Měření teploty je jedním z nejběžnějších měření ve zpracovatelském průmyslu.
Každá smyčka měření teploty má a senzor teploty jako první komponent ve smyčce. Vše tedy začíná teplotním čidlem. Teplotní senzor hraje zásadní roli v přesnosti celé smyčky měření teploty.
Jako každý měřicí přístroj, který chcete být přesný, musí být také teplotní senzor pravidelně kalibrován. Proč byste měli měřit teplotu, když vám nezáleží na přesnosti?
V tomto příspěvku na blogu se na to podívám jak kalibrovat teplotní senzory a jaké jsou nejčastější věci, které byste měli zvážit při kalibraci teplotních čidel.
Než se dostaneme k podrobnostem, zde je krátké video, jak kalibrovat teplotní senzor:
Co je teplotní čidlo?
Začněme od základů. diskuse o tom, co je teplotní senzor:
Jak již název napovídá, teplotní senzor je přístroj, který lze použít k měření teploty. Má výstupní signál úměrný použité teplotě. Při změně teploty čidla se odpovídajícím způsobem změní i výstup.
Existují různé druhy teplotních senzorů, které mají různé výstupní signály. Některé mají odporový výstup, některé napěťový signál, některé digitální signál a mnoho dalších.
V praxi je v průmyslových aplikacích signál z teplotního senzoru typicky připojen k teplotnímu vysílači, který převede signál do formátu, který je snazší přenést na delší vzdálenosti, do řídicího systému (DCS, SCADA). Standardní signál 4 až 20 mA se používá již desítky let, protože proudový signál lze přenášet na větší vzdálenosti a proud se nemění, i když je podél vodičů nějaký odpor. V současné době jsou přijímány vysílače s digitálními signály nebo dokonce bezdrátové signály.
Každopádně pro měření teploty se jako měřící prvek používá teplotní senzor.
Měření výstupu teplotního čidla
Protože většina teplotních senzorů má elektrický výstup, je samozřejmě potřeba tento výstup nějak měřit. Jak již bylo řečeno, musíte mít například měřicí zařízení pro měření výstupu, odporu nebo napětí.
Měřicí zařízení často zobrazuje elektrickou veličinu (odpor, napětí), nikoli teplotu. Je tedy nutné vědět, jak ten elektrický signál převést na hodnotu teploty.
Většina standardních teplotních senzorů má mezinárodní standardy, které specifikují, jak vypočítat elektrický/teplotní převod pomocí tabulky nebo vzorce. Pokud máte nestandardní senzor, možná budete muset získat tyto informace od výrobce senzoru.
Existují také měřicí zařízení, která dokážou zobrazit signál teplotního čidla přímo jako teplotu. Tato zařízení také měří elektrický signál (odpor, napětí) a uvnitř mají naprogramované senzorové tabulky (nebo polynomy/vzorce), takže jej převádějí na teplotu. Například teplotní kalibrátory obvykle podporují nejběžnější RTD (odporový teplotní detektor) a termočlánkové (T/C) senzory používané ve zpracovatelském průmyslu.
Jak tedy zkalibrovat teplotní čidlo?
Než se pustíme do různých věcí, které je třeba vzít v úvahu při kalibraci teplotního senzoru, podívejme se na obecný princip.
Za prvé, protože teplotní senzor měří teplotu, budete muset mít známou teplotu, abyste mohli senzor ponořit a zkalibrovat jej. Není možné „simulovat“ teplotu, ale musíte vytvořit skutečnou teplotu pomocí zdroje teploty.
Můžete buď generovat přesnou teplotu, nebo můžete použít kalibrovaný referenční teplotní senzor k měření generované teploty. Referenční senzor a senzor, který se má kalibrovat, můžete například vložit do kapalné lázně (nejlépe míchané) a v tomto teplotním bodě můžete provést kalibraci. Alternativně lze použít takzvaný zdroj teploty suchého bloku.
Například použití míchané ledové lázně poskytuje docela dobrou přesnost pro bodovou kalibraci 0 °C (32 °F).
Pro průmyslovou a profesionální kalibraci se typicky používají teplotní lázně nebo suché bloky. Ty lze naprogramovat tak, aby ohřívaly nebo ochlazovaly teplotu na určitou nastavenou hodnotu.
V některých průmyslových aplikacích je běžnou praxí vyměňovat teplotní senzory v pravidelných intervalech a senzory pravidelně nekalibrovat.
