Kalibrierung von Thermometern: Präzisionsverfahren für analoge und digitale Messgeräte
Obwohl die Kalibrierung von Thermometern auf den ersten Blick einfach erscheinen mag, ist in Industriebereichen, die hohe Präzision erfordern und anspruchsvolle Messgeräte verwenden, die Messgenauigkeit von entscheidender Bedeutung. In Bereichen wie der Pharma-, Luft- und Raumfahrt oder der Lebensmittelsicherheit gewährleistet eine zuverlässige Kalibrierung präzise Temperaturmessungen und die Einhaltung kritischer Normen. Während einfache Methoden, wie die Eis- oder Siedepunktmethode, für grundlegende Kalibrieraufgaben ausreichend sind, bieten sie nicht die Präzision oder Rückführbarkeit, die von professionellen oder internationalen Normen gefordert wird. Dieser Artikel erläutert die Notwendigkeit der Kalibrierung, stellt gängige industrielle Thermometertypen vor und beschreibt die üblichsten Kalibrierverfahren.
Warum ist die Kalibrierung von Thermometern notwendig?
Wie bei allen Messmitteln kann die Messgenauigkeit eines Thermometers im Laufe der Zeit durch Faktoren wie Verschleiß, Umwelteinflüsse oder intensive Nutzung beeinträchtigt werden. Unpräzise Temperaturmesswerte können zu kostspieligen Fehlern, Sicherheitsrisiken und der Nichteinhaltung von Vorschriften in kritischen Industriebereichen führen. Beispielsweise:
- Regulatorische Anforderungen an ein pharmazeutisches Labor können vorschreiben, dass jedes von Personal für Forschung oder Produktion verwendete Digitalthermometer eine Genauigkeit innerhalb von 0,01 °C (32,018 °F) einhalten muss, was eine sorgfältige Kalibrierung erforderlich macht.
- In der Lebensmittelproduktion und -lagerung gewährleistet ein ordnungsgemäß kalibriertes Anzeige-Thermometer die konsistente Einhaltung von Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften.
- Ein in der Fertigung eingesetztes Infrarot-Thermometer könnte die Rückführbarkeit seiner Messwerte bei kritischen Qualitätsprüfungen erfordern.
Regelmäßige Kalibrierung gewährleistet, dass ein Thermometer präzise und zuverlässig bleibt, wodurch kostspielige Fehler wie verdorbene Chargen in der pharmazeutischen Produktion, Verderb in der Lebensmittelherstellung oder Geräteausfälle in der Luft- und Raumfahrt vermieden werden. Obwohl grundlegende Methoden, wie die Eisspunktkalibrierung, für schnelle Überprüfungen nützlich sind, reichen sie für professionelle oder sicherheitskritische Anwendungen nicht aus. Bevor die Kalibrierverfahren detailliert beschrieben werden, werden die gängigen Thermometertypen untersucht.
Gängige Thermometertypen
Es gibt zahlreiche unterschiedliche Thermometertypen, die für eine Vielzahl von Situationen und Anwendungen entwickelt wurden. Das Verständnis dieser Unterschiede ist entscheidend für die Auswahl des geeigneten Kalibrierverfahrens für die jeweiligen Anforderungen.
Digitale Stabthermometer
Digitale Stabthermometer sind kompakt und in medizinischen sowie industriellen Anwendungen weit verbreitet. Ihr Aufbau ist einfach: Sie bestehen aus einem Stab oder einer Temperatursonde, die in das zu messende Medium eingeführt wird, sowie einer digitalen Anzeige. Ein digitaler Temperatursensor, der sich nahe der Spitze des Stabes oder der Sonde befindet, erfasst die relevanten Temperaturdaten und übermittelt sie an die Anzeige.
Bei einigen digitalen Stabthermometern ist die Anzeige direkt mit der Sonde verbunden. Andere Modelle verfügen über ein flexibles Kabel, das den Stab mit der Anzeige verbindet; diese sind besonders nützlich in Situationen, in denen die Anzeige nicht oder nicht direkt am Messpunkt platziert werden kann.
