Temperatursensoren kalibrieren – so funktioniert’s

Die Temperaturmessung ist eine der gängigsten Messmethoden in der Prozessindustrie.

In jedem Temperaturmesskreis kommt ein Temperatursensor als erste Komponente in der Schleife zum Einsatz. Es beginnt also alles mit einem Temperatursensor. Der Temperatursensor spielt eine entscheidende Rolle in der Genauigkeit des gesamten Temperaturmesskreislaufes. Wie jedes Messgerät das präzise funktionieren soll, muss auch der Temperatursensor regelmäßig kalibriert werden.

Man könnte sich die Frage stellen: Weshalb sollte man die Temperatur messen, wenn einem die Genauigkeit egal ist?

In diesem Artikel werfen wir einen Blick darauf, wie Temperatursensoren kalibriert werden und was bei der Kalibrierung von Temperatursensoren zu beachten ist.

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Inhalt

• Was ist ein Temperatursensor?
• Messung des Temperatursensorausgangs
• Wie kalibriert man nun einen Temperatursensor?
• So kalibriert man Temperatursensoren – was zu beachten ist
  • 1 - Bediendung des Temperatursensors
  • 2 - Vorbereitungen
  • 3 - Temperaturquelle
  • 4 - Referenz-Temperatursensor
  • 5 - Messung des Temperatursensor-Ausgangssignals
  • 6 - Eintauchtiefe
  • 7 - Stabilisierung
  • 8 - Temperatursensor-Griff
  • 9 - Kalibrierter Temperaturbereich
  • 10 - Kalibrierpunkte
  • 11 - Justieren / Trimmen eines Temperatursensors
• Andere zu beachtende Aspekte
  • Dokumentation
  • Rückführbarkeit
  • Unsicherheit
  • Automatisierung der Kalibrierung

Was ist ein Temperatursensor?

Beginnen wir mit den Grundlagen … und erörtern zunächst, was ein Temperatursensor ist:

Wie der Name schon sagt, ist ein Temperatursensor ein Gerät, mit dem die Temperatur gemessen werden kann. Sein Ausgangssignal reagiert proportional zur angelegten Temperatur. Wenn sich die Temperatur des Sensors ändert, ändert sich entsprechend auch die Ausgangsanzeige.

Es gibt mehrere Arten von Temperatursensoren mit unterschiedlichen Ausgangssignalen. Einige verfügen über einen Widerstandsausgang, andere über ein Spannungssignal, wiederum andere haben ein digitales Signal und vieles mehr.

In der Praxis wird bei industriellen Anwendungen das Signal des Temperatursensors an einen Temperaturmessumformer angeschlossen, der das Signal in ein Format umwandelt, das bei größeren Entfernungen einfacher an das Leitsystem (DCS, SCADA) übertragen werden kann.

Jahrzehntelang wurde das Standardsignal 4 bis 20 mA verwendet, da ein Stromsignal über größere Entfernungen übertragen werden kann und auch die Stromstärke bei einem gewissen Widerstand entlang der Leitungen konstant bleibt. Heutzutage werden jedoch Transmitter mit digitalen oder sogar drahtlosen Signalen eingesetzt.

Für die Temperaturmessung wird als Messelement ohnehin der Temperatursensor verwendet.

Messung des Temperatursensorausgangs

Da die meisten Temperatursensoren einen elektrischen Ausgang haben, muss dieser Ausgang selbstverständlich in irgendeiner Art und Weise gemessen werden. Man benötigt allerdings ein Messgerät, um den Ausgang, z. B. den Widerstand oder die Spannung zu messen.

Das Messgerät zeigt häufig eine elektrische Größe (Widerstand oder Spannung) und keine Temperatur an. Daher sollte man wissen, wie dieses elektrische Signal in einen Temperaturwert umgewandelt wird.

Die meisten Standard-Temperatursensoren entsprechen internationalen Standards, nach denen festlegt wird, wie eine elektrische/Temperatur-Umwandlung anhand einer Tabelle oder einer Formel zu berechnen ist. Sollten Sie einen nicht genormten Sensor haben, erhalten Sie diese Informationen möglicherweise vom Hersteller.

Es gibt auch Messgeräte, über die das Signal des Temperatursensors direkt als Temperatur angezeigt wird. Diese Geräte messen zudem das elektrische Signal (Widerstand, Spannung) und verfügen über intern programmierte Sensortabellen (oder Polynome/Formeln), sodass sie dieses in Temperatur umwandeln.

