DE102004027072B3

DE102004027072B3 - Fixpunktzelle zur Kalibrierung von Temperaturmessgeräten

Info

Publication number: DE102004027072B3
Application number: DE102004027072A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Edler; Jürgen Dr. Hartmann
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-06-03

Abstract

Eine Fixpunktzelle zur Kalibrierung von Temperaturmessgeräten (6, 10), in der eine Referenztemperatur für wenigstens einen Fixpunkt einer Fixpunkt-Temperaturskala einstellbar ist, ist sowohl für die Kalibrierung eines Berührungsthermometers (6) als auch eines Strahlungsthermometers (10) dadurch geeignet, dass sie eine Aufnahme (5) für das Berührungsthermometer (6) und einen separat angeordneten Hohlraumstrahler (7) für eine Messung mit dem Strahlungsthermometer (10) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fixpunktzelle zur Kalibrierung von Temperaturmessgeräten, in der eine Referenztemperatur für wenigstens einen Fixpunkt einer Fixpunkt-Temperaturskala einstellbar ist.
Temperaturskalen werden bekanntlich dadurch festgelegt, dass bestimmte Temperatur-Fixpunkte als Ausgangswerte für die Temperaturskala dienen, zwischen denen Zwischentemperaturen durch Interpolation ermittelt werden. Die Fixpunkte ergeben sich aus Eigenschaften bestimmter Stoffe, über einen bestimmten Bereich einwirkender Energie eine konstante Temperatur aufzuweisen, weil aufgrund von Phasenumwandlungsvorgängen die zugeführte oder abgeführte Energie nicht zur Änderung der Temperatur beiträgt.

So weist die Internationale Temperaturskala ITS-90 17 Fixpunkte auf, denen bestimmte Temperaturen zugeordnet sind. Die Fixpunktskala erstreckt sich von 0,65 K bis zu den höchsten Temperaturen, die praktisch mit Hilfe des Planckschen Strahlungsgesetzes messbar sind. Die Temperaturen zwischen den Fix punkttemperaturen werden mit Hilfe festgelegter Normalgeräte gemessen, die an den Fixpunkten kalibriert werden.

Temperaturen oberhalb von 1.234,94 K (961,78 °C), also oberhalb der Temperatur des Silbererstarrungspunktes, sind gemäß der internationalen Festlegung mit Spektralstrahlungsthermometern zu messen, mit denen das Verhältnis der Photoströme beim Messen der unbekannten Strahldichte und der Strahldichte eines Hohlraumstrahlers mit der Temperatur von erstarrendem Silber (1.234,93 K), Gold (1.337,33 K) oder Kupfer (1.357,77 K) bestimmt wird. Die Temperaturbestimmung erfolgt unter Verwendung des Planckschen Strahlungsgesetzes. Diese Fixpunkte dienen auch zur Kalibrierung einer Vielzahl von Berührungsthermometern, die zur Annäherung an die ITS-90 in einem weiten Temperaturbereich, also auch oberhalb des Silbererstarrungspunktes eingesetzt werden.

Zur Kalibrierung von Berührungsthermometern wird beispielsweise eine Fixpunkt-Temperatur in einer Fixpunktzelle realisiert. Durch eine geeignete thermische Kopplung mit dem Berührungsthermometer wird dafür gesorgt, dass das Berührungsthermometer die Fixpunkt-Temperatur möglichst genau annimmt. Es wird dann die Ausgangsgröße des Berührungsthermometers gemessen und die Fixpunkttemperatur der gemessenen Ausgangsgröße zugeordnet.

Eine Übersicht bekannter Fixpunktzellen findet sich in F. Bernhard (Hrsg.) „Technische Temperaturmessung, Berlin, Heidelberg, New York 2004, Seiten 446 bis 463). Die Fixpunktzellen sind regelmäßig zylindrisch ausgebildet und weisen eine Höhe auf, die groß gegen den Durchmesser ist. In der Hochachse der Zelle ist ein Tauchrohr ausgebildet, in das ein Berührungsthermometer (beispielsweise ein Widerstandsthermometer) in gutem Kontakt zur Fixpunktzelle einführbar ist. Das Tauchrohr ist radial (und am stirnseitigen unteren Ende) von einem Tiegel umgeben, in dem sich flüssiges oder erstarrtes Material, das zur Bestimmung des Fixpunkts verwendet wird, befindet. Die Fixpunktzelle wird dann in einen Kalibrierofen eingebracht und in den Temperaturereich des jeweils benutzen Phasenübergangs eingestellt. Die Kalibrierung von Strahlungsthermometern erfolgt mit Schwarzen Strahlern mit einer bekannten Temperatur mit einem Emissionsgrad nahe 1. Derartige Fixpunktstrahler werden üblicherweise in horizontal liegenden Gehäusen ausgebildet, in denen der Strahler mit dem entsprechenden Material, beispielsweise dem betreffenden Reinstmetall, umgeben und in ein entsprechendes Heizrohr einführbar ist (Bernhard a.a.O., Seite 1118). Die der Fixpunkttemperatur entsprechende Wärmestrahlung ist über eine seitliche Ausgangsöffnung messbar.

