Temperaturschalter kalibrieren – so funktioniert’s

Temperaturschalter werden meist in verschiedenen industriellen Anwendungen zum Steuern bestimmter Funktionen gebraucht. Wie jedes Messgerät müssen auch diese in regelmäßigen Abständen kalibriert werden, um ein genaues und zuverlässiges Arbeiten zu gewährleisten. Mangelnde oder ungenaue Kalibrierungen können schwerwiegende Folgen haben. Die Kalibrierung eines Temperaturschalters unterscheidet sich beispielsweise von der eines Temperatursensors oder Transmitters. Aus diesem Grund soll in diesem Blogbeitrag die korrekte Kalibrierung eines Temperaturschalters erklärt werden. Los geht's!

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Inhaltsübersicht

• Wie funktioniert ein Temperaturschalter?
• Das Grundprinzip der Kalibrierung von Temperaturschaltern
• Allgemeine Terminologie
• Ist der Temperaturfühler separat oder integriert?
• So werden Temperaturschalter kalibriert
• Eine Übersicht der einzelnen Schritte einer Temperaturschalter-Kalibrierung
• Dokumentation der Kalibrierung, messtechnische Rückführbarkeit und Kalibrierunsicherheit
• Verwandte Blogbeiträge
• Die Beamex-Lösung für die Kalibrierung von Temperaturschaltern

Wie funktioniert ein Temperaturschalter?

Vereinfacht gesagt, handelt es sich bei einem Temperaturschalter um ein Temperaturmessgerät, das bei einer bestimmten Temperatur eine gewünschte Funktion ausführt (ein Schalter öffnet oder schließt).

Einer der gängigsten Temperaturschalter ist der Thermostatschalter eines elektrischen Heizkörpers. Der Thermostat kann auf die gewünschte Temperatur programmiert werden und sobald die Raumtemperatur unter der eingestellten Temperatur liegt, schaltet der Thermostat den Heizkörper ein; bei höherer Raumtemperatur stellt der Thermostat die Heizung entsprechend ab.

In der Praxis gibt es eine leichte Differenz zwischen dem Schalt- und dem Rückschaltpunkt. Dies hat den Effekt, dass die Temperaturregelung nicht zu oszillieren beginnt, wenn die gewünschte Temperatur erreicht wird. Diese Differenz wird als Hysterese oder Totbereich bezeichnet. Am vorstehenden Beispiel des Heizkörpers zeigt sich, dass bei einer Einstellung des Thermostats auf 20 °C der Heizkörper bei einer Raumtemperatur unter 19°C zu heizen beginnt und sich bei 21 °C abschaltet, wodurch ein Totbereich von 2 °C entsteht.

In der Industrie gibt es selbstverständlich viele unterschiedliche Anwendungen für Temperaturschalter.

Das Grundprinzip der Kalibrierung von Temperaturschaltern

Im weiteren Verlauf dieses Artikels wird näher auf die Details der Kalibrierung von Temperaturschaltern eingegangen. Doch zunächst sprechen wir kurz das Grundprinzip der Kalibrierung von Temperaturschaltern an:

Zur Kalibrierung eines Temperaturschalters müssen Sie die Temperatur am Schalteingang (dem Temperaturfühlerelement) langsam erhöhen und dabei gleichzeitig den Schaltausgang messen, um zu überprüfen bei welcher Temperatur sich der Schaltzustand ändert. Anschließend sollten Sie die Temperatur schrittweise reduzieren, um den "Rückschaltpunkt" zu ermitteln, an dem der Schalter wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückschaltet.

Sobald sich der Schaltausgang ändert, müssen Sie die Eingangstemperatur genau in diesem Moment erfassen.

Der Schaltausgang weist in der Regel nur zwei Schaltzustände auf, z. B. offen oder geschlossen.

Allgemeine Terminologie

Ein oft diskutierter Punkt ist der Zustand eines Schaltertyps, also ob dieser normal offen (NO) (oder „schließend“) oder normal geschlossen (NC) (oder “öffnend“) ist. Dies gibt an, ob die Schaltkontakte standardmäßig offen oder geschlossen sind. Im Normalzustand befinden sich Temperaturschalter üblicherweise bei der Messung der Umgebungstemperatur.

Schaltpunkte werden auch als Schalt- und Rückschaltpunkte oder als Ein- und Ausschaltpunkte bezeichnet.

