Aktuální vydání

celé číslo

05

2019

komunikace a software pro snímače a akční členy

tlakoměry

celé číslo

Etalonáž a návaznost při měření teploty

Příspěvek přehledově pojednává o problematice etalonáže i použití měřidel a řetězců pro měření teploty. Upozorňuje na hlavní nebezpečí hrozící při nesprávném použití mě­řidel teploty či nevhodném použití výpočetních interpolačních postupů a naznačuje, jak jim v praxi předcházet.
 
K měření teploty jsou využívána měřidla, vyhodnocovací přístroje (měřidla většinou jiné veličiny, než je teplota), prostředí (termostaty, lázně), vyhodnocovací zařízením, záznam dat a algoritmy výpočtu (přepočet přímo měřené veličiny na teplotu).
 

Měřidla teploty

 
Návaznost měřidel teploty je zaznamená­na v předpisu TPM 3040-95, který stanovu­je návaznost měřidel od primárního etalonu teploty na etalony nižších řádů a pracovní měřidla (stanovená či nestanovená). Před­pis vytváří normativní základ pro jednotné a správné měření teploty na jednotlivých ná­vazných úrovních.
 

Primární etalonážní řád

 
Primární etalonážní řád umožňuje na­vazovat měřidla teploty v rozmezí –196 až +2 300 °C. Skládá se z:
  • realizovaných definičních bodů teplotní stupnice (obr. 1),
  • realizovaných sekundárních bodů teplotní stupnice (obr. 2),
  • sady teplotních žárovek,
  • interpolačních odporových teploměrů a příslušného měřicího zařízení,
  • interpolačních termoelektrických článků typu S a B,
  • předepsaných interpolačních vztahů.
Interpolační etalonové odporové teplo­měry jsou využívány k interpolaci teploty v rozmezí mezi definičními pevnými body ITS-90 a k navazování etalonů. Jde o sku­pinu přístrojů se vzájemně se překrývající­mi měřicími rozsahy v rozmezí od –196 do +962 °C.
 
Interpolační etalonové termoelektrické články typu S a B jsou určeny k interpola­ci teplotní stupnice mezi sekundárními pevnými body. Představují skupinu přístrojů se vzájemně se překrývajícími měřicími rozsahy v rozmezí již od 660 až do 1 768 °C.
 

Sekundární etalonážní řád

 
Všeobecným doporučením je přednostně navazovat shodné druhy měřidel.
 
Sekundární etalony 1. řádu se používají ke kalibraci sekundárních etalonů 2. řádu a ve zvláštních případech také ke kalibraci pracov­ních měřidel. Jako sekundární etalony 1. řádu jsou používány:
  • platinové odporové teploměry v rozmezí –196 až +660 °C,
  • sady skleněných teploměrů s celkovým rozsahem –55 až +100 °C s dělením po 0,01 °C, s kontrolním nulovým bodem a pro úplný ponor,
  • sady skleněných teploměrů s celkovým rozsahem –55 až +360 °C, s dělením po 0,1 °C, s kontrolním nulovým bodem a pro úplný ponor,
  • termoelektrické články typu S v rozmezí 156 až 1 100 °C,
  • termoelektrické články typu B v rozmezí 420 až 1 768 °C,
  • pyrometry celkového záření v rozmezí 30 až 1 300 °C,
  • monochromatické pyrometry v rozmezí 800 až 2 300 °C,
  • sady teplotních žárovek s celkovým rozsa­hem 800 až 2 300 °C.
Sekundární etalony 2. řádu se používají ke ka­libraci pracovních měřidel. Jako sekundár­ní etalony 2. řádu jsou používány:
  • platinové odporové teploměry v rozmezí –196 až +660 °C,
  • sady skleněných teploměrů s celkovým roz­sahem –55 až +360 °C s dělením po 0,1 °C a pro úplný ponor,
  • termoelektrické články typu S v rozmezí 100 až 1 200 °C,
  • termoelektrické články typu B v rozmezí 420 až 1768 °C,
  • termoelektrické články z obecných kovů typu T v rozmezí –196 až +100 °C,
  • termoelektrické články z obecných kovů typu N v rozmezí 0 až 600 °C,
  • monochromatické pyrometry v rozmezí 800 až 2 300 °C,
  • sady teplotních žárovek s celkovým rozsa­hem 800 až 2 300 °C.
Pracovní měřidla jsou navazována před­nostně prostřednictvím etalonů 2. řádu pokud možno shodných druhů měřidel. Jako nejčas­těji používaná pracovní měřidla zde lze uvést:
  • odporové teploměry,
  • termoelektrické články z drahých kovů a jejich slitin,
  • termoelektrické články z obecných kovů,
  • skleněné teploměry (včetně kalorimetric­kých, metastatických a lékařských),
  • elektronické teploměry s různými typy či­del (včetně lékařských),
  • dilatační a tlakové teploměry,
  • pyrometry celkového záření.
Doporučené schéma návaznosti etalonů a pracovních měřidel je obsaženo v příloze (gra­fické části) již uvedeného předpisu. Měřidla se nava­zují buď přímým porovná­ním, nebo přímým měře­ním. Při navazování eta­lonů 2. řádu a na úrovni pracovních měřidel je ob­vyklé porovnání, na úrov­ni primárního etalonážní­ho řádu je nejčastější pří­mé měření.
 

