Temperatuurkalibratie

Temperatuurkalibratie is een belangrijk proces in veel industrieën dat de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van temperatuurmeetinstrumenten waarborgt. Temperatuur wordt in een groot aantal toepassingen bewaakt, of het nu gaat om productie, geneeskunde, onderzoek of energieopwekking. Ongenauwkeurige metingen kunnen leiden tot productiefouten, veiligheidsrisico’s en verhoogde kosten. Temperatuurkalibratie waarborgt dat temperatuurmeetinstrumenten correcte waarden leveren door ze te vergelijken met een gecertificeerd referentieapparaat. Dit proces maakt de naleving van kwaliteitsnormen en wettelijke voorschriften mogelijk.

Temperatuurkalibratie betekent dus niet alleen het controleren van een meetinstrument, maar omvat ook de validatie en documentatie om ervoor te zorgen dat metingen traceerbaar en reproduceerbaar zijn.

Wat is temperatuurkalibratie?

Temperatuurkalibratie verwijst naar het proces waarbij een temperatuurmeetinstrument wordt gecontroleerd om ervoor te zorgen dat het nauwkeurige en betrouwbare meetwaarden levert. Het wordt vergeleken met een referentieapparaat waarvan de temperatuur nauwkeurig bekend is, om afwijkingen vast te stellen. Hierdoor wordt de nauwkeurigheid van het meetinstrument gewaarborgd.

Betekenis en toepassing in de industrie

In tal van industrieën, zoals de farmaceutische, levensmiddelen-, chemische en automobielindustrie, is een nauwkeurige temperatuurmeting van belang. Productieprocessen, opslagomstandigheden en kwaliteitscontroles zijn vaak sterk afhankelijk van nauwkeurige temperatuurgegevens. Ongenauwkeurige metingen kunnen aanzienlijke gevolgen hebben voor de productkwaliteit, veiligheid en efficiëntie. Daarom zijn regelmatige kalibraties belangrijk om foutenbronnen te minimaliseren en de naleving van wettelijke voorschriften en internationale normen, zoals bijvoorbeeld de DIN EN ISO/IEC 17025, te waarborgen.

Overzicht van verschillende kalibratiemethoden

Er zijn verschillende methoden voor temperatuurkalibratie die zich onderscheiden afhankelijk van de toepassing en eisen. Tot de meest gangbare methoden behoren de vergelijkingsmethode, waarbij een te kalibreren thermometer wordt vergeleken met een nauwkeurige referentiethermometer. De fixpuntkalibratie, waarbij gedefinieerde temperatuurpunten, zoals bijvoorbeeld stollingspunten van metalen of het tripelpunt van water, worden gebruikt, is de tweede methode voor temperatuurkalibratie.

Doelen van temperatuurkalibratie

De temperatuurkalibratie heeft meerdere belangrijke doelen:

• Nauwkeurigheid: Waarborgen dat meetinstrumenten nauwkeurige en consistente waarden leveren.
• Veiligheid: Voorkomen van veiligheidskritische fouten die door onnauwkeurige metingen zouden kunnen ontstaan, met name in de geneeskunde en industrie.
• Efficiëntie: Verbetering van de efficiëntie van productieprocessen, omdat foutieve meetinstrumenten tot productie-uitval of kwaliteitsgebreken kunnen leiden.

Kalibraties waarborgen bovendien dat metingen traceerbaar zijn, d.w.z. ze laten zich op internationale standaarden en normen terugvoeren.

Grondbeginselen van temperatuurmeting

Verschillende temperatuurmeetmethoden

Er zijn meerdere methoden voor temperatuurmeting die variëren afhankelijk van de toepassing en nauwkeurigheidseisen. De meest voorkomende zijn:

• Weerstandsthermometers (RTD’s): Gebruiken de weerstandsstijging van materialen zoals platina (bijv. PT100) bij toenemende temperatuur.
• Thermo-elementen: Plaatsen twee verschillende metalen samen die een spanning produceren die evenredig is met de temperatuur.