Digitale Stabthermometer sind einfach zu bedienen: Man führt den Stab oder die Sonde einfach in die zu messende Substanz ein und liest den Messwert an der Anzeige ab. Allerdings basieren sie auf Temperatursensoren, deren Messwerte im Laufe der Zeit driften können.
Vorteile und Nachteile digitaler Stabthermometer
Vorteile
- Einfache Bedienung
- Präzise für Routinemessungen
Nachteile
- Begrenzte Präzision für kritische Anwendungen
- Drift erfordert häufige Kalibrierung
Anzeige-Thermometer
Anzeige-Thermometer sind häufig in Großküchen oder industriellen Umgebungen zu finden. Sie können digitalen Stabthermometern ähneln, weisen jedoch einige wesentliche Unterschiede auf. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die Anzeige eines Anzeige-Thermometers ein analoges, zifferblattartiges Display mit Zeiger ist und keine digitale Anzeige. Das Zifferblatt ist direkt mit einem Stab oder einer Sonde verbunden.
Es gibt verschiedene Typen von Anzeige-Thermometern, der gängigste Typ ist jedoch das Bimetallthermometer. Bimetallthermometer verwenden einen Streifen, der aus zwei unterschiedlichen, miteinander verschweißten Metallen besteht, wobei jedes Metall einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Dieser Bimetallstreifen verläuft durch den Stab des Thermometers. Die Wärmeausdehnung dieser Metalle verformt den Streifen, wodurch eine Spule gedreht wird, die anschließend den Zeiger auf dem Zifferblatt bewegt.
Vorteile und Nachteile von Anzeige-Thermometern
Vorteile
- Robust und kostengünstig
- Keine Batterien erforderlich
Nachteile
- Begrenzte Messgenauigkeit
- Empfindlich gegenüber mechanischem Verschleiß
Industriethermometer: Thermoelemente und Infrarotthermometer
Thermoelemente und Infrarotthermometer sind in industriellen Anwendungen weit verbreitet, weshalb es sinnvoll ist, sie gemeinsam zu behandeln.
Thermoelemente
Thermoelemente sind Temperatursensoren, die aus zwei elektrisch leitenden Schenkeln bestehen, wobei jeder Schenkel aus einem anderen Metalltyp gefertigt ist. Diese Schenkel sind an einer Basis zusammengeführt, um eine elektrische Messstelle zu bilden. Basierend auf dem Seebeck-Effekt wird zwischen den beiden Schenkeln eine Spannung erzeugt, wenn sich die Temperatur ändert. Ein an das Thermoelement angeschlossenes Messgerät interpretiert dieses elektrische Signal, übermittelt die Informationen und zeigt die entsprechende Temperatur an.
Obwohl Thermoelemente technisch gesehen keine eigenständigen Thermometer sind, stellen sie entscheidende Komponenten in vielen Industriethermometern dar. Sie sind äußerst vielseitig und können einen weiten Temperaturbereich messen, abhängig von den für die Schenkel verwendeten spezifischen Metallen.
Infrarotthermometer
IR-Thermometer – auch bekannt als Laserthermometer, Temperaturpistolen oder berührungslose Thermometer – messen die Temperatur, indem sie die von Objekten emittierte Infrarotstrahlung detektieren. Vereinfacht ausgedrückt: Wenn die Temperatur eines Objekts steigt, bewegen sich dessen Atome schneller, was dazu führt, dass es mehr Infrarotstrahlung emittiert. Das IR-Thermometer nutzt interne Komponenten, um diese Oberflächenstrahlung zu fokussieren, zu absorbieren und zu messen und sie in einen Temperaturmesswert umzuwandeln.
Diese berührungslose Temperaturmessung ist in vielen industriellen Umgebungen ideal. Beispielsweise können Benutzer das IR-Thermometer einfach auf die gewünschte Oberfläche richten, um Temperaturen in schwer zugänglichen Bereichen, an zu heißen Oberflächen oder an Geräten, die gefährliche Dämpfe emittieren, zu messen. Trotz ihres Komforts ist die Kalibrierung von IR-Thermometern aufgrund ihrer komplexen Messmechanismen eine Herausforderung.