Die Temperaturdifferenz zwischen den Schaltpunkten wird als Totbereich bezeichnet. Ein gewisser Differenzwert zwischen den Schaltpunkten Schließen/Öffnen ist erforderlich, um ein eventuelles Ein- und Ausschalten des Schalters zu vermeiden, wenn diese bei exakt der gleichen Temperatur betrieben werden. Bei Anwendungen mit sehr geringem Totbereich ist eine zusätzliche Schaltlogik vorgesehen, die ein Oszillieren des Schalters verhindert.

Die Schaltausgänge sind entweder mechanisch (öffnen/schließen), elektronisch oder digital.

Erwähnenswert sind auch die potentialfreien und potentialbehafteten Schalter. Bei einem potentialfreien Schalter sind die Anschlüsse offen oder geschlossen; er funktioniert wie ein mechanischer Schalter. Ein potentialbehafteter Schalter hat zwei unterschiedliche Spannungswerte, welche die Ausgangszustände darstellen.

Bei einigen Schaltern liegt bei geöffnetem Schalter zudem Netzspannung über den Kontakten an. Dies stellt ein Sicherheitsproblem sowohl für Personen als auch für Prüfgeräte dar und sollte beim Prüfen des Schalters beachtet werden.

Ausführlichere Erläuterungen zur Terminologie finden Sie im folgenden Blogbeitrag:

Druckschalterkalibrierung

Handelt es sich um einen separaten oder integrierten Temperatursensor?

Ein Temperaturschalter verfügt über ein Element für die Temperaturmessung (sprich einem Temperatursensor), da mit diesem eine Temperaturmessung durchgeführt wird.

In einigen Fällen handelt es sich beim Temperatursensor um ein separates Gerät, das sich vom Schalter trennen lässt; während in anderen Fällen der Sensor fest mit dem Schalter verbunden ist und sich daher nicht trennen lässt.

Diese zwei unterschiedlichen Aufbauten erfordern sehr differenzierte Methoden zur Kalibrierung des Schalters.

Wie bereits oben erwähnt, muss für den Schalteingang eine sich langsam ändernde Temperatur vorgegeben werden. Die Vorgehensweise ist sehr unterschiedlich. Je nachdem, ob der Schalter einen integrierten Temperatursensor hat oder ob der Sensor entfernt werden kann.

Betrachten wir zunächst diese beiden möglichen Szenarien.

#1 - Temperaturschalter mit separatem/demontierbarem Temperatursensor

In manchen Fällen können Sie den Temperatursensor vom Temperaturschalter entfernen. Bei dem Sensor handelt es sich meist um einen gängigen Standardsensor; wie z. B. einen Pt100-Fühler (oder ein Thermoelement). In solchen Fällen können Sie den Schalter ohne den Temperatursensor kalibrieren, indem Sie einen Simulator oder Kalibrator verwenden. Dieser simuliert das Signal des Pt100-Fühlers und erzeugt eine langsame Temperaturrampe (oder eine Sequenz sehr kleiner Schritte) als Schalteingang.

Selbstverständlich ist auch eine Kalibrierung des Temperatursensors erforderlich. Dieser lässt sich mit einer „normalen“ Temperatursensor-Kalibrierung (mit festen Temperatur-Sollwerten) vornehmen. Dabei ist eine langsam ansteigende Temperatur nicht erforderlich, was die Sensorkalibrierung deutlich vereinfacht (und zudem mit weniger Unsicherheiten verbunden ist).

Bei Anwendungen, bei denen eine höhere Genauigkeit gefordert ist, kann der Schalter den Fehler des RTD-Sensors durch Korrekturkoeffizienten kompensieren (wie beispielsweise ITS-90 oder durch die Callendar van Dusen-Gleichung). Der verwendete Kalibrator/Simulator sollte diese bei der Simulation des Temperatursensors berücksichtigen können.

Erfahren Sie mehr über die Kalibrierung von Temperatursensoren im folgenden Beitrag: Temperatursensoren kalibrieren – so funktioniert’s.

Den Sensor und den Schalter können Sie auch als Messkreis kalibrieren; eine separate Kalibrierung ist dann nicht erforderlich. Eine separate Kalibrierung ist jedoch einfacher, wenn Sie kein Kalibriersystem haben, welches eine langsame und kontrollierte Temperaturrampe erzeugt.