Vyhodnocovací přístroje

 
Vyhodnocovací pří­stroje jsou v principu mě­řidla, a to většinou jiné veličiny, než je teplota – např. měřidla elektrické­ho napětí a proudu, elektrického odporu atd. Jsou nezbytným doplňkem měřidel uvede­ných ve schématu návaznosti měřidel teploty, neboť bez nich nelze vlastní měřidla (čidla) teploty použít. Bez vyhodnocovacích přístro­jů lze používat přímoukazující měřidla, jako je např. skleněný teploměr.
 
Při práci s měřidlem teploty, jako je např. odporový teploměr, je nutné použít jako vy­hodnocovací přístroj měřidlo elektrického od­poru. Pro termoelektrické články je vhodné měřidlo stejnosměrného elektrického napětí, pro teplotní žárovky měřidlo stejnosměrného elektrického proudu ve spojení s napájecím zdrojem. Na tyto přístroje – měřidla – jsou kladeny určité požadavky, co se týče jejich rozlišovací schopnosti, nejistoty kalibrace, dlouhodobé stability, nezávislosti na okol­ních vlivech apod. V principu jde o zohled­nění nejistoty kalibrace vlastního vyhodno­covacího přístroje měřidla na nejistotu urče­ní veličiny, která je u daného měřidla závislá na teplotě. Nejčastěji jde o elektrické napětí nebo elektrický odpor. V mnoha případech jsou používány mul­timetry, při náročněj­ších úlohách (zejmé­na etalonážní řády) se používají můstky, jež jsou doplněny etalo­nem elektrického od­poru (odporovým nor­málem). Můstek měří poměr odporů např. odporového teploměru k odporu normálu.
 
U multimetru v roli vyhodnocovacího pří­stroje je podstatná jeho schopnost změřit hod­notu sledované veli­činy kvalitativně tak, aby nebyly znehodno­ceny vlastnosti měřidla teploty – např. odporového teploměru, nebo termoelektrického článku. Vyhodnocovací přístroj musí být svými vlastnostmi přiměře­ný měřidlu teploty. Tato přiměřenost by měla být předmětem posouzení, zda použitím ne­vhodného přístroje – multimetru s malou roz­lišovací schopností či nedostatečnou stabili­tou – není etalon degradován na úroveň pra­covního měřidla.
 
Nutnou podmínkou provozování termoe­lektrických článků je realizace srovnávacího spoje s referenční teplotou, jež bývá obvykle teplotou tajícího ledu, tj. 0 °C.
 

Prostředí – lázně pro realizaci návaznosti měřidel

 
Při navazování měřidel teploty je nutné vytvořit podmínky, při nichž je možné pro­vést přímé porovnání měřidel či přímé měření. Jde o termostatizované prostředí, jehož teplotu lze určit pomocí příslušného etalonu a v němž lze provést měření navazovaným (kalibrovaným, ověřovaným) měřidlem. Při většině návazností je žádoucí stabilní teplo­ta prostředí (lázně s teplosměnným médiem, bloku kovu), s výjimkou skleněných teplo­měrů, kde je nutné pracovat s kladným pří­růstkem teploty. Jako teplosměnné tekutiny v lázních se používají kapalný dusík, ethyl­alkohol, voda, glykol, silikonový olej, roztavené soli nebo keramický prach. Existují i vzduchové lázně. Časté jsou také provozně pohotové kalibrátory s pevným blokem, tzv. blokové pícky.
 
