Messunsicherheits-komponenten bei einer Temperaturkalibrierung mit einem Trockenblock-Kalibrator

Von Heikki Laurila 22.01.2020

Messunsicherheitskomponenten bei einer Temperaturkalibrierung mit einem Trockenblock-Kalibrator

In einigen früheren Artikeln haben wir die Temperaturkalibrierung und die Kalibrierunsicherheit bereits diskutiert. Dieses Mal behandeln wir die unterschiedlichen Messunsicherheitskomponenten, die Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie eine Temperaturkalibrierung mit einem Trockenblock-Kalibrator vornehmen.

Eine Temperaturkalibrierung mit einem Trockenblock scheint zunächst einfach und unkompliziert zu sein; jedoch gibt es einige mögliche Ursachen, die Messunsicherheiten und Fehler verursachen und die berücksichtigt werden sollten. Die größten Messunsicherheiten ergeben sich oft aus der Vorgehensweise bei der Kalibrierung und nicht unbedingt aufgrund der einzelnen Komponenten.

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Inhaltsverzeichnis:



 

Was ist ein „Trockenblock-Kalibrator“?

Was ist ein "Trockenblock-Kalibrator"?

Wir sollten zunächst klären, was ich mit einem „Temperatur-Trockenblock“ in dem Artikel meine.

Ein Temperatur-Trockenblock-Kalibrator wird manchmal auch als „dry block“ oder Temperatur-Kalibrator bezeichnet.

Es handelt sich hierbei um eine Vorrichtung, die auf unterschiedliche Temperaturwerte erhitzt und/oder abgekühlt werden kann und wie der Name schon sagt, wird er trocken und ohne Flüssigkeiten verwendet.

Ein Trockenblock-Kalibrator hat typischerweise einen entfernbaren Einsatz (oder eine Hülse) mit geeigneten Löchern/Bohrungen zum Einsetzen von Temperatursensoren.

Ein Trockenblock-Kalibrator verfügt normalerweise über einen eigenen internen Sensor, mit dem die Temperatur gemessen wird. Sie können aber auch einen externen Referenz-Temperatursensor verwenden, den Sie in einen der Bohrlöcher einsetzen.

Außerdem verfügt er über austauschbare Einsätze, sodass Sie die Möglichkeit für mehrere Einsätze haben, die jeweils mit unterschiedlichen Löchern versehen sind und sich so für die Kalibrierung unterschiedlich großer Temperatursensoren eignen.

Bei einem Trockenblock-Kalibrator ist es sehr wichtig, dass das vorgesehene Loch für den Temperatursensor zum Aussendurchmesser „passt“, um einen niedrigen Wärmewiderstand zwischen dem Sensor und dem Einsatz zu sichern. Bei einem zu großen Bohrloch stabilisiert sich der Sensor nur sehr langsam oder erreicht die Temperatur des Einsatzes gar nicht erst.

Normalerweise würde man einen Temperatursensor in den Trockenblock-Kalibrator zum Kalibrieren einsetzen oder um eine Temperaturschleife zu kalibrieren, wobei der Temperatursensor die erste Komponente in der Schleife ist.

Die wesentlichen Vorteile eines Trockenblocks bestehen darin, dass er im Feld leicht einzusetzen ist und keine heißen Flüssigkeiten ausgeschüttet werden, wenn Sie ihn transportieren. Ein Trockenblock-Kalibrator verunreinigt die zu kalibrierenden Temperatursensoren daher auch nicht.

Trockenblock-Kalibratoren kommen fast ausschließlich trocken zum Einsatz. In einigen sehr seltenen Fällen können Wärmeübertragungsflüssigkeiten oder eine dickflüssige Paste verwendet werden. Trockenblock-Kalibratoren können jedoch meistens durch Flüssigkeiten beschädigt werden.

Der Einsatz von Ölen oder Pasten stellt auch ein potenzielles Gesundheits- und Brandrisiko dar, wenn sie zu einem späteren Zeitpunkt bei höheren Temperaturen den Flammpunkt der Fremdsubstanz überschreiten. Ein auf 660 °C erhitzter Trockenblock-Kalibrator, der Silikonöle beinhaltet, sieht zwar nach außen normal aus, gast jedoch beim Erhitzen schädliche Dämpfe aus. Kalibrierlaboratorien haben damit wahrscheinlich mehr Erfahrung, als sie es gerne zugeben würden.

