Quarzthermometer: Auflösung vs. Genauigkeit, Kalibrierung im Bad

Ein typischer Fall: Ein japanischer Lieferant liefert einen temperierten Prüfstand aus und legt das Messprotokoll eines Quarzthermometers bei (japanisch suisho ondokei, 水晶温度計). Die Badtemperatur ist mit vier Nachkommastellen notiert, etwa 23,2501 °C, dazu kommt ein JCSS-Kalibrierschein aus Japan.

Im Team liest jemand die vier Stellen als „genau auf 0,0001 °C“. Genau diesen Fehlschluss soll dieser Beitrag verhindern.

Ein Quarzthermometer ist ein Berührungsthermometer, das die Temperatur über die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls bestimmt. Es löst sehr kleine Änderungen auf, doch Auflösung (wie fein die Anzeige springt) und Genauigkeit (wie nah der Messwert an der wahren Temperatur liegt) sind zwei verschiedene Kenngrößen. Über die zweite entscheiden Kalibrierung und Messaufbau.

Sie lesen im Folgenden, wie der Sensor funktioniert, wie man die Auflösung berechnet, wie Sie einen JCSS-Kalibrierschein im Vergleich zu einem DAkkS-Kalibrierschein einordnen und wie eine Vergleichskalibrierung im Bad abläuft. Außerdem vergleichen wir Quarz mit Normal-Platin-Widerstandsthermometer, Pt100, Thermistor und Thermoelement. Am Ende stehen eine Checkliste und eine englische Musteranfrage an den japanischen Lieferanten.

Inhalt

1. Was ist ein Quarzthermometer?
2. Wie ein Quarzthermometer funktioniert
3. Auflösung und Genauigkeit in Zahlen
4. JCSS-Kalibrierschein aus Japan richtig lesen
5. Vergleichskalibrierung im Bad: Schritt für Schritt
6. Quarz im Vergleich mit SPRT, Pt100, Thermistor und Thermoelement
7. Was Sie im Datenblatt prüfen sollten
8. Wenn der Messwert schwankt
9. Checkliste und Fragen an den japanischen Lieferanten
10. Grenzen dieses Beitrags
11. FAQ
12. Quellen

Was ist ein Quarzthermometer?

Ein Quarzthermometer besteht aus einem Temperaturfühler und einem Gerät, das dessen Frequenz auswertet. In technischen Unterlagen von Yokogawa Test & Measurement wird es als eines der Normale genannt, mit denen man andere Thermometer kalibriert.

Der Fühler muss das Messobjekt berühren. Anders als ein Strahlungsthermometer (Pyrometer), das die Oberflächentemperatur aus der abgegebenen Strahlung bestimmt, liefert es erst dann einen gültigen Wert, wenn der Sensor an der Spitze die Temperatur des Objekts angenommen hat.

Das Quarzelement taucht nicht blank in die Flüssigkeit ein, sondern sitzt in einem Schutzrohr. Die Wärme muss erst vom Rohr zum Kristall gelangen. Auch wenn das Gerät die Frequenz schnell erfasst, braucht der Fühler deshalb Zeit, um einer Temperaturänderung zu folgen.

Typische Anwendungen sind die Untersuchung der Temperaturstabilität eines Thermostatbads und die Messung kleiner Temperaturdifferenzen zwischen zwei Stellen. Ein Quarzthermometer dient der genauen Bewertung von Temperaturverläufen, nicht dem Ersatz aller Messstellen einer Fertigungslinie.

Abbildung 1 zeigt den Grundaufbau: Der Kristall schwingt im Fühler, ein separates Gerät misst seine Frequenz.

Abbildung 1: Der Kristall schwingt im Fühler, das Gerät misst die Frequenz

Die Quarzscheibe trägt Elektroden und schwingt dauerhaft mit der Energie, die die Oszillatorschaltung liefert.

Abmessungen, Anordnung der Elektroden und Lage der Elektronik unterscheiden sich je nach Modell.

Wie ein Quarzthermometer funktioniert

Piezoeffekt und Schwingung

Quarz ist kristallines Siliziumdioxid und piezoelektrisch: Unter mechanischem Druck entsteht eine elektrische Ladung. Umgekehrt verformt er sich, wenn eine Spannung anliegt. Die Schwingung beruht auf beiden Effekten.

Im Thermometer bringt eine Wechselspannung an den Elektroden die Scheibe zum Schwingen. Das elektrische Signal aus der Verformung wird an die Schaltung zurückgeführt, die so die Schwingbedingung aufrechterhält und die Frequenz abgreift.

Allein liefert eine Quarzscheibe kein stabiles Signal. Der Resonator ist ein passives Bauteil und braucht eine Oszillatorschaltung, die ihn anregt, sowie eine Auswerteschaltung, die ihn misst.