Sollte der demontierbare Temperatursensor kein standardmäßiger Sensortyp sein (weder RTD noch Thermoelement), wird die separate Kalibrierung von Sensor und Schalter nicht möglich sein, weil Sie das Signal des nicht standardmäßigen Sensors weder messen noch simulieren können. In diesem Fall müssen Sie beide Komponenten kalibrieren, wenn diese miteinander verbunden sind (als ein Instrument).

#2 - Temperaturschalter mit integriertem/fest installiertem Temperatursensor

Ist Ihr Temperatursensor fest und nicht trennbar mit Ihrem Temperaturschalter verbunden, wird alles als ein einziges Instrument kalibriert. In einem solchen Fall müssen Sie eine Temperaturrampe mit einer Wärmequelle erzeugen, in die der Temperatursensor eingesetzt wird.

So werden Temperaturschalter kalibriert

Vor der Kalibrierung

Bevor Sie mit der Kalibrierung beginnen, sollten Sie die Messung vom Prozess trennen und sich mit dem Leitstand in Verbindung setzen, um sich zu vergewissern, dass die Kalibrierung keinen Alarm auslöst oder dadurch unerwünschte Folgen auftreten.

Führen Sie eine optische Prüfung des Schalters durch, um Beschädigungen festzustellen und um sicherzustellen, dass alle Anschlüsse ordnungsgemäß funktionieren.

Falls der Sensor verunreinigt ist, sollte dieser vor dem Einsetzen in den Temperaturblock gesäubert werden.

Erzeugen einer langsamen Temperaturrampe

Bei der gleichzeitigen Kalibrierung des Temperaturschalters und des zugehörigen Temperatursensors müssen Sie eine entsprechend langsame Temperaturrampe in der Wärmequelle erzeugen, in der Sie den Temperatursensor des Schalters einsetzen.

Sie benötigen also eine Wärmequelle, mit der eine kontrollierte Temperaturrampe bei gleichbleibender Geschwindigkeit erzeugt werden kann; und zwar so langsam, wie es für die Anwendung erforderlich ist.

In der Praxis können Sie relativ schnell einen Temperaturwert erzeugen, der nahe dem Kalibrierbereich (erwarteten Schaltpunkt) liegt. Nach der vollständigen Stabilisierung des Temperaturwerts können Sie die Temperatur anschließend langsam über den Kalibrierbereich (erwarteten Schaltpunkt) ansteigen lassen. Nach der Kalibrierung können Sie rasch wieder auf Raumtemperatur zurückkehren.

Am häufigsten wird eine solche Temperaturrampe mit Hilfe eines Temperatur-Trockenblocks erzeugt. Nicht alle Trockenblöcke ermöglichen es eine entsprechend langsame Temperaturrampe zu erzeugen. Zudem muss die sehr genaue Messung der erzeugten Temperatur bei gleichzeitiger Messung des Schaltausgangssignals möglich sein. Darüber hinaus sollte das Kalibriersystem die Eingangstemperatur genau in dem Moment automatisch erfassen, in dem sich der Zustand des Schaltausgangs verändert.

Nicht alle Temperatur-Kalibriersysteme können dies alles leisten. Der Beamex MC6-T Temperaturkalibrator hingegen erledigt das alles vollautomatisch. Und nicht nur das; auch viele andere Funktionen sind möglich. Überzeugen Sie sich selbst!

Verwenden Sie einen externen Referenz-Temperatursensor - nicht den internen Fühler!

Temperatur-Trockenblöcke verfügen in der Regel über einen internen Referenzsensor. Verwenden Sie diesen aber nicht zum Kalibrieren von Temperaturschaltern!

Der interne Referenzsensor befindet sich im unteren Teil des Temperaturblocks, welcher erhitzt und/oder gekühlt wird. Des Weiteren befindet sich der interne Referenzsensor üblicherweise im Bereich der Heiz-/Kühlelemente und reagiert entsprechend schnell auf Temperaturschwankungen.

Von dem Temperaturblock aus wird die Temperatur auf den Einsatz und von diesem auf den eigentlichen Temperatursensor übertragen. Zwischen dem internen Referenzsensor und dem zu kalibrierenden Sensor, der sich in der Öffnung des Einsatzes befindet, kommt es also stets zu einer deutlichen Verzögerung.

