Temperatur kalibrieren: Thermometer, Fühler, Datenlogger

Kurz erklärt

Thermometer werden kalibriert, indem Prüfling und Referenzthermometer gemeinsam in eine stabile Temperaturquelle gebracht werden: ein Flüssigkeitsbad, einen Trockenblockkalibrator oder einen Klimaschrank. Nach dem Temperaturausgleich werden beide abgelesen und verglichen. Die Herausforderung liegt weniger im Messgerät als in der Temperaturquelle: Sie muss gleichmäßig und stabil sein, sonst misst das Referenzthermometer eine andere Temperatur als der Prüfling.

Warum ist das wichtig?

Temperatur ist die am häufigsten gemessene Größe in Lebensmittelproduktion, Pharma, Labor und Gebäudetechnik. Ein Thermometer, das 2 °C zu wenig anzeigt, lässt eine Kühlkette als eingehalten erscheinen, die es nicht war. Gleichzeitig ist die Temperaturkalibrierung fehleranfällig: Eintauchtiefe, Wartezeit und Fühlerposition beeinflussen das Ergebnis stärker als bei fast jeder anderen Messgröße.

Im Detail

Was kalibriert wird

Berührungsthermometer. Widerstandsthermometer (Pt100, Pt1000), Thermoelemente (Typ K, J, T, N), Thermistoren. Oft als Fühler mit separatem Anzeigegerät, das getrennt oder als System kalibriert wird.
Datenlogger und Klimasensoren. Messen Temperatur und oft Luftfeuchte über lange Zeiträume. Kalibriert werden mehrere Punkte im Einsatzbereich.
Strahlungsthermometer. Infrarotthermometer und Wärmebildkameras messen berührungslos. Kalibriert gegen Schwarzkörperstrahler, der Emissionsgrad ist die größte Fehlerquelle.
Temperaturkalibratoren und Bäder. Die Quellen selbst sind Prüfmittel und werden gegen Referenzthermometer kalibriert.

Normale und Quellen

Referenzthermometer. Meist ein Platin-Widerstandsthermometer (PRT oder SPRT) mit Anzeigegerät, kalibriert an Fixpunkten oder durch Vergleich. Die Unsicherheit liegt im Bereich von Hundertstel bis Tausendstel Kelvin.
Flüssigkeitsbad. Wasser, Öl oder Silikonöl, gerührt und geregelt. Sehr homogen, aber langsam und für Vor-Ort-Einsatz ungeeignet.
Trockenblockkalibrator. Metallblock mit Bohrungen, schnell und transportabel. Weniger homogen als ein Bad, Bohrungsdurchmesser und Eintauchtiefe müssen zum Fühler passen.
Fixpunktzellen. Tripelpunkt des Wassers (0,01 °C), Erstarrungspunkte von Metallen. Die Grundlage der Internationalen Temperaturskala ITS-90, im Alltag nur in Referenzlaboren.
Klimaschrank. Für Datenlogger und Feuchtesensoren, mit Referenzfühlern für Temperatur und Feuchte.

Typische Fehlerquellen

Eintauchtiefe. Ein zu kurz eingetauchter Fühler leitet Wärme über den Schaft ab und zeigt zu wenig an. Faustregel: mindestens das 15- bis 20-Fache des Fühlerdurchmessers plus Sensorlänge.
Wartezeit. Fühler brauchen Zeit, bis sie die Blocktemperatur angenommen haben. Dicke Fühler und träge Anzeigegeräte brauchen länger als vermutet.
Gradienten. Im Block oder Bad ist die Temperatur nicht überall gleich. Referenz und Prüfling müssen auf derselben Höhe sitzen.
Eigenerwärmung. Der Messstrom eines Widerstandsthermometers erwärmt den Sensor. Bei kleinen Fühlern und hohen Messströmen messbar.
Leitungen und Stecker. Bei Thermoelementen entstehen an jedem Übergang zusätzliche Thermospannungen. Ausgleichsleitungen und Vergleichsstellenkompensation müssen passen.
Hysterese. Manche Fühler zeigen nach dem Aufheizen einen anderen Wert als nach dem Abkühlen. Die Richtung der Anfahrt gehört ins Verfahren.

