Temperatur-Blockkalibratoren werden sehr häufig in der Industrie und in Kalibrierlaboratorien bei Vergleichskalibrierungen von Berührungsthermometern als Temperiereinrichtungen eingesetzt. Hierbei erfolgt die Temperierung der Thermometer in einem metallischen Ausgleichsblock, dessen Temperatur mit einem internen Referenzthermometer bestimmt wird. Für die Erzielung kleiner Messunsicherheiten stellen dabei die Ausbildung eines homogenen Temperaturfeldes im Ausgleichsblock sowie die Ermittlung dieser Temperatur mit rückführbar kalibrierten Referenzthermometern die größten Herausforderungen dar.
In dieser Dissertation wird ein neues Konzept eines Temperatur-Blockkalibrators im Temperaturbereich von 80 °C bis 430 °C vorgestellt. Abweichend zum Stand der Technik besitzt der neue Blockkalibrator eine Mehrzonenheizung und Wärmestromsensoren im Ausgleichsblock. Beides sorgt für die Verbesserung der Temperaturhomogenität. Außerdem ist eine kompakte Mehrfachfixpunktzelle für die rückführbare in situ Kalibrierung des internen Referenzthermometers enthalten.
Das Konzept des Temperatur-Blockkalibrators sowie seine konstruktive Realisierung werden mittels probabilistischer Berechnungen numerischer FEM-Simulationen untersucht und mit Zielrichtung bester Temperaturhomogenität im Ausgleichsblock optimiert. Auf dieses Modell gestützt werden die Heizleistungen für die Mehrzonenheizung abgeschätzt und ein Abkühlungskonzept erarbeitet. Zudem wird aus dem FEM-Modell ein Systemmodell in Zustandsraumdarstellung des Temperatur-Blockkalibrators hergeleitet. Dieses kann z.B. für eine Reglerauslegung verwendet werden.
Die internationale Temperaturskala von 1990 nutzt Phasenumwandlungstemperaturen hochreiner Stoffe für ihre Definition. Diese Temperaturen ϑFP sind idealerweise konstant, sehr gut reproduzierbar und international anerkannt. Die kompakte Mehrfachfixpunktzelle enthält die Fixpunktmaterialien Indium (ϑFP = 156,5985 °C), Zinn (ϑFP = 231,928 °C) und Zink (ϑFP = 419,527 °C). Anhand dieser Fixpunkttemperaturen kann das interne Referenzthermometer des Temperatur-Blockkalibrators in situ rückführbar zur internationalen Temperaturskala kalibriert werden. Der Entwicklungsprozess der kompakten Mehrfachfixpunktzelle wird in dieser Arbeit ausführlich beschrieben. Ihre Geometrie wird nach thermischen und mechanischen Kriterien entworfen und auf Grundlage von probabilistischen Berechnungen mit FEM-Modellen optimiert. Ausgehend von einer Langzeitmessung wurden Unsicherheiten für die drei Fixpunkttemperaturen von kleiner als 60 mK (k = 2) bestimmt.
Temperature block calibrators are frequently used in industry and calibration laboratories for comparison calibrations of contact thermometers. Therefore thermometers are tempered in a metal normalization block, whose temperature is determined using an internal reference thermometer. To achieve low calibration uncertainties the biggest challenges in this situation are a homogeneous temperature field in the normalization block and the determination of this temperature by means of traceable calibrated reference thermometers.
This thesis presents a novel concept of a temperature block calibrator in the range of 80 °C to 430 °C. Alternatively to the state-of-the-art the new block calibrator contains a multi-zone heating and heat flow sensors in the normalization block. Both improve its temperature homogeneity. Furthermore a compact multiple fixed-point cell for the traceable in situ calibration of the internal reference thermometer is integrated.
The concept of the temperature block calibrator and its constructive implementation are investigated using probabilistic calculations of numerical FEM simulations and optimized to achieve best temperature homogeneity in the normalization block. Based on this model the power values for the multi-zone heating are estimated and also a cooling concept is processed. A system model in state-space formulation of the temperature block calibrator is also deduced from the FEM model. This can be used e.g. for control system design.
The international temperature scale from 1990 uses the phase change transition temperatures of high purity substances for its definition. These temperatures ϑFP are ideally constant, very reproducible and internationally accepted. The compact multiple fixed-point cell contains the fixed-point materials indium (ϑFP = 156,5985 °C), tin (ϑFP = 231,928 °C) and zinc (ϑFP = 419,527 °C). Based on their fixed-point temperature values, the internal reference thermometer of the temperature block calibrator can be calibrated in situ traceable to the international temperature scale. This work describes the development process of the compact multiple fixed-point cell. Their geometry is designed according to thermal and mechanical criteria and optimized by probabilistic calculations of FEM models. The uncertainties of the three fixed-point temperatures were determined based on a long-term measurement. They are less than 60 mK (k = 2).
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