Jak kalibrovat teplotní senzory – co je třeba zvážit
Začněme kopat do skutečné kalibrace teplotních senzorů a různých věcí, které je třeba zvážit.
1 — Manipulace se snímačem teploty
Různé senzory mají různé mechanické struktury a různou mechanickou robustnost.
Nejpřesnější snímače SPRT (standardní platinový odporový teploměr), používané jako referenční snímače v teplotních laboratořích, jsou velmi křehké. Lidé z naší laboratoře pro kalibraci teploty říkají, že pokud se SPRT něčeho dotkne, takže můžete slyšet jakýkoli zvuk, musí být senzor před dalším použitím zkontrolován.
Naštěstí je většina průmyslových teplotních senzorů robustní a vydrží běžné zacházení. Existují některé průmyslové senzory, které jsou vyrobeny velmi robustně a pak snesou docela hrubé zacházení.
Ale pokud si nejste jisti strukturou senzoru, který byste měli zkalibrovat, je lepší být v bezpečí, než litovat.
Nikdy není špatné zacházet s jakýmkoli senzorem, jako by to byl SPRT.
Kromě mechanických otřesů může být velmi rychlá změna teploty pro snímač zablokována a poškodit jej nebo ovlivnit přesnost.
Termočlánky obvykle nejsou tak citlivé jako sondy RTD.
2 — Přípravy
Příprav obvykle není tolik, ale je třeba vzít v úvahu některé věci. Nejprve se provede vizuální kontrola, aby se zjistilo, že senzor vypadá v pořádku, a ujistěte se, že není ohnutý nebo poškozený a že vodiče vypadají v pořádku.
Problémem může být vnější znečištění, proto je dobré vědět, kde byl senzor použit a jaký druh média měřil. Možná budete muset senzor před kalibrací vyčistit, zvláště pokud plánujete ke kalibraci použít kapalinovou lázeň.
Izolační odpor snímače RTD lze změřit před kalibrací. Tím je zajištěno, že snímač není poškozen a izolace mezi snímačem a šasi je dostatečně vysoká. Pokles izolačního odporu může způsobit chybu v měření a je známkou poškození snímače.
3 — Zdroj teploty
Jak bylo zmíněno, musíte mít zdroj teploty ke kalibraci teplotního čidla. Jen není možné simulovat teplotu.
Pro průmyslové účely se nejčastěji používá teplotní suchý blok. Je šikovný a přenosný a obvykle dostatečně přesný.
Pro potřeby vyšší přesnosti lze použít kapalinovou lázeň. Ten sice není typicky snadno přenosný, ale lze jej použít v laboratorních podmínkách.
Pro bod nula Celsia se často používá míchaná ledová lázeň. Je to docela jednoduché a cenově dostupné, ale poskytuje dobrou přesnost pro nulový bod.
Pro co nejpřesnější teploty se používají články s pevným bodem. Ty jsou velmi přesné, ale také velmi drahé. Ty se většinou používají v přesných (a akreditovaných) laboratořích pro kalibraci teplot.
4 — Referenční teplotní senzor
Teplota je generována některými zdroji tepla zmíněnými v předchozí kapitole. Samozřejmě potřebujete znát s velmi vysokou přesností teplotu zdroje tepla. Suché bloky a kapalinové lázně nabízejí vnitřní referenční senzor, který měří teplotu. Ale pro přesnější výsledky byste měli používat samostatné přesné referenční teplotní čidlo, které je vloženo se stejnou teplotou jako čidlo(y), které mají být kalibrovány. Tento druh referenčního senzoru bude přesněji měřit teplotu, kterou měří senzor, který má být kalibrován.
Referenční snímač by přirozeně měl mít platnou sledovatelnou kalibraci. Je snazší poslat na kalibraci referenční čidlo než celý zdroj teploty (je dobré pamatovat i na teplotní gradient teplotního bloku, pokud máte vždy zkalibrováno pouze referenční čidlo, nikoliv blok).
Pokud jde o termodynamické charakteristiky, referenční senzor by měl být co nejvíce podobný senzoru, který má být kalibrován, aby se zajistilo, že se budou chovat stejně při změnách teploty.
Referenční senzor a senzor, který se má kalibrovat, by měly být ponořeny ve stejné hloubce ve zdroji teploty. Obvykle jsou všechny senzory ponořeny na dno suchého bloku. S velmi krátkými snímači je to obtížnější, protože do zdroje teploty ponoří pouze omezenou hloubku a měli byste se ujistit, že váš referenční snímač je ponořen stejně hluboko. V některých případech to vyžaduje použití vyhrazeného krátkého referenčního snímače.
