Thermometer kalibrieren: Temperaturfühler, Widerstandsthermometer und Thermoelemente

Was eine Thermometer-Kalibrierung prüft

Ein Berührungsthermometer kann nur die Temperatur seines eigenen Sensors angeben. Die Kalibrierung ermittelt den Zusammenhang zwischen der Temperatur des Sensors und der Anzeige des Thermometers. Deshalb geht es im Verfahren vor allem darum, dass der Sensor wirklich die Temperatur hat, die Sie annehmen (DKD-R 5-1, Abschnitt 2). Ein berührungsloses Infrarotthermometer liest dagegen Wärmestrahlung und wird an einem Schwarzen Strahler kalibriert.

Es gibt zwei Verfahren. Beim Vergleichsverfahren sitzen das Thermometer und ein kalibriertes Referenzthermometer nebeneinander in einem Bad, einem Blockkalibrator oder einem Ofen, und ihre Anzeigen werden verglichen. Beim Fixpunktverfahren kommt das Thermometer in eine Zelle, die eine definierende Temperatur der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90) darstellt. Für Gebrauchsthermometer ist das Vergleichsverfahren das praktische, weil es jede Temperatur abdeckt, die das Bad oder der Block erreicht.

Die DKD-R 5-1 kalibriert bei mindestens zwei Temperaturen (Abschnitt 5), und die Punkte sollten den Bereich abdecken, in dem das Thermometer verwendet wird. Ein Kalibrierergebnis gilt nur zwischen der niedrigsten und der höchsten kalibrierten Temperatur.

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Sensor, Anzeigegerät oder das ganze System

Viele Thermometer bestehen aus zwei Teilen: einem Fühler, etwa einem Pt100-Widerstandsthermometer (RTD) oder einem Thermoelement, und einem Anzeigegerät oder Messumformer, der sein Signal in eine Temperatur umrechnet. Sie können beide zusammen als ein System kalibrieren oder jeden Teil für sich.

Wird das System im Bad kalibriert, erhalten Sie die Messabweichung der Anzeige, die Sie tatsächlich verwenden, aber das Ergebnis gehört zu diesem Fühler an diesem Anzeigegerät. Tauschen Sie einen der beiden Teile, gilt die Kalibrierung nicht mehr. Wird der Fühler allein kalibriert, erhalten Sie seinen Widerstand oder seine Thermospannung bei jeder Temperatur, und das Anzeigegerät wird dann elektrisch über seinen Bereich kalibriert. Der EURAMET-Leitfaden für Thermoelemente verlangt, dass der Kalibrierschein jedes Teil nennt, das zum gemessenen System gehört, einschließlich Verlängerungsleitungen und digitaler Anzeigegeräte (cg-8, 14.2).

Bei einem Thermoelement übernimmt das Anzeigegerät auch die Vergleichsstellenkompensation, die einen eigenen Fehler mitbringt. Die Grundwerttabellen für Thermoelemente setzen die Vergleichsstelle auf 0 °C voraus. Liegt sie bei einer anderen Temperatur, wird zur gemessenen Thermospannung die Spannung addiert, die zu dieser Temperatur gehört, nicht die Temperatur selbst (cg-8, 4.1 und 4.6).

Toleranzklassen: IEC 60751, IEC 60584 und ASTM E2877

IEC 60751:2022 ist die Norm für industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren. Sie legt die Kennlinie fest, mit einem Temperaturkoeffizienten von 0,003851 je °C, und Toleranzklassen, die mit der Temperatur t wachsen. Ein Pt100 hat bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ω. Jede Klasse gilt nur in einem Gültigkeitsbereich, der bei Dünnschicht-Messwiderständen enger ist als bei drahtgewickelten.

• |t| ist der Betrag der Temperatur in °C, ohne Vorzeichen. Ein Pt100 der Klasse B darf bei 0 °C um ±0,3 °C und bei 100 °C um ±0,8 °C abweichen.
• OIML R 84:2003 nennt dieselben Formeln für die Klassen AA, A, B und C, mit den damaligen Gültigkeitsbereichen, und ergänzt eine Klasse D. Sie steht kostenlos bei der OIML bereit.
• IEC 60584-1:2013 legt die Grundwerte der mit Buchstaben bezeichneten Thermoelementtypen (R, S, B, J, T, E, K, N, C und A) und ihre Toleranzen fest. Die Toleranzen gelten für neue Thermoelemente aus Draht von üblicherweise 0,13 mm bis 3,2 mm Durchmesser im Lieferzustand und berücksichtigen keine Drift im Einsatz.
• ASTM E2877-12(2019) ist ein Leitfaden für digitale Berührungsthermometer. Er führt neun Genauigkeitsklassen für Sensor und Gerät zusammen ein, von −200 °C bis 500 °C oder für den Teil dieses Bereichs, den ein Thermometer abdeckt.

