Die Kalibrierung eines Thermoelements wirkt auf den ersten Blick einfach: Der Fühler wird in einen Temperaturkalibrator oder ein Kalibrierbad eingebracht, auf mehrere definierte Temperaturen gebracht und sein Messwert mit einer Referenz verglichen. Bei einem Pt100 lässt sich ein solcher Aufbau relativ direkt betrachten. Bei einem Thermoelement kommt jedoch eine zusätzliche Besonderheit hinzu: Das eigentliche Sensorsignal hängt nicht nur von der Temperatur der Messstelle ab, sondern immer auch von der Temperatur der elektrischen Vergleichsstelle.
Wer ein Thermoelement mit einer externen Vergleichsstelle kalibriert, muss deshalb zwei Temperaturbereiche gleichzeitig beherrschen. Am heißen Ende befindet sich die Messstelle des Thermoelements gemeinsam mit einem rückführbaren Referenzthermometer in der Temperaturquelle. Am anderen Ende werden die Thermoelementleiter auf Kupfer beziehungsweise auf die Eingänge des Spannungsmessgeräts überführt. Diese Übergänge bilden die Vergleichsstelle. Ihre Temperatur muss bekannt sein und in die Auswertung eingehen.
Hinzu kommt die Anschlussleitung. Thermoelementleitung, Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung sind keine beliebig austauschbaren Kabel. Ihre thermoelektrischen Eigenschaften können unmittelbar in das Messergebnis eingehen. Werden falsche Leitungen verwendet, entstehen Temperaturgradienten an ungeeigneten Übergangsstellen oder wird die Vergleichsstelle an einer anderen Stelle angenommen als sie tatsächlich liegt, kann eine Kalibrierung trotz hochwertigem Temperaturkalibrator und präzisem Voltmeter systematisch falsch sein.
Die zentrale Aussage lautet: Bei einer Thermoelementkalibrierung muss die gesamte thermoelektrische Messkette betrachtet werden. Die Temperatur der heißen Messstelle, die externe Vergleichsstelle, deren Referenztemperatur, die Anschlussleitung und die mV-Messung bilden gemeinsam den Prüfaufbau.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Warum ein Thermoelement immer zwei Temperaturen benötigt
- 2. Vergleichskalibrierung und Vergleichsstelle nicht verwechseln
- 3. Welche Thermospannung wird tatsächlich gemessen?
- 4. Warum 0 °C als externe Vergleichsstelle besonders praktisch ist
- 5. Externe Vergleichsstelle bei einer Temperatur ungleich 0 °C
- 6. Typischer Kalibrieraufbau
- 7. Thermoelementleitung, Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung
- 8. Wo darf auf Kupferleitung übergegangen werden?
- 9. Temperaturquelle und Referenzthermometer richtig einsetzen
- 10. Eintauchtiefe, Wärmeableitung und Homogenität
- 11. Stabilisierung und Reihenfolge der Kalibrierpunkte
- 12. Messunsicherheit vollständig betrachten
- 13. Warum die Inhomogenität des Thermoelements kritisch sein kann
- 14. Typische Fehler im Kalibrieraufbau diagnostizieren
- 15. Praktischer Prüfablauf Schritt für Schritt
- 16. Was im Kalibrierprotokoll dokumentiert werden sollte
- 17. Passende Kalibriertechnik von ICS Schneider
- 18. Fazit
- 19. Häufige Fragen zur Thermoelementkalibrierung mit externer Vergleichsstelle
1. Warum ein Thermoelement immer zwei Temperaturen benötigt
Ein Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen elektrisch leitenden Werkstoffen. Werden diese an einer Messstelle miteinander verbunden und besteht entlang der Leiter ein Temperaturunterschied, entsteht eine thermoelektrische Spannung.
Entscheidend ist dabei, dass ein Thermoelement keine absolute Temperatur direkt erzeugt. Die messbare Thermospannung hängt vom Temperaturzustand zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle ab.
Die Messstelle wird häufig historisch als „Heißstelle“ bezeichnet. Die Vergleichsstelle wird oft „Kaltstelle“ genannt. Beide Bezeichnungen können jedoch irreführend sein: Die Messstelle muss nicht heiß und die Vergleichsstelle nicht kalt sein. Fachlich entscheidend sind lediglich die beiden Temperaturen und die verwendeten Thermoelementwerkstoffe.
Für die genormten Thermoelementkennlinien wird die Thermospannung auf eine Vergleichsstellentemperatur von 0 °C bezogen. Für einen Thermoelementtyp beschreibt die Referenzfunktion daher die Spannung, die zwischen einer Messstelle bei der Temperatur T und einer Vergleichsstelle bei 0 °C entsteht.
Diese 0-°C-Referenz ist besonders wichtig für die Kalibrierung. Wird die externe Vergleichsstelle tatsächlich auf 0 °C gehalten, kann die gemessene Thermospannung unmittelbar mit der entsprechenden Referenzfunktion beziehungsweise den Tabellenwerten des Thermoelementtyps verglichen werden.
