Grundlagen der Kalibrierung von Temperaturmessgeräten · Klasse 2 600 1700 ±0,0025 • ItI ±...
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1 Testo • industrial services GmbH, Seminar Kalibriertage Temperatur
Grundlagen der Kalibrierung von
Temperaturmessgeräten
Munich Calibration Day
19./20.10.2016
Dipl.-Ing.
Raimund Föhrenbacher
Testo industrial services GmbH
2 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Einheiten der Temperatur
Definition Temperatur = Maß für die einem Körper innewohnende Energie und die mittlere Geschwindigkeit seiner Teilchen
Besitzt ein Körper keine Wärmeenergie mehr, sind seine Moleküle im Ruhezustand. Man spricht dann vom absoluten
Nullpunkt 0Kelvin .
0K 273,15K 373,15K
Kelvin tK K 1 Kelvin (K) ist der 273,16te Teil der
Temperatur des Tripelpunktes von Wasser.
Celsius tC °C
0°C 100°C
Das Grad Celsius ist betragsmäßig gleich dem
Kelvin.
Der Nullpunkt der Celsiusskala liegt bei
273,15K.
3 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Metrologische Rückführung Temperatur
Freiburg 23°C
München 25°C
Sydney 15°C
Moskau 5°C
Los Angeles 33°C
St. Petersburg -5°C
4 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Entwicklung der Temperaturskala
1742 Celsius-Skala
1852 Kelvin-Skala
1927 ITS 27
1968 IPTS-68
1990 ITS 90
+1300
+1200
+1100
+1000
+900
+800
+700
+500
+600
+400
+200
+300
+100
0
-200
-100
-300
1084,620°C Kupfer(Cu)
1064,180°C Gold(Au)
961,780°C Silber(Ag)
660,323°C Aluminium(Al)
419,527°C Zink(Zn)
-38,834°C Quecksilber(Hg)
231,928°C Zinn(Sn)
156,599°C Indium(In)
29,765°C Gallium(Ga) 0,010°C Wasser
-218,792°C Sauerstoff(O)
-248,594°C Neon(Ne)
-189,344°C Argon(Ag)
-259,347°C Helium(He)
-273,150°C absoluter Nullpunkt
°C
Fixpunkte Schmelzpunkt / Erstarrungspunkt
Siedepunkt / Kondensationspunkt
Tripelpunkt
5 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
ITS 90 – Fixpunkt-Kalibrierung bei Testo
Präparierung der
Wassertripelpunktzelle…
Bad für Quecksilber-
Fixpunktzelle…
Ausbau einer offenen
Metall-Fixpunktzelle…
Einbau Indium-
Fixpunktzelle
Überprüfung
Wassertripelpunktzelle
Temperaturanzeige Gallium-
Fixpunktzelle
6 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Temperaturmessgeräte und ihre Eigenschaften
Widerstandsthermometer
Thermoelemente
Änderung der elektrischen Eigenschaft von Stoffen in
Abhängigkeit der Temperatur
7 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
NTC-/PTC-Sensoren | Platin-Widerstandsthermometer
PTC-Sensoren, Kaltleiter NTC-Sensoren, Heißleiter Platin-Widerstandsthermometer (Pt100)
8 Testo • industrial services GmbH, Seminar Kalibriertage Temperatur
Widerstandsthermometer
Fehlerquellen:
Eigenerwärmungsfehler
Instabilität und Alterung
Einfluss des Isolationswiderstandes
Zuleitungs- und Klemmwiderstände (Zwei-, Drei- oder Vierleiter-Technik)
Klasse Gültigkeitsbereich Grenzabweichung
Drahtgewickelte Widerstände Schichtwiderstände
AA -50 °C….+250 °C 0 °C…+150 °C 0,1 °C + 0,0017 ∙|t|
A -100 °C…+450 °C -30 °C…+300 °C 0,15 °C + 0,002 ∙|t|
B -196 °C…+600 °C -50 °C…+500 °C 0,3 °C + 0,005 ∙|t|
C -196 °C…+600 °C -50 °C…+600 °C 0,6 °C + 0,01 ∙|t|
Toleranzklassen nach DIN EN 60751
9 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Thermoelemente
Beispiel:
NiCr-Ni Typ K NiCr
Ni KCA
KCA
t1 t2
21 tttmess
10 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Toleranzen Thermoelemente
*Grenzabweichungen nach DIN EN 60584 Typ Material Toleranz- Temperatur [°C] Toleranz*
klasse von bis relativ absolut
J Fe-CuNi
Klasse 1
-40 750
±0,004 • ItI ± 1,5°C
Klasse 2 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C
Klasse 3
T Cu-CuNi
Klasse 1 -40 350
±0,004 • ItI ± 0,5°C