Piezozünder in Feuerzeugen nutzen denselben Zusammenhang zwischen Kraft und Elektrizität. Das Piezoelement eines Zünders und die Quarzscheibe eines Thermometers sind jedoch weder im Werkstoff noch im Aufbau gleichzusetzen.

Ein Thermoelement arbeitet anders: Es nutzt den Seebeck-Effekt, bei dem eine Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen zweier unterschiedlicher Metalle eine Spannung erzeugt. Ein Quarzthermometer misst dagegen, wie schnell der Kristall schwingt, nicht die Höhe einer Spannung.

Von der Frequenz zur Temperatur

Die Resonanzfrequenz einer Quarzscheibe hängt von Schnittwinkel, Form und Abmessungen ab; das Wort „Quarz“ allein legt sie nicht fest. Mit dem Schnitt ändert sich auch, wie die Frequenz auf Temperatur reagiert, und manche Schnitte eignen sich besser für die Thermometrie. Das Quarzthermometer von Hewlett-Packard aus dem Jahr 1965 nutzte zum Beispiel einen „LC“-Schnitt (linear coefficient), der einen nahezu linearen Frequenz-Temperatur-Verlauf ergibt.

Ein Thermometer verwendet ein Sensorelement, dessen Frequenzverschiebung mit der Temperatur gut auswertbar ist. Dieses Element wird kalibriert, und das Gerät speichert den Zusammenhang zwischen Frequenz und Temperatur.

Frequenzmessung und Umrechnung in Temperatur sind zwei getrennte Schritte. Weil die Temperatur aus einer Kalibrierkurve stammt, ergibt ein Fühler mit falschen Koeffizienten einen falschen Wert, auch wenn das Signal selbst einwandfrei ist.

Abbildung 2 zeigt die Umrechnung: Man misst die Frequenz auf der senkrechten Achse und liest die zugehörige Temperatur auf der waagerechten Achse ab.

Abbildung 2: Von der Frequenz zurück zur Temperatur

f messen, dann auf der Kalibrierkurve das passende T suchen. Die Punkte stehen für Werte aus der Kalibrierung (nur Prinzip).

In einem begrenzten Bereich kann der Frequenz-Temperatur-Zusammenhang nahezu linear sein. Über einen weiten Bereich ist er aber nicht zwingend eine Gerade; dann korrigieren Terme höherer Ordnung die Krümmung.

Diese Linearisierung folgt demselben Gedanken wie ein Linearisierer bei anderen Sensoren. Wie vertrauenswürdig die Temperatur ist, bestimmen die Kalibrierpunkte und das Umrechnungsverfahren, nicht nur die Auswerteelektronik.

Quarzuhr und Quarzthermometer im Vergleich

Auch Quarzuhren arbeiten mit Schwingquarzen, sind aber auf eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit der Frequenz ausgelegt. Die Uhr braucht eine stabile Zeitbasis, das Thermometer eine Frequenz, die der Temperatur folgt.

Nach Angaben von Epson ist der Schwingquarz einer Quarzarmbanduhr in die Oszillatorschaltung eines internen ICs eingebunden. Seine Schwingung dient als Zeitbasis für die Sekunde; der IC leitet daraus das Signal ab, das die Uhr antreibt.

Ein temperaturstabilisierter Quarzoszillator (OCXO) in der Nachrichtentechnik hält den Resonator auf konstanter Temperatur, damit die Frequenz stabil bleibt. Ein Quarzthermometer macht das Gegenteil: Es nutzt die Temperaturabhängigkeit der Frequenz als eigentliche Messgröße.

Ein Uhrenquarz an einem Frequenzzähler ergibt daher kein Präzisionsthermometer. Dafür braucht es ein Element mit Temperaturkennlinie und die zugehörigen Kalibrierdaten.

Auflösung und Genauigkeit in Zahlen

Empfindlichkeit und Auflösung

Die Empfindlichkeit gibt an, wie stark sich die Frequenz bei einer Temperaturänderung verschiebt; sie ist der Umrechnungsfaktor zur Temperatur. Je höher sie ist, desto kleiner ist die Temperaturdifferenz, die ein bestimmter Frequenzschritt darstellt, und desto leichter werden kleine Änderungen sichtbar.

Eine Einführung der Japan Society of Thermophysical Properties von 1989 nennt als Beispiel etwa 1 kHz je 1 K. Die HP-Konstruktion von 1965 hatte dieselbe Steigung, 1.000 Hz/°C, bei einem Resonator um 28 MHz. Löst man bei dieser Empfindlichkeit 0,1 Hz auf, ergibt sich eine Temperaturauflösung von 0,0001 °C, wie Abbildung 3 zeigt.

