Temperaturmätning är en av de vanligaste mätningarna inom processindustrin.
Varje temperaturmätningsslinga har en temperatursensor som första komponent i slingan. Det betyder att allt börjar med en temperatursensor. Temperatursensorn spelar en avgörande roll för noggrannheten i hela temperaturmätningsslingan.
Precis som vilket instrument som helst som ska vara exakt, måste även temperatursensorn kalibreras regelbundet. Varför skulle man mäta temperaturen om man inte bryr sig i noggrannheten?
I denna blogg kommer jag att behandla kalibrering av temperatursensorer och de vanligaste sakerna man bör överväga då man kalibrerar temperatursensorer.
Innan vi går in på detaljerna så kan man här se en kort video om hur en temperatursensor kalibreras:
Vad är en temperatursensor?
Låt oss börja med grunderna... genom att diskutera vad en temperatursensor är:
Såsom namnet antyder är en temperatursensor ett instrument som kan användas för att mäta temperaturen. Den har en utsignal som står i proportion till den tillämpade temperaturen. Då sensortemperaturen ändras så ändras också utsignalen i enlighet med detta.
Det finns åtskilliga typer av temperatursensorer som har olika utsignaler. Vissa har en resistansutgång, vissa har en spänningssignal, vissa har en digital signal o.s.v.
I praktiken är signalen från temperatursensorn i industriella applikationer vanligtvis kopplad till en temperaturtransmitter. Transmittern omvandlar signalen till ett format som är lättare att överföra på längre avstånd till styrsystemet (DCS, SCADA). Standardsignalen 4 to 20 mA har använts i årtionden, eftersom strömsignaler kan överföras längre sträckor och strömmen inte ändras fastän det skulle finnas motstånd längs ledningarna. Nuförtiden används transmittrar med digitala eller till och med trådlösa signaler.
Hur som helst, för att mäta temperaturen används temperatursensorn som mätelement.
Mätning av temperatursensorns utsignal
Eftersom de flesta temperatursensorer har en elektrisk utsignal måste nämnda utsignal förstås mätas på något sätt. Med det sagt så måste man ha en mätanordning för att mäta exempelvis utsignalen, resistansen eller spänningen.
Mätenheten visar ofta en elektrisk storhet (resistans, spänning), inte temperatur. Så det är nödvändigt att veta hur man omvandlar den elektriska signalen till ett temperaturvärde.
De flesta standardtemperatursensorer har internationella standarder som anger hur el-/temperaturomvandlingen ska beräknas med hjälp av en tabell eller formel. Om man har en icke-standardsensor kan man behöva få den informationen från sensortillverkaren.
Det finns också mätenheter som visar temperatursensorsignalen direkt som temperatur. Dessa enheter mäter även den elektriska signalen (motstånd, spänning) och har sensortabellerna (eller polynomen/formlerna) inprogrammerade så de omvandlar den till temperatur. Till exempel stöder temperaturkalibratorer vanligtvis de vanligaste sensorerna för RTD (motståndstemperaturdetektor) och termoelement (T/C) som används inom processindustrin.
Hur kalibreras en temperatursensor?
Innan vi behandlar de olika sakerna att ta i beaktande då en temperatursensor kalibreras, ska vi granska den allmänna principen.
För det första, eftersom temperatursensorn mäter temperaturen, måste man ha en känd temperatur som sensorn sänks ner i för att kalibrera den. Det är inte möjligt att ”simulera” en temperatur utan man måste uppnå en äkta temperatur med hjälp av en temperaturkälla.
Man kan antingen generera en exakt temperatur eller så kan man använda en kalibrerad referenstemperatursensor för att mäta den genererade temperaturen. Man kan till exempel sätta referenssensorn och den sensor som ska kalibreras i ett vätskebad (helst omrört) och man kan utföra en kalibrering vid den temperaturpunkten. Alternativt kan ett så kallat torrblock användas som temperaturkälla.
Genom att till exempel använda ett omrört isbad, får man en rätt bra noggrannhet för 0°C (32°F) punktkalibrering.
Vanligtvis används temperaturbad eller torrblock vid industriell och professionell kalibrering. Dessa kan programmeras för att höja eller sänka temperaturen till ett visst börvärde.
