Použití přenosných kalibrátorů teploměrů v nestandardních podmínkách

Použití přenosných kalibrátorů teploměrů v nestandardních podmínkách

Při používání přenosných kalibračních pícek ke kalibraci čidel a měřicích řetězců teploty v provozních podmínkách často nelze dodržet referenční podmínky, při kterých jsou zaručeny výrobcem definované metrologické vlastnosti kalibrátoru. V článku jsou uvedeny některé vybrané výsledky experimentů uskutečněných s cílem zjistit vlivy nestandardních provozních podmínek na chování kalibračních pícek a je doporučeno, jak tyto vlivy omezit na minimum.

1. Úvod

Při kalibracích čidel teploty pro zákazníky, jejichž požadavkem je nepřerušená výroba s minimálním omezením provozu, nacházejí významné uplatnění přenosné kalibrační pícky. Jsou vhodné i pro mnohá čidla při jejich použití v laboratořích. Výhody jsou v rychlosti kalibrace, omezení vlivu teplosměnných médií a problémů s nimi (solné lázně, fluidní lázně), v pohodlné manipulaci, schopnosti zpracovávat měřené údaje bez dalšího pomocného zařízení apod.

Co do přesnosti kalibrační teploty a homogenity a stability teplotního pole pícky většinou nedosahují kvality klasických lázní, ale dostačují pro kontrolu provozních čidel teploměrů a jejich technologických tolerancí.

Kalibrační laboratoř firmy ČKD Technické laboratoře, a. s., používá tato zařízení různých typů asi pět let. Výsledky z několika prvních použití nebyly příliš povzbudivé. Čidla teploty v provozech totiž velmi často neodpovídají laboratorní praxi, protože jsou např. mechanicky deformovaná, znečištěná (včetně nánosů např. při lisování plastů), různě tvarovaná podle účelu použití, proměnlivých délek (u krátkých čidel hrozí při větší teplotě poškození přívodního kabelu), často mají krátké nebo pevně fixované vedení kabelu a kalibrační pec je nutné umístit v provizorních nestabilních polohách apod. Ideální podmínky pro kalibraci – stejný průměr čidla a otvoru homogenizačního bloku a úplný ponor čidla – lze dodržet spíše výjimečně. Protože parametry pícek uváděné výrobci jsou vztaženy právě k ideálnímu způsobu jejich použití, byly pro zvýšení věrohodnosti naměřených hodnot simulovány nestandardní podmínky a byl zkoumán jejich vliv při kalibraci různých čidel teploty. Simulační experimenty jsou zdokumentovány. Na některé jejich výsledky důležité pro praxi je upozorněno v tomto příspěvku.

2. Současné možnosti přenosných kalibračních pícek

Celkový rozsah teploty pokrývaný současnými přenosnými kalibračními píckami je asi od –45 °C do +1 200 °C. Spojitého pokrytí tohoto rozsahu se obvykle dosáhne při použití tří pícek, např. v pásmech:

• nízká teplota (–45 °C až +140 °C),
• střední teplota (od 40 °C do 500 °C až 700 °C),
• vysoká teplota (150 °C až 1 200 °C).

Základem pícky je vždy homogenizační blok (kovový nebo keramický) s jedním nebo několika otvory různých průměrů a hloubky 100 až 200 mm (limitující ponor teploměru při kalibraci). Ohřev bloku je jedno- nebo několikazónový s vestavěným kontrolním čidlem teploty. Chlazení bloku zajišťuje vestavěný ventilátor. V současné době je často nabízeno doplňkové příslušenství, které se vkládá namísto homogenizačního bloku a umožňuje použít pícku univerzálněji – může jít např. o vložku s magneticky míchanou lázní, vložku s černým tělesem, vložku pro kalibraci dotykových čidel, vložky pro realizaci pevných bodů podle stupnice ITS-90.

Vlastní kalibraci čidel lze provádět několika základními způsoby:

• kalibrované čidlo (teploměr) je připojeno k vnějšímu digitálnímu teploměru nebo multimetru a jeho údaj je porovnáván s údajem teploměru vestavěného v pícce,

• údaj kalibrovaného čidla je porovnáván s údajem externího etalonového čidla (etalonu), které je také připojeno na externí měřicí zařízení,

• údaj kalibrovaného čidla je porovnáván s údajem externího etalonu připojeného na indikátor teploty vestavěný v pícce,

• kalibrované čidlo i externí etalon jsou připojeny na vestavěné vstupy kalibrační pícky a jejich údaje jsou čteny na obrazovce monitoru pícky.