U tekutinové lázně i blokového kalibráto­ru jsou významné dva faktory:
  • teplotní profil, který charakterizuje rozlo­žení teploty v pracovním prostoru; souvisí s oběhem kapaliny uvnitř prostoru lázně, popř. homogenitou teplotního pole v blo­ku, kde nesmí vznikat teplotní gradient, jenž by mohl významně ovlivnit výsledek navazování rozdíly indikací měřidel umís­těných v různých místech lázně (bloku); lze jej kvantifikovat proměřením rozdí­lů teplot v prostoru lázně dvěma shodný­mi teploměry,
  • stabilita teploty, která charakterizuje ko­lísání teploty teplosměnného média, a to včetně její dlouhodobé stálosti; při práci s přírůstkem teploty v případě navazování skleněných teploměrů je důležitá schop­nost lázně zajistit teplotní přírůstek v určeném čase.

Způsob používání měřidel – etalonů

 
U odporových a termoelektrických tep­loměrů nelze údaje o měřené teplotě získat bez použití matematického aparátu v podobě interpolačních rovnic. Tento matematický aparát je použitelný při splnění určitých po­čátečních podmínek.
 
V zásadě existuje dvojí přístup k výpočtu výsledného údaje teploty ze vztahu charakte­rizujícího závislost mezi teplotou a vstupním údajem do výpočtu (elektrický odpor, termo­elektrické napětí):
  • obecný polynom n-tého stupně (Callenda­rova-Van-Dussenova rovnice – ČSN EN 60751, popř. ČSN EN 60584 pro termoe­lektrické články),
  • polynom odchylkové funkce výsledného údaje vzhledem k funkci referenční (ITS-90).
Předpis TPM 3340-94 stanovuje požadav­ky na jakost platiny pro odporové teploměry pro etalony 1. a 2. řádu (jako podmínku dosa­žení minimálního poměrného odporu v bodu tání galia WGa). Znamená to, že pokud mate­riál odporového měřidla (čidla) teploty nemá požadovanou kvalitu, nelze použít matematic­ký aparát odchylkové funkce. Je možné po­užít pouze vyjádření vztahu odpor – teplota obecným polynomem.
 
Převodní charakteristika etalonových termoelektrických článků je obdobně po­psána kombinací referenční a odchylko­vé funkce.
 
Předností kombinace referenční a odchyl­kové funkce je kvalitativně lepší popis funkč­ní závislosti měřidla, neboť referenční funk­ce mívá tvar polynomu vyššího řádu. Odchyl­ková funkce má v malém rozmezí teplot tvar polynomu jen 1. stupně (přímka) a při větším maximálně 3. stupně.
 
Přístupy při používání odporových teplo­měrů jsou principiálně dva:
  • průmyslových teploměrů se pracuje s hodnotou elektrického odporu danou ta­bulkově (ČSN EN 60751), přičemž teplo­měr lze popsat rozdílem naměřené hodno­ty odporu a tabulkové hodnoty odporu pro danou teplotu; materiál teploměru musí splňovat tzv. kritérium poměrného odpo­ru (0,385, popř. 0,392) a základní odpor je vyjádřen jako R0 (při 0 °C),
  • etalonů je přístup zcela jiný, neboť se pracuje s tzv. poměrným odporem Wt, což je poměr odporu při teplotě t k odporu zá­kladnímu (R0,01); tím je popsána charak­teristika teploměru jako údaj sám o sobě velmi stabilní na rozdíl od základního odporu, který se v průběhu používání teplo­měru mění, a proto je jeho hodnota promě­řována použitím trojného bodu; trojný bod vody je tudíž nezbytným doplňkem při po­užívání odporového teploměru jako etalo­nu 1. řádu.

Kategorizace měřidel teploty z pohledu přeměny energie

 
K určení odporu odporového teplomě­ru (i etalonu elektrického odporu) je nutné nechat měřidlem protékat známý elektrický proud, přičemž se měří hodnota elektrické­ho napětí na tomto odporu. Měřidlo je tedy energeticky aktivní, přičemž přiváděná elek­trická energie se mění na teplo, které se dále šíří vedením a radiací. Takovéto měřidlo není schopno samo o sobě generovat elektrický signál, jenž by byl dále zpracovatelný, nebo­li je signálově pasivní.
 
