vdi_3511_4.3_2004-02-16

VDI/VDE 3511 Blatt 4.3 / Part 4.3 Entwurf 2004-02-16

Technische TemperaturmessungenStrahlungsthermometrie

Kalibrierung von StrahlungsthermometernTemperature Measurement in Industry

Radiation ThermometryCalibration of Radiation Thermometers

VDI/VDE 3511

Blatt 4.3 / Part 4.3

Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich The German version of this guideline shall be taken asauthoritative. No guarantee can be given with respect to theEnglish translation

Inhalt ContentsEinleitung Introduction1 Zweck und Anwendungsbereich 1 Object and scope2 Die verschiedenen Kalibrierverfahren 2 The different calibration schemes

2.1 Kalibrierung mit Berührungsthermometern 2.1 Calibration based on contact thermometers2.2 Kalibrierung mit Transfernormal-

Strahlungsthermometern2.2 Calibration based on transfer standard

radiation thermometers2.2.1 Ohne Änderung der effektiven Wellenlänge 2.2.1 Without change of effective wavelength2.2.2 Mit Änderung der effektiven Wellenlänge 2.2.2 With change of effective wavelength

2.3 Kalibrierung mit Wolframbandlampen 2.3 Calibration based on tungsten ribbon lamps3 Anforderungen an die Kalibriereinrichtung und

deren technische Ausführung3 Requirements and technical realisation of

calibration set-up3.1 Einrichtung für Kalibrierung mit

Berührungsthermometern3.1 Set-up for calibration based on contact

thermometers3.2 Einrichtung für Kalibrierung mit

Transfernormal-Strahlungsthermometern3.2 Set-up for calibration based on transfer

standard radiation thermometers3.2.1 Ohne Änderung der effektiven Wellenlänge 3.2.1 Without change of effective wavelength3.2.2 Mit Änderung der effektiven Wellenlänge 3.2.2 With change of effective wavelength

3.3 Einrichtung für Kalibrierung mit Wolfram-bandlampen

3.3 Set-up for calibration based on tungstenribbon lamps

4 Kalibrierverfahren 4 Calibration procedure4.1 Kalibrierverfahren mit

Berührungsthermometern4.1 Calibration procedure based on contact

thermometers4.2 Kalibierverfahren mit Transfernormal-

Strahlungsthermometern4.2 Calibration procedure based on transfer

standard radiation thermometers4.2.1 Ohne Änderung der effektiven Wellenlänge 4.2.1 Without change of effective wavelength4.2.2 Mit Änderung der effektiven Wellenlänge 4.2.2 With change of effective wavelength

4.3 Kalibrierverfahren mit Wolframbandlampen 4.3 Calibration procedure based on tungstenribbon lamps

5 Unsicherheitsbetrachtung 5 Uncertainty budget5.1 Formelzeichen 5.1 Symbols5.2 Temperatur des Messfeldes 5.2 Temperature of measuring field5.3 Messgröße 5.3 Measurand5.4 Bezugsgröße 5.4 Reference quantity

VDI/VDE 3511 Blatt 4.3 / Part 4.3 Entwurf 2004-02-16– 2 –

5.5 Emissionsgrad des Hohlraums 5.5 Cavity emissivity5.6 Transmission des Fensters 5.6 Transmission of the window5.7 Wellenlänge des Prüflings 5.7 Wavelength of the test object5.8 Messunsicherheit des Prüflings 5.8 Measurement uncertainty of the test object5.9 Temperaturverteilung im Messfeld 5.9 Temperature distribution in the measuring field5.10 Umfeldfaktor 5.10 Size-of-source effect5.11 Temperaturkoeffizienten des Prüflings 5.11 Temperature coefficients of the test object5.12 Zeitliche Temperaturänderungen des

Hohlraumstrahlers5.12 Temperature variations of the cavity radiator

with time5.13 Sensitivitätskoeffizient 5.13 Sensitivity coefficient5.14 Messunsicherheitsbudget (Beispiel) 5.14 Uncertainty budget (example)

VDI/VDE 3511 Blatt 4.3 / Part 4.3 Entwurf 2004-02-16 – 3 –

Einleitung IntroductionIn der Richtlinie VDI/VDE 3511 “Technische Tem-peraturmessungen” werden grundsätzliche Hinweisefür die richtige Durchführung von Temperatur-messungen gegeben. In den einzelnen Blättern derRichtlinie werden folgende Themen behandelt:

VDI/VDE 3511 "Technical temperature measure-ments" provides basic information for the appropriateperformance of temperature measurements. Theindividual parts of the guideline deal with thefollowing topics:

Blatt 1: Grundlagen und Übersicht über besondereTemperaturmessverfahren

Part l: Principles and Special Methods ofTemperature Measurement

Blatt 2: Berührungsthermometer Part 2:Contact Thermometers

Blatt 3: Messverfahren und Messwertverarbeitungfür elektrische Berührungsthermometer

Part 3:Measuring Systems and Measured QuantityProcessing for Electrical Contact Thermometers

Blatt 4: Strahlungsthermometrie Part 4:Radiation Thermometry

Blatt 5: Einbau von Thermometern Part 5:Installation of Thermometers

Diese vorliegenden Blätter der Richtlinie entsprechendem zur Zeit der Veröffentlichung geltendentechnischen Stand. Um Weiterentwicklungen undneue wissenschaftliche Erkenntnisse in dieRichtlinien einfließen zu lassen, werden Ergänzungs-blätter veröffentlicht.

These parts of the guideline are up to the state of theart as at the time of publication. Supplementary partsare published to enable further developments andnew scientific knowledge to be included in theguidelines.

Das vorliegende Blatt 4.3 ist eine Ergänzung zumBlatt 4 "Strahlungsthermometrie" und befasst sichmit der Kalibrierung von Strahlungsthermometern.

This Part 4.3 is a supplement to Part 4 "RadiationThermometry" and deals with the calibration ofradiation thermometers.

Die Ergänzung wurde vom Fachausschuss 2.51 "An-gewandte Strahlungsthermometrie" der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik(GMA) erarbeitet, dem sowohl Fachleute ausAnwender- und Herstellerkreisen als auch Vertreterder Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und vonHochschulen angehören.

This supplement was prepared by Technical Com-mittee 2.51 "Applied Radiation Thermometry" of theVDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungs-technik (GMA), which included experts from thefields of application and manufacturing and alsorepresentatives of the Physikalisch-TechnischeBundesanstalt and universities.

An diesem Ergänzungsteil haben folgende Personenmitgewirkt:

The following contributors were involved in pro-ducing the supplement:

Dipl.-Phys. U.-P. Arlt, lbbenbürenDr. W. Breinl, FrankfurtDr. E. Bernhard, IlmenauDr. P. Bloembergen, Leiden (NL)Prof. Dr.-Ing. habil G. Dittmar, AalenDr. J. Fischer, BerlinDr.-Ing. K.-D. Gruner, BerlinDipl.-Ing. Th. Herwig, FrankfurtDr. J. Hollandt, BerlinDr.-Ing. D. Huhnke, BraunschweigDipl.-Ing. U. Mester, TaunussteinDipl.-Ing. F. Nagel, DresdenDr.-Ing. G. Neuer, StuttgartDr.-Ing. H. Sandring, BerlinDipl.-Phys. V. Schmidt, BerlinDipl.-Ing. O. Struß, WiesbadenDipl.-Ing. D. Westerkamp, Düsseldorf

Dipl.-Phys. U.-P. Arlt, lbbenbürenDr. W. Breinl, FrankfurtDr. E. Bernhard, IlmenauDr. P. Bloembergen, Leiden (NL)Prof. Dr.-Ing. habil G. Dittmar, AalenDr. J. Fischer, BerlinDr.-Ing. K.-D. Gruner, BerlinDipl.-Ing. Th. Herwig, FrankfurtDr. J. Hollandt, BerlinDr.-Ing. D. Huhnke, BraunschweigDipl.-Ing. U. Mester, TaunussteinDipl.-Ing. F. Nagel, DresdenDr.-Ing. G. Neuer, StuttgartDr.-Ing. H. Sandring, BerlinDipl.-Phys. V. Schmidt, BerlinDipl.-Ing. O. Struß, WiesbadenDipl.-Ing. D. Westerkamp, Düsseldorf


1 Anwendungsbereich und Gegenstand 1 Object and scopeDiese Richtlinie gilt auf dem Gebiet der Messtechnikund soll als Anleitung für die Kalibrierung undJustierung von Strahlungsthermometern dienen.

This guideline applies in the field of metrology, forproviding guidance for the calibration and adjustmentof radiation thermometers.

Die Strahlungsthermometrie ist ein Messverfahren,das in vielen Bereichen der Industrie Anwendungfindet. Zwar weisen die meisten Geräte eine hoheWiederholbarkeit auf, aber speziell im unterenTemperaturbereich (-50 °C bis 300 °C) ist einerückführbare Messgenauigkeit bei industriellgefertigten Geräten schwer erreichbar.

Radiation thermometry is a measuring method thatfinds applications in many industrial fields. Mostinstruments show a high repeatability, but especiallyin the lower temperature range (-50 °C to 300 °C), atraceable measuring accuracy for industrialinstruments is difficult to achieve.

In jüngster Zeit sind von europäischen nationalenMetrologieinstituten und Industrieunternehmengemeinsam Schwarze Strahler und Strahlungs-thermometer entwickelt worden, die berührungsfreieKalibrierverfahren für industrielle Strahlungs-thermometer ermöglichen. Im Gegensatz zuherkömmlichen Verfahren, bei denen Temperaturund Emissionsgrad der Referenzstrahlungsquellengemessen werden, sind bei diesen berührungsfreienMethoden für die Kalibrierung eines industriellenStrahlungsthermometers keine Berührungstempera-turmessungen und in einigen Fällen auch keineMessungen des Emissionsgrades erforderlich.

Based on recent co-operative developments betweenEuropean national metrology institutes and industrialcompanies black-bodies and radiation thermometerswere developed that allow for non-contact calibrationschemes for industrial radiation thermometers.Different to the traditional schemes, where thetemperature and the emissivity of the referenceradiation sources are measured, in such non-contactschemes no contact temperature measurement and insome special cases no emissivity measurement arenecessary to calibrate an industrial radiationthermometer.

2 Die verschiedenen Kalibrierverfahren 2 The different calibration schemesFür gewöhnlich wird ein Strahlungsthermometer(RT) mit Hilfe von Referenzstrahlungsquellen, z.B.Schwarzen oder Grauen Strahlern, kalibriert. DieseReferenzstrahler erzeugen Strahlung bestimmterStrahlungstemperaturen, die zur Berechnung derKalibrierkonstanten des Strahlungsthermometersverwendet werden.

A radiation thermometer (RT) is usually calibratedwith the help of reference radiation sources, e.g.black-bodies or grey-bodies. The reference radiationsources are producing certain radiation temperatures,which are used to calculate the calibration constantsof the radiation thermometer.

Um eine geringe Kalibrierunsicherheit zu erzielen,muss die von dem Referenzstrahler erzeugte Strah-lungstemperatur (bzw. spektrale Strahldichte) genaubekannt sein. Eine Möglichkeit, die Strahlungstempe-ratur eines Referenzstrahlers zu bestimmen, besteht inder Messung seiner Temperatur mit einem Berüh-rungsthermometer und der Ermittelung seinesEmissionsgrades. Eine zweite Möglichkeit ist diedirekte Messung der Strahlungstemperatur des Refe-renzstrahlers mit einem Transfernormal-Strahlungs-thermometer (TSRT). In der vorliegenden Richtliniewerden einige grundlegende Kalibrierverfahren fürStrahlungsthermometer dargestellt. Kombinationensowie Änderungen der im Folgenden vorgestelltenVerfahren sind möglich.

To achieve a small calibration uncertainty, it isnecessary to know the radiation temperature (resp.spectral radiance) that the reference radiation sourcegenerates precisely. A first possibility of determiningthe radiation temperature of a reference radiationsource is to measure its temperature and emissivity.A second possibility is to measure the radiationtemperature of the reference radiation source directlywith a transfer standard radiation thermometer(TSRT). Some basic calibration procedures ofradiation thermometers are discussed in thisguideline. Combinations and modifications of thefollowing procedures are possible.

2.1 Kalibrierung mit Berührungsthermometern 2.1 Calibration based on contact thermometers

Die erste der beiden genannten Möglichkeiten führtzu Kalibrierverfahren I (Abb. 1).

The first possibility leads to the calibration scheme I(Fig. 1).


Abbildung 1: Kalibrierverfahren I Figure 1: Calibration Scheme I

Auf der Grundlage der Fixpunkte der InternationalenTemperaturskala von 1990 (ITS-90) kalibriert einNationales Metrologieinstitut, z.B. die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Berührungs-thermometer, die dann von akkreditiertenLaboratorien, in Deutschland z.B. den DKD-Laboratorien, zur Kalibrierung von Berührungs-thermometern (z.B. Pt100) für die industrielleAnwendung benutzt werden. Mit diesen lässt sich dieTemperatur Tprobe einer Referenzstrahlungsquellemessen. Sind die Temperaturdifferenz ∆T zwischender Temperatur des Berührungsthermometers Tprobeund der Oberflächentemperatur Tsurf der Referenz-strahlungsquelle sowie die durch den Emissionsgrad εder Referenzstrahlungsquelle im Spektralbereich des zukalibrierenden Strahlungsthermometers bedingteTemperaturkorrektur ∆Tε bekannt, kann dieStrahlungstemperatur TRad der Referenzstrahlungs-quelle aus der Temperatur Tprobe errechnet und dasStrahlungsthermometer kalibriert werden.

Based on the fixed points of the InternationalTemperature Scale of 1990 (ITS-90) a nationalmetrology institute, e.g. the Pysikalisch-TechnischeBundesanstalt (PTB) calibrates contact thermometersthat accredited laboratories e.g. DKD-laboratories inGermany use to calibrate contact thermometers forindustrial applications (e.g. Pt100). Such contactthermometers can be used to measure thetemperature Tprobe of a reference radiation source.When the temperature difference ∆T between thetemperature of the contact thermometer Tprobe and thesurface temperature Tsurf of the reference radiationsource and the temperature correction ∆Tε caused bythe emissivity ε of the reference radiation source inthe spectral range of the radiation thermometer areknown, it is possible to calculate from thetemperature Tprobe the radiation temperature TRad ofthe reference radiation source and to calibrate theradiation thermometer.

Insbesondere für Temperaturen unterhalb 300 °Cwird meist Kalibrierverfahren I angewandt. Hierbeiwerden häufig kalibrierte Berührungsthermometermit geringen Unsicherheiten verwendet. Allerdingsergeben sich zusätzliche Unsicherheiten durch dieUnsicherheiten der Temperaturkorrekturen ∆T und∆Tε. Durch den Einsatz von Wärmerohr-, Flüssig-keits- oder Bad-Strahlern lässt sich die Unsicherheitder Korrektur ∆T jedoch deutlich verringern.

Especially for temperatures below 300 °C,Calibration Scheme I is most common. Here oftencalibrated contact thermometers with lowuncertainties are used. However, additionaluncertainties are generated by the uncertainties of thetemperature corrections ∆T and ∆Tε . Heat-pipes,liquid or bath black-body radiation sources are agood solution to minimise the uncertainty of thecorrection ∆T.

2.2 Kalibrierung mit Transfernormal-Strahlungsthermometern

2.2 Calibration based on transfer standardradiation thermometers

Nationale Metrologieinstitute wie die PTB könnendie Strahlungstemperatur oder Strahldichte vonhochgenauen Schwarzen Strahlern mit sehr kleinen

National metrology institutes like the PTB are able todetermine the radiation temperature or radiance ofprecision black-bodies with very low uncertainties

∆T-Messung∆T-measurement

Berührungs-thermometerContactthermometer

Kalibrier-LaboratoriumCalibration laboratory

Nationales Metrologieinstitut / ITS-90National metrologyinstitute / ITS-90

AkkreditiertesLaboratoriumAccreditedLaboratory Tprobe

∆T=Tprobe-Tsurf

∆Tε

TRad=Tprobe-∆Tε-∆T

Referenz-strahlungsquelleReferenceradiation source

Emissionsgrad-KorrekturEmissivity-correction

Strahlungs-ThermometerRadiationThermometer

Berührungs-thermometerContactthermometer

StrahlungRadiation


Unsicherheiten rückführbar auf die ITS-90 bestimmen.Diese Schwarzen Strahler können zur Kalibrierungeines Transfernormal-Strahlungsthermometers ein-gesetzt werden. Mit dem TSRT wiederum kann imKalibrierlaboratorium eine Referenzstrahlungsquellekalibriert werden, die dann direkt zur Kalibrierungeines Strahlungsthermometers verwendet wird.

traceable to the ITS-90. These black-bodies can beused to calibrate a transfer standard radiationthermometer. The TSRT can be used to calibrate areference radiation source at the calibrationlaboratory. This can then directly be used to calibratea radiation thermometer.

