Lasteinfluss berücksichtigen
Prüfling reicht nicht bis in die homogene Zone	Axialer Gradient kann dominieren	Eintauchtiefe ändern oder Einfluss bestimmen
Großer Luftspalt zwischen Fühler und Einsatz	Schlechter thermischer Kontakt	Passenden Kalibriereinsatz verwenden
Referenz und Prüfling besitzen unterschiedliche sensitive Längen	Unterschiedliche Temperaturbereiche werden gemittelt	Position der sensitiven Elemente vergleichen
Messwert wird direkt nach Erreichen des Sollwerts aufgenommen	Prüfling möglicherweise noch nicht eingeschwungen	Referenz und Prüfling auf Stabilität beobachten
Alle ±-Grenzwerte werden direkt quadratisch addiert	Keine Umrechnung auf Standardunsicherheiten	Verteilung und Divisor korrekt berücksichtigen
U aus Kalibrierschein wird direkt mit Standardunsicherheiten kombiniert	Erweiterte und Standardunsicherheit vermischt	U zunächst durch den angegebenen k-Faktor teilen
Prüfling wird nur einmal abgelesen	Wiederholbarkeit bleibt unbekannt	Bei Bedarf Messreihe durchführen
Temperatur wird nur aufwärts angefahren	Hysterese bleibt unentdeckt	Bei entsprechender Anforderung Auf- und Abwärtszyklus prüfen

Empfohlener Kalibrierablauf

1. Kalibrieranforderung festlegen: Temperaturpunkte, erforderliche Unsicherheit und zulässige Abweichung bestimmen.
2. Kalibrator auswählen: Temperaturbereich und erforderliche thermische Eigenschaften prüfen.
3. Referenzstrategie festlegen: Entscheiden, ob interne oder externe Referenz verwendet wird.
4. Kalibrierstatus der Referenz prüfen: Kalibrierschein, Unsicherheit und Gültigkeit kontrollieren.
5. Prüfling identifizieren: Fühlertyp, Durchmesser, sensitive Länge und erforderliche Eintauchtiefe bestimmen.
6. Passenden Einsatz wählen: Bohrungsdurchmesser möglichst nahe an den Fühlerdurchmesser anpassen.
7. Referenz und Prüfling positionieren: Sensitive Elemente möglichst auf gleicher Höhe innerhalb der homogenen Zone anordnen.
8. Beladung berücksichtigen: Bei mehreren Prüflingen den Einfluss auf den Block beachten.
9. Solltemperatur anfahren: Kalibrator kontrolliert auf den gewünschten Punkt bringen.
10. Thermische Stabilisierung abwarten: Nicht nur die Kalibratoranzeige, sondern auch Referenz und Prüfling beobachten.
11. Messwerte zeitgleich aufnehmen: Referenz- und Prüflingswert möglichst zum selben Zeitpunkt erfassen.
12. Mehrfachmessungen durchführen: Wenn erforderlich Wiederholbarkeit bestimmen.
13. Weitere Temperaturpunkte prüfen: Kalibrierbereich entsprechend der Messaufgabe abdecken.
14. Gegebenenfalls Abwärtszyklus durchführen: Hysterese bewerten.
15. Messabweichung berechnen: Prüfling gegen Referenz auswerten.
16. Unsicherheitsbeiträge erfassen: Referenz, Stabilität, Homogenität, Belastung, Eintauchen, Auflösung und Wiederholbarkeit berücksichtigen.
17. Beiträge auf Standardunsicherheit umrechnen: Erweiterte Unsicherheiten, Grenzwerte und statistische Beiträge korrekt behandeln.
18. Kombinierte Unsicherheit berechnen: Relevante unabhängige Beiträge quadratisch kombinieren.
19. Erweiterte Unsicherheit angeben: Geeigneten Erweiterungsfaktor und dessen Bedeutung dokumentieren.
20. Kalibrieraufbau dokumentieren: Einsatz, Bohrung, Eintauchtiefe, Referenzposition, Prüflingsposition und Beladung festhalten.