Fysische principes van temperatuurmeting

De meeste temperatuurmeetinstrumenten gebruiken fysische eigenschappen die zich met de temperatuur wijzigen, zoals de elektrische weerstand (RTD’s), de thermospanning (thermo-elementen) of de straling (infrarood). Deze wijzigingen worden vastgelegd en in temperatuurwaarden omgerekend.

Meetfouten en beïnvloedende factoren

Meetfouten zijn onvermijdelijke, kwantificeerbare afwijkingen in meetresultaten. Ze ontstaan door verschillende factoren, zoals bijvoorbeeld de nauwkeurigheid van het meetinstrument, externe storingen of omgevingsomstandigheden. De onzekerheid beschrijft het bereik waarin de werkelijke waarde van de meetgrootte met een zekere waarschijnlijkheid ligt.

Bij de temperatuurkalibratie wordt geprobeerd deze onzekerheden te minimaliseren en traceerbaar te maken. Daarbij worden in Duitsland gestandaardiseerde procedures gebruikt die door de Duitse Accreditatiedienst (DAkkS) en de DKD (Duitse Kalibratiedienst) in het kader van de Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) worden gedefinieerd.

De GUM is een internationaal erkend document dat de methodische grondslagen voor de bepaling van meetfouten voorschrijft. Het houdt rekening met zowel systematische als toevallige fouten. Het bevat wiskundige modellen om onzekerheden te berekenen en transparant te maken. Door de GUM-aanpak wordt de onzekerheid in metingen gedocumenteerd. Daardoor zijn kalibratieresultaten traceerbaar en vergelijkbaar.

De DAkkS zorgt ervoor dat kalibratielaboratoria in Duitsland de normen en procedures naleven, zoals ze in de GUM beschreven zijn, en accrediteert deze laboratoria overeenkomstig de DIN EN ISO/IEC 17025.

Methoden van temperatuurkalibratie

Er zijn verschillende methoden voor de kalibratie van thermometers: De vergelijkingsmethode gebruikt een referentiethermometer om afwijkingen vast te stellen, terwijl de fixpuntkalibratie nauwkeurige temperatuurfixpunten conform de ITS-90 gebruikt om de hoogste nauwkeurigheid te waarborgen.

Temperatuurkalibratie volgens de vergelijkingsmethode

De vergelijkingsmethode is een van de meest gebruikte kalibratietechnieken en kenmerkt zich door zijn flexibiliteit en eenvoudige uitvoering. Daarbij wordt de te kalibreren thermometer vergeleken met een reeds gekalibreerde referentiethermometer.

Beide apparaten worden in een stabiele omgeving geplaatst, zoals bijvoorbeeld een kalibratiebad of blokkalibrator. Het verschil tussen de meetwaarden geeft de afwijking van de te kalibreren thermometer aan. Deze methode wordt vaak in industriële toepassingen gebruikt, omdat ze een groot temperatuurbereik afdekt en geschikt is voor een groot aantal temperatuurmeetinstrumenten.

Temperatuurkalibratie op de temperatuurfixpunten van de ITS-90

De fixpuntkalibratie biedt de hoogste precisie bij de temperatuurkalibratie en is gebaseerd op de Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90). Deze schaal definieert een reeks internationaal erkende fixpunten, waarbij fysische toestanden (faseovergangen), zoals smelten of stollen, exact gedefinieerde temperaturen vertegenwoordigen. Tot het belangrijkste fixpunt behoort het tripelpunt van water (0,01°C). Bij de fixpuntkalibratie wordt de thermometer direct met deze definiërende temperaturen vergeleken, wat uiterst nauwkeurige resultaten mogelijk maakt.

De ITS-90 biedt door haar temperatuurfixpunten een nauwkeurige basis voor de temperatuurkalibratie en wordt vooral in wetenschappelijke en metrologische toepassingen gebruikt. De hoge nauwkeurigheid en terugvoerbaarheid op internationaal erkende standaarden maken de fixpuntkalibratie tot de methode bij uitstek voor nauwkeurige laboratoriumtoepassingen. Ze is echter vanwege de bewerkelijke apparatuur en gespecialiseerde omstandigheden in haar toepassing beperkt.