Für die Herstellung eines Zusammenhangs zwischen den kalibrierten Berührungsthermometern und den kalibrierten Strahlungsthermometern sind aufwändige Vergleichsmessungen des Strahlungsthermometers gegen das zu kalibrierende Berührungsthermometer in speziell dafür entwickelten Öfen erforderlich.

Durch US 6,193,411 B1 ist eine Kalibrierzelle für Temperaturmessgeräte unterschiedlicher Art bekannt, die mit Hilfe einer eigenen Heizvorrichtung aufheizbar ist. Die Zelle besteht aus einem massiven Metallblock mit guter Wärmeleitfähigkeit. Die Kalibrierung der Temperatur erfolgt mittels eines geeichten Thermometers, das in die Längsachse des zylindrischen Metallblocks eingeführt wird. Berührungsthermometer können in dazu parallele Kanäle des Metallblocks eingesetzt werden. Durch Vergleich der Temperatur des geeichten Thermometers mit den angezeigten Temperaturen der zu überprüfenden Thermometer kann eine Kalibrierung dieser Thermometer durchgeführt werden.

Eine untere Stirnseite des Metallblocks ist mit einer Emissionsschicht mit einem hohen Emissionsgrad versehen, sodass im liegenden Zustand gegenüber der Stirnseite des Metallblocks eine Kalibrierung eines Strahlungsthermometers erfolgen soll. Eine hohe Genauigkeit der Kalibrierung ist mit einem so realisierten flächigen Strahler nicht erzielbar. Darüber hinaus muss die Vorrichtung umgebaut werden, wenn statt eines Berühungsthermometers ein Strahlungsthermometer kalibriert werden soll, weil die Kalibrierung eines Berührungsthermometers mit einem stehenden Zylinder und die Kalibrierung eines Strahlungsthermometers mit einem liegenden Zylinder erfolgen soll.

Die WO 00/40939 A1 offenbart eine ähnliche Temperatur-Kalibriervorrichtung, die mit einer eigenen elektrischen Heizeinrichtung aufheizbar ist. Sie weist einen im Wesentlichen topfförmigen Hohlzylinder auf, in den verschiedene Einsätze zur Kalibrierung unterschiedlicher Thermometer einsetzbar sind. Mit einem ersten Einsatz ist eine Anordnung herstellbar, wie sie für die Kalibrierung von Berührungsthermometern durch die US 6,193,411 B1 bekannt ist. Ein anderer Einsatz schließt den mit einer schwarzen Innenbeschichtung versehenen Hohlraum des topfförmigen Hohlzylinders an seiner offenen Seite mit einem schwarzen Deckelstück ab, sodass die gesamte Anordnung einen schwarzen Strahler bilden soll, um mit einer Kontrolltemperatur ein Strahlungsthermometer zu kalibrieren. Dabei kann vorgesehen sein, die Kontrolltemperatur mit einem geeichten Kontrollthermometer festzustellen. Es ist ferner möglich, einen mit einer Flüssigkeit füllbaren Einsatz zu verwenden, mit dem die Kalibriereinrichtung zu einer Fixpunktzelle ausgebildet werden kann. Dabei ist jedoch zunächst nur die Kalibrierung von Berührungsthermometern möglich, die in die Flüssigkeit der Fixpunktzelle eintauchen. Wenn mit einer derartigen Anordnung ein Strahlungsthermometer kalibriert werden soll, ist ein Umbau der Kalibriereinrichtung erforderlich.

Da sich dabei unter Umständen andere Umgebungsbedingungen einstellen, ist die Genauigkeit für eine vergleichbare Kalibrierung von Berührungsthermometern und von Strahlungsthermometern begrenzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vergleichbarkeit der Kalibrierung von Berührungsthermometern und von Strahlungsthermometern zu erleichtern und zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Fixpunktzelle der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer in der Vertikalen liegenden Längsachse, durch eine in der Vertikalen liegenden Aufnahme für ein Berührungsthermometer und durch einen separat angeordneten Hohlraumstrahler für eine Messung mit einem Strahlungsthermometer, der sich in der Horizontalen erstreckt.