Termoelektrický článek využívající See­beckův jev je naopak principiálně energetic­ky pasivní a signálově aktivní. Jde o měřidlo, které samo generuje měřitelné elektrické na­pětí, aniž vyžaduje jakoukoliv dodávku elek­trické energie z vnějšího zdroje.
 

Možné chyby měření způsobené odvodem (přívodem) tepla

 
Při měření teploty obecně platí zásada, že použitý teploměr (odporový, termoelektrický atd.) svou přítomností v izotermním prostře­dí vytváří teplotní gradient, jehož důsledkem je tok energie – odvod i přívod tepla. Odpo­rový (kovový, termistorový) teploměr na­víc svým principem přivádí do místa měření tepelnou energii.
 
Za účelem vyhnout se elementárním chy­bám je třeba vzít v úvahu:
  • prostředí, v jakém je teploměr (i kalibrova­né měřidlo) použit, tj. jde-li o lázeň s cir­kulujícím médiem nebo blok pevné látky,
  • materiál stonku teploměru (běžně sklo, keramika nebo kov): sklo a keramika jsou dobré tepelné izolanty, izolují však od měřeného prostředí také vlastní či­dlo; kovové materiály jsou vesměs dob­ře tepelně vodivé, vlastní čidlo teploměru však musí být izolováno elektricky nevo­divým zásypem,
  • změnu teploty vlivem měřicího proudu pro­tékajícího čidlem; zde je třeba zmínit mož­nost extrapolace k nulovému měřicímu prou­du; poměrně velký vliv na správnost měření může mít protékající proud u snímačů tep­loty plynů – neexistuje-li v prostředí okolo teploměru nucená ventilace, jsou výsledky zkresleny směrem k vyšším teplotám,
  • změnu teploty vlivem radiace, ať již sálá­ním okolních předmětů, či odrazu denního světla v prostorách laboratoře; významná může být změna údaje např. teploměrů po­užitých ke stanovení teploty vzduchu i ma­teriálu při kalibraci měřidel délky.

Závěr

 
Příspěvek připomíná základní přístupy při používání měřidel teploty, jejich eta­lonáži a principy určení výsledků měření. Důraz je kladen na správné použití pří­slušného druhu měřidla spolu s jeho vy­hodnocovací jednotkou a kvalitativní přiměřenost jednotlivých částí řetězce vzhle­dem k sobě.
 
Nesprávným užitím měřidla teploty či nevhodným použitím interpolačních me­chanismů lze způsobit fatální odchylky naměřených údajů od reality. Příspěvek upo­zorňuje na hlavní nebezpečí, která v tom­to ohledu číhají na uživatele, především ty méně zkušené.
 
Literatura:
[1] PRESTON-THOMAS, H.: The International Temperature Scale of 1990. Metrologia, 27, pp. 3–10.
[2] ŠINDELÁŘ, M. – STRNAD, R.: Zpráva o eta­lonu teploty 2005, -2006, -2007, -2008. Interní materiál ČMI.
[3] TPM 3040-95: Schéma návaznosti měřidel teploty.
[4] TPM 3320-94: Termoelektrické snímače se­kundární etalony – technické požadavky.
[5] TPM 3321-94: Termoelektrické snímače sekun­dární etalony – metody zkoušení při ověřování.
[6] TPM 3322-94: Termoelektrické snímače teploty pracovní – metody kalibrace.
[7] ČSN EN 60584-1: Termoelektrické články – Část 1: Referenční tabulky.
[8] TPM 3340-94: Platinové odporové teploměry, sekundární etalony.
[9] TPM 3341-94: Platinové odporové teploměry, sekundární etalony, metody zkoušení při ově­řování.
[10] TPM 3342-94: Platinové odporové snímače teploty, metody zkoušení při ověřování – kalibraci.
[11] ČSN EN 60751: Průmyslové platinové odpo­rové teploměry a platinové snímače teploty.
 
Ing. Martin Šindelář,
Český metrologický institut,
Oblastní inspektorát Praha
 
Článek je editovanou verzí příspěvku přednesené­ho autorem na semináři Škola měření teploty 2010, pořadatel ČMI, Srní, listopad 2010.
 
Obr. 1. Sestava pevných bodů realizované teplotní stupnice ITS-90 (zdroj: Laboratoř termometrie ČMI, OI Praha)
Obr. 2. Kryogenní aparatura pro realizaci bodu varu dusíku s určením pro tři teploměry (zdroj: ČMI, OI Praha)