Abbildung 3: Vom Frequenzschritt zum Temperaturschritt

0,1 Hz geteilt durch 1.000 Hz/°C ergibt 0,0001 °C. Das beschreibt die Auflösung und ist keine Fehlergrenze.

In einem Bereich, in dem die Empfindlichkeit als konstant gelten kann

ΔT = ΔfS

ΔT = 0,11.000 = 0,0001 °C

ΔT: Temperaturdifferenz [°C]; Δf: Frequenzdifferenz [Hz]; S: Empfindlichkeit [Hz/°C]. Eine Differenz von 1 K entspricht 1 °C.

Mit derselben Logik erhalten Sie auch die Temperatur selbst, wenn Sie eine einfache Gerade annehmen. Die folgende Kalibriergleichung ist frei erfunden und zeigt nur den Rechenweg; sie ist kein Koeffizientensatz eines realen Geräts.

Entscheidend ist die Differenz zur Bezugsfrequenz. Wer die gesamte gemessene Frequenz durch die Empfindlichkeit teilt, übergeht den Bezugspunkt und erhält eine sinnlose Zahl.

Eine reale Kalibriergleichung hat zudem einen festgelegten Temperaturbereich und festgelegte Koeffizienten. Achten Sie auch auf die Einheiten: Eine Frequenz in kHz in eine Gleichung für Hz einzusetzen, ergibt eine falsche Temperatur.

Torzeit, Auflösung und Aktualisierungsrate

Bei einer einfachen Frequenzzählung zählt das Gerät die Schwingungen während einer festen Torzeit; die genaue Methode hängt vom Gerät ab. Je länger gezählt wird, desto feinere Unterschiede löst es auf, desto seltener wird aber der Wert aktualisiert. Der HP-Artikel von 1965 beschreibt 0,0001 °C Auflösung bei einer Messzeit von 10 Sekunden; schnellere Messungen haben entsprechend gröbere Auflösung.

Trennen Sie die Aktualisierungsrate des Geräts von der Ansprechzeit des Fühlers. So erkennen Sie, ob ein Wert „träge“ wirkt, weil der Zähler langsam ist oder weil die Wärme den Fühler erst erreichen muss.

Auflösung, Wiederholbarkeit und Messunsicherheit

Die Hauptstärke eines Quarzthermometers liegt darin, kleinen Temperaturänderungen zu folgen, und sie kommt in einer stabilen Umgebung am besten zur Geltung. Das hilft, wenn Sie die zeitlichen Temperaturschwankungen eines Bads oder die Differenz zwischen zwei Positionen sehen wollen.

Hier trennen sich Auflösung und systematische Abweichung. Springt die Anzeige in Schritten von 0,0001 °C, liegt der Wert aber 0,02 °C neben dem Referenzwert, beseitigt die feine Anzeige diese Abweichung nicht. Die 0,02 °C sind ein ausgedachtes Beispiel, keine Genauigkeitsangabe; ein Messwert hat erst zusammen mit dem Kalibrierergebnis und der Unsicherheit der Referenz eine Aussage.

Abbildung 4 trennt die drei Begriffe, die oft vermischt werden.

Abbildung 4: Viele Stellen oder belastbare Temperatur?

Anzeigeschritt, Streuung zwischen den Messwerten und Abweichung von der Referenz sind drei verschiedene Fragen.

Auflösung: der Schritt zwischen zwei benachbarten AnzeigewertenSie sehen 23,2500 → 23,2501 °C

Wiederholbarkeit: stimmen Messwerte unter gleichen Bedingungen überein?Streuung der Werte prüfen, einschließlich Schwankungen von Bad und Gerät

Systematische Abweichung und Messunsicherheit: Korrektur und BewertungAbweichung zur Referenz korrigieren, dann die Unsicherheit aus Referenz, Temperaturverteilung und weiteren Beiträgen bewerten

Die Korrektur der systematischen Abweichung beseitigt nicht die Unsicherheit aus Kalibrierung und Messumgebung.

Ein historisches Datenblatt macht den Punkt deutlich. Die Tabelle fasst die Kurzangaben zusammen, die HP 1965 für seine Quarzthermometer veröffentlichte. Es handelt sich um ein altes Gerät; die Werte zeigen nur, wie weit diese Kenngrößen auseinanderliegen können.