Bäder, Blockkalibratoren und das Referenzthermometer

Das Referenzthermometer braucht einen gültigen Kalibrierschein, rückführbar auf nationale Normale, mit einer Messunsicherheit, die klein genug für die geprüfte Toleranz ist. Die DKD-R 5-1 empfiehlt, industrielle Platin-Referenzthermometer spätestens alle 1 bis 2 Jahre neu zu kalibrieren, je nach ihrer Vorgeschichte (Abschnitt 9, Tabelle 1).

In einem gerührten Flüssigkeitsbad sitzen die Sensoren in der Flüssigkeit. Sein Temperaturprofil im Arbeitsvolumen sollte mit zwei oder mehr Thermometern geprüft werden, bevor es zum Kalibrieren dient (EURAMET cg-8, 7.2). Der Thermoelement-Leitfaden setzt die Sensoren etwa 1 cm auseinander und hält sie von Boden und Wänden fern (7.4).

Ein Blockkalibrator heizt einen Metallblock mit Bohrungen für die Fühler. Er ist tragbar und sauber, aber Wärme fließt entlang der Fühler, und EURAMET nennt diese Wärmeleitung meist einen der größten Beiträge zur Messunsicherheit (cg-13, 2.2). Die Anzeige des Blocks zeigt die Temperatur seines Regelfühlers. Die EURAMET-Hinweise für Anwender weisen darauf hin, dass sich die Kalibrierung des Blocks auf den Block bezieht und ein Thermometer darin abweichen kann (cg-13, Anhang C). Ein kalibrierter Referenzfühler in der Nachbarbohrung misst die Temperatur dort, wo es darauf ankommt.

Verwenden Sie eine Bohrung oder Hülse, die zwischen −100 °C und +660 °C höchstens 0,5 mm und darüber höchstens 1,0 mm weiter ist als der Fühler (cg-13, 2.2).

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Eintauchtiefe

Zu geringe Eintauchtiefe kann große Fehler verursachen, weil Wärme entlang des Schafts fließt und der Sensor sich zwischen Badtemperatur und Raumtemperatur einstellt (DKD-R 5-1, 8.3). Die DKD-R 5-1 gibt eine erste Abschätzung: Tauchen Sie mindestens 10-mal den Fühlerdurchmesser ein, um einen Fehler unter 1 % der Differenz zwischen Bad- und Raumtemperatur zu erreichen, und jede weiteren 10 Durchmesser verringern den Fehler um den Faktor 10. Zählen Sie die Tiefe ab der Oberkante des Messelements, nicht ab der Spitze des Schutzrohrs. Ein Fühler mit 6 mm Durchmesser und einem 30 mm langen Messelement braucht deshalb mindestens 90 mm im Bad.

Prüfen Sie das. Die DKD-R 5-1 verringert die Tiefe um 10 % und akzeptiert das Ergebnis, wenn sich die Anzeige um höchstens 10 % der angestrebten Messunsicherheit ändert. EURAMET hebt einen Fühler im Blockkalibrator um 20 mm an (cg-13, Anhang C) und zieht ein Thermoelement um bis zu 5 cm heraus (cg-8, 8.2). Eine Anzeige, die sich ändert, zeigt Wärmeleitung.

Nach Möglichkeit kalibriert EURAMET ein Thermoelement bei der Eintauchtiefe, die es im Einsatz hat, sofern sie groß genug ist, dass Wärmeverluste oder Wärmegewinne die Anzeige nicht verfälschen (cg-8, 8.1). Für ein Widerstandsthermometer strebt die DKD-R 5-1 die größte Eintauchtiefe an, die Bad oder Block zulassen (8.3). Halten Sie die Tiefe in beiden Fällen im Kalibrierschein fest (DKD-R 5-1, 8.3; cg-8, 14.2).

Stabilität und Homogenität

Zwei Eigenschaften des Bads oder Blocks gehen direkt in die Messunsicherheit ein. Die Homogenität beschreibt, wie stark sich die Temperatur innerhalb der Arbeitszone von Ort zu Ort unterscheidet: entlang einer Bohrung, zwischen Bohrungen und bei beladenem Block. Die Stabilität beschreibt, wie stark sie nach dem Einschwingen über die Zeit schwankt. EURAMET cg-13 lässt einen Block auf beides charakterisieren, die Stabilität über mindestens 30 Minuten (3.5). Die größte gefundene Differenz wird als Halbbreite einer Rechteckverteilung behandelt, die Standardunsicherheit ist also diese Differenz geteilt durch √3 (4.2.2).