2. Vergleichskalibrierung und Vergleichsstelle nicht verwechseln
Bei einer Thermoelementkalibrierung werden zwei Begriffe verwendet, die leicht miteinander verwechselt werden können.
Bei einer Vergleichskalibrierung wird die Temperatur des Prüflings mit einem höherwertigen und rückführbar kalibrierten Referenzthermometer verglichen. Beide befinden sich möglichst nahe beieinander in einer stabilen Temperaturquelle, beispielsweise einem Flüssigkeitsbad, einem Trockenblock oder einem Kalibrierofen.
Die Vergleichsstelle des Thermoelements ist dagegen eine elektrische Stelle im Thermoelementkreis. Hier gehen die thermoelektrischen Leiter beispielsweise auf Kupferleitungen zum Spannungsmessgerät über. Die Temperatur dieser Übergänge muss bekannt sein.
Ein vollständiger Prüfaufbau kann daher gleichzeitig ein Referenzthermometer bei beispielsweise 500 °C und eine Thermoelement-Vergleichsstelle bei 0 °C enthalten.
| Begriff | Funktion | Typischer Ort |
|---|---|---|
| Messstelle des Thermoelements | Erzeugt gemeinsam mit der Vergleichsstelle die Thermospannung | Im Temperaturkalibrator oder Kalibrierofen |
| Referenzthermometer | Bestimmt die tatsächliche Kalibriertemperatur | Neben dem Prüfling in der Temperaturquelle |
| Externe Vergleichsstelle | Definiert die elektrische Referenztemperatur des Thermoelements | Zum Beispiel in einem Eispunktbad oder 0-°C-Kalibrator |
| mV-Messgerät | Misst die vom Thermoelement erzeugte Thermospannung | Außerhalb der Temperaturquellen |
Diese Trennung ist für eine korrekte Messunsicherheitsbetrachtung besonders wichtig. Die Unsicherheit des Referenzthermometers und die Unsicherheit der externen Vergleichsstelle sind zwei unterschiedliche Beiträge.
3. Welche Thermospannung wird tatsächlich gemessen?
Die in IEC 60584-1 angegebenen Referenzfunktionen beziehen die Thermospannung eines Thermoelements auf eine Vergleichsstellentemperatur von 0 °C.
Zur vereinfachten Darstellung sei:
E(T) die genormte Thermospannung des jeweiligen Thermoelementtyps zwischen der Temperatur T und 0 °C.
Befindet sich die Messstelle bei TM und die Vergleichsstelle bei TR, ergibt sich die tatsächlich gemessene Spannung zu:
Umess = E(TM) − E(TR)
Soll aus der gemessenen Spannung auf eine 0-°C-Referenz umgerechnet werden, gilt:
E(TM) = Umess + E(TR)
Anschließend kann die so korrigierte Thermospannung über die Referenzfunktion des jeweiligen Thermoelementtyps in eine Temperatur umgerechnet werden.
Diese Beziehung zeigt unmittelbar, warum die Temperatur der externen Vergleichsstelle bekannt sein muss. Eine Abweichung der Referenztemperatur verändert den Spannungsanteil E(TR) und damit die aus dem mV-Signal berechnete Messstellentemperatur.
4. Warum 0 °C als externe Vergleichsstelle besonders praktisch ist
Wird die Vergleichsstelle auf exakt beziehungsweise ausreichend genau bekannte 0 °C gebracht, vereinfacht sich die Auswertung erheblich.
Für die genormten Referenzfunktionen gilt am Bezugspunkt:
E(0 °C) = 0
Damit folgt:
Umess = E(TM)
Die gemessene Spannung kann somit unmittelbar mit dem für den jeweiligen Thermoelementtyp vorgesehenen 0-°C-bezogenen Referenzwert verglichen werden.
Traditionell wird eine solche externe Vergleichsstelle mit einem korrekt aufgebauten Eis-Wasser-Bad realisiert. Entscheidend ist dabei nicht einfach, einige Eiswürfel in Wasser zu geben. Für eine präzise Referenz müssen Eis und Wasser richtig vorbereitet, ausreichend durchmischt beziehungsweise thermisch homogen und die Vergleichsstellen ausreichend tief eingetaucht sein. Wärmeeinleitung über Drähte und Gefäßwand muss minimiert werden.
Alternativ kann ein hierfür vorgesehener 0-°C-Blockkalibrator beziehungsweise Eispunktkalibrator eingesetzt werden. Ein solcher Aufbau ist insbesondere dann interessant, wenn Vergleichsstellen im Labor regelmäßig reproduzierbar temperiert werden sollen.
Unabhängig von der Methode gehört die tatsächliche Unsicherheit der realisierten 0-°C-Vergleichsstelle in das Messunsicherheitsbudget.
5. Externe Vergleichsstelle bei einer Temperatur ungleich 0 °C
Eine externe Vergleichsstelle muss physikalisch nicht bei 0 °C liegen. Sie kann beispielsweise bei 20 °C, 25 °C oder einer anderen stabilen Temperatur betrieben werden.