Řízení kalibračního cyklu, uchování dat a jejich zpracování a vyhodnocování, vkládání parametrů etalonů apod. je obvykle možné přes komunikační vstup připojeného PC. V tab. 1 jsou uvedeny typické metrologické vlastnosti pícek při různých teplotách, jak je deklarují výrobci.

Tab. 1. Typické hodnoty metrologických parametrů kalibračních pícek při různých teplotách

Způsob určení rozšířené nejistoty kalibrační pícky (při vlastní kalibraci tvoří jednu ze složek nejistoty typu B) lze ukázat na příkladu pícky, která umožňuje indikovat údaj etalonového i kalibrovaného čidla. Jednotlivé maximální chyby použité pro výpočet nejistoty jsou spolu s výslednými nejistotami uvedeny v tab. 2. Údaje platí pro umístění čidel do referenčních otvorů (stejné průměry, plný ponor) a pro výpočet jsou použity hodnoty ze specifikace výrobce. Kalibrovány byly odporový teploměr Pt 100 (etalon je obdobný) a termoelektrický článek typu K při teplotě 300 °C.

Tab. 2. Odhad nejistoty kalibrace odporového teploměru Pt 100 a termoelektrického článku typu K při použití kalibrační pícky

K údajům uvedeným v tab. 2 je třeba poznamenat, že při změně ponoru čidel v pícce o 80 mm vzroste nejistota při téže kalibrační teplotě na 1,4 °C. Dominantní vliv přitom má axiální nehomogenita teplotního pole (potvrzeno vlastním měřením), která je podle výrobce 1,1 °C.

3. Výsledky simulací kalibračních podmínek

3.1 Cíl a použitá čidla
Účelem konaných experimentů bylo prověřit, do jaké míry lze při kalibraci akceptovat rozdílnost průměrů čidla a otvoru homogenizačního bloku, jaký vliv má u různých typů čidel hloubka jejich ponoru v bloku a jak se při kalibracích projeví odchylky od ideálních kalibračních podmínek. Použity byly pícky v základním provedení, tj. s kovovým homogenizačním blokem (hliníkovým, bronzovým). Měřilo se při teplotách od –20 do +650 °C. Čidla byla zvolena podle možností laboratoře ve snaze reprezentovat jednak zákaznický sortiment, jednak různou velikost čidla. Nebyla použita čidla s průměrem větším než 8 mm, protože krátká provedení nejsou v laboratoři k dispozici a u delších konstrukcí se nepříznivě projevoval odvod tepla tělesem teploměru. Hloubka otvorů v homogenizačním bloku používaných kalibračních pícek je poměrně malá, a tudíž nelze za všech okolností dosáhnout dostatečného ponoru snímače.

K experimentům byla použita tato čidla:

1. Etalonový odporový teploměr Pt 100 Ametek, průměr 4 mm, délka 350 mm, kalibrovaný jako etalon v rozsahu –40 až 660 °C.

2. Odporový teploměr Heraeus WTP 31, průměr 4 mm, délka 350 mm, navázán ve fluidní lázni na předchozí etalon do 500 °C.

3. Odporový teploměr 2× Pt 100/B ZPA (dvojitý), typové č. 405112675814, v. č. 9006, průměr 8 mm, délka 120 mm.

4. Odporové čidlo Heraeus Pt 100 GX 318 z křemenného skla s pracovním rozsahem teplot –220 až +400 °C, navázané na etalon č. 1 do 300 °C, průměr čidla 1,8 mm a délka 5 mm, čidlo je umístěno na špičce keramické tyčinky o průměru 4,5 mm a délce 300 mm.

5. Plášťový termoelektrický článek typu K, průměr 1 mm, délka 1,5 m, navázán do 1 000 °C na etalonový termoelektrický článek typu S ve vlastnictví laboratoře.

