Thermometer kalibrieren

Thermometer kalibrieren ist der Prozess, bei dem sichergestellt wird, dass ein Thermometer korrekte Temperaturmessungen liefert. Dies wird durch den Vergleich der Messwerte des Thermometers mit einem Referenzstandard (zum Beispiel einem Temperaturfixpunkt) oder einer bekannten Temperaturquelle (Vergleichskalibrierung) durchgeführt. Das Ziel der Kalibrierung ist es, eventuelle Abweichungen oder Fehler zu identifizieren und ggf. anzupassen, sodass das Thermometer genaue Messungen liefert.

Methoden zur Kalibrierung von Thermometern

Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Methoden um Thermometer zu kalibrieren: Die Kalibrierung nach der Vergleichsmethode und die Kalibrierung an Temperatur-Fixpunkten.

Thermometer kalibrieren nach der Vergleichsmethode

Der Nullte Hauptsatz besagt, dass wenn zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System sind, sie auch untereinander im thermischen Gleichgewicht stehen. Ausgehend von diesem Hauptsatz kann man folgern, dass wenn ein kalibriertes Thermometer die gleiche Temperatur anzeigt wie die tatsächliche Temperatur in einem Kalibrierbad und das zu kalibrierende Thermometer ebenfalls diese Temperatur anzeigt, beide Thermometer die gleiche Temperatur messen. Dies gilt jedoch nur unter der Bedingung, dass ein Gleichgewichtszustand vorliegt, was in der realen Welt nicht immer der Fall ist.

Thermometer kalibrieren an Temperatur-Fixpunkten

Bei der Thermometer Kalibrierung an Temperatur Fixpunkten dient als Temperaturnormal nicht ein kalibriertes Referenz-Thermometer sondern ein sogenannter Temperatur-Fixpunkt. Diese Temperatur-Fixpunkte werden zur als definierende Temperaturen der ITS-90 Temperaturskala und zur Kalibrierung von Thermometern verwendet.

Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) definiert die Temperaturskala neun Fixpunkte im Bereich von -189,3442°C (Tripelpunkt von Argon) bis 961,78°C (Erstarrungspunkt von Silber). Diese Fixpunkte sind thermodynamische Gleichgewichtszustände während der Phasenübergänge reiner Substanzen.

Ein Beispiel für einen Fixpunkt ist der Tripelpunkt von Wasser, an dem hochreines Wasser bei 0,01°C in festem, flüssigem und gasförmigem Zustand vorliegt. Dieser Zustand kann dann in einer Wasser Tripelpunkt-Zelle verwendet werden, um Thermometer an dieser definierten Temperatur zu kalibrieren.

Wie oft muss ein Thermometer kalibriert werden?

Auf diese Frage gibt es keine absolute oder eindeutige Antwort. Die Häufigkeit der Kalibrierung von Thermometern hängt im allgemeinen von verschiedenen Faktoren ab:

1. Verwendungszweck des Thermometers: Ein Thermometer, das in kritischen Anwendungen wie in der Medizin oder in der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird, muss möglicherweise häufiger kalibriert werden als ein einfaches Haushaltsthermometer.
2. Genauigkeitsanforderungen: Einige Prozesse erfordern eine sehr hohe Temperaturgenauigkeit. In solchen Fällen ist eine regelmäßige Kalibrierung unerlässlich.
3. Umweltbedingungen: Thermometer, die unter extremen Bedingungen eingesetzt werden (z. B. sehr hohe Temperaturen), können anfälliger für Ungenauigkeiten sein und sollten daher häufiger überprüft werden.
4. Vorherige Kalibrierungsergebnisse: Wenn bei den letzten Kalibrierungen keine oder nur geringe Abweichungen festgestellt wurden, kann die Zeit zwischen den Kalibrierungen möglicherweise verlängert werden. Wenn jedoch bei jeder Kalibrierung erhebliche Abweichungen festgestellt werden, sollte die Kalibrierungshäufigkeit erhöht werden.

Als allgemeine Regel gilt, dass kritische Thermometer mindestens einmal jährlich kalibriert werden sollten. In einigen Branchen oder bei bestimmten Anwendungen kann jedoch eine häufigere Kalibrierung erforderlich sein, z. B. alle drei oder sechs Monate. Es ist immer eine gute Idee, eine regelmäßige Überprüfung und Kalibrierung in den Wartungsplan aufzunehmen, um sicherzustellen, dass das Thermometer korrekt funktioniert.

Mann kann sich bei der Festlegung von Kalibrierzyklen auch Normen und Richtlinien orientieren. Zum Beispiel ist die DIN EN ISO/IEC 17025 eine internationale Norm, die Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien festlegt. Wenn ein Labor nach dieser Norm akkreditiert ist, bedeutet dies, dass es die technische Kompetenz besitzt und ein Managementsystem eingerichtet hat, das die Erzeugung konsistenter und gültiger Ergebnisse sicherstellt.

Die Kalibrierung von Messgeräten, einschließlich Thermometern, ist ein wichtiger Bestandteil dieser Norm. Einige Hauptpunkte bezüglich der Kalibrierung aus der DIN EN ISO/IEC 17025 sind:

1. Allgemeine Anforderungen: Laboratorien müssen sicherstellen, dass alle Ausrüstungen, die einen Einfluss auf die Ergebnisse haben könnten, kalibriert und/oder qualifiziert sind.
2. Intervalle: Die Norm schreibt keine spezifischen Kalibrierungsintervalle vor. Stattdessen sollten Laboratorien ihr Risikomanagement verwenden, um die Häufigkeit der Kalibrierungen zu bestimmen.
3. Rückverfolgbarkeit: Kalibrierungen sollten rückverfolgbar zu nationalen oder internationalen Standards sein.
4. Aufzeichnungen: Laboratorien müssen Aufzeichnungen über Kalibrierungen führen, einschließlich Details zur Methode, zum Bediener, zu den Umgebungsbedingungen, zu den Bestätigungsintervallen, zu den Ergebnissen und zu allen Abweichungen.