In diesem Fall darf jedoch nicht so gerechnet werden, als befände sie sich bei 0 °C.
Die tatsächliche Temperatur TR muss ausreichend genau gemessen werden. Aus der Referenzfunktion des verwendeten Thermoelementtyps wird anschließend die zu dieser Temperatur gehörende Thermospannung E(TR) bestimmt und zur gemessenen Spannung addiert.
Erst das daraus resultierende 0-°C-bezogene Signal darf mit der genormten Kennlinie verglichen werden.
Je nach Genauigkeitsanforderung kann eine bekannte Vergleichsstelle oberhalb von 0 °C daher vollkommen geeignet sein. Ein 0-°C-Aufbau besitzt jedoch den Vorteil, dass die elektrische Korrektur besonders transparent wird.
6. Typischer Kalibrieraufbau
Bei einer anspruchsvollen Vergleichskalibrierung wird das Thermoelement gemeinsam mit einem rückführbaren Referenzthermometer in eine geeignete Temperaturquelle eingebracht.
Die Temperaturquelle kann beispielsweise ein Flüssigkeitsbad, ein Trockenblock oder bei höheren Temperaturen ein Kalibrierofen sein. Referenz und Prüfling sollten sich möglichst in einem Bereich mit geringer räumlicher Temperaturdifferenz befinden.
Die Thermoelementleiter beziehungsweise die vorgesehenen Verlängerungsleitungen führen aus der Temperaturquelle bis zur externen Vergleichsstelle. Dort werden die beiden thermoelektrischen Leiter auf Kupferleitungen beziehungsweise auf die entsprechende Messschaltung überführt.
Die beiden Übergänge müssen sich in einem möglichst isothermen Bereich befinden und dieselbe bekannte Referenztemperatur besitzen. Von dort kann mit Kupferleitungen zum Präzisionsvoltmeter beziehungsweise Thermoelement-Messgerät weitergeführt werden.
Das Referenzthermometer liefert die tatsächliche Kalibriertemperatur TRef. Das Thermoelement liefert die Thermospannung. Aus beiden Werten lässt sich die Abweichung des Prüflings bestimmen.
7. Thermoelementleitung, Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung
Bei Thermoelementen ist die Anschlussleitung Teil des thermoelektrischen Kreises. Sie darf deshalb bei einer Kalibrierung nicht wie eine gewöhnliche Kupferleitung behandelt werden.
Grundsätzlich ist zwischen Thermoelementleitung, Verlängerungsleitung und Ausgleichsleitung zu unterscheiden.
| Leitungsart | Eigenschaft | Bedeutung für die Kalibrierung |
|---|---|---|
| Thermoelementleitung | Besteht aus den tatsächlichen Thermoelementwerkstoffen | Direkter Bestandteil des Sensors und seiner thermoelektrischen Kennlinie |
| Verlängerungsleitung | Besitzt im vorgesehenen Bereich die gleichen nominellen thermoelektrischen Eigenschaften wie der jeweilige Thermoelementtyp | Verlängert den Thermoelementkreis bis zur Vergleichsstelle |
| Ausgleichsleitung | Verwendet andere Legierungen mit definiert ähnlichen thermoelektrischen Eigenschaften innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs | Eigene Toleranz und zulässigen Temperaturbereich berücksichtigen |
| Kupferleitung | Besitzt nicht die Thermoelementkennlinie | Erst hinter einer definierten Vergleichsstelle beziehungsweise geeigneten Signalumformung verwenden |
Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen sind jeweils einem bestimmten Thermoelementtyp zugeordnet. Eine Leitung für Typ K darf beispielsweise nicht einfach für Typ J oder Typ N verwendet werden.
Auch die Polarität muss durchgängig korrekt sein. Eine vertauschte Leitung erzeugt keine kleine zusätzliche Korrektur, sondern kann zu vollständig unplausiblen Messwerten führen.
Für die Bewertung einer Kalibrierung ist außerdem entscheidend, welche Leitung tatsächlich mitkalibriert wird. Wird der Prüfling einschließlich seiner fest angeschlossenen Leitung kalibriert, gehört diese Leitung zur geprüften Messkette. Wird dagegen nur das eigentliche Thermoelement bis zu einem definierten Anschlusspunkt kalibriert, ist eine spätere Feldverdrahtung nicht automatisch durch das Kalibrierergebnis abgedeckt.
8. Wo darf auf Kupferleitung übergegangen werden?
Ein Übergang auf Kupfer ist bei einer Thermoelementmessung grundsätzlich möglich und innerhalb eines Messgeräts ohnehin unvermeidbar. Entscheidend ist, wo dieser Übergang erfolgt und welche Temperaturen an den beiden Übergangsstellen herrschen.
Werden beide Thermoelementleiter innerhalb eines isothermen Blocks auf Kupfer überführt, entstehen zwei Übergangsstellen:
Thermoelementwerkstoff + → Kupfer
Thermoelementwerkstoff − → Kupfer
Besitzen beide Übergänge dieselbe bekannte Temperatur, bilden sie gemeinsam eine definierte Vergleichsstelle.
