Wzorcowanie przyrządów pomiarowych

Wzorcowanie, czyli inaczej kalibracja, to według definicji zbiór czynności, których celem jest ustalenie relacji pomiędzy wartościami wielkości mierzonej, wskazanymi przez przyrząd pomiarowy, a tymi realizowanymi przez wzorce jednostki miary. Na przykładzie czujników do pomiaru temperatury przedstawiamy wybrane metody kalibracji oraz urządzenia potrzebne do jej realizacji.

Wybór ten jest nieprzypadkowy - temperatura jest bowiem jedną z wielkości fizycznych najczęściej mierzonych w przemyśle. Charakteryzuje ona przebieg procesów produkcyjnych, jak też stan maszyn (ich przegrzewanie się często świadczy o awarii). W pomiarach temperatury często korzysta się z czujników kontaktowych, np. sensorów rezystancyjnych oraz termopar. W przypadku obiektów w ruchu, pomiarów w miejscach trudno dostępnych albo w przypadku bardzo gorących urządzeń używa się natomiast mierników bezkontaktowych (pirometry, kamery termowizyjne).

METODA PUNKTÓW STAŁYCH I METODA PORÓWNAWCZA

Za najdokładniejszy sposób wzorcowania kontaktowych czujników temperatury uznaje się metodę punktów stałych. Wykorzystuje się w niej zjawisko przemiany fazowej metali (rtęci, galu, cynku, aluminium, miedzi, palladu) oraz wody, czyli ich krzepnięcia, topnienia i punktu potrójnego. Ten ostatni to stan, w którym dana substancja pozostaje w równowadze termodynamicznej i istnieje w trzech stanach skupienia, tj. ciekłym, stałym oraz gazowym, równocześnie. W każdym z przypadków temperatura jest stałą.

Przykładowe wartości temperatury to: -38,8344°C (punkt potrójny rtęci), +0,01°C (punkt potrójny wody), +29,7646°C (temperatura topnienia galu), +419,527°C (temperatura krzepnięcia cynku) oraz +1084,62°C (temperatura krzepnięcia miedzi). Warunki takie uzyskuje się w specjalnych komórkach, w których umieszcza się wzorcowane czujniki. Aby stan ten utrzymać nawet przez kilka godzin, pojemniki te schładza się albo podgrzewa w termostatach lub w piecach.

W powyższy sposób kalibruje się najczęściej przyrządy pomiarowe, które będą później pełnić funkcję wzorca. Inne, od których nie oczekuje się tak dużej precyzji, wzorcowane są zwykle metodą porównawczą. Wskazania czujnika badanego są wówczas zestawiane z odczytami z kontrolnego przyrządu. Oba umieszcza się w monitorowanych i regulowanych warunkach, na przykład w komorze klimatycznej albo w termostacie.

WZORCOWANIE PIROMETRÓW

Do kalibracji pirometrów niezbędne jest źródło promieniowania termicznego, czyli modelowe ciało czarne. Jest to urządzenie emitujące maksymalną moc promieniowania, jaką może wydzielać obiekt o określonej temperaturze. Spotykane są dwa rodzaje takich źródeł: płaskie (hot plate) oraz wnękowe (cavity). Pierwsze zbudowane jest z metalowej płytki, wykonanej na przykład z aluminium, gładkiej lub na którą naniesiono koncentrycznie ułożone rowki. Jest ona zmatowiana i malowana na czarny kolor.

Dzięki temu typowa emisyjność modeli tego typu to 0,95. Zależnie od zadanej temperatury, płytka jest schładzana lub podgrzewana - na przykład przez moduł Peltiera. Częścią układu regulacji tej wielkości jest również czujnik, najczęściej rezystancyjny albo termopara. Techniczne ciało czarne drugiego typu, które charakteryzuje zwykle większa emisyjność (0,98 i więcej), ma natomiast postać ślepej wnęki w zabudowanym cylindrze. Urządzenia te są przeważnie droższe niż płaskie.

Kalibrację pirometru przeprowadza się, porównując jego wskazania z wynikami pomiaru przy użyciu wzorcowego sensora temperatury wbudowanego w płytkę lub we wnękę. Można także zestawiać odczyty z badanego przyrządu z tymi z innego, kontrolnego pirometru.