Druck PTC200 Premium-Temperaturkalibrator bei ICS Schneider

Für präzise Trockenblock-Kalibrierungen führt ICS Schneider den:

Druck PTC200 Premium-Temperaturkalibrator

als eigenes Produkt.

ICS beziehungsweise Druck nennen für den PTC200 unter anderem

• Temperaturbereich -55 bis 200 °C bei 20 °C Umgebungstemperatur,
• Trockenblock-Ausführung,
• Kalibriereinsatz Ø 28 × 150 mm,
• austauschbaren Kalibriereinsatz,
• interne oder externe Referenztemperaturmessung,
• einstellbare Anzeigeauflösung 0,1 / 0,01 / 0,001 °C,
• Touchscreen-Bedienung,
• schnelle Aufheiz- und Abkühlzeiten durch kombinierte Heiz- und Peltier-Technologie.

Für das Unsicherheitsbudget besonders relevant

sind die getrennt spezifizierten thermischen Kenngrößen.

Kenngröße PTC200	Externe Referenz	Interne Referenz
Anzeigegenauigkeit	±0,27 °C	±0,34 °C
Temperaturstabilität	±0,003 °C	±0,020 °C
Lasteinfluss	±0,070 °C	±0,220 °C

Zusätzlich nennt Druck für die Temperaturverteilung

• axial: ±0,250 °C,
• radial: ±0,070 °C.

Die homogene Temperaturzone

wird für den PTC200 als:

untere 40 mm des Adaptereinsatzes

angegeben.

Diese Angaben zeigen sehr deutlich

warum Stabilität, Homogenität und Referenz nicht zu einer einzigen Kenngröße zusammengefasst werden dürfen.

Die:

±0,003 °C Stabilität

mit externer Referenz beschreibt beispielsweise einen völlig anderen Einfluss als die:

±0,250 °C axiale Temperaturverteilung

Für eine hochwertige Kalibrierung

ist deshalb entscheidend, den PTC200 nicht nur innerhalb seines Temperaturbereichs zu verwenden, sondern den gesamten:

Kalibrator + Einsatz + Referenz + Prüfling + Positionierung

als Messsystem zu betrachten.

Fazit

Bei einer Temperaturkalibrierung im Blockkalibrator bestimmt nicht eine einzelne Datenblattangabe die erreichbare Messunsicherheit. Die tatsächliche Unsicherheit entsteht erst aus dem Zusammenspiel von Referenzmessung, thermischen Eigenschaften des Blocks und dem konkreten Prüfling.

Stabilität und Homogenität beschreiben unterschiedliche Effekte

Stabilität bewertet die Temperaturänderung über die Zeit.

Homogenität bewertet Temperaturunterschiede im Raum.

Axiale und radiale Homogenität sollten ebenfalls getrennt betrachtet werden

Unterschiedliche Eintauchtiefen und unterschiedliche Bohrungspositionen verursachen unterschiedliche Unsicherheitsbeiträge.

Eine externe Referenz verbessert die Kenntnis der lokalen Temperatur

Sie beseitigt jedoch nicht automatisch Temperaturunterschiede zwischen ihrer eigenen Position und dem Prüfling.

Die Eintauchtiefe kann zum dominierenden Einfluss werden

Besonders bei kurzen Fühlern oder großen Temperaturunterschieden zur Umgebung kann Wärmeableitung entlang des Schafts erhebliche Abweichungen verursachen.

Auch die Beladung gehört zum Messmodell

Mehrere gleichzeitig eingesetzte Prüflinge können die Temperaturverteilung des Blocks verändern.

Auflösung ist keine Genauigkeit

Eine Anzeige mit 0,001 °C sagt allein nichts über eine Messunsicherheit im Millikelvinbereich aus.

Für die Berechnung müssen alle Beiträge zunächst vergleichbar gemacht werden

Erweiterte Unsicherheiten aus Kalibrierscheinen, Datenblattgrenzen und statistische Standardabweichungen dürfen nicht ohne Umrechnung miteinander kombiniert werden.

Der Druck PTC200 macht die Trennung der Einflüsse besonders anschaulich

weil Stabilität, axiale und radiale Temperaturverteilung, Lasteinfluss und interne beziehungsweise externe Referenz separat spezifiziert werden.