Einer der Nachteile von Trockenblock-Kalibratoren könnte eine geringere Genauigkeit/Stabilität als bei einem Flüssigkeitsbad sein und dass es schwieriger ist eine Kalibrierung bei sehr kurzen und ungerade geformten Sensoren durchzuführen.

 

Also handelt es sich hierbei nicht um ein „Bad“?

Nein, es ist ein Trockenbad.

Es gibt auch Temperaturbäder mit Flüssigkeit im Inneren. Die Flüssigkeit wird zunächst erhitzt oder gekühlt und die zu kalibrierenden Temperatursensoren dann hinein getaucht. Für eine gleichmäßige Temperaturverteilung wird die Flüssigkeit zudem gerührt.

Es gibt auch einige Kombinationen aus Trockenblock und Flüssigkeitsbad, welche in der Regel Geräte mit separaten Trocken- und Flüssigkeitseinsätzen beinhalten.

Die Vorteile eines Flüssigkeitsbades sind eine bessere Temperaturhomogenität und -stabilität sowie dass sie bestens für kurze und ungerade geformte Sensoren geeignet sind.

Die Nachteile von Flüssigkeitsbädern sind jedoch ihre größeren Maße, z. B. Größe und Gewicht. Außerdem gestaltet sich das Arbeiten mit heißen Flüssigkeiten und ihrer schlechteren Tragbarkeit als oft langsamer als mit Trockenblock-Kalibratoren.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedenfalls auf die Temperatur-Trockenblock-Kalibratoren; kommen wir also zu ihnen zurück.

 

EURAMET-Richtlinien

Werfen wir doch mal einen kurzen Blick in das Euramet- Richtlinien-Handbuch, bevor wir weiter fortfahren, denn sie sind für dieses Thema von entscheidender Bedeutung.

EURAMET ist eine regionale metrologische Organisation (RMO) in Europa. Über diese Organisation wird auch die Zusammenarbeit der National Metrology Institute (NMI) in Europa koordiniert. Mehr Information zu Euramet erhalten Sie unter https://www.euramet.org/.

Euramet informiert zudem über verschiedene wichtige Richtlinien im Zusammenhang mit Kalibrierungen.

Eine der Kalibrierungen, die hier zu erwähnen wären, ist die Temperatur-Trockenblock-Kalibrierung: EURAMET Kalibrier- Richtline Nr. 13, Version 4.0 (09/2017) mit dem Titel „Richtlinien für die Kalibrierung von Temperaturblock-Kalibratoren“.

Die Vorgängerversion 3.0 wurde im Jahr 2015 veröffentlicht. Und die erste Version wurde 2007 publiziert, welche früher EA-10/13 hieß, sodass Sie möglicherweise gelegentlich auch auf diesen Namen stoßen werden.

Diese Richtlinie definiert eine Standardmethode zur Kalibrierung von Temperatur-Trockenblock-Kalibratoren. Viele Hersteller gehen nach dieser Richtlinie vor, wenn es um Kalibrieren von Trockenblock-Kalibratoren geht und richten sich bei den Vorgaben für ihre Trockenblock-Kalibratoren nach ihr.

Einige hervorzuhebende Inhalte der neuesten Version 4.0 sind folgende:

  • Anwendungsbereich
  • Kalibrierfähigkeit
  • Charakterisierung
    • Axiale Homogenität
    • Temperaturunterschied zwischen Bohrlöchern
    • Auswirkungen der Beladung
    • Stabilität über die Zeit
    • Wärmeleitung
  • Kalibrierungen
    • Messungen
    • Messunsicherheiten
  • Berichtsergebnisse
  • Beispiele

Sie können das Euramet-Handbuch (ENG) hier kostenlos als PDF herunterladen:

Guidelines on the Calibration of Temperature Block Calibrators

 

Messunsicherheitskomponenten

Kommen wir zu den derzeitigen Messunsicherheitskomponenten. Wenn eine Temperaturkalibrierung unter Verwendung eines Trockenblocks vorgenommen wird, sind dies die Ursachen, die zu Messunsicherheiten führen.

 

Interner oder externer Referenzsensor?