Angabe (HP, 1965)	Wert laut Datenblatt	Was sie aussagt
Auflösung	bis 0,0001 °C	nur der Anzeigeschritt
Kurzzeitstabilität	unter ±0,0002 °C von Messwert zu Messwert	Streuung bei konstanter Temperatur (kurzfristig)
Linearität (absolut)	besser als ±0,02 °C von 0 bis 100 °C; ±0,15 °C von −40 bis 230 °C	Abweichung von der linearen Kennlinie, abhängig vom Bereich; nicht mit der gesamten Messabweichung gleichzusetzen
Langzeit-Nullpunktdrift	unter ±0,01 °C in 30 Tagen	Grund für die Rekalibrierung
Ansprechzeit (Wasser mit 0,6 m/s)	63,2 % in <1,0 s; 99,9 % in <6,9 s	Fühlerverhalten bei angegebener Strömung

Hohe Auflösung setzt außerdem eine gleichmäßige, stabile Temperatur voraus, die Sie unabhängig von der Anzeige herstellen müssen. Hat das Bad einen Gradienten, addiert sich der Lageunterschied der Fühler zur gesuchten Differenz und lässt sich kaum noch von einer Geräteabweichung unterscheiden.

Das Messprinzip allein entscheidet nicht, welche Messung besser ist. Wie bei der Wahl zwischen Thermoelement und Widerstandsthermometer gehören Fühlerbauform und Einbaubedingungen zur Entscheidung.

JCSS-Kalibrierschein aus Japan richtig lesen

Geräte aus Japan kommen oft mit einem JCSS-Kalibrierschein (kosei shomeisho). JCSS (Japan Calibration Service System) ist das Akkreditierungssystem für Kalibrierlaboratorien nach dem japanischen Messgesetz. Betrieben wird es von IAJapan, der Akkreditierungsstelle des NITE (National Institute of Technology and Evaluation). In Deutschland übernimmt die DAkkS die Akkreditierung von Kalibrierlaboratorien.

Für Leser in Deutschland, Österreich und der Schweiz bedeutet das:

• Grundlage der Akkreditierung: NITE nennt ISO/IEC 17025, das Messgesetz und zugehörige Vorschriften als Akkreditierungskriterien. ISO/IEC 17025 ist damit die gemeinsame Grundlage mit DAkkS-akkreditierten Laboren; dazu kommen jeweils nationale Anforderungen.
• Rückführung: JCSS verlangt die Rückführung auf die nationalen Normale Japans (dargestellt am NMIJ, dem nationalen Metrologieinstitut, oder an benannten Instituten). Das NMIJ hat damit eine ähnliche Rolle wie die PTB in Deutschland.
• Internationale Anerkennung: IAJapan hat die Abkommen zur gegenseitigen Anerkennung (MRA) von ILAC und APAC unterzeichnet, die DAkkS die von EA und ILAC. Nach NITE dürfen Labore, die für das internationale MRA akkreditiert sind, Kalibrierscheine mit ilac-MRA-Zeichen ausstellen. Prüfen Sie, ob das Zeichen auf Ihrem Schein steht, statt es vorauszusetzen, und ob Messgröße, Temperaturbereich und Messunsicherheit im Akkreditierungsumfang des Labors liegen.
• Messunsicherheit: Der Muster-Kalibrierschein von NITE gibt die erweiterte Messunsicherheit mit dem Erweiterungsfaktor k = 2 an, entsprechend einer Überdeckungswahrscheinlichkeit von etwa 95 %. Das ist auch auf DAkkS-Kalibrierscheinen üblich; maßgeblich ist aber, was auf Ihrem Schein steht.
• Kein Ablaufdatum: Laut NITE hat ein JCSS-Kalibrierschein keine Gültigkeitsdauer. Das Rekalibrierintervall legt der Anwender nach Nutzungshäufigkeit und Einsatzort fest. Auch DAkkS-Kalibrierscheine legen die Verantwortung für eine angemessene Wiederholungsfrist beim Benutzer.

Ob ein JCSS-Kalibrierschein in Ihrem Qualitätsmanagementsystem oder bei Ihrem Kunden anerkannt wird, entscheiden deren Anforderungen. In der Automobilzulieferung stellt IATF 16949 (Abschnitt 7.1.5.3.2) Anforderungen an externe Kalibrierlabore, in der Regel eine Akkreditierung nach ISO/IEC 17025, deren Umfang die betreffende Kalibrierung abdeckt. Prüfen Sie zusätzlich kundenspezifische Anforderungen und klären Sie die Anerkennung im Zweifel mit Kunde oder Auditor.

Kalibrieren heißt, die Abweichung des Geräts von einer Referenz festzustellen; es ist nicht dasselbe wie Justieren, also die Anzeige anpassen. Das eigentliche Ergebnis ist diese Abweichung, dokumentiert zusammen mit den Messbedingungen.

Enthält der Schein Korrekturwerte, legen Sie intern fest, wie und wo Sie sie anwenden.

Vergleichskalibrierung im Bad: Schritt für Schritt

Bei der Vergleichskalibrierung bringen Sie den Prüfling und ein Referenzthermometer (japanisch kijunki, Normal) in dieselbe Temperaturumgebung und erfassen die Differenz ihrer Anzeigen. Nach Fluke sind Flüssigkeitsbäder dafür das stabilste und gleichmäßigste Medium; in japanischen Unterlagen heißen sie koseiso (Kalibrierbad) oder koonso (Thermostatbad).