Problematisch wird ein Aufbau dagegen, wenn eine Leitung bereits an einer warmen Klemme auf Kupfer übergeht und die andere an einer kälteren Stelle. Dann existiert keine einheitliche Referenztemperatur mehr. Auch ein präzises Voltmeter kann diesen thermischen Aufbau anschließend nicht mathematisch „reparieren“, wenn die einzelnen Übergangstemperaturen unbekannt sind.
Genau deshalb werden hochwertige externe Vergleichsstellen thermisch so aufgebaut, dass die relevanten Anschlussstellen möglichst isotherm sind.
9. Temperaturquelle und Referenzthermometer richtig einsetzen
Die externe Vergleichsstelle löst nur die elektrische Referenzierung des Thermoelements. Für die Kalibrierung der eigentlichen Messstelle wird zusätzlich eine bekannte Temperatur benötigt.
Bei einer Vergleichskalibrierung übernimmt diese Aufgabe ein rückführbar kalibriertes Referenzthermometer. Dieses wird zusammen mit dem Thermoelement in die Temperaturquelle eingebracht.
Ein Trockenblock kann für viele industrielle Kalibrierungen sehr gut geeignet sein. Für besonders geringe Messunsicherheiten muss jedoch berücksichtigt werden, dass in einem Block axiale und radiale Temperaturgradienten auftreten können. Auch die Bohrungsgröße, Hülsengeometrie und Beladung beeinflussen die Temperatur am Prüfling.
Ein Flüssigkeitsbad bietet insbesondere bei geeigneten Temperaturbereichen häufig eine sehr gute thermische Homogenität und gute Kopplung auch bei unterschiedlichen Fühlerdurchmessern.
Bei hohen Temperaturen werden Kalibrieröfen eingesetzt. Dort gewinnen Strahlung, axiale Wärmeableitung und die genaue Lage von Messstelle und Referenz besondere Bedeutung.
Die Sollwertanzeige des Kalibrators sollte bei anspruchsvollen Kalibrierungen nicht automatisch als tatsächliche Referenztemperatur betrachtet werden. Ein externer Referenzfühler unmittelbar in der Nähe des Prüflings kann Einflüsse durch Gradient, Beladung und Regelabweichung wesentlich besser erfassen.
10. Eintauchtiefe, Wärmeableitung und Homogenität
Ein Thermoelement kann nur korrekt kalibriert werden, wenn seine eigentliche Messstelle die Temperatur des Kalibrierbereichs angenommen hat.
Bei Mantelthermoelementen befindet sich die Messstelle beispielsweise nahe der Fühlerspitze. Bei anderen Bauformen kann ihre genaue Lage konstruktionsbedingt abweichen.
Ist die Eintauchtiefe zu gering, wird Wärme entlang des Schutzrohres oder Mantels zur Umgebung abgeleitet. Die Messstelle kann dann eine andere Temperatur besitzen als der Kalibrierblock oder das Referenzthermometer.
Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Kalibrierzone und Umgebung ist, desto kritischer kann dieser Effekt werden.
Auch Referenzfühler und Prüfling sollten sich hinsichtlich der axialen Position ihrer empfindlichen Bereiche möglichst gut entsprechen. Zwei Fühler können sich im selben Block befinden und dennoch unterschiedliche Temperaturen erfassen, wenn ihre Messelemente in unterschiedlichen Tiefen liegen.
11. Stabilisierung und Reihenfolge der Kalibrierpunkte
Vor der Messwertaufnahme muss ausreichend lange gewartet werden, bis sowohl Temperaturquelle als auch Referenzfühler und Thermoelement einen stabilen Zustand erreicht haben.
Eine feste Wartezeit von beispielsweise fünf Minuten ist nicht für jeden Aufbau automatisch ausreichend. Die notwendige Stabilisierungszeit hängt unter anderem von Temperaturhub, Fühlerdurchmesser, Schutzrohr, Kalibrator, Eintauchtiefe und thermischer Kopplung ab.
Ein sinnvoller Prüfablauf definiert deshalb nicht nur eine Zeit, sondern auch ein Stabilitätskriterium. Erst wenn die Referenztemperatur über einen festgelegten Zeitraum innerhalb eines zulässigen Fensters bleibt, wird der Messwert aufgenommen.
Bei mehreren Kalibrierpunkten kann zusätzlich eine Auf- und Abwärtsreihe sinnvoll sein. Dadurch lassen sich Hysterese, Drift oder Effekte einer thermischen Vorbehandlung erkennen.
Bei Thermoelementen, die bereits längere Zeit bei hohen Temperaturen eingesetzt wurden, sollte außerdem berücksichtigt werden, dass eine erneute Erwärmung während der Kalibrierung selbst das thermoelektrische Verhalten beeinflussen kann.
12. Messunsicherheit vollständig betrachten
Die Messunsicherheit einer Thermoelementkalibrierung besteht nicht ausschließlich aus der Unsicherheit des Referenzthermometers.
