Калибровка термогигрометров в лабораторных и производственных условиях

Оглавление

1. Назначение и задачи калибровки термогигрометров
2. Виды калибровки термогигрометров
3. Различия между лабораторной и производственной калибровкой
4. Требования к условиям проведения калибровки
5. Эталонное оборудование
6. Порядок проведения калибровки по температуре
7. Порядок проведения калибровки по относительной влажности
8. Оформление результатов и межповерочный интервал
9. Типичные ошибки при калибровке и способы их предотвращения
10. Особенности калибровки в производственных условиях

1. Назначение и задачи калибровки термогигрометров

Термогигрометры относятся к числу наиболее распространённых средств измерений параметров микроклимата. Они одновременно измеряют температуру воздуха и относительную влажность, что делает их незаменимыми в фармацевтическом производстве, пищевой промышленности, музейном и архивном деле, чистых помещениях, складских комплексах и лабораторной практике. Точность показаний этих приборов напрямую влияет на качество технологических процессов, сохранность продукции и соблюдение санитарно-гигиенических норм.

Калибровка термогигрометров представляет собой совокупность операций, выполняемых с целью определения действительных значений метрологических характеристик прибора и установления его пригодности к применению. Основная задача калибровки — выявить систематические и случайные погрешности измерения температуры и относительной влажности, а также определить поправки, которые необходимо вносить в результаты измерений.

В соответствии с Федеральным законом № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» калибровка средств измерений, не подлежащих поверке, проводится добровольно, однако для многих отраслей она является обязательным элементом системы менеджмента качества. Результаты калибровки позволяют:

• подтвердить соответствие прибора заявленным характеристикам;
• установить фактические значения погрешностей в рабочих точках диапазона;
• определить необходимость регулировки или ремонта;
• обосновать межповерочный (межкалибровочный) интервал;
• обеспечить прослеживаемость измерений к государственным первичным эталонам.

Особое значение калибровка приобретает при использовании термогигрометров в системах непрерывного мониторинга, где данные приборов служат основанием для принятия решений о соответствии условий хранения или производства установленным требованиям. Несвоевременная или некачественная калибровка может привести к выпуску несоответствующей продукции, порче материальных ценностей и нарушению нормативных требований.

Калибровка должна выполняться в условиях, максимально приближенных к условиям эксплуатации прибора, либо с обязательным учётом влияния внешних факторов. Это особенно важно для термогигрометров, у которых датчики температуры и влажности расположены в одном корпусе и подвержены взаимному влиянию, а также влиянию скорости воздушного потока, тепловой инерции и сорбционных процессов.

Контроль влажности и температуры в пищевом производстве или фармацевтике становится проще, когда вы заказываете термогигрометр Testo 608-H1.

2. Виды калибровки термогигрометров

В зависимости от этапа жизненного цикла прибора и целей проведения работ выделяют несколько видов калибровки.

Первичная калибровка выполняется после изготовления термогигрометра или после его ремонта, связанного с заменой чувствительных элементов. Цель — подтвердить соответствие метрологических характеристик техническим условиям и установить исходные значения погрешностей.

Периодическая калибровка проводится через установленные интервалы времени в процессе эксплуатации. Интервал определяется на основании стабильности метрологических характеристик конкретного типа приборов, условий эксплуатации и требований отраслевых нормативных документов.

Внеочередная калибровка назначается при подозрении на нарушение метрологических характеристик: после механических повреждений, воздействия экстремальных температур или влажности, длительного хранения в неработоспособном состоянии, а также при расхождении показаний с другими средствами измерений.

Инспекционная калибровка может проводиться органами государственного метрологического надзора или внутренними аудиторами системы менеджмента качества для контроля состояния парка средств измерений.

Важно различать понятия «калибровка» и «поверка». Поверка применяется к средствам измерений, включённым в перечень подлежащих обязательному государственному регулированию. Калибровка, в отличие от поверки, не устанавливает пригодность прибора к применению в сфере государственного регулирования, а предоставляет информацию о фактических метрологических характеристиках. Для термогигрометров, используемых вне сферы законодательной метрологии, именно калибровка является основным способом подтверждения точности.

В практике также применяют калибровку в одной или нескольких точках диапазона измерений. Полная калибровка охватывает весь диапазон с шагом, достаточным для построения градуировочной характеристики. Сокращённая калибровка выполняется в ограниченном числе точек, соответствующих условиям эксплуатации конкретного прибора.

3. Различия между лабораторной и производственной калибровкой

Лабораторная и производственная (на месте эксплуатации) калибровка существенно различаются по условиям проведения, применяемому оборудованию и достигаемой точности.

