Thermometer kalibreren

Thermometer kalibreren is het proces waarbij ervoor wordt gezorgd dat een thermometer correcte temperatuurmetingen levert. Dit wordt gedaan door de meetwaarden van de thermometer te vergelijken met een referentiestandaard (bijvoorbeeld een temperatuurfixpunt) of een bekende temperatuurbron (vergelijkingskalibratie). Het doel van de kalibratie is om eventuele afwijkingen of fouten te identificeren en indien nodig aan te passen, zodat de thermometer nauwkeurige metingen levert.

Methoden voor het kalibreren van thermometers

In principe zijn er twee verschillende methoden om thermometers te kalibreren: de kalibratie volgens de vergelijkingsmethode en de kalibratie op temperatuurfixpunten.

Thermometer kalibreren volgens de vergelijkingsmethode

De nulde hoofdwet stelt dat als twee systemen elk in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem, ze ook onderling in thermisch evenwicht staan. Uitgaande van deze hoofdwet kan men concluderen dat als een gekalibreerde thermometer dezelfde temperatuur aangeeft als de werkelijke temperatuur in een kalibratiebad en de te kalibreren thermometer eveneens deze temperatuur aangeeft, beide thermometers dezelfde temperatuur meten. Dit geldt echter alleen onder de voorwaarde dat er een evenwichtstoestand is, wat in de echte wereld niet altijd het geval is.

De vergelijkingsmethode is een van de meest gangbare en efficiënte technieken om thermometers te kalibreren. Daarbij wordt de te controleren thermometer vergeleken met een uiterst nauwkeurige referentiethermometer, waarvan de meetnauwkeurigheid en herleidbaarheid tot nationale of internationale standaarden is gewaarborgd.

Verloop van de thermometerkalibratie

1. Voorbereiding van de kalibratie:
   • De te controleren thermometer en de referentiethermometer worden voorbereid. Beide moeten schoon en in perfecte staat zijn.
   • Een stabiele kalibratie-inrichting, zoals een kalibratiebad of een droogblokkalibrator, wordt op de gewenste temperatuur ingesteld. Deze apparaten zorgen voor een homogene en stabiele temperatuurverdeling.
2. Temperatuurpunten definiëren:
   • De kalibratie vindt doorgaans plaats op meerdere kalibratiepunten die in het meetbereik van de thermometer liggen, bijvoorbeeld bij 0 °C, 50 °C en 100 °C. De punten kunnen variëren afhankelijk van de toepassing.
3. Vergelijkingsmeting uitvoeren:
   • Beide thermometers worden tegelijkertijd in de kalibratie-inrichting gebracht, waarbij erop moet worden gelet dat ze zich op dezelfde temperatuur bevinden. Dit minimaliseert temperatuurgradiënten en waarborgt nauwkeurige resultaten.
   • Zodra de temperatuur in de kalibratie-inrichting stabiel is, worden de meetwaarden van de referentie- en de testthermometer geregistreerd.
4. Afwijkingen analyseren:
   • Kalibreren betekent “vaststellen van een afwijking”. Het verschil tussen de weergegeven waarden van de referentiethermometer en de te kalibreren thermometer wordt vastgesteld. Deze afwijkingen worden gedocumenteerd en kunnen, indien nodig, voor een justering worden gebruikt.

Voordelen van de vergelijkingsmethode

• Hoge nauwkeurigheid: Dankzij het gebruik van een nauwkeurige referentiethermometer en stabiele kalibratie-inrichtingen zijn de resultaten zeer betrouwbaar.
• Flexibiliteit: De methode is geschikt voor verschillende thermometer types, inclusief vloeistof-, weerstands- of infraroodthermometers.
• Efficiëntie: Meerdere thermometers kunnen tegelijkertijd worden gekalibreerd, wat de methode in de praktijk bijzonder economisch maakt.