Klasse 2 ±0,0075 • ItI ± 1,0°C
Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 1,0°C
K Ni-CrNi
Klasse 1 -40 1000 ±0,004 • ItI ± 1,5°C
Klasse 2 -40 1200 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C
Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 2,5°C
N NiSi-CrNiSi
Klasse 1 -40 1000 ±0,004 • ItI ± 1,5°C
Klasse 2 -40 1200 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C
Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 2,5°C
E NiCr-CuNi
Klasse 1 -40 800 ±0,004 • ItI ± 1,5°C
Klasse 2 -40 900 ±0,0075 • ItI ± 2,5°C
Klasse 3 -200 40 ±0,015 • ItI ± 2,5°C
S Pt10Rh-Pt Klasse 1 0 1600 ±1+(ItI-1100)•0,003 ± 1,0°C
Klasse 2 -40 1600 ±0,0025 • ItI ± 1,5°C
B Pt30Rh-Pt6Rh Klasse 2 600 1700 ±0,0025 • ItI ± 1,5°C
Klasse 3 600 1700 ±0,005 • ItI ± 4,0°C
11 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Thermoelemente
Fehlerquellen
Klemmentemperatur / Vergleichsstellentemperatur
Polarität
Alterung (hohe Temperaturen, NE-TC stärker als E-TC)
mangelhafter Isolationswiderstand (kenntlich durch unplausible oder stark schwankende Werte)
Bruch oder Kurzschluss
Thermoelement mit geöffnetem Glasseidemantel
12 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Ausnutzung des elektromagnetischen Strahlungssepktrums
Strahlungsthermometer | Pyrometer | Wärmebildkamera
13 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Einsatzmöglichkeiten von Pyrometern
Objekte mit kleiner
Wärmekapazität
sehr kleine Objekte
sehr hohe
Temperaturen
bewegte Objekte
Schnelle Temperatur-
änderungen
14 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Realer Körper
Ein Teil der Strahlung wird reflektiert bzw. geht hindurch (Emissionsgrad <
1)
15 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Beispiel für Reflektion
Aufnahme mit der Wärmebildkamera durch Schüler der Kirchzartener Realschule während des
Projektes „Gebäudeisolierung“.
Das Bild zeigt die „Spiegelung“ durch die an der Glasscheibe reflektierte Körperwärme.
Infrarot Bild Original Bild
16 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Fühler Bauformen
Für jede Anwendung ist der passende Fühler zu wählen!
Einsatz für die vorgesehene Messung und das entsprechende Medium
Man misst nie die Temperatur des zu messenden Mediums, sondern immer die
Sensortemperatur!
Ansprechzeit: T99-Zeit = Zeit, bis
Fühler 99% des Temperatursprunges anzeigt
17 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Fühler Bauformen
Tauch-/Einstechfühler zur Messung in Flüssigkeiten und plastischen
Stoffen
Luftfühler für schnelle Lufttemperatur-Messungen
Oberflächenfühler für plane Oberflächen (Pilzkappenfühler)
Kreuzbandfühler für unebene Oberflächen
Infrarot-Messwertaufnehmer
Einbaufühler
18 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Kalibrier-Einrichtungen für unterschiedliche Bauformen/Messverfahren
Kalibrierung an Fixpunkten
Kalibrierung in thermostatisierten Bädern
Kalibrierung in Trockenkalibratoren
Kalibrierung an Oberflächen (berührend und berührungslos)
Kalibrierung im Klimaschrank
19 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Kalibrierung an Fixpunkten
Wassertripelpunktzelle
Messunsicherheiten ab 0,5 mK
Eispunkt
Messunsicherheiten ab 5 mK
20 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Kalibrierung in Flüssigkeitsbädern und Blockkalibratoren
21 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
a) Angleichzeit
b) Eintauchtiefe
c1) gleiche Höhe und
eng zusammen
c2) Durchmesser der Bohrung
d) zeitliche Stabilität Kalibriereinrichtung
e) Räumliche Temperaturverteilung Kalibriereinrichtung
Referenz- System
Prüfling
Was muss bei einer Kalibrierung beachtet werden?
