Messunsicherheitsanalyse für Temperatur- Blockkalibratoren

Transkript

1 Messunsicherheitsanalyse für Temperatur- Blockkalibratoren S. Rudtsch Berechnung der Messunsicherheit Empfehlungen für die Praxis 93. PTB-Seminar, Berlin

2 Anwendung von Temperatur-Blockkalibratoren Vor-Ort Kalibrierung von Berührungsthermometern Temperaturbereich von von -1 C bis +13 C Messunsicherheiten von 5 mk bis 5 K Ringvergleich von 6 C bis 1 C ZMK & Analytik GmbH (Pilotlabor), AMETEK, WIKA, Siemens, imetrologie, testo, PTB S. Rudtsch, AG 7.4 Seite 3 von X 16

3 Was wird kalibriert? 1. Kalibrierung des eingebauten Temperatursensors und der Mess- und Anzeigeeinheit. Charakterisierung der Homogenität und zeitlichen Stabilität des Temperaturfelds im Block (Ofen) S. Rudtsch, AG 7.4 Zielstellung Seite 3 von X

4 Was wird kalibriert und was wird charakterisiert? Temperatursensor und Messeinrichtung Zeitliche Stabilität (1 h 1 a) Hysterese Beladungseffekt Temperaturverteilung im Block - Radiale Homogenität - Axiale Homogenität Axiale Wärmeableitung T=? Seite 6 von 16 S. Rudtsch, AG 7.4 Seite 4 von X

5 Motivation Messunsicherheiten akkreditierter Kalibrierlaboratorien in Europa für die Kalibrierung von Hochtemperatur-Blockkalibratoren ISOTECH (UKAS) AMETEK * (DANAK) ZMK (DAkkS) 7 C 1 K 1 K,5 K 9 C 1 K 1 K,5 K 1 C 3 K 1 K 4,5 K * Uncertainty contribution from equipment is not included Internal calibration procedure 1653 S. Rudtsch, AG 7.4 Motivation Seite 5 von X

6 Axialer Temperaturverlauf 1 C T Ofen exponentieller Verlauf 5 C T Raum Seite 6 von X S. Rudtsch, AG 7.4 Seite 7 von 16

7 Messung der axialen Temperaturverteilung 5 cm Seite 7 von X S. Rudtsch, AG 7.4 Seite 6 von 16

8 Axialer Temperaturverlauf bei 1 C TBK bei 1 C -5 T / K Pt/Pd - Thermoelement: Ø 6,1 mm in 6,5 mm Bohrung -18 K bei 4 mm h / mm S. Rudtsch, AG 7.4 Seite 85 von X 16

9 Was wird kalibriert und was wird charakterisiert? Temperatursensor und Messeinrichtung Zeitliche Stabilität (1 h 1 a) Hysterese Beladungseffekt Temperaturverteilung im Block - Radiale Homogenität - Axiale Homogenität Axiale Wärmeableitung T=? Seite 6 von 16 S. Rudtsch, AG 7.4 Seite 9 von X

10 Axialer Temperaturverlauf bei 6 C T / K Widerstandsthermometer Thermoelement h / mm S. Rudtsch, AG 7.4 Seite Seite 14 von X 16

11 Kalibrierung eines Temperatur-Blockkalibrators Präzise Definition des Kalibriergegenstands (DUT) erforderlich - mittlere Temperatur in der Bohrung eines Blockkalibrators (z.b. cm bis 4 cm) Berücksichtigung der aktiven Sensorlänge! Vorgabe zur Quantifizierung des Inhomogenitätsbeitrages T / K Widerstandsthermometer Thermoelement h / mm S. Rudtsch, AG 7.4 Seite Seite 114 von X 16

12 Beiträge zur Messunsicherheit (PTB, ohne Beladung) U(6 C) in mk U(96 C) in mk U(1 C) in mk Kalibrierung Pt/Pd Thermoelement Messung der Thermospannung Vergleichsstelle Axiale Inhomogenität DUT Anzeigeauflösung DUT Stabilität und Hysterese 3 8 Gesamt S. Rudtsch, AG 7.4 Seite Seite 14 von X 16

13 Ringvergleich: Unsicherheitsbudget bei 6 C U / K (7-35) K (,4-5,5) K Teilnehmer S. Rudtsch, AG 7.4 Seite Seite 134 von X 16

14 Ringvergleich: Ergebnisse bei 6 C 4 CTC 1A bei 6 C: T = (598,6 ± 1,) C Vgl, Ref 3 möglich: Kalibrierschein: (,4 1,5) K (,4-5,5) K T TBC -T Ref / K Laboratorium möglich: Kalibrierschein: (,4 1,5) K (7-35) K T TBC -T Ref / K 5 915B bei 6 C: T = (599 ± 3) C Vgl, Ref Laboratorium S. Rudtsch, AG 7.4 Seite Seite 145 von X 16

15 Ringvergleich: Unsicherheitsbudget bei 1 C U / K (14-45) K (8-14) K Teilnehmer S. Rudtsch, AG 7.4 Seite Seite 154 von X 16

16 Ringvergleich: Ergebnisse bei 1 C 4 CTC 1A bei 1 C: T = (1198,4 ± 1,9) C Vgl, ref 3 möglich: Kalibrierschein: 4,5 K (8-14) K T TBC -T Ref / K möglich: Kalibrierschein: Laboratorium 4,5 K (14-45) K T TBC -T Ref / K 1 915B bei 1 C: T = (1 ± 8) C Vgl, Ref Laboratorium S. Rudtsch, AG 7.4 Seite Seite 168 von X 16

17 Unsicherheit des Referenzwertes (gewichteter Mittelwert) ermittelt auf der Basis der Varianz der Messwerte aller Teilnehmer T Anz - T Mess / K x1 / u 1/ u ( x1 ) x1 / u ( x1 ) ( x ) / u ( ) y = 1 u 1 = Ergebnisse bei 1 C x N ( y) 1/ u ( x ) / u ( ) 1 1 x N T Anz - T Mess / K ermittelt auf der Basis der Unsicherheiten der Teilnehmer Ergebnisse bei 1 C M. G. Cox, The evaluation of key comparison data Metrologia 39 () Seite 17 von X S. Rudtsch, AG 7.4 Seite 7 von 16

18 Zusammenfassung Analyse der Aufgabenstellung Untersuchungen zur Quantifizierung der Unsicherheitsbeiträge Validierung des MUB durch eine Vergleichsmessung Erstmals unabhängige und belastbare Ergebnisse für Blockkalibratoren bei Temperaturen oberhalb von 6 C Bestätigung der bisherigen DAkkS-Akkreditierungen S. Rudtsch, AG 7.4 Zusammenfassung Seite 18 von X

19 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Abbestr Berlin Steffen Rudtsch Arbeitsgruppe 7.4 Angewandte Thermometrie Telefon: steffen.rudtsch@ptb.de