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:
-
u 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),
-
u 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)