Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Teplotní stupnice v ČR a návaznost měřidel teploty

číslo 1/2003

Teplotní stupnice v ČR a návaznost měřidel teploty

Článek seznamuje s rozsahem realizované teplotní stupnice ITS-90 v ČR, jejími nejistotami a návazností měřidel teploty od primární, přes sekundární metrologii až po pracovní měřidla teploty. Navazuje na článek o teplotních stupnicích [4].

1. Úvod

Již od pradávna se obecně používaná měřidla porovnávala (kalibrovala) s měřidly přesnějšími (nebo tzv. zaručeně správnými), jejichž původní název vzorové měřidlo se později změnil na etalon (z francouzštiny). Etalon musel být desetkrát přesnější než kalibrované měřidlo. Porovnával se s etalonem zase desetkrát větší přesnosti – tedy o řád přesnějším. Tím vznikly řády etalonů. Se vzrůstající potřebou měřit a s narůstajícím počtem měřidel bylo nutné zpravidla zavést několik řádů etalonů s hierarchicky rostoucí přesností. Každá laboratoř měla své etalony, které se porovnávaly s etalony krajských či okresních laboratoří, ty se zemskými atd. Tak vznikl nepřerušený řetězec etalonů zjišťujících tzv. návaznost měření.

Také s výrobou teploměrů vznikla nutnost vzájemného porovnávání a stanovování přesnosti měřidla a již od začátku byly problémy s přesností etalonových teploměrů. Ty navzájem nejblíže sousedící nemohly být desetkrát přesnější jako ve většině jiných oborů. Během doby se tudíž ustálilo pravidlo požadující nejistotu kalibrace etalonového teploměru třikrát menší, než je nejistota kalibrovaného měřidla. Přesto však nemohlo být zavedeno tolik řádů (úrovní) etalonů jako v jiných oborech.

2. Realizace ITS-90 v ČR

Primární laboratoř teploty ČR vybudovaná v Českém metrologickém institutu, Oblastním inspektorátu Praha (ČMI OI Praha), je z hlediska Evropy poměrně mladá. Vznikla v roce 1993 a opírá se o Mezinárodní teplotní stupnici z roku 1990 (International Temperature Scale of 1990 – ITS-90) podle dokumentů [1] a [2]. Zajišťuje kalibrace v rozmezí teploty od –196 °C (bod varu dusíku) do 1 768,1 °C (bod tání platiny). Rozmezí bylo zvoleno na základě té zkušenosti, že v minulosti nepřišly z průmyslu žádné požadavky na kalibraci pod bodem varu dusíku. Dále také proto, že kryogenní laboratoře v ČR mají již z minula vybudovánu dobrou návaznost na zahraničí, jejich požadavky na kalibrace jsou ojedinělé a potřebné aparatury a jejich provoz by byly velmi nákladné.

Při teplotách nad 1 000 °C se na pražském pracovišti naopak již prováděly kalibrace termoelektrických článků (termočlánků) modifikovanou tzv. drátkovou metodou, tj. v bodech tání zlata a palladia, popř. platiny. V této části teplotní stupnice nebylo nutné nic zřizovat. Pouze byly doplněny kovové drátky s větší čistotou pro zmenšení nejistot kalibrací a později i kvalitnější multimetr s přepínačem měřicích míst.

Tab. 1. Schopnost primární laboratoře při kalibraci odporových teploměrů

Rozsah (°C) Nejlepší kalibrační schopnost na mezi rozsahu
dolní (mK) horní (mK)
–196,798 až +0,01 6 0,5
–38,834 4 až +29,764 6 11) 11)
–196,798 až +231,928 62) 22)
0,01 až 231,928 0,5 2
0,01 až 660,323 5 6
0,01 až 961,78 5 30

