Kalibratie van thermokoppels en RTD's

Inhoud

1. Kalibratie van thermokoppels
2. Kalibratie van weerstandsthermometers (RTD)
3. Praktijkvoorbeeld van drift
4. Hogere nauwkeurigheid bereiken
5. Kalibratiemethoden
6. In-situ kalibratie
7. RTD-controles
8. Haalbare nauwkeurigheid
9. Uitdagingen bij kalibratie
10. Samenvatting

Nauwkeurige temperatuurmeting hangt af van goed gekalibreerde sensoren. In de loop van de tijd kunnen zowel thermokoppels als weerstandsthermometers (RTD's) afwijken van hun oorspronkelijke specificaties door factoren zoals veroudering, verontreiniging of mechanische belasting. In deze sectie wordt uitgelegd hoe kalibratie werkt, hoe sensoren kunnen degraderen en welke methoden worden gebruikt om de meetnauwkeurigheid te waarborgen.

Kalibratie van thermokoppels

Thermokoppeldraden worden vervaardigd om aan standaardtolerantiegrenzen te voldoen, doorgaans gedefinieerd door internationale normen. Bijvoorbeeld:

• Type R/S: ±1°C bij het smeltpunt van goud
• Type K: ±7.5°C bij 1,000°C

Draden met strakkere toleranties zijn beschikbaar voor toepassingen met hoge nauwkeurigheid, en hetzelfde geldt voor verleng- en compensatiekabels. Deze toleranties gelden echter alleen voor nieuwe, ongebruikte sensoren.

Thermokoppeldraad—met name geïsoleerde of MIMS (Mineral Insulated Metal Sheathed) typen—kan in kalibratie over een rol variëren. Een afwijking van meer dan 1°C van het ene uiteinde tot het andere is niet ongewoon (zie fig. 8.1).

Afbeelding 8.1: Calibration of Glass Insulated Thermocouple at Top and Bottom Ends of the Reel

Veelvoorkomende degradatieproblemen

Bij gebruik kunnen thermokoppels degraderen door:

• Verlies van isolatieweerstand
• Thermo-elektrische inhomogeniteit
• Verslechtering van de meetlas

Dit alles kan in de loop van de tijd de kalibratiestabiliteit beïnvloeden.

Kalibratie van weerstandsthermometers (RTD)

RTD-elementen worden met zeer hoge precisie vervaardigd. Toleranties zijn van toepassing op de volledige sensor, in overeenstemming met IEC 60751, die twee gangbare tolerantieklassen definieert:

• Klasse A: ±0.06Ω (≈±0.15°C) bij 0°C
• Klasse B: ±0.12Ω (≈±0.3°C) bij 0°C

RTD's behouden hun kalibratie over het algemeen beter dan thermokoppels vanwege hun intrinsieke stabiliteit. Toleranties gelden echter nog steeds alleen voor nieuwe sensoren. Kalibratiecontroles zijn doorgaans alleen nodig als hoge nauwkeurigheid essentieel is of wanneer misbruik wordt vermoed (bijv. oververhitting).

Oorzaken van RTD-degradatie

• Oxidatie of chemische verontreiniging
• Mechanische spanning of schok
• Verlies van isolatieweerstand
• Thermo-elektrische effecten door slechte installatie
• Onbalans in de weerstand van de aansluitdraden

Praktijkvoorbeeld van drift

In een vergelijkende test:

• 126 RTD's werden gedurende twee jaar gemonitord.
  • 63 vertoonden meer dan 0.1°C drift
  • 46 vertoonden drift tot 1°C
  • 17 vertoonden extreme drift of vielen volledig uit

• 66 thermokoppels gedurende zes maanden getest
  • Alle vertoonden minimaal 1,4°C drift
  • Eén vertoonde drift tot wel 9,9°C

Er werd geen voorspelbaar driftpatroon waargenomen.

Hogere nauwkeurigheid bereiken

Voor kritische metingen is het essentieel om thermokoppels of RTD's te kalibreren tegen bekende temperatuurreferenties. Kalibratie kan slechts enkele vaste punten omvatten of meerdere punten over het bereik van de sensor. Vervolgens kan een correctietabel of -curve worden opgesteld.