Die folgenden Schritte beschreiben die Grundsätze. Vorrang haben Ihre Laborverfahren und die Anleitung des Badherstellers.

1. Zuerst die Aufgabe festlegen. Bestimmen Sie den benötigten Temperaturbereich und die zulässige Differenz. Eine Prüfung nahe Raumtemperatur braucht andere Kalibrierpunkte als eine, die den ganzen Bereich eines Heizprozesses abdecken muss.
2. Sensorzonen nah zusammenbringen. Positionieren Sie die temperaturempfindlichen Bereiche (Sensorzonen, kan’onbu) von Referenz und Prüfling dicht beieinander. Eine Spitze, die Metallwand oder Boden berührt, nimmt eine andere Temperatur auf als die Flüssigkeit.
3. Nach dem Sensorelement ausrichten, nicht nach der Spitze. Richten Sie jeden Fühler danach aus, wo sein inneres Sensorelement sitzt, nicht nach der äußeren Spitze. Geben Sie jedem Fühler die erforderliche Eintauchtiefe (shinseki-cho), damit beide Elemente in derselben Temperaturzone liegen.
4. Eintauchtiefe prüfen. Ändert sich der Wert, wenn Sie die Tiefe verändern, deutet das auf Wärmeableitung über den Schaft (Wärmeableitfehler) oder einen Temperaturgradienten hin. Die nötige Eintauchtiefe unterscheidet sich je Fühler; setzen Sie keinen Fühler in ein Schutzrohr, das keine ausreichende Eintauchtiefe erlaubt.
5. Paarweise ablesen. Sobald das Bad eingeschwungen ist, lesen Sie Referenz und Prüfling als Paar ab und wiederholen das mehrmals. Wer erst alle Werte des einen und dann des anderen Fühlers erfasst, lässt die Baddrift in die Differenz einfließen.
6. Wiederholbar dokumentieren. Notieren Sie Sollwert, beide Messwerte, Seriennummern der Fühler, Eintauchbedingungen, verwendete Kalibrierkoeffizienten und Ableseintervall. Dann lässt sich das Ergebnis leicht mit der letzten Kalibrierung vergleichen.

Abbildung 5 zeigt die Anordnung: Sensorzonen dicht beieinander in derselben Temperaturzone, mit Abstand zu Wand und Boden; jeder Fühler mit seiner erforderlichen Eintauchtiefe.

Abbildung 5: Anordnung im Bad für den Vergleich bei gleicher Temperatur

Sensorzonen von Referenz und Prüfling zusammenbringen und von Wand und Boden fernhalten. Jeder Fühler braucht seine Mindesteintauchtiefe.

Bei Auswahl oder Prüfung eines Bads nennt Fluke einige Punkte:

• Stabilität und Homogenität: Ein Bad kann zeitlich stabil und trotzdem ungleichmäßig sein. Prüfen Sie senkrechte und waagerechte Gradienten im Prüfraum.
• Eintauchtiefe der Referenz: Ein langes Normal wie ein Normal-Platin-Widerstandsthermometer, das nur so tief eintaucht wie ein kurzer Prüffühler, kann Wärmeableitfehler zeigen.
• Badflüssigkeit: Fluke empfiehlt eine Viskosität von höchstens 50 Centistokes (mm²/s) bei Regeltemperatur; die Stabilität hängt von Flüssigkeit und Temperatur ab.
• Badgröße: Lassen Sie Platz für ausreichende Eintauchtiefe, Flüssigkeit unter den Fühlern und Abstand zwischen Fühlern und Wand.

In Prozessleitungen sind Druckfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit eigene Fragen. Ein Schutzrohr schützt den Sensor vor dem Prozessmedium, verändert aber auch, wie schnell der Messwert Temperaturänderungen folgt.

Ein Doppelfühler enthält zwei Messelemente und ermöglicht zwei Messpfade; wie unabhängig sie sind, hängt von Aufbau, Verdrahtung und Auswertung ab. Das ist eine Frage des Aufbaus und hat mit dem Messprinzip des Quarzes nichts zu tun.

Quarz im Vergleich mit SPRT, Pt100, Thermistor und Thermoelement

In Werken sind Thermoelemente und Platin-Widerstandsthermometer (etwa Pt100) weit verbreitet. Wenn Sie ein Quarzthermometer mit ihnen vergleichen, schreiben Sie zuerst Messbereich und Einbaubedingungen auf, statt danach zu gehen, was „genauer klingt“.

Die Tabelle vergleicht die Sensorarten nach Messgröße und nach den Punkten, die Sie bei der Auswahl prüfen.