6. Vlasový termoelektrický článek typu K Thermocoax 2 AB I 025/1.00m/TM/MDI/2 AB 25 DIN/2.m, průměr 0,25 mm při délce 1 m, navázán do 500 °C na etalon č. 1; provedena úprava spočívající v provléknutí termoelektrického článku keramickou tyčinkou (vložka odporových teploměrů) o průměru 3 mm a délce 300 mm tak, aby vyčnívající měřicí konec měl délku 10 až 15 mm.

Z bohatého experimentálního materiálu byly pro představení v tomto příspěvku vybrány poznatky získané při společné kalibraci tří různých odporových teploměrů a dvou termoelektrických článků typu K různých vlastností při jejich různém uložení v homogenizačním bloku. Kalibrovalo se při teplotě 300 °C, která se v praxi kalibrační laboratoře firmy ČKD Technické laboratoře objevuje nejčastěji.

V dalších odstavcích jsou stručně shrnuta základní doporučení, kterými je, na základě výsledků uskutečněných experimentů i dalších zkušeností, třeba se řídit při používání kalibračních pícek v nestandardních podmínkách průmyslových provozů.

3.2 Současná kalibrace rozdílných čidel při 300 °C

3.2.1 Čidla vesměs v samostatných otvorech bloku
Naměřené závislosti výstupního údaje čidel v závislosti na jejich ponoru za téměř ideálního rozmístění čidel v otvorech bloku jsou zaznamenány v tab. 3 a na obr. 1. Za blížící se ideálnímu je označeno rozložení, kdy jsou všechna čidla umístěna v rozměrově jim odpovídajících nebo alespoň velmi blízkých otvorech bloku, a to takto:

Tab. 3. Závislost údaje čidla na jeho ponoru: čidla v otvorech bloku vesměs jednotlivě (viz odst. 3.2.1)

• dva odporové teploměry Ć 4 mm v otvorech téhož průměru,
• odporový teploměr ZPA Ć 8 mm v otvoru Ć 9 mm,
• termoelektrické články typu K o průměrech 1 a 0,25 mm umístěné společně v otvoru Ć 5 mm,
• homogenizační blok Ć 30 mm z bronzové slitiny,
• hloubka otvorů 140 mm.

Rozdělí-li se otvory v homogenizačním bloku po délce na třetiny, je dobře použitelná spodní třetina výšky, ve střední třetině se začíná projevovat vliv ponoru u nejsilnějšího čidla Ć 8 mm a horní třetina je nepoužitelná. Graf na obr. 1 je učebnicovým příkladem závislosti chování čidla na jeho průměru, kdy údaj termoelektrického článku Ć 0,25 mm je téměř nezávislý na jeho ponoru, zatímco čidlo teploty Ć 8 mm musí být při kalibraci zcela ponořeno.

Tab. 4. Závislost údaje čidla na jeho ponoru: čidla společně v otvoru průměru 23,5 mm bez utěsnění (viz odst. 3.2.2)

3.2.2 Všechna čidla v otvoru Ć 23,5 mm bez utěsnění
Výsledky na první pohled ideálu dosti vzdálené (tab. 4, obr. 2) skýtá uspořádání, kdy jsou všechna experimentální čidla vložena společně do otvoru Ć 23,5 mm a hloubky 140 mm a otvor je ponechán volný, takže čidla jsou vystavena komínovému efektu.

3.2.3 Všechna čidla v otvoru Ć 23,5 mm s utěsněním
V tab. 5 a na obr. 3 jsou zaznamenány závislosti získané při umístění čidel společně do jednoho otvoru jako v předcházejícím odstavci 3.2.2, jen s tím rozdílem, že otvor v bloku je utěsněn keramickou vatou značky Sibral. Je patrné, že při ucpání otvoru v bloku se v porovnání s tímtéž uspořádáním bez ucpávky sice zmenší rozptyl údajů čidel, ale závislost údaje na ponoru je u většiny z nich výraznější.

