Kalibracja temperatury jest ważnym procesem w wielu gałęziach przemysłu, który zapewnia dokładność i niezawodność urządzeń do pomiaru temperatury. Temperatura jest monitorowana w wielu zastosowaniach, czy to w produkcji, medycynie, badaniach naukowych czy wytwarzaniu energii. Niedokładne pomiary mogą prowadzić do błędów w produkcji, zagrożeń bezpieczeństwa i zwiększonych kosztów. Kalibracja temperatury zapewnia, że urządzenia do pomiaru temperatury dostarczają prawidłowe wartości, poprzez porównanie ich z certyfikowanym urządzeniem referencyjnym. Proces ten umożliwia przestrzeganie standardów jakości i wymogów prawnych.
Kalibracja temperatury oznacza więc nie tylko sprawdzanie urządzenia pomiarowego, ale obejmuje również walidację i dokumentację, aby zapewnić, że pomiary są identyfikowalne i powtarzalne.
Spis treści
Co to jest kalibracja temperatury?
Kalibracja temperatury to proces, w którym urządzenie do pomiaru temperatury jest sprawdzane w celu upewnienia się, że dostarcza dokładnych i niezawodnych odczytów. Jest ono porównywane z urządzeniem referencyjnym, którego temperatura jest dokładnie znana, w celu ustalenia odchyleń. Zapewnia to dokładność urządzenia pomiarowego.
Znaczenie i zastosowanie w przemyśle
W licznych gałęziach przemysłu, takich jak farmaceutyczny, spożywczy, chemiczny i motoryzacyjny, precyzyjny pomiar temperatury ma znaczenie. Procesy produkcyjne, warunki przechowywania i kontrola jakości często silnie zależą od dokładnych danych dotyczących temperatury. Niedokładne pomiary mogą mieć istotny wpływ na jakość produktu, bezpieczeństwo i wydajność. Dlatego regularne kalibracje są ważne, aby zminimalizować źródła błędów i zapewnić zgodność z przepisami prawnymi i międzynarodowymi standardami, takimi jak DIN EN ISO/IEC 17025.
Przegląd różnych metod kalibracji
Istnieją różne metody kalibracji temperatury, które różnią się w zależności od zastosowania i wymagań. Do najpopularniejszych metod należą metoda porównawcza, w której kalibrowany termometr jest porównywany z precyzyjnym termometrem referencyjnym. Kalibracja w punkcie stałym, w której wykorzystywane są zdefiniowane punkty temperatury, takie jak punkty krzepnięcia metali lub punkt potrójny wody, jest drugą metodą kalibracji temperatury.
Cele kalibracji temperatury
Kalibracja temperatury ma kilka ważnych celów:
- Dokładność: Zapewnienie, że urządzenia pomiarowe dostarczają precyzyjne i spójne wartości.
- Bezpieczeństwo: Zapobieganie krytycznym dla bezpieczeństwa błędom, które mogłyby powstać w wyniku niedokładnych pomiarów, szczególnie w medycynie i przemyśle.
- Efektywność: Poprawa efektywności procesów produkcyjnych, ponieważ wadliwe urządzenia pomiarowe mogą prowadzić do przestojów w produkcji lub wad jakościowych.
Kalibracje zapewniają również, że pomiary są identyfikowalne, tzn. można je odnieść do międzynarodowych standardów i norm.
Podstawy pomiaru temperatury
Różne metody pomiaru temperatury
Istnieje kilka metod pomiaru temperatury, które różnią się w zależności od zastosowania i wymagań dotyczących dokładności. Najbardziej rozpowszechnione to:
- Termometry rezystancyjne (RTDs): Wykorzystują wzrost rezystancji materiałów, takich jak platyna (np. PT100), wraz ze wzrostem temperatury.
- Termopary: Łączą dwa różne metale, które wytwarzają napięcie proporcjonalne do temperatury.