Temperaturkalibratoren unterstützen z. B. die in der Prozessindustrie gebräuchlichsten RTD- (Widerstandstemperaturfühler) und Thermoelement (T/C-)-Sensoren.

Wie kalibriert man nun einen Temperatursensor?

Bevor wir auf die unterschiedlichen Aspekte eingehen, die bei der Kalibrierung eines Temperatursensors zu beachten sind, wollen wir zunächst einen Blick auf das allgemeine Prinzip werfen.

Da der Temperatursensor die Temperatur misst, muss eine bekannte Temperatur verwendet werden, in die der Sensor zum Kalibrieren eingetaucht wird. Es ist nicht möglich, die Temperatur zu “simulieren”, es muss jedoch mithilfe einer Temperaturquelle eine reale Temperatur erzeugt werden.

Entweder kann eine exakte Temperatur erzeugt oder ein kalibrierter Referenztemperatursensor verwendet werden, um die erzeugte Temperatur zu messen.

Sie können z. B. den Referenzsensor und den zu kalibrierenden Sensor in ein Flüssigkeitsbad eintauchen (vorzugsweise in ein gerührtes Flüssigkeitsbad) und die Kalibrierung bei dieser Temperatur durchführen. Alternativ kann eine sogenannte Trockenblock-Temperaturquelle verwendet werden.

Die Verwendung eines gerührten Eisbades bietet beispielsweise eine recht hohe Genauigkeit für die 0 °C Kalibrierung.

Bei der industriellen und professionellen Kalibrierung werden normalerweise Temperaturbäder oder Trockenblöcke verwendet. Diese können so programmiert werden, dass sie die Temperatur bis zu einem bestimmten Sollwert erwärmen oder abkühlen.

Bei einigen industriellen Anwendungen ist es üblich, die Temperatursensoren in regelmäßigen Abständen zu ersetzen und die Sensoren nicht regelmäßig zu kalibrieren.

So kalibriert man Temperatursensoren – was zu beachten ist

Beginnen wir mit der eigentlichen Kalibrierung von Temperatursensoren und den verschiedenen Aspekten, die zu beachten sind…

1 - Bediendung des Temperatursensors

Die verschiedenen Sensoren weisen unterschiedliche mechanische Strukturen sowie eine unterschiedliche machanische Robustheit auf.

Die präzisesten SPRT-Sensoren (Standard-Platin-Widerstandsthermometer), die beispielsweise als Referenzsensoren in Temperaturlaboren eingesetzt werden, sind sehr empfindlich. Unsere Mitarbeiter aus unserem Temperatur-Kalibrierlabor sagen, dass wenn dieser Sensor mit etwas in Berührung kommt und dadurch ein Geräusch erzeugt wird, muss der SPRT-Sensor vor jeder weiteren Verwendung überprüft werden.

Zum Glück sind die meisten industriellen Temperatursensoren robust und überstehen jede normale Nutzung. Einige sehr robuste industrielle Sensoren überstehen unbeschadet sogar eine extrem grobe Behandlung.

Wenn Sie sich jedoch nicht sicher sind, wie der zu kalibrierende Sensor aufgebaut ist, sollten Sie auf Nummer sicher gehen.

Es ist niemals verkehrt, jeden Sensor so zu behandeln, als wäre es ein SPRT-Sensor.

Zusätzlich zu mechanischen Stößen kann eine sehr schnelle Temperaturveränderung bei dem Sensor Beschädigungen verursachen oder die Genauigkeit beeinträchtigen.

Thermoelemente sind normalerweise nicht so empfindlich wie RTD-Sensoren.

2 - Vorbereitungen

In der Regel müssen nicht viele Vorbereitungen getroffen werden. Einige Aspekte sind jedoch zu berücksichtigen. Zunächst wird eine Sichtprüfung durchgeführt, um festzustellen, ob der Sensor in Ordnung, ob er nicht verbogen oder beschädigt wurde und ob die Drähte intakt sind.

Externe Verunreinigungen können ein Problem darstellen, daher sollte man wissen, wo der Sensor bisher eingesetzt wurde und welche Art von Medien mit dem Sensor gemessen wurden. Möglicherweise muss der Sensor vor der Kalibrierung gereinigt werden, insbesondere wenn Sie vorhaben ein Flüssigkeitsbad zur Kalibrierung zu verwenden.

