Volume 88, Issue 10 - Temperatur 2020 / Gastherausgeber: Steffen Rudtsch, Dieter Taubert, Marc Schalles

Zusammenfassung Im Rahmen des europäischen Metrologie Programms für Innovation und Forschung (EMPIR) startete im Mai 2018 mit einer Laufzeit von 3 Jahren das Projekt „Enhancing process efficiency through improved temperature measurement – 2“ (EMPRESS-2) mit Beteiligung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Effizienz von Fertigungsprozessen durch die Verbesserung von Temperaturmess- und Steuerungsmöglichkeiten zu steigern. Die Arbeiten der PTB fließen in zwei Arbeitspakete ein und befassen sich mit der metrologischen Charakterisierung hochstabiler Thermoelemente im Arbeitspaket 2 (AP2) und neuartiger photonischer Temperatursensoren im AP4. Im Folgenden werden die Präparation der hochstabilen Pt-40 %Rh/Pt-6 %Rh Thermoelemente beschrieben, sowie die Messprozeduren und erste Messergebnisse zur Etablierung einer Kennlinienfunktion für Pt-40 %Rh/Pt-6 %Rh Thermoelemente vorgestellt.

Zusammenfassung Zur präzisen Prüfung von Widerstandsthermometern- und Temperatursensoren in Kalibrier- und Eichlaboratorien wurde ein automatisierter Temperaturmessplatz entwickelt, aufgebaut und messtechnisch untersucht. Der Messplatz besteht aus einer Präzisions-Zweikanal-Stromquelle, einer Multiplexereinheit, Referenzwiderständen sowie einem Präzisions-Spannungsmessgerät. Die zu prüfenden Widerstände und Temperaturfühler werden mit konstanten Gleichströmen (direct current, DC) in zwei Messrichtungen gespeist und die resultierenden Spannungsabfälle gemessen. Der Aufbau ermöglicht die Messung von Widerständen und Temperatursensoren mit geringen Messabweichungen und Messunsicherheiten. Der Messplatz wird durch Referenzmessungen mit Normalwiderständen und eine umfassende Messunsicherheitsbetrachtung charakterisiert.

Zusammenfassung Thermoelektrische Generatoren (TEGs) ermöglichen es, ungenutzte Wärme mithilfe des Seebeck-Effektes in elektrische Energie zu überführen. Die Entwicklung von effizienten thermoelektrischen Materialien und TEGs wird durch den Mangel an geeigneten Referenzmaterialien und einer rückführbaren Messtechnik erschwert. An der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) wird seit einigen Jahren an der Entwicklung von thermoelektrischen Referenzmaterialien und der zugehörigen Messtechnik geforscht [1]. Im Rahmen des Projektes „TEST-HT“ (Thermoelektrische Standardisation für hohe Temperaturen), wird das weltweit erste halbleitende Referenzmaterial für den Leistungsfaktor im Bereich von 300 K bis 1000 K entwickelt. Als Material wurde Kobalt dotiertes β-Eisendisilizid (β-Fe0.95Co0.05Si2) (FeSi2) ausgewählt, welches von unserem Projektpartner, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), hergestellt wird [2]. In diesem Artikel beschreiben wir den aktuellen Stand der Zertifizierung des FeSi2.

The development and use of new thermal insulation products in many industrial sectors, ranging from building insulations to power generation or satellite applications, requires the accurate knowledge of the radiative properties of the investigated material, i. e. its emissivity. A major objective of the research project “Improvement of emissivity measurements on reflective insulation materials” within the framework of the European Metrology Programme for Innovation and Research was to improve and validate reference techniques for the measurement of the total hemispherical emissivity of low emissivity foils with an absolute measurement uncertainty below 0.03. The calibration and measurement procedures developed within this project shall lead to a significant benefit for industrial manufacturers of reflective foils as well as for the end-users of the industrial instruments used to characterize them.