Bei einer normalen Sensorkalibrierung, die mit festen Temperaturpunkten erfolgt, ist eine solche Verzögerung unkritisch, da eine Stabilisierung der Temperaturen abgewartet werden kann. Allerdings hat diese Verzögerung bei der Kalibrierung von Temperaturschaltern enorme Auswirkungen und führt zu erheblichen Fehlern beim Kalibrierergebnis!

Sie sollten statt des internen Referenzsensors einen externen Referenzsensor verwenden, der gemeinsam mit dem zu kalibrierenden Sensor des Schalters in den Einsatz eingesetzt wird. Die Merkmale des externen Referenzsensors sollten denen des Temperaturschalter-Sensors ähneln, so dass sie sich bei einer gleichen Verzögerung auch gleich verhalten.

Beachten Sie dabei auch, dass sich die Abmessungen des Referenzsensors und des Temperaturschalter-Sensors möglichst ähneln (z. B. ähnliche Länge und Durchmesser). Die gleiche Länge der Sensoren ermöglicht, dass diese gleich tief in den Einsatz eintauchen und dieselbe Eintauchtiefe erreichen. Unterschiedliche Eintauchtiefen führen zu Fehlern und Unsicherheiten bei der Kalibrierung.

Das Ausgangssignal des Referenz-Temperatursensors sollte unbedingt ebenfalls mit einem genauen Gerät gemessen werden.

Messung des Schalterausgangs

Ist die Erzeugung der Rampe für die Eingangstemperatur sichergestellt, müssen Sie noch den Schalterzustand über die Ausgangsklemmen des Schalters ermitteln.

Bei einem herkömmlichen Auf-/Zu-Schalter benötigen Sie ein Messgerät zum Prüfen, ob die Schaltkontakte offen oder geschlossen sind.

Handelt es sich um einen moderneren Schalter mit elektrischem Ausgang, muss es möglich sein, diesen zu messen. Dies könnte eine Strommessung für ein mA-Signal oder eine Spannungsmessung für ein Spannungssignal sein.

Da es für den Schaltausgang jedoch zwei Zustände gibt, benötigen Sie ein Gerät, das beide Zustände messen und erfassen kann.

Erfassen der Schaltpunkte

Bei der manuellen Kalibrierung müssen Sie zunächst mit einer Temperaturrampe starten und den Schalterausgang überwachen. Ändert sich der Schalterzustand, muss die Eingangstemperatur abgelesen werden, d.h. der vom Referenz-Temperatursensor angezeigte Wert. Dies entspricht dem Schaltpunkt des Temperaturschalters. Normalerweise werden beide Schaltpunkte ("Schalt-" und "Rückschaltpunkt") mit steigenden und fallenden Temperaturen kalibriert, um die Differenz zwischen diesen zu ermitteln; die sogenannte Hysterese (Totbereich).

Möchten Sie dies nicht manuell vornehmen, benötigen Sie ein System, das alle erforderlichen Funktionen automatisch ausführt. Dieses muss:

• die Temperaturrampe erzeugen, die im entsprechenden Temperaturbereich für den jeweiligen Schalter in gewünschter Geschwindigkeit auf- und absteigt
• den Zustand des Schaltausgangs messen (öffnen/schließen bzw. ein/aus)
• den in der Wärmequelle eingesetzten Referenz-Temperatursensor messen
• die Temperatur erfassen, sobald sich der Schalterzustand ändert

Eine Übersicht der einzelnen Schritte einer Temperaturschalter-Kalibrierung

Abschließend eine kurze Zusammenfassung der für die Kalibrierung eines Temperaturschalters erforderlichen Schritte:

