Temperaturkalibrierung

Temperaturkalibrierung ist ein wichtiger Prozess in vielen Industrien, der die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Temperaturmessgeräten sicherstellt. Temperatur wird in einer Vielzahl von Anwendungen überwacht, sei es in der Fertigung, der Medizin, der Forschung oder der Energieerzeugung. Ungenaue Messungen können zu Produktionsfehlern, Sicherheitsrisiken und erhöhten Kosten führen. Temperaturkalibrierung gewährleistet, dass Temperaturmessgeräte korrekte Werte liefern, indem sie mit einem zertifizierten Referenzgerät verglichen werden. Dieser Prozess ermöglicht die Einhaltung von Qualitätsstandards und gesetzlichen Vorgaben.

Temperaturkalibrierung bedeutet also nicht nur das Überprüfen eines Messgeräts, sondern umfasst auch die Validierung und Dokumentation, um sicherzustellen, dass Messungen nachvollziehbar und reproduzierbar sind.

Was ist Temperaturkalibrierung?

Temperaturkalibrierung bezeichnet den Prozess, bei dem ein Temperaturmessgerät überprüft wird, um sicherzustellen, dass es genaue und zuverlässige Messwerte liefert. Es wird mit einem Referenzgerät verglichen, dessen Temperatur genau bekannt ist, um Abweichungen festzustellen. Dadurch wird die Genauigkeit des Messgeräts sichergestellt.

Bedeutung und Anwendung in der Industrie

In zahlreichen Industriezweigen, wie der Pharma-, Lebensmittel-, Chemie- und Automobilindustrie, ist eine präzise Temperaturmessung von Bedeutung. Produktionsprozesse, Lagerbedingungen und Qualitätskontrollen hängen oft stark von genauen Temperaturdaten ab. Ungenaue Messungen können erhebliche Auswirkungen auf die Produktqualität, Sicherheit und Effizienz haben. Daher sind regelmäßige Kalibrierungen wichtig, um Fehlerquellen zu minimieren und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und internationaler Standards, wie z.B. die DIN EN ISO/IEC 17025, zu gewährleisten.

Überblick über verschiedene Kalibrierungsmethoden

Es gibt verschiedene Methoden zur Temperaturkalibrierung, die sich je nach Anwendung und Anforderungen unterscheiden. Zu den gängigsten Methoden gehören die Vergleichsmethode, bei der ein zu kalibrierendes Thermometer mit einem präzisen Referenzthermometer verglichen wird. Die Fixpunktkalibrierung, bei der definierte Temperaturpunkte, wie z.B. Erstarrungspunkte von Metallen oder der Tripelpunkt von Wasser, verwendet werden ist die zweite Methode zur Temperaturkalibrierung.

Ziele der Temperaturkalibrierung

Die Temperaturkalibrierung verfolgt mehrere wichtige Ziele:

• Genauigkeit: Sicherstellen, dass Messgeräte präzise und konsistente Werte liefern.
• Sicherheit: Verhindern von sicherheitskritischen Fehlern, die durch ungenaue Messungen entstehen könnten, insbesondere in der Medizin und Industrie.
• Effizienz: Verbesserung der Effizienz von Produktionsprozessen, da fehlerhafte Messgeräte zu Produktionsausfällen oder Qualitätsmängeln führen können.

Kalibrierungen gewährleisten zudem, dass Messungen rückverfolgbar sind, d.h., sie lassen sich auf internationale Standards und Normen zurückführen.

Grundlagen der Temperaturmessung

Unterschiedliche Temperaturmessmethoden

Es gibt mehrere Methoden zur Temperaturmessung, die je nach Anwendung und Genauigkeitsanforderung variieren. Die verbreiteten sind:

• Widerstandsthermometer (RTDs): Nutzen den Widerstandsanstieg von Materialien wie Platin (z.B. PT100) mit zunehmender Temperatur.
• Thermoelemente: Setzen zwei unterschiedliche Metalle zusammen, die eine Spannung proportional zur Temperatur erzeugen.