Vorteile und Nachteile von Thermoelementen und Infrarotthermometern
Vorteile
- Beide Typen: Breiter Temperaturbereich
- Beide Typen: Schnelle Ansprechzeiten
Nachteile
- Thermoelemente: Erfordern spezialisierte Kalibrierwerkzeuge
- Infrarotthermometer: Abhängigkeit von präzisen Emissionsgradeinstellungen für die Messgenauigkeit
Nachdem die gängigen Thermometertypen besprochen wurden, wird im Folgenden deren Kalibrierung näher beleuchtet.
Die gängigsten Kalibrierverfahren für Thermometer
Es gibt drei primäre Methoden zur Kalibrierung eines Thermometers: die Eisspunktmethode, die Siedepunktmethode und die Verwendung von Thermometer-Normalen. Jede Methode ist für unterschiedliche Situationen geeignet, wobei die Wahl vom Thermometertyp und dem für die Anwendung erforderlichen Genauigkeitsgrad abhängt.
Eisspunktmethode
Die Eisspunktmethode ist ein beliebtes, unkompliziertes Kalibrierverfahren, das sich am besten für schnelle Genauigkeitsprüfungen eignet, insbesondere für digitale Stab- und Anzeige-Thermometer. Allerdings können Faktoren wie die Reinheit des verwendeten Wassers und Eises, die Umgebungstemperatur der Kalibrierumgebung und deren Einfluss auf die Schmelzrate die Genauigkeit und Präzision der Messergebnisse beeinflussen. Aufgrund dieser Variablen ist die Eisspunktmethode für rückführbare Kalibrierungen in industriellen oder wissenschaftlichen Umgebungen nicht präzise genug.
Vorgehen bei der Kalibrierung mittels Eisspunktmethode
- Füllen Sie ein Glas mit zerstoßenem Eis und fügen Sie ausreichend destilliertes Wasser hinzu, um das Eis zu bedecken. Rühren Sie die Mischung um, bis eine schlammige Konsistenz entsteht.
- Führen Sie die Thermometersonde in die Eisspunktmischung ein und stellen Sie dabei sicher, dass sie die Seiten oder den Boden des Behälters nicht berührt.
- Warten Sie, bis sich der Messwert des Thermometers stabilisiert hat, welcher 0 °C (32 °F) betragen sollte.
- Weicht der Messwert ab, justieren Sie das Thermometer bei Bedarf oder notieren Sie die Abweichung zur späteren Korrektur.
Vorteile und Nachteile der Eisspunkt-Kalibriermethode
Vorteile
- Einfach und kostengünstig
- Nützlich für schnelle Überprüfungen
Nachteile
- Mangelnde Rückführbarkeit und Präzision
- Umgebungsfaktoren (z. B. unreines Wasser oder falsches Eis-Wasser-Verhältnis) können die Ergebnisse beeinflussen.
Siedepunktmethode
Die Siedepunkt-Kalibriermethode ähnelt der Eisspunktmethode, basiert aber auf dem Messwert des Thermometers am Siedepunkt von Wasser. Ähnlich wie bei der Eisspunktmethode können viele Umgebungsfaktoren – wie die Reinheit des Wassers und die Höhe des Prüfstandortes – den Siedepunkt des Wassers beeinflussen und folglich die Messgenauigkeit dieser Kalibriermethode beeinträchtigen. Dennoch bleibt sie eine gängige Kalibriermethode für Thermometer, die nicht für Anwendungen mit präzisen Messanforderungen vorgesehen sind.
Vorgehen bei der Kalibrierung mittels Siedepunktmethode
- Kochen Sie destilliertes Wasser in einem Behälter.
- Führen Sie die Thermometersonde in das kochende Wasser ein und stellen Sie sicher, dass sie die Seiten oder den Boden nicht berührt.
