Bestimmung der Messunsicherheiten bei der Temperaturmessung mit Oberflächen-Tasttemperaturfühlern

Samchenko, Rostyslav

Zusammenfassung: In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflussfaktoren in gesamter Messkette der Oberflächentemperaturmessung mit Tasttemperaturfühlern untersucht. Für drei Fühler verschiedener Bauformen und Sensortypen (Pt100, NTC und Typ K) und zwei Prüfkörper (Stahl und Aluminium) wurden entspreche Messunsicherheitsbudgets erstellt. Die Einflussfaktoren teilen sich abhängig von dem Ort und der Ursache des Entstehens nach: 1. Thermische Messfehler; 2. Messfehler des Sensors selbst; 3. Messfehler der verwendeten Messgeräte. Besondere Aufmerksamkeit wurde den Untersuchungen von thermischen Messfehlern gewidmet. Die Benutzung der Kalibriereinrichtung verhilft die wesentlichsten Faktoren, wie Wärmeableitung über den Fühler, Anpresskraft, Anpresswinkel, Wärmeleitfähigkeit des Messobjektes zu schätzen. Mit Hilfe der Prüfkörper aus unterschiedlichen Materialien wurde eine Verkleinerung des thermischen Messfehlers sowie seiner Teilfehler mit steigender Wärmeleitfähigkeit auf der Praxis bewiesen. Es wurde auch bemerkt, dass die zusätzliche Anpresskraft nur bei der Messung mit den Fühlern mit der unfedernden glatten Kontaktfläche nützlich sein kann. Die Reproduzierbarkeit der Handmessungen im Vergleich zu den Messungen mit Anpressvorrichtung ist für die Kalibrierung zu schlecht, obwohl bei den Handmessungen durch eine gezielte Verschiebung und Kippung der passende Anpresswinkel bzw. Anpresskraft erreicht werden kann. In diesem Fall wird durch die Verminderung des thermischen Widerstands mit einem kleineren Fehler gemessen. Aber Messungen mit Hilfe der Prüfeinrichtung bzw. Anpressvorrichtung ist es möglich den thermischen Fehler durch reproduzierbare herauszufinden und rechnerisch zu korrigieren. In den Messunsicherheitsbudgets für den Fühler ist allerdings die Unsicherheit der Wiederholungsmessungen dominierend. Das ist durch eine Reproduzierbarkeit des Aufsetzwinkels nach der Aus- und Einspannen des Fühlers bedingt. Der Großteil dieser Masterarbeit bestand darin jeder Einflussfaktor zu untersuchen. Dazu wurden jeweils zwei Messungen verglichen, einmal mit und einmal ohne jeweiligen Einflussfaktor (bei unveränderten anderen Einflussfaktoren). Durch weitere Untersuchungen zur Reproduzierung der gleichen Position bzw. Winkels des Fühlers sowie Kalibrierung des Prüfkörpers mit eingebauten Mantelthermoelementen könnten neue Möglichkeiten zur genaueren Bestimmung der Einflussfaktoren auf den thermischen Messfehler für beliebigen Oberflächen-Tasttemperaturfühlern gefunden werden.

Abstract: In the present study were investigated the influence factors in the complete surface temperature measurement chain of surface contact thermometers. For three thermometer of various designs and types of sensitive element (Pt100, NTC and K) and two specimens (steel and aluminum) were corresponded to uncertainty budgets created. The bulk of this work was to examine and to estimate each influence factor. The factors are organized depending on the location and the cause for the emergence into: thermal measurement error, measurement error of sensor, measurement error of the measuring instruments used. Particular attention was devoted to the investigations of thermal measurement error. The use of calibration plant helps to estimate the most important factors such as heat dissipation on the sensor, contact force and angle, thermal conductivity of the target. Using test specimens of different materials a reduction of thermal measurement error with increasing thermal conductivity has been demonstrated in practice. It is possible to determine the thermal errors by reproducible measurements using the calibration plant with pressing apparatus. However in the uncertainty budget for the thermometer the uncertainty of repeated measurements is dominant. This is due to the reproducibility of the pressing angle after clamping the sensor.

Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2010

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Samchenko, Rostyslav: Bestimmung der Messunsicherheiten bei der Temperaturmessung mit Oberflächen-Tasttemperaturfühlern. 2012.

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