Für die Praxis gilt

Kalibrieranforderung festlegen → Referenz und Prüfling auswählen → passenden Einsatz verwenden → sensitive Elemente innerhalb der homogenen Zone auf gleicher Höhe positionieren → ausreichende Eintauchtiefe sicherstellen → Beladung berücksichtigen → Temperaturpunkt anfahren → Referenz und Prüfling vollständig stabilisieren lassen → zeitgleich messen → gegebenenfalls Wiederholmessungen und Auf-/Abwärtszyklen durchführen → Referenzunsicherheit, Drift, Stabilität, axiale und radiale Homogenität, Lasteinfluss, Eintaucheffekt, Auflösung und Wiederholbarkeit getrennt bewerten → alle Beiträge in Standardunsicherheiten überführen → kombinierte Unsicherheit berechnen → erweiterte Messunsicherheit angeben → gesamten Kalibrieraufbau dokumentieren.

FAQ: Messunsicherheit bei Blockkalibratoren

Was bestimmt die Messunsicherheit eines Blockkalibrators?

Unter anderem Referenzmessung, zeitliche Stabilität, axiale und radiale Temperaturverteilung, Beladung, Eintauchtiefe, thermischer Kontakt, Auflösung und Eigenschaften des Prüflings.

Ist die Genauigkeitsangabe des Blockkalibrators gleichzeitig die Kalibrierunsicherheit?

Nein. Die Genauigkeitsangabe des Geräts ist nur ein Teil der Gesamtbetrachtung.

Was bedeutet Temperaturstabilität?

Sie beschreibt, wie stark sich die Temperatur an einer definierten Position innerhalb eines bestimmten Zeitraums verändert.

Was bedeutet Temperaturhomogenität?

Sie beschreibt Temperaturunterschiede zwischen unterschiedlichen räumlichen Positionen im Kalibrierblock.

Was ist der Unterschied zwischen axialer und radialer Homogenität?

Axiale Homogenität betrifft Temperaturunterschiede entlang der Tiefe einer Bohrung. Radiale Homogenität betrifft Unterschiede zwischen verschiedenen Positionen beziehungsweise Bohrungen im Block.

Kann ein Block gleichzeitig sehr stabil und relativ inhomogen sein?

Ja. Die Temperatur kann an jeder Position zeitlich nahezu konstant bleiben und zwischen zwei Positionen trotzdem unterschiedlich sein.

Warum ist die Eintauchtiefe so wichtig?

Bei unzureichender Eintauchtiefe kann Wärme über den Fühlerschaft zur Umgebung abgeleitet werden. Außerdem kann sich das sensitive Element außerhalb der spezifizierten homogenen Zone befinden.

Müssen Referenz und Prüfling gleich tief eingetaucht werden?

Entscheidend ist vor allem, dass sich ihre sensitiven Bereiche möglichst auf gleicher Höhe innerhalb der homogenen Messzone befinden.

Warum reicht eine externe Referenz nicht allein aus?

Eine externe Referenz misst nur die Temperatur an ihrer eigenen Position. Zwischen Referenz und Prüfling können weiterhin räumliche Temperaturunterschiede bestehen.

Was ist Block Loading?

Block Loading beziehungsweise Lasteinfluss beschreibt die Veränderung des thermischen Zustands des Kalibrators durch eingesetzte Sensoren und deren Wärmeableitung.

Warum können mehrere Prüflinge die Messunsicherheit erhöhen?

Zusätzliche Prüflinge verändern die thermische Belastung und können dadurch Temperaturverteilung und Regelverhalten beeinflussen.

Warum sollte die Bohrung möglichst zum Fühlerdurchmesser passen?

Ein kleiner Luftspalt verbessert den thermischen Kontakt und reduziert Ansprechzeit sowie Einflüsse durch Wärmeableitung.

Ist eine Anzeigeauflösung von 0,001 °C gleichbedeutend mit einer Genauigkeit von 0,001 °C?

Nein. Die Auflösung beschreibt lediglich die kleinste darstellbare Änderung. Die tatsächliche Messunsicherheit kann deutlich größer sein.