Kalibratiemethoden

Kalibratie wordt meestal in laboratoria uitgevoerd door vergelijking met referentiethermometers die herleidbaar zijn tot ITS-90-standaarden. De methode hangt af van het temperatuurbereik:

Temperatuurbereik	Voorkeursmethode	Referentie-instrument
-150°C tot +250°C	Geroerde vloeistofbaden (aceton, water, olie)	Platina-RTD's
Tot 550°C	Zoutbaden (NaNO₂, KNO₃)	Platina-RTD's of edelmetaalthermokoppels
Tot 1.000°C	Gefluidiseerde zandbaden	Platina-rhodium-thermokoppels
Boven 600°C	Horizontale buisovens	Pt-Rh-thermokoppels of stralingspyrometers
Vastpuntkalibratie	Smeltpunten van metalen (bijv. Zn, Ag, Au)	EMK waargenomen tijdens het smelten

Belangrijk: Zorg altijd voor volledige onderdompeling van de sensor en verwijder deze waar mogelijk uit beschermhulzen.

In-situ-kalibratie

Voor grote, in bedrijf zijnde thermokoppels en RTD's is in-situ-kalibratie vaak praktischer. Een gekalibreerde referentiesensor wordt naast de te testen sensor ingebracht en de meetwaarden worden vergeleken over de relevante temperaturen.

RTD-controles

RTD-weerstand bij 0°C (R₀) is een sterke indicator voor kalibratiestabiliteit. Een verschuiving in R₀ kan betekenen:

1. Door rek veroorzaakte weerstand — te corrigeren door uitgloeien
2. Oxidatie — kan worden teruggedraaid met een warmtebehandeling (450°C–550°C)
3. Verontreiniging — doorgaans onomkeerbaar; vereist herkalibratie

Standaardmethode voor R₀-testen: Meet de weerstand bij het trippelpunt van water. Dit maakt het mogelijk de weerstandsverhouding te volgen in plaats van de absolute weerstand.

Haalbare nauwkeurigheid

Thermokoppels:

• Type R/S/B: ±0.3°C tot 1,100°C; ±2°C tot 1,550°C
• Type K/N (basismetalen): ±0.1°C tussen -80°C en +100°C; grotere fouten bij verhoogde temperaturen door instabiliteit

RTD's:

• Kalibratie binnen honderdsten of zelfs duizendsten van een graad is haalbaar voor hoogwaardige instrumenten
• Industriële RTD's kunnen het volgende bereiken:
• ±0.01% nauwkeurigheid over het volledige bereik
• ±0.005% stabiliteit per jaar voor draadgewonden sensoren

Kalibratie-uitdagingen

Thermokoppels:

Thermo-elektrische spanning wordt opgewekt over de lengte waar temperatuurgradiënten aanwezig zijn. Kalibratie gaat uit van uniforme geleidereigenschappen, wat bij verouderde sensoren mogelijk niet klopt. Drift kan optreden zelfs als de lastemperaturen gelijk blijven (zie figuur 8.3).

Afbeelding 8.3: The effects of time and exposure on some thermocouples

RTD's:

RTD's zijn steelgevoelig, niet puntgevoelig. Bij kalibratie moet voldoende onderdompeling in een isotherme zone worden gewaarborgd. Na verloop van tijd kan blootstelling aan extreme omstandigheden niet-uniforme veroudering langs de lengte van de sensor veroorzaken, waardoor herkalibratie in het laboratorium mogelijk onbetrouwbaar wordt.

Samenvatting

Thermokoppels en RTD's worden met nauwe toleranties vervaardigd, maar gebruik in de praktijk kan drift veroorzaken door isolatieafbraak, mechanische schade of chemische blootstelling. RTD's bieden over het algemeen een betere langetermijnstabiliteit dan thermokoppels. Regelmatige kalibratie—ofwel in een lab of in situ—is essentieel voor toepassingen met hoge nauwkeurigheid. Technieken variëren van eenvoudige referentievergelijkingen tot vaste-puntkalibraties die herleidbaar zijn tot internationale normen. Begrijpen hoe en wanneer sensoren degraderen helpt het juiste kalibratieschema te bepalen en zorgt voor blijvende meetbetrouwbaarheid.

Verder lezen

RTD-uitvoertabellen
Bekijk tabellen van weerstand versus temperatuur voor alle Pt100-sensoren.

Wat zijn de RTD-kleurcodes?
Ontdek RTD-kleurcodes en bedradingsconfiguraties.