Bei einem Aufbau mit externer Vergleichsstelle müssen sowohl thermische als auch elektrische Beiträge berücksichtigt werden.
| Unsicherheitsbeitrag | Typische Ursache | Mögliche Maßnahme |
|---|---|---|
| Referenzthermometer | Kalibrierunsicherheit und Drift der Temperaturreferenz | Rückführbar kalibrierte Referenz mit geeigneter Unsicherheit verwenden |
| Temperaturquelle | Stabilität und räumliche Homogenität | Referenz und Prüfling dicht beieinander positionieren |
| Eintauchtiefe | Axiale Wärmeableitung | Ausreichende Immersion und geeignete Hülsen verwenden |
| Externe Vergleichsstelle | Abweichung und Instabilität der Referenztemperatur | Temperatur der Vergleichsstelle kontrollieren und Unsicherheit berücksichtigen |
| mV-Messgerät | Genauigkeit, Auflösung, Drift und Nullspannung | Geeignetes kalibriertes Präzisionsmessgerät verwenden |
| Anschlussleitung | Toleranz von Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung | Typgerechte Leitungen einsetzen und Prüfgrenze eindeutig festlegen |
| Übergangsstellen | Temperaturgradienten an unterschiedlichen Metallen | Isotherme Anschlussbedingungen schaffen |
| Inhomogenität | Lokal veränderte thermoelektrische Eigenschaften des Drahtes | Position und Temperaturgradienten kontrollieren |
| Wiederholbarkeit | Streuung bei wiederholter Messung | Mehrfachmessung und statistische Bewertung |
Bei niedrigen Anforderungen können einzelne Beiträge klein gegenüber der zulässigen Toleranz des Prüflings sein. In einem Kalibrierlabor mit geringer geforderter Messunsicherheit können dagegen gerade Vergleichsstelle, Inhomogenität und räumliche Temperaturgradienten entscheidend werden.
13. Warum die Inhomogenität des Thermoelements kritisch sein kann
Eine Besonderheit von Thermoelementen ist die mögliche Inhomogenität der Leiter. Das thermoelektrische Verhalten muss entlang des Drahtes nicht überall exakt gleich sein.
Alterung, hohe Betriebstemperaturen, chemische Einflüsse, mechanische Belastung oder Gefügeänderungen können einzelne Abschnitte des Thermoelements verändern.
Dieser Effekt wird besonders dort sichtbar, wo sich entlang des Thermoelements ein Temperaturgradient befindet. Befindet sich ein veränderter Drahtabschnitt während der Kalibrierung in einer anderen Temperaturzone als im späteren Prozess, kann das Kalibrierergebnis den tatsächlichen Einsatz nicht vollständig abbilden.
Deshalb kann bei gebrauchten Hochtemperatur-Thermoelementen bereits eine Veränderung der Eintauchtiefe Einfluss auf die gemessene Thermospannung haben.
Für besonders anspruchsvolle Kalibrierungen sollte die Inhomogenität deshalb als eigener Unsicherheitsbeitrag bewertet werden.
14. Typische Fehler im Kalibrieraufbau diagnostizieren
Ein auffälliges Kalibrierergebnis bedeutet nicht automatisch, dass das Thermoelement selbst außerhalb seiner Toleranz liegt. Zahlreiche Fehler können durch den Prüfaufbau entstehen.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Prüfung |
|---|---|---|
| Nahezu konstante Temperaturabweichung über alle Punkte | Fehlerhafte Vergleichsstellentemperatur | Externe Vergleichsstelle unabhängig prüfen |
| Abweichung ändert sich mit Raumtemperatur | Vergleichsstelle oder Anschlussblock nicht ausreichend isotherm | Klemmentemperaturen und Luftzug prüfen |
| Große Abweichung nach Kabelwechsel | Falsche Verlängerungs- oder Ausgleichsleitung | Kabeltyp, Kennzeichnung und Polarität prüfen |
| Anzeige läuft bei Erwärmung in falsche Richtung | Polarität vertauscht | Plus- und Minusleiter kontrollieren |
| Abweichung verändert sich mit Eintauchtiefe | Wärmeableitung oder Thermoelement-Inhomogenität | Immersion schrittweise verändern und Ergebnis beobachten |
| Prüfling und Referenz driften gemeinsam | Temperaturquelle noch nicht stabil | Stabilisierungszeit verlängern |
| Nur ein Kalibrierpunkt ist auffällig | Lokaler Gradient, instabile Temperatur oder Messwertaufnahme zu früh | Kalibrierpunkt wiederholen |
| mV-Wert plausibel, Temperaturanzeige falsch | Falscher Thermoelementtyp oder falsche Vergleichsstellenkompensation in der Auswertung | mV-Rohwert und Parametrierung separat prüfen |
mV-Rohwert immer mit dokumentieren
Für die Fehlersuche ist es besonders hilfreich, neben der daraus berechneten Temperatur auch die tatsächlich gemessene Thermospannung zu speichern.
Damit lässt sich später nachvollziehen, ob eine Abweichung bereits im thermoelektrischen Signal vorhanden war oder erst durch eine falsche Kennlinie beziehungsweise Vergleichsstellenkorrektur entstanden ist.