Bekanntermaßen weisen viele handelsüblicheNiedertemperatur-Strahlungsthermometer einen hohenUmfeldfaktor (SSE) auf. Zur Kalibrierung solcherGeräte sind großflächige Referenzstrahlungsquellenerforderlich. Viele großflächige Strahlungsquellensind keine Schwarzen, im Allgemeinen nicht einmalGraue Strahler. In einem solchen Fall ist darauf zuachten, dass TSRT und RT bei der gleicheneffektiven Wellenlänge arbeiten.

It is known that many commercial low temperatureradiation thermometers show a large Size-of-SourceEffect (SSE). To calibrate such instruments, largearea reference radiation sources are required. Manylarge area sources are not black-bodies and not evengrey-bodies. In such a case it is necessary that TSRTand RT have the same effective wavelength.

Gemeinsam haben europäische nationale Metrolo-gieinstitute und Industrieunternehmen hochgenaueTSRTs entwickelt, so dass nun mit Hilfe von TSRTs,die an nationalen Metrologieinstituten kalibriertwurden, Strahlungsthermometer mit sehr geringenUnsicherheiten kalibrieren werden können.

Due to co-operative achievements between Europeannational metrology institutes and industrialcompanies high accuracy TSRTs are now available.Based on these TSRTs calibrated by nationalmetrology institutes radiation thermometers can nowbe calibrated with very small uncertainties.

2.2.1 Ohne Änderung der effektiven Wellenlänge 2.2.1 Without change of effective wavelength

Sind die spektralen Empfindlichkeiten (bzw. dieeffektiven Wellenlängen λ1) des zu kalibrierendenStrahlungsthermometers (RT) und des Transfernormal-Strahlungsthermometers (TSRT) identisch, kann dieKalibrierung nach Kalibrierverfahren IIa erfolgen.

If the spectral sensitivities (resp. effectivewavelengths λ1) of the radiation thermometer to becalibrated (RT) and the TSRT are identical, thecalibration can be performed according to CalibrationScheme IIa.

Abbildung 2: Kalibrierverfahren IIa Figure 2: Calibration Scheme IIa

Für Kalibrierverfahren IIa (Abb. 2) ist weder eineTemperaturmessung mit einem Berührungs-thermometer noch die Kenntnis des Emissionsgradesdes Referenzstrahlers erforderlich.

Calibration Scheme IIa (Fig. 2) does neither requirethe measurement of the temperature by a contactthermometer nor the knowledge of the emissivity ofthe reference radiation source.

2.2.2 Mit Änderung der effektiven Wellenlänge 2.2.2 With change of effective wavelength

Sind die spektralen Empfindlichkeiten des zukalibrierenden Strahlungsthermometers (RT2) unddes Transfernormal-Strahlungsthermometers (TSRT)nicht hinreichend identisch (λ1 ≠ λ2) und ist derMessfelddurchmesser des RT2 zu groß, um an einem

If the spectral sensitivities of the radiationthermometer to be calibrated (RT2) and the TSRTare not sufficiently identical (λ1 ≠ λ2) and is themeasuring field diameter of RT2 too large to becalibrated with a black-body radiator, Calibration

TSRTλ1

Referenz-strahlungsquelleReferenceradiation source

Kalibrier-LaboratoriumCalibration Laboratory

Nationales MetrologieinstitutITS-90Hochgenauer Schwarzer StrahlerNational metrology instituteITS-90 Precision black-body

RTλ1

StrahlungRadiation

StrahlungRadiation

StrahlungRadiation


Schwarzen Strahler kalibriert zu werden, kommt stattKalibrierverfahren IIa das Kalibrierverfahren IIb(Abb. 3) zum Einsatz.

Scheme IIa has to be modified to CalibrationScheme IIb (Fig. 3).

Abbildung 3: Kalibrierverfahren IIb Figure 3: Calibration Scheme IIb

Das von einem nationalen Metrologieinstitut odereinem akkreditierten Laboratorium (z.B. inDeutschland die PTB oder ein DKD-Laboratorium)kalibrierte Transfernormal-Strahlungsthermometer(TSRT) wird zur Kalibrierung eines SchwarzenStrahlers (A) eingesetzt. Ein Strahlungsthermometer(RT1), das die gleiche spektrale Empfindlichkeit wiedas zu kalibrierende Strahlungsthermometer (RT2)aufweist, wird mit dem Schwarzen Strahler kalibriertund dann zur Messung der Strahlungstemperatureiner unter Umständen großflächigen, und nichtnotwendiger Weise schwarzen oder grauen Referenz-strahlungsquelle (B) eingesetzt. Diese Strahlungsquellekann dann zur Kalibrierung des Strahlungsthermo-meters RT2 eingesetzt werden, das eine anderespektrale Empfindlichkeit als das Transfernormal-Strahlungsthermometer und auch einen größerenMessfelddurchmesser aufweist. Ein Nachteil diesesVerfahrens ist die erhöhte Unsicherheit aufgrund derbeiden zusätzlichen Transfers, aber es erfüllt imAllgemeinen die Anforderungen an die Kalibrier-unsicherheit vieler Strahlungsthermometer mit einemgroßen Messfeld.

The TSRT which was calibrated by a nationalmetrology institute or accredited laboratory (e.g. inGermany PTB or DKD-laboratory) is used tocalibrate a black-body (A). Then a radiationthermometer (RT1) with a spectral sensitivityidentical to the radiation thermometer to becalibrated (RT2) is calibrated with the black-bodyand is then used to measure the radiationtemperature of a large area not necessarily grey orblack reference radiation source (B). This sourcecan then be used to calibrate the RT2 with a largemeasuring field diameter and a spectral sensitivitythat differs from the spectral sensitivity of theTSRT. A disadvantage of this scheme is the addeduncertainty of the additional two transfers.However this scheme still fulfils the requirementsfor the calibration uncertainty of many RTs with alarge field of view.

2.3 Kalibrierung mit Wolframbandlampen 2.3 Calibration based on tungsten ribbon lamps

Insbesondere für Temperaturen oberhalb der maß-geblichen Fixpunkte der ITS-90 (Silber-, Gold- oderKupferfixpunkt) können die nationalen Metrologie-institute (z.B. die PTB) direkt oder über akkreditierteLaboratorien (z.B. in Deutschland ein DKD-Laboratorium) kalibrierte hochstabile Wolfram-bandlampen für die Weitergabe der Temperaturskalabereitstellen. Entsprechend Kalibrierverfahren III(Abb. 4) werden Wolframbandlampen zurKalibrierung eines TSRT eingesetzt, dessen effektiveWellenlänge mit der Kalibrierwellenlänge λ1 derLampe völlig oder annähernd identisch ist. Das

Especially at temperatures above the defining fixedpoints of the ITS-90 (silver, gold or copper fixedpoints) national metrology institutes (e.g. the PTB)can provide calibrated high stability tungstenribbon lamps for the dissemination of thetemperature scale directly or via accreditedlaboratories (e.g. in Germany a DKD-laboratory).According to Calibration Scheme III (Fig. 4)tungsten ribbon lamps are used to calibrate aTSRT with an effective wavelength at or close tothe calibration wavelength λ1 of the lamp. TheTSRT is then used to determine the temperature of

TSRTλ1

SchwarzerStrahler (A)Black-body (A)



RT1λ2

StrahlungRadiation

StrahlungRadiation

StrahlungRadiation

Nicht graueReferenz-strahlungs-quelle (B)Non-greyreferenceradiationsources (B)

RT2λ2

StrahlungRadiation

StrahlungRadiation


TSRT wird dann zur Bestimmung der Temperatureines Schwarzen Strahlers verwendet, der seinerseitszur Kalibrierung eines Strahlungsthermometers miteiner spektralen Empfindlichkeit, die sich von derdes TSRT unterscheiden kann, eingesetzt wird.

a black-body which in turn is used to calibrate aradiation thermometer with a spectral sensitivitythat can differ from that of the TSRT.

Abbildung 4: Kalibrierverfahren III Figure 4: Calibration Scheme III

3 Anforderungen an die Kalibriereinrichtungund deren technische Ausführung

3 Requirements and technical realisation ofcalibration set-up

Anforderungen an die Kalibriereinrichtung beiKalibrierverfahren I bis III:

Requirements for the set-up in all CalibrationSchemes I to III:

Ausstattung für alle drei Kalibrierverfahren: Components that are common to the CalibrationSchemes I to III are:

1. Laborraum mit stabiler Temperatur undLuftfeuchte

1. Laboratory room with stable temperature andhumidity

2. Messgerät für die im Labor herrschendeLufttemperatur und -feuchte

2. Measuring instrument for air temperature and airhumidity in the laboratory

3. Strahlungsquelle mit Temperaturregler 3. Radiation source with means for controlling thetemperature of the radiation source

4. Einstellbare Haltevorrichtung für das Strahlungs-thermometer

4. Adjustable holder for the radiation thermometer

5. Blende zur Bestimmung der effektiven Fläche derStrahlungsquelle

5. Aperture for defining the effective area of thereference radiation source

6. Strahlungsthermometer mit Handbuch 6. Radiation thermometer with manual

Folgende Anforderungen gelten für dieseAusstattung:

There are the following requirements for thesecomponents:

1. Laborraum mit stabiler Temperatur undLuftfeuchte

1. Laboratory room with stable temperature andhumidity

Temperatur und Luftfeuchte im Kalibrierlaborraumsollten weitestgehend der vom Herstellerangegebenen Kalibrier-Umgebungstemperatur und -Luftfeuchte entsprechen. Ist die Kalibrier-Umgebungstemperatur des Geräts nicht bekannt,sollte die Umgebungstemperatur im Laborraum23 °C ± 5 °C betragen. Ist die relative Luftfeuchte(RH) bei der Erstkalibrierung nicht bekannt, solltediese 50 % (RH) ± 30 % (RH) betragen.

The temperature and the humidity of the calibrationlaboratory should be as close as possible to thecalibration ambient temperature and calibrationhumidity that is specified by the manufacturer. If thecalibration ambient temperature of the instrument isunknown, the laboratory temperature shall be at23 °C ± 5 °C. If the relative humidity (RH) of theinitial calibration is unknown it should be50 % (RH) ± 30 % (RH).

Wolfram-bandlampe λ1Tungstenribbon lamp λ1



TSRTλ1

StrahlungRadiation

StrahlungRadiation Schwarzer

StrahlerBlack-body

RTλ2

StrahlungRadiation

StrahlungRadiation


Da viele Strahlungsthermometer und -quellen emp-findlich auf eine Änderung der Umgebungstemperaturreagieren, sollte eine solche Änderung nicht schnelleintreten. Ist die Empfindlichkeit des Strahlungs-thermometers und des Referenzstrahlers gegenüberÄnderungen der Umgebungstemperatur bekannt, istder Einfluss auf unter 10 % der angestrebten Kalibrier-unsicherheit zu halten (siehe Kapitel 5). Ist der Einflussnicht bekannt, muss die Änderung der Umgebungs-temperatur unterhalb 0,1 °C/min gehalten werden.

As many radiation thermometers and radiationsources are sensitive to changes in ambienttemperature, the ambient temperature should notchange rapidly. If the sensitivity of the radiationthermometer and the reference radiation source toambient temperature changes are known, theinfluence shall be kept below 10 % of the uncertaintytarget of the calibration (see chapter 5). If theinfluence is unknown the ambient temperaturechange shall be kept below 0.1 °C/min.

Alle Strahlungsquellen, insbesondere Platten-strahlungsquellen, reagieren empfindlich aufLuftströme. Durch Klimaanlagen, Gerätekühler oderoffene Türen und Fenster verursachte Luftströme sindbei diesen Strahlungsquellen daher zu vermeiden.

All radiation sources, especially plate radiationsources, are sensitive to streams of air. With thesesources air streams caused by air conditioners,instrument coolers or open doors and windowsshould be avoided.

Andere Einflüsse wie elektromagnetische Störungenoder mechanische Schwingungen und Stöße solltenerheblich unter den vom Hersteller angegebenenHöchstwerten liegen.

The levels of other influences, like electromagneticinterference or mechanical vibration and shockshould be significantly lower than the maximumlevels specified by the manufacturer.

Ausrüstungen, deren Oberflächentemperaturen sichvon der Labortemperatur unterscheiden, sollten soangeordnet werden, dass Reflexionen heißer oderkalter Oberflächen auf Referenzstrahler und Blendenvermieden werden.

Equipment with surface temperatures different fromthe laboratory temperature should be arranged insuch a way, that reflections of hot or cold surfaces onreference radiation source and apertures are avoided.

2. Messgerät für die im Labor herrschendeLufttemperatur und -feuchte

2. Measuring instrument for air temperature and airhumidity in the laboratory

Es sollten rückgeführte Messgeräte für Luft-temperatur und Luftfeuchte verwendet werden. DieUnsicherheit des Temperaturmessgerätes sollte unter0,2 °C, die des Feuchtemessgerätes unter 10 % (RH)betragen (siehe Kapitel 5). Es sollte möglich sein, dieLufttemperatur und -feuchte kontinuierlich zuüberwachen.

Traceable measuring instruments for air temperatureand air humidity should be used. The uncertainty ofthe temperature measuring instrument should be lessthan 0.2 °C, the uncertainty of the humiditymeasuring instrument should be less than 10 % (RH)(see chapter 5). A continuous monitoring of airtemperature and humidity should be possible.

3. Strahlungsquelle mit Temperaturregler 3. Radiation source with means for controlling thetemperature of the source

Strahlungsquellen, die als Referenzstrahler für dieKalibrierung von Strahlungsthermometern verwendetwerden, werden wie folgt charakterisiert:

Radiation sources used as reference sources for thecalibration of radiation thermometers arecharacterised by their:

• Temperaturbereich • temperature range

• Aktive Fläche • active area

• Temperaturinhomogenität • temperature non-uniformity

• Emissionsgrad • emissivity

• Temperaturinstabilität • temperature instability

• Abstrahlwinkel • emission angle

• Temperaturdifferenz ∆T zwischen Berührungs-thermometer und Oberfläche (bei Strahlungs-quellen mit Berührungsthermometer)

• temperature difference ∆T between temperature ofthe contact thermometer and the surface (forradiation sources with contact thermometer)


Der Temperaturbereich des Referenzstrahlers hatdie Kalibriertemperaturen des Strahlungsthermome-ters abzudecken. Für eine Erstkalibrierung (Justie-rung) durch den Hersteller werden die Temperaturenso gewählt, dass alle Kalibrierkonstanten des Strah-lungsthermometers mit hinreichender Genauigkeitbestimmt werden können. Bei Nachkalibrierungdurch den Benutzer sollten die Kalibriertemperaturennahe den Temperaturen seiner typischen Mess-objekte liegen. Ist nichts über die typischenTemperaturen dieser Objekte bekannt, sollte dieKalibrierung bei mindestens drei unterschiedlichenTemperaturen erfolgen:

The temperature range of the reference radiationsource has to cover the calibration temperatures ofthe radiation thermometer. For an initial calibration(adjustment) by the manufacturer the calibrationtemperatures are chosen such that all calibrationconstants of the radiation thermometer can bedetermined with sufficient accuracy. For a userdriven re-calibration, the calibration temperaturesshould be close to temperatures of his typicalmeasuring objects. If nothing is known about thetypical object temperatures the calibration should beperformed at least at three different temperatures:

(1) am unteren Ende des Temperaturbereichs desStrahlungsthermometers + 10 % des Temperatur-bereichs oder bei Raumtemperatur

(1) at the low end of the temperature range of theradiation thermometer + 10 % of the temperaturerange or at room temperature

(2) in der Mitte des Temperaturbereichs desStrahlungsthermometers

(2) at the middle of the temperature range of theradiation thermometer

(3) am oberen Ende des Temperaturbereichs desStrahlungsthermometers - 10 % des Temperatur-bereichs

(3) at the high end of the temperature range of theradiation thermometer - 10 % of the temperaturerange

Insbesondere eine Einzelpunktkalibrierung beiRaumtemperatur reicht im Allgemeinen nicht aus.

Especially a single point calibration at roomtemperature is in general insufficient.

Können diese Temperaturen nicht von einer einzigenStrahlungsquelle erzeugt werden, müssen mehrereStrahlungsquellen eingesetzt werden.

If one radiation source cannot generate all thesetemperatures, several sources have to be used.