Při použití buněk s pevným bodem nepotřebujete žádné referenční čidlo, protože teplota je založena na fyzikálních jevech a je ze své podstaty velmi přesná.
5 — Měření výstupního signálu snímače teploty
Většina teplotních senzorů má elektrický výstup (odpor nebo napětí), který je potřeba změřit a převést na teplotu. Musíte tedy mít nějaké zařízení, které budete k měření používat. Některé teplotní zdroje nabízejí také měřicí kanály pro senzory, a to jak testované zařízení (DUT), tak referenční.
Pokud měříte elektrický výkon, budete jej muset převést na teplotu pomocí mezinárodních norem. Ve většině průmyslových případů použijete měřicí zařízení, které za vás provede převod, takže signál pohodlně uvidíte v jednotce teploty (stupně Celsia nebo Fahrenheita).
Ať už pro měření používáte jakékoli prostředky, ujistěte se, že znáte přesnost a nejistotu zařízení a že má platnou sledovatelnou kalibraci.
6 — Hloubka ponoru
Hloubka ponoření (jak hluboko vložíte senzor do zdroje teploty) je jedním z důležitých aspektů při kalibraci teplotních senzorů.
Lidé z naší laboratoře pro kalibraci teploty se při použití míchané tekuté lázně řídili tímto pravidlem:
- Přesnost 1 % — ponoření 5 průměrů + délka snímacího prvku
- Přesnost 0.01 % — ponoření 10 průměrů + délka snímacího prvku
- Přesnost 0.0001 % — ponoření 15 průměrů + délka snímacího prvku
Vedení tepla v míchané kapalinové lázni je lepší než v suchém bloku a potřebná hloubka ponoru je menší.
Pro suché bloky existuje doporučení Euramet, že byste měli ponořit 15násobek průměru senzoru přidaného k délce senzorového prvku. Pokud tedy máte snímač o průměru 6 mm, který má uvnitř 40 mm prvek, ponoříte jej (6 mm x 15 + 40 mm) 130 mm.
Někdy je obtížné zjistit, jak dlouho je skutečný prvek uvnitř snímače, ale mělo by to být uvedeno ve specifikacích snímače.
Také byste si měli být vědomi toho, kde je senzorový prvek umístěn (ne vždy se nachází v samotné špičce senzoru).
Senzor, který se má kalibrovat, a referenční senzor by měly být ponořeny do stejné hloubky, aby střední body skutečných senzorových prvků byly ve stejné hloubce.
Přirozeně u velmi krátkých senzorů není možné je ponořit příliš hluboko. To je jeden z důvodů vysoké nejistoty při kalibraci krátkých snímačů.
7 — Stabilizace
Pamatujte, že teplotní čidlo vždy měří svou vlastní teplotu!
Teplota se mění docela pomalu a vždy byste měli počkat dostatečně dlouho, aby se všechny díly stabilizovaly na cílovou teplotu. Když vložíte senzor do teploty, vždy bude nějakou dobu trvat, než teplota senzoru dosáhne této teploty a ustálí se.
Váš referenční senzor a senzor, který má být kalibrován (DUT), mohou mít velmi odlišné termodynamické charakteristiky, zejména pokud jsou mechanicky odlišné.
Často jednou z největších nejistot souvisejících s kalibrací teploty může být to, že kalibrace je provedena příliš rychle.
Pokud nejčastěji kalibrujete podobné druhy senzorů, je rozumné provést nějaké typové testy, abyste se naučili chování těchto senzorů.
8 — Rukojeť snímače teploty
Část rukojeti snímače nebo přechodový spoj má obvykle limit toho, jak může být horký. Pokud se zahřeje na příliš vysokou teplotu, může dojít k poškození senzoru. Ujistěte se, že znáte specifikace senzorů, které kalibrujete.
Pokud provádíte kalibraci při vysokých teplotách, doporučuje se použít teplotní štít k ochraně rukojeti snímače.
9 — Kalibrovaný teplotní rozsah
U teplotních senzorů je docela běžné, že nekalibrujete celý teplotní rozsah senzoru.
Úplný vrchol rozsahu je něco, co byste měli být opatrní při kalibraci. Například snímač RTD může trvale driftovat, pokud jej kalibrujete při příliš vysoké teplotě.
