Kalibrowanie termometrów

Kalibrowanie termometrów to proces zapewniający, że termometr podaje prawidłowe pomiary temperatury. Odbywa się to poprzez porównanie odczytów termometru ze wzorcem odniesienia (na przykład punktem stałym temperatury) lub znanym źródłem temperatury (kalibracja porównawcza). Celem kalibracji jest zidentyfikowanie wszelkich odchyleń lub błędów i, w razie potrzeby, ich skorygowanie, tak aby termometr zapewniał dokładne pomiary.

Metody kalibracji termometrów

Zasadniczo istnieją dwie różne metody kalibrowania termometrów: kalibracja metodą porównawczą i kalibracja w punktach stałych temperatury.

Kalibrowanie termometru metodą porównawczą

Zerowa zasada mówi, że jeśli dwa systemy są w równowadze termicznej z trzecim systemem, to są również w równowadze termicznej ze sobą nawzajem. Wychodząc z tej zasady, można wywnioskować, że jeśli skalibrowany termometr wskazuje taką samą temperaturę, jak rzeczywista temperatura w łaźni kalibracyjnej, a kalibrowany termometr również wskazuje tę temperaturę, to oba termometry mierzą tę samą temperaturę. Dzieje się tak jednak tylko pod warunkiem, że istnieje stan równowagi, co w rzeczywistym świecie nie zawsze ma miejsce.

Metoda porównawcza jest jedną z najczęściej stosowanych i najskuteczniejszych technik kalibrowania termometrów. Polega ona na porównaniu testowanego termometru z wysokoprecyzyjnym termometrem referencyjnym, którego dokładność pomiaru i identyfikowalność są gwarantowane zgodnie z normami krajowymi lub międzynarodowymi.

Przebieg kalibracji termometru

1. Przygotowanie do kalibracji:
   • Przygotowuje się testowany termometr i termometr referencyjny. Oba muszą być czyste i w idealnym stanie.
   • Stabilne urządzenie kalibracyjne, takie jak łaźnia kalibracyjna lub kalibrator blokowy, jest ustawiane na żądaną temperaturę. Urządzenia te zapewniają jednorodny i stabilny rozkład temperatury.
2. Definiowanie punktów temperatury:
   • Kalibracja odbywa się zazwyczaj w kilku punktach kalibracyjnych, które znajdują się w zakresie pomiarowym termometru, np. w 0 °C, 50 °C i 100 °C. Punkty mogą się różnić w zależności od zastosowania.
3. Przeprowadzenie pomiaru porównawczego:
   • Oba termometry są umieszczane jednocześnie w urządzeniu kalibracyjnym, przy czym należy upewnić się, że mają one tę samą temperaturę. Minimalizuje to gradienty temperatury i zapewnia precyzyjne wyniki.
   • Po ustabilizowaniu się temperatury w urządzeniu kalibracyjnym rejestruje się wartości pomiarowe termometru referencyjnego i testowanego.
4. Analiza odchyleń:
   • Kalibrowanie oznacza „stwierdzenie odchylenia”. Określa się różnicę między wyświetlanymi wartościami termometru referencyjnego a kalibrowanego termometru. Odchylenia te są dokumentowane i mogą być wykorzystane do regulacji, jeśli jest to konieczne.

Zalety metody porównawczej

• Wysoka dokładność: Dzięki zastosowaniu precyzyjnego termometru referencyjnego i stabilnych urządzeń kalibracyjnych wyniki są bardzo wiarygodne.
• Elastyczność: Metoda ta nadaje się do różnych typów termometrów, w tym cieczowych, rezystancyjnych lub na podczerwień.
• Wydajność: Kilka termometrów można kalibrować jednocześnie, co czyni tę metodę szczególnie ekonomiczną w praktyce.

Typowe obszary zastosowań

Metoda porównawcza jest często stosowana w laboratoriach badawczych, przemyśle i laboratoriach kalibracyjnych, szczególnie gdy wymagana jest wysoka dokładność. Jest idealna do rutynowych kalibracji i zapewnienia jakości w procesach, w których precyzyjne pomiary temperatury mają kluczowe znaczenie.