Die aktive Fläche (strahlende Fläche) einerStrahlungsquelle bestimmt die maximale Größe einereinstellbaren strahlungsbegrenzenden Blende vor derStrahlungsquelle.

The active area (radiating area) of the radiationsource defines the maximum aperture size that can beadjusted for this source.

Die Inhomogenität der Temperatur derStrahlungsquelle innerhalb des Messfeldes desStrahlungsthermometers sollte weniger als 10 % derangestrebten Kalibrierunsicherheit betragen (sieheKapitel 5). Insbesondere für Festkörper-Strahlungs-quellen weniger für Wärmerohr-, Flüssigkeits- undBad-Strahler ist es oft schwierig, das Kriterium derTemperaturhomogenität zu erfüllen. Es ist dannerforderlich, bei den Kalibrierverfahren II und IIIStrahlungsthermometer (RTs) und Transfernormal-Strahlungsthermometer (TSRTs) mit ausreichendähnlichen Messfelddurchmessern zu wählen. BeiKalibrierverfahren I erfordert ein höheres Maß anTemperaturinhomogenität besondere Berücksichtigungim Unsicherheitsbudget.

The temperature non-uniformity of the radiationsource within the field of view of the radiationthermometer should be less than 10 % of theuncertainty target of the calibration (see chapter 5).Especially for solid body radiation sources to a lesserextent for heat-pipe, liquid and bath radiation sourcesit is often difficult to meet this uniformity criterion.In this case it is necessary to use in CalibrationScheme II and III RTs and TSRTs with sufficientlysimilar measuring field characteristics. In CalibrationScheme I a higher non-uniformity will requirespecial consideration in the uncertainty budget.

Der Emissionsgrad eines idealen Referenzstrahlerswäre für alle Wellenlängen und Abstrahlwinkel 1.Die besten Ergebnisse werden mit zylindrischenRohren mit abgeschrägtem Boden erzielt. Für imHandel erhältliche Strahlungsquellen mit zylindri-schen Rohren werden Werte wie 0,999 erreicht. Da

The emissivity of an ideal reference radiation sourcewould be one for all wavelengths and emissionangles. The best results are achieved with cylindricaltubes with an inclined bottom. Values like 0.999 areachieved for commercially available radiationsources with cylindrical tubes. As these radiation


die aktive Fläche dieser Hohlraumstrahler begrenztist, sind sie für Strahlungsthermometer mit sehrgroßen Messfelddurchmessern oder einem hohenUmfeldfaktor (SSE) nicht verwendbar. In diesemFall werden Plattenstrahler eingesetzt. DerEmissionsgrad der Plattenstrahler wird in hohemMaße durch die Eigenschaften der Oberfläche be-stimmt und kann durch konische Rillen verbessertwerden. Die besten Plattenstrahlungsquellen erzielenEmissionsgrade von 0,99, typische Plattenstrahlervon 0,96. Strahlungsquellen, bei denen derEmissionsgrad nicht von der Geometrie, sondern vonder Oberflächenbeschichtung bestimmt wird, habenoft einen Emissionsgrad, der sich mit Wellenlänge,Temperatur und Abstrahlwinkel ändert.

sources are limited in their active area they cannot beused for radiation thermometers with very largemeasuring field diameters or a strong SSE. In thiscase plate sources are used. The emissivity of theplate radiation source is to a large extent defined bythe properties of the surface and can be enhanced byconical grooves. The best plate radiation sourcesachieve emissivity values of 0.99, typical plateradiation sources have emissivity values of 0.96.Radiation sources where the emissivity is not definedby the geometry but by the surface coating showoften an emissivity that varies with wavelength andtemperature and also with the emission angle.

Ein hoher, nicht von Wellenlänge, Temperatur undAbstrahlwinkel abhängiger Emissionsgrad ist zwarbei den Kalibrierverfahren I und IIa bzw. IIb vonVorteil; genau bekannt sein muss er jedoch lediglichbei Kalibrierverfahren I.

While it is advantageous for Calibration Schemes I, IIaand IIb to have a high emissivity which does notdepend on wavelength, temperature and emissionangle, only Calibration Scheme I requires the accurateknowledge of the emissivity of the radiation source.

Die Temperaturinstabilität während der Kalibrier-dauer muss ausreichend klein sein, um die angestrebteGesamtunsicherheit der Kalibrierung zu ermöglichen.Aus praktischer Sicht sollte sie weniger als 10 % derangestrebten Kalibrierunsicherheit betragen, wenn sieeiner von mehreren etwa gleich großen Unsicherheits-beiträgen ist (siehe Kapitel 5). Liegt sie höher, mussdie Änderung so langsam erfolgen, dass sie vom rück-geführten Berührungsthermometer oder vom Transfer-normal-Strahlungsthermometer gemessen werden kann.

The temperature instability during the time forcalibration must be sufficiently small to reach theuncertainty target of the calibration. From a practicalpoint of view it should be less than 10 % of theuncertainty target of the calibration if it is one ofseveral uncertainty contributions which are of similarsize (see chapter 5). If it is higher, the variation needsto be slow enough so that it can be accuratelymeasured by the traceable contact thermometer or bythe TSRT.

Der Abstrahlwinkel speziell von Strahlungsquellenmit zylindrischen Rohren kann durch eine Blende vorder Strahlungsquelle begrenzt werden. Diese Be-grenzungsblende darf jedoch keine Linie zwischendem Umfang der optischen Apertur des Strahlungs-thermometers und einem beliebigen Teil desUmfangs der effektiven Fläche der Strahlungsquelleunterbrechen (keine Vignettierung der effektivenFläche). In der unten stehenden Zeichnung (Abb. 5)ist dieses Prinzip verdeutlicht.

The emission angle especially of radiation sourceswith cylindrical tubes can be limited by an aperturein front of the radiation source. No limiting apertureshall break any line drawn from the circumference ofthe optical aperture of the radiation thermometer toany part of the circumference of the effective area ofthe radiation source (no vignetting of the effectivearea). The drawing below (Fig. 5) demonstrates thisprinciple.

Strahlungsquelleradiation source

Optische Apertur des Strahlungsthermometersoptical aperture of theradiation thermometer

Begrenzende Blende der effektiven Flächeeffective area limiting apeture

Begrenzende Blende des Abstrahlwinkelsemission angle limiting aperture

Abbildung 5 Figure 5


Die Temperaturdifferenz ∆T zwischen derTemperatur am Ort des BerührungsthermometersTprobe und der Oberflächentemperatur Tsurf inAbhängigkeit von Tprobe sollte zur Berechnung derOberflächentemperatur Tsurf gegeben sein.

The temperature difference ∆T between thetemperature at the position of the contactthermometer Tprobe and the surface temperature Tsurfdepending on Tprobe should be given to calculate thesurface temperature Tsurf.

4. Einstellbare Haltevorrichtung für dasStrahlungsthermometer

4. Adjustable holder for the radiation thermometer

Die Haltevorrichtung für das Strahlungsthermometersollte ein genaues Ausrichten des Strahlungsthermo-meters auf die Mitte der Strahlungsquelle erlauben.Die Ausrichtungsstufen sollten weniger als 10 % desMessfelddurchmessers des Strahlungsthermometersbetragen. Die Haltevorrichtung sollte auch einePositionierung des Strahlungsthermometers auf deroptischen Achse der Strahlungsquelle ermöglichen.

The holder for the radiation thermometer shouldallow the accurate alignment of the radiationthermometer to the centre of the radiation source.The alignment steps should be less than 10 % of themeasuring field diameter of the radiationthermometer. The holder should also allowpositioning the radiation thermometer onto theoptical axis of the radiation source.

5. Blende zur Bestimmung der effektiven Fläche derStrahlungsquelle

5. Aperture for defining the effective area of thereference radiation source

Um die abstrahlende Fläche (aktive Fläche) derStrahlungsquelle genau begrenzen zu können, wirdeine Blende verwendet, die die effektive Fläche derStrahlungsquelle definiert. Je nach optischemVerhalten des Strahlungsthermometers kann dieeffektive Fläche der Strahlungsquelle die Kalibrier-konstanten während der Kalibrierung erheblichbeeinflussen. Für Objekttemperaturen oberhalb vonRaumtemperatur erzeugen Objekte, die kleiner sindals die effektive Fläche während der Kalibrierung(Kalibrierfläche), im Vergleich zur Kalibrierungeinen kleineren, Objekte, die größer sind als dieseKalibrierfläche, einen höheren Messwert. DieKalibriergeometrie sollte daher auf Objektgröße undEntfernung der typischen Anwendung basieren.Diese kann von der vom Hersteller angegebenenOriginalkalibriergeometrie abweichen. (Falls dieKalibriergeometrie nicht im Handbuch angegebenist, sollte sie bei allen nach ISO9000 zertifiziertenHerstellern auf Anfrage erhältlich sein.)

An aperture is used to accurately define the usedeffective area out of the active area of the radiationsource. Depending on the optical performance of theradiation thermometer, the effective area of theradiation source during calibration may have a stronginfluence on the calibration constants. Objects aboveroom temperature being smaller than this effectivearea (calibration area) will generate a smaller readingand objects larger than this calibration area willgenerate a higher reading compared to thecalibration. Therefore the calibration geometryshould be based on the object size and distance of thetypical application. This may differ from the originalcalibration geometry specified by the manufacturer.(If not in the manual, the calibration geometry shouldbe available from all ISO9000 certifiedmanufacturers on request.)

Die Kalibriergeometrie ist in Messprotokollen immeranzugeben. Sie ist von der Messfeldgröße des Strahl-ungsthermometers und der zur Verfügung stehendenaktiven Fläche des Referenzstrahlers abhängig. Diehier angegebenen empirischen Beziehungen habensich in der praktischen Anwendung bewährt. Siegelten für ein Distanzverhältnis größer als 2:1.

The calibration geometry is always to be stated in themeasurement records. It is determined by themeasuring field size of the radiation thermometer andby the available aperture (and active area) of thereference radiator. The empirical relations indicatedhave proved their worth in practical application.They are valid for a distance ratio greater than 2:1.

Für Hohlraumstrahler kann der Abstand und dieeffektive Fläche des Referenzstrahlers aus folgendenBeziehungen ermittelt werden (Abb. 6):

For cavity radiators the distance and effective area ofthe reference radiator can be determined from thefollowing relations (Fig. 6):

MaA ⋅= (1)

mit A = Durchmesser der effektiven Fläche desReferenzstrahlers

with A = diameter of the effective area of thereference radiator


a = nomineller Messabstand (Fokus) a = nominal measuring distance (focus)

M = Messfelddurchmesser desStrahlungsthermometers im Abstand a,(gemäß Herstellerangabe)

M = measuring field diameter of the radiationthermometer at distance a (according tomanufacturer’s specifications)

Abbildung 6: Kalibriergeometrie nach Gleichung 1 Figure 6: Calibration geometry according equation 1

Wenn kein Referenzstrahler mit einer ausreichendgroßen aktiven Fläche vorhanden ist, um den ausGleichung (1) geforderten Durchmesser für dieeffektive Fläche zur Verfügung zu stellen, kann einStrahlungsthermometer auch im folgenden Mess-abstand e zum Referenzstrahler positioniert werden:

If no reference radiator with a sufficiently largeactive area is available to provide an effective areawith a diameter following from equation (1), aradiation thermometer can be positioned at thefollowing distance e from the reference radiator:

MaAe ⋅= (2)

Dabei ist die Bedingung A > 1,5 · M(e) einzuhalten(Abb. 7, Abb. 8).

Here, the condition A > 1,5 · M(e) is to be compliedwith (Fig. 7, Fig. 8).

Abbildung 7: Kalibriergeometrie nach Gleichung 2 Figure 7: Calibration geometry according equation 2

Abbildung 8:Alternative Kalibriergeometrie nachGleichung 2

Figure 8: Alternatively calibration geometryaccording equation 2


Der Messfelddurchmesser M entspricht dem Durch-messer einer exakt ausgerichteten Blende im Abstanda (Fokus) oder auch einem MessfelddurchmesserM(e) bei einem beliebigen Abstand e zumStrahlungsthermometer nach Angabe des Herstellers.

The measuring field diameter M corresponds to thediameter of a precisely aligned aperture at distance a(focus) or to a measuring field diameter M(e) atwhatever distance e from the radiation thermometeraccording to the manufacturer‘s specifications.

Ist die Kalibriergeometrie nicht bekannt, ist derVerlauf des Umfeldfaktors (SSE) im Fokus desStrahlungsthermometers zu messen und in dasKalibrierprotokoll aufzunehmen.

If the calibration geometry is not available, the size-of-source effect (SSE) curve needs to be measured atthe focal distance of the instrument and becomes partof the calibration record.

Die Blende, welche die effektive Fläche des Referenz-strahlers bestimmt, sollte keinen Signalbeitrag zumMessergebnis liefern. Die Blende sollte daher einenhohen Emissionsgrad und die vom Raumtemperatur-messgerät gemessene Temperatur aufweisen. Ist diesnicht möglich, kann die Blende auf der dem Strahl-ungsthermometer zugewandten Seite reflektierendgemacht werden. Hierbei müssen durch die Blendeverursachte Reflexionen von heißen und kaltenOberflächen im Kalibrierlabor vermieden werden. Dieandere Seite der Blende kann ebenfalls reflektierendgemacht werden, wenn die Strahlungsquelle einensehr hohen Emissionsgrad nahe 1 aufweist. Liegt derEmissionsgrad der Strahlungsquelle signifikant unter1, sollte die Blende schwarz sein, um Änderungen desEmissionsgrades der Strahlungsquelle bei Änderungdes Blendendurchmessers zu reduzieren. Um zuvermeiden, dass die Blende von der Strahlungsquelleerwärmt wird, bieten sich als Lösung Doppelblendenoder aktives Kühlen an.

The aperture defining the effective area of thereference radiation source should not generate asignal contribution to the measuring result. Toachieve this, the aperture should have a highemissivity and should have the temperature that theroom temperature measuring instrument measures. Ifthat is not achievable, the aperture can be madereflective into the direction of the radiationthermometer. In this case care must be taken to avoidreflections of hot and cold surfaces in the calibrationlaboratory by the aperture. The other side of theaperture can be made also reflective, if the radiationsource has a very high emissivity close to one. If theemissivity of the radiation source is significantlybelow one, the aperture should be black to avoidemissivity enhancement effects on the radiationsource. To avoid a heating up of the aperture by theradiation source, double apertures or active coolingcan be used.

6. Strahlungsthermometer mit Handbuch 6. Radiation thermometer with manual

Das Strahlungsthermometer sollte, nur nach Ab-sprache mit dem Auftraggeber, vor der Kalibrierunggewartet werden. Insbesondere eine verschmutzteOptik ist gegebenenfalls nach Zustimmung desAuftraggebers zu reinigen. Alle für die Kalibrierungerforderlichen Informationen sollten dem Handbuchzu entnehmen sein oder auf Anfrage vom Herstelleroder Auftraggeber eingeholt werden können.

Only after consultation with the customer theradiation thermometer should be maintained beforecalibration especially the optics should be cleaned ifnecessary. All information that is required for acalibration should be available from the manual or onrequest from the manufacturer or the customer.

Fehlen wichtige Angaben wie die Aufwärmzeit, derBereich der spektralen Empfindlichkeit oder dieEmpfindlichkeit gegenüber sprunghaften Temperatur-oder Luftfeuchteveränderungen, mechanischenStößen oder Schwingungen, kann vor Beginn derKalibrierung eine Ermittlung bzw. Überprüfung derangegebenen Werte erforderlich sein.

If important specifications are missing like the warm-up time, the spectral sensitivity range or thesensitivity to rapid temperature changes or tohumidity, mechanical shock or vibration, it may benecessary to determine or check these specificationsbefore starting the calibration.

Falls zurückliegende Messungen nachträglich zu kor-rigieren sind, muss zunächst zusätzlich eine Kalibrie-rung vor der Wartung - auch mit verschmutzterOptik - durchgeführt werden.

If correction of former measurements are planed, atfirst an additional calibration - even withcontaminated optics - has to be carried out beforemaintenance.