Physikalische Prinzipien der Temperaturmessung

Die meisten Temperaturmessgeräte nutzen physikalische Eigenschaften, die sich mit der Temperatur ändern, wie der elektrische Widerstand (RTDs), die Thermospannung (Thermoelemente) oder die Strahlung (Infrarot). Diese Änderungen werden erfasst und in Temperaturwerte umgerechnet.

Messunsicherheiten und Einflussfaktoren

Messunsicherheiten sind unvermeidbare, quantifizierbare Abweichungen in Messergebnissen. Sie entstehen durch verschiedene Faktoren wie z.B. die Genauigkeit des Messgeräts, externe Störungen oder Umgebungsbedingungen. Die Unsicherheit beschreibt den Bereich, in dem der tatsächliche Wert der Messgröße mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit liegt.

Bei der Temperaturkalibrierung wird versucht, diese Unsicherheiten zu minimieren und nachvollziehbar zu machen. Dabei kommen in Deutschland standardisierte Verfahren zum Einsatz, die von der Deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS) und dem DKD (Deutscher Kalibrierdienst) im Rahmen des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) definiert werden.

Der GUM ist ein international anerkanntes Dokument, das die methodischen Grundlagen für die Ermittlung von Messunsicherheiten vorgibt. Er berücksichtigt sowohl systematische als auch zufällige Fehler. Es enthält mathematische Modelle, um Unsicherheiten zu berechnen und transparent zu machen. Durch den GUM-Ansatz wird die Unsicherheit in Messungen dokumentiert. Dadurch sind Kalibrierergebnisse rückverfolgbar und vergleichbar.

Die DAkkS stellt sicher, dass Kalibrierlabore in Deutschland die Normen und Verfahren einhalten, wie sie im GUM beschrieben sind, und akkreditiert diese Labore entsprechend der DIN EN ISO/IEC 17025.

Methoden der Temperaturkalibrierung

Es gibt verschiedene Methoden der Kalibrierung von Thermometern: Die Vergleichsmethode nutzt ein Referenzthermometer, um Abweichungen festzustellen, während die Fixpunktkalibrierung präzise Temperatur-Fixpunkte gemäß der ITS-90 verwendet, um höchste Genauigkeit zu gewährleisten.

Temperaturkalibrierung nach der Vergleichsmethode

Die Vergleichsmethode ist eine der am häufigsten verwendeten Kalibriertechniken und zeichnet sich durch ihre Flexibilität und einfache Durchführung aus. Dabei wird das zu kalibrierende Thermometer mit einem bereits kalibrierten Referenzthermometer verglichen.

Beide Geräte werden in einer stabilen Umgebung, wie zum Beispiel einem Kalibrierbad oder Blockkalibrator, platziert. Die Differenz zwischen den Messwerten gibt die Abweichung des zu kalibrierenden Thermometers an. Diese Methode wird häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt, da sie einen großen Temperaturbereich abdeckt und sich für eine Vielzahl von Temperaturmessgeräten eignet.

Temperaturkalibrierung an den Temperatur-Fixpunkten der ITS-90

Die Fixpunktkalibrierung bietet die höchste Präzision bei der Temperaturkalibrierung und basiert auf der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90). Diese Skala definiert eine Reihe international anerkannter Fixpunkte, bei denen physikalische Zustände (Phasenübergänge), wie Schmelzen oder Erstarren, exakt definierte Temperaturen repräsentieren. Zu dem wichtigsten Fixpunkt gehören der Tripelpunkt von Wasser (0,01°C). Bei der Fixpunktkalibrierung wird das Thermometer direkt mit diesen definierenden Temperaturen verglichen, was äußerst präzise Ergebnisse ermöglicht.

Die ITS-90 bietet durch ihre Temperatur-Fixpunkte eine genaue Grundlage für die Temperaturkalibrierung und wird vor allem in wissenschaftlichen und metrologischen Anwendungen eingesetzt. Die hohe Genauigkeit und Rückverfolgbarkeit auf international anerkannte Standards machen die Fixpunktkalibrierung zur Methode der Wahl für präzise Laboranwendungen. Allerdings ist sie aufgrund der aufwendigen Apparaturen und spezialisierter Bedingungen in ihrer Anwendung begrenzt.