Fizyczne zasady pomiaru temperatury
Większość urządzeń do pomiaru temperatury wykorzystuje właściwości fizyczne, które zmieniają się wraz z temperaturą, takie jak opór elektryczny (RTDs), napięcie termoelektryczne (termopary) lub promieniowanie (podczerwień). Zmiany te są rejestrowane i przeliczane na wartości temperatury.
Niepewności pomiarowe i czynniki wpływające
Niepewności pomiarowe to nieuniknione, kwantyfikowalne odchylenia w wynikach pomiarów. Powstają one w wyniku różnych czynników, takich jak dokładność urządzenia pomiarowego, zakłócenia zewnętrzne lub warunki otoczenia. Niepewność opisuje zakres, w którym z pewnym prawdopodobieństwem znajduje się rzeczywista wartość mierzonej wielkości.
Podczas kalibracji temperatury podejmuje się próby zminimalizowania tych niepewności i uczynienia ich zrozumiałymi. W Niemczech stosuje się w tym celu standardowe procedury, które są definiowane przez Niemiecką Jednostkę Akredytacyjną (DAkkS) i DKD (Niemiecki Serwis Kalibracyjny) w ramach Przewodnika po wyrażaniu niepewności pomiaru (GUM).
GUM jest międzynarodowo uznanym dokumentem, który określa metodologiczne podstawy ustalania niepewności pomiarowych. Uwzględnia on zarówno błędy systematyczne, jak i losowe. Zawiera modele matematyczne do obliczania i transparentnego przedstawiania niepewności. Dzięki podejściu GUM niepewność w pomiarach jest dokumentowana. Dzięki temu wyniki kalibracji są identyfikowalne i porównywalne.
DAkkS zapewnia, że laboratoria kalibracyjne w Niemczech przestrzegają norm i procedur opisanych w GUM i akredytuje te laboratoria zgodnie z DIN EN ISO/IEC 17025.
Metody kalibracji temperatury
Istnieją różne metody kalibracji termometrów: Metoda porównawcza wykorzystuje termometr referencyjny do ustalenia odchyleń, podczas gdy kalibracja w punkcie stałym wykorzystuje precyzyjne punkty stałe temperatury zgodnie z ITS-90, aby zapewnić najwyższą dokładność.
Kalibracja temperatury metodą porównawczą
Metoda porównawcza jest jedną z najczęściej stosowanych technik kalibracyjnych i charakteryzuje się elastycznością i łatwością wykonania. Polega na porównaniu kalibrowanego termometru z już skalibrowanym termometrem referencyjnym.
Oba urządzenia są umieszczane w stabilnym środowisku, takim jak łaźnia kalibracyjna lub kalibrator blokowy. Różnica między wartościami pomiarowymi wskazuje odchylenie kalibrowanego termometru. Metoda ta jest często stosowana w zastosowaniach przemysłowych, ponieważ obejmuje duży zakres temperatur i nadaje się do wielu urządzeń do pomiaru temperatury.
Kalibracja temperatury w punktach stałych temperatury ITS-90
Kalibracja w punkcie stałym oferuje najwyższą precyzję w kalibracji temperatury i opiera się na Międzynarodowej Skali Temperatur z 1990 r. (ITS-90). Skala ta definiuje szereg międzynarodowo uznanych punktów stałych, w których stany fizyczne (przejścia fazowe), takie jak topnienie lub krzepnięcie, reprezentują dokładnie zdefiniowane temperatury. Do najważniejszych punktów stałych należy punkt potrójny wody (0,01°C). Podczas kalibracji w punkcie stałym termometr jest porównywany bezpośrednio z tymi definiującymi temperaturami, co umożliwia uzyskanie niezwykle precyzyjnych wyników.
ITS-90, dzięki swoim punktom stałym temperatury, oferuje dokładną podstawę do kalibracji temperatury i jest stosowana przede wszystkim w zastosowaniach naukowych i metrologicznych. Wysoka dokładność i identyfikowalność z międzynarodowo uznanymi standardami sprawiają, że kalibracja w punkcie stałym jest metodą z wyboru dla precyzyjnych zastosowań laboratoryjnych. Jednak ze względu na skomplikowaną aparaturę i specjalistyczne warunki jej zastosowanie jest ograniczone.
