Vergleichende Betrachtung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Inhomogenität von Thermoelementen Philipp Germanow 1 , Patrick Mehring 1 , Herbert Neumann 1 , Silke Augustin 2 , Thomas Fröhlich 2 , Helge Mammen 2 1 Reckmann GmbH, Werkzeugstraße 19-23, D-58093 Hagen 2 TU Ilmenau, Gustav-Kirchhoff-Str. 1, D-98693 Ilmenau Zusammenfassung Die Homogenität des Thermomaterials nimmt Einfluss auf die Kalibrierfähigkeit und die im Betrieb erreichbare Genauigkeit eines Thermoelementes. Eine Unstetigkeit im Thermomaterial, nachfolgend als Inhomogenität bezeichnet, wird jedoch schon während des regulären Einsatzes des Thermoelementes durch mechanische und thermische Beanspruchungen ausgebildet. Um nun Aussagen über den dadurch entstandenen Messfehler zu treffen, muss die Inhomogenität erfasst werden. Dies wird im Allgemeinen durch zwei unterschiedliche Messverfahren möglich. Im Rahmen der Einbindung einer neuen Messmethode zur Bestimmung der Inhomogenität in einem bestehenden Kalibrierlabor wurden Untersuchungen beider Verfahren vorgenommen. Die daraus entstandenen Versuchsanlagen beider Funktionsprinzipe und die dort aufgenommenen Inhomogenitätsprofile werden vergleichend gegenübergestellt. Abschließend erfolgt eine Einordnung der Messverfahren anhand ihrer Zweckmäßigkeit im bestehenden Kalibrierbetrieb. Keywords: Thermoelement, Inhomogenität, Ein-Gradienten-Verfahren, Zwei-Gradienten-Verfahren, Messunsicherheitsbeitrag Entstehung von Inhomogenitäten Die Drift eines Thermoelementes, also die Veränderung der erzeugten Thermospannung im Laufe der Betriebszeit, geht stets von einer Änderung des Seebeck-Koeffizienten aus. Letztere sorgt dabei für die Ausprägung von Inhomogenitäten entlang des Thermo- elementes. Eine Inhomogenität entsteht beispielsweise durch die Veränderung der chemischen Zusammensetzung, eine Veränderung des metallurgischen Zustandes oder das Einwirken äußerer mechanischer Spannungen [1]. Auswirkung von Inhomogenitäten Im Gegensatz zu dem Missverständnis der alten Thermoelement-Theorie resultiert die erzeugte Thermospannung nicht aus der Temperaturdifferenz zwischen Mess- und Vergleichsstelle. Sie entsteht vielmehr durch den Temperaturgradienten und den lokalen Seebeck-Koeffizienten ) , ( x T S entlang des Thermoelementes [1]: L dx x T x T S 0 ) , ( U Aufgrund dieses Sachverhaltes wirkt sich die Inhomogenität deutlich auf die, in Abhängigkeit von der jeweiligen Einbausituation, erfasste Thermospannung des Sensors aus. Bei einem inhomogenen Thermoelement ist daher die erzeugte Thermospannung verschiedener Einbausituation, beispielsweise während der Kalibrierung und bei Inbetriebnahme, nicht direkt vergleichbar. Der Messfehler, ausgelöst durch die Inhomogenität des Sensors, muss daher zwingend in der Messunsicherheit der Kalibrierung des Sensors berücksichtigt werden. Erfassung von Inhomogenitäten Die Erfassung von Inhomogenitätsprofilen basiert grundsätzlich auf einem bekannten Temperaturgradienten, welcher über das Thermoelement bewegt wird. Der Temperaturgradient resultiert dabei aus dem axialen Temperaturverlauf entlang des zu untersuchenden Sensors. Auf Basis der lokal unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten entlang des Thermoelementes sorgt eine Verschiebung des Temperaturgradienten für eine Veränderung der erzeugten Thermo- spannung. Wenn die Thermospannung nun an diskreten Punkten entlang des Sensors aufgenommen wird, folgt daraus das 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2019 621 DOI 10.5162/sensoren2019/P1.16