Die Fixpunkte der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90), die in der Fixpunktkalibrierung verwendet werden, umfassen unter anderem:

• Tripelpunkt von Argon: -189,3442 °C
• Tripelpunkt von Quecksilber: -38,8344 °C
• Tripelpunkt von Wasser: 0,01 °C
• Schmelzpunkt von Gallium: 29,7646 °C
• Erstarrungspunkt von Indium: 156,5985 °C
• Erstarrungspunkt von Zinn: 231,928 °C
• Erstarrungspunkt von Zink: 419,527 °C
• Erstarrungspunkt von Aluminium: 660,323 °C
• Erstarrungspunkt von Silber: 961,78 °C

Normen und Standards in der Temperaturkalibrierung

DIN EN ISO/IEC 17025: Anforderungen an Kalibrierlabore

DIN EN ISO/IEC 17025 legt die allgemeinen Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien fest. Sie umfasst Kriterien zur technischen Kompetenz, der Qualität der Kalibrierergebnisse und der Rückverfolgbarkeit von Messungen. Labore, die nach dieser Norm akkreditiert sind, erfüllen international anerkannte Standards und gewährleisten zuverlässige Messergebnisse.

Weitere Informationen:
Akkreditierung nach DIN EN ISO/IEC 17025

ITS-90 (Internationale Temperaturskala von 1990)

Die ITS-90 definiert präzise Temperaturfixpunkte, die weltweit zur Kalibrierung von Temperaturmessgeräten verwendet werden. Sie stellt sicher, dass Messungen auf international anerkannte Standards rückführbar sind.

Zusätzlich definiert die ITS-90 das SPRT (Standard-Platin-Widerstandsthermometer) als Interpolationsinstrument, das zwischen den Fixpunkten eingesetzt wird. SPRTs bieten höchste Genauigkeit und werden in präzisen Kalibrierungen als Referenz und zum Messen genauer Temperaturen verwendet.

Weitere Informationen:
Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90)

Bedeutung der Rückführbarkeit in der Messtechnik

Rückführbarkeit bedeutet, dass Messergebnisse auf nationale oder internationale Standards wie die ITS-90 zurückgeführt werden können. Dies stellt sicher, dass Messungen überall auf der Welt vergleichbar sind. Rückführbare Kalibrierungen bieten die Sicherheit, dass Messgeräte den Standards entsprechen.

DKD Richtlinien

Die DKD-Richtlinien (Deutscher Kalibrierdienst) sind eine Sammlung von technischen Richtlinien, die spezifische Anforderungen und Verfahren zur Kalibrierung in verschiedenen Messbereichen, einschließlich der Temperatur, festlegen. Diese Richtlinien bieten detaillierte Anweisungen zur Durchführung von Kalibrierungen und zur Bewertung der Messunsicherheit. Sie ergänzen die DIN EN ISO/IEC 17025-Norm und dienen als praxisorientierte Anleitung für Kalibrierlabore, um konsistente und rückverfolgbare Ergebnisse zu gewährleisten.

Die DKD-Richtlinien sind besonders hilfreich in spezialisierten Bereichen der Messtechnik und fördern eine einheitliche Vorgehensweise in der Kalibrierung.

Weitere Informationen:
Deutschen Kalibrierdienst DKD

Euramet Calibration Guidelines

EURAMET (European Association of National Metrology Institutes) ist eine Organisation, die die Zusammenarbeit der nationalen Metrologieinstitute in Europa fördert. Sie setzt europäische Normen und koordiniert Forschungsprojekte, um die Genauigkeit und Einheitlichkeit von Messungen in ganz Europa sicherzustellen. EURAMET spielt eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Kalibrier- und Messmethoden sowie der Rückverfolgbarkeit von Messergebnissen auf internationale Standards, darunter auch die Temperaturkalibrierung. Ein wichtiger Teil ihrer Arbeit sind die sogenannten EMRP- und EMPIR-Programme, die metrologische Forschung unterstützen.

