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Temperaturmesstechnik

Die Temperaturmesstechnik am Institut PMS hat eine lange Tradition. In enger Kooperation mit der Industrie werden neue Sensoren und Kalibrierverfahren auf dem Gebiet der Temperaturmesstechnik entwickelt. Weiterhin werden Forschungen zum Temperatureinfluss auf Präzisionsmessgeräte und zu den Möglichkeiten der Fehlerkompensation durchgeführt. Schwerpunkte sind:

Selbstkalibrierende Miniaturfixpunkt-Thermometer

Eine Temperaturmessung mit gebräuchlichen elektrischen Berührungsthermometern (Thermoelemente, Widerstandsthermometer) kann mit relativ großen Unsicherheiten behaftet sein. Die Charakteristik des verwendeten Temperatursensors ist häufig nur ungenau bekannt und kann sich zudem durch Alterungseffekte in unvorhersehbarer Weise ändern. Die Messung der elektrischen Ausgangsgrösse Thermospannung bzw. Widerstand wird durch parasitäre Thermospannungen an Kontaktstellen, nicht idealen Isolationswiderständen aber auch zeit- und temperaturabhängigen Kennlinienveränderungen des Volt- bzw. Ohmmeters verfälscht. Bei Verwendung von Thermoelementen unterliegt deren Vergleichstellentemperatur oft unbekannten zeitlichen Änderungen. Eine Reihe dieser Fehlereinflüsse lassen sich zwar durch periodische Kontrollen und Überprüfungsmessungen erkennen und korrigieren. Diese sind jedoch kosten- und zeitaufwendig und meist auch mit einem Ausbau des Thermometers verbunden.  
Mit der Entwicklung selbstkalibrierender Miniaturfixpunkt-Thermometer besteht die Möglichkeit, eine gesamte Temperaturmesseinrichtung (Temperaturmesskette) fast beliebig oft, automatisch und in situ, also im eingebauten Zustand, zu rekalibrieren. Die Thermometer enthalten dafür integrierte Materialien mit einer Phasenumwandlung im interessierenden Temperaturbereich, deren bekannte, langzeitstabile Referenztemperatur zur Kalibrierung genutzt wird. Durch geschickte Auswahl der Fixpunktmaterialien und Anpassung der Minaturfixpunktzellen sind Kalibrierungen bis zu 660°C möglich.

Bestimmung der dynamischen Kennwerte von Temperaturfühlern

Bild 1: Zeitprozentkennwerte bei Aufwärts- und Abwärtssprung um 1.000 K
Bild 2: Abhängigkeit t63% von der Temperatur

Das Institut PMS besitzt seit vielen Jahren umfangreiche Erfahrungen bei der experimentellen und numerischen Bestimmung dynamischer Kennwerte (Zeitprozentkennwerte und Zeitkonstanten) von Berührungsthermometern bei der Messung in Fluiden und an Oberflächen. Es existieren entsprechende Prüfeinrichtungen, außerdem wurde an der Überarbeitung der VDI/VDE-Richtlinie 3522 „Zeitverhalten von Berührungsthermometern“ maßgeblich mitgearbeitet.
Aktuelle Untersuchungen finden im Rahmen der Mitarbeit im Thüringer Innovationszentrum Mobilität (ThIMO) zur Bestimmung der Abhängigkeit der dynamischen Kennwerte von der Temperatur statt. Da vor allem die Materialeigenschaften verschiedener Stoffe stark von der Temperatur abhängen, unterscheidet sich das dynamische Verhalten von der Richtung des Temperatursprungs (Bild 1). In Bild 2 ist erkennbar, dass sich die Zeitprozentkennwerte bei Auf- und Abwärtssprüngen um jeweils 100 K mit steigender Temperatur erhöhen.

Einsatz von Thermometern in Verbrennungsmotoren

Ziel der Mitarbeit in den Projekten Thüringer Innovationszentrum Mobilität (ThIMO) ist es, hochgenaue, schnelle und mechanisch stabile Thermoelemente für den Einsatz in Abgassystem in Temperaturbereichen bis zu 1.000 °C und Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 100 m/s zu entwickeln.
Thermoelemente, die in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden (Bild), müssen in der Lage sein innerhalb weniger Sekunden die Temperatur im Verbrennungsraum genau zu bestimmen. Diese genaue Temperaturmessung dient dem Bauteilschutz, ist aber auch im Rahmen einer optimalen Motorregelung wichtig.

Blockkalibrator mit Fixpunktzellen als Temperaturreferenz zur Thermometerkalibrierung

Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) getragenen Fördermaßnahme zur Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung (VIP) bearbeitet das Institut PMS das Projekt „TempKal“. Gegenstand der Forschung in diesem Projekt ist ein neuartiger Blockkalibrator zur Thermometerkalibrierung, der sich durch geringe axiale Temperaturgradienten sowie die Möglichkeit zur Absolutwert-Kalibrierung ohne Vergleichsthermometer auszeichnet. Erreicht wird dies durch die Minimierung der axialen Wärmeströme mit Hilfe von Wärmestromsensoren und einer Multizonenheizung. Die Rückführbarkeit der Kalibratortemperatur wird durch in den Blockkalibrator integrierte Miniaturfixpunktzellen hergestellt.

