Aktuální vydání

celé číslo

06

2020

Automatizace v potravinářství a farmacii

celé číslo

Jak kalibrovat snímače teploty

Měření teploty patří k nejčastějším měřením v procesním průmyslu. Každá teplotní regulační smyčka má na počátku snímač teploty. Tím všechno začíná. Snímač teploty má klíčový význam pro přesnost celé regulace.

Stejně jako každé jiné měřidlo, od nějž se očekává přesný výsledek, musí být i snímač teploty pravidelně kalibrován. V tomto článku bude popsáno, jak kalibrovat snímače teploty a co je při tom třeba brát v úvahu. 

Co je snímač teploty?

Snímač teploty je zařízení, které měří teplotu. To znamená, že výstupní signál je úměrný měřené teplotě. Jestliže se změní teplota, změní se i výstup. Měřicím prvkem snímače teploty je senzor (čidlo) teploty. (Pozn. red.: název teploměr ponechme pro snímače teploty s přímým ukazatelem, jako jsou např. lékařské teploměry).

Základním prvkem snímače teploty je jeho měřicí prvek – senzor. Je mnoho různých druhů senzorů teploty s různými výstupními signály, v průmyslové praxi se však nejčastěji používají odporové senzory (kovové, popř. polovodičové – termistory) a termoelektrické články.

Obr. 1. Různá provedení snímačů teploty

Signály ze senzoru teploty se zpracovávají v převodníku do formátu, který je možné lépe přenášet na velké vzdálenosti do řídicího systému (DCS, SCADA). Již mnoho desítek let se používá standardní analogový signál 4 až 20 mA. V současné době se ale stále více používají převodníky s digitálním výstupem, kabelovým i bezdrátovým.

V každém případě je však měřidlem teploty snímač obsahující senzor a převodník, jenž bývá umístěn v hlavici snímače, ale může být i oddělený. Senzor i převodník výrazně ovlivňují přesnost snímače. Průmyslový snímač má dále stonek, v němž je umístěn senzor (jen výjimečně může být bez něj), hlavici, mechanické (procesní) připojení, elektrické připojení (svorkovnici, konektor) atd. 

Výstup senzorů teploty

Většina senzorů teploty má elektrický výstup. K jeho měření se tedy volí metody a zařízení používaná k měření elektrických veličin. Měřidla elektrických veličin však mají stupnici v jednotkách odporu nebo napětí, nikoliv teploty. Je tedy třeba ještě převést elektrický signál senzoru na signál teploty. To není úplně snadné, protože převodní charakteristika není přesně lineární.

Většina standardních senzorů teploty odpovídá mezinárodním normám, které pomocí vzorce nebo tabulkou stanovují, jak převést elektrický výstup senzoru na hodnotu teploty. Jestliže jde o senzor, který neodpovídá normě, musí převodní tabulku dodat jeho výrobce.

Převod se uskuteční v převodníku. Výstupem snímače teploty je potom signál úměrný měřené teplotě. Převodník tedy měří elektrickou veličinu, jež je výstupem senzoru (odpor, napětí), a prostřednictvím tabulky nebo vzorce polynomu ji převádí na signál teploty (převodník může mít i další funkce, např. diagnostické, které však z metrologického hlediska nejsou podstatné). 

Jak kalibrovat snímače teploty?

Dříve, než se zde bude rozebírat, co je třeba při kalibraci snímačů teploty brát v úvahu, podívejme se na obecný princip kalibrace. Mezinárodní metrologický slovník v podstatě říká, že kalibrace je soubor úkonů, kterými se za specifikovaných podmínek stanovuje vztah mezi hodnotami veličin, jež jsou indikovány měřicím systémem či snímačem, a odpovídajícími hodnotami, které jsou realizovány etalony (standardy).

První, co je třeba mít ke kalibraci snímačů teploty, je tedy etalon. Teplotu není možné „simulovat“, je zapotřebí prostřednictvím vhodného zdroje tepla generovat skutečnou teplotu.

Jsou dvě možnosti: lze buď přímo generovat přesnou teplotu, nebo použít kalibrovaný referenční snímač, který byl prostřednictvím přesného etalonu teploty zkalibrován. Referenční snímač a snímač, který má být kalibrován, jsou ponořeny v kalibrační lázni, nejlépe míchané, která je vyhřívána na teplotu, při níž se má snímač kalibrovat. Volitelně je možné použít také tzv. suchý blok – kalibrační pícku, která neobsahuje lázeň, ale vyhříván je prostor uvnitř vložky. Kalibrátor lze naprogramovat na ohřátí nebo ochlazení lázně či prostoru suchého bloku na určitou požadovanou teplotu.