I vissa industriella tillämpningar är det vanligt att byta ut temperatursensorer med jämna mellanrum och inte regelbundet kalibrera dem.
Hur temperatursensorer kalibreras – saker att ta i beaktande
Vi ska behandla själva kalibreringen av temperatursensorer och olika saker att ta i beaktande...
1 - Hantering av en temperatursensor
Olika sensorer har olika mekaniska strukturer och robusthet.
De mest exakta SPRT-sensorerna (standard platinumresistanstermometer) som används som referenssensorer i temperaturlaboratorier är väldigt ömtåliga. Enligt vårt team i temperaturkalibreringslaboratoriet måste en SPRT-sensor kontrolleras före ytterligare användning ifall den har vidrört något så hårt att det orsakade ett ljud.
Lyckligtvis är de flesta industriella temperatursensorerna robusta och klarar av normal hantering. Det finns vissa industriella sensorer som är gjorda mycket robusta och som då tål ganska tuff hantering.
Men är man osäker på strukturen på sensorn man ska kalibrera är det bättre att ta det säkra före det osäkra.
Det är aldrig fel att hantera en sensor som om den vore en SPRT-sensor.
Förutom mekaniska stötar kan en mycket snabb temperaturförändring ge sensorn en stöt och skada den eller påverka noggrannheten.
Termoelement är vanligtvis inte lika känsliga som RTD-sonder.
2 - Förberedelser
Vanligtvis behöver man inte göra så många förberedelser, men det finns några saker som bör tas i beaktande. För det första bör en visuell inspektion göras för att kontrollera att sensorn och ledningarna ser ok ut och att sensorn inte är böjd eller skadad.
Extern kontaminering kan orsaka problem så det kan vara bra att veta i vilken miljö sensorn har använts och vilken sorts media den har mätt. Man behöver kanske rengöra sensorn före kalibrering, speciellt om man tänker använda ett vätskebad för kalibrering.
Isolationsresistansen hos en RTD-sensor kan mätas före kalibreringen. Detta görs för att se till att sensorn inte är skadad och att isoleringen mellan sensorn och chassit är tillräckligt högt. Ett fall i isolationsmotståndet kan orsaka fel i mätningarna och är ett tecken på en sensorskada.
3 - Temperaturkälla
Som tidigare nämnt, behövs en temperaturkälla för att kalibrera en temperatursensor.
För industriella ändamål används oftast ett temperaturtorrblock. Det är behändigt, flyttbart och vanligtvis tillräckligt exakt.
Vid behov av högre noggrannhet kan ett vätskebad användas. Ett sådant är å andra sidan inte lätt flyttbart men kan användas i laboratorier.
För noll grader används ofta ett omrört isbad. Det är ganska enkelt och prisvärt men ger ändå en bra noggrannhet för nollpunkten.
För de mest exakta temperaturerna används fixpunktceller. Dessa är mycket exakta men också mycket dyra. De används oftast i noggranna (och väl ackrediterade) temperaturkalibreringslaboratorier.
4 - Referenstemperatursensor
Temperaturen genereras med hjälp av någon av de värmekällor som har nämnts i föregående kapitel. Man måste förstås känna till värmekällans temperatur med mycket hög noggrannhet. Torrblock och vätskebad har en intern referenssensor tillgänglig som mäter temperaturen. Men för mer exakta resultat bör man använda en separat och noggrann referenstemperatursensor som utsätts för samma temperatur som sensorn/sensorerna som ska kalibreras. En sådan referenssensor kommer mer exakt att mäta temperaturen som sensorn som ska kalibreras mäter.
Naturligtvis bör referenssensorn ha en giltig och spårbar kalibrering. Det är enklare att skicka i väg en referenssensor för kalibrering än att skicka hela värmekällan (det är också bra att ha temperaturgradienten på temperaturblocket i åtanke om bara referenssensorn kalibreras och inte blocket).
När det handlar om termodynamiska egenskaper bör referenssensorn och sensorn som ska kalibreras vara så lika som möjligt. Detta för att säkerställa att de beter sig på samma sätt under temperaturförändringar.