3.1 Einrichtung für Kalibrierung mitBerührungsthermometern

3.1 Set-up for calibration based on contactthermometers

Bei diesem Verfahren kommt zu der obenbeschriebenen Ausstattung der Kalibriereinrichtungein rückgeführtes Berührungsthermometer hinzu, dasdie Temperatur Tprobe der Strahlungsquelle misst(Abb. 1). Die Strahlungsquelle ist hierfür mit einemAnschluss versehen. Durchmesser und Länge desAnschlusses müssen den Herstellerangaben sowieden bei der Kalibrierung des Berührungsthermo-meters verwendeten Werten genau entsprechen. DasBerührungsthermometer muss auf die ITS-90rückgeführt sein, was im Allgemeinen mit derKalibrierung durch ein akkreditiertes Laboratorium(z.B. in Deutschland PTB oder ein DKD-Laboratorium) erreicht wird. Die Unsicherheit dieserKalibrierung sollte unter 10 % der angestrebtenKalibrierunsicherheit liegen (siehe Kapitel 5).

In this scheme there is added to the above listedcomponents of the calibration set-up a traceablecontact thermometer to measure the temperatureTprobe of the radiation source (Fig. 1). The radiationsource has a port for this contact thermometer. Theport needs to have exactly the diameter and lengththat is specified by the manufacturer of the contactthermometer and which was used for the calibrationof the contact thermometer. The contact thermometerneeds to be traceable to the ITS-90, which is typicallyachieved by a calibration of a accredited laboratory(e.g. in Germany PTB or a DKD-laboratory). Theuncertainty of this calibration should be less than10 % of the uncertainty target of the calibration (seechapter 5).

Der Anschluss für das Berührungsthermometer sollteso konstruiert sein, dass die gemessene TemperaturTprobe möglichst nahe an der OberflächentemperaturTsurf der Strahlungsquelle liegt. In den meisten Fällengibt es jedoch eine Temperaturdifferenz ∆T zwischenBerührungsthermometer und Oberfläche, die bei derKalibrierung berücksichtigt werden muss. DieseTemperaturdifferenz, die im Allgemeinen von derTemperatur der Strahlungsquelle abhängt, sollte vomHersteller der Strahlungsquelle angegeben werden.Sie kann auch vom Kalibrierlaboratorium bestimmtwerden, indem eine präzise Oberflächentemperatur-messung (z.B. mit einem Transfernormal-Strahlungsthermometer) mit dem Messwert desrückgeführten Berührungsthermometers verglichenwird.

The port for the contact thermometer should bedesigned in such a way that the measuredtemperature Tprobe is as close as possible to thesurface temperature Tsurf of the radiation source. Butin most cases there is a temperature difference ∆Tbetween the contact thermometer and the surface,which needs to be taken into account in thecalibration. This temperature difference, whichtypically also depends on the temperature of theradiation source, should be specified by themanufacturer of the radiation source. It also can bedetermined by the calibration laboratory bycomparing an accurate surface temperaturemeasurement (e.g. with a transfer standard radiationthermometer) with the reading of the traceablecontact thermometer.

Eine besondere Anforderung dieses Kalibrier-verfahrens besteht darin, dass es die genaue Kenntnisdes Emissionsgrades der Strahlungsquelle erfordert.Der Emissionsgrad des Referenzstrahlers und seineUnsicherheit müssen in Abhängigkeit von derOberflächentemperatur in der Herstellerspezifikationfür die Strahlungsquelle festgelegt sein.

Special requirement of this calibration scheme is thatit requires exact knowledge about the emissivity ofthe radiation source. The emissivity of the referenceradiation source and its uncertainty depending on thesurface temperature has to be defined in themanufacturer specification of the radiation source.

Die Temperaturdifferenz ∆Tε (verursacht durch denEmissionsgrad) zwischen der OberflächentemperaturTsurf und der Strahlungstemperatur TRad muss für denspezifischen Wellenlängenbereich des Strahlungs-thermometers und für die Kalibriertemperaturenbekannt sein. Die aus der Unsicherheit desEmissionsgrades resultierende Kalibrierunsicherheitdes Strahlungsthermometers sollte weniger als 10 %der angestrebten Unsicherheit für die gesamteKalibrierung betragen (siehe Kapitel 5). DieEmpfindlichkeit des speziellen Strahlungsthermo-

The temperature difference ∆Tε (caused by theemissivity) between the surface temperature Tsurf andthe radiation temperature TRad has to be known forthe specific wavelength range of the radiationthermometer and for the calibration temperatures.The uncertainty of the calibration of the radiationthermometer caused by the uncertainty of theemissivity should be less than 10 % of theuncertainty target of the whole calibration (seechapter 5). The sensitivity of the specific radiation


meters gegenüber einer Unsicherheit des Emissions-grads lässt sich aus dem Wellenlängenbereich desStrahlungsthermometers errechnen. Sie kann auchbestimmt werden, indem der Emissionsgradstellerdes Strahlungsthermometers definiert verstellt wird,wenn eine stabile Strahlungsquelle mit annähernd derKalibriertemperatur gemessen wird. Die Änderung inder Temperaturablesung pro Änderung des einge-stellten Emissionsgrads ergibt direkt die Empfind-lichkeit des Strahlungsthermometers gegenüber denEmissionsgradunsicherheiten.

thermometer to an uncertainty of the emissivity canbe calculated from the wavelength range of theradiation thermometer. It also can be determined byswitching the emissivity compensation value of theradiation thermometer when it is measuring a stableradiation source with approximately the calibrationtemperature. The change in temperature reading perchange of the adjusted emissivity value gives directlythe sensitivity of the radiation thermometer toemissivity uncertainties.

3.2 Einrichtung für Kalibrierung mitTransfernormal-Strahlungsthermometern

3.2 Set-up for calibration based on transferstandard radiation thermometers

3.2.1 Ohne Änderung der effektiven Wellenlänge 3.2.1 Without change of effective wavelength

Bei diesem Verfahren kommt zu derGrundausstattung der Kalibriereinrichtung noch einrückgeführtes Transfernormal-Strahlungsthermo-meter hinzu, mit dem die Strahlungstemperatur derStrahlungsquelle gemessen wird (Abb. 2). Das TSRTmuss auf die ITS-90 rückgeführt sein, was in diesemFall durch Kalibrierung in einem nationalenMetrologieinstitut oder einem akkreditiertenLaboratorium (z.B. in Deutschland die PTB oder einDKD-Laboratorium) erreicht wird.

In this scheme there is added to the components ofthe calibration set-up a traceable transfer standardradiation thermometer to measure the radiationtemperature of the radiation source (Fig. 2). TheTSRT needs to be traceable to the ITS-90, which istypically achieved by a calibration at a nationalmetrology institute or accredited laboratory (e.g. inGermany PTB or DKD-laboratory).

Das TSRT sollte charakterisiert sein. Die wichtigstenmetrologischen Parameter für ein TSRT sind:

The TSRT should be characterised . Most importantmetrological parameters for a TSRT are:

• Messtemperaturbereich • Measuring temperature range

• Messunsicherheit • Measurement uncertainty

• Einfluss der Eigentemperatur • Influence of the internal instrument temperature

• Langzeitstabilität • Long term stability

• Wiederholbarkeit • Repeatability

• Rauschäquivalente Temperaturdifferenz (NETD) • Noise equivalent temperature difference (NETD)

• Spektralbereich und spektrale Empfindlichkeit • Spectral range and spectral sensitivity

• SSE-Verlauf (Umfeldfaktor) • Size-of-source effect (SSE)

Der Messtemperaturbereich des TSRT muss dieKalibriertemperaturen abdecken.

The measuring temperature range of the TSRTneeds to cover the calibration temperatures.

Die Messunsicherheit der auf die ITS-90 rückge-führten Kalibrierung des TSRT sollte weniger als30 % der angestrebten Kalibrierunsicherheit betragen.

The measurement uncertainty of the calibration ofthe TSRT traceable to ITS-90 should be less than30 % of the uncertainty target of the calibration.

Der Einfluss der Eigentemperatur des TSRT sollteweniger als 10 % der angestrebten Kalibrierunsicher-heit betragen (siehe Kapitel 5). Ist der vorgegebeneoder gemessene Einfluss innerhalb des Laborraum-temperaturbereichs hoch, wird empfohlen, die Tempe-ratur des Geräts zu stabilisieren. Hierfür eignet sich einthermostatisiertes Gehäuse. Eine temperaturstabili-sierte Flüssigkeit wird durch das thermostatisiertes

The influence of the internal instrumenttemperature of the TSRT should be less than 10 %of the uncertainty target of the calibration (seechapter 5). If the specified or measured influencewithin the laboratory temperature range is high, it isrecommended to stabilise the temperature of theinstrument. A good possibility to achieve this, is theutilisation of a thermostatic housing. A temperature


Gehäuse gepumpt und erlaubt die Stabilisierung derGehäusetemperatur innerhalb von ± 0,1 °C. Es wirdempfohlen, die Gehäusetemperatur in Höhe der durch-schnittlichen Laborraumtemperatur zu stabilisieren.Insbesondere ist es erforderlich, Kondensation auf derOptik aufgrund von Gerätetemperaturen unterhalb desTaupunkts zu vermeiden. Wenn sich Gehäuse- undLabortemperatur beträchtlich unterscheiden und derEmissionsgrad des Referenzstrahlers signifikant unter1 liegt, muss der Messwert von Niedertemperatur-TSRTs in Bezug auf die von dem Referenzstrahlerreflektierte Umgebungsstrahlung korrigiert werden.Der Algorithmus für den Ausgleich der von derGehäusetemperatur abweichenden Umgebungs-temperaturen ist normalerweise in den Transfer-normal-Strahlungsthermometern implementiert. Seinekorrekte Benutzung erfordert auch eine exakteEinstellung des Emissionsgrads des Referenzstrahlers,da der Ausgleichsalgorithmus sonst zu ungenauenMesswerten führt.

stabilised liquid is pumped through the thermostatichousing and allows the stabilisation of the housingtemperature within ± 0.1 °C. It is recommended tostabilise the housing temperature at the averagelaboratory temperature. It is especially necessary toavoid condensation on the optics due to instrumenttemperatures below the dew-point. If the housingtemperature and the laboratory temperature differsignificantly from each other and if the emissivity ofthe reference radiation source is significantly below1, the reading of low temperature TSRTs needs to becorrected for ambient radiation that is reflected by thereference radiation source. The algorithm for thecompensation of ambient temperatures that differfrom the housing temperature is typicallyimplemented into TSRTs. Its correct use requiresalso the accurate adjustment of emissivity of thereference radiation source. Otherwise thecompensation algorithm causes inaccurate readings.

Der Einfluss der Langzeitstabilität und Wiederhol-barkeit des TSRT sollte weniger als 10 % der ange-strebten Kalibrierunsicherheit betragen (siehe Kapitel5). Die wichtigsten Driftparameter von Strahlungs-thermometern sind Offset und Empfindlichkeit. Sinddie Driftparameter des TSRT nicht bekannt, kann einTest hilfreich sein. Eine solcher Test bei Raum-temperatur (oder bei der unteren Temperatur + 10 %des Messbereichs) zeigt die Offset-Drift, und ein Testbei einer signifikant höheren Temperatur kann eineEmpfindlichkeitsdrift sichtbar machen. Für einen Testkönnen wiederholbare Strahlungsquellen, z.B.Fixpunktstrahler, verwendet werden, oder er kann ineinem Vergleich bestehen, bei dem drei oder mehrähnliche Strahlungsthermometer an einem Referenz-strahler verglichen werden. Der Test sollte nicht dieForderung nach einer genauen Angabe der Drift-parameter ersetzen, aber er kann helfen, möglicheProbleme mit dem TSRT aufzudecken.

The influence of the long term stability andrepeatability of the TSRT should be less than 10 %of the uncertainty target of the calibration (seechapter 5). Most important drift parameters ofradiation thermometers are offset and sensitivity. Ifthe drift parameters of the TSRT are not well known,a “quick check” may help. A check at roomtemperature (or at the low end temperature + 10 % ofmeasurement range) shows the offset drift and acheck at a significantly higher temperature can makea sensitivity drift visible. A check can use repeatablesources like fixed-point black bodies or it mayconsist of a comparison test of three or more similarradiation thermometer at one reference radiationsource. This check should not replace the request foran accurate specification of the drift parameters, butit helps to detect potential problems with the TSRT.

Die rauschäquivalente Temperaturdifferenz(NETD) sollte nicht mehr als 10 % der angestrebtenKalibrierunsicherheit betragen (siehe Kapitel 5). Fürdas typische weiße Rauschen ist die rauschäquivalenteTemperaturdifferenz (NETD) eines Strahlungsthermo-meters umgekehrt proportional zur Quadratwurzel derAnsprechzeit. Die Ansprechzeit des TSRT sollte daherauf einen Wert eingestellt werden, bei dem dierauschäquivalente Temperaturdifferenz klein genugist. Ist dies nicht möglich, können die Messungenwiederholt werden und der Mittelwert wird aus denEinzelmessungen errechnet. Für weißes Rauschennimmt die rauschäquivalente Temperaturdifferenz(NETD) proportional zur Quadratwurzel der Anzahlder Einzelmessungen ab.

The noise equivalent temperature difference(NETD) should be less than 10 % of theuncertainty target of the calibration (see chapter 5).For the typical Gaussian noise the NETD of aradiation thermometer is inverse proportional tothe square root of the response time. So theresponse time of the TSRT should be adjusted to alevel, where the NETD is sufficiently low. If this isnot possible measurements can be repeated and theaverage is calculated from the data. For Gaussiannoise the NETD decreases proportionally with thesquare root of the number of measurements.


Dem empfindlichen Spektralbereich (spektraleEmpfindlichkeit) des TSRT kommt nur in wenigenFällen Bedeutung zu. Wird ein hinreichend idealerSchwarzer Strahler für den Transfer zwischen TSRTund RT verwendet, braucht er nicht berücksichtigt zuwerden. Wird für den Transfer eine nichtschwarzeStrahlungsquelle mit jedoch genau bekanntemspektralem Emissionsgrad verwendet, muss derempfindliche Spektralbereich der Strahlungs-thermometer bekannt sein. Der Emissionsgrad derStrahlungsquelle wird dann berücksichtigt, indem fürbeide Strahlungsthermometer der richtige Wert fürden jeweiligen Emissionsgrad des Strahlerseingestellt wird. Sonst ist eine Anpassung zwischender spektralen Empfindlichkeit des TSRT und desRT erforderlich. Der Einfluss unterschiedlicherspektraler Empfindlichkeiten bei TSRT und RT istim Unsicherheitsbudget zu berücksichtigen.

The sensitive spectral range (spectral sensitivity)of the TSRT is only important in some cases. If asufficiently ideal black-body is used for thetransfer between the TSRT and RT, it does notneed to be considered. If a non black radiationsource of exactly known spectral emissivity is usedfor the transfer, the sensitive spectral range ofTSRT and RT has to be known. The emissivity ofthe source is to be taken into account by adjustingfor both radiation thermometers the rightemissivity value. Otherwise a matching of thespectral sensitivity of the TSRT and the RT isrequired. The influence of different spectralsensitivities of TSRT and RT has to be consideredin the uncertainty budget.

Der SSE-Verlauf (Umfeldfaktor) beschreibt, wiesich die Empfindlichkeit des TSRT mit der Objekt-größe (effektive Strahlerfläche) relativ verändert. Dader SSE-Verlauf als relative Größe dargestellt wird,hängen die Werte vom Durchmesser der Referenz-fläche ab. Obwohl nicht erforderlich, ist es üblich,den Durchmesser der effektiven Fläche während derKalibrierung (Kalibrierdurchmesser) als Referenz-durchmesser für den Umfeldfaktor zu verwenden.Der Umfeldfaktor ist bei dieser Objektgröße mit100 % definiert. Das Signal fällt bei einer Redu-zierung der Objektgröße (bzw. effektiven Strahler-fläche) auf die 90 %-Messfeldgröße auf 90 % ab undnimmt für größere Flächen leicht zu. Der maximaleWert wird bei unendlichem Objektdurchmesser oderhalbkugelförmiger Beleuchtung erreicht. DieserMaximalwert wird “hemisphärischer Faktor”genannt. Bei einem TSRT sollte er 102 % nichtüberschreiten.

The SSE-curve describes the relative change ofsensitivity of the TSRT with object size (effectivearea of reference radiation source). As it is arelative parameter, its values depend on the size ofthe reference area. Although not required, it iscommon to use the calibration diameter also as thereference size for the SSE. The SSE at this objectsize is defined as 100 %. The signal goes down to90 % at the 90 %-measuring field size and it goesslightly up for larger areas. The maximum value isachieved for an infinite object diameter orhemispherical illumination. This maximum valueis called “hemisphere factor”. It should not exceed102 % for a TSRT.