Aspekt	Quarzthermometer	Platin-Widerstandsthermometer (Pt100)	Thermoelement
Messgröße	Resonanzfrequenz	elektrischer Widerstand	Thermospannung
Einsatz	feine Temperaturdifferenzen, Stabilitätsprüfung	industrielle und präzise Temperaturmessung	breiter Industrieeinsatz, auch hohe Temperaturen
Wichtige Punkte der Messkette	Anregung des Resonators, Frequenzmessung, Kalibrierkennlinie	Messstrom, Leitungswiderstand, Eigenerwärmung	Vergleichsstellenkompensation, Ausgleichsleitung
Was im Datenblatt zu lesen ist	Fühler und Gerät als Paar	Norm des Messwiderstands und Anzeigegerät	Typ, Drahtstärke, Schutzrohr, Anzeigegerät

Einige Punkte helfen, wenn die japanische Spezifikation andere Bezüge nutzt als Ihre:

• SPRT (Normal-Platin-Widerstandsthermometer): In der Internationalen Temperaturskala ITS-90 ist es das Interpolationsinstrument von 13,8033 K bis 961,78 °C. Bei Vergleichskalibrierungen dient es oft als Referenz; auch das Badbeispiel von Fluke nutzt eines.
• Pt100: Industrielle Platin-Messwiderstände und Widerstandsthermometer werden nach IEC 60751 in Toleranzklassen eingeteilt (zum Beispiel Klasse A: ±0,15 °C bei 0 °C). In Deutschland ist DIN EN IEC 60751:2023-06 erschienen, die deutsche Fassung der IEC 60751:2022. Die japanische JIS C 1604:2013 nennt dagegen IEC 60751:2008 als entsprechende internationale Norm. Ausgabe und Klasse klären Sie deshalb mit dem Lieferanten, statt Gleichwertigkeit anzunehmen.
• Thermistor: Er nutzt wie das Pt100 eine Widerstandsänderung, doch Werkstoff und Größe der Änderung mit der Temperatur unterscheiden sich. Für die Überwachung kleiner Bauteile lohnt der Vergleich Thermistor gegen Pt100.

Bei Widerstandsfühlern muss der Leitungswiderstand berücksichtigt werden; deshalb gibt es Zweileiter-, Dreileiter- und Vierleiterschaltung. Das sind andere Fehlerquellen als bei der Frequenzmessung des Quarzes.

Bei Online-Messungen geht es nicht nur um richtiges Messen, sondern auch darum, wohin das Signal geht. Läuft es in ein Prozessleitsystem (PLS, englisch DCS) zur Überwachung und Regelung, gehören Aktualisierungszyklus und Ausgangsverhalten im Fehlerfall in die Spezifikation.

Was Sie im Datenblatt prüfen sollten

Lesen Sie Temperaturbereich, Messgenauigkeit und Ansprechzeit als zusammengehörige Angaben. Ein Referenzthermometer für ein langsam einschwingendes Bad und ein Sensor, der schnelle Änderungen der Medientemperatur erfassen muss, gewichten die Punkte unterschiedlich.

• Temperaturbereich: Er hängt von der Abdichtung des Fühlers, der Verkabelung und der Elektronik ab, nicht nur vom Kristall. Setzen Sie keine feste Obergrenze wie 200 °C für alle Quarzthermometer voraus. Lesen Sie die Angaben für die Kombination aus Fühler und Gerät und unterscheiden Sie den Bereich mit spezifizierter Genauigkeit vom bloßen Betriebsbereich.
• Ansprechzeit: Sie ändert sich mit der Anströmung und der Einbausituation. Ein in Flüssigkeit ermittelter Wert gilt nicht für Luft oder ein dickwandiges Schutzrohr.
• Eintauchtiefe: Prüfen Sie die vom Hersteller angegebene Mindesteintauchtiefe für jeden Fühler.
• Stoß und Vibration: Geräte mit Resonatoren reagieren empfindlich auf mechanische Stöße und Spannungen. Prüfen Sie nach einem Sturz oder einer geänderten Montage den Messwert an einem Referenzpunkt.
• Starke Magnetfelder: Die Eignung hängt vom ganzen System ab (Kristall, Oszillator, Zähler und Kabel). Wählen Sie nach Datenblattangaben oder Prüfergebnissen für die betreffende Feldstärke und Anlage aus.
• Ausgangssignal: Ein Frequenzausgang lässt sich nicht direkt an einen üblichen Analogeingang anschließen. Stimmen Sie das Ausgangsformat des Umsetzers auf die Eingangsbedingungen der 4–20-mA-Seite ab.
• Ersatzfühler: Gleiche Bauform reicht nicht. Verwalten Sie Gerätekompatibilität, die individuellen Kalibrierdaten jedes Fühlers und die Kabelbedingungen gemeinsam, damit nach einem Tausch keine Umrechnungen vertauscht werden.