Was ist die Referenzunsicherheit?

Sie beschreibt die Unsicherheit, mit der die Referenztemperatur bekannt ist. Dazu gehören insbesondere die Kalibrierung des Referenzsystems und gegebenenfalls weitere Einflüsse wie Drift.

Wie wird eine erweiterte Messunsicherheit aus einem Kalibrierschein verwendet?

Ist beispielsweise U mit k = 2 angegeben, wird für das Unsicherheitsbudget zunächst die Standardunsicherheit u = U / 2 verwendet.

Wie wird ein ±-Grenzwert in eine Standardunsicherheit umgerechnet?

Bei angenommener Rechteckverteilung gilt für einen symmetrischen Grenzwert ±a typischerweise u = a / √3.

Wie werden unabhängige Unsicherheitsbeiträge kombiniert?

Typischerweise quadratisch mit uc = √(u1² + u2² + ...).

Was bedeutet k = 2?

Der Erweiterungsfaktor k = 2 wird häufig verwendet, um aus der kombinierten Standardunsicherheit eine erweiterte Unsicherheit zu bestimmen. Unter geeigneten Voraussetzungen entspricht dies näherungsweise einem Überdeckungsintervall von etwa 95 %.

Muss die Wiederholbarkeit des Prüflings berücksichtigt werden?

Bei anspruchsvollen Kalibrierungen ja, sofern die beobachtete Streuung einen relevanten Beitrag zur Gesamtunsicherheit liefert.

Kann ein Widerstandsthermometer sich selbst erwärmen?

Ja. Der Messstrom erzeugt im Widerstandselement elektrische Verlustleistung und kann bei hohen Genauigkeitsanforderungen einen messbaren Eigenerwärmungseffekt verursachen.

Wann darf ein Messwert nach einem Temperaturwechsel aufgenommen werden?

Erst wenn nicht nur der Block, sondern auch Referenz und Prüfling ausreichend thermisch stabilisiert sind.

Was ist die homogene Zone eines Blockkalibrators?

Das ist der Bereich des Kalibriereinsatzes, für den die Temperaturverteilung charakterisiert beziehungsweise spezifiziert ist.

Wie groß ist die homogene Zone des Druck PTC200?

Druck nennt die unteren 40 mm des Adaptereinsatzes als homogene Temperaturzone.

Welchen Temperaturbereich besitzt der Druck PTC200?

ICS beziehungsweise Druck nennen -55 bis 200 °C bei 20 °C Umgebungstemperatur.

Wie groß ist der Kalibriereinsatz des PTC200?

Der austauschbare Kalibriereinsatz besitzt Abmessungen von Ø 28 × 150 mm.

Welche Temperaturstabilität bietet der PTC200?

Druck nennt im Trockenblockbetrieb ±0,003 °C mit externer Referenz beziehungsweise ±0,020 °C mit interner Referenz.

Welche axiale Temperaturverteilung nennt Druck für den PTC200?

Für den Trockenblock wird eine axiale Temperaturverteilung von ±0,250 °C angegeben.

Welche radiale Temperaturverteilung nennt Druck?

Für den PTC200 wird eine radiale Temperaturverteilung von ±0,070 °C angegeben.

Welchen Lasteinfluss besitzt der PTC200?

Druck nennt ±0,070 °C bei externer Referenz und ±0,220 °C bei interner Referenz.

Welche Anzeigeauflösung besitzt der PTC200?

Die Temperaturanzeige kann auf 0,1, 0,01 oder 0,001 °C eingestellt werden.

Kann der PTC200 eine externe Referenz verwenden?

Ja. Das Gerät unterstützt sowohl interne als auch externe Referenztemperaturmessung.

Warum ist eine externe Referenz bei anspruchsvollen Kalibrierungen hilfreich?

Sie ermöglicht die direkte Erfassung der Temperatur näher am Prüfling und kann dadurch die Kenntnis der tatsächlich wirksamen Referenztemperatur verbessern.

Wo finde ich den Druck PTC200 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter Druck PTC200 Premium-Temperaturkalibrator bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Kalibriertechnik bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter Kalibriertechnik bei ICS Schneider.