Om kalibrering av temperaturgivare
Allmänt om temperatur och kalibrering
Kalibrering kan översättas med jämförelse. Enligt Svensk Standard SS 020106 definieras kalibrering så här i förkortad version:
"Kalibrering är en åtgärd som syftar till att fastställa sambandet mellan ett mätsystems visade storhetsvärde och motsvarande värden förverkligade genom normaler".
När det kommer till temperatur görs detta i ett första steg med fixpunkter som temperaturskalan ITS-90 bygger på. Temperatur är den enda storheten där man kan mäta direkt i källan utan att först jämföra mot någon annan normal.
På den här sidan kan du läsa mer om detta samt spårbarhet, ackreditering, olika typer av kalibrering och kalibreringsintervaller.
Temperaturskalan
Temperaturen definieras enligt termodynamikens lagar och realiseras med en gastermometer. Den termodynamiska skalan uttrycks i Kelvin.
En Kelvin definieras som 1/273,16 av vattnets temperatur vid trippelpunkten. Vattnets trippelpunkt är definierad till 273,16 K eller 0,01 °C. Värdena är valda så att 1 K motsvarar 1 °C. Den absoluta nollpunkten blir således 0 K eller -273,15 °C.
Gastermometern är en komplicerad uppsättning laboratorie-apparater som används för att realisera den termodynamiska skalan. Stabila fasövergångar jämförs med den termodynamiska skalan och idag gäller ITS-90, internationella temperaturskalan 1990.
Förbättrad teknik och ökad kunskap gör att man får en allt säkrare anpassning mellan de praktiskt uppmätta värdena och den termo-dynamiska temperaturskalan.
Alla termometerkonstruktioner bygger på mätning av någon annan storhet än temperatur, t ex resistans eller spänning, och därpå följande översättning till temperatur.
ITS-90 är den nu gällande översättningen från olika temperatur-beroende storheter till temperatur.
Fixpunkter
Översättningen sker med ett antal fixpunkter, stabila fasöver-gångar, för olika ämnen. Viktigast är vattnets trippelpunkt, den enda "originaltemperaturen" från den termodynamiska skalan.
Andra exempel är smält- och fryspunkter för olika metaller. De fixpunkter som visas i tabellen gäller inom det mest använda temperaturområdet.
De gråfärgade fixpunkterna i tabellen ingår i Pentronics laboratoriums (0076) ackreditering.
Interpolation
Glappet mellan fixpunkterna "fylls ut" med ett s k interpolations-instrument, i normala temperaturområden en platinaresistans-termometer av typen SPRT (Standard Platinum Resistance Thermometer). Platina är ett elektriskt ytterst stabilt ämne.
I praktiken gör man så att platinatermometrar fixpunktskalibreras inom 14 K - 962 °C och används som referens i temperaturer mellan fixpunkterna. Referens och provobjekt hålls i samma temperatur i olika typer av ugnar och bad. Detta förfarande kallas jämförelsekalibrering.
Referensgivaren ger ett approximativt värde för temperaturen i kalibreringspunkten.
Varje kalibreringssteg ökar mätosäkerheten. Som exempel realiserar Pentronics laboratorium temperaturen i sina fixpunkter med en mätosäkerhet ned till ±0,0016 °C, men har för närvarande inte rätt att utfärda kalibreringsbevis med bättre mätosäkerhet än ±0,015 °C vid jämförelsekalibrering.
Spårbarhet
Spårbarhet är ett begrepp som går i par med kalibrering. Spårbarheten krävs för att den uppmätta temperaturen med angiven mätosäkerhet ska överensstämma med ITS-90.
Spårbarhet är ett centralt krav i kvalitetsnormer av typen ISO 9000. Kalibrering utan spårbarhet är ingen kalibrering. Spårbarheten startar alltid med internationellt fastställda definitioner.
Ackreditering
Den internationella byrån för mått och vikt (BIPM) i Paris är huvudman i världen för alla storheter. Mest känt är BIPM för att man ansvarar för kilogram-prototypen. På europeisk nivå sköts det praktiska arbetet av EA, European co-operation for Accreditation.