Ändert sich die Messtemperatur noch, geht der Unterschied im Ansprechverhalten von Referenz und Prüfling mit in die Differenz ein. Verlassen Sie sich nicht auf den Moment, in dem das Bad den Sollwert erreicht; beobachten Sie beide Werte und vergleichen Sie Paare aus einem stabilen Abschnitt.

Bei kleinen Bauteilen verändert schon das Anbringen des Fühlers den Wärmefluss. Berücksichtigen Sie Wärmekapazität und axiale Wärmeleitung des Sensors und prüfen Sie, bevor Sie Nachkommastellen hinzufügen, ob der Fühler die gesuchte Temperatur nicht selbst verändert.

Wenn der Messwert schwankt

Gehen Sie die Ursachen der Reihe nach durch und ändern Sie jeweils nur eine Bedingung:

1. Zeitverlauf speichern. Vergleichen Sie Badtemperatur und Anzeige über die Zeit. Bei einem regelmäßigen Zyklus prüfen Sie einen Zusammenhang mit der Heizungsregelung oder dem Rührwerk des Bads.
2. Versuche trennen. Führen Sie Positionsversuche getrennt von Versuchen durch, bei denen Sie an fester Position die Ableseeinstellungen ändern. Wer mehrere Dinge gleichzeitig ändert und der Wert beruhigt sich, weiß nicht, was geholfen hat und wie er beim nächsten Mal vorgehen soll.
3. Positionen tauschen. Vertauschen Sie bei zwei Fühlern deren Positionen im Bad. Ob die Differenz der Position oder dem Fühler folgt, hilft Ihnen, Temperaturverteilung und Unterschiede zwischen den Fühlern auseinanderzuhalten.
4. Nur stabile Abschnitte mitteln. Ein Mittelwert über eine Rampe lässt die Stellen ruhig aussehen, verwischt aber, für welche Temperatur zu welchem Zeitpunkt er steht.
5. Ergebnisse über die Zeit verfolgen. Vergleichen Sie die Ergebnisse am selben Referenzpunkt über Monate. Verschiebt ein Sturz oder eine Reparatur den Messwert, bewerten Sie das sofort, ohne die nächste planmäßige Kalibrierung abzuwarten, und dokumentieren Sie so, dass sich die betroffenen Messungen nachverfolgen lassen.

Checkliste und Fragen an den japanischen Lieferanten

Nutzen Sie diese Checkliste, wenn Sie ein Quarzthermometer, seine Messdaten oder einen JCSS-Kalibrierschein aus Japan erhalten:

• Anzeigeauflösung, spezifizierte Fehlergrenzen und Messunsicherheit sind klar voneinander getrennt
• Erweiterte Messunsicherheit für jeden Kalibrierpunkt mit Erweiterungsfaktor und Überdeckungswahrscheinlichkeit (im NITE-Muster k = 2, etwa 95 %)
• JCSS-Zeichen, bei Bedarf das ilac-MRA-Zeichen, und Kalibrierung innerhalb des Akkreditierungsumfangs
• Kalibrierpunkte decken Ihren Arbeitsbereich ab
• Seriennummer des Fühlers auf dem Schein stimmt mit dem vorliegenden Fühler überein
• Im Gerät hinterlegter Koeffizientensatz gehört zu diesem Fühler
• Kalibrierergebnis als Abweichung oder Korrekturwert angegeben, mit eindeutig definiertem Vorzeichen, nicht nur „justiert“
• Eintauchtiefe und Badart bei der Kalibrierung
• Bereich mit spezifizierter Genauigkeit und Betriebsbereich
• Ansprechzeit und die Bedingungen, unter denen sie ermittelt wurde
• Für Pt100-Fühler: Ausgabe der IEC 60751 bzw. JIS C 1604 und Toleranzklasse
• Rekalibrierintervall intern festgelegt (der Schein gibt keines vor)

Fehlt ein Punkt, klärt eine kurze E-Mail meist alles. Mit japanischen Lieferanten läuft die Korrespondenz in der Regel auf Englisch; passen Sie die Vorlage an und ersetzen Sie die Angaben in eckigen Klammern.