Kalibrowanie termometru w punktach stałych temperatury

Podczas kalibracji termometru w punktach stałych temperatury, jako wzorzec temperatury służy nie skalibrowany termometr referencyjny, lecz tak zwany punkt stały temperatury. Te punkty stałe temperatury są używane jako temperatury definiujące Międzynarodową Skalę Temperatur ITS-90 oraz do kalibracji termometrów.

Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku (ITS-90) definiuje skalę temperatur za pomocą dziewięciu punktów stałych w zakresie od -189,3442°C (punkt potrójny argonu) do 961,78°C (punkt krzepnięcia srebra). Te punkty stałe są termodynamicznymi stanami równowagi podczas przemian fazowych czystych substancji.

Przykładem punktu stałego jest punkt potrójny wody, w którym woda o wysokiej czystości występuje w stanie stałym, ciekłym i gazowym w temperaturze 0,01°C. Stan ten można następnie wykorzystać w celi punktu potrójnego wody do kalibracji termometrów w tej zdefiniowanej temperaturze.

Jak często należy kalibrować termometr?

Na to pytanie nie ma absolutnej ani jednoznacznej odpowiedzi. Częstotliwość kalibracji termometrów zależy ogólnie od różnych czynników:

1. Przeznaczenie termometru: Termometr używany w krytycznych zastosowaniach, takich jak medycyna lub przemysł spożywczy, może wymagać częstszej kalibracji niż prosty termometr domowy.
2. Wymagania dotyczące dokładności: Niektóre procesy wymagają bardzo wysokiej dokładności temperatury. W takich przypadkach regularna kalibracja jest niezbędna.
3. Warunki środowiskowe: Termometry używane w ekstremalnych warunkach (np. bardzo wysokie temperatury) mogą być bardziej podatne na niedokładności i dlatego powinny być częściej sprawdzane.
4. Poprzednie wyniki kalibracji: Jeśli podczas ostatnich kalibracji nie stwierdzono żadnych lub tylko niewielkie odchylenia, czas między kalibracjami można ewentualnie wydłużyć. Jeśli jednak przy każdej kalibracji stwierdza się znaczne odchylenia, należy zwiększyć częstotliwość kalibracji.

Ogólną zasadą jest, że krytyczne termometry powinny być kalibrowane co najmniej raz w roku. W niektórych branżach lub w przypadku niektórych zastosowań może być jednak wymagana częstsza kalibracja, np. co trzy lub sześć miesięcy. Zawsze dobrym pomysłem jest uwzględnienie regularnej kontroli i kalibracji w planie konserwacji, aby upewnić się, że termometr działa prawidłowo.

Przy ustalaniu cykli kalibracyjnych można również kierować się normami i wytycznymi. Na przykład DIN EN ISO/IEC 17025 jest normą międzynarodową, która określa wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i kalibracyjnych. Jeśli laboratorium jest akredytowane zgodnie z tą normą, oznacza to, że posiada kompetencje techniczne i ustanowiło system zarządzania, który zapewnia generowanie spójnych i ważnych wyników.

Kalibracja urządzeń pomiarowych, w tym termometrów, jest ważną częścią tej normy. Kilka głównych punktów dotyczących kalibracji z normy DIN EN ISO/IEC 17025 to:

1. Wymagania ogólne: Laboratoria muszą zapewnić, że wszystkie urządzenia, które mogą mieć wpływ na wyniki, są kalibrowane i/lub kwalifikowane.
2. Interwały: Norma nie określa konkretnych interwałów kalibracji. Zamiast tego laboratoria powinny wykorzystywać swoje zarządzanie ryzykiem do określania częstotliwości kalibracji.
3. Identyfikowalność: Kalibracje powinny być identyfikowalne zgodnie z normami krajowymi lub międzynarodowymi.
4. Zapisy: Laboratoria muszą prowadzić zapisy kalibracji, w tym szczegóły dotyczące metody, operatora, warunków środowiskowych, interwałów potwierdzania, wyników i wszelkich odchyleń.