JAK POPRAWNIE SKALIBROWAĆ PIROMETR?

W czasie kalibracji pirometru ważne jest, żeby ustawić go prostopadle do powierzchni płytki albo wnęki - inaczej promieniowanie odbite zaburzy wynik pomiaru. Ponadto pole widzenia przyrządu przy danej odległości powinno być mniejsze niż powierzchnia ciała czarnego. Nie należy przy tym przysuwać pirometru zbyt blisko tego ostatniego nagrzanego do wysokiej temperatury - negatywnie wpływa to na wynik wzorcowania i może zniszczyć czujnik.

Pirometr powinien być zawsze nakierowany na środek płytki albo wnęki. Zanim zacznie się pomiar, należy się także upewnić, że temperatura ciała czarnego ustabilizowała się. Zwykle oczekiwanie na jej zwiększenie trwa krócej niż na obniżenie. Temu drugiemu może towarzyszyć formowanie się na powierzchni płytki wody lub lodu. Dzieje się tak, jeżeli jej temperatura osiągnie wartość punktu rosy albo lodu przy danej wilgotności powietrza. Tak jak wszelkie inne zanieczyszczenia, również krople i kryształy lodu zmieniają emisyjność powierzchni. Trzeba je więc usuwać - na przykład przedmuchując suchym powietrzem.

LABORATORIUM AKREDYTOWANE... CZYLI JAKIE?

Po przykładach spójrzmy bliżej na kwestie związane z przepisami. Do wykonania wiarygodnego wzorcowania niezbędny jest zatem odpowiedni sprzęt, wzorce oraz wykwalifikowany personel, który będzie przestrzegać procedur kalibracji, a później poprawnie opracuje jej wyniki. Wykonanie tego zadania często najlepiej jest zlecić specjalistom z laboratorium akredytowanego. Jak można przeczytać na stronie internetowej PCA (Polskiego Centrum Akredytacji) zgodnie z normą PN-EN ISO/IEC 17000 pt. Ocena zgodności.

Terminologia i zasady ogólne, akredytacja to atestacja przez stronę trzecią, dotycząca jednostki oceniającej zgodność, służąca formalnemu wykazaniu jej kompetencji do wykonywania określonych zadań w zakresie oceny zgodności. Aby uzyskać akredytację, laboratorium wzorcujące powinno spełnić szereg wymogów - m.in. każdy z upoważnionych pracowników musi co najmniej raz w ciągu ostatniego roku wykonać kalibrację metodami zgłoszonymi do akceptacji, a urządzenia pomiarowe oraz wzorce powinny być własnością laboratorium. Te pierwsze mogą być w wyjątkowych sytuacjach wynajmowane, jednak umowa najmu musi być zgodna z warunkami akredytacji i umożliwiać nadzór nad nią.

JAK UZYSKAĆ AKREDYTACJĘ?

Procedury wzorcowania powinny być znormalizowane. Te własne, które należy opracować zgodnie z aktualnym stanem wiedzy w danej dziedzinie, trzeba natomiast walidować.

Proces uzyskiwania akredytacji przebiega wieloetapowo. Rozpoczyna się od sprawdzenia dokumentacji. Ocenie w PCA poddawana jest ta dotycząca systemu zarządzania wdrożonego w laboratorium oraz procedur technicznych. Po jej zatwierdzeniu przedstawiciele w siedzibie wnioskodawcy akredytacji weryfikują teoretyczne i praktyczne kompetencje personelu w zakresie wykonywania kalibracji, opracowywania wyników i ich sprawdzania oraz przygotowania, modyfikacji i walidacji procedur pomiarowych.

Ponadto laboratorium musi "udowodnić", że może przeprowadzać wzorcowania w deklarowanym zakresie pomiarowym i z określoną zdolnością pomiarową. Ta ostatnia to najmniejsza niepewność pomiaru, jaką można osiągnąć podczas rutynowo wykonywanego wzorcowania. Analizowane są również wyniki porównań międzylaboratoryjnych.

Przyznana akredytacja jest nadzorowana i poddawana okresowej ocenie przez PCA. Można się także ubiegać o rozszerzenie jej zakresu.