Bei TSRTs, die deutlich oberhalb vonRaumtemperatur arbeiten, ist bei bekanntem Verlaufdes Umfeldfaktors eine Korrektur dieses Effektesmöglich, indem z.B. der eingestellte Emissionsgraddes TSRT mit dem Umfeldfaktor der für den Transferverwendeten Objektgröße multipliziert wird. Ist diesnicht möglich (z.B. weil der Emissionsgrad nur in1 %-Schritten geändert werden kann oder weil es nichtmöglich ist, Emissionsgrade über 1 einzustellen),muss man das korrigierte nicht-linearisierte Signaldes Referenzstrahlers durch den Umfeldfaktordividieren. Das korrigierte, nicht-linearisierte Signalist die Differenz zwischen den nicht-linearisiertenSignalen des Objekts und der Umgebung. EinAusgleich des Umfeldfaktors ist schwer und sollte imAllgemeinen vermieden werden. Ratsamer ist es, ein

For TSRTs with a temperature range significantlyabove room temperature a compensation of thiseffect is possible if the SSE-curve is well known.One way to do this is to multiply the adjustedemissivity of the TSRT by the SSE of the object sizethat is used for the transfer. If that is not possible (e.g.because the emissivity can be changed only in 1 %-steps or because it is not possible to adjustemissivities above 1), one needs to divide therelative non-linearised signal of the referenceradiation source by the SSE. The relative non-linearised signal is the difference of the non-linearised signals of the object and the ambient.Compensation of the SSE is difficult to performand should in general be avoided. So it is muchmore preferable to use a TSRT with a small SSE


TSRT mit einem kleinen Umfeldfaktor zu benutzen,das mit einem Messfelddurchmesser kalibriert wur-de, der dem entspricht, an dem es eingesetzt wird.

which was calibrated at an measurement fielddiameter similar to the diameter where it is used.

3.2.2 Mit Änderung der effektiven Wellenlänge 3.2.2 With change of effective wavelength

Bei diesem Verfahren kommt zu derGrundausstattung der Kalibriereinrichtung nicht nurein rückgeführtes TSRT hinzu, sondern auch einSchwarzer Strahler und ein Strahlungsthermometermit einer effektiven Wellenlänge λ2 (RT1) (Abb. 3).Der Schwarze Strahler und das TSRT mit dereffektiven Wellenlänge λ1 werden verwendet, um dieKalibrierung des RT1 mit der effektiven Wellenlängeλ2 (RT1) durchzuführen.

In this scheme there is added to the components ofthe calibration set-up not only a traceable transferstandard radiation thermometer, but also a black-body and a radiation thermometer with an effectivewavelength λ2 (RT1) (Fig. 3). The black-body andthe TSRT with the effective wavelength λ1 are usedto calibrate the RT1 with the effective wavelength λ2.

Die aktive Fläche des Schwarzen Strahlers muss großgenug sein, um für den Transfer vom TSRT zumRT1 verwendet werden zu können. Üblicherweise istdie Messfeldgröße eines RT größer als die einesTSRT. Also ist es das RT, das oft große SchwarzeStrahler erfordert, die schwer zu fertigen sind.Typische Durchmesser für Hohlraumstrahler sind15 mm bis 60 mm. Emissionsgrade von mehr als0,999 werden mit handelsüblichen Hohlraum-strahlern erzielt. Wie oben beschrieben, wirdinsbesondere die Qualität von großflächigenSchwarzen Strahlern (Plattenstrahlern) und vonHochtemperatur-Hohlraumstrahlern durch ihreinhomogene Temperaturverteilung begrenzt. Beihochwertigen großflächigen Schwarzen Strahlernvon z.B. 300 mm Durchmesser können typischeTemperaturinhomogenitäten mehrere Kelvinbetragen. Hochwertige Hochtemperaturstrahler miteinem Hohlraumdurchmesser von z.B. 25 mmkönnen typische Temperaturinhomogenitäten von0,5 % ihrer Strahlungstemperatur zeigen.

The active area of the black-body needs to have asufficient size; so that it can be used for the transferfrom the TSRT to the RT1. Typically the measuringfield size of a RT is larger than the measuring fieldsize of a TSRT. So it is the RT that often requiresrather large black-bodies which are difficult tomanufacture. Typical diameters of cavity black-bodies are 15 mm to 60 mm. Emissivity valueshigher than 0.999 are achieved with commerciallyavailable cavity black-bodies. As described above,especially large area black-bodies (plate radiationsources) and cavity high-temperature black-bodiesare limited by their temperature uniformity. Typicallythe temperature inhomogeneity of high quality largearea black-bodies of 300 mm diameter is severalkelvin. Typically high quality high temperatureblack-bodies of 25 mm cavity diameter can show atemperature non-uniformity of 0.5 % of the radiationtemperature.

Das RT1 muss denselben empfindlichen Spektral-bereich und idealerweise dieselbe spektraleEmpfindlichkeit (effektive Wellenlänge) wie das zukalibrierende RT2 aufweisen. Es gelten dafürungefähr dieselben Bedingungen wie für das oben inKalibrierverfahren Ila beschriebene TSRT.

The RT1 needs to have the same sensitive spectralrange and ideally the same spectral sensitivity as theRT2 that is to be calibrated. There are about the samerequirements for it as described above for the TSRTin Calibration Scheme IIa.

3.3 Einrichtung für Kalibrierung mit Wolfram-bandlampen

3.3 Set-up for calibration based on tungstenribbon lamps

Bei diesem Verfahren wird eine Wolframbandlampeals Transfernormal für die Strahlungstemperaturverwendet. Die Wolframbandlampe wird von einemnationalen Metrologieinstitut oder einemakkreditierten Laboratorium (z.B. in Deutschland diePTB oder ein DKD-Laboratorium) auf seineStrahlungstemperatur bei einer Wellenlänge λ1kalibriert, und zwar durch Vergleich mit einemhochgenauen Schwarzen Strahler gemäß der ITS-90.

In this scheme a tungsten ribbon lamp is used as atransfer standard of radiance temperature. Thetungsten ribbon lamp is calibrated by a nationalmetrology institute or accredited laboratory (e.g. inGermany PTB or DKD-laboratory) for its radiancetemperature at a specific wavelength λ1 bycomparison to a precision black-body radiatoraccording to the ITS-90. At the calibration laboratorythe tungsten ribbon lamp can be used to calibrate a


Im Kalibrierlaboratorium kann die Wolfram-bandlampe zur Kalibrierung eines TSRT mit einereffektiven Wellenlänge von λ1 oder annähernd λ1eingesetzt werden (Abb. 4).

TSRT with an effective wavelength at or close to λ1(Fig. 4).

Der Emissionsgrad von Wolframbandlampen ändertsich mit der Wellenlänge (nichtgraue Strahler). Siekönnen bei verschiedenen Wellenlängen kalibriertwerden, soweit das Glasfenster der Lampetransparent ist. Die Wellenlängenwerte müssen imKalibrierschein angegeben sein. TypischeWellenlängen für die Kalibrierung vonWolframbandlampen sind 650 nm und 900 nm.

The emissivity of tungsten ribbon lamps changeswith wavelength (non-grey radiators). They can becalibrated at different wavelengths provided the glasswindow of the lamp is transparent. The wavelengthvalues must be specified in the calibration certificate.Typical wavelengths for the calibration of tungstenribbon lamps are 650 nm and 900 nm.

Wolframbandlampen können in zwei Typenunterteilt werden: Vakuumlampen und gasgefüllteLampen. Vakuumlampen können in einemStrahlungstemperaturbereich von ca. 700 °C bis1700 °C, gasgefüllte Lampen von ca. 1300 °C bis2300 °C betrieben werden. Vakuumlampen sindstabiler als gasgefüllte Lampen. Mit einerhochgenauen Lampe kann z.B. eine Stabilität vonbesser als 0,01 °C pro Stunde und eineStandardkalibrierunsicherheit von 0,4 °C bei 1300 °Cerreicht werden. Bei hochgenauen Lampen sollte derFuß der Lampe innerhalb von ± 0,1 °Ctemperaturstabilisiert sein und die Lampe muss einhochwertiges, flaches Fenster haben, das einenbestimmten Winkel zum Band aufweist, umMehrfachreflexionen zu vermeiden. DieStrahlungstemperatur des Bandes ändert sich starkmit der verwendeten Stromstärke. TypischeTemperatur/Stromwerte sind 300 K/A bei 800 °Cund 70 K/A bei 2300 °C. Aus diesem Grund ist eineAbsolutmessung des Stroms mit einer relativenUnsicherheit von 3·10-5 erforderlich, um die o.a.Kalibrierunsicherheit zu erzielen.

Tungsten ribbon lamps can be divided into twotypes: vacuum lamps and gas-filled lamps. Vacuumlamps can be operated over a radiance temperaturerange from approx. 700 °C to 1700 °C and gas-filledlamps from approx. 1300 °C to 2300 °C. Vacuumlamps are more stable than gas-filled lamps. With ahigh-accuracy lamp, for example, a stability of betterthan 0.01 °C per hour and a standard calibrationuncertainty of 0.4 °C can be reached at 1300 °C. Inthe case of a high-accuracy lamp the base of the lampshould be temperature stabilised within ± 0.1 °C andit must have a high-quality flat window forming aspecified angle with the ribbon to avoid multiplereflections. The radiance temperature of the ribbonstrongly changes with the applied current. Typicaltemperature versus current values are 300 K/A at800 °C and 70 K/A at 2300 °C. Therefore anabsolute current measurement is necessary with arelative uncertainty of 3·10-5 to achieve the abovecalibration uncertainty.

Typische Breiten der Wolframbänder liegen zwi-schen 1.2 mm und 3.0 mm. Bandlampen können da-her nur für die Kalibrierung von TSRTs verwendetwerden, bei denen Messfelddurchmesser und Um-feldfaktor hinreichend klein sind. Es ist wichtig, dassdie Messfeldposition auf dem Wolframband im Ka-librierschein genau festgelegt ist. Für die technischeDurchführung der Kalibrierung muss eine an demWolframband angebrachte Markierung und die Ge-nauigkeit der Ausrichtungseinheit des TSRT sicher-stellen, dass die Messfeldposition bei hochgenauenLampen innerhalb ± 0,1 mm ermittelt werden kann. DerLampenkolben sollte eine Ausrichtungsmarkierunghaben, um sicherzustellen, dass der Winkel zwischender optischen Achse des TSRT und der Normalendes Wolframbandes bei hochgenauen Lampen inner-halb ± 2° reproduziert wird. Die Internationale Or-ganisation für das Gesetzliche Messwesen (OIML)

The typical width of the tungsten ribbon is from1.2 mm to 3.0 mm. So ribbon lamps can only beapplied for the calibration of TSRTs which have asufficient small measuring field diameter and size-of-source-effect. It is important that the position ofthe measuring field on the ribbon, which is usedduring calibration, must be clearly defined in thecalibration certificate. For the technical realisationof the calibration set-up a marker at the tungstenribbon and the quality of the alignment equipmentmust ensure the determination of the position ofthe measuring field within ± 0.1 mm for highaccuracy-lamps. The bulb of the lamp should havean alignment marking to ensure that angle betweenthe optical axis of the TSRT and the normal of thetungsten ribbon is reproduced within ± 2° for highaccuracy lamps. The International Organisation ofLegal Metrology (OIML) gives a recommendation


gibt eine Empfehlung zu den Anforderungen anWolframbandlampen für die Kalibrierung vonStrahlungsthermometern (OIML IR 48).

on the requirements on tungsten ribbon lamps forthe calibration of radiation thermometers (OIMLIR 48).

4 Kalibrierverfahren 4 Calibration procedure

4.1 Kalibrierverfahren mit Berührungs-thermometern (Kalibrierverfahren I)

4.1 Calibration procedure based on contactthermometers (Calibration Scheme I)

Benötigte Arbeitsmittel: Required equipment:

• zu kalibrierendes Strahlungsthermometer (RT) mitAngabe der zu verwendenden Kalibriergeometrie:Abstand zur Blende e des Referenzstrahlers undDurchmesser der Blende A (gemäß Abb. 7)

• radiation thermometer (RT) to be calibratedincluding specification of the calibrationgeometry to be applied: distance from referenceradiator e and aperture A (according to Fig. 7)

• Thermometer zum Erfassen der Raumtemperatur TU • thermometer to measure room temperature TU

• Gerät zum Erfassen der Luftfeuchte • device to measure the room humidity

• geregelter Referenzstrahler oder SchwarzerStrahler mit hinreichend großer aktiver Flächeund bezüglich Durchmesser und Eintauchtiefepassender Öffnung zum Einführen desBerührungsthermometer, welcher mindestens diedrei Temperaturen Ttief, Tmittel und Thochrealisieren kann bzw. mehrere solcher Strahler

• controlled reference or black-body radiator (withsufficiently large active area and, with regard todiameter and depth of immersion, an appropriateopening to insert the contact thermometer), whichcan realise at least the three temperatures Tlow,Tmedium and Thigh, or several such radiators

• eine Tabelle vom Strahler-Hersteller, welche dieTemperaturdifferenz ∆T zwischen der mit demBerührungsthermometer gemessenen TemperaturTprobe und der an der Oberfläche tatsächlichvorhandenen Temperatur Tsurf abhängig von derTemperatur Tprobe ausweist: ∆T=f(Tprobe);∆T=Tprobe-Tsurf. Zusätzlich sollten die Mess-unsicherheiten für die Werte ∆T angegeben werden

• a table from the radiator manufacturer showingthe temperature difference ∆T betweentemperature Tprobe measured by means of theinserted contact thermometer and the temperatureTsurf actually prevailing at the surface dependingon the temperature Tprobe: ∆T=f(Tprobe);∆T=Tprobe-Tsurf. In addition, the measurementuncertainties for the values ∆T should be stated

• eine Angabe des Strahlerherstellers für die durchden Emissionsgrad ε < 1 bedingte Temperatur-korrektur ∆Tε in Abhängigkeit von der Wellen-länge λ und der Temperatur Tsurf .

• a specification from the radiator manufacturer forthe temperature correction ∆Tε caused by theemissivity of the radiator ε < 1 depending on thewavelength λ and the temperature Tsurf

• Berührungsthermometer (z.B. Widerstandsther-mometer oder Thermoelement) mit Kalibrier-schein, dessen Länge und Durchmesser derSpezifikation des Strahler-Herstellers entsprechen

• contact thermometer (e.g. resistance thermometeror thermocouple) with calibration certificate. Thelength and diameter of this thermometer shall beas specified by the radiator manufacturer

• eine vor dem Strahler zentrisch angeordnete, imDurchmesser einstellbare Blende, so konstruiertund platziert, dass sie sich selbst während derKalibrierung nicht erwärmt und den effektivenEmissionsgrad sowie die Temperatur des Strahlersnicht beeinflusst. Da es in der Praxis im Allge-meinen nicht sicher gestellt ist, dass bei einerVeränderung der effektiven Fläche des Referenz-strahlers eine Änderung der Strahlungstemperaturvernachlässigbar ist, muss in der Regel mit einerfesten Blendeneinstellung kalibriert werden.

• aperture centrally arranged in front of the radiatorand adjustable in diameter, so designed andpositioned that it neither heats up duringcalibration nor influences the effective emissivityor the radiator temperature. Since in general it cannot be assumed that a change of the effective areaof the reference source does not change theradiation temperature, calibrations should beperformed with a fixed aperture setting.


• Haltevorrichtung für das Strahlungsthermometer,welche erlaubt, dieses zentrisch zur Mitte derBlende auf der optischen Achse des Strahlersanzuordnen und in horizontaler sowie vertikalerRichtung fein einstellbar zu justieren. Zweckmäßigist die Haltevorrichtung und die Blende auf eineroptischen Schiene unterzubringen, um dasEinstellen des geforderten Abstandes e zwischenStrahlungsthermometer und Blende A zu erleichtern.

• holder for the radiation thermometer allowing toarrange the thermometer centrally with respect tothe centre of the aperture on the optical axis of theradiator and to finely adjust it in the horizontaland vertical directions. It is expedient to placeholder and aperture on an optical bar because withsuch equipment, adjusting the required distance ebetween radiation thermometer and aperture A isbeing facilitated.

Schema zum Kalibrierverfahren I: Calibration Scheme I:

RT in der Haltevorrichtung befestigen,elektrisch anschließen, einschalten,

Aufwärmzeit abwarten

Wenn einstellbar, am RT denEmissionsgrad auf 1 stellen

Berührungsthermometer in Strahlereinstecken, Strahler auf eine

Temperatur einstellen, welche sichdeutlich von der Eigentemperatur des

RT unterscheidet (z.B. Tmittel),Einschwingen der Strahlertemperatur

abwarten

RT in Messposition bringen:RT im Abstand e zur Blende anordnen,

mittels Maximalwertsuche aufBlendenmitte ausrichten,

dazu z.B. Blende auf 0,9 x nom.Messfelddurchmesser M einstellen

Blende auf Durchmesser A einstellen

Ablesen und Protokollieren von:Umgebungstemperatur TU

Strahlungstemperatur TRad=Tprobe-∆Tε-∆TRT-Anzeige TRT

RT und Strahler ausschalten

RT der Strahlung aussetzen

MindestensTniedrig, Tmittel, undThoch gemessen?