Die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) hat zusätzliche Dokumente und Regelwerke, die spezifische Anforderungen und Empfehlungen für die Kalibrierung in verschiedenen Bereichen enthalten. Wenn ein Labor in Deutschland nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert ist, muss es auch die relevanten DAkkS-Regeln befolgen.

Ein Labor, das nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert ist, muss eine klare Politik und Verfahren für die Kalibrierung seiner Ausrüstung haben. Die genaue Häufigkeit der Kalibrierung wird jedoch vom Labor selbst bestimmt, basierend auf seinem Risikomanagement und den spezifischen Anforderungen seiner Akkreditierung.

Tipps zum erfolgreichen Thermometer kalibrieren

Tipp 1: Ein Thermometer misst nur seine eigene Temperatur

Die Aussage „Ein Thermometer misst nur seine eigene Temperatur“ weist auf ein fundamentales Prinzip beim Thermometer kalibrieren hin.

Wenn Sie ein Thermometer verwenden, um die Temperatur von etwas zu messen, sei es die Luft, eine Flüssigkeit oder ein fester Körper, was Sie eigentlich messen, ist, wie warm oder kalt DAS THERMOMETER selbst ist. Das Thermometer erreicht ein thermisches Gleichgewicht mit dem Medium, das es misst. Dies bedeutet, dass es die gleiche Temperatur wie das Medium annimmt.

Ein einfaches Beispiel ist ein Quecksilberthermometer. Das Quecksilber im Thermometer dehnt sich aus und zieht sich zusammen, basierend darauf, wie warm oder kalt es ist. Wenn Sie es in warmes Wasser tauchen, wird das Quecksilber sich ausdehnen, weil es WÄRMER wird. Wenn Sie es in kaltes Wasser tauchen, wird es sich zusammenziehen, weil es KÄLTER wird. In beiden Fällen misst das Thermometer tatsächlich, wie warm oder kalt DAS QUECKSILBER ist, nicht direkt das Wasser. Aber weil das Quecksilber schnell ein thermisches Gleichgewicht mit dem Wasser erreicht, zeigt das Thermometer effektiv die Temperatur des Wassers an.

Dasselbe Prinzip gilt für digitale Thermometer, PT100 (Widerstandsthermometer), Thermoelemente und andere. Sie alle reagieren auf Temperaturänderungen, indem sie ihre eigene Temperatur ändern und dann diesen Wert anzeigen oder messen.

Es ist wichtig zu beachten, dass für eine genaue Temperaturmessung das Thermometer und das zu messende Objekt ausreichend Zeit haben müssen, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen. Andernfalls könnte die Messung ungenau sein.

Tipp 2: Thermoelemente machen immer eine Differenzmessung

Ein Thermoelement besteht aus zwei verschiedenen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Wenn an dieser Verbindungsstelle (genannt „Messpunkt“ oder „Heißstelle“) eine andere Temperatur herrscht als am anderen Ende der beiden Metalle (genannt „Vergleichsstelle“ oder „Kaltstelle“), entsteht zwischen diesen beiden Punkten eine Spannung. Diese Spannung wird als Thermospannung bezeichnet und hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden und den spezifischen Materialeigenschaften der beiden Metalle ab.

Das bedeutet, dass ein Thermoelement immer die Temperaturdifferenz zwischen dem Messpunkt und der Vergleichsstelle misst. Um die absolute Temperatur am Messpunkt zu bestimmen, muss die Temperatur an der Vergleichsstelle bekannt sein. Oft wird diese Vergleichsstelle auf eine bekannte Temperatur (z. B. 0°C bei einer sogenannten externen Vergleichsstelle) gekühlt oder es wird z.B. bei Mini-Stecken die Raumtemperatur als Referenz verwendet.

Ein Thermoelement misst daher nicht direkt eine absolute Temperatur, sondern eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten. Um eine absolute Temperaturmessung zu erhalten, muss die Temperatur an einem der beiden Punkte bekannt sein.

Tipp 3: Widerstandsthermometer messen immer zu warm

Widerstandsthermometer, oft auch als Pt100 oder Pt1000 bezeichnet (wobei die Zahlen die nominellen Widerstände bei 0°C angeben), nutzen den temperaturabhängigen Widerstand eines Metalls, meist Platin, um Temperaturen zu messen. Wenn durch einen Widerstand ein elektrischer Strom fließt, wird dieser Widerstand erwärmt. Dies ist ein direktes Ergebnis des ohmschen Gesetzes, bei dem die elektrische Leistung P durch einen Widerstand R als P = I^2 × R beschrieben wird, wobei I der durch den Widerstand fließende Strom ist.

Bei Widerstandsthermometern wird ein Messstrom durch den Platinwiderstand geschickt, um den Widerstand (und somit die Temperatur) zu messen. Aber genau dieser Messstrom kann – insbesondere wenn er zu hoch ist – zu einer nennenswerten Erwärmung des Messwiderstandes führen. Diese Erwärmung verfälscht dann das Messergebnis, da der Sensor wärmer wird als die eigentliche Umgebung, die gemessen werden soll. Infolgedessen zeigt das Widerstandsthermometer eine zu hohe Temperatur an.

Bei präzisen Messungen oder Anwendungen muss die durch den Messstrom verursachte Erwärmung berücksichtigt und kompensiert werden.

Quellen

• Walter Blanke: Die Internationale Temperaturskala von 1990: ITS-90
• Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
• Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatur“, Ausgabe 3