Medlemsländerna har förbundit sig att acceptera varandras kalibreringar i ett mätningens frihandelsavtal. Praktiskt betyder det att en kalibrering utförd av Pentronic är gångbar i övriga medlems-länder. Varje land har ett ombud för EA.
I Sverige är det Styrelsen för ackreditering och teknisk kontroll (SWEDAC). Deras uppgift är att ackreditera - godkänna - och löpande kontrollera riksmät-platser och andra laboratorier.
Pentronics laboratorium är ackrediterat för temperaturkalibrering sedan 1988 och realiserar temperaturskalan med egna fixpunkter. Pentronic var en av de första tillverkarna av temperaturgivare i Europa med eget ackrediterat kalibreringslaboratorium i huset.
Pentronic erbjuder ackrediterad kalibrering av utrustning som tjänst. Läs mer om tjänsten eller beställ kalibrering.
Under övervakning
Ackreditering kvalitetssäkras enligt ISO/IEC 17025. Dessa normer kräver mer än andra typer av kvalitetssäkring, bl a:
- Insynade och godkända lokaler. Temperaturkalibrering fordrar bl a kontrollerat klimat.
- All väsentlig utrustning kontrolleras regelbundet enligt ett fastställt program.
- Arbetsmetoder och personalens kompetens måste uppfylla högt ställda krav. Om exempelvis en nyckelperson slutar sin anställning, kan ackrediteringen omprövas.
- Återkommande jämförelsekalibreringar.
- Det ackrediterade laboratoriet kalibrerar en givare som före och efter kalibreras av en riksmätplats i något av EA:s medlemsländer. Mätresultatet måste ligga inom ackredi-teringens mätosäkerhet. I annat fall kan ackrediteringen dras in tills orsaken är känd och åtgärdad.
- Laboratoriet kontrolleras regelbundet av SWEDAC. Om kraven i ISO/IEC 17025 inte uppfylls, kan ackrediteringen
dras in.
Din roll i kalibreringen
Kalibrering av industriella temperaturgivare kan, beroende av krav på noggranhet, ske på ett ackrediterat laboratorium eller i egen regi med spårbarhet till ett ackrediterat laboratorium.
Det snabbaste, enklaste och mest ekonomiska sättet att kalibrera en temperaturgivare är att jämföra den med en spårbart kalibrerad givare. Denna jämförelse kan även göras i fält. För ändamålet används olika typer av ugnar, bad och instrumentering.
Kalibreringsutrustning
Blockkalibratorer
En blockkalibrator kan vara den mest praktiska lösningen för kalibrering av ett mindre antal temperaturgivare med normala krav på noggrannhet. En modern blockkalibrator är mycket kompakt och lätt att flytta.
Det finns flera utföranden och den till synes mest lättarbetade har inbyggd referensgivare och referensmätning. Vi avråder dock från denna lösning. Inbyggd referensgivare leder bl a till följande problem:
- Referens- och provgivare bör vara av samma typ och av likartad storlek. Det är omöjligt att uppnå med inbyggd referens.
- En inbyggd referensgivare kommer så långt från prov-objektet att de två sannolikt har olika temperaturer.
- Således är inbyggda referensgivare en meningslös och till och med vilseledande finess. Referenssystemet skall vara en lös referensgivare kopplad till ett eget instrument, alternativt till en ingång på en flerkanals mätbrygga för differensmätning mellan referens och provgivare.
Blockkalibratorer finns för temperaturer i intervallet -100 °C till +1200 °C.
Vätskebad
Den högsta noggrannheten vid jämförelsekalibrering uppnås med vätskebad. Dessa finns i olika storlekar och de största kan även användas för masskalibrering.
Ett bad av hög kvalitet är avsevärt bättre än en blockkalibrator med luftspalter mellan givare och block. Vätskan sluter helt tätt runt givaren, vilket ger den bästa värmeöverföringen.
De mest avancerade baden som Pentronic kan erbjuda används vid nationella kalibreringslaboratorier över hela världen.
Vid jämförelsekalibrering kan badets felbidrag komma ned till delar av milliKelvin. Baden fylls med olika vätskor beroende på temperatur:
- Från -80 °C till rumstemperatur används alkohol.