Prüfpunkte

Kalibriert wird im Einsatzbereich des Prüflings, meist an drei bis fünf Punkten, etwa 0 °C, Raumtemperatur und Einsatztemperaturen. Für Kühlkettenlogger reichen oft zwei Punkte (2 °C und 8 °C), für Sterilisationsfühler sind 121 °C und 134 °C üblich; die genauen Prüfpunkte ergeben sich aus dem Prozess, etwa nach EN 285 oder ISO 17665. Die DKD-Richtlinie DKD-R 5-1 beschreibt die Kalibrierung von Widerstandsthermometern, DKD-R 5-3 die von Thermoelementen.

Praxisbeispiel

Ein Pharmabetrieb kalibriert 60 Datenlogger für Kühlschränke und Lagerräume halbjährlich im eigenen Klimaschrank bei 2 °C, 8 °C und 25 °C. Die Referenz ist ein Pt100 mit DAkkS-Schein, Unsicherheit 0,02 K. Die Toleranz der Logger beträgt ± 0,5 K. Die Unsicherheit der Kalibrierung wird allerdings meist nicht vom Pt100 bestimmt, sondern von der Inhomogenität des Klimaschranks, die oft einige Zehntel Kelvin beträgt und ins Budget gehört.

Nach dem Umstieg auf einen dokumentierten Prüfplan mit 45 Minuten Wartezeit je Punkt fallen zwei Dinge auf: Drei Logger, die bisher immer bestanden, liegen bei 8 °C um 0,4 K daneben, weil sie vorher nach 15 Minuten abgelesen wurden und die Trägheit das Ergebnis geschönt hatte. Und zwei Logger zeigen eine Drift von 0,1 K pro Halbjahr, sie werden ersetzt. Die Toleranzausnutzung je Logger steht jetzt im System, das Intervall für stabile Logger wird auf zwölf Monate verlängert.

So unterstützt calServer

Kategorie „Temperatur“. Berührungsthermometer, Temperaturkalibratoren sowie Datenlogger und Klimasensoren haben eigene Kategorien mit passenden Feldern, etwa Nenntemperatur und Temperaturbereich des Herstellers.
Umgebungsbedingungen am Datensatz. Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck während der Kalibrierung werden erfasst und stehen für den Schein bereit. Ob sie gedruckt werden, legt die Berichtsvorlage fest.
Prüfpläne je Fühlertyp. Prüfpunkte, Toleranzen und Wartezeiten werden einmal je Gerätetyp als Prüfplan angelegt. Die Wiederholmessungen je Punkt lassen sich in den Grundeinstellungen und im Prüfplan festlegen.
Normale mit Gültigkeitsprüfung. Referenzthermometer und Kalibratoren sind Prüfmittel mit eigenem Intervall. Vor jedem Prüflauf prüft calServer, ob sie am Kalibriertag gültig sind.
Fühler und Anzeigegerät als Set. Ein Fühler kann als Zubehör einem Anzeigegerät zugeordnet oder als eigenes Gerät mit eigenem Intervall geführt werden.
Drift je Logger. Das Modul „Messhistorie und Trend“ zeigt, welche Fühler über die Jahre wandern, und liefert die Grundlage für Intervallanpassungen.

calServer Messwerttabelle: je Messpunkt Sollwert, Istwert, Messunsicherheit und Bewertung

Kategorien, Prüfpläne und Umgebungsbedingungen gehören ab Basis zum Grundumfang, „Messhistorie und Trend“ ist ein eigenes Modul. Prüfpläne in calServer, Toleranz und Drift oder Demo anfragen.

Häufige Fragen

Reicht ein Eiswasserbad als Referenz? Für eine Zwischenprüfung bei 0 °C ja, wenn es richtig angesetzt ist: zerstoßenes Eis aus destilliertem Wasser, mit Wasser aufgefüllt, gerührt, Fühler mittig und nicht am Boden. Für eine Kalibrierung mit Schein braucht es ein Referenzthermometer.

Muss der Fühler mit seinem Anzeigegerät zusammen kalibriert werden? Wenn beide immer zusammen eingesetzt werden, ja, als System. Werden Fühler getauscht, wird der Fühler allein kalibriert und das Anzeigegerät elektrisch simuliert.

Wie oft müssen Kühlkettenlogger kalibriert werden? Üblich sind zwölf Monate, bei kritischen Anwendungen sechs. Die Historie zeigt, ob das Intervall passt.

Was ist mit Infrarotthermometern? Sie werden gegen Schwarzkörperstrahler mit bekanntem Emissionsgrad kalibriert. Im Einsatz hängt das Ergebnis stark von der Oberfläche ab, deshalb sollte der Emissionsgrad im Verfahren festgelegt sein.