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Temperaturöfen ausmessen und kalibrieren Temperaturöfen ausmessen: Wie homogen ist die Hitze?

Von Danica Schwarzkopf*

Anbieter zum Thema

WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG
Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG
E+E Elektronik GmbH

24 Stunden dauert die Ausmessung der meisten Temperaturöfen. Das Erfassen der Temperaturverteilung in deren Kammer ist für die Effektivität jeglicher Wärmebehandlung unabdingbar. Doch bei der Durchführung ist absolute Präzision über einen vergleichsweise langen Zeitraum gefragt – eine Aufgabe, die realistischerweise ein automatisiertes Verfahren erfordert. Erfahren Sie, wie das aussehen kann und welche Alternativen es für die Betreiber gibt.

(Bild: Wika)
(Bild: Wika)

In nahezu allen produzierenden Unternehmen von Pharmaprozessen bis zum Flugzeugbau zählen Temperaturöfen zum Standardequipment in der Qualitätskontrolle. Die Ofenkammern weisen je nach Verwendung, z.B. für Sterilisation oder Durchhitzung, unterschiedliche Bauformen und Volumina auf. Ob die Wärmebehandlung den anforderungsgemäßen Zweck erfüllt, hängt wesentlich von der Temperaturverteilung ab. Um eine genaue Kenntnis darüber zu erhalten, muss die Ofenkammer ausgemessen werden, was auch in einschlägigen Normen und Richtlinien vorgeschrieben wird.

Der dafür notwendige Aufwand hat mit dem steigenden Qualitätsbewusstsein zugenommen und vielen Unternehmen sind die Anweisungen des allgemeinen Qualitätsmanagements nach ISO 9001 auf diesem Gebiet zu vage. Sie richten sich nach einem Branchenstandard mit spezifizierten Vorgaben, z.B. dem CQI 9 für die Rohteilbearbeitung oder den FDA-Pharmarichtlinien. Die in diesen Standards niederlegten Anforderungen machen aus dem Ausmessen von Temperaturöfen ein komplexes Verfahren. Unternehmen müssen entweder in nennenswertem Umfang in entsprechendes Prüfequipment, Dokumentation und Know-how investieren oder einen externen Service in Anspruch nehmen.

Eichen oder kalibrieren?
Technik-Checker:

Sie kennen die Situation vielleicht noch aus dem Studium: Kaum spricht ein Student in Labor oder Technikum unbedarft vom „Eichen“ eines Messgerätes, verlieren auch gelassene Professoren schon einmal die Contenance. Aber was ist eigentlich genau der Unterschied zwischen den beiden so ähnlichen Verfahren?

Fangen wir mit den Gemeinsamkeiten an: Beim Eichen wie beim Kalibrieren geht es darum, die Abweichung eines Messwertes von einer Normalreferenz festzustellen und – zusammen mit der Mess­unsicherheit – festzuhalten. Dieses Vorgehen soll vertrauenswürdige Messergebnisse mit Rückführbarkeit auf internationale Standards sicherstellen. Ist sogar eine Eichung vorgeschrieben, muss diese von einer staatlich anerkannten Prüfstelle durchgeführt werden. Dabei sind die Fehlergrenzen und die Genauigkeit der Messung genauso wie die Prüfverfahren exakt festgelegt. Geeicht wird also nur, wenn es explizit gefordert wird (und nicht prophylaktisch im Sinne eines ISO-9000/9901-Qualitätsmanagements). Dann führt aber kein Weg daran vorbei.

Stunden der Entscheidung: Auf die Temperatur kommt es an

In Grundzügen unterscheiden sich die Mess-Verfahren so gut wie nicht: Um die Temperaturverteilung zu erfassen, müssen in der Regel neun, manchmal auch mehr Messpunkte bestimmt werden. Für den Gesamtablauf sind bis auf wenige Ausnahmen 24 Stunden einzukalkulieren. Daher wäre in diesem Fall jedes andere als ein automatisiertes Verfahren ineffizient und fehleranfällig. Worauf es bei einer solchen Methode der Ausmessung ankommt, lässt sich an einem Beispiel aus der Sensorproduktion bei Wika veranschaulichen: Der Messtechnikhersteller nutzt Öfen für den Temperaturabgleich von Drucksensoren.