Místo referenčního teploměru je možné použít etalon, který přesně realizuje definovanou teplotu. Například ledová míchaná vodní lázeň vytváří přesný kalibrační bod 0 °C (273,15 K).

Snímače teploty často pracují ve velmi těžkých podmínkách a jejich životnost může být kratší než kalibrační interval. V některých aplikacích je běžnou praxí, že se snímače teploty během jejich životnosti vůbec nekalibrují, ale v pravidelných intervalech vyměňují. 

Jak kalibrovat snímače teploty – na co je třeba myslet

Různé snímače mají různou konstrukci a jsou různě mechanicky odolné.

Nejpřesnější snímače s platinovými senzory (SPRT – Standard Platinum Resistance Thermometers), které se používají jako referenční snímače v laboratořích, jsou velmi choulostivé. Lidé, kteří pracují v laboratořích, říkají, že když se takovým snímačem něčeho dotknete tak, že je slyšet klepnutí, musí se snímače před dalším použitím přezkoušet.

Většina průmyslových snímačů teploty má však robustní konstrukci a je možné s nimi zacházet běžným způsobem. Některé průmyslové snímače jsou dokonce velmi robustní a vydrží i drsné zacházení.

Obr. 2. Schéma pícky se suchým blokem

Ovšem když si uživatel není jistý konstrukcí snímače, který se má kalibrovat, je lepší zvolit opatrný postup.

Vždy je dobré s jakýmkoliv snímačem zacházet jemně jako se snímačem SPRT.

Kromě mechanických rázů mají na snímače teploty nepříznivý vliv také náhlé změny teploty. Mohou je zničit – v lepším případě, protože to se pozná ihned – nebo nepříznivě ovlivnit jejich přesnost.

Termočlánkové senzory jsou typicky méně citlivé než odporové. 

Přípravy na kalibraci

Obecně nejsou třeba velké přípravy, přesto je několik věcí, které je vhodné vzít v úvahu. Nejprve je zapotřebí udělat vizuální prohlídku a ujistit se, zda je snímač v pořádku, zda nemá ohnutý nebo poškozený stonek a zda je v pořádku i jeho kabel.

Problémem může být vnější znečištění, proto je dobré vědět, kde se snímač používal a jaké médium měřil. Snímač možná bude účelné před kalibrací očistit, zvláště když je plánována kalibrace v kapalné lázni.

Před kalibrací je také třeba změřit izolační odpor snímače. To je pro ujištění, že snímač nebyl poškozen a že izolace mezi senzorem a krytem je dostatečná. Pokles izolačního odporu může způsobit chybu měření a je známkou poškození snímače. 

Zdroj tepla

Pro kalibraci snímače teploty je nutné mít vhodný zdroj tepla, který umožní dosáhnout požadované teploty. Simulovat teplotu nelze.

Pro průmyslové účely se nejčastěji používá kalibrační pícka se suchým blokem (obr. 2obr. 3). Je kompaktní, přenosná a obvykle dostatečně přesná.

Obr. 3. Příklad provedení přenosného kalibrátoru se suchým blokem: kalibrátor MC6-T (Beamex)

Kapalinová lázeň se používá, je-li třeba větší přesnost. Obvykle není snadno přenosná a používá se především v laboratorních podmínkách.

Jako etalon pro realizaci nuly Celsiovy stupnice se často používá míchaná ledová lázeň (nulová lázeň). Její realizace je snadná a nejistota dosažení 0 °C je poměrně nízká.

Při realizaci jiných referenčních teplot se užívají kyvety pevných bodů. Využívá se skutečnost, že vyskytují-li se v izobarickém systému dvě fáze dané látky, není možné změnit teplotu, aniž by jedna fáze vymizela. Pevné body využívají dobře známé teploty tuhnutí nebo varu čistých látek. V trojném bodu se současně vyskytují tři fáze a systém nemusí být izobarický. Teplotní stupnice ITS-90 obsahuje sedmnáct teplotních bodů látek, od trojného bodu vodíku (–259,346 5 °C) po teplotu tuhnutí mědi (+1 084,62 °C). Realizace teploty pomocí pevných bodů je velmi přesná, ale kyvety jsou drahé. Nejistota realizace pevného bodu totiž závisí na čistotě látky. Pevné body se používají v nejpřesnějších kalibračních laboratořích, kde je třeba dosáhnout co nejnižší nejistoty měření. 