NächsteStrahlertemperatur

einstellen,Einschwingen derStrahlertemperatur

abwarten

Nein

Ja

RT reinigen, falls erforderlich

Fixing of RT in the holder,electrical connection, switching on,

waiting for warm-up time

If available set emissivity adjusterof RT to emissivity value 1

Insert contact thermometer into radiator,set radiator to a temperature which is

significantly different tointernal instrument temperature

of RT (e.g. Tmedium),wait for stabilisation of radiation

temperature

Get RT into measurement position:Position RT in distance e central to

the aperture by search for themaximum value with

e.g. adjusting the aperture to0.9 x nom. measuring field diameter M

Adjust aperture to diameter A

Reading and recording of:Ambient temperature TU

Radiation temperature TRad=Tprobe-∆Tε-∆TRT-display reading TRT

Switch off RT and radiator

Expose RT to radiation

At least Tlow,Tmedium, and Thigh

measured?

Set next radiationtemperature,

wait forstabilisation of

radiationtemperature

no

yes

Cleaning of RT if necessary


4.2 Kalibierverfahren mit Transfernormal-Strahlungsthermometern

4.2 Calibration procedure based on transferstandard radiation thermometers

4.2.1 Ohne Änderung der effektiven Wellenlänge(Kalibrierverfahren IIa)

4.2.1 Without change of effective wavelength(Calibration Scheme IIa)


• zu kalibrierendes Strahlungsthermometer (RT),welches bei einer effektiven Wellenlänge λ1arbeitet, mit Angabe der zu verwendendenKalibriergeometrie: Abstand zur Blende eRT undDurchmesser der Blende ART

• radiation thermometer (RT) to be calibratedoperating at the effective wavelength λ1, withspecification of the calibration geometry to beapplied: distance from aperture eRT and apertureART



• isothermer, geregelter Referenzstrahler mit aus-reichend großer aktiver Fläche, welchermindestens die drei Temperaturen Ttief, Tmittel undThoch realisieren kann bzw. mehrere solcherStrahler

• isothermal, temperature-controlled referenceradiator (with sufficiently large active area),which is capable of realising at least the threetemperatures Tlow, Tmedium and Thigh, or severalsuch radiators

• Transfernormal-Strahlungsthermometer (TSRT),welches bei einer effektiven Wellenlänge λ1arbeitet, mit Kalibrierschein inklusive einerTabelle mit TRad = f(Sig) und Angabe derKalibrierunsicherheit und der KalibriergeometrieeTSRT und ATSRT

• Transfer standard radiation thermometer (TSRT)operating at the effective wavelength λ1 withcalibration certificate including table TRad = f(Sig)and specification of measurement uncertainty andcalibration geometry eTSRT and ATSRT

• Haltevorrichtung für die Strahlungsthermometer,welche erlaubt, diese zentrisch zur Mitte zu derihnen zugeordneten Blende auf der optischenAchse des Strahlers anzuordnen und in horizon-taler sowie vertikaler Richtung fein einstellbar zujustieren. Zweckmäßig ist ein Klapp- oderSchiebe-Mechanismus mit mechanischenAnschlägen oder Rastpositionen bzw. die Ver-wendung einer motorbetriebenen Lineareinheit,die es gestatten, die Strahlungsthermometer nacherfolgter Justage in ihrer Position reproduzierbarund örtlich präzise in ausreichend kurzer Zeitauszutauschen. Dabei ist zu beachten, dass sichdie geforderten Abstände zwischen Strahlungs-thermometer und Blende sowie die für die Mes-sungen jeweils notwendigen Blendendurchmessergerätespezifisch unterscheiden können

• holder for the radiation thermometers allowing toarrange them centrally with respect to the centreof the aperture assigned to them on the opticalaxis of the radiator and to finely adjust them in thehorizontal and vertical directions. It is expedientto use a hinged or sliding mechanism withmechanical stops or click-stop positions or amotor-operated linear unit allowing to exchangethe radiation thermometers after adjustment intheir position in a reproducible and locally preciseway in sufficiently short time. It is to be notedthat the distances required between radiationthermometer and aperture as well as the aperturesneeded for the measurements can differ accordingto the instrument used

• eine jeweils vor dem Strahler zentrisch angeord-nete, im Durchmesser einstellbare Blende (Iris-blende) oder zwei verschiedene Festblenden, sokonstruiert und platziert, dass die Blende sichselbst während der Kalibrierung nicht erwärmtund den effektiven Emissionsgrad sowie dieTemperatur des Strahlers nicht beeinflusst.

• aperture arranged centrally in front of the radiator,adjustable in diameter (iris diaphragm) or twodifferent fixed aperture so designed andpositioned that the aperture neither not heats upduring calibration nor influences the effectiveemissivity or the radiator temperature.


Schema zum Kalibrierverfahren IIa: Calibration Scheme IIa:


einstellenEinschwingen derStrahlertemperatur

abwarten

Nein

TSRT der Strahlung aussetzen,Signalwert Sig ablesen

MindestensTniedrig, Tmittel undThoch gemessen?

TSRT aus Messposition bringenRT in Messposition bringen

RT der Strahlung aussetzen,Anzeigewert TRT ablesen,

protokollieren

Blende auf Durchmesser ART einstellen

Blende auf Durchmesser ATSRT einstellen*

Aus der Tabelle TRad = f(Sig) dieTemperatur TRad ermitteln,

protokollieren

TSRT und RT reinigen, falls erforderlich

Referenzstrahler auf eine Temperatureinstellen, welche sich deutlich von der

Eigentemperatur des TSRT unterscheidet(z.B. Tmittel), Einschwingen derStrahlertemperatur abwarten

TSRT in Messposition bringen:TSRT im Abstand eTSRT zur Blende

anordnen, mittels Maximalwertsucheauf Blendenmitte ausrichten,

dazu z.B. 0.9 x nom.Messfelddurchmesser MTSRT einstellen

Wenn einstellbar,an RT und TSRT den

Emissionsgrad auf 1 stellen

TSRT und RT in der jeweiligenHaltevorrichtung befestigen,

elektrisch anschließen, einschalten,Aufwärmzeit abwarten

TSRT in Messposition bringen

TSRT aus Messposition bringen

RT in Messposition bringen:RT im Abstand eRT zur Blende anordnen,

mittels Maximalwertsuche aufBlendenmitte ausrichten,

dazu z.B. 0.9 x nom.Messfelddurchmesser MRT einstellen

RT aus Messposition bringen

Ja

TSRT, RT und Strahler ausschalten

* im Allgemeinen ist ATSRT = ART




no

Expose TSRT to radiation,reading of signal Sig


measured?

Get TSRT out of measurement positionget RT into measurement position

Expose RT to radiation,reading and recording

of RT-display reading TRT

Adjust aperture to diameter ART

Adjust aperture to diameter ATSRT *

Determine temperature TRad

in table TRad = f(Sig),record value

Cleaning of TSRT and RT if necessary

Set reference radiator to a temperaturewhich is significantly different to

the internal instrument temperature ofTSRT (e.g. Tmedium), wait for

stabilisation of radiation temperature

Get TSRT into measurement position:Position TSRT in distance eTSRT central

to the aperture by search for themaximum value with

e.g. adjusting the aperture to 0.9 x nom.measuring field diameter MTSRT

If available set emissivity adjusterof TSRT and RT

to emissivity value 1

Fixing of TSRT and RT in therespective holder,

electrical connection, switching on,waiting for warm-up time

Get TSRT into measurement position

Get TSRT out of measurement position

Get RT into measurement position:Position RT in distance eRT central


e.g. adjusting the aperture to 0.9 x nom.measuring field diameter MRT

Get RT out of measurement position

yes

Switch off TSRT, RT and radiator

* in general is ATSRT = ART


4.2.2 Mit Änderung der effektiven Wellenlänge(Kalibrierverfahren IIb)

4.2.2 With change of effective wavelength(Calibration Scheme IIb)


• TSRT, welches bei einer effektiven Wellenlängeλ1 arbeitet, mit Kalibrierschein inklusive TabelleTRad = f(Sig) und Angabe der Kalibrierunsicher-heit und der Kalibriergeometrie eTSRT und ATSRT

• TSRT operating at the effective wavelength λ1with calibration certificate including TableTRad = f(Sig) and specification of calibration un-certainty and calibration geometry eTSRT and ATSRT

• für den Transfer zu benutzendes Strahlungsther-mometer RT1 und zu kalibrierendes Strahlungs-thermometer RT2, welche beide bei der effekti-ven Wellenlänge λ2 arbeiten mit Angabe der zuverwendenden Kalibriergeometrie: Abstand zurBlende eRT und Durchmesser der Blende ART

• radiation thermometer RT1 to be used for thetransfer, and radiation thermometer RT2 to becalibrated, both operating at the effectivewavelength λ2, with specification of thecalibration geometry to be used: distance fromaperture eRT and aperture ART



• isothermer, geregelter Schwarzer Strahler (A) mitEmissionsgrad hinreichend nahe bei 1, sowieausreichend großer aktiver Fläche für dieMessfelddurchmesser des TSRT und RT1,welcher mindestens die drei Temperaturen Ttief,Tmittel und Thoch realisieren kann bzw. mehreresolcher Strahler

• isothermal, temperature-controlled black-bodyradiator (A) (with emissivity sufficiently close to1 and a sufficiently large active area for themeasuring field diameter of TSRT and RT1),which is capable of realising at least the threetemperatures Tlow, Tmedium and Thigh, or severalsuch radiators

• isothermer, geregelter Referenzstrahler (B) mitausreichend großer aktiver Fläche für dieMessfelddurchmesser des RT1 und RT2, welchermindestens die drei Temperaturen Ttief, Tmittel undThoch realisieren kann bzw. mehrere solcherStrahler

• isothermal, temperature-controlled referenceradiator (B) (with sufficiently large active area forthe measuring field diameter of RT1 and RT2),which is capable of realising at least the threetemperatures Tlow, Tmedium and Thigh, or severalsuch radiators

• eine jeweils vor dem Strahler zentrisch angeordnete,im Durchmesser einstellbare Blende, so konstruiertund platziert, dass sie sich während der Kalibrie-rung nicht erwärmt und den effektiven Emissi-onsgrad sowie die Temperatur des Strahlers nichtbeeinflusst. Da es in der Praxis im Allgemeinennicht sicher gestellt ist, dass bei einer Verände-rung der effektiven Fläche des Referenzstrahlerseine Änderung der Strahlungstemperaturvernachlässigbar ist, muss in der Regel mit einerfesten Blendeneinstellung kalibriert werden.

• aperture centrally arranged in front of the radiatorand adjustable in diameter, so designed andpositioned that it neither heats up duringcalibration nor influences the effective emissivityor the radiator temperature. Since in general it cannot be assumed that a change of the effective areaof the reference source does not change theradiation temperature, calibrations should beperformed with a fixed aperture setting.

• Haltevorrichtung für die Strahlungsthermometer,welche es erlaubt, diese zentrisch zur Mitte zu derihnen zugeordneten Blende auf der optischenAchse des Strahlers anzuordnen und in horizon-taler sowie vertikaler Richtung fein einstellbar zujustieren. Zweckmäßig ist zusätzlich ein Klapp-oder Schiebe-Mechanismus mit mechanischenAnschlägen oder Rastpositionen bzw. die Ver-wendung einer motorbetriebenen Lineareinheit,die es gestatten, die Strahlungsthermometer bei

• holder for the radiation thermometers allowing toarrange them centrally with respect to the centreof the aperture assigned to them on the opticalaxis of the radiator and to finely adjust them in thehorizontal and vertical directions. It is expedientto place holder and aperture on an optical bar. It isexpedient to use a hinged or sliding mechanismwith mechanical stops or click-stop positions or amotor-operated linear unit allowing the radiationthermometers to be brought into the optical path


Wahrung der jeweiligen Justageposition reprodu-zierbar und örtlich präzise in ausreichend kurzerZeit in den Strahlengang zu bringen bzw. aus ihmherauszubewegen. Dabei ist zu beachten, dasssich die geforderten Abstände zwischen Strah-lungsthermometer und Blende sowie die für dieMessungen jeweils notwendigen Blendendurch-messer gerätespezifisch unterscheiden können.

or to be moved out of it in a reproducible andlocally precise way in sufficiently short time andmaintaining at the same time the adjustmentposition. It is to be noted that the distancesrequired between TSRT and aperture as well asthe apertures needed for the measurements candiffer according to the instrument used.


Schema zum Kalibrierverfahren IIb, Teil 1: Calibration Scheme IIb, part 1:



abwarten

Nein



TSRT aus Messposition bringenRT1 in Messposition bringen

RT1 der Strahlung aussetzen,Anzeigewert TRT1 ablesen,

protokollieren

Blende auf Durchmesser ART1 einstellen


Aus der Tabelle TRad,A = f(Sig) dieTemperatur TRad,A ermitteln,

protokollieren

TSRT und RT1 reinigen, falls erforderlich

Schwarzen Referenzstrahler (A) auf eineTemperatur einstellen, welche sich deutlich

von der Eigentemperatur des TSRTunterscheidet (z.B. Tmittel), Einschwingen

der Strahlertemperatur abwarten




Wenn einstellbar,an RT1 und TSRT

den Emissionsgrad auf 1 stellen

TSRT und RT1 in der jeweiligenHaltevorrichtung befestigen,



Ja

TSRT und Strahler A ausschalten


RT1 in Messposition bringen:RT1 im Abstand eRT1 zur Blende anordnen,

mittels Maximalwertsucheauf Blendenmitte ausrichten,

dazu z.B. 0.9 x nom.Messfelddurchmesser MRT1 einstellen

RT1 aus Messposition bringen

* im Allgemeinen ist ATSRT = ART1




no



measured?

Get TSRT out of measurement positionget RT1 into measurement position

Expose RT1 to radiation,reading and recording

of RT-display reading TRT1

Adjust aperture to diameter ART1

Adjust aperture to diameter ATSRT*

Determine temperature TRad,A

in table TRad,A = f(Sig),record value

Cleaning of TSRT and RT1 if necessary

Set black-body reference radiator (A) to atemperature which is significantlydifferent to the internal instrument

temperature of TSRT (e.g. Tmedium), waitfor stabilisation of radiation temperature




If available set emissivity adjusterof TSRT and RT1


Fixing of TSRT and RT1 in therespective holder,



yes

Switch off TSRT and radiator A


Get RT1 into measurement position:Position RT1 in distance eRT1 central


e.g. adjusting the aperture to 0.9 x nom.measuring field diameter MRT1

Get RT1 out of measurement position

* in general is ATSRT = ART1


Schema zum Kalibrierverfahren IIb, Teil 2: Calibration Scheme IIb, part 2:



abwarten

Nein

RT1 der Strahlung aussetzen,Signalwert Sig ablesen


RT1 aus Messposition bringenRT2 in Messposition bringen

RT2 der Strahlung aussetzen,Anzeigewert TRT2 ablesen,

protokollieren

Blende auf Durchmesser ART2 einstellen

Blende auf Durchmesser ART1 einstellen*

Aus der Tabelle TRad,B = f(Sig) dieTemperatur TRad,B ermitteln,

protokollieren

RT1 und RT2 reinigen, falls erforderlich

Referenzstrahler (B) auf eine Temperatureinstellen, welche sich deutlich von derEigentemperatur des RT1 unterscheidet

(z.B. Tmittel), Einschwingen derStrahlertemperatur abwarten

RT1 in Messposition bringen:RT1 im Abstand eRT1 zur Blende



Wenn einstellbar,an RT1 und RT2

den Emissionsgrad auf 1 stellen

RT1 und RT2 in der jeweiligenHaltevorrichtung befestigen,


RT1 in Messposition bringen

Ja

RT1, RT2 und Strahler B ausschalten


RT2 in Messposition bringen:RT2 im Abstand eRT2 zur Blende anordnen,




* im Allgemeinen ist ART1 = ART2




no

Expose RT1 to radiation,reading of signal Sig


measured?

