Kalibrierung von Thermoelementen und Widerstandsthermometern (RTD)

Inhalt

1. Kalibrierung von Thermoelementen
2. Kalibrierung von Widerstandsthermometern (RTD)
3. Praxisbeispiel für Drift
4. Höhere Genauigkeit erreichen
5. Kalibrierverfahren
6. In-situ-Kalibrierung
7. RTD-Prüfungen
8. Erreichbare Genauigkeit
9. Herausforderungen bei der Kalibrierung
10. Zusammenfassung

Eine genaue Temperaturmessung hängt von gut kalibrierten Sensoren ab. Mit der Zeit können sowohl Thermoelemente als auch Widerstandsthermometer (RTDs) aufgrund verschiedener Faktoren wie Alterung, Verunreinigung oder mechanischer Belastung von ihren ursprünglichen Spezifikationen abdriften. Dieser Abschnitt erklärt, wie die Kalibrierung funktioniert, wie sich Sensoren verschlechtern können und welche Methoden eingesetzt werden, um die Messgenauigkeit sicherzustellen.

Kalibrierung von Thermoelementen

Thermoelementleitungen werden so hergestellt, dass sie standardisierte Toleranzgrenzen einhalten, die typischerweise durch internationale Normen festgelegt sind. Zum Beispiel:

• Typ R/S : ±1 °C am Schmelzpunkt von Gold
• Typ K : ±7,5 °C bei 1.000 °C

Leitungen mit engeren Toleranzen sind für Hochgenauigkeitsanwendungen erhältlich; Gleiches gilt für Verlängerungs- und Kompensationsleitungen. Diese Toleranzen gelten jedoch nur für neue, unbenutzte Sensoren .

Thermoelementleitungen – insbesondere isolierte oder MIMS (mineralisolierte, metallummantelte) Typen – können entlang einer Rolle in der Kalibrierung variieren. Eine Abweichung von mehr als 1 °C vom einen Ende zum anderen ist nicht ungewöhnlich (siehe Abb. 8.1).

Abbildung 8.1  : Kalibrierung eines glasisolierten Thermoelements an Rollenanfang und Rollenende

Häufige Verschlechterungsursachen

Im Betrieb können sich Thermoelemente aus folgenden Gründen verschlechtern:

• Abnahme des Isolationswiderstands
• Thermoelektrische Inhomogenität
• Verschlechterung der Verbindungsstelle

All dies kann die Kalibrierstabilität im Laufe der Zeit beeinträchtigen.

Kalibrierung von Widerstandsthermometern (RTD)

RTD-Elemente werden mit höchster Präzision gefertigt. Toleranzen gelten für den gesamten Sensor , gemäß IEC 60751 , die zwei gängige Toleranzklassen definiert:

• Klasse A : ±0,06 Ω (≈±0,15 °C) bei 0 °C
• Klasse B : ±0,12 Ω (≈±0,3 °C) bei 0 °C

RTDs behalten aufgrund ihrer inhärenten Stabilität die Kalibrierung im Allgemeinen besser als Thermoelemente. Allerdings gelten Toleranzen weiterhin nur für neue Sensoren  . Kalibrierprüfungen sind in der Regel nur erforderlich, wenn hohe Genauigkeit unerlässlich ist oder ein missbräuchlicher Einsatz vermutet wird (z. B. Überhitzung).

Ursachen der RTD-Alterung

• Oxidation oder chemische Verunreinigung
• Mechanische Beanspruchung oder Stoßbelastung
• Verlust des Isolationswiderstands
• Thermoelektrische Effekte durch mangelhafte Installation
• Ungleichgewicht des Leitungswiderstands

Praxisbeispiel für Drift

In einem Vergleichstest:

• 126 RTD-Sensoren wurden über zwei Jahre überwacht.
  • 63 drifteten um mehr als 0,1 °C
  • 46 drifteten bis zu 1 °C
  • 17 zeigten extreme Drift oder fielen vollständig aus

• 66 Thermoelemente wurden über sechs Monate getestet
  • Alle drifteten um mindestens 1,4 °C
  • Eines driftete um bis zu 9,9 °C

Es wurde kein vorhersagbares Driftmuster beobachtet.

Höhere Genauigkeit erreichen

Für kritische Messungen ist die Kalibrierung von Thermoelementen oder RTDs gegen bekannte Temperaturreferenzen unerlässlich. Die Kalibrierung kann nur wenige feste Punkte oder mehrere Punkte über den Messbereich des Sensors hinweg umfassen. Auf dieser Grundlage kann eine Korrekturtabelle oder -kurve erstellt werden.

Kalibriermethoden

Die Kalibrierung erfolgt in der Regel in Laboren durch Vergleich mit Referenzthermometern, die auf  ITS-90-Standards rückführbar sind. Die Methode hängt vom Temperaturbereich ab:

Temperaturbereich	Bevorzugte Methode	Referenzinstrument
-150°C bis +250°C	Gerührte Flüssigkeitsbäder (Aceton, Wasser, Öl)	Platin-Widerstandsthermometer (RTD)
Bis 550°C	Salzbäder (NaNO₂, KNO₃)	Platin-Widerstandsthermometer (RTD) oder Edelmetall-Thermoelemente
Bis 1.000°C	Wirbelschicht-Sandbäder	Platin-Rhodium-Thermoelemente
Über 600°C	Horizontale Rohröfen	Pt-Rh-Thermoelemente oder Strahlungspyrometer
Fixpunktkalibrierung	Metallschmelzpunkte (z. B. Zn, Ag, Au)	EMK, beobachtet während des Schmelzens

Wichtig: Sorgen Sie stets für vollständiges Eintauchen des Sensors und entfernen Sie ihn nach Möglichkeit aus Schutzrohren.

In-situ-Kalibrierung

Für große, im Betrieb befindliche Thermoelemente und Widerstandsthermometer, ist eine In-situ-Kalibrierung oft praktischer. Ein kalibrierter Referenzsensor wird neben dem Prüfsensor eingeführt, und die Messwerte werden über die relevanten Temperaturen hinweg verglichen.

RTD-Prüfungen

RTD-Widerstand bei 0°C ( R₀ ) ist ein starker Indikator für die Kalibrierstabilität. Eine Verschiebung von R₀ kann bedeuten:

1. Dehnungsbedingte Widerstandsänderung — durch Glühen korrigierbar
2. Oxidation — kann durch Wärmebehandlung (450°C–550°C) rückgängig gemacht werden
3. Verunreinigung — typischerweise irreversibel; erfordert eine Neukalibrierung

Standardverfahren für die R₀-Prüfung: Messen Sie den Widerstand am Tripelpunkt des Wassers . Dies ermöglicht die Verfolgung des Widerstandsverhältnisses statt des absoluten Widerstands.

Erreichbare Genauigkeit

Thermoelemente:

• Typ R/S/B : ±0.3°C bis 1,100°C; ±2°C bis 1,550°C
•  Typ K/N (unedle Metalle) : ±0.1°C zwischen -80°C und +100°C; höhere Fehler bei erhöhten Temperaturen aufgrund von Instabilität

Widerstandsthermometer (RTDs):

• Kalibrierung innerhalb von Hundertsteln oder sogar Tausendsteln eines Grades ist bei hochwertigen Geräten erreichbar
• Industrielle Widerstandsthermometer können folgende Werte erreichen:
• ±0.01% Genauigkeit über den gesamten Bereich
• ±0.005% Stabilität pro Jahr für drahtgewickelte Sensoren

Herausforderungen bei der Kalibrierung

Thermoelemente:

Die thermoelektrische Spannung wird entlang der Länge dort erzeugt, wo Temperaturgradienten bestehen.  Die Kalibrierung setzt homogene Leitereigenschaften voraus, was bei gealterten Sensoren nicht zwangsläufig der Fall ist. Auch bei gleichbleibenden Temperaturen an der Messstelle kann Drift auftreten (siehe Abbildung 8.3).

Abbildung 8.3 : Die Auswirkungen von Zeit und Belastung auf einige Thermoelemente

Widerstandsthermometer (RTDs):

Widerstandsthermometer sind schaftempfindlich , nicht spitzenempfindlich. Die Kalibrierung muss eine ausreichende Eintauchtiefe in eine isotherme Zone sicherstellen. Mit der Zeit kann die Einwirkung extremer Bedingungen zu einer nicht gleichmäßigen Alterung entlang der Sensorlänge führen, wodurch eine Laborkalibrierung potenziell unzuverlässig wird.

Zusammenfassung

Thermoelemente und RTDs werden mit engen Toleranzen gefertigt, aber der Einsatz unter realen Bedingungen kann aufgrund von Isolationsabbau, mechanischen Schäden oder chemischer Einwirkung zu Drift führen. RTDs bieten in der Regel eine bessere Langzeitstabilität als Thermoelemente. Regelmäßige Kalibrierung – im Labor oder in situ – ist für Hochgenauigkeitsanwendungen unerlässlich. Die Verfahren reichen von einfachen Referenzvergleichen bis hin zu Fixpunktkalibrierungen, die auf internationale Normen rückführbar sind. Zu verstehen, wie und wann sich Sensoren verschlechtern, hilft, den richtigen Kalibrierungsplan festzulegen und die Messzuverlässigkeit weiterhin sicherzustellen.

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