De fixpunten van de Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90), die in de fixpuntkalibratie worden gebruikt, omvatten onder andere:

• Tripelpunt van argon: -189,3442 °C
• Tripelpunt van kwik: -38,8344 °C
• Tripelpunt van water: 0,01 °C
• Smeltpunt van gallium: 29,7646 °C
• Stollingspunt van indium: 156,5985 °C
• Stollingspunt van tin: 231,928 °C
• Stollingspunt van zink: 419,527 °C
• Stollingspunt van aluminium: 660,323 °C
• Stollingspunt van zilver: 961,78 °C

Normen en standaarden in de temperatuurkalibratie

DIN EN ISO/IEC 17025: Eisen aan kalibratielaboratoria

DIN EN ISO/IEC 17025 legt de algemene eisen vast aan de competentie van test- en kalibratielaboratoria. Ze omvat criteria voor de technische competentie, de kwaliteit van de kalibratieresultaten en de terugvoerbaarheid van metingen. Laboratoria die volgens deze norm geaccrediteerd zijn, voldoen aan internationaal erkende standaarden en waarborgen betrouwbare meetresultaten.

Meer informatie:
Accreditatie volgens DIN EN ISO/IEC 17025

ITS-90 (Internationale Temperatuurschaal van 1990)

De ITS-90 definieert nauwkeurige temperatuurfixpunten die wereldwijd voor de kalibratie van temperatuurmeetinstrumenten worden gebruikt. Ze zorgt ervoor dat metingen op internationaal erkende standaarden terugvoerbaar zijn.

Bovendien definieert de ITS-90 de SPRT (Standard-Platin-Weerstandsthermometer) als interpolatie-instrument dat tussen de fixpunten wordt ingezet. SPRT’s bieden de hoogste nauwkeurigheid en worden in nauwkeurige kalibraties als referentie en voor het meten van nauwkeurige temperaturen gebruikt.

Meer informatie:
De Internationale Temperatuurschaal van 1990 (ITS-90)

Betekenis van de traceerbaarheid in de meettechniek

Terugvoerbaarheid betekent dat meetresultaten op nationale of internationale standaarden zoals de ITS-90 kunnen worden teruggevoerd. Dit stelt zeker dat metingen overal ter wereld vergelijkbaar zijn. Terugvoerbare kalibraties bieden de zekerheid dat meetinstrumenten aan de standaarden voldoen.

DKD-richtlijnen

De DKD-richtlijnen (Duitse Kalibratiedienst) zijn een verzameling van technische richtlijnen die specifieke eisen en procedures voor de kalibratie in verschillende meetbereiken, inclusief de temperatuur, vastleggen. Deze richtlijnen bieden gedetailleerde aanwijzingen voor de uitvoering van kalibraties en voor de beoordeling van de meetonzekerheid. Ze vullen de DIN EN ISO/IEC 17025-norm aan en dienen als praktijkgerichte handleiding voor kalibratielaboratoria om consistente en terugvoerbare resultaten te waarborgen.

De DKD-richtlijnen zijn bijzonder nuttig in gespecialiseerde gebieden van de meettechniek en bevorderen een uniforme werkwijze in de kalibratie.

Meer informatie:
Duitse Kalibratiedienst DKD

Euramet-kalibratierichtlijnen

EURAMET (European Association of National Metrology Institutes) is een organisatie die de samenwerking van de nationale metrologie-instituten in Europa bevordert. Ze stelt Europese normen vast en coördineert onderzoeksprojecten om de nauwkeurigheid en uniformiteit van metingen in heel Europa te waarborgen. EURAMET speelt een centrale rol bij de ontwikkeling van kalibratie- en meetmethoden en de terugvoerbaarheid van meetresultaten op internationale standaarden, waaronder ook de temperatuurkalibratie. Een belangrijk onderdeel van hun werk zijn de zogenaamde EMRP- en EMPIR-programma’s, die metrologisch onderzoek ondersteunen.