Lassen Sie alles einschwingen, bevor Sie ablesen. Lesen Sie dann die Referenz und das zu kalibrierende Thermometer gleichzeitig ab oder wechseln Sie in symmetrischer Reihenfolge, damit sich Drift ausmittelt. EURAMET cg-8 nennt Reihenfolgen wie S1, X1 ... Xn, S2, S2, Xn ... X1, S1, wobei S die Referenzthermometer und X die zu kalibrierenden Thermometer sind (10.3).

Widerstandsthermometer und Pt100-Fühler: Anschluss, Eigenerwärmung und Hysterese

• Anschluss. Ein Fühler in 2-Leiter-Schaltung addiert den Leitungswiderstand zur Anzeige. Im Beispiel der DKD-R 5-1 hat ein Pt100 mit 2,5 m Kupferleitung und 410 mΩ bei Raumtemperatur 492 mΩ, wenn die Leitung 70 °C hat, und zeigt damit 0,2 K zu viel an (8.5.1). Eine 3-Leiter-Schaltung gleicht die Leitungen aus, wenn sie gleich sind. Die 4-Leiter-Schaltung vermeidet das Problem und ist der bevorzugte Anschluss (8.5.2 und 8.5.3).
• Eigenerwärmung. Der Messstrom erwärmt den Sensor. Die DKD-R 5-1 misst mit zwei Strömen und extrapoliert auf den Strom null. Wird die Eigenerwärmung nicht gemessen, setzt sie 30 mK als rechteckverteilten Beitrag im Messunsicherheitsbudget an (8.8).
• Hysterese. Ein industrielles Platin-Widerstandsthermometer kann bei derselben Temperatur nach dem Aufheizen etwas anders anzeigen als nach dem Abkühlen. Die DKD-R 5-1 verlangt deshalb, sie zu untersuchen oder abzuschätzen (3.1.2).
• Stabilität. Ein Stoß oder eine Vibration kann einen Platinsensor verschieben. Eine Widerstandsmessung am Eispunkt vor und nach dem Transport zeigt, ob er sich verändert hat (DKD-R 5-1, Abschnitte 5 und 6).

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Thermoelemente: warum sie sich anders verhalten

Ein Thermoelement misst nicht an seiner Spitze. Seine Thermospannung entsteht im Temperaturgefälle entlang der Drähte, deshalb wirkt sich ein im Einsatz veränderter Drahtabschnitt nur dort aus, wo er in einem Temperaturgefälle liegt. Liegt das Gefälle im Kalibrierbad an einer anderen Stelle des Drahts als in der Anlage, bildet die Kalibrierung den Einsatz nicht ab (EURAMET cg-8, 1.3 und 9.1).

Deshalb empfiehlt EURAMET, unedle Thermoelemente, die bei hohen Temperaturen eingesetzt wurden, zu ersetzen statt neu zu kalibrieren, oder sie vor Ort zu prüfen (cg-8, 1.5 und 13.4).

Fahren Sie die Punkte in der richtigen Reihenfolge an. EURAMET kalibriert von der höchsten Temperatur abwärts, außer Typ K, der sich ändert, wenn er auf 500 °C oder mehr zykliert wird. Typ K wird mit steigenden Temperaturen kalibriert, und der erste Punkt wird am Ende zur Kontrolle wiederholt (cg-8, 10.1).

Digitale Thermometer und Flüssigkeits-Glasthermometer

Ein digitales Thermometer ist Sensor und Anzeigegerät in einem, deshalb wird es als System durch Vergleich mit einer Referenz kalibriert. Die DKD-R 5-1 gilt sinngemäß für direkt anzeigende elektronische Thermometer und Datenlogger mit Widerstandssensor. Wird das Thermometer justiert, stehen die Ergebnisse vor und nach der Justierung im Kalibrierschein (Abschnitt 10).

Ein Flüssigkeits-Glasthermometer ist für eine bestimmte Eintauchtiefe gebaut. Ein teileintauchendes Thermometer wird bis zu seiner Eintauchmarke eingetaucht. Ein ganzeintauchendes wird mit dem ganzen Flüssigkeitsfaden bis auf etwa den letzten 1 cm eingetaucht. Bei falscher Eintauchtiefe kann es deutlich falsch anzeigen, weil die Flüssigkeit im Schaft die falsche Temperatur hat (NIST SP 1088, Abschnitt 2).