Typische toepassingsgebieden

De vergelijkingsmethode wordt vaak toegepast in testlaboratoria, de industrie en kalibratielaboratoria, met name wanneer een hoge nauwkeurigheid vereist is. Ze is ideaal voor routinekalibraties en de kwaliteitsborging in processen waarbij nauwkeurige temperatuurmetingen cruciaal zijn.

Thermometer kalibreren op temperatuurfixpunten

Bij de thermometerkalibratie op temperatuurfixpunten dient als temperatuurnormaal niet een gekalibreerde referentiethermometer, maar een zogenaamd temperatuurfixpunt. Deze temperatuurfixpunten worden gebruikt als definiërende temperaturen van de ITS-90-temperatuurschaal en voor de kalibratie van thermometers.

De Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90) definieert de temperatuurschaal met negen fixpunten in het bereik van -189,3442°C (tripelpunt van argon) tot 961,78°C (stollingspunt van zilver). Deze fixpunten zijn thermodynamische evenwichtstoestanden tijdens de faseovergangen van zuivere stoffen.

Een voorbeeld van een fixpunt is het tripelpunt van water, waar hoogzuiver water bij 0,01°C in vaste, vloeibare en gasvormige toestand aanwezig is. Deze toestand kan dan in een watertripelpuntcel worden gebruikt om thermometers op deze gedefinieerde temperatuur te kalibreren.

Hoe vaak moet een thermometer worden gekalibreerd?

Op deze vraag is geen absoluut of eenduidig antwoord. De frequentie van de kalibratie van thermometers hangt in het algemeen van verschillende factoren af:

1. Verwendungszweck des Thermometers: Een thermometer die in kritische toepassingen zoals in de geneeskunde of in de levensmiddelenindustrie wordt ingezet, moet mogelijk vaker worden gekalibreerd dan een eenvoudige huishoudthermometer.
2. Nauwkeurigheidseisen: Sommige processen vereisen een zeer hoge temperatuurnauwkeurigheid. In zulke gevallen is een regelmatige kalibratie essentieel.
3. Omgevingsomstandigheden: Thermometers die onder extreme omstandigheden worden ingezet (bijv. zeer hoge temperaturen), kunnen gevoeliger zijn voor onnauwkeurigheden en zouden daarom vaker moeten worden gecontroleerd.
4. Eerdere kalibratieresultaten: Als bij de laatste kalibraties geen of slechts geringe afwijkingen werden vastgesteld, kan de tijd tussen de kalibraties mogelijk worden verlengd. Als echter bij elke kalibratie aanzienlijke afwijkingen worden vastgesteld, zou de kalibratiefrequentie moeten worden verhoogd.

Als algemene regel geldt dat kritische thermometers minstens eenmaal per jaar moeten worden gekalibreerd. In sommige branches of bij bepaalde toepassingen kan echter een frequentere kalibratie vereist zijn, bijvoorbeeld elke drie of zes maanden. Het is altijd een goed idee om een regelmatige controle en kalibratie in het onderhoudsplan op te nemen om ervoor te zorgen dat de thermometer correct functioneert.

Men kan zich bij het vaststellen van kalibratiecycli ook oriënteren op normen en richtlijnen. Zo is de DIN EN ISO/IEC 17025 een internationale norm die eisen stelt aan de competentie van test- en kalibratielaboratoria. Als een laboratorium volgens deze norm is geaccrediteerd, betekent dit dat het de technische competentie bezit en een managementsysteem heeft ingericht dat de productie van consistente en geldige resultaten waarborgt.

De kalibratie van meetinstrumenten, inclusief thermometers, is een belangrijk onderdeel van deze norm. Enkele hoofdpunten met betrekking tot de kalibratie uit de DIN EN ISO/IEC 17025 zijn:

1. Algemene eisen: Laboratoria moeten ervoor zorgen dat alle apparatuur die een invloed op de resultaten zou kunnen hebben, gekalibreerd en/of gekwalificeerd is.
2. Intervallen: De norm schrijft geen specifieke kalibratie-intervallen voor. In plaats daarvan zouden laboratoria hun risicomanagement moeten gebruiken om de frequentie van de kalibraties te bepalen.
3. Herleidbaarheid: Kalibraties zouden herleidbaar moeten zijn tot nationale of internationale standaarden.
4. Registraties: Laboratoria moeten registraties over kalibraties bijhouden, inclusief details over de methode, de bediener, de omgevingsomstandigheden, de bevestigingsintervallen, de resultaten en alle afwijkingen.

De Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) heeft aanvullende documenten en regelgeving die specifieke eisen en aanbevelingen voor de kalibratie in verschillende gebieden bevatten. Als een laboratorium in Duitsland volgens DIN EN ISO/IEC 17025 is geaccrediteerd, moet het ook de relevante DAkkS-regels volgen.

Een laboratorium dat volgens DIN EN ISO/IEC 17025 is geaccrediteerd, moet een duidelijk beleid en procedures voor de kalibratie van zijn apparatuur hebben. De exacte frequentie van de kalibratie wordt echter door het laboratorium zelf bepaald, gebaseerd op zijn risicomanagement en de specifieke eisen van zijn accreditatie.

Nationale en internationale normen bij het kalibreren van thermometers

Bij het kalibreren van thermometers speelt een belangrijke rol in de meettechniek, met name in branches waarin nauwkeurige temperatuurmetingen noodzakelijk zijn. Nationale en internationale normen bieden duidelijke richtlijnen voor de uitvoering en documentatie van deze kalibraties.

Internationale normen

• ISO/IEC 17025: Deze norm definieert de algemene eisen aan de competentie van kalibratielaboratoria. Ze stelt zeker dat kalibratieresultaten internationaal vergelijkbaar en herleidbaar zijn.
• ITS-90: De Internationale Temperatuurschaal van 1990 biedt een referentie voor de kalibratie van thermometers door definiërende temperatuurfixpunten. Ze definieert bovendien standaard platina weerstandsthermometers (SPRT) als interpolatie-instrument.
• IEC 60584: Deze norm regelt thermokoppels en hun thermospanningen, die voor nauwkeurige temperatuurmetingen belangrijk zijn.
• IEC 60751: De norm beschrijft eisen voor platina-weerstandsthermometers (RTD’s), die vaak in uiterst nauwkeurige toepassingen worden gebruikt.

Nationale normen en richtlijnen

• DIN EN ISO 9001: Deze norm legt de focus op kwaliteitsmanagementsystemen en betreft ook kalibratieprocessen in verschillende industrieën.
• DKD-richtlijnen: De Duitse Kalibratiedienst-richtlijnen bieden specifieke aanwijzingen voor kalibratielaboratoria in Duitsland. Deze richtlijnen vullen ISO 17025 aan en definiëren specifieke procedures en methoden.
• EURAMET-richtlijnen: Op Europees niveau stelt EURAMET metrologische richtlijnen beschikbaar die laboratoria en kalibratie-instanties ondersteunen om consistente en herleidbare kalibraties uit te voeren.

Betekenis van de herleidbaarheid

Alle genoemde normen benadrukken de betekenis van de herleidbaarheid bij het kalibreren van thermometers, dus de mogelijkheid om kalibraties op internationale standaarden terug te voeren. Dit garandeert dat temperatuurmetingen wereldwijd vergelijkbaar zijn.

Door de naleving van deze normen en richtlijnen stellen bedrijven zeker dat hun thermometers aan de hoogste eisen aan nauwkeurigheid en betrouwbaarheid voldoen – een belangrijke voorwaarde voor de kwaliteitsborging in veel industrieën.

Tips voor het succesvol kalibreren van thermometers

Tip 1: Een thermometer meet alleen zijn eigen temperatuur

De uitspraak “Een thermometer meet alleen zijn eigen temperatuur” wijst op een fundamenteel principe bij het kalibreren van thermometers.

Als u een thermometer gebruikt om de temperatuur van iets te meten, of het nu de lucht, een vloeistof of een vaste stof is, wat u eigenlijk meet, is hoe warm of koud DE THERMOMETER zelf is. De thermometer bereikt een thermisch evenwicht met het medium dat hij meet. Dit betekent dat hij dezelfde temperatuur aanneemt als het medium.