Zusammenfassung Im Rahmen des Themenfeldprojektes „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) evaluiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) gegenwärtig die Anwendbarkeit verschiedenster ZfP-Verfahren zur in-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) von Metallen in Hinblick auf die Qualitätssicherung. Einige der wichtigsten Messgrößen sind hierbei die Temperatur des Schmelzbades und die Abkühlrate, welche starken Einfluss auf das Gefüge und die Eigenspannung haben. Aufgrund der Zugänglichkeit zum Werkstück während des Bauprozesses bieten sich optische Verfahren zu Temperaturbestimmung an. Hierbei stellen jedoch u. a. die hohe Bandbreite der zu messenden Temperaturen, die Bestimmung der Emissivität und ihre Änderung bei Phasenübergängen der verwendeten Legierung große experimentelle Herausforderungen dar. Eine weitere Herausforderung stellt für die IR-Spektroskopie die Absorption durch das Schutzgas und weitere optische Elemente dar. Um diese auch in einem industriellen Umfeld kompensieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, die das gemessene Spektrum bei der Verfestigung des Werkstoffes als Referenz nutzt. In diesem Beitrag wird die Anwendung dieser Methode für die IR-Spektrometrie als auch Thermografische Messungen beim Laser-Pulver-Auftragschweißen von 316L gezeigt, wobei beide Methoden weiterhin in Hinblick auf ihre individuellen Vor- und Nachteile miteinander verglichen werden.

Zusammenfassung Elektrische Kontaktöffnungsentladungen sind eine potenzielle Zündquelle für brennbare Gasgemische. Betriebsmittel, in denen gegebenenfalls Kontaktentladungen auftreten, können mit einem sogenannten Funkenprüfgerät der internationalen Norm IEC 60079-11 (6te Ed.) geprüft werden. Nachteile dieser Methode sind die schlechte Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und die Verwendung von toxischem Cadmium. Für die Entwicklung einer Alternative wurden bisher die elektrischen Entladungen charakterisiert. Der Übergang von der Entladung zur Zündung wurde dabei noch nicht ausreichend untersucht. In diesem Artikel werden die ersten Ansätze zur Abschätzung des Temperaturfeldes mit Schlieren- und örtlich aufgelösten spektroskopischen Untersuchungen dargestellt.

Photonic sensors offer the possibility of purely optical measurement in contact thermometry. In this work, silicon-based ring resonators were used for this purpose. These can be manufactured with a high degree of reproducibility and uniformity due to the established semiconductor manufacturing process. For the precise characterisation of these photonic sensors, a measurement setup was developed which allows laser-based spectroscopy around 1550 nm and stable temperature control from 5 °C to 95 °C. This was characterised in detail and the resulting uncertainty influences of both the measuring set-up and the data processing were quantified. The determined temperature stability at 20 °C is better than 0.51 mK for the typical acquisition time of 10 s for a 100 nm spectrum. For a measurement of >24 h at 30 °C a standard deviation of 2.6 mK could be achieved. A hydrogen cyanide reference gas cell was used for traceable in-situ correction of the wavelength. The determined correction function has a typical uncertainty of 0.6 pm. The resonance peaks of the ring resonators showed a high optical quality of 157 000 in the average with a filter depth of up to 20 dB in the wavelength range from 1525 nm to 1565 nm. When comparing different methods for the determination of the central wavelength of the resonance peaks, an uncertainty of 0.3 pm could be identified. A temperature-dependent shift of the resonance peaks of approx. 72 pm/K was determined. This temperature sensitivity leads together with the analysed uncertainty contributions to a repeatability of better than 10 mK in the analysed temperature range from 10 °C to 90 °C.

The NDMC (Network for the Detection of Mesospheric Change) is a global network of measurement sites dedicated to the surveillance of the mesopause region. One main objective of the network is the early identification of climate signals. A key parameter is the mesopause temperature which can be derived from the emission spectrum of a layer of vibrationally excited hydroxyl (OH) at an altitude of approximately 87 km87\hspace{0.1667em}\text{km}. Foremost, emission lines in the SWIR regime between 1520 nm1520\hspace{0.1667em}\text{nm} and 1550 nm1550\hspace{0.1667em}\text{nm} are of interest for remote temperature sensing. This report deals with the development of a new generation of GRIPS instruments, which are commonly employed for the observation of mesopause temperatures. The new prototype demonstrates how the application of so called Spatial Heterodyne Interferometers (SHI) can overcome the limitations of currently used grating spectrometers, in terms of spectral resolution and optical throughput. The presented prototype proposes improvements in optical throughput and spectral resolution of about one order of magnitude, significantly reducing the uncertainties of the measured mesopause temperatures. Furthermore, an SHI can be built in monolithic configurations which are aligned and characterized once during assembly without the need of realignment at the measurement site. This makes SHI based instruments ideal for mobile applications.