Miniatur-Fixpunktzellen als Basis selbstkalibrierender elektrischer Berührungsthermometer

Boguhn, Dirk

Mit Miniatur-Fixpunktzellen lassen sich Phasenumwandlungstemperaturen von Reinststoffen als Temperatur-Fixpunkte nutzen. Elektrische Berührungsthermometer, in die Miniaturzellen in geeigneter Weise integriert wurden, sind vergleichsweise einfach, nahezu beliebig oft und unter Einsatzbedingungen (in situ) an der bekannten Fixpunkttemperatur rekalibrierbar. Praktisch realisiert wurde dieses Prinzip bislang nur unter Laborbedingungen. Im Rahmen der Arbeit werden wesentliche Ergebnisse von Untersuchungen vorgestellt, die das Ziel haben, thermisch optimierte Miniatur-Fixpunktzellen mit verbesserten messtechnischen Eigenschaften zu entwerfen. Ziel ist es, Miniatur-Fixpunktzellen in industrieübliche und -taugliche elektrische Berührungsthermometer mit Außendurchmessern von [größer gleich] 6 mm zu integrieren und auf diese Weise deren periodische in-situ-Selbstkalibrierung zu ermöglichen. Aufbauend auf grundlegenden Betrachtungen zur Thermodynamik von Phasenumwandlungen in Reinstmetallen und Legierungen werden Auswahlkriterien für Fixpunkt- und Tiegelmaterialien abgeleitet. Wesentlicher Schwerpunkt ist die Frage der Realisierung eines thermischen Gleichgewichts zwischen einem Temperatursensor und dem Phasenumwandlungsmaterial innerhalb der Miniaturzelle auch bei sich vergleichsweise schnell ändernden äußeren Temperaturen und inhomogenen Temperaturfeldern. Bekannte Bauformen von Miniaturfixpunkt-Thermometern sowie gebräuchliche Methodiken bei Kalibrierungen in Standard-Fixpunktzellen werden diesbezüglich analysiert. Ein hinreichendes thermisches Gleichgewicht zwischen Temperatursensor und Fixpunktmaterial lässt sich herstellen, indem das lokale Temperaturfeld im Bereich der Miniaturzelle weitgehend homogenisiert wird. Dies kann temporär unter Ausnutzung der hohen Temperaturkonstanz des Phasenumwandlungsmaterials während eines Schmelz- oder Erstarrungsprozesses geschehen. Anhand von Modellierungen und numerischen Simulationen von Thermoelementen mit integrierter Miniatur-Fixpunktzelle werden die Veränderungen der Temperaturverteilungen innerhalb des Thermometers sowie die davon abhängigen Ausbreitungen der Fest/flüssig-Phasengrenzen während einer Phasenumwandlung in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen untersucht. Die detaillierten Modellrechnungen ermöglichen die Ableitung von Richtlinien und Kriterien für die konstruktive Gestaltung der Miniatur-Fixpunktzellen und ihre Integration in Thermometer. Zudem dienen sie zur Verifizierung eines einfachen Auswerteverfahrens zur Bestimmung der Phasenumwandlungstemperaturen aus den gemessenen Plateaus. Experimentelle Untersuchungen bestätigten die Ergebnisse der Simulationen. Langzeitmessungen im Labor und unter industriellen Einsatzbedingungen lieferten den Nachweis der hinreichenden thermischen und mechanischen Stabilität der Miniaturfixpunkt-Thermometer. Mit einigen binären eutektischen und monotektischen Legierungen sind Untersuchungen bezüglich ihrer Eignung als Phasenumwandlungsmaterialien in Miniatur-Fixpunktzellen durchgeführt worden. Insbesondere die Gleichgewichtstemperaturen ihrer Schmelzvorgänge erwiesen sich dabei als hinreichend reproduzierbar und als Temperatur-Fixpunkte nutzbar. Thermometer mit integrierten Miniatur-Fixpunktzellen lassen sich wie bisher in Kalibrierlaboratorien für Vergleichskalibrierungen einsetzen. Die erreichten Verbesserungen ihrer messtechnischen Eigenschaften sowie die hohen Langzeitstabilitäten der Miniatur-Fixpunktzellen machen es darüber hinaus möglich, auch industrielle Temperaturmessstellen mit Miniaturfixpunkt-Thermometern auszustatten. Am Beispiel der Temperaturmessung in Heißdampfleitungen von Wärmekraftwerken wird gezeigt, dass sich durch den Einsatz selbstkalibrierender Miniaturfixpunkt-Thermoelemente nachweisbare Verringerungen der Temperaturmessunsicherheiten von bislang etwa 3...5 K auf unter 1 K erreichen lassen.

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Boguhn, Dirk: Miniatur-Fixpunktzellen als Basis selbstkalibrierender elektrischer Berührungsthermometer. 2003.

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