Es gibt zwei grundsätzliche Methoden, um die wahre (korrekte) Temperatur eines Trockenblocks zu messen. Eine dieser Methoden ist die Verwendung der internen Messung mit einem internen Referenzsensor, der in den Trockenblock-Kalibrator eingebaut ist. Die andere Methode ist die Verwendung eines externen Referenzsensors, der in das Bohrloch/Loch des Einsatzes eingesetzt wird.

Es gibt einige grundlegende Unterschiede zwischen diesen beiden Methoden und sie haben eine andere Auswirkung auf die Messunsicherheit selbst. Gehen wir näher auf diese beiden Methoden ein:

Interner oder externer Referenzsensor?

 

1. Interner Referenzsensor

Ein interner Referenzsensor ist fest im Metallblock innerhalb des Trockenblock-Kalibrators eingebaut. Er befindet sich normalerweise im unteren Bereich und ist Teil des Metallblocks, das heißt seitlich des austauschbaren Einsatzes. Dieser interne Sensor misst demzufolge nicht direkt die Temperatur des Einsatzes, an der die zu kalibrierenden Sensoren eingefügt werden, sondern die Temperatur des umgebenden Blocks selbst. Da zwischen dem Block und dem Einsatz stets ein gewisser Wärmewiderstand besteht, ist diese Messmethode nicht die präziseste.

Vor allem bei Temperaturänderungen ändert sich normalerweise die Temperatur des Blocks schneller als die des Einsatzes. Wenn die Kalibrierung zu schnell durchgeführt wird, ohne eine ausreichende Stabilisierungszeit abgewartet zu haben, führt dies zu Fehlern.

Ein interner Referenzsensor ist jedoch recht praktisch, da er sich immer innerhalb des Blocks befindet und hierfür keine spezielle Einsatzbohrung freigehalten werden muss.

Die Rekalibrierung der internen Messung ist etwas schwierig, weil der gesamte Trockenblock-Kalibrator erneut kalibriert werden muss.

Das Signal eines internen Messsensors wird direkt mit einem internen Messkreis im Trockenblock-Kalibrator gemessen und im Display des Blocks angezeigt. Die Messung wird genauestens angezeigt.

Wie bereits erwähnt, ist diese Genauigkeitsangabe in der Praxis nur unter sehr stabilen Bedingungen möglich und umfasst nicht die Messunsicherheiten, die bei zu schnell durchgeführten Kalibrierungen entstehen, oder wenn die zu kalibrierenden Sensoren sich nicht in der Kalibrierzone im unteren Teil des Einsatzes in einem dafür vorgesehenen ausreichend passenden Loch befinden.

In den zuvor angeführten Abbildungen wird gezeigt, wo sich der interne Referenzsensor im Temperaturblock befindet und der zu kalibrierende Sensor in den Einsatz eingesetzt wird. Wenn der zu kalibrierende Sensor lang genug ist und den Boden des Einsatzes erreicht, der Bohrungsdurchmesser „passend“ ist und wir lange genug auf die Stabilisierung gewartet haben, können wir eine „gute“ Kalibrierung mit einem geringen Fehler erwarten (erstes Bild).

Auf dem zweiten Bild ist zu sehen, was passiert, wenn der zu kalibrierende Sensor zu kurz ist, um bis zu dem Boden des Einsatzes zu reichen. In diesem Fall befinden sich der interne Referenzsensor und der zu kalibrierende Sensor auf unterschiedlichen Höhen und messen verschiedene Temperaturen.

 

2. Externer Referenzsensor

Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines externen Referenzsensors. Hier wird dieser in ein geeignetes Loch eingesetzt, während die zu kalibrierenden Sensoren in die anderen Löcher des gleichen Einsatzes eingesetzt werden. Wenn der externe Referenzsensor mit den zu kalibrierenden Sensoren in denselben Metalleinsatz integriert wird, kann er die von den anderen kalibrierenden Sensoren gemessene Temperatur genauer messen.

Der Referenzsensor sollte idealerweise ähnliche thermische Eigenschaften wie die zu kalibrierenden Sensoren aufweisen (gleiche Größe und Wärmeleitfähigkeit). In diesem Fall werden der externe Referenzsensor und der zu kalibrierende Sensor bei Temperaturveränderungen des Einsatzes ähnlich reagieren.