Die erfindungsgemäße Fixpunktzelle ermöglicht somit die gleichzeitige oder serielle Messung der Phasenübergangstemperatur des entsprechenden Fixpunktmaterials berührungslos mit einem Strahlungsthermometer und/oder mit einem Berührungsthermometer an ein und demselben Phasenübergang mit kleinster metrologischer Unsicherheit. Dadurch wird erstmals eine gleichzeitige Kalibrierung von Berührungsthermometern und Strahlungsthermometern, beispielsweise bezüglich der ITS-90 möglich. Die erfindungsgemäße Konfiguration erlaubt einen direkten und gleichzeitigen Vergleich von Berührungs- und Strahlungsthermometern an dieser Fixpunkttemperatur.

In der erfindungsgemäßen Fixpunktzelle befinden sich separiert voneinander die Aufnahme für das Berührungsthermometer und der Hohlraumstrahler, die beide komplett vom Fixpunktmaterial umschlossen werden.

Dabei weist die Fixpunktzelle eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer in der Vertikalen liegenden Längsachse auf, wobei sinnvollerweise die Aufnahme, vorzugsweise in Form eines Tauchrohres, sich in der Vertikalen und der Hohlraumstrahler in der Horizontalen erstreckt. Dabei sind sowohl die durch ein Tauchrohr gebildete Aufnahme für das Berührungsthermometer als auch der Hohlraumstrahler vom Fixpunktmaterial umschlossen. Die jeweiligen Abmessungen ergeben sich aus den jeweiligen spezifischen Anforderungen für die Ausbildung des Hohlraumstrahlers einerseits und der Aufnahme andererseits, wie auch aus der jeweiligen Verwendung der Fixpunktzelle für eine bestimmte Fixpunkttemperatur, also für das verwendete Fixpunktmaterial.

Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Fixpunktzelle für alle in Frage kommenden Fixpunkte verwendbar, die nicht notwendigerweise Fixpunkte der ITS-90 sein müssen.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Messanordnung einer erfindungsgemäßen Fixpunktzelle. Diese weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 1 in Form eines aufrecht stehenden Zylinders mit einem kreisförmigen Mantelquerschnitt auf. Das Gehäuse 1 weist somit eine obere Stirnwand 2 ausgeführt als Deckel, und eine stirnseitige Bodenwand 3 auf. In der oberen Stirnwand 2 befindet sich eine Füllöffnung 4 für das Einfüllen des Fixpunktmaterials 8 in das Gehäuse 1. Ausgehend von der oberen Stirnwand 2 erstreckt sich in Richtung der Vertikalen, also parallel zur Längsachse des zylindrischen Gehäuses 1 eine zylindrische Aufnahme 5 in Form eines oben offenen Tauchrohres zur Aufnahme eines nur schematisch angedeuteten Berührungsthermometers 6. Das Gehäuse 1 ist ferner mit einem sich durch den Innenraum horizontal erstreckenden Hohlraumstrahler 7 versehen der, ebenso wie die Aufnahme 5 vollständig von eingefülltem Fixpunktmaterial 8 umschlossen ist.
Die Strahlung des Hohlraumstrahlers 7 ist bei 9 schematisch angedeutet und kann von einem Strahlungsthermometer erfasst werden, dessen Ausgangssignal bei dieser Strahlung somit der Fixtemperatur des Fixpunktmaterials zugeordnet wird.
Die Abmessung des Gehäuses 1 der erfindungsgemäßen Fixpunktzelle bewegen sich im Bereich einiger Zentimeter sowohl für die Höhe als auch für den Durchmesser des Gehäuses, wobei die Höhe etwa doppelt so groß wie der Durchmesser sein kann. Typische Abmessungen sind beispielsweise:

Höhe: 12 cm

Durchmesser: 6 cm

Wandstärke des Gehäuses: 0,5 cm.
Diese Abmessungen sind jedoch für den Einzelfall zu optimieren.

Claims

Fixpunktzelle zur Kalibrierung von Temperaturmessgeräten (6, 10), in der eine Referenztemperatur für wenigstens einen Fixpunkt einer Fixpunkt-Temperaturskala einstellbar ist, gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer in der Vertikalen liegenden Längsachse, durch eine in der Vertikalen liegenden Aufnahme (5) für ein Berührungsthermometer (6) und durch einen separat angeordneten Hohlraumstrahler für eine Messung mit einem Strahlungsthermometer (10), der sich in der Horizontalen erstreckt.