Temperaturmesstechnik

In Thermometer integrierte miniaturisierte Fixpunktzellen ermöglichen erstmalig eine direkte In-situ Kalibrierung von Thermometern mit direktem Anschluss an die ITS-90 im Prozess.  Durch die Forschung auf diesem Gebiet in den letzten 20 Jahren wurde ein deutlicher Schritt zu praktikableren und industriell verwendbareren Fixpunktkalibrierungen gemacht. Deutschlandweit ist das Institut Prozessmess- und Sensortechnik die einzige Forschungsinstitution mit umfassendem Know-how auf diesem Gebiet, welches die Basis des Konzepts darstellt. Gemeinsam mit einem industriellen Partner wurde diese Kompetenz daraufhin erweitert, dass eine kontinuierliche Einpunktkalibrierung eines Thermometers direkt im Prozess mit Hilfe eines in das Thermometer integrierten Referenzmaterials, dessen Curie-Temperatur T_C = 118 °C die Referenztemperatur der Kalibrierung bereitstellt, erfolgt.

Literatur:

• BERNHARD, F.; BOGUHN, D.; AUGUSTIN, S.; MAMMEN, H.; DONIN, A.: Einsatzerfahrungen mit selbstkalibrierenden Thermoelementen im Kraftwerkseinsatz. In: Temperatur 2003. Berlin: VdI-Verlag, 2003, S. 259–266
• BERNHARD, F.; AUGUSTIN, S.; MAMMEN, H.: Application of Self-Calibrating Thermometers with Miniture Fixed-Point Cells in a Temperature Range from 300 °C to 650 °C. In: TEMPMEKO 2004. Dubrovnik, 2004
• SCHALLES, M.; VRDOLJAK, P.: Kalibrierung von Thermometern in situ im Prozess. In:  Sensoren und Messsysteme / Fachtagung Sensoren und Messsysteme 19. 2018 Nürnberg. - Berlin : VDE Verlag GmbH, 2018, Seite 219-222

Am Institut wurden verschiedene Versuchseinrichtungen aufgebaut, mit denen das statische und dynamische Verhalten von Berührungsthermometern entsprechend geltender Normen und Richtlinien untersucht werden kann. Sie dienen einerseits zum Vergleich der Kennwerte verschiedener Thermometerbauformen anderseits jedoch auch zur Validierung der mit numerischen Verfahren ermittelten Ergebnisse. Die Abhängigkeit der Kennwerte von den temperaturabhängigen Materialeigenschaften sowie von verschiedenen Mediums-, Einbau- und Umgebungsbedingungen wird sowohl theoretisch durch numerische Berechnungen als praktisch bestimmt. Ergebnisse der Forschungsarbeiten flossen in verschiedene Normen und Richtlinien ein (z.B. VDI/VDE GMA Richtlinie 3522 „Dynamisches Verhalten von Berührungsthermometern“). Die Versuchseinrichtungen stehen für Messungen im Dienstleistungsbereich zur Verfügung.

Literatur:

• AUGUSTIN, S.; FROEHLICH, T.: Temperature dependence of dynamic parameters of contact thermometers. In: Sensors. MDPI, Bd. 19 (2019), DOI: 10.3390/s19102299
• AUGUSTIN, S.; FROEHLICH, T.; SCHALLES, M.; KRUMMECK, S.: Bilateral comparison for determining the dynamic characteristic values of contact thermometers in fluids. In: Journal of sensors and sensor systems. Bd. 7, 2018, Seite 331-337
• AUGUSTIN, S.; FROEHLICH, T.: Dynamisches Verhalten von Berührungsthermometern unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Materialdaten – Erweiterung der VDI/VDE-Richtlinie 3522. In: Technisches Messen. Bd. 83, 2016, 7-8, Seite 402-409
• AUGUSTIN, S.; BERNHARD, F.: Numerical calculation of static and dynamic parameters of industrial temperature sensors. In: Measurement / International Measurement Confederation. Elsevier Science, Bd. 17, 1996, 4, Seite 217-228

Bei der berührenden Oberflächentemperaturmessung mit Tast- oder Rohranlegethermometern sind andere Einflussfaktoren auf die statischen und dynamischen Kennwerte der Thermometer als bei der Messung in Fluiden zu beachten (z.B. Anpresskraft, Oberflächenrauheit usw.). Deshalb wurden für die Kalibrierung bzw. die Bestimmung der thermischen Messabweichungen spezielle Kalibriereinrichtungen entwickelt und in Kooperation mit verschiedenen Partnern aus der Industrie und der PTB aufgebaut.