Punkty stałe Międzynarodowej Skali Temperatur z 1990 r. (ITS-90), które są wykorzystywane w kalibracji w punkcie stałym, obejmują między innymi:
- Punkt potrójny Argonu: -189,3442 °C
- Punkt potrójny Rtęci: -38,8344 °C
- Punkt potrójny Wody: 0,01 °C
- Punkt topnienia Galu: 29,7646 °C
- Punkt krzepnięcia Indu: 156,5985 °C
- Punkt krzepnięcia Cyny: 231,928 °C
- Punkt krzepnięcia Cynku: 419,527 °C
- Punkt krzepnięcia Aluminium: 660,323 °C
- Punkt krzepnięcia Srebra: 961,78 °C
Normy i standardy w kalibracji temperatury
DIN EN ISO/IEC 17025: Wymagania dla laboratoriów kalibracyjnych
DIN EN ISO/IEC 17025 określa ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i kalibracyjnych. Obejmuje kryteria dotyczące kompetencji technicznych, jakości wyników kalibracji i identyfikowalności pomiarów. Laboratoria akredytowane zgodnie z tą normą spełniają międzynarodowo uznane standardy i gwarantują wiarygodne wyniki pomiarów.
Więcej informacji:
Akredytacja zgodnie z DIN EN ISO/IEC 17025
ITS-90 (Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 r.)
ITS-90 definiuje precyzyjne punkty stałe temperatury, które są wykorzystywane na całym świecie do kalibracji urządzeń do pomiaru temperatury. Zapewnia, że pomiary są identyfikowalne z międzynarodowo uznanymi standardami.
Dodatkowo ITS-90 definiuje SPRT (Standardowy Platynowy Termometr Rezystancyjny) jako instrument interpolacyjny, który jest stosowany między punktami stałymi. SPRT oferują najwyższą dokładność i są wykorzystywane w precyzyjnych kalibracjach jako odniesienie i do pomiaru dokładnych temperatur.
Więcej informacji:
Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 r. (ITS-90)
Znaczenie identyfikowalności w metrologii
Identyfikowalność oznacza, że wyniki pomiarów można odnieść do krajowych lub międzynarodowych standardów, takich jak ITS-90. Zapewnia to, że pomiary są porównywalne na całym świecie. Kalibracje identyfikowalne dają pewność, że urządzenia pomiarowe spełniają standardy.
Wytyczne DKD
Wytyczne DKD (Deutscher Kalibrierdienst) to zbiór wytycznych technicznych, które określają szczegółowe wymagania i procedury dotyczące kalibracji w różnych obszarach pomiarowych, w tym temperatury. Wytyczne te zawierają szczegółowe instrukcje dotyczące przeprowadzania kalibracji i oceny niepewności pomiaru. Uzupełniają normę DIN EN ISO/IEC 17025 i służą jako praktyczny przewodnik dla laboratoriów kalibracyjnych, aby zapewnić spójne i identyfikowalne wyniki.
Wytyczne DKD są szczególnie pomocne w specjalistycznych obszarach metrologii i promują jednolite podejście do kalibracji.
Więcej informacji:
Niemiecki Serwis Kalibracyjny DKD
Wytyczne kalibracyjne Euramet
EURAMET (European Association of National Metrology Institutes) to organizacja, która promuje współpracę krajowych instytutów metrologicznych w Europie. Ustanawia europejskie normy i koordynuje projekty badawcze w celu zapewnienia dokładności i jednolitości pomiarów w całej Europie. EURAMET odgrywa centralną rolę w rozwoju metod kalibracji i pomiaru oraz identyfikowalności wyników pomiarów z międzynarodowymi standardami, w tym kalibracji temperatury. Ważną częścią ich pracy są tak zwane programy EMRP i EMPIR, które wspierają badania metrologiczne.