Der Isolationswiderstand eines RTD-Sensors kann vor der Kalibrierung gemessen werden. Damit soll sichergestellt werden, dass der Sensor nicht beschädigt ist und der Widerstand zwischen Sensor und Gehäuse hoch genug ist.

Ein Abfall des Isolationswiderstandes kann zu Messfehlern führen und ist ein Zeichen dafür, dass eine Beschädigung des Sensors vorliegt.

3 - Temperaturquelle

Wie bereits erwähnt, benötigen Sie eine Temperaturquelle, um einen Temperatursensor zu kalibrieren. Es ist schlichtweg nicht möglich, eine Temperatur zu simulieren.

Für industrielle Zwecke wird meistens ein Temperatur-Trockenblock verwendet. Er ist handlich sowie portabel und liefert in der Regel präzise Resultate.

Für höhere Genauigkeitsanforderungen kann ein Flüssigkeitsbad verwendet werden. Normalerweise ist der Transport nicht so einfach. Unter Laborbedingungen kann es jedoch verwendet werden.

Für den Nullpunkt kommt oft ein gerührtes Eisbad zum Einsatz, welches ziemlich einfach in der Durchführung und zudem erschwinglich ist. Ein Eisbad bietet eine hohe Genauigkeit für den Nullpunkt.

Für genaueste Temperaturen werden Fixpunktzellen verwendet. Diese sind zwar sehr genau, jedoch auch teuer. Sie werden meist in hochgenauen (und akkreditierten) Temperatur-Kalibrierlaboratorien verwendet.

4 - Referenz-Temperatursensor

Die Temperatur wird mit einigen der im vorigen Kapitel genannten Wärmequellen erzeugt.

Die exakt angewendete Temperatur der Wärmequelle sollten Sie genau kennen. Trockenblöcke und Flüssigkeitsbäder beinhalten einen internen Referenzsensor, der die Temperatur misst.

Für präzisere Ergebnisse sollten Sie jedoch einen separaten externen Referenz-Temperatursensor verwenden, der in dem gleichen Trockenblock bzw. Flüssigkeitsbad eingesetzt wird, wie der/die zu kalibrierende(n) Sensor(en). Diese Art von Referenzsensor misst die gleiche Temperatur wie der zu kalibrierende Sensor, jedoch mit einer höheren Genauigkeit.

Der Referenzsensor sollte eine gültige rückführbare Kalibrierung vorweisen. Es ist einfacher einen Referenzsensor zur Kalibrierung zu versenden, als die komplette Temperaturquelle (man sollte jedoch die Temperaturgradienten des Temperaturblocks berücksichtigen, wenn Sie immer nur den Referenzsensor und nicht den Block kalibrieren lassen).

Bezüglich der thermodynamischen Eigenschaften sollte der Referenzsensor dem zu kalibrierenden Sensor möglichst ähnlich sein, damit sie sich bei Temperaturänderungen gleich verhalten.

Der Referenzsensor und der zu kalibrierende Sensor sollten in gleicher Tiefe in die Temperaturquelle eingetaucht werden.

Normalerweise werden alle Sensoren bis zum Boden eines Trockenblocks eingetaucht. Bei sehr kurzen Sensoren wird es schwieriger, da sie nur bis zu einer begrenzten Tiefe in die Temperaturquelle eintauchen. Dabei sollten Sie gleichzeitig auch darauf achten, dass der Referenzsensor gleich tief eingetaucht wird. In einigen Fällen erfordert dies die Verwendung eines speziellen kurzen Referenzsensors.

Bei Verwendung von Fixpunktzellen benötigt man keinen Referenzsensor, da die Temperatur auf physikalischen Phänomenen basiert und aufgrund ihrer Beschaffenheit sehr genau ist.

5 - Messung des Temperatursensor-Ausgangssignals

Die meisten Temperatursensoren verfügen über einen elektrischen Ausgang (Widerstand oder Spannung), der gemessen und in Temperatur umgewandelt werden muss.

Sie benötigen also ein Gerät, das für die Messung verwendet werden kann. Einige Temperaturquellen beinhalten auch einen Messkanal für die Sensoren, sowohl für den Prüfling (DUT) als auch für das Referenzgerät.