Grenzen dieses Beitrags

• Messbereich, Ansprechzeit, Magnetfeldverträglichkeit und Genauigkeit sind modellabhängig. Nichts hier ist eine gemeinsame Spezifikation aller Quarzthermometer.
• Die HP-Werte stammen von 1965 und zeigen den Abstand zwischen Auflösung und Genauigkeit; heutige Geräte weichen davon ab.
• Der Badablauf beschreibt Grundsätze, kein validiertes Laborverfahren. Folgen Sie Ihren Verfahren nach ISO/IEC 17025 und den Anleitungen für Bad und Fühler.
• Ob ein JCSS-Kalibrierschein in Ihrem QM-System, bei Ihrem Kunden oder im IATF-Audit anerkannt wird, hängt von deren Anforderungen ab. Klären Sie das mit den Beteiligten.
• Die Auflösung des Thermometers allein bestimmt nicht, wie fein Sie eine Temperatur regeln können. Heizleistung und Anordnung, thermische Verzögerung und die Schrittweite der Stellgröße spielen mit; legen Sie Messung und Regelung als ein System aus.

FAQ

Misst ein Quarzthermometer auf 0,0001 °C genau?

Diese Zahl allein sagt das nicht. 0,0001 °C ist ein Beispiel für die Auflösung, also die Größe des Anzeigeschritts, und garantiert keinen Fehler von 0,0001 °C. Fehlergrenzen und Messunsicherheit werden getrennt bewertet, einschließlich Kalibrierkorrekturen, Fühler und Temperaturverteilung.

Kann man eine normale Quarzuhr als Thermometer nutzen?

Nein. Uhrenquarze sind darauf ausgelegt, die Frequenz als Zeitbasis stabil zu halten. Ohne Temperaturkennlinie und Kalibrierung eines Sensorelements ergibt das Auslesen eines Uhrensignals keine präzise Temperaturmessung.

Lassen sich Quarzthermometer über 200 °C einsetzen?

Das hängt von Modell und Fühler ab; eine Obergrenze für alle Quarzthermometer gibt es nicht. Unterscheiden Sie bei hohen Temperaturen den Betriebsbereich vom Bereich mit spezifizierter Genauigkeit und prüfen Sie die Temperaturbeständigkeit von Schutzrohr und Verkabelung.

Misst jedes Thermometer mit „Quarz“ im Namen eine Frequenz?

Nein. Ein Thermometer mit Schutzrohr aus Quarzglas ist etwas anderes als eines, das mit einem Schwingquarz misst. Prüfen Sie im Datenblatt, ob das Sensorelement ein Platinwiderstand oder ein Quarzresonator ist, statt nach dem Produktnamen zu gehen.

Ist ein JCSS-Kalibrierschein mit einem DAkkS-Kalibrierschein vergleichbar?

In der Grundlage ja: Beide Systeme akkreditieren nach ISO/IEC 17025, und IAJapan wie DAkkS sind Unterzeichner des ILAC-MRA. Ein Ablaufdatum hat der JCSS-Schein laut NITE nicht; das Rekalibrierintervall legen Sie selbst fest. Ob Ihr Kunde oder Auditor den Schein anerkennt, klären Sie im Einzelfall, besonders wenn das ilac-MRA-Zeichen fehlt.

Quellen

• Quarzthermometer als Kalibriernormal: Yokogawa Test & Measurement, Spannungs- und Temperaturmessung (japanisch)
• Schwingquarze in Uhren: Epson, Prinzip und Anwendungen von Quarzbauteilen (japanisch)
• Beispiel für die Empfindlichkeit (etwa 1 kHz/K): Japan Society of Thermophysical Properties, Grundlagen der Temperaturmessung (1989, japanisch)
• LC-Schnitt, 1.000 Hz/°C, Datenblattwerte: Hewlett-Packard Journal, März 1965, „The Linear Quartz Thermometer“ (englisch)
• OCXO: Nihon Dempa Kogyo (NDK), Eigenschaften von OCXOs (japanisch)
• Gültigkeit von JCSS-Kalibrierscheinen, Akkreditierungskriterien, ilac-MRA-Zeichen: NITE, JCSS-FAQ (japanisch)
• JCSS-Muster-Kalibrierschein (ISO/IEC 17025, ILAC/APAC MRA, k = 2): NITE IAJapan, Muster eines JCSS-Kalibrierscheins (englisch)
• DAkkS-Kalibrierschein (EA/ILAC-Abkommen, Wiederholungsfrist beim Benutzer): HBK, Muster eines DAkkS-Kalibrierscheins
• Auswahl von Kalibrierbädern: Fluke, „Buying the Right Temperature Calibration Bath for Your Laboratory“ (englisch)
• ITS-90, Bereich des Platin-Widerstandsthermometers: NIST Technical Note 1265, „Guidelines for Realizing the ITS-90“ (englisch)
• DIN EN IEC 60751:2023-06: DIN Media, DIN EN IEC 60751
• Toleranzklassen nach IEC 60751: JUMO, „Pt100 accuracy class“ (englisch)
• JIS C 1604:2013 und IEC 60751:2008: Japanese Standards Association, Vorschau JIS C 1604:2013 (japanisch)