Een eenvoudig voorbeeld is een kwikthermometer. Het kwik in de thermometer zet uit en trekt samen, gebaseerd op hoe warm of koud het is. Als u hem in warm water dompelt, zal het kwik uitzetten, omdat het WARMER wordt. Als u hem in koud water dompelt, zal het samentrekken, omdat het KOUDER wordt. In beide gevallen meet de thermometer daadwerkelijk hoe warm of koud HET KWIK is, niet direct het water. Maar omdat het kwik snel een thermisch evenwicht met het water bereikt, geeft de thermometer effectief de temperatuur van het water aan.

Hetzelfde principe geldt voor digitale thermometers, PT100 (weerstandsthermometers), thermokoppels en andere. Ze reageren allemaal op temperatuurveranderingen door hun eigen temperatuur te veranderen en dan deze waarde weer te geven of te meten.

Het is belangrijk te onthouden dat voor een nauwkeurige temperatuurmeting de thermometer en het te meten object voldoende tijd moeten hebben om een thermisch evenwicht te bereiken. Anders zou de meting onnauwkeurig kunnen zijn.

Tip 2: Thermokoppels maken altijd een verschilmeting

Een thermokoppel bestaat uit twee verschillende metalen die aan één uiteinde met elkaar verbonden zijn. Als er op dit verbindingspunt (genaamd “meetpunt” of “hete las”) een andere temperatuur heerst dan aan het andere uiteinde van de twee metalen (genaamd “vergelijkingspunt” of “koude las”), ontstaat er tussen deze twee punten een spanning. Deze spanning wordt thermospanning genoemd en hangt af van het temperatuurverschil tussen de twee uiteinden en de specifieke materiaaleigenschappen van de twee metalen.

Dat betekent dat een thermokoppel altijd het temperatuurverschil tussen het meetpunt en het vergelijkingspunt meet. Om de absolute temperatuur op het meetpunt te bepalen, moet de temperatuur op het vergelijkingspunt bekend zijn. Vaak wordt dit vergelijkingspunt op een bekende temperatuur gekoeld (bijv. 0°C bij een zogenaamd extern vergelijkingspunt) of wordt bijv. bij ministekkers de kamertemperatuur als referentie gebruikt.

Een thermokoppel meet daarom niet direct een absolute temperatuur, maar een temperatuurverschil tussen twee punten. Om een absolute temperatuurmeting te verkrijgen, moet de temperatuur op een van de twee punten bekend zijn.

Tip 3: Weerstandsthermometers meten altijd te warm

Weerstandsthermometers, vaak ook aangeduid als Pt100 of Pt1000 (waarbij de getallen de nominale weerstanden bij 0°C aangeven), gebruiken de temperatuurafhankelijke weerstand van een metaal, meestal platina, om temperaturen te meten. Wanneer er een elektrische stroom door een weerstand vloeit, wordt deze weerstand verwarmd. Dit is een direct resultaat van de wet van Ohm, waarbij het elektrische vermogen P door een weerstand R wordt beschreven als P = I^2 × R, waarbij I de stroom is die door de weerstand vloeit.

Bij weerstandsthermometers wordt een meetstroom door de platinaweerstand gestuurd om de weerstand (en dus de temperatuur) te meten. Maar juist deze meetstroom kan – met name als hij te hoog is – tot een noemenswaardige verwarming van de meetweerstand leiden. Deze verwarming vervalst dan het meetresultaat, omdat de sensor warmer wordt dan de eigenlijke omgeving die gemeten moet worden. Als gevolg daarvan geeft de weerstandsthermometer een te hoge temperatuur aan.

Bij nauwkeurige metingen of toepassingen moet de door de meetstroom veroorzaakte verwarming in aanmerking worden genomen en gecompenseerd worden.

Bronnen

• Walter Blanke: Die Internationale Temperaturskala von 1990: ITS-90
• Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
• Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatuur“, Ausgabe 3