15. Praktischer Prüfablauf Schritt für Schritt
Vor Beginn sollte zunächst eindeutig festgelegt werden, was tatsächlich kalibriert werden soll: nur das Thermoelement, Thermoelement einschließlich fest angeschlossener Leitung oder die komplette Messkette einschließlich Anzeige beziehungsweise Messumformer.
Anschließend werden Thermoelementtyp, Polarität, Leitungsart und der Zustand des Prüflings kontrolliert. Bei gebrauchten Fühlern sollte besonders auf mechanische Schäden, Oxidation und bereits thermisch stark belastete Bereiche geachtet werden.
Referenzthermometer und Thermoelement werden danach in geeigneter Tiefe in die Temperaturquelle eingebracht. Die empfindlichen Messbereiche sollten sich möglichst auf gleicher Höhe und nahe beieinander befinden.
Parallel wird die externe Vergleichsstelle eingerichtet. Bei einer 0-°C-Referenz werden die beiden Übergänge auf Kupfer beziehungsweise die dafür vorgesehenen Referenzverbindungen im Eispunktbad oder in einer entsprechenden Vergleichsstellenquelle temperiert.
Nach Erreichen des ersten Kalibrierpunkts wird abgewartet, bis das festgelegte Stabilitätskriterium erfüllt ist. Anschließend werden mindestens Referenztemperatur, Vergleichsstellentemperatur beziehungsweise deren realisierter Referenzwert und Thermospannung erfasst.
Aus der Thermospannung und der Referenztemperatur der Vergleichsstelle wird die entsprechende Thermoelementtemperatur berechnet. Diese wird mit der rückführbar gemessenen Temperatur der heißen Messstelle verglichen.
Der Ablauf wird für alle vorgesehenen Kalibrierpunkte wiederholt. Bei Bedarf werden zusätzlich Punkte in fallender Temperaturrichtung aufgenommen, um Hysterese beziehungsweise Reproduzierbarkeit zu bewerten.
Erst nach Abschluss der As-Found-Messungen sollte – sofern vorgesehen und technisch möglich – eine Justage der nachgeschalteten Elektronik erfolgen. Das Thermoelement selbst besitzt üblicherweise keine klassische elektrische Justagemöglichkeit; seine gemessenen Abweichungen werden dokumentiert beziehungsweise als Korrektionswerte verwendet.
16. Was im Kalibrierprotokoll dokumentiert werden sollte
Eine reproduzierbare Thermoelementkalibrierung benötigt mehr Informationen als lediglich Solltemperatur, Isttemperatur und Abweichung.
Dokumentiert werden sollten insbesondere Thermoelementtyp, Prüflingsidentifikation, Messstellenbauform, verwendete Leitung und deren Einbeziehung in den Kalibrierumfang, Temperaturquelle, Referenzthermometer, verwendetes Spannungsmessgerät sowie die Art der Vergleichsstelle.
Bei einer externen Vergleichsstelle sollte eindeutig angegeben werden, ob diese bei 0 °C realisiert wurde oder welche andere Referenztemperatur verwendet wurde.
Für jeden Kalibrierpunkt sind die Referenztemperatur, gemessene Thermospannung, daraus bestimmte Thermoelementtemperatur, Abweichung und zugehörige Messunsicherheit besonders aussagekräftig.
Bei hochwertigen Kalibrierungen sollten außerdem Eintauchtiefe, Position von Referenz und Prüfling sowie relevante Umgebungsbedingungen nachvollziehbar sein.
Wichtig ist auch die klare Trennung zwischen einer Hersteller-Toleranzklasse und einem individuellen Kalibrierergebnis. Eine Toleranz nach IEC 60584-1 beschreibt zulässige Abweichungen für entsprechende Thermoelemente. Eine Kalibrierung bestimmt dagegen die tatsächliche Abweichung des konkreten Prüflings an den untersuchten Kalibrierpunkten.
17. Passende Kalibriertechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Lösungen für die elektrische und thermische Kalibrierung von Thermoelementen. Eine Übersicht finden Sie in unserer Kategorie Kalibriertechnik und speziell unter Temperaturkalibratoren.
WIKA CTD9100-ZERO – definierte 0-°C-Vergleichsstelle
Der WIKA CTD9100-ZERO ist ein kompakter Eispunkt- beziehungsweise 0-°C-Blockkalibrator. Zu seinen vorgesehenen Anwendungen gehört ausdrücklich die Temperierung von Thermoelement-Vergleichsstellen.
Damit eignet sich das Gerät besonders für Prüfstände und Kalibrierlabore, in denen eine reproduzierbare externe Referenztemperatur für Thermoelementmessungen benötigt wird.
Temperaturkalibratoren für die heiße Messstelle
Für die eigentliche Prüftemperatur stehen verschiedene Temperaturkalibratoren zur Verfügung. Je nach Temperaturbereich und erforderlicher Messunsicherheit kommen Trockenblöcke, Flüssigkeitsbäder oder Kalibrieröfen infrage.