Referenssensorn och sensorn som ska kalibreras ska båda vara nedsänkta till samma djup i temperaturkällan. Vanligtvis är alla sensorer nedsänkta till botten av ett torrblock. Med mycket korta sensorer blir det svårare eftersom de bara kommer att sjunka ner till ett begränsat djup i temperaturkällan och då bör man se till att referenssensorn är nedsänkt till samma djup. I vissa fall krävs det att en dedikerad kort referenssensor används.
Genom att använda fixpunktceller så behövs inga referenssensorer eftersom temperaturen baserar sig på fysiska fenomen och är mycket exakt till sin natur.
5 - Mätning av temperatursensorns utsignal
De flesta temperatursensorer har en elektrisk utsignal (motstånd eller spänning) som måste mätas och konverteras till temperatur. Så man behöver en enhet som ska användas till mätning. Vissa temperaturkällor har även tillgängliga mätkanaler för sensorerna, både enhet under test (DUT) och referens.
Om man mäter den elektriska utsignalen måste man konvertera denna till temperatur genom att använda internationella standarder. I de flesta industriella fall kommer en mätenhet som själv utför omvandlingarna att användas så man behändigt kan se signalen i temperaturenheten (Celsius eller Fahrenheit).
Vilka medel man än använder för mätningen ska man se till att man känner till enhetens noggrannhet och osäkerhet och kontrollera att den har en giltig och spårbar kalibrering.
6 - Nedsänkningsdjup
Nedsänkningsdjup (hur djupt sensorn sänks ner i temperaturkällan) är en viktig faktor at ta i beaktande då man kalibrerar temperatursensorer.
Vårt team i temperaturkalibreringslaboratoriet har den här tumregeln då de använder ett omrört vätskebad:
- 1% noggrannhet - sänk ner sensorn 5 gånger sin egen diameter + längden på sensorelementet
- 0,01% noggrannhet - sänk ner sensorn 10 gånger sin egen diameter + längden på sensorelementet
- 0,0001% noggrannhet - sänk ner sensorn 15 gånger sin egen diameter + längden på sensorelementet
Värmeledningen i ett omrört vätskebad är bättre än i ett torrblock och nedsänkningsdjupet som krävs är mindre.
För torrblock finns det en Euramet-rekommendation att man ska sänka ner sensorn 15 gånger sin egen diameter plus längden på sensorn. Det betyder alltså att om man har en sensor på 6 mm i diameter som har ett element på 40 mm inuti så sänks den ner 130 mm (6 mm x 15 + 40 mm).
Ibland kan det vara svårt att veta hur långt själva elementet inne i sensorn är men det borde vara listat i sensorspecifikationerna.
Dessutom borde man vara medveten om var sensorelementet är placerat (det finns inte alltid i själva spetsen av sensorn).
Sensorn som ska kalibreras och referenssensorn ska sänkas ner till samma djup så att mittpunkterna på båda sensorelementen är på samma djup.
Naturligtvis är det inte möjligt att sänka sensorerna särskilt djupt om de är väldigt korta. Det är en anledning till den höga osäkerheten vid kalibrering av korta sensorer.
7 - Stabilisering
Kom ihåg att en temperatursensor alltid mäter sin egen temperatur!
Temperaturen ändras ganska långsamt och man bör alltid vänta tillräckligt länge så att alla delar har stabiliserats till måltemperaturen. Då man sätter in en sensor i en temperatur tar det alltid lite tid innan sensorns temperatur har nått måltemperaturen och stabiliserats.
Referenssensorn och sensorn som ska kalibreras (DUT) kan ha väldigt olika termodynamiska egenskaper speciellt om de är mekaniskt olika.
Ofta kan en av de största osäkerheterna i samband med temperaturkalibrering bero på att kalibreringen görs för snabbt.
Om man regelbundet kalibrerar liknande typer av sensorer är det klokt att göra typ-test för att lära sig beteendet hos dessa sensorer.
8 - Handtaget på temperatursensorn
Handtagsdelen på sensorn, även kallad övergångskopplingen, har vanligtvis en gräns för hur het den kan vara. Om den blir upphettad för mycket kan sensorn skadas. Man bör se till att man är medveten om specifikationerna på de sensorer som ska kalibreras.
Om man kalibrerar i höga temperaturer rekommenderas det att använda ett temperaturskydd för att skydda sensorhandtaget.