Więcej informacji:
EURAMET E.V. – EUROPEAN ASSOCIATION OF NATIONAL METROLOGY INSTITUTES
Urządzenia do kalibracji temperatury
Termometry rezystancyjne (PT100, PT1000 i SPRT)
Termometry rezystancyjne mierzą temperaturę poprzez rezystancję drutu (często platynowego). Najpopularniejszym typem jest PT100: Przy 0°C ma rezystancję 100 omów, szeroko stosowany w zastosowaniach przemysłowych.
Innym typem jest SPRT (Standardowy Platynowy Termometr Rezystancyjny), który jest specjalnie używany do wysokoprecyzyjnych kalibracji w laboratoriach. SPRT są zdefiniowane przez ITS-90. Są to dokładne instrumenty referencyjne, które są używane w wielu procesach. Są kalibrowane w punktach stałych temperatury ITS-90. Oferują bardzo wysoką stabilność i niską niepewność pomiaru i są ważne dla precyzyjnego odniesienia pomiarów temperatury do międzynarodowych standardów.
Termopary
Termopary składają się z dwóch różnych drutów metalowych, które są połączone na jednym końcu. Różnica temperatur między dwoma końcami wytwarza napięcie, które jest proporcjonalne do temperatury. Termopary są często stosowane w zastosowaniach przemysłowych i różnią się typami:
- Typ K (Chromel-Alumel): -200 °C do +1372 °C, uniwersalny, stabilny i szeroko stosowany. Uwaga: Efekt typu K!
- Typ J (Żelazo-Konstantan): -40 °C do +750 °C, starsza konstrukcja, często stosowany w przemyśle.
- Typ T (Miedź-Konstantan): -200 °C do +400 °C, odpowiedni do niskich temperatur.
- Typ E (Chromel-Konstantan): -200 °C do +1000 °C, wysoka czułość.
- Typ N (Nicrosil-Nisil): -200 °C do +1300 °C, wysoka stabilność w wysokich temperaturach.
- Typ S, R (Platyna-Rod): Dokładne termopary z metali szlachetnych, wysoka dokładność
- Typ B (Platyna-Rod): Bardzo wysokie zakresy temperatur do +1700 °C, stosowany w metalurgii i laboratoriach.
- Typ Au/Pt (Złoto-Platyna): Ekstremalnie dokładne pomiary do +1000 °C, głównie w zastosowaniach laboratoryjnych.
- Typ Pt/Pd (Platyna-Pallad): Zakres pomiarowy do +1500 °C, w wysokoprecyzyjnych zastosowaniach.
Bardziej popularne termopary, takie jak typ K, J, T, N, S, R, B są znormalizowane przez IEC 60584. Norma ta definiuje tabele napięć termoelektrycznych, tolerancje i zakresy temperatur poszczególnych typów.
Dla specjalistycznych termopar Au/Pt i Pt/Pd miarodajna jest norma IEC 62460. Norma ta traktuje o wymaganiach i tabelach napięć termoelektrycznych tych wysokoprecyzyjnych termopar z metali szlachetnych, które są stosowane w zastosowaniach naukowych i metrologicznych.
Termometry cyfrowe / urządzenia wyświetlające
Termometry cyfrowe i urządzenia wyświetlające służą do precyzyjnego pomiaru termopar i termometrów rezystancyjnych (RTDs). Są one dostępne w różnych klasach dokładności i obejmują szeroki zakres zastosowań, od prostych zastosowań przemysłowych po wysokoprecyzyjne pomiary naukowe.
Również te urządzenia muszą być regularnie kalibrowane, aby zapewnić dokładność. Kalibracja może odbywać się na dwa sposoby:
- Pojedynczo elektrycznie: Cyfrowy instrument wyświetlający jest kalibrowany oddzielnie.
- Jako łańcuch pomiarowy: Kalibracja odbywa się razem z podłączonym czujnikiem temperatury (termoparą lub RTD) jako kompletny łańcuch pomiarowy.