Bei der Messung von elektrischer Leistung, muss diese nach internationalen Standards in Temperatur umgerechnet werden. In den meisten industriellen Fällen werden Sie hierfür ein Messgerät verwenden, das die Umrechnung für Sie durchführt, sodass das Signal bequem in der gewünschten Temperatureinheit (Celsius oder Fahrenheit) angezeigt wird.

Was auch immer Sie für die Messung verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie die Genauigkeit und Unsicherheit des Gerätes kennen und dass es eine gültige rückführbare Kalibrierung vorweist.

6 - Eintauchtiefe

Die Eintauchtiefe (d.h., wie tief der Sensor in die Temperaturquelle eingeführt wird) ist ein wichtiger Faktor bei der Kalibrierung von Temperatursensoren.

Unsere Mitarbeiter des Temperatur-Kalibrierlabors geben folgende Faustregel bei der Verwendung eines gerührten Flüssigkeitsbades an:

• 1% Genauigkeit – Eintauchtiefe: 5 Durchmesser + Länge des Sensorelements
• 0,01% Genauigkeit – Eintauchtiefe: 10 Durchmesser + Länge des Sensorelements
• 0,0001% Genauigkeit – Eintauchtiefe: 15 Durchmesser + Länge des Sensorelements

Die Wärmeleitung zeigt in einem gerührten Flüssigkeitsbad bessere Ergebnisse als in einem Trockenblock, zudem die erforderliche Eintauchtiefe geringer ist.

Für Trockenblöcke gibt es eine Empfehlung des Verbundes Euramet, wonach man den 15-fachen Durchmesser des Sensors einschließlich der Länge des Sensorelements eintauchen sollte. Haben Sie beispielsweise einen Sensor mit 6 mm Durchmesser, der ein Element mit einem Durchmesser von 40 mm enthält, so tauchen Sie ihn insgesamt 130 mm ein (6 x 15 mm + 40 mm).

Es ist manchmal schwierig zu wissen, wie lange sich das eigentliche Element im Sensor befindet, es sollte jedoch in den technischen Daten des Sensors erwähnt sein.

Außerdem sollten Sie wissen, wo sich das Sensorelement befindet (es befindet sich nicht immer ganz an der Spitze des Sensors).

Der zu kalibrierende Sensor und der Referenzsensor sollten in die gleiche Tiefe eingetaucht werden, sodass die Mittelachsen der eigentlichen Sensorelemente auf gleicher Höhe liegen.

Bei sehr kurzen Sensoren ist es selbstverständlich nicht möglich, diese sehr tief einzutauchen, was die hohe Unsicherheit bei Kalibrierungen von kurzen Sensoren erklärt.

7 - Stabilisierung

Bedenken Sie, dass ein Temperatursensor immer seine eigene Temperatur misst!

Temperaturveränderungen sind langsam, daher sollte man immer lange genug warten, bis sich alle Teile bis zur Zieltemperatur stabilisiert haben. Wenn Sie den Sensor bei einer bestimmten Temperatur eintauchen, dauert es immer eine gewisse Zeit bis die Temperatur des Sensors diese Temperatur erreicht und sich stabilisiert hat.

Ihr Referenzsensor und der zu kalibrierende Sensor (Prüfling) können sehr unterschiedliche thermodynamische Eigenschaften besitzen, insbesondere wenn sich deren mechanische Merkmale voneinander unterscheiden.

Eine der größten Unsicherheiten bei der Temperaturkalibrierung ist oftmals eine zu schnell durchgeführte Kalibrierung.

Wenn Sie häufig ähnliche Sensortypen kalibrieren, sind zuvor durchgeführte Typenprüfungen sinnvoll, um sich mit dem Verhalten dieser Sensoren vertraut zu machen.

8 - Temperatursensor-Griff

Für den Sensorhandgriff oder die Übergangsverbindung gibt es normalerweise eine Überhitzungsgrenze. Bei zu hoher Erhitzung kann der Sensor beschädigt werden. Vergewissern Sie sich daher die Spezifikationen der zu kalibrierenden Sensoren genaustens zu kennen.

Wenn Sie bei hohen Temperaturen kalibrieren wird empfohlen einen Temperaturschutz zu verwenden, um den Sensorgriff zu schützen.

9 - Kalibrierter Temperaturbereich

Bei Temperatursensoren ist es üblich, dass nicht der gesamte Temperaturbereich des Sensors kalibriert wird.