Der externe Referenzsensor muss selbstverständlich auch in irgendeiner Form gemessen werden. Ein Trockenblock-Kalibrator verfügt in den meisten Fällen über eine interne Messschaltung und einen Anschluss für den externen Referenzsensor oder es kann zusätzlich ein externes Messgerät verwendet werden. Hier muss die Messunsicherheit des Referenzsensors und die der Messschaltung berücksichtigt werden.

Die Verwendung eines präzisen externen Referenzsensors führt zu einer genaueren Kalibrierung mit geringerer Messunsicherheit (verglichen mit einem internen Referenzsensor). Daher ist dieser sehr zu empfehlen, wenn Sie eine hohe Genauigkeit wünschen (geringe Messunsicherheit).

Ein externer Referenzsensor sorgt für mehr Zuverlässigkeit. Sollten die internen und externen Sensorwerte stark voneinander abweichen, ist dies ein Warnsignal für den Benutzer, dass etwas nicht stimmt; was bedeutet, dass die Messungen möglicherweise nicht vertrauenswürdig sind.

Um eine Rekalibrierung durchzuführen, kann bei einem externen Referenzsensor nur der Referenzsensor und nicht der gesamte Trockenblock-Kalibrator zur Rekalibrierung eingesendet werden. In diesem Fall wird die Funktionalität – wie beispielsweise die axiale Temperaturhomogenität – des Trockenblock-Kalibrators logischerweise nicht überprüft (und falls nötig angepasst).

Wenn der Trockenblock-Kalibrator nicht zur Kalibrierung eingesendet wird, muss der axiale Gradient regelmäßig selbst gemessen und aufgezeichnet werden, da er normalerweise die größte Unsicherheitskomponente darstellt – auch wenn der externe Referenzsensor verwendet wird. Andernfalls kann ein strenger Auditor die Rückführbarkeit Ihrer Messungen erheblich infrage stellen.

Ein weiterer Punkt ist, ob Sie einen Trockenblock-Kalibrator oder ein externes Thermometer oder Kalibrator verwenden, um den Referenzsensor zu messen. Sollte die eingebaute Referenzsensormessung angewendet werden, muss auch diese kalibriert werden.

Externer Referenzsensor

In den obigen Abbildungen wird gezeigt, wie sowohl der externe Referenzsensor als auch der Prüfling-Sensor (DUT) in dem Einsatz eingesetzt werden. Das erste Bild zeigt, wie beide Sensoren bis zur Unterseite des Einsatzes reichen. Im zweiten Fall wird ein Beispiel gezeigt, bei dem der Prüfling-Sensor kurz ist und der Referenzsensor exakt in derselben Tiefe wie der DUT-Sensor positioniert wurde.

Wenn sich der Sensor auf einer anderen Höhe befindet, führt dies zu weiteren Fehlern. Jedoch fallen die Fehler hier sogar noch geringer aus als bei einem internen Referenzsensor.

 

3. Axiale Temperaturhomogenität

Axiale Homogenität (oder axiale Gleichförmigkeit) bezieht sich auf die Temperaturdifferenz entlang der vertikalen Bohrlänge in dem Einsatz. Die Temperatur am Bodenende der Bohrung könnte beispielsweise von einer anderen Höhe in der Bohrung etwas abweichen. In der Regel ist die Temperatur ganz oben am Einsatz unterschiedlich, da die Temperatur in die Umgebung austritt, wenn sich die Blocktemperatur stark von der Umgebungstemperatur unterscheidet.

Bei einigen Temperatursensoren ist das eigentliche Messelement kürzer und andere länger. Bei einigen befindet sich das Messelement näher an der Spitze als bei anderen. Um zu gewährleisten, dass die verschiedenen Sensoren eine gleiche Temperatur aufweisen, sollte die homogene Zone im Boden des Blockeinsatzes lang genug sein. Normalerweise ist der angegebene Bereich 40 bis 60 mm lang.

