Messsysteme mit Fehlerkorrektur Temperaturmessfehler vermeiden

Anforderungen in der Temperaturmesstechnik
Anforderungen in der Temperaturmesstechnik

Die Anforderungen an die Genauigkeit und Prozesssicherheit in der Temperaturmesstechnik steigen stetig. Oft sind Genauigkeiten von 0,1 K oder besser gefordert. Viele Anwender sind sich nicht bewusst, wie groß der Gesamtfehler der Messkette unter Beachtung aller Umgebungs- und Einflussfaktoren ist.

Die Anforderungen an die Genauigkeit und Prozesssicherheit in der Temperaturmesstechnik steigen stetig. Oft sind Genauigkeiten von 0,1 K oder besser gefordert. Viele Anwender sind sich nicht bewusst, wie groß der Gesamtfehler der Messkette unter Beachtung aller Umgebungs- und Einflussfaktoren ist.

Temperaturmessfehler können zum Beispiel durch die praktisch vorliegenden Einbauverhältnisse und durch die spezifische Sensor- und Elektronikdrift entstehen. Die Erkennung und die damit verbundene Information über den Fehler oder gar die direkte Korrektur der Fehler stellt ein erhebliches Potenzial in der Temperaturmessung dar. Durch entsprechende Sensoranordnungen und die Integration von signalverarbeitender Elektronik können diese Fehler erkannt und stark reduziert werden. Durch die Entwicklung einer speziellen miniaturisierten Elektronik in Verbindung mit einer multiplen Sensoranordnung können Messsysteme realisiert werden, die direkt vor Ort den Fehler erkennen, korrigieren und die Temperatur über ein Bussystem übergeordneten Steuerungen zur Verfügung stellen.
Der Temperaturmessfehler ist definiert als Temperaturdifferenz zwischen der Sensortemperatur und der zu messenden Temperatur des Messobjektes bzw. des Messmediums. Der Messfehler setzt sich aus verschiedenen Fehlergrößen zusammen.

Wärmeableitungs- und Einbaufehler

Durch die Einbauverhältnisse der Messfühler können beträchtliche Fehler entstehen, die auch als Einbaufehler bezeichnet werden. Ein weiterer Begriff dazu ist Wärmeableitungsfehler. Es muss jedoch nicht immer eine Wärmeableitung sein. Der gleiche Fehler kann mit unterschiedlichem Vorzeichen durch Wärmezuleitung entstehen, insbesondere bei Messungen im Tieftemperaturbereich.
Der Wärmeableitfehler (Bild 1) beziehungsweise thermische Messfehler hängt ursächlich von der Temperaturdifferenz zwischen Temperatursensor und Umgebungstemperatur ab. Ist diese Temperaturdifferenz Null, entspricht also die Umgebungstemperatur der Temperatur des Messobjektes bzw. des Messmediums, dann ist der Wärmeableitfehler vernachlässigbar. Umgekehrt kann man sagen, je größer die Temperaturdifferenzen sind, umso größer ist auch der Fehler. Die Wärmeableitungsfehler werden gering, wenn die Temperaturfühler ausreichend tief in das Medium eingesetzt werden. Aufgrund dieser Eintauchlängenabhängigkeit gibt es für einfache Temperaturmessungen in flüssigen Medien bestimmte Mindesteintauchrichtlinien, die etwa beim Zehnfachen des Durchmessers und der Länge des Sensors liegen.

Von der Sache her sind diese auftretenden Fehler statisch-thermische Messfehler. Sie werden sowohl in der VDI-Richtlinie 3511 [3] als auch in der VDI-Richtlinie 3512 [4] Blatt 1 definiert beziehungsweise erläutert und es werden Möglichkeiten der Berechnung sowie der Korrektur aufgezeigt.
Den zum Temperaturmessfehler der Messanordnung beitragenden thermischen Messfehlern gemäß der oben genannten VDI-Richtlinie und ihrer Vermeidung oder Verringerung ist generell bei den Temperaturmessungen mit Berührungsthermometern große Aufmerksamkeit zu widmen. Bei vielen technischen Anwendungsfällen sind die thermischen Messfehler größer als andere Fehlereinflüsse, wobei sie trotzdem häufig unerkannt und unberücksichtigt bleiben.