ŚWIADECTWO JEST DOWODEM WZORCOWANIA

Rys. 1. Wzór świadectwa wzorcowania

Wniosek taki, tj. dotyczący rozszerzenia zakresu, może dotyczyć m.in. nowej dziedziny albo poddziedziny wzorcowania, lokalizacji lub metody pomiarowej. W pierwszym wypadku proces akceptacji przebiega analogicznie, jak przy udzielaniu akredytacji, czyli najpierw sprawdzana jest dokumentacja, a następnie przebieg kalibracji PCA weryfikuje na miejscu. W wypadku nowelizacji metody pomiarowej wymagane bywa z reguły tylko przedstawienie jej zaktualizowanej specyfikacji.

PCA ma także prawo do zawieszenia akredytacji, w całości albo częściowo. Przykładowe powody takiej decyzji to brak udokumentowania wzorcowań w określonej dziedzinie wykonywanych przez każdego upoważnionego pracownika w ciągu ostatniego roku lub utrata kompetencji laboratorium do prowadzenia wzorcowań w danej dziedzinie albo według określonej procedury.

Potwierdzeniem kalibracji jest jej świadectwo, które laboratorium akredytowane powinno wystawić klientowi. Dokument ten musi być zgodny ze wzorem zamieszczonym przez PCA na stronie internetowej www.pca.gov.pl/doc/swiadectwo_wzorcowania_pl.pdf. Wszelkie zmiany w tym szablonie powinny uzyskać akceptację tej organizacji.

CO ZAWIERA ŚWIADECTWO WZORCOWANIA?

Na świadectwie powinny znaleźć się dane teleadresowe laboratorium akredytowanego, informacje o akredytacji (jej numer AP XXX, przez kogo została wydana), data wystawienia oraz numer tego dokumentu. W dalszej części zamieszcza się opis przedmiotu wzorcowania, tzn. m.in. nazwę, typ, numer fabryczny i nazwę producenta przyrządu pomiarowego.

Kolejne dwa punkty to: zgłaszający oraz użytkownik. Dane identyfikujące tego drugiego (nazwa, adres) podaje się, jeżeli nie jest on tożsamy z pierwszym. Taka sytuacja może mieć miejsce, jeśli wzorcowanie przyrządu zamawia jego producent w ramach umowy z użytkownikiem końcowym czujnika. Następnie wskazać trzeba miejsce wzorcowania, o ile nie jest to siedziba laboratorium. Pole to wypełnia się w wypadku, gdy usługa kalibracji świadczona jest na miejscu u klienta. Jeśli któryś z tych dwóch punktów ma pozostać pusty jego tytułu w ogóle nie należy umieszczać na świadectwie.

Dalej trzeba opisać warunki środowiskowe, które występowały w czasie wzorcowania oraz datę kalibracji. Po tych polach zamieszcza się oświadczenie o dochowaniu przez laboratorium akredytowane spójności pomiarowej.

SPÓJNOŚĆ POMIAROWA - CO TO ZNACZY?

Spójność pomiarowa to właściwość wyniku pomiaru lub wzorca jednostki miary, która polega na tym, że można powiązać go z określonymi odniesieniami, na ogół z wzorcami państwowymi albo międzynarodowymi jednostkami miary za pośrednictwem nieprzerwanego łańcucha porównań, z których wszystkie mają określoną niepewność. Jeżeli jest ona zapewniona, wyniki pomiarów są jednoznaczne, co umożliwia ich wzajemne porównywanie.

Utrzymaniem państwowych wzorców jednostek miar w Polsce zajmuje się Główny Urząd Miar. Przykładem jest wzorzec jednostki miary stałego napięcia elektrycznego. Ma on postać układu pomiarowego złożonego ze wzorca pierwotnego opartego na zjawisku Josephsona ze złączem o napięciu znamionowym 10 V oraz systemu pomiarowego do kontroli charakterystyk i kalibracji.

Wzorzec jednostki miary oporu elektrycznego to natomiast układ pomiarowy w postaci grupy sześciu oporników wzorcowych o wartości nominalnej 1 Ω znajdujących się w termostacie i komparatora prądowego. GUM dysponuje także wzorcem jednostki masy 1 kg - jest to walec wykonany ze stopu platyny z irydem (90% Pt, 10% Ir) o średnicy podstawy równej z jego wysokością. Więcej informacji o innych jednostkach odniesienia można znaleźć na stronie internetowej www.gum.gov.pl.