Ein Trockenblock-Kalibrator sollte eine ausreichende Fläche im Einsatzboden haben, an dem die Temperaturhomogenität angegeben wird. Während einer Kalibrierung des Trockenblocks kann dies mit zwei hochpräzisen Referenzsensoren auf verschiedenen Höhen oder mit einem Sensor mit einem kurzen Sensorelement kalibriert werden, das schrittweise von unten angehoben wird. Diese Art von Sensor mit kurzen Sensorelementen muss stabil sein, aber nicht zwingend kalibriert werden, da er nur zum Messen von Temperaturdifferenzen in verschiedenen Höhen eingesetzt wird. Falls nötig kann der axiale Temperaturgradient wie gewohnt eingestellt werden.

Wenn Sie einen kurzen (Lebensmittel-/Pharma-) Temperatursensor haben, der nicht bis zum Boden der Bohrung im Einsatz reicht, ist es etwas komplizierter. An dieser Stelle kann die interne Referenzmessung im Trockenblock-Kalibrator nicht wirklich angewendet werden, wie dies normalerweise im unteren Bereich des Trockenblocks der Fall ist. Es sollte ein externer Referenzsensor verwendet werden und die Mitte des Messbereichs sollte so tief wie die des kurzen Sensors eingefügt werden. Häufig bedeutet dies, dass hierfür ein kurzer Referenzsensor verwendet und in die gleiche Tiefe wie der zu kalibrierende kurze Sensor eingesetzt werden sollte. Noch schwieriger gestaltet es sich, wenn der zu kalibrierende kurze Sensor einen großen Flansch hat, weil er die Temperatur des Sensors aufnimmt.

Zusammenfassend: Während der Kalibrierung sollte sichergestellt werden, dass der Referenzsensor in derselben Tiefe wie die zu kalibrierenden Sensoren eingesetzt wird. Wenn die Längen und Positionen der Sensorelemente bekannt sind, sollte versucht werden, die Mitten horizontal auszurichten. Wenn dies nicht möglich ist, sollte der dadurch verursachte Fehler einkalkuliert werden. Ein externer Temperatursensor sollte verwendet werden, wenn die Genauigkeitsanforderungen für die Kalibrierung höher sind oder wenn der zu kalibrierende Sensor nicht lang genug ist, um den Boden der Einsatzbohrung zu berühren.

In den folgenden Bildern wird dargestellt, was „axiale Temperatur-homogenität“ bedeutet. Normalerweise weist ein Trockenblock-Kalibrator einen Bodenbereich mit homogener Temperatur auf. Wenn die Sensoren jedoch angehoben werden, weichen die Temperaturen voneinander ab.

Axiale Temperaturhomogenität

 

4. Temperaturunterschiede zwischen den Bohrlöchern

Wie schon der Titel andeutet, wird die Temperaturdifferenz zwischen den Bohrlöchern manchmal als „radiale Gleichförmigkeit“ bezeichnet, also die Temperaturdifferenz zwischen den Bohrungen in dem Einsatz. Auch wenn der Einsatz aus Metallverbindungen besteht und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann es immer noch einen kleinen Unterschied zwischen den einzelnen Bohrungen geben, insbesondere den gegenüberliegenden.

Temperaturunterschiede zwischen den Bohrlöchern

Wenn in der Praxis zwei Sensoren in einem Einsatz in den verschiedenen Bohrlöchern eingesetzt sind, kann es zu einem geringen Temperaturunterschied kommen.

Dieser Unterschied kann dadurch entstehen, dass der Einsatz auf einer Seite des Blocks überwiegt oder der Einsatz ungleichmäßig beladen wird (mehr oder größere Sensoren auf einer Seite als auf der anderen Seite). Natürlich haben auch die an verschiedenen Seiten angeordneten Heiz- und Peltier-Elemente ihre Toleranzen.

Der Temperaturunterschied zwischen den Bohrungen ist in der Praxis relativ klein.

Zusammenfassend: Die Angabe der Temperaturdifferenz zwischen Bohrungen sollte berücksichtigt werden.

 

5. Der Einfluss der Beladung

Es wird immer etwas Wärme durch die Sensoren in die Umgebung abgeleitet (Leitfähigkeit), wenn die Temperatur des Blocks von der Umgebungstemperatur abweicht.

Wenn in dem Einsatz mehrere Sensoren installiert wurden, tritt mehr Temperatur in die Umgebung aus. Je dicker die Sensoren ausfallen, desto mehr Temperaturverlust tritt auf.

