Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen

Hohmann, Michael GND

Sowohl in Kalibrierlaboratorien als auch im industriellen Umfeld werden häufig Blockkalibratoren für die Kalibrierung von Berührungsthermometern eingesetzt. Durch ihre kompakte Bauform, das geringe Gewicht und den Betrieb ohne zusätzliche Betriebsflüssigkeiten sind sie insbesondere auch für den mobilen Einsatz geeignet. Bedingt durch die Bauart dieser Geräte sind die Kalibrierunsicherheiten bei ihrer Verwendung höher als bspw. bei der Verwendung von Badthermostaten. Daher wurde in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt, welches zwei der Haupteinflüsse auf die Kalibrierunsicherheit verringert. Dieses Konzept wurde an einem Experimentalaufbau eines Blockkalibrators im Arbeitstemperaturbereich von 70 °C bis 430 °C validiert. Das Temperaturprofil im Ausgleichsblock des Blockkalibrators in axialer Richtung wurde durch den Einsatz einer Mehrzonenheizung homogenisiert. Zur Regelung der Heizleistungen der Zonen werden Signale von Wärmestromsensoren verwendet, um so die Wärmeströme und damit die Temperaturgradienten in axialer Richtung zu minimieren. Hierbei konnten Temperaturdifferenzen kleiner ±55 mK auf einer Länge von 72 mm erreicht werden. Um das interne Referenzthermometer des Blockkalibrators in-situ kalibrieren zu können, wurde eine Mehrfachfixpunktzelle in den Blockkalibrator integriert. Diese enthält die Fixpunktmaterialien Indium, Zinn und Zink. Die Fixpunkttemperaturen konnten mittels eines automatischen, modellbasierten Auswerteverfahrens mit einer Reproduzierbarkeit (2-fache Standardabweichung der Stichprobe) von 17 mK (Indium), 21 mK (Zinn) und 41 mK (Zink) bestimmt werden. Für die Darstellung der Temperatur im Blockkalibrator ergibt sich eine erweiterte Unsicherheit von 130 mK (k = 2) bei 430 °C. In dieser Arbeit werden die Entwicklung des Blockkalibrators, das Funktionsprinzip und der mechanische Aufbau erläutert. Es werden zwei Bauformen von Wärmestromsensoren verglichen sowie eine Kalibriermöglichkeit für diese Sensoren dargestellt. Auf Basis von experimentellen Daten und Modellbetrachtungen wird ein Regelungskonzept entwickelt und durch Messungen hinsichtlich des dynamischen Verhaltens und der Regelabweichungen bewertet. Das Konzept des Blockkalibrators wird mittels Messungen des Temperaturprofils und Bestimmung der Fixpunkttemperaturen der Mehrfachfixpunktzelle validiert und hinsichtlich der erreichbaren kombinierten Standardunsicherheit bewertet.

In calibration laboratories as well as for industrial purposes often dry block calibrators are used for the calibration of contact thermometers. Due to their compact design, the low weight and the operation without additional operating liquids, these devices are especially suitable for the use in mobile applications. The design causes comparatively high uncertainties of the calibration if these devices are used for calibration of thermometers instead of e.g liquid bath thermostats. Due to this, a concept was developed, which reduces two of the main influences on calibration uncertainty of using dry block calibrators. In this thesis, the concept was validated using an experimental dry block calibrator in the operating temperature range of 70 °C to 430 °C. The axial temperature profile inside the homogenization block of the dry block calibrator was homogenized using a multi-zone-heater. The heating power of the zones is controlled by means of signals of heat flux sensors to minimize the heat flows and thereby the temperature gradients in axial direction. Here, temperature differences less than ± 55mK over a distance of 72 mm were reached. To calibrate the internal reference thermometer of the dry block in-situ, a multifixed-point-cell was integrated in the device. This cell contains the fixed-point materials Indium, Tin, and Zinc. The fixed-point-temperatures were measured with reproducibilities (twice the standard deviation of the sample) of 17 mK (indium), 21 mK (tin) and 41 mK (zinc) by means of an automated, model-based method. The temperature inside the dry block calibrator can be represented with an expanded uncertainty of 130 mK (k = 2) at 430 °C. In this thesis, the development of the experimental dry block calibrator, the function principle and the mechanical design are explicated. Two different designs of heat flux sensors are compared and a method for the calibration of these sensors is depicted. Using experimental data and system models, a control scheme is developed and evaluated regarding its dynamic behavior and control error based on measurement data. The concept of the dry block calibrator is validated by means of measuring the temperature profile and the fixed-point-temperatures and evaluated regarding the reachable combined standard uncertainty.

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Hohmann, Michael: Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen. gw 2017.

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