Bei anspruchsvollen Vergleichskalibrierungen sollte ein rückführbar kalibrierter externer Referenzfühler möglichst nahe am Thermoelement verwendet werden. Dadurch können Regelabweichung, Beladung und lokale Temperaturgradienten der Kalibrierquelle besser erfasst werden.
C.A 1621 – Thermoelement- und mV-Kalibrator
Der C.A 1621 kann Thermoelementsignale der Typen J, K, T, E, R, S, B und N sowie Spannungen im mV-Bereich messen und simulieren.
Er eignet sich damit insbesondere zur elektrischen Prüfung von Thermoelement-Messketten und zur Fehlersuche an Anzeigen, Reglern und Messumformern. Für eine vollständige physikalische Kalibrierung des eigentlichen Thermoelementfühlers wird zusätzlich eine definierte Temperaturquelle benötigt.
Thermoelemente und Kalibrierzubehör
Eine Übersicht geeigneter Thermoelemente finden Sie ebenfalls bei ICS Schneider Messtechnik.
Unter ICS Bauteile und Zubehör stehen darüber hinaus unter anderem Thermopaare, Steckverbinder, Kalibrierblöcke, Miniaturfixpunktzellen und Eispunktvergleichsstellen zur Verfügung.
18. Fazit
Bei der Kalibrierung eines Thermoelements mit externer Vergleichsstelle müssen zwei voneinander getrennte Temperaturreferenzen korrekt beherrscht werden.
Die tatsächliche Kalibriertemperatur an der Messstelle wird beispielsweise mit einem rückführbaren Referenzthermometer in einem Trockenblock, Flüssigkeitsbad oder Kalibrierofen bestimmt. Gleichzeitig benötigt die Thermospannungsmessung eine definierte Vergleichsstelle.
Wird diese Vergleichsstelle auf 0 °C gebracht, entspricht die gemessene Thermospannung unmittelbar der auf 0 °C bezogenen Referenzfunktion des jeweiligen Thermoelementtyps. Liegt die Vergleichsstelle bei einer anderen bekannten Temperatur, muss deren Thermospannungsanteil rechnerisch berücksichtigt werden.
Ebenso wichtig ist die Anschlussleitung. Thermoelement-, Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen sind Teil des thermoelektrischen Kreises. Ihr Typ, ihre Polarität, ihre Toleranzen und die Lage der Übergangsstellen können das Kalibrierergebnis beeinflussen.
Für geringe Messunsicherheiten müssen darüber hinaus Temperaturstabilität, Homogenität, Eintauchtiefe, Wärmeableitung, mV-Messunsicherheit und insbesondere bei gebrauchten Thermoelementen auch die mögliche Inhomogenität der Leiter berücksichtigt werden.
Eine belastbare Thermoelementkalibrierung besteht deshalb nicht nur aus „Fühler in den Kalibrator stecken und Temperatur ablesen“. Entscheidend ist die vollständige Betrachtung der thermischen und elektrischen Messkette.
19. Häufige Fragen zur Thermoelementkalibrierung mit externer Vergleichsstelle
Was ist die externe Vergleichsstelle eines Thermoelements?
Die externe Vergleichsstelle ist der definierte Bereich, in dem die Thermoelementleiter auf andere Leiterwerkstoffe – typischerweise Kupfer – übergehen. Die Temperatur dieser Übergangsstellen muss bekannt sein, damit aus der gemessenen Thermospannung die Temperatur der Messstelle bestimmt werden kann.
Muss eine Vergleichsstelle immer bei 0 °C liegen?
Nein. Sie kann grundsätzlich eine andere bekannte Temperatur besitzen. Für die Berechnung muss dann jedoch die Thermospannung berücksichtigt werden, die der verwendete Thermoelementtyp zwischen dieser Referenztemperatur und 0 °C erzeugen würde. 0 °C ist besonders praktisch, weil die genormten Thermoelement-Referenzfunktionen auf diesen Punkt bezogen sind.
Warum wird für präzise Thermoelementkalibrierungen häufig ein Eispunkt verwendet?
Der Eispunkt bietet eine gut reproduzierbare praktische Temperaturreferenz nahe 0 °C. Bei korrekter Realisierung kann damit eine sehr stabile externe Vergleichsstelle geschaffen werden. Alternativ können speziell hierfür ausgelegte 0-°C-Kalibratoren verwendet werden.
Reichen Eiswürfel und Leitungswasser für eine präzise 0-°C-Referenz aus?
Nicht automatisch. Für eine genaue Eispunktreferenz müssen Aufbau, Eis-Wasser-Verhältnis, Reinheit, Eintauchtiefe, thermische Kopplung und Wärmeeintrag über Leitungen berücksichtigt werden. Für hochwertige Kalibrierungen sollte ein definierter Aufbau beziehungsweise eine geeignete Vergleichsstellenquelle verwendet werden.
Was ist der Unterschied zwischen der Vergleichsstelle und dem Referenzthermometer?