Gleiches trifft auch für die Entwicklung verschiedener Kalibrierplätze für Strahlungsthermometer sowie Wärmestromsensoren zu. Dabei wurden zum Teil die am Institut entwickelten Dreifach-Fixpunktzellen eingesetzt, die eine unmittelbare Rückführung der Kalibrierung auf die Internationale Temperaturskala ITS-90 ermöglichen.  

Am Institut wurden die verschiedenen Einflussfaktoren bei der Messung mit Oberflächenthermometern sowie Wärmestromsensoren identifiziert und ihre Beiträge auf die entsprechenden Messunsicherheitsbudgets umfassend experimentell ermittelt. Die Arbeiten bildeten eine wichtige Grundlage bei der Erarbeitung neuer Richtliniendokumente auf diesem Gebiet.

Literatur:

• BERNHARD. F.; AUGUSTIN, S.; MAMMEN, H.; SOMMER, K.-D.; TEGELER, E.; WAGNER, M.; DEMISCH, U.; TRAGESER, P.: Calibration of contacting sensors for temperature measurements on surfaces. In: Proceedings of TEMPMEKO '99, the 7th International Symposium on Temperature and Thermal Measurement in Industry and Science; June 1999, Delft, Seite 257-262
• SCHALLES, M.: Dreifach-Fixpunktstrahler zur Kalibrierung von Strahlungsthermometern, Technische Universität Ilmenau, Dissertation, 2009
• SCHALLES, M.; BERNHARD, F.: Triple-fixed-point blackbody for the calibration of radiation thermometers. In: Int. Journal of Thermophysics 28 (2007), Nr. 6, S. 2049–2058
• HOHMANN, M.; MARIN, S.; SCHALLES, M.; FROEHLICH, T.: Dry block calibrator with improved temperature field and integrated fixed-point cells. In: International journal of thermophysics. Bd. 38 (2017), 2, Article 17, insges. 10 S., DOI: 10.1007/s10765-016-2155-9
• HOHMANN, M.; MARIN, S.; SCHALLES, M.; FROEHLICH, T.: Dry block calibrator with improved temperature field and integrated fixed-point cells. In: International journal of thermophysics. Bd. 38 (2017), 2, Article 17, insges. 10 S., DOI: 10.1007/s10765-016-2155-9
• HOHMANN, M.: Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen, Technische Universität Ilmenau, Dissertation, 2016
• PUFKE, M.: Messtechnische Untersuchung von Rohranlegethermometern. Technische Universität Ilmenau, Dissertation, 2019
• PUFKE, M.; FROEHLICH, T.: Einflussfaktoren auf die Messung mit Rohranlegethermometern. In: Technisches Messen. Bd. 86, 2019, 1, Seite 67-71
• KUEHNEL, P.: Kalibrierstrahler für Wärmebildkameras. Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit, 2019

Die thermische Modellierung ist bei nahezu allen Forschungsarbeiten im Bereich der Thermometrie, aber auch der Entwicklung von Präzisionsmessgeräten, bei denen die Temperatur eine Störgröße der Messung darstellt, wichtig. Analytische wie auch FEM-Lösungsverfahren werden sowohl bei statischen und dynamischen thermischen aber auch gekoppelten Berechnungen eingesetzt.

Die simulierten Systeme werden hinsichtlich der statischen und dynamischen thermischen Eigenschaften optimiert. Dafür werden Parameter aus der Geometrie und der Stoffeigenschaften gebildet, die mittels stochastische Berechnungen variiert werden. Simulierte Ergebnisse werden anhand von Messungen mit Hilfe der unterschiedlichen Prüfeinrichtungen validiert. Die Benutzung stochastischer Methoden, unter anderem der Monte Carlo Methode, kommt später zur Berechnung von Messunsicherheiten zum Einsatz.

Literatur:

• MARIN, S.; FROEHLICH, T.: Ansatz zur Bestimmung der Unsicherheit und Prognosefähigkeit eines FEM-Simulationsmodells einer kleinen Mehrfachfixpunktzelle für Kalibrierung von Berührungsthermometern. In: Technisches Messen. Bd. 85, 2018, 1, Seite 86-94
• WEIS, H. S.; AUGUSTIN, S.: Simulation of thermal behavior in high-precision measurement instruments. In: International Journal of Thermophysics 29 (2008), Nr. 3, S. 1184–1192
• FRÖHLICH, T.: Temperaturkompensation von Präzisionsmeßgeräten, Technische Universität Ilmenau, Habilitation, 2006
• AUGUSTIN, S.; BERNHARD, F.: Numerical calculation of static and dynamic parameters of industrial temperature sensors. In: Measurement / International Measurement Confederation. Elsevier Science, Bd. 17, 1996, 4, Seite 217-228