1) v trojném bodu vody 0,2 mK, 2) v trojném bodu vody 0,5 mK

Tab. 2. Schopnost primární laboratoře při kalibraci termočlánků

Typ termočlánku Rozsah (°C) Nejlepší kalibrační schopnost na mezi rozsahu
dolní (°C) horní (°C)
S1) 156,598 5 až 961,78 0,2 0,2
S1) 419,527 až 1 064,181) 0,3 0,3
B   0,3 0,6
B 660,323 až 1 553,52) 0,6 2
B 961,78 až 1 761,13) 1 3

1) Au drátkovou metodou, 2) Au, Pd drátkovou metodou, 3) Au, Pd, Pt drátkovou metodou

Tab. 3. Poskytované výkony sekundárních laboratoří

Druh měřidla Rozsah (°C) Největší přesnost zkoušených měřidel (°C)
skleněný teploměr s dělením stupnice po 0,01 °C
0,1 °C
1 °C
–55 až +100
–55 až +360
0 až 600
0,0022) až 0,01
0,02 až 0,2
1
odporový teploměr –196 až +156
–70 až +550
0,01 až 0,04
0,01 až 0,05
termočlánek S (R)
B
T (J)
N (J)
K
400 až 1 200
600 až 1 800
–196 až +100
0 až 600
0 až 900
0,6 až 1,5
1 až 8
0,2 až 0,5
1 až 2
3 až 10
jasový pyrometr 900 až 2 000 10 až 15
teplotní žárovky1) 800 až 2 000  
elektronické teploměry –70 až 1 100 0,0052) až 1
teploměr na měření teploty povrchů2) 50 až 350 4 (dotyková)

1) jen ČMI OI Brno, 2) jen ČMI OI Praha

Schopnosti primární laboratoře při kalibraci odporových teploměrů a termočlánků jsou souhrnně uvedeny v tab. 1 a tab. 2. Co lze požadovat od sekundárních laboratoří, je patrné z tab. 3.

3. Schéma návaznosti měřidel teploty

Všechna kalibrovaná měřidla musí být prostřednictvím nepřerušovaného řetězce kalibrací navázána na národní etalony. Schopnost vztahovat výsledek měření zpět k příslušnému etalonu prostřednictvím nepřerušovaného řetězce etalonů a kalibrací se nazývá návaznost měření.

Jako konsenzus pracovníků velkých teplotních laboratoří v ČR vznikl, s přihlédnutím k již naznačeným problémům, během let 1994 a 1995 dokument Schéma návaznosti měřidel teploty TPM 3040-95 [3]. Vychází z požadavků průmyslu, národních norem pro jednotlivé teploměry a mezinárodních doporučení. Popisuje metrologické požadavky na měřidla jednotlivých řádů a ve své grafické části naznačuje možné použití etalonů ke kalibraci.

Obr. 1.

Celé grafické schéma návaznosti podle [3] je příliš rozsáhlé na to, aby mohlo být otištěno v časopise. Na ukázku je na obr. 1 ukázán jeho výřez zachycující návaznost měření v oboru pyrometrie. Význam použitých symbolů je takovýto:

  • PP: přímé porovnání,
  • EI: linie návaznosti na české státní etalony (termočlánek S a B, platinový odporový teploměr),
  • EII-1, EII-2: linie návaznosti na sekundární etalon 1. řádu (EII-1: termočlánek S, R; EII-2: termočlánek B),
  • Uc: interval hodnot rozšířených nejistot stanovený pro koeficient rozšíření kU = 2,
  • D: největší dovolená odchylka.

Lze konstatovat, že za dobu platnosti dokumentu [3], tj. během sedmi let, se k němu nevyskytly zásadnější výhrady. Pouze u termočlánků typu S nebyla situace s návazností tak zcela jednoznačná, neboť nejistoty kalibrace tohoto termočlánku jako sekundárního etalonu 2. řádu bývají srovnatelné s nejistotou pracovního měřidla – termočlánku typu S první jakostní třídy. Problém byl vyřešen zakoupením dalšího pevného bodu teplotní stupnice – bodu tuhnutí mědi (1 084,62 °C), realizovaného kelímkovou metodou. S jeho pomocí lze dosáhnout zmenšení nejistot v tomto bodě pětkrát až šestkrát a následně zmenšení nejistot všech kalibrací sestupně až po pracovní měřidla (samozřejmě úměrně – nikoliv u všech řádů pětkrát). Bod tuhnutí mědi je ve zkušebním provozu a první etalonové termočlánky typu S již byly jako sekundární etalony 1. řádu kalibrovány.