Get RT1 out of measurement positionget RT2 into measurement position

Expose RT2 to radiation,reading and recording

of RT-display reading TRT2

Adjust aperture to diameter ART2

Adjust aperture to diameter ART1*

Determine temperature TRad,B

in table TRad,B = f(Sig),record value

Cleaning of RT1 and RT2 if necessary

Set reference radiator (B) to a temperaturewhich is significantly different to the

internal instrument temperature of RT1(e.g. Tmedium), wait for stabilisation of

radiation temperature

Get RT1 into measurement position:Position RT1 in distance eRT1 central to

the aperture by search for themaximum value with


If available set emissivity adjusterof RT1 and RT2


Fixing of RT1 and RT2 in therespective holder,


Get RT1 into measurement position

yes

Switch off RT1, RT2 and radiator B


Get RT2 into measurement position:Position RT2 in distance eRT2 central




* in general is ART1 = ART2


4.3 Kalibrierverfahren mit Wolframbandlampen(Kalibrierverfahren III)

4.3 Calibration procedure based on Tungstenribbon lamps (Calibration Scheme III)


• Wolframbandlampe, welche an der effektivenWellenlänge λ1 des Spektralstrahlungsthermo-meters kalibriert ist. Da einzelne Wolframband-lampen je nach Lagerungsdauer einenHysterese-Effekt von bis zu 2 K aufweisenkönnen, sollten zur Vermeidung dieses Effektessolche Lampen am Tag vor der Messung ca. 10bis 20 Minuten bei der höchsten zu messendenTemperatur betrieben werden.

• A tungsten ribbon lamp calibrated at the effectivewavelength λ1 of the spectral radiationthermometer. As some tungsten ribbon lamps canshow a hysteresis of up to 2 K depending on theirstorage time, these lamps should be operated atthe highest measurement temperature for 10 to 20minutes the day before the measurement.

• Transfernormal-Strahlungsthermometer (TSRT),welches bei einer effektiven Wellenlänge λ1arbeitet, mit ausreichend kleinem Messfeld-durchmesser, um an der Wolframbandlampekalibriert zu werden.

• Transfer standard radiation thermometer (TSRT)operating at the effective wavelength λ1 withsufficiently small measurement field diameter tobe calibrated against the tungsten ribbon lamp.

• zu kalibrierendes Strahlungsthermometer RT,welches bei einer effektiven Wellenlänge λ2arbeitet, mit Angabe der zu verwendendenKalibriergeometrie: Abstand zur Blende eRTund Durchmesser der Blende ART

• radiation thermometer RT to be calibrated,operating at the effective wavelength λ2, withspecification of the calibration geometry to beused: distance from aperture eRT and aperture ART



• isothermer, geregelter Schwarzer Strahler mitEmissionsgrad hinreichend nahe bei 1, sowieausreichend großer aktiver Fläche, welchermindestens die drei Temperaturen Ttief, Tmittel undThoch realisieren kann bzw. mehrere solcherStrahler

• isothermal, temperature-controlled black-bodyradiator (with emissivity sufficiently close to 1and a sufficiently large active area), which iscapable of realising at least the three temperaturesTlow, Tmedium and Thigh, or several such radiators

• eine jeweils vor dem Strahler zentrisch angeordnete,im Durchmesser einstellbare Blende, so konstruiertund platziert, dass sie sich während der Kalibrierungnicht erwärmt und den effektiven Emissionsgradsowie die Temperatur des Strahlers nicht beeinflusst

• aperture centrally arranged in front of the radiatorand adjustable in diameter, so designed andpositioned that it neither heats up duringcalibration nor influences the effective emissivityor the radiator temperature

• Haltevorrichtung für die Strahlungsthermometer,welche es erlaubt, diese zentrisch zur Mitte zu derihnen zugeordneten Blende auf der optischenAchse des Strahlers anzuordnen und in horizon-taler sowie vertikaler Richtung fein einstellbar zujustieren. Zweckmäßig ist zusätzlich ein Klapp-oder Schiebe-Mechanismus mit mechanischenAnschlägen oder Rastpositionen bzw. die Ver-wendung einer motorbetriebenen Lineareinheit,die es gestatten, die Strahlungsthermometer beiWahrung der jeweiligen Justageposition reprodu-zierbar und örtlich präzise in ausreichend kurzerZeit in den Strahlengang zu bringen bzw. aus ihm

• holder for the radiation thermometers allowing toarrange them centrally with respect to the centreof the aperture assigned to them on the opticalaxis of the radiator and to finely adjust them in thehorizontal and vertical directions. It is useful toplace holder and aperture on an optical bar. It isexpedient to use a hinged or sliding mechanismwith mechanical stops or click-stop positions or amotor-operated linear unit allowing the radiationthermometers to be brought into the optical pathor to be moved out of it in a reproducible andlocally precise way in sufficiently short time andmaintaining at the same time the adjustment


herauszubewegen. Dabei ist zu beachten, dasssich die geforderten Abstände zwischen Strah-lungsthermometer und Blende sowie die für dieMessungen jeweils notwendigen Blendendurch-messer gerätespezifisch unterscheiden können.

position. It is to be noted that the distancesrequired between radiation thermometers andaperture as well as the apertures needed for themeasurements can differ according to theinstrument used.

Schema zum Kalibrierverfahren III, Teil 1 Calibration Scheme III, part1:

Lampe im Fokus des TSRT* aufbauen,korrekte Polarität der Lampenanschlüsse

beachten!Fenster der Lampe reinigen, falls erforderlich

TSRT einschalten

Nein

Strom an der Lampeentsprechend

nächst höhererTemperatureinstellen

Ablesen und Protokollieren von:Strom an der LampeTSRT-Anzeige: Signalwert SigAus Tabelle TRad= f(Lampenstrom)

MindestensTniedrig, Tmittel, undThoch gemessen?

Ja

Lampe ausschalten(max. Stromreduzierung 5 A/min)

TSRT ausschalten

TSRT der Strahlung aussetzen

Stabilisierungszeit abwarten:60 min für TRad @ 650 nm ≤ 1100°C45 min für TRad @ 650 nm > 1100°C

Lampe einschalten,den der niedrigsten gewünschten

Strahlungstemperatur (z.B. Tniedrig)entsprechenden Strom einstellen(max. Stromänderung 5 A/min)

Ausrichtung der Lampe auf dieoptische Achse des TSRT gemäß

Kalibrierschein (Messabstand,Messfeldposition, Abstrahlrichtung)

Position lamp in focus of the TSRT*,draw attention to correct polarity of

lamp-connectors!clean the window of the lamp if necessary,

Switch on TSRT

no

Set currentof the lampaccording

to the next highertemperature

Reading and recording of:Current of the lampTSRT-display reading: signal SigIn table TRad= f(lamp current)

At least Tlow,Tmedium and Thigh

measured?

yes

Switch off lamp(max. reduction of current 5 A/min)

Switch off TSRT

Expose TSRT to radiation

Wait for stabilisation:60 min for TRad @ 650 nm ≤ 1100°C45 min for TRad @ 650 nm > 1100°C

Switch on the lamp,set current of the lowest

radiation temperature underinvestigation (e.g. Tlow)

(max. change in current 5 A/min)

Align lamp onto the optical axis of theTSRT according to the calibration

certificate(measuring distance, position ofmeasuring field, emission direction)

* In diesem Fall ist das TSRT ein zunächstunkalibriertes hochwertiges Strahlungsthermometermit kleinem Messfeld und kleinem SSE , das überdie Wolframbandlampe kalibriert wird (Schema IIITeil 1) und dann als Transfernormal-Strahlungsthermometer zur Kalibrierung einesweiteren Strahlungsthermometers eingesetzt wird(Schema III Teil 2)

* In this case at first the TSRT is a non-calibratedhigh quality radiation thermometer with smallmeasuring field and small size-of-source effect,which is calibrated primarily with the tungsten ribbonlamp (Scheme III part 1) and will be used then astransfer standard radiation thermometer to calibrateanother radiation thermometer (Scheme III part 1)


Schema zum Kalibrierverfahren III, Teil 2: Calibration Scheme III, part 2:



abwarten

Nein



TSRT aus Messposition bringenRT in Messposition bringen

RT der Strahlung aussetzen,Anzeigewert TRT ablesen,

protokollieren

Blende auf Durchmesser ART einstellen


Aus der Tabelle TRad = f(Sig) dieTemperatur TRad ermitteln,

protokollieren

TSRT und RT reinigen, falls erforderlich

Schwarzen Referenzstrahler auf eineTemperatur einstellen, welche sich deutlich

von der Eigentemperatur des TSRTunterscheidet (z.B. Tmittel), Einschwingen

der Strahlertemperatur abwarten




Wenn einstellbar,an TSRT und RT den

Emissionsgrad auf 1 stellen

TSRT und RT in der jeweiligenHaltevorrichtung befestigen,



Ja

TSRT, RT und Strahler ausschalten


RT in Messposition bringen:RT im Abstand eRT zur Blende anordnen,


dazu z.B. 0.9 x nom.Messfelddurchmesser MRT einstellen

RT aus Messposition bringen

* im Allgemeinen ist ATSRT = ART




no



measured?

Get TSRT out of measurement positionget RT into measurement position

Expose RT to radiation,reading and recording

of RT-display reading TRT

Adjust aperture to diameter ART

Adjust aperture to diameter ATSRT*

Determine temperature TRad

in table TRad = f(Sig),record value

Cleaning of TSRT and RT if necessary

Set black-body reference radiator to atemperature which is significantlydifferent to the internal instrument

temperature of TSRT (e.g. Tmedium), waitfor stabilisation of radiation temperature




If available set emissivity adjusterof TSRT and RT


Fixing of TSRT and RT in therespective holder,



yes

Switch off TSRT, RT and radiator


Get RT into measurement position:Position RT in distance eRT centralto the aperture by search for the

maximum value withe.g. adjusting the aperture to 0.9 x nom.

measuring field diameter MRT

Get RT out of measurement position

* in general is ATSRT = ART


5 Unsicherheitsbetrachtung 5 Uncertainty budgetAls Beispiel für die Ermittlung der Messunsicherheitbei der Kalibrierung von Strahlungsthermometernwird im Folgenden ein zu prüfendes Strahlungs-thermometer (Prüfling) an einem Hohlraumstrahlermit einem Emissionsgrad sehr nahe bei 1 (SchwarzerStrahler) gegen ein Transfernormal-Strahlungs-thermometer (TSRT) kalibriert. Dabei besitzen derPrüfling und das TSRT im Allgemeinen unterschied-liche spektrale Empfindlichkeiten (effektive Wellen-längen). In die Unsicherheitsbetrachtung ist einFenster vor dem Schwarzen Strahler aufgenommen,da insbesondere bei Hochtemperaturstrahlern derzylindrische Hohlraum eines Schwarzen Strahlershäufig mit einem Fenster abgeschlossen ist.

As an example of the determination of themeasurement uncertainty in the calibration ofradiation thermometers, a radiation thermometer tobe tested (test object) will be calibrated in thefollowing on a cavity radiator with an emissivityclose to 1 (black-body radiator) against a transferstandard radiation thermometer (TSRT) whereby ingeneral, test object and TSRT have different spectralsensitivities (effective wavelengths). A window infront of the black-body radiator has been included inthe uncertainty analysis because with hightemperature radiators in particular, the cylindricalcavity of a black-body radiator can be shut off by awindow.

In der weiteren Betrachtung wird angenommen, dassdie Transmission des Fensters bei der effektivenWellenlänge des Transfernormal-Strahlungsthermo-meters (τS) bekannt ist. Die mit dem TSRT gemesseneTemperatur (TS') ist bereits um die durch die Fenster-transmission verursachte Temperaturänderung korri-giert und stellt somit die gemessene Strahlungstempe-ratur des Hohlraumstrahlers ohne Fenster dar. Für dieUnsicherheit dieser Korrektur wird angenommen, dasssie durch die Änderung der Fenstertransmission (∆τS)während der Kalibrierung abgeschätzt werden kann.

For further consideration will be assumed, that thewindow transmission at the effective wavelength ofthe transfer standard radiation thermometer (τS) isknown. The temperature (TS') measured with theTSRT is already corrected for the temperaturechange caused by the window transmission. TS' istherefore representing the radiation temperature ofthe cavity radiator without window. The uncertaintyof this correction will be estimated from changes inwindow transmission (∆τS) during calibration.

Die Korrektur des Einflusses der Fenstertransmissionauf die Temperaturanzeige des Prüflings (∆TXτ) istim Allgemeinen nicht Bestandteil der Anzeige-software des Prüflings und muss im Verlauf derKalibrierung explizit durchgeführt werden. Auch hiergilt, dass die Unsicherheit dieser Korrektur durch dieÄnderung der Fenstertransmission im Verlauf derKalibrierung bei der effektiven Wellenlänge desPrüflings (∆τX) abgeschätzt werden kann. Imweiteren werden alle Abschätzungen für Korrekturenin der Wien'schen Näherung durchgeführt

In general the correction of the influence of thewindow transmission to the temperature display ofthe test object is not part of the display software ofthe test object. This influence has to be correctedexplicitly during calibration. Also here, theuncertainty of this correction will be estimated fromchanges in window transmission at the effectivewavelength of the test object (∆τX) during calibration.In the following Wien's approximation is used for allestimations of corrections

5.1 Formelzeichen 5.1 Symbols

λS = Effektive Wellenlänge des TSRT λS = Effective wavelength of TSRT

λX = Effektive Wellenlänge des Prüflings λX = Effective wavelength of test object

τS = Fenstertransmission bei der effektivenWellenlänge des TSRT

τS = Window transmission at effectivewavelength of TSRT

τX = Fenstertransmission bei der effektivenWellenlänge des Prüflings

τX = Window transmission at effectivewavelength of test object

TS = Temperatur des Messfeldes des Prüflings TS = Temperature at measuring field of test object

TS' = Temperatur, gemessen mit dem TSRT TS' = Temperature measured by TSRT

δTS1 = Temperaturkorrektur infolge Fehler TSRT δTS1 = Temperature correction due to error TSRT


δTSτ = Korrektur infolge sich ändernder Fenster-transmission (∆τS) bei Messung mit TSRT

δTSτ = Correction due to changing windowtransmission (∆τS) when measured by TSRT

δTε = Korrektur infolge eines Emissionsgrads desHohlraums kleiner 1 und λS ungleich λX

δTε = Correction due to the emissivity of the cavitysmaller than 1 and λS not equal to λX

δTSε = Korrektur infolge Emissionsgrad Hohlraum(TSRT)

δTSε = Correction due to emissivity of cavity (TSRT)

δTXε = Korrektur infolge Emissionsgrad Hohlraum(Prüfling)

δTXε = Correction due to emissivity of cavity (testobject)

δTZ = Korrektur infolge zeitlicher Temperatur-änderung des Hohlraumstrahlers

δTZ = Correction due to temporal variation oftemperature of the cavity radiator

δTH = Korrektur infolge Temperaturunterschiedezwischen Messfeld Prüfling und MessfeldTSRT

δTH = correction due to temperature differencesbetween measuring field of test object andmeasuring field of TSRT

TX = Mit dem Prüfling gemessene Temperatur desMessfeldes

TX = Temperature at measuring field, measuredby test object

TX' = Am Prüfling angezeigte Temperatur ohneFensterkorrektur

TX' = Temperature indicated by test object withoutwindow correction

∆TXτ= Temperaturkorrektur infolge derFenstertransmission für Prüfling

∆TXτ= Temperature correction due to the windowtransmission for test object

δTXτ = Korrektur infolge sich ändernder Fenster-transmission (∆τS) bei Messung mit Prüfling

δTXτ = Correction due to changing window transmission(∆τS) when measuring with test object

δTX1 = Korrektur infolge Fehler des Prüflings(Reproduzierbarkeit, Kurzzeitstabilität etc.)

δTX1 = Correction due to error of test object(reproducibility, short-time stability etc.)

δTX2 = Korrektur infolge der Ableseunsicherheit desAnzeigeinstruments

δTX2 = Correction due to reading uncertainty ofindicating device

δTXU= Korrektur infolge Einfluss desUmfeldfaktors des Prüflings

δTXU= Correction due to influence of size-of-sourceeffect (SSE) of test object

δTXTK = Korrektur infolge desTemperaturkoeffizienten des Prüflings

δTXTK = Correction due to temperature coefficient oftest object

vX = Messsignal des Prüflings vX = Measurement signal of test object

∆vXτ = Differenz des Messsignals infolge derFensterabsorption

∆vXτ = Difference of measurement signal due towindow absorption

cV = Sensitivitätskoeffizient des Prüflings bei derMesstemperatur

cV = Sensitivity coefficient of test object atmeasurement temperature

δvX1 = Korrektur des Messsignals infolge Fehler einesexternen Anzeigeinstruments am Prüfling

δvX1 = Correction of measurement signal due toerror of an external indicating device

δvX2 = Korrektur infolge der Ableseunsicherheit desexternen Anzeigeinstruments

δvX2 = Correction due to reading uncertainty ofindicating device

ε = spektraler Hohlraum-Emissionsgrad ε = Spectral cavity emissivity

∆ε = Abweichung des spektralen Hohlraum-Emissionsgrads vom Wert 1

∆ε = Deviation of spectral cavity emissivity fromvalue 1

c2 = 0,014388 K m c2 = 0.014388 K m


5.2 Temperatur des Messfeldes 5.2 Temperature of measuring field

Die angezeigte Temperatur des Prüflings wird mitder Temperatur verglichen, die mit dem TSRT anderselben Stelle im Hohlraumstrahler bestimmt wird.