Je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem Einsatz und der Umgebungstemperatur ist, desto größer wird die Leckage.

Bei einer hohen Temperatur des Trockenblock-Kalibrators beispielsweise, wird der Einsatz wegen dieser Temperaturverluste aufgrund der Last abkühlen. Die Oberseite des Einsatzes verliert mehr Temperatur als die Unterseite des Einsatzes und die Oberseite kühlt schneller ab.

Je tiefer der Einsatz ist, desto geringer ist der Ladeeffekt. Einige Trockenblöcke verfügen außerdem über zwei oder mehr Heiz- bzw. Kühlzonen: eine unten, eine in der Mitte und eine im oberen Bereich des Blocks. Dies trägt dazu bei, den Ladeeffekt zu kompensieren (z. B. kann sich die obere Heizzone stärker erwärmt, um die Oberseite des Einsatzes bei Abkühlung auszugleichen).

Sollte die interne Referenzmessung des Trockenblock-Kalibrators vorgenommen werden, treten in der Regel größere Fehler auf, weil sich der interne Referenzsensor nicht im Einsatz befindet, sondern im unteren Bereich des umgebenden Blocks. Daher erkennt der interne Referenzsensor diesen Ladeeffekt nicht sehr gut.

Ein externer Referenzsensor kann den Ladeeffekt besser erkennen, weil er sich in dem Einsatz befindet und auch die gleiche Temperaturänderung erfährt. Der durch den Ladeeffekt verursachte Fehler ist bei Verwendung externer Referenzsensoren (im Vergleich zur Verwendung eines internen Referenzsensors) viel geringer und die Ergebnisse fallen daher besser aus.

Zusammenfassend: Überprüfen Sie den Ladeeffekt Ihres Trockenblock-Kalibrators in Ihrer Anwendung (wie viele Sensoren, welcher Sensortyp) und verwenden Sie diesen als eine Unsicherheitskomponente.

Die folgenden Abbildungen zeigen die Leitfähigkeit, die durch die Temperatur der Sensoren in die Umgebung entsteht. In der zweiten Abbildung sind mehrere Sensoren gleichzeitig zu sehen, der Leitwert/die Leckage fällt daher größer aus.

Der Einfluss der Beladung

 

6. Stabilität über einen gewissen Zeitraum

Die Stabilität über einen Zeitraum beschreibt, wie konstant stabil die Temperatur über einen längeren Zeitraum bleibt. Die Temperatur muss für eine bestimmte Zeit eine Konstante aufweisen, da die verschiedenen Sensoren unterschiedliche thermische Eigenschaften besitzen können und die Stabilisierung der verschiedenen Sensoren unterschiedlich lange dauert. Wenn die Temperatur ständig an- und absteigt, werden die verschiedenen Sensoren unterschiedliche Temperaturen anzeigen.

Sollte es zu gewissen Temperaturschwankungen kommen, führt ein externer Referenzsensor im Vergleich zu einem internen Referenzsensor trotzdem zu genaueren Ergebnissen. Häufig geben die Hersteller von Trockenblöcken einen Zeitraum von 30 Minuten an, die der Block für die Stabilisierung benötigt.

 

7. Sie sollten nichts überstürzen!

Wie wir wissen misst ein Temperatursensor immer nur seine eigene Temperatur, also nicht die Temperatur des Geräts, an dem er installiert wurde.

Außerdem ändert sich die Temperatur relativ langsam und es dauert einige Zeit bis sich alle Komponenten des Systems an die gleiche Temperatur angepasst haben, was also bedeutet, dass das System ein Gleichgewicht erlangt hat.

Wenn nun eine Temperaturkalibrierung mit einem Trockenblock-Kalibrator zu schnell vorgenommen wird, ist dies der größte Messunsicherheitsfaktor!

Lernen Sie Ihr System und die von Ihnen kalibrierten Sensoren kennen und experimentieren Sie, wie viel Zeit für eine ausreichende Stabilisierung benötigt wird.

Insbesondere wenn der interne Referenzsensor verwendet wird, erreicht er die eingestellte Temperatur schneller als die zu kalibrierenden Sensoren in dem Einsatz. Dies liegt daran, dass sich der interne Sensor in dem aufgeheizten/gekühlten Block befindet und die zu kalibrierenden Sensoren in dem Einsatz platziert wurden. Werden die Ergebnisse nun zu früh ausgewertet, führt dies zu größeren Fehlern.

