Stabilität des Nullpunktes von Thermoelementen bei Raumtemperatur

Für die Messungen geometrischer Größen spielt die Temperatur aufgrund der thermischen Ausdehnung der Materialien eine entscheidende Rolle. Die Temperaturmessung wird dadurch erschwert, dass die für die Ausdehnung relevante Temperatur im Inneren von Maßstäben und Endmaßen meist nicht direkt gemessen werden kann, da diese nicht durch Bohrungen beschädigt werden dürfen. Neben der linearen thermischen Ausdehnung können Temperaturgradienten zu Verformungen und zu einer falschen Bestimmung der mittleren Temperatur im Messobjekt führen. Daher muss die Temperaturverteilung im Messaufbau mit einer größeren Anzahl von Sensoren erfasst werden.

Hochpräzise Temperaturmessungen werden meist mit Widerstandsthermometern durchgeführt. Diese haben für den hier beschriebenen Einsatzzweck aber auch Nachteile: Mechanische Belastungen können zu Drift des Offsetwiderstandes führen, so dass von Zeit zu Zeit eine Rekalibrierung notwendig ist, was bei einer größeren Anzahl von Sensoren einigen Aufwand erfordert. Durch den notwendigen Messstrom kommt es zudem zu einer Eigenerwärmung der Sensoren, was insbesondere für die Messung der Lufttemperatur problematisch ist. Eine Alternative ist die Verwendung von Thermoelementen in Kombination mit einem Widerstandsthermometer an einem thermisch stabilen Bezugspunkt. Aufgrund der für genaue dimensionelle Messungen sowieso notwendigen thermischen Homogenität und Stabilität werden die Thermoelemente praktisch als Nullindikatoren eingesetzt, so dass Nichtlinearitäten in der Kennlinie und der Elektronik sowie zusätzliche Thermospannungen durch Materialinhomogenitäten vernachlässigt werden können. Die Sensitivität von Thermoelementen ist mit typischen Werten von 6 bis 60 µV/K sehr gering. In der PTB wurde ein mehrkanaliges Messsystem basierend auf einer Relaisumschalteinheit realisiert, mit dem bei Messzeiten von 5 s eine Stabilität unter 0,5 mK erreicht wird. Die geringen Messspannungen sorgen aber auch für eine hohe Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischer Störungen, so dass dieses Messsystem nicht in beliebigen Umgebungen zuverlässig eingesetzt werden kann.

Um die Offsetdrift von Thermoelementen zu untersuchen, wurde im Rahmen des EMRP Projekts "Thermal Design and Dimensional Drift" ein Testaufbau realisiert, bei dem die beiden Arme eines Thermoelements in möglichst guten thermischen Kontakt gebracht wurden. Dazu wurden die beiden Messpunkte von je 32 Thermoelementen mit verschiedenen Thermoelementpaarungen und Drahtparametern auf Kupferplättchen gelötet und auf einen gemeinsamen Kupferträger elektrisch isoliert aufgeklebt. Die ganze Anordnung wurde in einem klimatisierten Labor in ein Ölbad in einem zusätzlich mit Styropor und Holz isoliertem Dewar Gefäß gehängt. In der Abbildung sind über einen Zeitraum von etwa 9 Monaten für einige willkürlich ausgewählte Tage Mittelwerte und Standardabweichungen der gemessenen Temperaturen angegeben. Im Rahmen der Messunsicherheit von 0,5 mK konnte keine Drift der Thermoelemente nachgewiesen werden. Innerhalb des dargestellten Zeitraums wurde auch der Einfluss von Temperaturgradienten über die Drähte des Thermoelemente und mechanischer Biegung untersucht. Für die oben dargestellten Messbedingungen können diese Einflüsse vernachlässigt werden.




Abbildung: Mittelwerte der gemessenen Spannungen der Thermoelemente über je einen Tag und zugeordnete Standardabweichungen über einen gesamten Zeitraum von mehr als 9 Monaten .

Literatur.

Bönsch, G., Schuster, H.J., Schödel, R.: Hochgenaue Temperaturmessung mit Thermoelementen (High-precision temperature measurements with thermocouples),Technisches Messen: 68 (2001), 12, 550 - 557.

Köning, R., Flügge, J., Bosse, H.: Characterizing the performance of the PTB line scale interferometer by measuring photoelectric incremental encoders, Recent developments in traceable dimensional measurements III: 31 July - 1 August 2005, San Diego, California, USA ; (Proceedings of SPIE: 5879): (2005), 587908-1 - 587908-9