Referenční snímač teploty

Při kalibraci se porovnává teplota určená snímačem, který se má kalibrovat, s etalonem. Ten může být realizován pevnými body nebo referenčním snímačem navázaným na etalon vyššího řádu. Suché bloky a kapalné lázně mívají interní referenční snímač, který měří jejich teplotu. Avšak pro přesnější výsledky je třeba použít separátní externí referenční snímač teploty, který se vloží na stejné místo jako snímače, jež se mají kalibrovat. Tyto referenční snímače potom přesněji změří teplotu v místě, kde je měřena kalibrovaným snímačem.

Obr. 4. U krátkých snímačů není možné zajistit, aby senzor snímače, který se má kalibrovat, byl ve stejné hloubce jako interní referenční senzor, proto je třeba vždy použít externí referenční snímač

Referenční snímač musí mít ověřenou kalibraci navázanou na etalon vyššího řádu. Je ovšem snazší poslat ke kalibraci jen referen­ční snímač než celý kalibrátor. Jestliže se však kalibruje snímač, ne celý kalibrátor, je také třeba mít na paměti stabilitu a gradient teploty, zvláště v suchém bloku.

Z hlediska termodynamických charakteristik by měl být referenční snímač co nejvíce podobný snímači, který se bude kalibrovat, aby bylo zaručeno, že se při změnách teploty bude chovat stejně nebo alespoň podobně.

Referenční snímač a snímač, který se má kalibrovat, musí být do lázně nebo do suchého bloku v pícce ponořené do stejné hloubky. Typicky se snímače zasunují až ke dnu suchého bloku. U velmi krátkých snímačů je však obtížné to zajistit, protože tyto snímače mohou být ponořené jen do omezené hloubky; je třeba zajistit, aby byl referenční snímač ponořen stejně hluboko (obr. 4). V některých případech je nutné použít speciální zkrácený referenční snímač.

Jestliže se používají kyvety pevných bodů, není nutný referenční snímač, protože teplota je odvozena z fyzikálního jevu a z podstaty je velmi přesná. 

Měření elektrického výstupu senzoru teploty

Většina senzorů teploty má elektrický výstup (měřenou veličinou je odpor nebo napětí), který se měří a převádí na hodnotu teploty. K tomu je třeba převodník. Některé kalibrátory teploty mají měřicí kanál přímo pro senzory, pro senzor jak měřeného snímače, tak referenčního. Je tak možné kalibrovat samotný senzor bez převodníku.

Ve většině případů se v průmyslu používá kompletní snímač, tj. senzor s převodníkem, který výstup senzoru převádí na signál teploty.

Je třeba znát nejistotu všech použitých součástí měřicího řetězce a zajistit jejich kalibraci – kalibrace senzoru teploty nestačí. 

Hloubka ponoru

Hloubka ponoru do lázně nebo délka zasunutí snímače do suchého bloku pícky jsou při kalibraci snímačů teploty velmi důležité.

Kalibrační laboratoř Beamex používá pro míchanou kapalinovou lázeň toto jednoduché pravidlo:

  • přesnost 1 % – ponoření do hloubky 5 průměrů + délka senzoru,
  • přesnost 0,01 % – ponoření do hloubky 10 průměrů + délka senzoru,
  • přesnost 0,000 1 % – ponoření do hloubky 15 průměrů + délka senzoru.

Vedení tepla je v míchané lázni lepší než v suchém bloku a požadovaná hloubka ponoru je menší.

Pro suché bloky lze použít doporučení Euramet: hloubka ponoru (zasunutí) má být patnáctinásobkem průměru stonku snímače plus délka senzoru. Tedy u snímače se stonkem o průměru 6 mm, na jehož konci je senzor o délce 40 mm, je hloubka ponoru 130 mm.

Určit délku senzoru ve stopce snímače není snadné, ale měla by být uvedena v dokumentaci snímače.

Je třeba dávat pozor i na to, kde je senzor umístěn. Nemusí být vždy ve špičce stopky snímače.

Snímač, který se má kalibrovat, a referenční snímač musí mít stejnou hloubku ponoru, aby jejich senzory byly ve stejné hloubce.

Velmi krátké snímače ovšem není možné ponořit do požadované hloubky. To je jedna z příčin, proč je při kalibraci krátkých snímačů nutné počítat s velkou nejistotou. 

Stabilizace

Teplota látek se mění poměrně pomalu, takže při kalibraci je zapotřebí vždy počkat dostatečně dlouho, až se všechny části kalibrátoru stabilizují na cílové teplotě. Je třeba pokaždé pamatovat na to, že snímač měří teplotu svého senzoru. Jestliže je snímač vložen do kalibrátoru, musí se vždy určitou dobu počkat, než se teplota senzoru vyrovná s teplotou v lázni nebo suchém bloku.