- Vatten är ett utmärkt medium upp till +95 °C.
- Olika oljor används upp till ca 300 °C.
- Från 200 ºC upp till 550-600 ºC kan saltbad användas.
Fluidiserande bad
För temperaturer över 100 °C finns slutna fluidiserande bad. Deras arbetsområde spänner från +50 till +700 °C.
Här används aluminiumoxid som överföringsmedium. Pulvret "flyter" med hjälp av strömmande luft.
Äldre typer av fluidiserande bad är bullriga och har en tendens att skräpa ned. Isotechs konstruktion, det s k Ayres-badet, är helt slutet och befriat från dessa nackdelar.
Ugnar
För temperaturer över 500 °C används rörugnar och sfäriska ugnar. I princip arbetar de på ungefär samma sätt som block-kalibratorer men i hög temperatur domineras värmeöverföringen av strålning och konvektion i luft.
Ugnarna utnyttjas mest som laboratorieutrustning och används normalt upp till 1 300 °C, men vissa kan användas för betydligt högre temperaturer.
Instrument
Kalibrering kräver noggranna och stabila instrument. Normalt används två instrument, det ena kopplat till referensgivaren och det andra kopplat till provgivaren. Det finns även tvåkanaliga instrument och instrument som kan mäta båda givarna och visa differensen mellan dem. Pentronic har även instrument med flerkanalsscanner för samtidig kalibrering av flera givare.
För kalibrering av resistanstermometrar krävs speciella instrument, s k mätbryggor. Det finns tre typer:
- Likströmsbryggor. Främst avsedda för enklare kalibrering. Det finns dock avancerade konstruktioner med hög noggrannhet.
- Växelströmsbryggor. Dessa balanserar bl a bort mätfel som kan uppstå till följd av termoemk i mätkretsen. Tekniken ger mycket god långtidsstabilitet.
- Polvändande likströmsbryggor. En teknik som förenar fördelarna med ovanstående tekniker utan deras nackdelar. Tekniken används vid de flesta nationella laboratorier världen över.
Fyrtrådskoppling är ett krav för högsta noggrannhet oberoende av mätbryggans princip.
Referenstemperaturgivare
Vid jämförelsekalibrering jämförs provgivaren med en referens-givare - en temperaturgivare med kända egenskaper som kartlagts vid ett ackrediterat kalibreringslaboratorium.
Den bästa referensgivaren, SPRT, är enbart konstruerad för laboratoriebruk. Det är en mycket skör konstruktion där spiralen av renast tänkbara platina hänger i det närmaste helt fritt i ett rör av kvartsglas. SPRT-givaren är mycket noggrann men föga fältmässig.
För industriell kalibrering används istället en s k arbetsnormal. Det är en förbättrad variant av en industriell Pt100-givare (IPRT) eller en spårbart kalibrerad givare av samma typ som provgivaren.
Pentronic kan leverera samtliga varianter.
En metod som blir allt mer uppskattad bland Pentronics kunder är att en givare ur tillverkningssatsen genomgår spårbar kalibrering vid det ackrediterade laboratoriet. Denna givare behålls på kundens laboratorium och används som referens för att upprätthålla kraven på spårbarhet enligt ISO 9000.
Kalibreringsintervall
Tiden mellan kalibreringarna beror på hur temperaturgivaren används. Tumregeln är en gång per år, men om speciella omständigheter föreligger, t ex att givaren cyklas i ett större temperaturområde, utsätts för vibrationer eller liknande, bör kalibreringarna göras tätare.
Återkommande kalibreringar kartlägger mätutrustningens egenskaper över tiden. Man börjar med täta kalibreringar och när driften är kartlagd, kan tidsintervallet utökas. Dock föreligger alltid en risk för oförutsedda händelser, t ex någon tappar en referensgivare i golvet.
Därför bör man göra regel-bundna egenkontroller av referensutrustningen mellan kalibreringarna. Kontrollen kan göras i ett isbad som är en utmärkt 0 °C-punkt, eller i en galliumcell som med sin automatiska ugn är den enklaste av alla fixpunkter.