Bei einem externen Referenzsensor hängt die Stabilisierung davon ab, wie sehr sich der Referenzsensor von den zu kalibrierenden Sensoren unterscheidet. Haben sie einen unterschiedlichen Durchmesser, muss höchstwahrscheinlich von unterschiedlichen Stabilisierungszeiten ausgegangen werden. Die Verwendung eines externen Referenzsensors ist jedoch viel genauer als die eines internen.

Häufig weist ein Trockenblock-Kalibrator einen Stabilitätsindikator auf, der jedoch lediglich die Stabilität der internen Referenzsensoren misst, weshalb Sie nicht nur diesem vertrauen sollten.

Zusammenfassend: sollte die Temperaturkalibrierung zu schnell durchgeführt werden, können die Ergebnisse fürchterlich ausfallen.

Temperatur über einen Zeitraum

Die obige Abbildung zeigt ein (überzogenes) Beispiel, bei dem der Sollwert der Temperatur zunächst 10 °C ist und beim Erreichen der 5-Minuten-Marke auf 150 °C ansteigt (die blaue Linie stellt den Sollwert dar).

Im Trockenblock-Kalibrator befinden sich zwei Sensoren - ein Referenzsensor und ein zu kalibrierender Sensor.

Erkennbar ist, dass der Sensor 1 (rote Linie) viel schneller reagiert und die Endtemperatur bei etwa 11 Minuten erreicht wird. Der Sensor 2 (grüne Linie) ändert sich viel langsamer und erreicht die Endtemperatur um die 18-Minuten-Marke.

Der Sensor 1 ist unser Referenzsensor und Sensor 2 der zu kalibrierende Sensor. Werden die Temperaturen zu früh bei 10 Minuten abgelesen, erhalten wir erheblich abweichende Ergebnisse (etwa bei 85 °C). Selbst wenn die Messwerte bei 15 Minuten gemessen werden, gibt es immer noch einen Unterschied von etwa 20 °C.

Daher sollte immer lang genug gewartet werden, um sicherzustellen, dass alle Sensoren die neue Temperatur erreichen, bevor die Messwerte gelesen werden.

 

Zusammenfassung

Eine Temperatur- (Sensor-) Kalibrierung mit einem Trockenblock-Kalibrator durchzuführen ist ziemlich einfach und unkompliziert. Es gibt jedoch viele mögliche Quellen für Messunsicherheiten und Fehler, die berücksichtigt werden sollten. Die größten Messunsicherheiten ergeben sich oftmals aufgrund der Vorgehensweise bei der Kalibrierung und nicht unbedingt wegen der Komponenten selbst.

Haben Sie z.B. einen genauen Trockenblock mit einer Gesamtmessunsicherheit von 0,05 °C und einen hochwertigen Referenzsensor mit einer Messunsicherheit von 0,02 °C, kann die Kalibrierung eines Temperatursensors mit diesen Geräten jedoch eine Messunsicherheit von mehreren Graden aufweisen, wenn sie nicht ordnungsgemäß durchgeführt wird. Das ist ein Grund, weshalb ich die Debatte über TAR (Test Accuracy Ratio) nicht besonders mag, weil nicht alle verursachten Messunsicherheiten beim Kalibrierverfahren berücksichtigt werden.

Ich hoffe, die in diesem Artikel aufgeführten Überlegungen helfen Ihnen, künftig mögliche Messunsicherheitsquellen zu erkennen und zu minimieren.

 

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Originaler Post: Uncertainty components of a temperature calibration using a dry block

Veröffentlicht am: 23. August 2018

 

 

Kategorie: Temperaturkalibrierung, Messunsicherheit

Heikki Laurila

Geschrieben von Heikki Laurila

Heikki Laurila is Product Marketing Manager at Beamex Oy Ab. He started working for Beamex in 1988 and has, during his years at Beamex, worked in production, the service department, the calibration laboratory, as quality manager and as product manager. Heikki has a Bachelor’s degree in Science. Heikki's family consists of himself, his wife and their four children. In his spare time he enjoys playing the guitar.

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