Driftfehler

Eine weitere Fehlergröße ist die Drift von Komponenten auf der analogen Messstrecke. Hiervon kann nicht nur das eigentliche Messelement, sondern eine Reihe elektronischer Bauelemente bis hin zum A/D-Umsetzer betroffen sein. Wird ein Pt100 als Temperaturmesselement verwendet, kann sich eine vom Misfit der Sensormaterialien abhängige und teils irreversible Drift einstellen. Der Misfit beruht auf der Differenz der Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensorsubstrat (Al2O3, Mg2TiO3, ZrO2) und der sensorischen Platinschicht; je kleiner der Misfit, desto geringer die Driftauswirkungen.

Einbaufehler erkennen und korrigieren

Der betragsmäßig größte Fehler resultiert in vielen Fällen aus dem Einbaufehler. Wie die in der VDI-Richtlinie 3511 aufgezeigte Formel zur Berechnung des Einbaufehlers zeigt, spielt neben der Temperaturdifferenz zwischen Sensor und Umgebung auch der Wärmeübergang zum Temperatursensor eine wichtige Rolle. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass der Wärmeübergang keinesfalls eine feste konstante Größe ist, sondern sich in einem strömenden Medium mit der Geschwindigkeit verändert. In die Wärmeübergangszahl gehen auch Oberflächeneffekte des Schutzrohrs des zum Einsatz kommenden Temperaturfühlers ein. Bildet sich zum Beispiel eine Fouling-Schicht an der Oberfläche eines eintauchenden Temperaturfühlers, sinkt der Wärmeübergang und der Einbaufehler wird größer. Die Einbaufehler beziehungsweise die Wärmeableitungsfehler können über die sogenannten Thermometerzahlen korrigiert werden, doch diese Korrektur findet in der Regel im Nachhinein statt.

Eine praktische Möglichkeit zur Korrektur des Einbaufehlers bietet die Kombination aus multisensorischen Anordnungen (siehe Bild 2) und dem Einsatz von Mikroelektronik. Durch geeignete multisensorische Anordnungen, das heißt die Integration von mindestens drei Temperatursensoren innerhalb eines Fühlers in unterschiedlichen Einbauhöhen, jedoch äquidistantem Abstand zueinander, kann die Wärmeableitung des Fühlers direkt bestimmt werden.
Die relativ komplexe Herleitung des Korrekturalgorithmus führt bei Beachtung einer definierten Auslegung des Fühlers zu einer Korrekturfunktion, in die nur die Differenzen der einzelnen Sensoren eingehen.

Erkennung und Korrektur der Drift

Werden in einer Messanordnung Sensoren verwendet, die unterschiedliche Materialkombinationen und damit differente Misfit-Eigenschaften aufweisen, kann über die Driftdifferenzwerte eine Driftkorrektur erfolgen.
Seltener berücksichtigt wird hingegen der mögliche Driftanteil der nachfolgenden Elektronik. Dieser kann im analogen Eingangsbereich der Schaltung und im A/D-Umsetzer begründet sein. Ein Lösungsansatz ist hier, beispielsweise mit integrierten Referenzwiderständen zu arbeiten und den A/D-Umsetzer auf diese zu multiplexen.

Eine einfache flankierende Maßnahme zur Erhöhung der Prozesssicherheit ergibt sich mit dem Einbau eines zweiten Schutzrohres in den Fühler, in das während des Prozesses im eingebauten Zustand ein Kontrollfühler eingeführt und somit die Genauigkeit im laufenden Betrieb überprüft werden kann.
Keine der beschriebenen Maßnahmen bietet für sich eine 100%ige Sicherheit, aber durch die Kombination können die Prozesssicherheit und die Genauigkeit des Gesamtsystems deutlich gesteigert werden. Hierzu bieten sich Systeme mit integrierter Elektronik und Software wie im Folgenden beschrieben an.