Bei der Kalibrierung sollten Sie vorsichtig sein, wenn Sie im oberen Temperaturbereich arbeiten. Ein RTD-Sensor kann beispielsweise permanent driften, wenn Sie ihn bei zu hoher Temperatur kalibrieren.

Auch die kältesten Punkte im Temperaturbereich des Sensors könnten schwer/teuer zu kalibrieren sein.

Es wird daher empfohlen den Temperaturbereich zu kalibrieren innerhalb dessen der Sensor verwendet werden soll.

10 - Kalibrierpunkte

Bei einer industriellen Kalibrierung müssen Sie genügend Kalibrierpunkte auswählen, damit der Sensor konstant linear ist. Oft genügt es 3 bis 5 Punkte über den gesamten Bereich zu kalibrieren.

Je nach Sensortyp müssen eventuell mehr Punkte erfasst werden, wenn Ihnen bekannt ist, dass der Sensor möglicherweise nicht linear arbeitet.

Sollten Sie Platin-Sensoren kalibrieren und anhand der Kalibrierergebnisse Koeffizienten berechnen wollen, müssen Sie an geeigneten Temperaturpunkten kalibrieren, sodass die Koeffizienten berechnet werden können.

Für Platin-Sensoren werden am häufigsten die Koeffizienten für Gleichungen des Typs ITS-90 und Callendar-van-Dusen verwendet. Bei Thermistoren können Steinhart-Hart-Koeffizienten angewendet werden.

Werden Sensoren in einem akkreditierten Labor kalibriert, können die Punkte auch anhand der kleinsten Unsicherheit des Labors ausgewählt werden.

11 - Justieren / Trimmen eines Temperatursensors

Die meisten Temperatursensoren können leider nicht justiert oder getrimmt werden. Sollten Sie also eine Abweichung bei der Kalibrierung feststellen, kann dies nicht korrigiert werden. Stattdessen müssen Sie Koeffizienten verwenden, um den Messwert des Sensors zu korrigieren.

In einigen Fällen ist es möglich, den Sensorfehler über andere Teile des Temperaturmesskreises (im Messumformer oder im DCS) zu kompensieren.

Andere zu beachtende Aspekte

Dokumentation

Wie bei jeder Kalibrierung, muss die Kalibrierung des Temperatursensors in einem Kalibrierzertifikat dokumentiert werden.

Rückführbarkeit

Bei der Kalibrierung muss der verwendete Referenzstandard eine gültige Rückführbarkeit zu nationalen Standards oder einer gleichwertigen Norm vorweisen. Bei der Rückführbarkeit handelt es sich um eine durchgehende Kette von Kalibrierungen mit jeweils dokumentierten Unsicherheiten.

Weitere Informationen zur messtechnischen Rückführbarkeit finden Sie im Blogbeitrag: Messtechnische Rückführbarkeit in der Kalibrierung – Sind Ihre Messungen rückführbar?

Unsicherheit

Wie es bei Kalibrierungen üblich ist, und so auch bei der Kalibrierung von Temperatursensoren, sollte der Gesamtunsicherheit eines Kalibrierprozesses immer genaustens Beachtung geschenkt werden. Bei einer Temperaturkalibrierung kann der Kalibrierprozess (die Art und Weise, wie eine Kalibrierung durchgeführt wird) bei weitem die größte Unsicherheitskomponente in der Gesamtunsicherheit darstellen.

Weitere Informationen zur Kalibrierunsicherheit finden Sie im Blogbeitrag: Messunsicherheit für Nicht-Mathematiker.

Automatisierung der Kalibrierung

Die Temperaturkalibrierung gestaltet sich als langwieriger, da sich die Temperatur nur langsam ändert und man bis zur Stabilisierung warten muss.

Sie können viel davon profitieren, wenn Sie Ihre Temperaturkalibrierungen automatisieren. Die Kalibrierung wird immer noch lange dauern, aber wenn diese automatisiert ist, brauchen Sie nicht mehr an der Stelle der Kalibrierung darauf zu warten.

Das spart Ihnen selbstverständlich Zeit und Geld.

Bei der Automatisierung können Sie zudem sicher sein, dass die Kalibrierung immer auf die gleiche Weise durchgeführt wird.

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Wir danken allen unseren Mitarbeitern des akkreditierten Temperatur-Kalibrierlabors für ihre Hilfe bei der Erstellung dieses Artikels. Unser besonderer Dank gilt Herrn Toni Alatalo, dem Leiter unseres akkreditierten Temperaturlabors!