The temperature indicated for test object is comparedto the temperature determined by the TSRT at thesame position in the cavity radiator.

Die Temperatur des Messfeldes des Prüflings beträgt The temperature at the measuring point of the testobject is:

HZSSSS TTTTTTT δδδδδ' 1 +++++= ετ (3)

Die mit dem Prüfling bei der Kalibrierung gemesseneTemperatur des Messfeldes beträgt:

The measured temperature at the measuring point ofthe test object during calibration is:

XTKXUXXXXXX TTTTTTTT δδδδδ' 21 +++++∆+= ττ (4)

Wenn ein Gerät mit Spannungsanzeige bzw.Stromausgang verwendet wird, beträgt das Signal beider Kalibrierung

If an instrument with voltage indication or currentoutput is used, the signal during calibration is:

XTKXUXXXXXXX vvvvvvTvTv δδδδδ)'()( 21 +++++∆+= ττ (5)

bzw. or:

XTKVXUVXVXVXVXVXXXX vcvcvcvcvcvcvTvT δδδδδ)(')( 21 ⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+∆⋅+= ττ (6)

5.3 Messgröße 5.3 Measurand

Die Messgröße ist die am Prüfling abgeleseneTemperatur bzw. das am Messausgang mit einemexternen Messinstrument abgelesenes Signal(Spannung oder Strom).

The measurand is the temperature read off from thetest object or the signal (voltage or current) read offat the measuring output by an external measuringinstrument.

Die Signalabschwächung infolge der Fenster-transmission (τ < 1) muss korrigiert werden.

The signal attenuation due to the transmission of thewindow (τ < 1) must be corrected.

5.4 Bezugsgröße 5.4 Reference quantity

Die Bezugsgröße ist die mit dem TSRT bestimmteTemperatur TS, wobei der Transmissionsgrad desFensters berücksichtigt ist. Mit dem TSRT wird amselben Ort gemessen wie mit dem Prüfling, d.h.Messfeldposition und Messfelddurchmesser solltenmöglichst identisch sein.

The reference quantity is the temperature TS,determined by means of the TSRT taking thetransmittance of the window into account. Themeasurements with the TSRT are carried out at thesame measuring field as with the test object.

5.5 Emissionsgrad des Hohlraums 5.5 Cavity emissivity

Die Korrektur für Emissionsgrad ungleich 1 (ε = 1 - ∆ε)ist dann erforderlich, wenn beide Strahlungsthermo-meter verschiedene Wellenlängen λX und λS haben.Dann wird

The correction for emissivity not equal to 1 (ε = 1 - ∆ε)is necessary when the two radiation thermometershave different wavelengths λX and λS. In this case,

1

2

1

2

)1(ln1)1(ln1δδδ−−

∆−⋅−−

∆−⋅−=−= ελελ

εεε cTcTTTT S

S

X

SSX (7)

Hinweis: Der Emissionsgrad wird hier als konstantangenommen (Grauer Strahler).

Notice: In this case the emissivity is assumed to beconstant (grey-body).


5.6 Transmission des Fensters 5.6 Transmission of the window

Der Transmissionsgrad des Fensters wird vor undnach der Kalibrierung gemessen, um festzustellen, obVeränderungen in der Fenstertransmission währendder Kalibrierung ∆τS und ∆τX (z.B. infolge von Be-dampfung) aufgetreten sind. Wenn ja müssen entspre-chende Korrekturen vorgenommen werden oder wenndie Transmissionsänderungen zu groß sind (z.B.größer als 0,01) eine Wiederholung der Messung.

The transmittance of the window is measured beforeand after calibration to find out whether any changesin the transmission of the window have occurredduring calibration ∆τS and ∆τX (e.g. due toevaporation). If so, appropriate corrections must bemade. If the changes in transmission are toosignificant (e.g. greater than 0.01), the measurementmust be repeated.

1

2

)1(ln1δ−

∆−−−= S

S

SSS cT

TT τλτ bzw.

1

2

)1ln(1δ−

∆−−−= X

X

SSX cT

TT τλτ (8)

5.7 Wellenlänge des Prüflings 5.7 Wavelength of the test object

Im Allgemeinen muss der Transmissionsgrad τX desFensters bei der effektiven Wellenlänge des Prüflingsgemessen werden. Daraus folgt eine Temperaturdiffe-renz ∆TXτ , die zur Messgröße addiert werden muss.Dieser Temperaturkorrektur ist die Messunsicherheitu4 in der nachfolgenden Tabelle zugeordnet.

In general, the transmittance τX of the window mustbe measured at the effective wavelength of the testobject. This yields a temperature difference ∆TXτ which must be added to the measurand. To thistemperature correction, the measurement uncertaintyu4 is assigned in the following table.

Wenn der spektrale Transmissionsgrad bei beidenWellenlängen gleich ist (τX=τS), kann λX aus demUnterschied zwischen ∆TSτ und ∆TXτ abgeschätztwerden:

If the spectral transmittance is identical at bothwavelengths (τX=τS), λX can be estimated from thedifference between ∆TSτ and ∆TXτ :

( )windowwithwindowwithoutXSSS

SX TTTTTTT

c −=∆

∆−

−∆−

+=τττ

λλ 11ln

2 (9)

oder or

X

S

SS

XS

S

X

TT

TTττ

λλ

τ

τ

lnln

11

11

⋅

∆−

∆−

= (10)

5.8 Messunsicherheit des Prüflings 5.8 Measurement uncertainty of the test object

Korrekturen infolge einer Mess- oderAbleseabweichung des Prüflings δTX1 und δTX2müssen im Einzelfall beurteilt werden.

Corrections due to a measurement or readingdeviation of the test object δTX1 and δTX2 must beassessed in the individual case.

Falls ein externes Anzeigeninstrument verwendetwird, sind dessen Messunsicherheit und Ablese-unsicherheit zu berücksichtigen.

If an external indicating device is used, itsmeasurement and reading uncertainty must be takeninto account.

5.9 Temperaturverteilung im Messfeld 5.9 Temperature distribution in the measuringfield

Die Korrektur aufgrund des Temperaturunterschiedszwischen Messfeld TSRT und Messfeld Prüfling istnötig, wenn die Messflächen unterschiedlich großsind und aufgrund einer Temperaturinhomogenität

The correction due to the temperature differencebetween measuring field of the working standard andmeasuring field of the test object becomes effective ifthe measuring fields are of different size and the


des Strahlers die mittleren Temperaturen derMessflächen sich dadurch um den Wert δTHunterscheiden. Bei der Kalibrierung wird der Mess-felddurchmesser des TSRT möglichst auf denMessfelddurchmesser des Prüflings eingestellt.Durch Ausmessen der Temperaturverteilung desHohlraums mit dem TSRT innerhalb und in derUmgebung des Messfelds des Prüflings lassen sichauftretende Temperaturdifferenzen ermitteln.

mean temperatures differ by the value δTH to beascribed. During calibration, the measuring fielddiameter of the working standard is set, if possible, tothe measuring field diameter of the test object. Byscanning the cavity by means of the workingstandard inside and around the measuring field, anytemperature differences occurring can be determined.

5.10 Umfeldfaktor 5.10 Size-of-source effect

Der Umfeldfaktor (SSE) des Prüflings wirkt sichinsbesondere dann auf die Kalibrierung aus, wennder Messfelddurchmesser des Prüflings nurunwesentlich kleiner als der Durchmesser desZylinderhohlraums des Schwarzen Strahlers ist. EineÜberprüfung kann in der Weise erfolgen, dass durchdefiniertes Verschieben des Messfelds in alleRichtungen innerhalb des Durchmessers desZylinderhohlraums die Abweichung δTXU bzw. δvXUder Messgröße ermittelt wird, um daraus dieMessunsicherheit zu berechnen.

The size-of-source effect (SSE) of the test object hasan influence on the calibration especially when themeasuring field diameter of the test object is onlyinsignificantly smaller than the diameter of thecylindrical cavity of the black-body radiator. A checkcan be carried out in such a way that by definedshifting of the measuring field in all directions withinthe diameter of the cylindrical cavity, the deviationδTXU or δvXU of the measurand is determined tocalculate the measurement uncertainty.

5.11 Temperaturkoeffizienten des Prüflings 5.11 Temperature coefficients of the test object

Zur Abschätzung der Messunsicherheit aufgrund desTemperaturkoeffizienten des Prüflings wird z. B. fürein Strahlungsthermometer mit Si-Detektor die An-nahme KT = 2·10-3 K-1 getroffen. Die Raumtemperaturbeträgt (22 ± 3) °C, d.h. die maximale Abweichungvom Mittelwert ∆Troom = 3 K. Damit wird

For estimating the measurement uncertainty due to thetemperature coefficient of the test object, e.g. for aradiation thermometer with Si detector, KT = 2·10-3 K-1

is assumed. The room temperature is (22 ± 3) °C, i.e.the maximum deviation to the mean value is∆Troom = 3 K. Thus,

2

2

δc

TTKT SXroomTXTK

⋅⋅∆⋅= λ(11)

5.12 Zeitliche Temperaturänderungen desHohlraumstrahlers

5.12 Temperature variations of the cavity radiatorwith time

Die Zeitdifferenz zwischen der Ablesung von TSRTund Prüfling führt zu einer Korrektur δTZ , die sich ausden Regelschwankungen des Hohlraumstrahlers ergibt.Z. B. bei einer Temperaturdrift von KRT = 0,2 K/minund einem Zeitversatz der beiden Messungen vontM = 0,5 min ergibt sich

The time difference between reading off the TSRTand the test object leads to a correction δTZ obtainedfrom the deviations of the cavity radiator. For example,at a temperature drift of KRT = 0.2 K/min and adifference in time between the two measurements oftM = 0.5 min, equation (12) is obtained.

δTZ = KRT ⋅ tM = 0,1 K (12)

5.13 Sensitivitätskoeffizient 5.13 Sensitivity coefficient

Der Sensitivitätskoeffizient cV ergibt sich fürStrahlungsthermometer, dessen Ausgangssignalproportional zur Temperatur ist, aus zwei Werten, z.B. v1 und v2 und den zugeordneten Temperaturen T1und T2

For radiation thermometers whose output signal isproportional to the temperature, the sensitivitycoefficient cV derives from two values, e.g. v1 and v2and the associated temperatures T1 and T2 ,


12

12

vvTTcV −

−= K/A (13)

Wenn das Ausgangssignal I proportional zurStrahldichte ist, kann der Sensitivitätskoeffizient cVmit der nach Gleichung (9) bzw. (10) abgeschätztenWellenlänge λX des Prüflings und der Beziehung(Gleichung 14) berechnet werden.

If the output signal I is proportional to the radiance,the sensitivity coefficient cV can be calculated bymeans of the wavelength λX of the test objectestimated by means of equation (9) or (10) and therelation

2

2

c⋅⋅=

ITc S

Vλ

K/A (14)

5.14 Messunsicherheitsbudget (Beispiel) 5.14 Uncertainty budget (example)

In der nachfolgenden Tabelle ist beispielhaft eineGesamtunsicherheit für die Kalibrierung einesStrahlungsthermometers gegen ein TSRT dargestellt.Da die oben im einzelnen aufgeführten Korrekturen imAllgemeinen klein sind und in den meisten Fällen diegenauen Größen dieser Korrekturen nicht bekannt sind,wird als bester Schätzwert 0 angenommen. Es ist aberihre Unsicherheit und deren Beitrag auf dieUnsicherheit des Messergebnisses zu berücksichtigen.Ausnahme ist die Temperaturkorrektur ∆ TXτ . Sie ist imAllgemeinen nicht klein und muss durchgeführt werden.

In the table below, an overall uncertainty for thecalibration of a radiation thermometer against aTSRT is shown as an example. As the correctionslisted above in detail are generally small, and as inmost cases little is known about the magnitude ofthese corrections, 0 is assumed as the best estimate.However, their uncertainty and its contribution to theuncertainty of the measurement result are be takeninto account. An exception is the temperaturecorrection ∆ TXτ , which in general is not small andhas to be carried out.

Wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung einesUnsicherheitsbeitrags durch eine Rechteckverteilungbeschrieben, so ist der in die Gesamtunsicherheiteingehende Unsicherheitsbeitrag die halbe Breite derRechteckverteilung dividiert durch 7,13 ≈ .

If the probability density of an uncertaintycontribution is described by a rectangulardistribution, the contribution of this uncertainty to theoverall uncertainty is given by half the width of therectangular distribution divided by 7.13 ≈ .

Im folgenden Beispiel werden die nachfolgendenZahlenwerte angenommen:

For the following example these values are used:

λ S = 6,52·10-7 m τ S = 0,932

λ X = 9,00·10-7 m τ X = 0,932

∆τ S = 0,002 Κ T = 2·10-3 K-1

∆τ X = 0,005 ∆ Troom = 3,00 K

∆ε = 0,005 KRT = 0,5 K/min

δ TX1 = 0,5 K tM = 0,5 min

δ TX2 = 0,5 K


∑= 2nuu (15)

u: Standardmessunsicherheit (k=1)(Vertrauensniveau etwa 68 %)

u: Measurement uncertainty (k=1)(Confidence level about 68 %)

uU ⋅= 2 (16)

U: Erweiterte Messunsicherheit (k=2)(Vertrauensniveau etwa 95 %)

U: Extended measurement uncertainty (k=2)(Confidence level about 95 %)

Sensitivitäts-koeffizientSensitivitycoefficient

cv

VerteilungDistribution

W

W

tS °C 1001 1301 1600 1801 2199TS K 1274 1574 1873 2074 2472tX' °C 997 1293 1590 1786 2175tX °C 1004 1304 1605 1805 2202

Messunsicherheit Normal 1 normal 1 δ TS1 K 0,4 0,6 0,9 1,14 1,75Measurement uncertainty of standard u1 K 0,40 0,60 0,90 1,14 1,75Fensterkorrektur Normal 1 Rechteck 1,7 δ TSτ K 0,15 0,22 0,32 0,39 0,55Window correction of standard rectangular u2 K 0,09 0,13 0,18 0,23 0,32Messunsicherheit Prüfling 1 normal 1 δ TX1 K 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5Measurement uncertainty of test object u3 K 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50

∆ TXτ K 7 11 15 19 27Fensterkorrektur Prüfling 1 Rechteck 1,7 δ ∆TXτ K 0,51 0,78 1,1 1,35 1,91Window correction of test object rectangular u4 K 0,29 0,45 0,64 0,78 1,11Emissionsgrad Korrektur 1 Rechteck 1,7 δ Tε K -0,14 -0,21 -0,3 -0,37 -0,53Emissivity correction rectangular u5 K -0,08 -0,12 -0,18 -0,22 -0,31Umfeld Prüfling 1 Rechteck 1,7 δ TXU K 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5Size-of-source of test object rectangular u6 K 0,29 0,29 0,29 0,29 0,29Temperatur-Koeffizient Prüfling 1 Rechteck 1,7 δ TXTK K 0,61 0,93 1,32 1,61 2,29Temperature coefficient of test object rectangular u7 K 0,35 0,54 0,76 0,93 1,32Ablesefehler Prüfling 1 Rechteck 1,7 δ TX2 K 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5Reading error of test object rectangular u8 K 0,29 0,29 0,29 0,29 0,29Zeitliche Änderung Temperatur 1 Rechteck 1,7 δ TZ K 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25Variation of temperature with time rectangular u9 K 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15Temperatur-Verteilung Messfläche 1 Dreieck 3,5 δ TH K 2 2 2 2 2Temp. distribution on measuring field triangular u10 K 0,58 0,58 0,58 0,58 0,58Gesamtunsicherheit u K 1,08 1,29 1,63 1,91 2,65Overall uncertainty U K 2,2 2,6 3,3 3,9 5,3

vdi_3511_4.3_2004-02-16

Documents

mit nderung

effektiven wellenlnge

calibration procedure4

ohne nderung

different calibration

test object5

temperature variations

temperature distribution