Weitere Informationen:
EURAMET E.V. – EUROPEAN ASSOCIATION OF NATIONAL METROLOGY INSTITUTES

Geräte zur Temperaturkalibrierung

Widerstandsthermometer (PT100, PT1000 und SPRT)

Widerstandsthermometer messen Temperatur durch den Widerstand eines Drahts (häufig Platin). Der gängigste Typen ist ein PT100: Hat bei 0°C einen Widerstand von 100 Ohm, weit verbreitet in industriellen Anwendungen.

Ein weiterer Typ ist das SPRT (Standard-Platin-Widerstandsthermometer), das speziell für hochpräzise Kalibrierungen in Labors verwendet wird. SPRTs sind durch die ITS-90 definiert. Sie sind genaue Referenzinstrumente, die in vielen Prozessen verwendet werden. Sie werden an den Temperatur-Fixpunkten der ITS-90 kalibriert. Sie bieten eine sehr hohe Stabilität und geringe Messunsicherheit und sind wichtig für die präzise Rückführung von Temperaturmessungen auf internationale Standards.

Thermoelemente

Thermoelemente bestehen aus zwei verschiedenen Metalldrähten, die an einem Ende verbunden sind. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden erzeugt eine Spannung, die proportional zur Temperatur ist. Thermoelemente werden oft in industriellen Anwendungen eingesetzt und unterscheiden sich in Typen:

• Typ K (Chromel-Alumel): -200 °C bis +1372 °C, universell einsetzbar, stabil und weit verbreitet. Achtung: Typ K Effekt!
• Typ J (Eisen-Konstantan): -40 °C bis +750 °C, älteres Design, häufig in der Industrie.
• Typ T (Kupfer-Konstantan): -200 °C bis +400 °C, geeignet für tiefe Temperaturen.
• Typ E (Chromel-Konstantan): -200 °C bis +1000 °C, hohe Empfindlichkeit.
• Typ N (Nicrosil-Nisil): -200 °C bis +1300 °C, hohe Stabilität bei hohen Temperaturen.
• Typ S, R (Platin-Rhodium): Genaue Edelmetall Thermoelemente, hohe Genauigkeit
• Typ B (Platin-Rhodium): Sehr hohe Temperaturbereiche bis +1700 °C, verwendet in der Metallurgie und Laboren.
• Typ Au/Pt (Gold-Platin): Extrem genaue Messungen bis zu +1000 °C, hauptsächlich in Labor Anwendungen.
• Typ Pt/Pd (Platin-Palladium): Messbereich bis zu +1500 °C, in hochpräzisen Anwendungen.

Die gängigeren Thermoelemente wie Typ K, J, T, N, S, R, B werden durch die IEC 60584 normiert. Diese Norm definiert die Thermospannungstabellen, Toleranzen und Temperaturbereiche der einzelnen Typen.

Für die spezialisierten Thermoelemente Au/Pt und Pt/Pd ist die IEC 62460 maßgeblich. Diese Norm behandelt die Anforderungen und Thermospannungstabellen dieser hochpräzisen Edelmetall-Thermoelemente, die in wissenschaftlichen und metrologischen Anwendungen verwendet werden.

Digitale Thermometer / Anzeigegeräte

Digitale Thermometer und Anzeigegeräte dienen zur präzisen Ausmessung von Thermoelementen und Widerstandsthermometern (RTDs). Sie sind in verschiedenen Genauigkeitsklassen erhältlich und decken einen breiten Anwendungsbereich ab, von einfachen industriellen Anwendungen bis hin zu hochpräzisen wissenschaftlichen Messungen.

Auch diese Geräte müssen regelmäßig kalibriert werden, um die Genauigkeit sicherzustellen. Die Kalibrierung kann auf zwei Arten erfolgen:

1. Einzeln elektrisch: Das digitale Anzeigeinstrument wird isoliert kalibriert.
2. Als Messkette: Die Kalibrierung erfolgt zusammen mit dem angeschlossenen Temperatursensor (Thermoelement oder RTD) als komplette Messkette.