Das Referenzthermometer bestimmt die tatsächliche Temperatur an der heißen Kalibrierstelle. Die Vergleichsstelle definiert dagegen die elektrische Referenztemperatur des Thermoelementkreises. Bei einer Vergleichskalibrierung werden daher häufig beide benötigt.
Kann die interne Kaltstellenkompensation eines Messgeräts statt einer externen Vergleichsstelle verwendet werden?
Ja, abhängig von der erforderlichen Messunsicherheit. Eine interne Kaltstellenkompensation ist sehr praktisch und für viele industrielle Prüfungen ausreichend. Bei anspruchsvollen Laboraufbauten kann eine extern kontrollierte Vergleichsstelle jedoch eine kleinere und besser nachvollziehbare Unsicherheit ermöglichen.
Warum muss die Anschlussleitung zum Thermoelementtyp passen?
Weil sich die Leitung innerhalb des thermoelektrischen Kreises befindet. Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen besitzen definierte thermoelektrische Eigenschaften für den jeweiligen Thermoelementtyp. Eine falsche Leitung kann zusätzliche Thermospannungen und damit systematische Temperaturfehler erzeugen.
Kann nach der externen Vergleichsstelle normale Kupferleitung verwendet werden?
Ja, wenn die Vergleichsstelle eindeutig an den Übergängen vom Thermoelement- beziehungsweise Kompensationsmaterial auf Kupfer definiert ist und beide Übergänge dieselbe bekannte Temperatur besitzen. Ab diesem Punkt kann das mV-Signal über geeignete Kupferleitungen zum Messgerät geführt werden.
Was passiert, wenn Plus- und Minusleitung vertauscht werden?
Die Polarität der Thermospannung wird vertauscht. Dies führt je nach Temperaturzustand zu stark fehlerhaften beziehungsweise gegenläufigen Anzeigen und ist deshalb bei der Vorbereitung des Prüfaufbaus unbedingt zu kontrollieren.
Kann ein Thermoelement mit einem Trockenblock kalibriert werden?
Ja. Trockenblockkalibratoren sind für viele industrielle Thermoelementkalibrierungen sehr gut geeignet. Für geringe Messunsicherheiten müssen jedoch Eintauchtiefe, Blockhomogenität, Bohrung, thermische Kopplung und die Position des externen Referenzfühlers berücksichtigt werden.
Warum ist die Eintauchtiefe bei Thermoelementen wichtig?
Bei zu geringer Eintauchtiefe kann Wärme entlang des Fühlers zur Umgebung abgeleitet werden. Die eigentliche Messstelle erreicht dann möglicherweise nicht vollständig die Temperatur der Kalibrierzone. Dadurch entsteht eine zusätzliche Abweichung.
Warum kann ein gebrauchtes Thermoelement bei unterschiedlicher Eintauchtiefe verschiedene Ergebnisse liefern?
Durch langzeitige Temperaturbelastung, chemische Einflüsse oder Gefügeänderungen können die thermoelektrischen Eigenschaften des Drahtes entlang seiner Länge inhomogen werden. Wird ein solcher Bereich bei einer anderen Eintauchtiefe in einen Temperaturgradienten verschoben, kann sich die resultierende Thermospannung verändern.
Welche Norm ist für die Thermoelementkennlinien relevant?
IEC 60584-1 definiert die Referenzfunktionen und Toleranzen für verschiedene genormte Thermoelementtypen. Die darin angegebenen Thermospannungen beziehen sich auf eine Vergleichsstelle bei 0 °C. Für Verlängerungs- und Ausgleichsleitungen ist insbesondere IEC 60584-3 relevant.
Ist die Toleranzklasse eines Thermoelements dasselbe wie seine Kalibrierunsicherheit?
Nein. Eine Toleranzklasse beschreibt die zulässige Abweichung eines Thermoelements gemäß der entsprechenden Spezifikation. Eine Kalibrierung bestimmt dagegen die individuelle Abweichung eines konkreten Prüflings an bestimmten Kalibrierpunkten. Die Messunsicherheit beschreibt zusätzlich die Unsicherheit, mit der diese Abweichung bestimmt wurde.
Welche Werte sollten bei der Kalibrierung dokumentiert werden?
Mindestens sollten Referenztemperatur, Thermospannung, Vergleichsstellentemperatur beziehungsweise verwendete 0-°C-Referenz, daraus berechnete Thermoelementtemperatur, Abweichung und Messunsicherheit dokumentiert werden. Zusätzlich sind Informationen über Thermoelementtyp, verwendete Anschlussleitung, Eintauchtiefe, Kalibriergeräte und Messstellenaufbau sinnvoll.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl eines geeigneten Kalibrieraufbaus?
Hilfreich sind Thermoelementtyp, Bauform und Durchmesser des Fühlers, gewünschter Temperaturbereich, geforderte Messunsicherheit, Anzahl der Kalibrierpunkte, gewünschte externe Vergleichsstelle, vorhandene Anschlussleitung, Anzahl gleichzeitig zu prüfender Sensoren sowie Anforderungen an Dokumentation, DAkkS-Kalibrierung und mobile oder stationäre Verwendung.