9 - Temperaturområde för kalibrering
Med temperatursensorer är det ganska vanligt att man inte kalibrerar sensorns hela temperaturområde.
Man bör vara försiktig med att kalibrera i den högsta temperaturen i temperaturområdet. Exempelvis kan en RTD-sensor avvika permanent om man kalibrerar i för hög temperatur.
Dessutom kan det bli svårt/dyrt att kalibrera i den kallaste temperaturen i sensorns temperaturområde.
Därför rekommenderas det att kalibrera inom det temperaturområde som sensorn ska användas i.
10 - Kalibreringspunkter
Vid industriell kalibrering måste man ha tillräckligt många kalibreringspunkter för att se till att sensorn är linjär. Ofta räcker det med att kalibrera 3 till 5 punkter i hela området.
Beroende på sensortypen kan det behövas fler punkter om man märker att sensorn kanske inte är linjär.
Om man kalibrerar platinasensorer och ska beräkna koefficienter baserat på kalibreringsresultaten måste man kalibrera vid lämpliga temperaturpunkter för att beräkna koefficienterna. De vanligaste koefficienterna för platinasensorer är ITS-90 och Callendar van Dusen. För termistorer kan koefficienten Steinhart-HART användas.
Då sensorer kalibreras i ett väl ackrediterat laboratorium kan punkterna även väljas baserat på labbets minsta osäkerhet.
11 - Justering/trimning av en temperatursensor
Tyvärr kan de flesta temperatursensorer inte justeras eller trimmas. Så om man hittar ett kalibreringsfel kan man inte justera det. I stället måste man använda koefficienter för att korrigera sensorns avläsning.
I vissa fall kan man kompensera sensorfelet i andra delar av temperaturmätningsslingan (i transmittern eller i DCS).
Andra saker att tänka på
Dokumentation
Som med all kalibrering måste kalibreringen av temperatursensorn dokumenteras i ett kalibreringscertifikat.
Spårbarhet
Vid kalibrering måste referensstandarden som används ha en giltig spårbarhet enligt nationella standarder eller motsvarande. Spårbarheten bör vara en obruten kedja av kalibreringar som var och en har angivna osäkerheter.
För mer information om metrologisk spårbarhet, se blogginlägget Metrologisk spårbarhet vid kalibrering – Är du spårbar?
Osäkerhet
Som alltid vid kalibrering, även vid kalibrering av temperatursensorer, bör man vara medveten om den totala osäkerheten i kalibreringsprocessen. Vid temperaturkalibrering kan kalibreringsprocessen (sättet man gör kalibreringen) lätt vara den överlägset största osäkerhetskomponenten i den totala osäkerheten.
För mer information om kalibreringsosäkerhet, se blogginlägget Kalibreringsosäkerhet för nybörjare.
Automatisering av kalibrering
Temperaturkalibrering är alltid en ganska långsam process eftersom temperaturen ändras långsamt och man måste vänta på stabiliseringen. Det finns många förmåner med att automatisera temperaturkalibreringarna. Kalibreringen kommer fortfarande att ta en lång tid men om den är automatiserad måste man inte vara på plats och vänta på den.
Detta kommer naturligtvis att spara både tid och pengar.
Dessutom kan man vara säker på att kalibreringen alltid görs på samma sätt om den är automatiserad.
Beamex-lösningar för temperaturkalibrering
Kolla in Beamex nya MC6-T temperaturkalibrator som är ett perfekt verktyg för temperatursensorkalibrering och mycket mer. Klicka på bilden nedan för att läsa mer:
Kolla även in vad mer Beamex kan erbjuda dig gällande temperaturkalibrering eller temperaturkalibreringstjänster.
Temperaturkalibrering: eLearning
Gratis eLearning-kurs om industriell temperaturkalibrering.
Bemästra temperaturkalibrering med hjälp av denna kostnadsfria och omfattande eLearning-kurs från Beamex. Fördjupa dina kunskaper, besvara frågorna korrekt och få ditt certifikat!
Vi vill tacka vårt väl ackrediterade team i temperaturkalibreringslaboratoriet för deras hjälp med att skriva denna artikel. Speciellt tack till Toni Alatalo som är chef för vårt temperaturlaboratorium.
Diskussion