Bei vielen Glasthermometern, die unter 200 °C verwendet werden, kommt die Langzeitänderung vor allem vom Volumen des Gefäßes, und eine Ablesung am Eispunkt zeigt sie (SP 1088, 7.2). Das NIST empfiehlt, selbst ein Thermometer, das nur gelegentlich nahe Raumtemperatur verwendet wird, mindestens einmal im Jahr am Eispunkt zu prüfen. Für Quecksilberthermometer, die bei 200 °C oder darunter eingesetzt werden, akzeptiert es eine Einpunkt-Rekalibrierung am Eispunkt (Abschnitt 4). Diese Rekalibrierung aktualisiert nur die Korrektionen aus einer früheren vollständigen Kalibrierung. Für Thermometer mit Kontraktionserweiterung und feiner Teilung rät das NIST weiterhin zu einer vollständigen Rekalibrierung. Prüfen Sie das Thermometer regelmäßig und vor jeder Kalibrierung auf einen gerissenen Flüssigkeitsfaden, der große Fehler verursacht (Abschnitte 5 und 6).

Die Eispunktprüfung

Der Eispunkt, 0 °C, ist die einfachste Referenz, die Sie herstellen können, und ASTM E563-22 ist die Standardpraxis dafür. Das NIST beschreibt das Verfahren in SP 1088 (7.7 und 7.8). Schaben Sie klares Eis aus destilliertem oder deionisiertem Wasser zu Teilchen von 2 mm bis 5 mm, packen Sie es mit destilliertem Wasser in ein Dewargefäß, saugen Sie überschüssiges Schmelzwasser ab und lassen Sie es 15 bis 30 Minuten ruhen. Lassen Sie mindestens 3 cm der Mischung unter dem Gefäß des Thermometers und setzen Sie an jedem Tag, an dem Sie einen Eispunkt brauchen, einen neuen an.

Nach dem Verfahren des NIST lässt sich ein Eispunkt mit einer erweiterten Messunsicherheit (k = 2) von etwa 0,002 °C darstellen (SP 1088, 7.2). Ein schnelles Bad aus Leitungswasser und Eis ist weniger genau: EURAMET merkt an, dass sein Eispunkt zwischen −0,025 °C und 0 °C liegen kann (cg-8, 4.1).

Eine Eispunktprüfung bestätigt eine einzige Temperatur. Sie zeigt eine Verschiebung, aber keine Änderung der Steigung der Kennlinie, wofür mindestens zwei Temperaturen nötig sind (DKD-R 5-1, Abschnitt 9). Behandeln Sie sie bei elektronischen Thermometern und Temperaturfühlern als Zwischenprüfung, nicht als Kalibrierung: Sie setzt das Fälligkeitsdatum nicht zurück. Die Ausnahme ist ein Quecksilber-Glasthermometer, das bei 200 °C oder darunter eingesetzt wird. Für dieses akzeptiert NIST SP 1088 eine Ablesung am Eispunkt als Einpunkt-Rekalibrierung (Abschnitt 4). Diese Rekalibrierung aktualisiert nur die Korrektionen aus einer früheren vollständigen Kalibrierung. Für Thermometer mit Kontraktionserweiterung und feiner Teilung rät das NIST weiterhin zu einer vollständigen Rekalibrierung.

Messwerte vor der Justierung und ein Thermometer außerhalb der Toleranz

Halten Sie die Messwerte fest, bevor jemand das Thermometer justiert oder die Einstellungen des Anzeigegeräts ändert. Liegt eine Messabweichung vor der Justierung außerhalb ihrer Grenze, war das Thermometer für einen unbekannten Teil der Zeit seit seiner letzten einwandfreien Kalibrierung oder Prüfung außerhalb der Toleranz. ISO 9001 Abschnitt 7.1.5.2 verlangt, zu ermitteln, ob frühere Ergebnisse beeinträchtigt wurden, und bei Bedarf zu handeln. Sehen Sie bei einem Thermometer nach, was seine Anzeigen gesteuert haben, etwa die Einstellung eines Ofens oder Bads, eine Prozesstemperatur in einem Chargenprotokoll oder eine Prüfbedingung.