Meer informatie:
EURAMET E.V. – EUROPEAN ASSOCIATION OF NATIONAL METROLOGY INSTITUTES

Apparaten voor temperatuurkalibratie

Weerstandsthermometer (PT100, PT1000 en SPRT)

Weerstandsthermometers meten temperatuur door de weerstand van een draad (vaak platina). De meest gangbare types is een PT100: Heeft bij 0°C een weerstand van 100 Ohm, wijdverbreid in industriële toepassingen.

Een ander type is de SPRT (Standard-Platin-Weerstandsthermometer), die speciaal voor uiterst nauwkeurige kalibraties in laboratoria wordt gebruikt. SPRT’s worden door de ITS-90 gedefinieerd. Ze zijn nauwkeurige referentie-instrumenten die in veel processen worden gebruikt. Ze worden aan de temperatuurfixpunten van de ITS-90 gekalibreerd. Ze bieden een zeer hoge stabiliteit en geringe meetonzekerheid en zijn belangrijk voor de nauwkeurige terugvoering van temperatuurmetingen op internationale standaarden.

Thermo-elementen

Thermo-elementen bestaan uit twee verschillende metaaldraden die aan één uiteinde verbonden zijn. Het temperatuurverschil tussen de beide uiteinden produceert een spanning die evenredig is met de temperatuur. Thermo-elementen worden vaak in industriële toepassingen gebruikt en verschillen in types:

• Type K (Chromel-Alumel): -200 °C tot +1372 °C, universeel inzetbaar, stabiel en wijdverbreid. Let op: Type K-effect!
• Type J (IJzer-Konstantan): -40 °C tot +750 °C, ouder ontwerp, vaak in de industrie.
• Type T (Koper-Konstantan): -200 °C tot +400 °C, geschikt voor diepe temperaturen.
• Type E (Chromel-Konstantan): -200 °C tot +1000 °C, hoge gevoeligheid.
• Type N (Nicrosil-Nisil): -200 °C tot +1300 °C, hoge stabiliteit bij hoge temperaturen.
• Type S, R (Platina-Rhodium): Nauwkeurige edelmetaal-thermo-elementen, hoge nauwkeurigheid
• Type B (Platina-Rhodium): Zeer hoge temperatuurbereiken tot +1700 °C, gebruikt in de metallurgie en laboratoria.
• Type Au/Pt (Goud-Platina): Extreem nauwkeurige metingen tot +1000 °C, voornamelijk in laboratoriumtoepassingen.
• Type Pt/Pd (Platina-Palladium): Meetbereik tot +1500 °C, in uiterst nauwkeurige toepassingen.

De gangbaardere thermo-elementen zoals type K, J, T, N, S, R, B worden door de IEC 60584 genormeerd. Deze norm definieert de thermospanningstabellen, toleranties en temperatuurbereiken van de afzonderlijke types.

Voor de gespecialiseerde thermo-elementen Au/Pt en Pt/Pd is de IEC 62460 maatgevend. Deze norm behandelt de eisen en thermospanningstabellen van deze uiterst nauwkeurige edelmetaal-thermo-elementen die in wetenschappelijke en metrologische toepassingen worden gebruikt.

Digitale thermometers / weergaveapparaten

Digitale thermometers en weergaveapparaten dienen voor de nauwkeurige meting van thermo-elementen en weerstandsthermometers (RTD’s). Ze zijn in verschillende nauwkeurigheidsklassen verkrijgbaar en dekken een breed toepassingsgebied af, van eenvoudige industriële toepassingen tot uiterst nauwkeurige wetenschappelijke metingen.

Ook deze apparaten moeten regelmatig gekalibreerd worden om de nauwkeurigheid te waarborgen. De kalibratie kan op twee manieren plaatsvinden:

1. Afzonderlijk elektrisch: Het digitale weergaveinstrument wordt geïsoleerd gekalibreerd.
2. Als meetketen: De kalibratie vindt samen met de aangesloten temperatuursensor (thermo-element of RTD) als complete meetketen plaats.