Také nejchladnější body teplotního rozsahu snímače mohou být obtížné/nákladné na kalibraci.
Proto se doporučuje kalibrovat teplotní rozsah, ve kterém bude senzor používán.
10 — Kalibrační body
Při průmyslové kalibraci musíte vybrat dostatek kalibračních bodů, abyste viděli, že snímač je lineární. Často stačí zkalibrovat 3 až 5 bodů v celém rozsahu.
V závislosti na typu senzoru možná budete muset vzít více bodů, pokud víte, že senzor nemusí být lineární.
Pokud kalibrujete platinové senzory a plánujete vypočítat koeficienty na základě výsledků kalibrace, budete muset provést kalibraci ve vhodných teplotních bodech, abyste mohli koeficienty vypočítat. Nejběžnější koeficienty pro platinové senzory jsou koeficienty ITS-90 a Callendar van Dusen. Pro termistory lze použít Steinhart-Hartovy koeficienty.
Když jsou senzory kalibrovány v akreditované laboratoři, mohou být body vybrány také na základě nejmenší nejistoty laboratoře.
11 — Seřízení / seřízení snímače teploty
Většinu teplotních senzorů bohužel nelze upravit ani oříznout. Pokud tedy najdete chybu v kalibraci, nemůžete ji upravit. Místo toho budete muset použít koeficienty ke korekci čtení senzoru.
V některých případech můžete kompenzovat chybu snímače v jiných částech smyčky měření teploty (ve vysílači nebo v DCS).
Další věci, které je třeba zvážit
Dokumentace
Stejně jako u každé kalibrace musí být kalibrace teplotního senzoru zdokumentována v kalibračním certifikátu.
Návaznost
Při kalibraci musí mít použitý referenční standard platnou návaznost na národní standardy nebo ekvivalenty. The sledovatelnost by měla být nepřerušeným řetězcem kalibrací, z nichž každá má uvedené nejistoty.
Více informací o metrologické návaznosti naleznete v příspěvku na blogu Metrologická návaznost v kalibraci – Jste dohledatelní?
Nejistota
Jako vždy při kalibraci, také při kalibraci teplotního senzoru, měli byste si být vědomi celkové nejistoty procesu kalibrace. Při teplotní kalibraci může být proces kalibrace (způsob, jakým provádíte kalibraci) snadno zdaleka největší složkou nejistoty v celkové nejistotě.
Další informace o nejistotě kalibrace naleznete v příspěvku na blogu Nejistota kalibrace pro figuríny
Automatizace kalibrace
Kalibrace teploty je vždy velmi pomalá operace, protože se teplota mění pomalu a musíte počkat na stabilizaci. Pokud dokážete automatizovat kalibraci teploty, můžete hodně těžit. Kalibrace bude stále trvat dlouho, ale pokud je automatizovaná, nemusíte na ni čekat.
To vám přirozeně ušetří čas a peníze.
Také, když je automatizován, můžete si být jisti, že kalibrace bude vždy provedena stejným způsobem.
Stáhněte si zdarma white paper
Kliknutím na obrázek níže stáhnete tento článek jako bezplatný soubor pdf:
Další související blogy
Pokud vás tento blogový příspěvek zaujal, mohly by se vám líbit i tyto níže uvedené. Neváhejte a projděte si všechny články v blog Beamex, možná najdete nějaké zajímavé články ke čtení.
- Složky nejistoty teplotní kalibrace pomocí suchého bloku
- Teplotní senzor Pt100 – užitečné informace
- Kompenzace studeného (referenčního) spoje termočlánku
- Jednotky teploty a převod jednotek teploty
- Jak kalibrovat teplotní přístroje [Webinář]
- Kalibrace senzoru sanitární teploty
- Jak kalibrovat teplotní spínač
Roztoky Beamex pro kalibraci teploty
Podívejte se prosím na nový teplotní kalibrátor Beamex MC6-T, který je dokonalým nástrojem pro kalibraci teplotního senzoru a mnohem více. Klikněte na obrázek níže a přečtěte si více:
Podívejte se také, co dalšího vám může Beamex nabídnout kalibrace teploty nebo služby kalibrace teploty.
Kalibrace teploty eLearning
Ovládněte kalibraci teploty pomocí tohoto bezplatného komplexního eLearningového kurzu od Beamex. Prohloubte své znalosti, projděte kvízem a získejte certifikát!