Další drobnou připomínkou je, že infračervené pyrometry (ale i pyrometry celkového záření) nelze v ČMI kalibrovat v celém rozsahu až do 1 300 °C, ale zatím jen od –40 do +450 °C, popř. do 1 000 °C. Požadavků na kalibraci v této části teplotní stupnice je zatím velmi málo. Návaznost je zajištěna v kalibrační laboratoři výrobce průmyslových pyrometrů, který vlastní černé těleso umožňující kalibraci až do 1 600 °C. Etalon z tohoto tělesa (termočlánek typu B) je pravidelně kalibrován v primární laboratoři ČMI.

Pro práci s dokumentem Schéma návaznosti měřidel teploty je nutné připomenout, že se týká pouze čidel, výjimečně celých teploměrů (elektronických a skleněných). Je-li kalibrován celý teploměr (trať), musí čidlo vyhovět svému řádu či třídě a ukazovací či vyhodnocovací měřidlo nesmí výrazně zhoršit nejistotu celého řetězce (jeho nejistota musí být srovnatelná s nejistotou čidla nebo lepší), jinak mu jako celku nemůže být přiznán řád, do kterého by podle kvality čidla příslušelo. K zavedeným pravidlům také patří, že vyžaduje-li to přesnost kalibrace, lze některý řád přeskočit, jako je tomu u měřidel pro bilanční měření (skleněný teploměr Beckmannův – ST-B, skleněný teploměr kalorimetrický – ST-K, elektronický teploměr pro stanovení spalného tepla – ET-K) nebo pro vědu a výzkum. Měřidla ale musí splňovat požadavky daného vyššího řádu (citlivost, stabilitu, teplotní koeficient u odporových teploměrů apod.).

4. Akreditované laboratoře

Začátkem roku 2003 vychází závazný dokument pro akreditované laboratoře Návaznost měření [5]. Po akreditovaných laboratořích se jím požaduje, aby požadavek návaznosti kalibrace jejich etalonů až na národní etalony byl splněn nepřerušeným řetězcem vytvořeným pouze z akreditovaných laboratoří. A to se týká nejen etalonů, ale i měřidel všech ovlivňujících veličin. Kalibrační listy vydávané akreditovanými laboratořemi musí odpovídat požadavkům ČSN EN ISO/IEC 17025 a MPA 10-01-01.

5. Závěr

Způsob realizace teplotní stupnice ITS-90 v ČR a návaznost měření teploty jsou v ČR zajištěny na mezinárodně srovnatelné úrovni, pokrývající drtivou většinu požadavků průmyslové i výzkumné praxe. Aktuální informace o rozsazích, kalibraci měřidel, nejistotách atd. lze nalézt na adrese http://www.cmi.cz

Literatura:

[1] BIPM: Techniques for aproximating the International temperature scale of 1990. Pavilon de Breteuil, F – 92310 Sévres.

[2] Borovička, M.: Mezinárodná teplotná stupnica 1990 (ITS-90). Příloha časopisu Československá standardizace, 1990, č. 7.

[3] TPM 3040-95 Schéma návaznosti měřidel teploty. ČMI Brno, 1994–1995.

[4] Běťák, J.: Teplotní stupnice. AUTOMA, 2003, roč. 9, č. 1, s. 43–46.

[5] MPA 30-02-03 Návaznost měření. ČIA, leden 2003.

Jiří Kryl

Inzerce zpět