Kalibrierung in Flüssigkeitsbädern und Blockkalibratoren
22 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Kalibrierung an Oberflächen mit berührenden OF-Fühlern
Messfehler in
Abhängigkeit der
Angleichzeit
23 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Kalibrierung an Oberflächen
Messplatz für DAkkS-Kalibrierung
Messplatz für Werks-Kalibrierung
24 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Einflussfaktoren auf die Oberflächentemperaturmessung
Messgerätegenauigkeit
Genauigkeit Sensor
Fühlerbauform
Oberflächenbeschaffenheit
Oberflächenmaterial
Umweltbedingungen / räumliche
Gegebenheiten (Zugluft,
Klimaanlage)
Anpresskraft
Anwendungsfehler
25 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Oberflächen-Kalibrierung mit schwarzem Strahler
Emissionsgrad = 0,9994
Schematischer Aufbau
26 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Emissionsgrad
Messfleck / IR-Messbereich
Abstand
Störgrößen wie Staub/Dampf
Oberflächen-Kalibrierung mit schwarzem Strahler
Was muss bei der Kalibrierung beachtet werden?
27 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Kalibrierung im Klimaschrank
28 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Kalibrierung im Klimaschrank
Was muss bei einer Kalibrierung beachtet werden?
Angleichzeit
Luftzirkulation
Abstand Prüfling - Referenz
zeitliche Stabilität
räumliche Temperaturverteilung (0,5 … 1,0K)
29 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Ermittlung der zulässigen Abweichung / Systemgenauigkeit
Hersteller-
angaben
Berechnung/
Ergebnis
Beispiel:
Kalibrierung
eines
Temperatur-
messgerätes
bei +60 °C
Genauigkeit Messgerät: testo 925
(Werte aus Hersteller-Datenblatt):
±(0.5 °C +0.3% v. Mw.) (-40 ... +900 °C)
+/- 0,68°C
Genauigkeit Fühler / Sensor: NiCr-Ni-TE;
Typ K; Klasse 2 (laut DIN-Norm):
+/- 2,5 °C
Auflösungsfehler (Digit-Fehler): Messgerät testo
925:
+/- 0,1 °C
Te m pe ra tur
e inge st . W e rt
Tole ra nz
M e ssge rä t
D igit
M e ssge rä t
Tole ra nz
Fühle r
Syste m -
Ge na uigke it
60°C +/ - 0,68°C +/ - 0,1°C +/ - 2,5°C +/ - 3 ,2 8 K
Systemgenauigkeit:
30 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Auswahl des Kalibrierverfahrens
Eine Kalibrierung sollte sich an der Praxis orientieren, d.h. die Kalibrierpunkte liegen in der Nähe des
Einsatz-/Arbeitsbereichs der Prüfmittel
Mindestens drei Kalibrierpunkte
in einem definierten Messbereich!
0
50
100
150
200
250
300
350
0 50 100 150 200 250 300 350
Oberster Prozesspunkt
Unterster
Prozesspunkt
Prozesspunkt in der Mitte
des Kalibrierbereichs
49,5 149 247 Ist-Werte
in °C
Soll-Werte
in °C
31 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Auswahl der Kalibrierung / Kalibrierverfahren
Die Messunsicherheit, die den Messwerten des Bezugs- oder Gebrauchsnormals beigeordnet ist,
sollte 1/3 der angestrebten Messunsicherheit, die den Messwerten des Kalibriergegenstandes
voraussichtlich beigeordnet wird, nicht überschreiten.
Das zur Kalibrierung verwendete Referenzmessgerät muss auf ein nationales oder internationales
Normal rückführbar sein.
Geeignete Referenzmessgeräte
32 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Messtechnik und Statistik
100% sichere Ergebnisse sind statistisch nicht möglich!
Systematische Messfehler
nominelle Abweichung des Messwertes zum Referenzwert
Zufällige Messfehler
Unsicherheiten des Verfahrens:
zeitliche und räumliche Verteilungen der Kalibriereinrichtung, Kalibrierunsicherheit,
Alterung und Drift der Referenz...
Unsicherheiten des Prüflings:
Kalibrierunsicherheit, Alterung und Drift des Prüflings...