Diese Kalibrierung gewährleistet eine zuverlässige und rückverfolgbare Messung.

Blockkalibratoren

Blockkalibratoren sind tragbare Geräte, die stabile Temperaturen erzeugen. Sie eignen sich zur Vor-Ort-Kalibrierung von Thermometern und Thermoelementen über einen großen Temperaturbereich. Sie sind flexibel einsetzbar und ideal für industrielle Anwendungen.

Blockkalibratoren sind tragbare, vielseitige Geräte, die speziell für die Kalibrierung von Temperaturmessgeräten wie Thermoelementen, Widerstandsthermometern und digitalen Thermometern entwickelt wurden. Sie bestehen aus einem festen Metallblock, der entweder elektrisch beheizt oder gekühlt wird, um eine stabile Temperaturquelle zu erzeugen. Der Block hat Bohrungen, in die die zu kalibrierenden Temperaturfühler eingeführt werden.

Ein interner Regelkreis sorgt für eine genaue und konstanteTemperatur innerhalb des Blocks, wodurch eine stabile Kalibrierumgebung geschaffen wird. Die erzeugten Temperaturen decken oft einen Bereich von etwa -35 °C bis +1200 °C ab, was sie für verschiedene industrielle und Laboranwendungen geeignet macht.

Blockkalibratoren haben viele Vorteile:

1. Portabilität: Blockkalibratoren sind kompakt und tragbar, was sie ideal für Vor-Ort-Kalibrierungen macht.
2. Breiter Temperaturbereich: Sie bieten eine hohe Flexibilität, da sie sowohl niedrige als auch hohe Temperaturen erzeugen können.
3. Schnelle Reaktionszeiten: Sie ermöglichen schnelle Temperaturwechsel und damit eine effiziente Kalibrierung.
4. Einfache Bedienung: Blockkalibratoren sind oft benutzerfreundlich gestaltet, mit digitalen Steuerungen für Temperatur und Stabilität.
5. Vielseitigkeit: Sie können verschiedene Arten von Temperaturmessgeräten kalibrieren, einschließlich Thermoelemente, RTDs (Resistance Temperature Detectors) und digitale Thermometer.

Obwohl Blockkalibratoren für viele Kalibrierungsaufgaben geeignet sind, bieten sie im Vergleich zu Kalibrierbädern oder Fixpunktkalibrierungen eine geringere Präzision, insbesondere bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen. Für Anwendungen, die höchste Genauigkeit erfordern, wie z.B. in metrologischen Laboren, sind andere Methoden wie die Fixpunktkalibrierung vorzuziehen.

Kalibrierbäder

Kalibrierbäder sind Flüssigkeitsbäder (z.B. mit Öl, Wasser oder Ethanol), die für eine sehr präzise Kalibrierung von Temperaturmessgeräten sorgen. Sie bieten eine extrem stabile Temperaturumgebung und werden in Laboren verwendet, um eine höhere Genauigkeit als Blockkalibratoren zu erreichen.

Kalibrieröfen

Kalibrieröfen sind für die Kalibrierung bei hohen Temperaturen vorgesehen, oft bis zu 1200°C. Sie bieten eine präzise, kontrollierte Umgebung für die Kalibrierung von Thermometer.

Diese Geräte sind besonders für Anwendungen geeignet, bei denen die Genauigkeit von Kalibrierungen in Blockkalibratoren nicht ausreicht. Die Kalibrierung mit Kalibrieröfen ist weniger mobil als mit Blockkalibratoren und erfordert oft eine spezielle Laborumgebung. Zudem sind sie für sehr niedrige Temperaturen nicht geeignet.

Kalibrieröfen bestehen aus einem elektrisch beheizten Ofenraum, der eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Inneren gewährleistet. Die zu kalibrierenden Sensoren werden in den Ofen eingeführt, wo sie über einen längeren Zeitraum der stabilen Temperatur ausgesetzt werden. Die Temperatur wird über eingebaute Regelkreise präzise gesteuert. Die zu kalifrierenden Thermometer werden dann mit kalibrierten Referenz-Thermometern verglichen.