Die Referenztemperatur richtet sich nach der jeweiligen Aufgabe der Öfen. Im Fall des Temperaturabgleichs bei Drucksensoren handelt es sich um 40 °C, bei ­Sterilisationsaufgaben sind es 170 °C und bei der Durchhitzung von Aluminiumbauteilen 800 °C. Der Messpunkt der Referenztemperatur (M0) wird meist im Zentrum des zu nutzenden Volumens verortet, die übrigen Messpunkte (M1 bis M8) verteilen sich in einem Quaderschema um ihn herum. Wichtig ist, dass die Mess­punkte eindeutig zuzuordnen und problemlos reproduzierbar sind.

Ist ein Temperaturofen zum Kalibrieren geeignet?

Die Temperaturfühler können mithilfe von Gestellen oder mehrarmigen Stativen exakt positioniert werden. Bei der Vorbereitung muss ein Punkt unbedingt beachtet werden: Je mehr Masse die Installation in der Kammer hat, umso länger ist die Einschwingzeit – das Anfahren der Referenztemperatur – und umso größer der mögliche Temperaturfehler.

Nach dem Einschwingen wird der Ofen 24 Stunden lang bei der Referenztemperatur stehengelassen. Während dieses Intervalls werden an den Messpunkten 1 bis 8 der Minimal-, Mittel- und Maximalwert sowie die Abweichung zum Referenzpunkt M0 dokumentiert. Aus der maximalen Temperaturdifferenz zwischen einem Eck- oder Randmesspunkt und dem Messpunkt M0 ergibt sich die räumliche Inhomogenität der Temperatur.

Ob ein Ofen für eine bestimmte Anwendung infrage kommt, wird auch anhand der so genannten zeitlichen Instabilität bestimmt: Dabei handelt es sich um die Temperaturschwankung, die nach dem Einschwingen über eine Spanne von mindestens 30 Minuten ermittelt wird. Beim Erfassen der Temperaturverteilung spielt diese eine Nebenrolle, da es sich um einen ­Temperaturvergleich und nicht um absolute Temperaturen handelt. Zum automatisierten Ausmes­sen für den Abgleich bei den Drucksensoren nutzt Wika als Referenz- gerät das Präzisionsthermometer CTR3000 in Kombination mit dem Messstellenumschalter CTS3000 sowie neun Pt100-Temperaturfühlern, einen für jeden Messpunkt. Diese Anordnung setzt der Kalibrierservice des Unternehmens auch für Kundenprojekte ein.

Automatisierung ist ein Muss, wenn Präzision gefordert ist

Bei Widerstandsthermometern wie den Pt100-Fühlern liefert das Referenzthermometer eine Genauigkeit bis zu 0,005 K. Anwender sollten allerdings vor dem Ausmessen darauf achten, wie genau ihr Prozess qualifiziert ist. Davon hängt ab, ob bei der Kalibrierung des Referenzthermometers eine Vergleichsmessung (Messun- sicherheit: zehn bis 20 mK) ausreicht oder eine Fixpunktkalibrierung (Messunsicherheit: 2 mK) erforderlich ist. Hat sich die Kammer auf die Referenztemperatur eingeschwungen, steuert das CTR3000 über seine Scanfunktion die Eingangskanäle der Pt100-Fühler automatisch nach dem vorab definierten Modus an. Während des 24-Stunden-Durchlaufs kann das Bedienpersonal bei Bedarf zwischendurch eine Liste mit den wichtigsten Werten auf dem Display aufrufen. Über den gesamten Messzeitraum protokolliert der Logger des Referenzthermometers jede Phase und überträgt alle Daten auf einen USB-Stick, um das Ausmessen der Temperaturkammer lückenlos zu dokumentieren.

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Das Ausmessen von Temperaturkammern ist ein wichtiger Bestandteil des Qualitätsmanagements produzierender Unternehmen und wird vor allem in internationalen Branchenstandards spezifiziert. Die Investition in das erforderliche Prüfequipment plus das entsprechende Know-how für automatisierte Kalibrierprozesse ist allerdings beträchtlich. Anwender, die diesen Aufwand nicht leisten können oder wollen, bietet sich alternativ ein entsprechender Kalibrierservice an.

* * Die Autorin ist Projektleiterin Prozess­entwicklung bei Wika, Klingenberg.

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