33 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Messprotokoll
Beispiel:
DAkkS -Kalibrierung eines
Temperaturmessgerätes
bei +60 °C im Umwälz-
thermostat
Te m pe ra turAnze ige w e rt
Re fe re nz
Anze ige w e rt
P rüfling
Ab-
w e ic hung
Sta nda rd-
a bw e ic hung s
6 0 6 0 ,0 1 6 1,1 0 ,0876
Eing este llte r
W ert6 0 ,0 4 6 1,2
m ittle re
Standard -
6 0 ,0 2 6 1,3 0 ,0277
6 0 ,0 4 6 1,3Unsiche rhe it
Prü fling (u *2 )
6 0 ,0 6 6 1,1
6 0 ,0 4 6 1,3
6 0 ,0 4 6 1,2
6 0 ,0 3 6 1,3
6 0 ,0 4 6 1,1
6 0 ,0 6 6 1,2
Erg eb nis 6 0 ,0 4 6 1,2 +1,16Syste m atische r
M e ssfe h le r
1n
)x(xs
2i
n1i
ns
u
34 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
MU-Budget [vereinfacht dargestellt]
Bezugs-/ Gebrauchsnormal
Messunsicherheit des Normales SN
Kalibriergegenstand
Auflösung der Anzeige SK
Unsicherheit des Prüflings während
der Kalibrierung
Kalibrierverfahren
inhomogene räumliche Verteilungen SV
zeitliche Stabilität (k=2 für 95%)
m m 2s m 2s
Die erweiterte Messunsicherheit U setzt sich aus den Anteilen
sN , sK und sV nach folgender Formel zusammen:
2
V
2
K
2
N ssskU
35 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
MU Budget [vereinfacht dargestellt]
Messpunkt + 60°C im Umwälzthermostat
Gr ö ße B e ze ic hnung Uns ic he r he it Que lle Ve r te ilung
Div is o r zur
B e r e c hnung d e r
Stand ar d m e s s -
uns ic he r he it
Stand ar d m e s s -
uns ic he r he it uEinhe it
u1
inhom ogene
räum liche
Verte ilung
100Info aus DAkkS-
LaborRechteck 2 57,74 m K
u2zeitliche
Stabilität50
Info aus DAkkS-
LaborRechteck 2 28,87 m K
u3 Referenz 60
Genauigkeit
Gerät & Fühler
(aus
Kalibrierschein)
Norm al 2 30,00 m K
u4 Dig it Referenz 5Toleranzangabe
des Herste llersRechteck 2,89 m K
u5Alterung / Drift
Referenz20
Vergangen-
heitsdaten,
Schätzung
Rechteck 11,55 m K
u6Unsicherheit
Prüfling55
eigene
Ausw ertungNorm al 2 27,50 m K
u7 Dig it Prüfling 50Toleranzangabe
des Herste llersRechteck 28,87 m K
82,449 m K
erw eiterte
U: (k*u)K=2 16 4 ,9 0 m K
2UxMU
3
3
3
3
3
20 10
77,452
154,90
SV
SN
SK
Zufälliger
Messwert
±0,15K
36 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Beispiel
Kalibrierung eines Temperaturmessgerätes bei +60 °C
eingestellter Wert: +60°C
OSG: 63,32°C
USG: 56,76°C
richtiger Wert: 60,04°C
Anzeigewert: 61,2°C
Anzeigewert + MU: 61,35°C
Anzeigewert - MU: 61,05°C
Beurteilung des Ergebnisses
Systematische
Abweichung +1,16K
zufällige Mess-
abweichung ±0,15K
37 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Was sagt mein DAkkS-Kalibrierschein aus?
Bezugswert: Temperatur des Referenzsensors
Anzeige des Prüflings: Anzeige des Prüflings, Mittelwert aus 10 Messungen
Abweichung: Anzeige Prüfling – Bezugswert
Messunsicherheitsbeitrag
des Prüflings: Schwankung während der Kalibrierung + Digit
Messunsicherheitsbeitrag
des Bezugswertes: Messunsicherheit gem. Berechnung nach GUM
Gesamtmessunsicherheit: Gesamtmessunsicherheit der Kalibrierung
38 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
Sprache
Beschreibung und Identifikation
des zu kalibrierenden Messmittels
(Gerät, Sonde, Typ, Serien-Nr.,
Inventar-Nr., EQ-Nr.,)
Angaben zum Auftraggeber
(Name, Kunden-Nr.,
Auftrags-Nr.)
Datum der Kalibrierung
Empfehlung für Rekalibrierdatum
Konformitätsaussage
Hinweis zur Berechnung
der Messunsicherheit
eindeutige Zertifikatsindikation
Geheimhaltungsverpflichtung
für den Kunden
Identifikation des Kalibrierlabors
und des Bearbeiters
Referenz / Rückführbarkeit
Umgebungsbedingungen
Messverfahren
Messergebnisse
Besondere Bemerkungen
Das Kalibrierzertifikat
39 Testo • industrial services GmbH Munich Calibration Day 2016
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Raimund Föhrenbacher
Dipl. Wirtschaftsingenieur (FH)
Geschäftsführer
Tel. +49 7661 90901-8246
Testo industrial services GmbH
Gewerbestraße 3
79199 Kirchzarten