Tab. 5. Závislost údaje čidla na jeho ponoru: čidla společně v otvoru průměru 23,5 mm s utěsněním (viz odst. 3.2.3)

3.2.4 Všechna čidla v otvoru Ć 26 mm bez utěsnění
Výsledky získané při vložení všech experimentálních čidel společně do otvoru Ć 26 mm a hloubky 200 mm, bez utěsnění, jsou zaznamenány v tab. 6 a na obr. 4. Jak je patrné v porovnání s předchozími případy zaznamenanými na obr. 2 a obr. 3, má použití kalibračního zařízení s ponorem až 200 mm namísto 140 mm významný vliv. V hloubce 110 až 200 mm je největší rozdíl mezi údaji všech použitých čidel zhruba 4 °C. Při zmenšování ponoru pod 110 mm tento rozdíl významně roste.

Tab. 6. Závislost údaje čidla na jeho ponoru: čidla společně v otvoru průměru 26 mm bez utěsnění (viz odst. 3.2.4)

Tab. 7. Závislost údaje čidla na jeho ponoru: čidla společně v otvoru průměru 26 mm s utěsněním (viz odst. 3.2.5)

3.2.5 Všechna čidla v otvoru Ć 26 mm s utěsněním
V tab. 7 a na obr. 5 jsou zaznamenány závislosti získané při umístění čidel opět společně do jednoho otvoru Ć 26 mm a hloubky 200 mm s tím rozdílem, že otvor v bloku je utěsněn. Utěsnění otvoru nezabrání poklesu teploty čidel při zmenšujícím se ponoru, ale z porovnání obr. 3 (tab. 5) s obr. 5 (tab. 7) je zřejmé, že pokles teploty při vysouvání čidel je rovnoměrný u všech typů čidel a v horní třetině otvoru se neprojeví rozevření závislostí jednotlivých čidel tak výrazně jako u volného otvoru.

4. Omezení vlivu nestandardních podmínek při kalibracích

Při kalibracích v rozmezí teplot 200 až 600 °C uskutečňovaných na technologických zařízeních se obvykle požaduje, aby byla prověřena skutečnost, že řetězec pro měření teploty poskytuje výsledky v mezích tzv. technologické tolerance, která činí ±10 °C až ±20 °C (žíhání, sušení, odpařování těkavých složek apod.). Cílem provedených experimentů bylo zjistit velikost chyb při práci s čidly, která nelze pro jejich tvar, stav nebo obtížnou dostupnost kalibrovat při referenčních podmínkách. Z dokumentovaných příkladů vyplývá, že rozptyl hodnot při kalibraci lze udržet v mezích ±5 °C, což je pro kontrolu technologických tolerancí přijatelné. Je pouze třeba, aby si pracovníci vykonávající kalibrace uvědomovali, že:

• kalibrační pícka nemá vlastnosti homogenní lázně a při práci s ní je nutné respektovat vazbu mezi geometrickými rozměry čidel a homogenizačních bloků,

• kalibračních píckách nelze, až na výjimky, dosáhnout dostatečného ponoru čidel, a tudíž dodržet referenční podmínky kalibrace: k dosažní přijatelných výsledků je nezbytné vkládat čidla tak, aby dosahovala do spodní poloviny hloubky otvorů v homogenizačních blocích,

• u každého typu čidla je nutné pečlivě zvážit vliv odvodu tepla,

• ačkoliv přenosné kalibrátory mají deklarovánu nejistotu měření řádu 10^–2 °C, u tvarových čidel a při nestandardních podmínkách lze uvažovat o nejistotě kalibrace pouze v řádu 10^–1, ale častěji 10⁰ °C,

• chyby v důsledku nedodržení referenčních podmínek mohou při kalibraci čidel a řetězců pro měření teploty představovat dominantní složku nejistoty typu B.

5. Závěr

Uskutečněné experimenty, z nichž některé jsou popsány v článku, umožňují stanovit meze použitelnosti kalibračních pícek v referenčních i nestandardních podmínkách z hlediska kalibrovaných čidel teploty i z hlediska vlastních kalibračních zařízení (vhodnost jednotlivých typů homogenizačních bloků, volba kalibrace v samostatném nebo společném otvoru, volba velikosti otvoru apod.).

Další informace k této problematice lze získat např. v [1], kde je ukázán také vliv hloubky ponoru a rozdílu mezi průměrem čidla a průměrem otvoru v homogenizačním bloku při teplotách –10 °C, +150 °C a +500 °C, popř. přímo na pracovišti autora.

Ing. Josef Vojtíšek,
ČKD Technické laboratoře, a. s.