Deze kalibratie waarborgt een betrouwbare en terugvoerbare meting.

Blokkalibratoren

Blokkalibratoren zijn draagbare apparaten die stabiele temperaturen produceren. Ze zijn geschikt voor de kalibratie ter plaatse van thermometers en thermo-elementen over een groot temperatuurbereik. Ze zijn flexibel inzetbaar en ideaal voor industriële toepassingen.

Blokkalibratoren zijn draagbare, veelzijdige apparaten die speciaal voor de kalibratie van temperatuurmeetinstrumenten zoals thermo-elementen, weerstandsthermometers en digitale thermometers zijn ontwikkeld. Ze bestaan uit een vast metalen blok dat ofwel elektrisch wordt verwarmd of gekoeld om een stabiele temperatuurbron te produceren. Het blok heeft boringen waarin de te kalibreren temperatuurvoelers worden ingebracht.

Een interne regelkring zorgt voor een nauwkeurige en constante temperatuur binnen het blok, waardoor een stabiele kalibratieomgeving wordt gecreëerd. De geproduceerde temperaturen dekken vaak een bereik van ongeveer -35 °C tot +1200 °C af, wat ze voor verschillende industriële en laboratoriumtoepassingen geschikt maakt.

Blokkalibratoren hebben veel voordelen:

1. Portabiliteit: Blokkalibratoren zijn compact en draagbaar, wat ze ideaal maakt voor kalibraties ter plaatse.
2. Breed temperatuurbereik: Ze bieden een hoge flexibiliteit, omdat ze zowel lage als hoge temperaturen kunnen produceren.
3. Snelle reactietijden: Ze maken snelle temperatuurwisselingen en daarmee een efficiënte kalibratie mogelijk.
4. Eenvoudige bediening: Blokkalibratoren zijn vaak gebruiksvriendelijk ontworpen, met digitale besturingen voor temperatuur en stabiliteit.
5. Veelzijdigheid: U kunt verschillende soorten temperatuurmeetinstrumenten kalibreren, waaronder thermokoppels, RTD’s (Resistance Temperature Detectors) en digitale thermometers.

Hoewel blokkalibratoren geschikt zijn voor veel kalibratietaken, bieden ze in vergelijking met kalibratiebaden of fixpuntkalibraties een lagere precisie, vooral bij extreem hoge of lage temperaturen. Voor toepassingen die de hoogste nauwkeurigheid vereisen, zoals in metrologische laboratoria, hebben andere methoden zoals de fixpuntkalibratie de voorkeur.

Kalibratiebaden

Kalibratiebaden zijn vloeistofbaden (bijv. met olie, water of ethanol) die zorgen voor een zeer nauwkeurige kalibratie van temperatuurmeetinstrumenten. Ze bieden een extreem stabiele temperatuuromgeving en worden in laboratoria gebruikt om een hogere nauwkeurigheid te bereiken dan blokkalibratoren.

Kalibratieovens

Kalibratieovens zijn bedoeld voor kalibratie bij hoge temperaturen, vaak tot 1200°C. Ze bieden een nauwkeurige, gecontroleerde omgeving voor de kalibratie van thermometers.

Deze apparaten zijn bijzonder geschikt voor toepassingen waarbij de nauwkeurigheid van kalibraties in blokkalibratoren niet voldoende is. De kalibratie met kalibratieovens is minder mobiel dan met blokkalibratoren en vereist vaak een speciale laboratoriumomgeving. Bovendien zijn ze niet geschikt voor zeer lage temperaturen.

Kalibratieovens bestaan uit een elektrisch verwarmde ovenruimte, die een gelijkmatige temperatuurverdeling in het inwendige waarborgt. De te kalibreren sensoren worden in de oven gebracht, waar ze gedurende een langere periode aan de stabiele temperatuur worden blootgesteld. De temperatuur wordt via ingebouwde regelcircuits nauwkeurig geregeld. De te kalibreren thermometers worden vervolgens met gekalibreerde referentiethermometers vergeleken.