Oberflächentemperaturmessung

Bild 1: Kalibriereinrichtung für Oberflächen-Tasttemperaturfühler
Bild 2: Stationäre Temperaturverteilung in einem Kreuzband-Tasttemperaturfühler (Firma Testo)
Bild 3: Versuchseinrichtung für Rohranlegefühler

Durch die Einführung von genormten Qualitätssicherungssystemen entwickelt sich ein steigender Bedarf an Kalibrierungen und Zertifizierungen für Oberflächentemperaturfühler. Bisher beschränken sich diese Prüfungen meist auf die Bestimmung von Kennlinienfehlern der Temperatursensoren ähnlich denen für Tauchtemperaturfühler. Dabei werden aber u.a. folgende Faktoren nicht berücksichtigt:
•    die Rückwirkung des Fühlers auf das Messobjekt,
•    das Material und die Oberflächenbeschaffenheit des Messobjektes,
•    der Kontaktwiderstand zwischen Fühler und Messobjekt,
•    die Aufsetzkraft und der Aufsetzwinkel des Fühlers auf das Messobjekt.
Diese Faktoren beeinflussen die Gesamtmessabweichung bei der Messung mit Tasttemperaturfühlern erheblich. Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik wurde unter Berücksichtigung der oben genannten Fakten in Zusammenarbeit mit der PTB Berlin und drei weiteren Partnern eine Kalibriereinrichtung für Tasttemperaturfühler entwickelt, die eine Kalibrierung möglichst nahe an den Einsatzbedingungen ermöglicht. Mit der Prüfeinrichtung (Bild 1) können unterschiedliche Bauformen von Oberflächentast-Temperaturfühlern an temperaturgeregelten Prüfkörpern unterschiedlicher Materialien reproduzierbar kalibriert werden.

Aufgrund der durchgeführten Messungen sowie durch begleitende Numerische Berechnungen (Bild 2) erhält der Anwender umfangreiche Informationen über das statische und dynamische Verhalten der Fühler sowie zu möglichen konstruktiven Verbesserungen.

Eine weitere Versuchseinrichtung zur Bestimmung  der statischen und dynamischen Messabweichungen von Rohranlegefühlern (Bild 3) wurde ebenfalls am Institut entwickelt.

Thermische Optimierung

Im Rahmen des EU-Forschungsprojektes EMRP-JRP IND13 erhielt das Fachgebiet Prozessmess- und Sensortechnik einen Researchers Excellence Grant (REG) und forscht an der thermischen Optimierung von Längenmesssystemen. Hierbei werden thermische Modelle und Tools entwickelt, mit denen der Einfluss kritischer Faktoren wie z.B. eine unzureichende thermische Stabilität der Systeme, Temperaturgradienten oder Wärmeeinträge in Messinstrumente bestimmt und reduziert werden kann.
Diese Ansätze werden exemplarisch an zwei Präzisionsmesssystemen zur dimensionellen Messung erprobt. An der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig wird ein Messmikroskop, welches Teil des Nanometer-Komparators ist, thermisch optimiert. Hierzu werden verschiedene aktive und passive Ansätze zur thermischen Stabilisierung des Aufbaus mit Hilfe thermischer Modellierungsmethoden verglichen und angewandt. Die thermische Optimierung der „Prototype Form Measuring Machine“ welche am Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (LNE) in Paris zur Rundheitsmessung an zylindrischen Körpern aufgebaut wird, ist eine zweite Aufgabe. Hierbei soll die thermische Empfindlichkeit des Aufbaus reduziert werden. Zusätzlich sollen generelle Design-Empfehlungen abgeleitet werden, die für die thermische Konstruktion und Optimierung auch anderer Messsysteme verwendet werden können.

Luftfeuchtekonditionierung

Sensoren zur Bestimmung der Luftfeuchte werden häufig bei der Umweltkompensation von Präzisionsmessgeräten eingesetzt. Da diese Sensoren einer Alterung unterliegen, müssen sie regelmäßig überprüft bzw. kalibriert werden. Mithilfe eines Hygrostaten kann die Luft in einer Testkammer bezüglich ihrer Luftfeuchtigkeit konditioniert werden. Mittels einer gleichzeitigen präzisen Temperaturmessung können unterschiedliche Kenngrößen für die Luftfeuchte, wie relative Luftfeuchtigkeit, Taupunkttemperatur und Wasserdampfpartialdruck bestimmt werden. Zur Überprüfung und Kalibrierung ist eine präzise Regelung der Umweltbedingungen notwendig, um die eingestellten Umweltbedingungen zeitlich stabil zu gewährleisten. Der am Institut entwickelte Hygrostat nutzt die temperaturabhängigen Wasseradsorption von Festkörperoberflächen, um den Wassergehalt der Luft kontinuierlich einzustellen.