Za pomoc při tvorbě tohoto článku děkujeme naší akreditované laboratoři pro kalibraci teploty. Zvláštní poděkování patří Mr. Toni Alatalo, vedoucí naší akreditované teplotní laboratoře!
V tomto videu vám ukážeme, jak kalibrovat teplotní senzor a vysílač s HART výstupem.
Beamex MC6-T je extrémně všestranný přenosný automatický systém pro kalibraci teploty. Kombinuje nejmodernější teplotní suchý blok s multifunkčním procesním kalibrátorem a technologií komunikátoru Beamex MC6.
Objevte další související obsah
Jak kalibrovat teplotní senzor a převodník s výstupem HART
V tomto videu vám ukážeme, jak kalibrovat teplotní senzor a vysílač s HART výstupem.
Jak kalibrovat teplotní spínač
Teplotní spínače se běžně používají v různých průmyslových aplikacích k ovládání specifických funkcí a je třeba je pravidelně kalibrovat, aby bylo zajištěno, že fungují přesně a spolehlivě.
Jak kalibrovat duplexní teplotní senzor
Co je potřeba k automatické kalibraci duplexního teplotního senzoru?
Jak kalibrovat dva senzory Pt100 současně a automaticky
Věděli jste, že MC6-T má unikátní funkci zvanou skupinová kalibrace, která umožňuje kalibrovat 3 PCS RTD senzory současně?
Jak automaticky kalibrovat teplotní spínač
Teplotní spínače se běžně používají v různých průmyslových aplikacích k ovládání specifických funkcí. Stejně jako u jiných měřicích přístrojů je třeba je pravidelně kalibrovat, aby bylo zajištěno, že fungují přesně a spolehlivě.
Jak kalibrovat čidlo sanitární teploty pomocí Beamex MC6-T
Kalibrace sanitárních senzorů se liší od kalibrace senzorů normální teploty. V tomto videu vám ukážeme, jak automaticky kalibrovat krátké čidlo sanitární teploty.
Jak kalibrovat teplotní senzor Pt100 pomocí Beamex MC6-T
Měření teploty je jedním z nejběžnějších měření ve zpracovatelském průmyslu a teplotní senzory Pt100 jsou velmi rozšířené senzory. Každá smyčka měření teploty má jako první součást smyčky teplotní senzor.
Složky nejistoty teplotní kalibrace pomocí suchého bloku
Provedení teplotní kalibrace pomocí suchého bloku se zdá být docela jednoduché a přímočaré, nicméně existuje mnoho možných zdrojů nejistoty a chyb, které je třeba vzít v úvahu.
Kalibrace senzoru sanitární teploty
Sanitární teplotní senzory se běžně používají v mnoha průmyslových odvětvích, jako jsou potraviny a nápoje, mlékárenství, farmacie a věda o životě. Kalibrace sanitárních senzorů je jiná a mnohem obtížnější než kalibrace běžných teplotních senzorů.
Jak kalibrovat teplotní senzory
Proč byste měli měřit teplotu, když vám nezáleží na přesnosti? Jako každý měřicí přístroj, který chcete být přesný, musí být i teplotní senzory pravidelně kalibrovány.
Představujeme kalibrátor teploty Beamex MC6-T
MC6-T je vyroben pro průmyslová prostředí a je navržen tak, aby minimalizoval vlivy různých podmínek prostředí. Je také navržen tak, aby eliminoval účinky jakýchkoliv výkyvů střídavého síťového napětí.
Multifunkční teplotní kalibrátor a komunikátor Beamex MC6-T
Se schopností generovat teplotu a také měřit a simulovat teplotu a elektrické signály nabízí Beamex MC6-T skutečně unikátní kombinaci funkčnosti.
AMS2750E Standard tepelného zpracování a kalibrace
Tepelné zpracování je nezbytným procesem pro mnoho kritických částí letadla a existují přísné předpisy a procesy auditu.
Kompenzace studeného (referenčního) spoje termočlánku
Termočlánky lze použít k měření velmi vysokých teplot a jsou běžnými snímači teploty ve zpracovatelských závodech a mají několik výhod, díky nimž jsou široce používány.
Jednotky teploty a převod jednotek teploty
Během posledních staletí bylo vyvinuto několik různých teplotních stupnic a jednotek. A protože se v různých částech světa používají různé stupnice, stále se používá několik různých stupnic.
Beamex je váš důvěryhodný partner pro dokonalou kalibraci, poskytuje přesná měření, spolehlivá data a sledovatelnost pro bezpečnější a méně nejistý svět.