Kalibracja ta zapewnia niezawodny i identyfikowalny pomiar.
Kalibratory blokowe
Kalibratory blokowe to przenośne urządzenia, które wytwarzają stabilne temperatury. Nadają się do kalibracji termometrów i termopar na miejscu w szerokim zakresie temperatur. Są elastyczne w użyciu i idealne do zastosowań przemysłowych.
Kalibratory blokowe to przenośne, wszechstronne urządzenia, które zostały specjalnie zaprojektowane do kalibracji urządzeń do pomiaru temperatury, takich jak termopary, termometry rezystancyjne i termometry cyfrowe. Składają się one z litego bloku metalowego, który jest ogrzewany lub chłodzony elektrycznie w celu wytworzenia stabilnego źródła temperatury. Blok ma otwory, w które wprowadza się kalibrowane czujniki temperatury.
Wewnętrzny obwód regulacji zapewnia dokładną i stałą temperaturę wewnątrz bloku, tworząc w ten sposób stabilne środowisko kalibracyjne. Generowane temperatury często obejmują zakres od około -35 °C do +1200 °C, co czyni je odpowiednimi do różnych zastosowań przemysłowych i laboratoryjnych.
Kalibratory blokowe mają wiele zalet:
- Przenośność: Kalibratory blokowe są kompaktowe i przenośne, co czyni je idealnymi do kalibracji na miejscu.
- Szeroki zakres temperatur: Oferują wysoką elastyczność, ponieważ mogą generować zarówno niskie, jak i wysokie temperatury.
- Krótkie czasy reakcji: Umożliwiają szybkie zmiany temperatury, a tym samym wydajną kalibrację.
- Prosta obsługa: Kalibratory blokowe są często zaprojektowane tak, aby były przyjazne dla użytkownika, z cyfrowymi elementami sterującymi temperaturą i stabilnością.
- Wszechstronność: Można kalibrować różne rodzaje urządzeń do pomiaru temperatury, w tym termopary, RTD (rezystancyjne czujniki temperatury) i termometry cyfrowe.
Chociaż kalibratory blokowe są odpowiednie do wielu zadań kalibracyjnych, oferują mniejszą precyzję w porównaniu z łaźniami kalibracyjnymi lub kalibracjami punktów stałych, szczególnie w ekstremalnie wysokich lub niskich temperaturach. W przypadku zastosowań wymagających najwyższej dokładności, takich jak laboratoria metrologiczne, preferowane są inne metody, takie jak kalibracja punktów stałych.
Łaźnie kalibracyjne
Łaźnie kalibracyjne to łaźnie cieczowe (np. z olejem, wodą lub etanolem), które zapewniają bardzo precyzyjną kalibrację urządzeń do pomiaru temperatury. Oferują one wyjątkowo stabilne środowisko temperaturowe i są używane w laboratoriach do osiągnięcia wyższej dokładności niż kalibratory blokowe.
Piece kalibracyjne
Piece kalibracyjne są przeznaczone do kalibracji w wysokich temperaturach, często do 1200°C. Zapewniają precyzyjne, kontrolowane środowisko do kalibracji termometrów.
Urządzenia te są szczególnie odpowiednie do zastosowań, w których dokładność kalibracji w kalibratorach blokowych jest niewystarczająca. Kalibracja za pomocą pieców kalibracyjnych jest mniej mobilna niż w przypadku kalibratorów blokowych i często wymaga specjalnego środowiska laboratoryjnego. Ponadto nie nadają się do bardzo niskich temperatur.
Piece kalibracyjne składają się z elektrycznie ogrzewanej komory pieca, która zapewnia równomierny rozkład temperatury wewnątrz. Kalibrowane czujniki są wprowadzane do pieca, gdzie są wystawiane na działanie stabilnej temperatury przez dłuższy czas. Temperatura jest precyzyjnie kontrolowana za pomocą wbudowanych obwodów regulacyjnych. Kalibrowane termometry są następnie porównywane ze skalibrowanymi termometrami referencyjnymi.
