Entwicklung und Prüfung einer hochpräzisen stationären Kalibriereinrichtung für Dünnfilm-Thermoelemente in der Luftfahrt

Temperatur messen, wo es zählt

Moderne Strahltriebwerke und andere Hochtemperaturmaschinen laufen so heiß, dass nur winzige, schnell ansprechende Sensoren an ihren Oberflächen überleben können. Dünnfilm-Thermoelemente gehören zu den wenigen Bauteilen, die diese extremen Temperaturen zuverlässig erfassen können, müssen aber selbst zuvor sehr präzise geprüft und kalibriert werden. Dieser Beitrag beschreibt ein neues Laborgerät, das eine außerordentlich stabile Temperaturumgebung erzeugt und es Ingenieuren ermöglicht, den Messwerten dieser empfindlichen, aber unverzichtbaren Sensoren zu vertrauen.

Warum winzige Temperatursensoren sorgfältig geprüft werden müssen

Dünnfilm-Thermoelemente sind haarfeine Metallbeschichtungen, die direkt auf Bauteile wie Turbinenschaufeln, Brennkammern oder Rohrläufe aufgedruckt werden. Wenn ein Ende der Schicht heiß und das andere kühler ist, entsteht ein elektrisches Signal, das die Temperatur anzeigt. Um dieses Signal in eine verlässliche Temperatur zu übersetzen, müssen Forscher die Schicht bekannten Temperaturen aussetzen und ihr Verhalten beobachten. Das klingt einfach, ist in der Praxis jedoch schwierig: Viele vorhandene Kalibrieröfen halten die Temperatur über der kleinen Messregion nicht gleichmäßig, und das kühlere Referenzende kann durch Veränderungen der Umgebungsbedingungen driftanfällig sein. Das führt zu vermeidbaren Messfehlern, die bei der Konstruktion und Absicherung kritischer Luftfahrttechnik problematisch sind.

Ein homogeneres Wärmebad bauen

Die Autoren entwarfen eine neue stationäre Kalibriereinrichtung, die genau diese Schwächen angeht. Im Kern steht ein kompakter Rohrofen, der entlang seiner Länge in drei Heizzonen unterteilt ist, kombiniert mit einem separaten temperaturgeregelten Metallblock, der als kühles Referenzende dient. Ein zu prüfendes Dünnfilm-Thermoelement wird so geführt, dass sein heißes Ende in der Mitte des Ofens liegt, während sein kaltes Ende auf dem Metallblock ruht. Ein hochempfindliches Elektronikmessgerät zeichnet die winzige Spannung auf, die die Schicht erzeugt, während die Ofentemperatur variiert wird. Durch gezielte Gestaltung, wie Wärme im Ofen und im Block zu- und abgeführt wird, hält das System die Temperaturen stabil und gleichmäßig — genau das, was für eine präzise Kalibrierung erforderlich ist.

Wärmeformung mit Computermodellen

Um das beste Design vor dem Bau der Hardware zu finden, nutzte das Team Computersimulationen des Wärmeflusses im Ofenrohr und im Referenzblock. Im Ofen untersuchten sie verschiedene Möglichkeiten, den Heizdraht in drei Zonen aufzuteilen und die Leistung jeder Zone zuzuweisen. Ziel war ein langer Mittelbereich, in dem die Temperatur von Punkt zu Punkt kaum variiert. Die Simulationen zeigten, dass gleich lange Zonen und eine leichte Leistungsanhebung an den beiden Enden das Temperaturprofil abflachen, ohne außerhalb der Mitte heiße Stellen zu erzeugen. Für den Referenzblock modellierten die Forscher eine Kupfersäule mit einer oberen Platte, die von unten durch eine Stange beheizt und durch Wasser, das durch einen Kühler und einen Ventilator zirkuliert, gekühlt wird. Das Gleichgewicht von Heizung und Kühlung ergab eine nahezu uniforme Temperatur über der oberen Fläche, auf der das kalte Ende des Sensors liegt.

Das neue Gerät auf die Probe stellen

Nach den Simulationen bauten die Forscher einen Prototyp und verglichen seine Performance mit einem herkömmlichen Ein-Zonen-Ofen. Sie platzierten standardisierte, hochwertige Thermoelemente entlang des Rohrs, um die Temperatur alle 10 Millimeter zu vermessen. Im neuen Mehrzonenofen lag der heißeste Punkt am geometrischen Zentrum, die Temperatur änderte sich nur geringfügig entlang der Länge, und der Bereich nahezu konstanter Temperatur erstreckte sich über etwa 100 Millimeter. Der traditionelle Ofen erfüllte zwar die Mindestanforderungen nationaler Normen, zeigte jedoch einen kürzeren gleichmäßigen Bereich, eine steilere Temperaturänderung und eine leichte Verschiebung des heißesten Punkts aus der Mitte. Auch der Referenzblock überzeugte: Im Arbeitsbereich von 50–300 °C schwankte seine Temperatur innerhalb von zehn Minuten um weniger als ein Viertel Grad, trotz Einflüssen aus der Umgebung.

Was das für Messungen in der Praxis bedeutet

Um zu bestätigen, dass diese Verbesserungen in verlässliche Zahlen münden, untersuchten die Autoren, wie die verbleibenden kleinen Temperatur- und Elektronikschwankungen zur Gesamtunsicherheit beitragen. Sie fanden heraus, dass der kombinierte Fehler des Systems deutlich unter einem Drittel der zulässigen Toleranz für standardisierte hochgenaue Thermoelemente bleibt — ein gebräuchlicher Referenzwert in der Messtechnik. Einfach ausgedrückt schafft die neue Kalibriereinrichtung eine ungewöhnlich gleichmäßige und stabile Hitzezone auf der heißen Seite sowie eine sehr konstante Kaltseite, die beide erforderlich sind, um Dünnfilm-Thermoelemente präzise „anzulernen“, welche Temperaturen sich elektrisch wie darstellen. Für Ingenieure, die Motoren, Waffensysteme oder Raumfahrtkomponenten entwerfen, die an der Grenze dessen arbeiten, was Materialien aushalten, bedeutet dies größere Zuverlässigkeit, dass die verwendeten Temperaturkarten die Realität akkurat widerspiegeln.

Zitation: Yang, J., Fang, C., Xu, Z. et al. Development and testing of a high-precision static calibration device for aviation thin-film thermocouples. Sci Rep 16, 10813 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45689-6

Schlüsselwörter: Dünnfilm-Thermoelement, Temperaturkalibrierung, Hochtemperaturofen, Luftfahrtsensoren, Temperaturgleichmäßigkeit