Лабораторная калибровка выполняется в специально оборудованных помещениях метрологических служб или аккредитованных калибровочных лабораторий. Здесь поддерживаются стабильные параметры окружающей среды, используются высокоточные эталоны и климатические камеры, обеспечивающие равномерное поле температуры и влажности. Преимущества лабораторной калибровки:

• минимальное влияние внешних факторов;
• возможность применения эталонов высшей точности;
• полный контроль процесса стабилизации показаний;
• возможность проведения многоточечной калибровки с высокой повторяемостью.

Производственная калибровка проводится непосредственно на месте эксплуатации термогигрометра — в цехе, на складе, в чистом помещении или камере хранения. Основная цель — проверить метрологические характеристики прибора в реальных условиях работы без демонтажа. Особенности производственной калибровки:

• влияние нестабильности температуры и влажности окружающей среды;
• ограниченный выбор эталонного оборудования (преимущественно портативные средства);
• необходимость учёта скорости воздушного потока и тепловых возмущений;
• меньшая точность по сравнению с лабораторными условиями;
• сокращённый объём точек калибровки.

Выбор между лабораторной и производственной калибровкой определяется требованиями к точности, возможностью демонтажа прибора, стоимостью работ и допустимым временем простоя оборудования. В ряде отраслей (фармацевтика, производство медицинских изделий) нормативные документы предписывают проведение калибровки именно в условиях, близких к условиям эксплуатации, что делает производственную калибровку предпочтительной.

На практике часто применяют комбинированный подход: первичную и периодическую калибровку выполняют в лаборатории, а между ними проводят контрольные проверки на месте эксплуатации с использованием переносных эталонов.

4. Требования к условиям проведения калибровки

Условия проведения калибровки регламентируются методиками калибровки конкретных типов термогигрометров и общими требованиями к метрологическим работам. Основные параметры окружающей среды, которые необходимо контролировать:

Перед началом калибровки термогигрометр должен быть выдержан в условиях проведения работ не менее времени, указанного в руководстве по эксплуатации (обычно 1–2 часа). Это необходимо для выравнивания температуры чувствительных элементов с температурой окружающей среды и устранения влияния тепловой инерции.

При калибровке в климатической камере или генераторе влажности особое внимание уделяется равномерности поля температуры и влажности в рабочей зоне. Градиент температуры в зоне размещения датчиков не должен превышать 0,1–0,2 °C, а градиент относительной влажности — 1–2 %. Неравномерность поля приводит к появлению дополнительной составляющей погрешности, которую невозможно скомпенсировать.

Во время проведения измерений в помещении не должно быть сквозняков, источников теплового излучения (нагревательные приборы, прямые солнечные лучи) и резких изменений влажности. Персонал, находящийся в помещении, также влияет на микроклимат, поэтому количество людей и время их пребывания ограничивают.

Для термогигрометров с выносными датчиками необходимо обеспечить одинаковые условия для всех чувствительных элементов. При наличии кабелей большой длины учитывают возможный нагрев или охлаждение соединительных линий.

Требования к стабильности условий во времени: изменение температуры в течение времени измерения одной точки не должно превышать 0,1 °C, изменение относительной влажности — 1 %. Несоблюдение этих условий приводит к увеличению случайной составляющей погрешности и снижению достоверности результатов калибровки.

5. Эталонное оборудование

Выбор эталонного оборудования определяется требуемой точностью калибровки, диапазоном измерений термогигрометра и условиями проведения работ. Основными средствами создания и измерения температуры и влажности являются:

• климатические камеры с регулируемыми параметрами температуры и относительной влажности;
• генераторы влажности газа (двухтемпературные, двухдавленческие, генераторы на основе насыщенных солевых растворов);
• эталонные термометры сопротивления или термоэлектрические преобразователи;
• эталонные гигрометры точки росы (конденсационные);
• эталонные психометрические гигрометры;
• портативные эталонные термогигрометры высшего класса точности.

Для лабораторной калибровки наиболее широко применяют климатические камеры, обеспечивающие диапазон температуры от минус 40 до плюс 80 °C и относительной влажности от 10 до 98 %. Погрешность поддержания температуры в современных камерах составляет ±0,1…0,3 °C, относительной влажности — ±1…2 %.

Генераторы влажности на основе насыщенных растворов солей используют для создания фиксированных точек относительной влажности. Значения влажности над насыщенными растворами при заданной температуре известны с высокой точностью и приведены в справочных данных. Этот метод особенно удобен при калибровке в производственных условиях, когда применение климатических камер невозможно.

Эталонные гигрометры точки росы обеспечивают наивысшую точность измерения влажности. Принцип их действия основан на определении температуры, при которой начинается конденсация влаги на охлаждаемой поверхности. Погрешность таких приборов может достигать ±0,1…0,2 °C по точке росы, что соответствует погрешности относительной влажности порядка ±0,5…1,5 % в зависимости от температуры.

При выборе эталонов соблюдают правило: предел допускаемой погрешности эталона должен быть не менее чем в три раза меньше предела допускаемой погрешности калибруемого термогигрометра. