Gut simuliert ist halb gewonnen

Ursachen von Messunsicherheiten bei der Kalibrierung von Thermometern

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27.03.2015 Genaues Messen ist immens wichtig. Thermometer haben einen breit gefächerten Anwendungsbereich. Er reicht von der Temperaturmessung in Konsumgütern bis hin zur Einbindung in hochentwickelte medizinische und industrielle Technologien oder Prozesse. Wie jedes andere Messgerät müssen auch Thermometer kalibriert werden – in diesem Fall gemäß der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90).

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Entscheider-Facts Für Betreiber

  • Wie jedes andere Messgerät müssen auch Thermometer kalibriert werden - in diesem Fall gemäß der Internationalen Temperaturskala von 1990 (ITS-90). Eine Simulationssoftware kann hierbei helfen
  • Dank der Simulation ist es möglich, das spezifische Verhalten in einem System zu identifizieren, das experimentell schwierig zu untersuchen ist.
  • Die durch die Simulation erzielten Informationen können bei einem durchdachten Re-Design des Gerätes genutzt werden, um die Messgenauigkeit der Thermometer zu verbessern.

Der Kalibrierungsprozess
Die ITS-90 basiert auf Fixpunkten, die durch die Temperaturen bestimmter Phasenübergänge verschiedener Stoffe – meist Metalle – definiert sind. Während des Phasenüberganges wird die Wärme vom Metall entweder absorbiert oder abgegeben, ohne dass sich dabei dessen Temperatur ändert. An einem Fixpunkt zeichnet ein Thermometer ein Temperaturplateau auf, das in der Praxis als Referenzpunkt verwendet werden kann.

Jonathan Pearce, Leiter des Bereiches Kontaktthermometrie beim National Physical Laboratory (NPL), dem nationalen Metrologieinstitut Großbritanniens, erklärt: „Die ITS-90 wird von Anwendern in Verbindung mit einem Standard-Platin-Widerstandsthermometer eingesetzt. Dies ist ein sehr empfindliches Messgerät, mit dem die Temperatur mit einer Genauigkeit im Mikrokelvin-Bereich gemessen werden kann.“

Das Platin-Widerstandsthermometer wird mittels einer Fixpunktzelle kalibriert. Diese ist normalerweise ein Grafittiegel, gefüllt mit einem hochreinen Metall (typischer Reinheitsgrad: 99,9999%) und einem zentralen Messkanal in der Mitte, in den das Thermometer eingeführt werden kann. Der Messkanal ist so tief, dass der Messfühler des eingeführten Thermometers am Boden der Bohrung vollständig in das Fixpunktmetall eintaucht. Der Tiegel wird anschließend in einem Ofen erhitzt, um so ein kontrolliertes Schmelzen und Erstarren des Metalls zu ermöglichen.

Trotz des hochempfindlichen Messgerätes kann die Temperaturungenauigkeit während der Kalibrierung immer noch in einer Größenordnung von 1 mK liegen. Zum besseren Verständnis des mikroskopischen Materialverhaltens hat Pearce in Zusammenarbeit mit einem Studenten der Surrey Universität, die Simulationssoftware Comsol Multiphysics eingesetzt.

Heftausgabe: April 2015
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Über den Autor

Valerio Marra, Technical Marketing Manager, Comsol
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