Obr. 5. Kalibrace se nesmí uspěchat: ustálení teploty dvou snímačů při změně teploty média může trvat desítky minut

Problémem je, že snímač, který se má kalibrovat, a referenční snímač mohou mít velmi odlišné termodynamické vlastnosti, zvláště když jsou konstrukčně rozdílné (obr. 5).

Při kalibraci teploty je často největším zdrojem nejistot příliš rychlá kalibrace snímače.

Mají-li se testovat podobné snímače, je rozumné udělat test typických vlastností a zjistit jejich termodynamické chování, aby bylo možné stanovit dobu stabilizace teploty senzoru. 

Provozní teplota

Provozní teplota hlavice se svorkovnicí nebo převodníkem musí být ve stanoveném rozsahu. Je-li hlavice příliš horká, snímač se může poškodit. Provozní teplota snímače, který se má kalibrovat, musí být uvedena v jeho specifikaci.

Jestliže je snímač kalibrován při vysokých teplotách, doporučuje se použít tepelný štít nebo jinou vhodnou izolaci, která hlavici ochrání. 

Kalibrace v rozsahu měřených teplot

Je běžné, že se snímače teploty nekalibrují v celém jejich specifikovaném rozsahu. Zvláště při kalibrování vysokých teplot je třeba opatrnost. Například odporové senzory mají při vysokých teplotách výrazný drift. Zbytečné vystavování vysokým teplotám je poškozuje.

Ale i kalibrace při nízkých teplotách na dolním okraji specifikovaného rozsahu může být obtížná a nákladná.

Proto se doporučuje snímače kalibrovat jen v tom rozsahu, v němž se bude pohybovat teplota média, kterou budou měřit. 

Kalibrační body

Při průmyslové kalibraci se snímač musí kalibrovat v několika kalibračních bodech. Často postačí tři nebo pět bodů v rozsahu kalibrace.

Tyto body se nevolí náhodně. Jestliže se kalibrují snímače s platinovými odporovými senzory teploty a na základě výsledků kalibrace se mají spočítat koeficienty převodní charakteristiky, je třeba snímač kalibrovat ve stanovených bodech. Pro platinové senzory se nejčastěji používají body podle mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 a koeficienty Callendarovy-van Dusenovy rovnice. Pro termistory se používá Steinhartova-Hartova rovnice.

Když se snímače kalibrují v akreditované laboratoři, je možné body vybrat podle vybavení laboratoře tak, aby nejistota byla co nejmenší. 

Nastavení snímače teploty

Většinu snímačů teploty nelze nastavit posunem stupnice. Jestliže se tedy při kalibraci zjistí odchylky, není možné je upravit posunem nuly nebo sklonu převodní charakteristiky. Jedinou možností je odchylky kompenzovat zavedením korekcí v převodníku nebo v řídicím systému. 

Co je třeba ještě brát v úvahu

Stejně jako po každé jiné kalibraci je i po kalibraci teploty třeba výsledky zdokumentovat a vystavit kalibrační list.

Je také nutné doložit návaznost na národní nebo mezinárodní etalony. Návaznost je nepřerušený řetězec kalibrací, v němž má každý článek své nejistoty.

Více informací o metrologické návaznosti zájemci najdou v článku Heikkiho Laurily Metrological Traceability in Calibration – Are you traceable?, který je dostupný na https://blog.beamex.com/metrological-traceability-in-calibration-are-you-traceable.

Při kalibraci teploty je rovněž třeba uvažovat o celkové nejistotě kalibrace. Největší podíl na celkové nejistotě má zpravidla vlastní kalibrační proces, tedy způsob, jímž se kalibrace provádí.

Více informací o nejistotách kalibrací je v článku stejného autora, Heikkiho Laurily, Calibration uncertainty for dummies (https://blog.beamex.com/calibration-uncertainty-for-dummies-part-1).

 

Automatizace kalibrace

Kalibrace teploty je z principu hodně zdlouhavá činnost, protože teplota se mění pomalu a vždy je zapotřebí počkat na její stabilizaci. Zautomatizovaný proces kalibrace má mnoho výhod. Kalibrace sice bude stále trvat dlouho, ale obsluha nemusí sedět u kalibrátoru a čekat na výsledky, může se věnovat jiným činnostem. To šetří čas i peníze.

Navíc automatizovaný proces kalibrace přináší jistotu, že bude probíhat vždycky stejně.

[Heikki Laurila: How to calibrate temperature sensors. Beamex, 2019. Dostupné z https://blog.beamex.com/how-to-calibrate-temperature-sensors.]

 

(Překlad a úprava: redakce, odborné korektury: Petr Moravec, Kalibrátory, s. r. o., grafika: Beamex)

(Beamex)