Niemiecka Jednostka Akredytacyjna (DAkkS) posiada dodatkowe dokumenty i przepisy, które zawierają szczegółowe wymagania i zalecenia dotyczące kalibracji w różnych obszarach. Jeśli laboratorium w Niemczech jest akredytowane zgodnie z normą DIN EN ISO/IEC 17025, musi również przestrzegać odpowiednich przepisów DAkkS.

Laboratorium akredytowane zgodnie z normą DIN EN ISO/IEC 17025 musi posiadać jasną politykę i procedury dotyczące kalibracji swojego sprzętu. Dokładna częstotliwość kalibracji jest jednak określana przez samo laboratorium, w oparciu o zarządzanie ryzykiem i specyficzne wymagania akredytacji.

Krajowe i międzynarodowe normy kalibracji termometrów

Kalibracja termometrów odgrywa ważną rolę w metrologii, szczególnie w branżach, w których niezbędne są precyzyjne pomiary temperatury. Normy krajowe i międzynarodowe oferują jasne wytyczne dotyczące przeprowadzania i dokumentowania tych kalibracji.

Normy międzynarodowe

• ISO/IEC 17025: Norma ta określa ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów kalibracyjnych. Zapewnia, że wyniki kalibracji są porównywalne na całym świecie i identyfikowalne.
• ITS-90: Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku oferuje odniesienie do kalibracji termometrów poprzez definiowanie punktów stałych temperatury. Definiuje również standardowe platynowe termometry rezystancyjne (SPRT) jako instrumenty interpolacyjne.
• IEC 60584: Norma ta reguluje termopary i ich napięcia termoelektryczne, które są ważne dla dokładnych pomiarów temperatury.
• IEC 60751: Norma opisuje wymagania dla platynowych termometrów rezystancyjnych (RTD), które są często używane w zastosowaniach o wysokiej precyzji.

Normy i wytyczne krajowe

• DIN EN ISO 9001: Norma ta koncentruje się na systemach zarządzania jakością i dotyczy również procesów kalibracji w różnych gałęziach przemysłu.
• Wytyczne DKD: Wytyczne Niemieckiej Służby Kalibracyjnej (DKD) oferują szczegółowe instrukcje dla laboratoriów kalibracyjnych w Niemczech. Wytyczne te uzupełniają normę ISO 17025 i definiują specyficzne procedury i metody.
• Wytyczne EURAMET: Na poziomie europejskim EURAMET udostępnia wytyczne metrologiczne, które wspierają laboratoria i punkty kalibracyjne w przeprowadzaniu spójnych i identyfikowalnych kalibracji.

Znaczenie identyfikowalności

Wszystkie wymienione normy podkreślają znaczenie identyfikowalności podczas kalibracji termometrów, czyli możliwości odniesienia kalibracji do norm międzynarodowych. Gwarantuje to, że pomiary temperatury są porównywalne na całym świecie.

Przestrzegając tych norm i wytycznych, firmy zapewniają, że ich termometry spełniają najwyższe wymagania dotyczące dokładności i niezawodności – co jest ważnym warunkiem zapewnienia jakości w wielu gałęziach przemysłu.

Wskazówki dotyczące skutecznego kalibrowania termometru

Wskazówka 1: Termometr mierzy tylko swoją własną temperaturę

Stwierdzenie „Termometr mierzy tylko swoją własną temperaturę” wskazuje na fundamentalną zasadę podczas kalibracji termometru.

Kiedy używasz termometru do pomiaru temperatury czegoś, czy to powietrza, cieczy czy ciała stałego, to tak naprawdę mierzysz, jak ciepły lub zimny jest SAM TERMOMETR. Termometr osiąga równowagę termiczną z medium, które mierzy. Oznacza to, że przyjmuje taką samą temperaturę jak medium.