• Was tun, wenn ein Prüfmittel bei der Kalibrierung durchfällt
• Messwerte vor und nach der Justierung

Wie oft ein Thermometer kalibriert werden sollte

Keine Norm legt das Intervall fest. Das NIST empfiehlt kein festes Rekalibrierintervall, und der EURAMET-Leitfaden für Thermoelemente sagt, es gebe keine formal festgelegten Fristen, weil Thermoelemente und ihr Einsatz so verschieden sind (cg-8, 13.1). ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 nennt die abzuwägenden Faktoren, darunter die Neigung zur Drift, die Härte des Einsatzes und den Einfluss der gemessenen Temperatur selbst, mit hohen Temperaturen bei Thermoelementen als Beispiel (5.1).

Einige veröffentlichte Ausgangswerte:

• Industrielle Platin-Referenzthermometer in einem Kalibrierlabor: spätestens alle 1 bis 2 Jahre, je nach Vorgeschichte (DKD-R 5-1, Tabelle 1).
• Flüssigkeits-Glasthermometer: eine Eispunktprüfung bis zu monatlich, wenn sie neu sind oder über 200 °C eingesetzt werden, später ausgedehnt auf ein- bis zweimal im Jahr, wenn die Vorgeschichte ein stabiles Gefäß zeigt (NIST SP 1088, 7.6).
• Unedle Thermoelemente im Einsatz bei hohen Temperaturen: Planen Sie den Ersatz statt der Rekalibrierung (EURAMET cg-8, 1.5).

• Kalibrierintervalle festlegen
• Rechner für Kalibrierintervalle

Was Kalibrierschein und Aufzeichnung zeigen sollten

Halten Sie so viel fest, dass jemand anderes die Kalibrierung wiederholen kann. EURAMET cg-8 (14.2) und die DKD-R 5-1 (Abschnitt 10) nennen diese Angaben zusätzlich zum allgemeinen Inhalt des Kalibrierscheins nach ISO/IEC 17025:2017 Abschnitt 7.8.

• Jedes kalibrierte Teil: der Fühler, eine eventuelle Verlängerungsleitung und das Anzeigegerät oder der Messumformer, der zum System gehört.
• Die kalibrierten Temperaturen und das Verfahren, zum Beispiel Vergleich in einem Bad oder Block.
• Die Eintauchtiefe und weitere Bedingungen der Kalibrierung.
• Bei einem Widerstandsthermometer der Messstrom und die Eigenerwärmung. Bei einem Thermoelement eine eventuelle Wärmebehandlung vor der Kalibrierung.
• Die Anzeige der Referenz und die des Thermometers an jedem Punkt, die Messabweichung und die Messunsicherheit.
• Die Ergebnisse vor und nach einer Justierung, das Datum, wer die Arbeit ausgeführt hat und das nächste Fälligkeitsdatum.

• Vorlage für den Kalibrierschein (Excel)
• Anforderungen an den Kalibrierschein

Wo Axiospec ins Spiel kommt

Axiospec ist eine Software für das Kalibriermanagement. Sie führt jedes Thermometer und jeden Fühler mit seiner Kalibrierhistorie, seinen Kalibrierscheinen und dem nächsten Fälligkeitsdatum, und jede Kalibrierung nennt das verwendete Bezugsnormal. Eine Kalibrieraufzeichnung nimmt bis zu 100 Prüfpunkte auf, jeder mit seiner Nenntemperatur, seiner eigenen Toleranz und den Messwerten vor und nach der Justierung. So passt eine Klasse, deren Grenze mit der Temperatur wächst, Punkt für Punkt. Die Aufzeichnung hält auch Raumtemperatur und Luftfeuchte fest.

Bei einer internen Kalibrierung setzt ein abschließender Messwert außerhalb seiner Toleranz das Ergebnis auf Nicht bestanden, und wer trotzdem Bestanden erfasst, muss eine schriftliche Begründung angeben. Ein Nicht bestanden sperrt das Thermometer, und die Aufzeichnung fragt, was es seit seinem letzten Bestanden gemessen hat. Axiospec führt den Vergleich nicht durch und wählt weder die Punkte noch die Grenze oder das Intervall. Das bleibt bei Ihnen oder Ihrem Labor.

Der Free-Tarif umfasst bis zu 50 aktive Messmittel. Ein neuer Arbeitsbereich startet mit einer 45-tägigen Testphase von Professional, mit Platz für 1.500 aktive Messmittel und ohne Kreditkarte. Wir übernehmen Ihre vorhandenen Aufzeichnungen für Sie kostenlos, in jedem Tarif.

• Kostenloser Messunsicherheitsrechner für Thermoelemente und Widerstandsthermometer
• Kostenloses Arbeitsblatt für Messwerte vor und nach der Justierung
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