1. Vorbereitung auf die Kalibrierung (vom Prozess trennen, sicherheitshalber isolieren, Sichtprüfung, Reinigung).
2. Führen Sie den Temperatursensor des Temperaturschalters und einen Referenzsensor in die Wärmequelle ein.
3. Schließen Sie den Schalterausgang an ein Messgerät an, mit dem der Schalterzustand " öffnen/schließen" ermittelt wird.
4. Nähern Sie sich durch eine vorgegebene Temperaturrampe zügig dem Schaltbereich und warten Sie bis sich die Temperatur stabilisiert hat.
5. Fahren Sie die Temperatur sehr langsam über den Nennschaltbereich des Schalters hoch.
6. Sobald sich der Schalterausgang (Sollwert) ändert, erfassen Sie die Temperatur in der Wärmequelle.
7. Fahren Sie die Temperatur anschließend langsam in die entgegengesetzte Richtung, bis der Schalter wieder anspricht (Rückschaltpunkt). Erfassen Sie die Temperatur.
8. Wiederholen Sie so oft wie nötig die Schritte 5 bis 7, bis die Wiederholbarkeit des Schalters ermittelt ist. Üblich sind drei (3) Wiederholungen dieses Vorgangs.
9. Bringen Sie die Temperatur der Wärmequelle wieder auf Raumtemperatur.
10. Dokumentieren Sie die Ergebnisse der Kalibrierung.
11. Sollte die Kalibrierung fehlgeschlagen sein und der Schalter die Genauigkeitsanforderungen nicht erfüllen, nehmen Sie die erforderlichen Einstellungen vor, reparieren Sie den Schalter oder ersetzen Sie diesen.
12. Wiederholen Sie den gesamten Kalibriervorgang, Justagen durchgeführt wurden.
13. Schließen Sie den Schalter wieder an den Prozess an.
    
    

In der vorstehenden Grafik wird ein möglicher Temperaturverlauf bei der Kalibrierung eines Temperaturschalters gezeigt. Zu Beginn können Sie einen Temperaturpunkt zügig in die Nähe des Kalibrierbereichs anfahren, die Temperatur vollständig stabilisieren und diese anschließend langsam über den Kalibrierbereich hoch- und runterregeln, um die Schalt- und Rückschaltpunkte zu erfassen. In diesem Beispiel wurden drei Kalibrierwiederholungen durchgeführt, um die Wiederholbarkeit des Schalters zu dokumentieren. Nach der Kalibrierung lässt sich die Temperatur wieder schnell auf Raumtemperatur herunterregeln.

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Dokumentation der Kalibrierung, messtechnische Rückführbarkeit und Kalibrierunsicherheit

Einige wichtige Hinweise zur Kalibrierung von Temperaturschaltern bzw. zu Kalibrierungen jeglicher Art:

Dokumentation - eine Kalibrierung sollte immer dokumentiert werden; in der Regel erfolgt dies durch ein Kalibrierzertifikat.

Metrologische Rückführbarkeit - Kalibriergeräte sollten eine gültige metrologische Rückführbarkeit auf relevante Standards haben.

Weitere Informationen zur metrologischen Rückführbarkeit finden Sie in diesem Blog-Beitrag:

Messtechnische Rückführbarkeit in der Kalibrierung – Sind Ihre Messungen rückführbar?

Kalibrierunsicherheit - Die Kalibrierunsicherheit stellt einen wesentlichen Aspekt eines jeden Kalibrierprozesses dar. Sie sollten prüfen, wie "gut geeignet" Ihr Kalibrierprozess und die Kalibriergeräte sind und ob diese eine ausreichend geringe Unsicherheit für die jeweilige Kalibrierung bieten.

Weitere Informationen zur Kalibrierunsicherheit finden Sie im folgenden Blogbeitrag:

Messunsicherheit für Nicht-Mathematiker

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Die Beamex-Lösung für die Kalibrierung von Temperaturschaltern

Beamex bietet ein vollautomatisches System zur Kalibrierung von Temperaturschaltern. Das Kernstück dieser Lösung ist der Temperaturkalibrator Beamex MC6-T. Beim MC6-T handelt es sich um einen hochgenauen und vielseitigen Temperaturkalibrator mit integriertem Multifunktions-Prozesskalibrator und Kommunikator-Technologie.

Mit Hilfe des MC6-T können Sie die notwendige Temperaturrampe erzeugen, den Schalterausgang und den Referenz-Temperatursensor messen und die Schaltpunkte erfassen. Dies alles ist vollautomatisch durchführbar. Die Kalibrierergebnisse werden im Speicher des MC6-T abgespeichert. Von dort werden die Daten in die Kalibriersoftware Beamex CMX oder LOGiCAL hochgeladen, um sie in der Datenbank zu speichern und Kalibrierzertifikate zu erstellen. Der gesamte Kalibriervorgang wird automatisch und papierlos ausgeführt.

Erfahren Sie mehr über unseren MC6-T Kalibrator in unserem Video:

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Originaler Post: How to calibrate a temperature switch