Prostym przykładem jest termometr rtęciowy. Rtęć w termometrze rozszerza się i kurczy w zależności od tego, jak jest ciepła lub zimna. Jeśli zanurzysz go w ciepłej wodzie, rtęć się rozszerzy, ponieważ stanie się CIEPLEJSZA. Jeśli zanurzysz go w zimnej wodzie, skurczy się, ponieważ stanie się ZIMNIEJSZA. W obu przypadkach termometr mierzy w rzeczywistości, jak ciepła lub zimna jest RTĘĆ, a nie bezpośrednio woda. Ale ponieważ rtęć szybko osiąga równowagę termiczną z wodą, termometr skutecznie wskazuje temperaturę wody.

Ta sama zasada dotyczy termometrów cyfrowych, PT100 (termometrów rezystancyjnych), termopar i innych. Wszystkie one reagują na zmiany temperatury, zmieniając swoją własną temperaturę, a następnie wyświetlają lub mierzą tę wartość.

Ważne jest, aby pamiętać, że dla dokładnego pomiaru temperatury termometr i mierzony obiekt muszą mieć wystarczająco dużo czasu, aby osiągnąć równowagę termiczną. W przeciwnym razie pomiar może być niedokładny.

Wskazówka 2: Termopary zawsze dokonują pomiaru różnicowego

Termopara składa się z dwóch różnych metali, które są połączone ze sobą na jednym końcu. Jeśli w tym punkcie połączenia (zwanym „punktem pomiarowym” lub „punktem gorącym”) panuje inna temperatura niż na drugim końcu obu metali (zwanym „punktem odniesienia” lub „punktem zimnym”), między tymi dwoma punktami powstaje napięcie. Napięcie to nazywane jest napięciem termoelektrycznym i zależy od różnicy temperatur między dwoma końcami oraz od specyficznych właściwości materiałowych obu metali.

Oznacza to, że termopara zawsze mierzy różnicę temperatur między punktem pomiarowym a punktem odniesienia. Aby określić temperaturę bezwzględną w punkcie pomiarowym, należy znać temperaturę w punkcie odniesienia. Często ten punkt odniesienia jest chłodzony do znanej temperatury (np. 0°C w przypadku tak zwanego zewnętrznego punktu odniesienia) lub np. w przypadku mini-wtyczek temperatura pokojowa jest używana jako odniesienie.

Termopara nie mierzy zatem bezpośrednio temperatury bezwzględnej, lecz różnicę temperatur między dwoma punktami. Aby uzyskać pomiar temperatury bezwzględnej, temperatura w jednym z dwóch punktów musi być znana.

Wskazówka 3: Termometry rezystancyjne zawsze mierzą zbyt wysoką temperaturę

Termometry rezystancyjne, często określane również jako Pt100 lub Pt1000 (gdzie liczby wskazują nominalne rezystancje w 0°C), wykorzystują zależną od temperatury rezystancję metalu, najczęściej platyny, do pomiaru temperatury. Kiedy prąd elektryczny przepływa przez rezystor, rezystor ten nagrzewa się. Jest to bezpośredni wynik prawa Ohma, gdzie moc elektryczna P przez rezystor R jest opisywana jako P = I^2 × R, gdzie I to prąd przepływający przez rezystor.

W termometrach rezystancyjnych prąd pomiarowy jest przesyłany przez rezystor platynowy w celu pomiaru rezystancji (a tym samym temperatury). Ale właśnie ten prąd pomiarowy może – zwłaszcza jeśli jest zbyt wysoki – prowadzić do zauważalnego nagrzewania się rezystora pomiarowego. To nagrzewanie zafałszowuje następnie wynik pomiaru, ponieważ czujnik staje się cieplejszy niż rzeczywiste otoczenie, które ma być mierzone. W rezultacie termometr rezystancyjny wskazuje zbyt wysoką temperaturę.

W przypadku precyzyjnych pomiarów lub zastosowań należy uwzględnić i skompensować nagrzewanie spowodowane prądem pomiarowym.

Źródła

• Walter Blanke: Międzynarodowa Skala Temperatur z 1990 roku: ITS-90
• Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
• Thomas Klasmeier: Tablice „Temperatura”, wydanie 3