- Warten Sie, bis sich der Messwert des Thermometers am Siedepunkt (100 °C oder 212 °F auf Meereshöhe) stabilisiert hat. Berücksichtigen Sie gegebenenfalls die Höhe.
- Notieren Sie Abweichungen und justieren oder korrigieren Sie das Thermometer entsprechend.
Vorteile und Nachteile der Siedepunkt-Kalibriermethode
Vorteile
- Unkompliziert und kostengünstig
- Nützlich für Hochtemperaturprüfungen
Nachteile
- Erfordert Anpassungen für Höhe und Druck, was die Messgenauigkeit erschwert.
- Nicht geeignet für Thermometer, die Rückführbarkeit erfordern.
Verwendung von Thermometer-Normalen
Die Kalibrierung eines Thermometers mittels Referenznormalen gewährleistet Rückführbarkeit und Messgenauigkeit, insbesondere für Messgeräte, die von Fachleuten in kritischen Industriebereichen verwendet werden. Fluke Calibration bietet Messgeräte wie Tripelpunktzellen und Präzisionsbäder, die als Referenzwerkzeuge für die professionelle Kalibrierung gelten.
Was sind Thermometer-Normale?
Thermometer-Normale sind spezialisierte, hochgenaue Messmittel oder Substanzen mit wohldefinierten Temperaturwerten, wie Tripelpunktzellen (0,01 °C, 32,018 °F) oder Fixpunktbäder. Da Normale spezialisierte Ausrüstung sind, können sie kostspielig sein, und der Kalibrierprozess ist nicht immer so unkompliziert wie bei anderen Methoden. Folglich sind diese Normale typischerweise in unabhängigen Kalibrierlaboratorien zu finden, die mit hochqualifizierten Technikern besetzt sind. Große Organisationen können sie auch in hauseigenen Kalibrierlaboratorien einsetzen. Diese Normale gewährleisten die Kalibrier-Rückführbarkeit des Prüflings (DUT) auf internationale Normen, wie z. B. ITS-90.
Vorgehen bei der Kalibrierung mittels Thermometer-Normalen
- Richten Sie das Thermometer und das Normal (z. B. eine Tripelpunktzelle oder ein Kalibrierbad) ein.
- Platzieren Sie die Thermometersonde im Kalibriermedium und stellen Sie sicher, dass die Eintauchbedingungen den Anforderungen des Normals entsprechen.
- Lassen Sie das System stabilisieren.
- Notieren Sie den Messwert des Thermometers und vergleichen Sie ihn mit der Referenztemperatur des Normals.
- Justieren Sie das Thermometer oder notieren Sie den Korrekturfaktor.
Vorteile und Nachteile der Verwendung von Thermometer-Normalen
Vorteile
- Hohe Präzision und Rückführbarkeit
- Erforderlich zur Einhaltung von ISO 17025 und anderen Normen
Nachteile
- Erfordert spezialisierte Ausrüstung
- Höhere Anschaffungskosten, jedoch entscheidend für dauerhafte Messgenauigkeit.
Sicherstellung der Kalibriergenauigkeit von Thermometern
Während grundlegende Kalibrierverfahren, wie die Eisspunkt- und Siedepunktmethoden, für schnelle Überprüfungen nützlich sind, reichen sie für professionelle oder kritische Anwendungen nicht aus. Faktoren wie Umgebungsbedingungen, Bedienfehler und Gerätedrift machen eine rückführbare Kalibrierung in Industrien, in denen Präzision von größter Bedeutung ist, unerlässlich.
Fluke Calibration bietet Kalibrierwerkzeuge, die die Messgenauigkeit, Wiederholbarkeit und Rückführbarkeit bieten, die erforderlich sind, um die Einhaltung strenger Normen für Thermometer zu gewährleisten. Beispielsweise liefern Fluke Wassertripelpunktzellen eine außergewöhnliche Präzision, mit Messunsicherheiten von nur 0,00005 °C (32,00009 °F), was sie für Anwendungen von der Kryotechnik bis zur Pharmazie unverzichtbar macht.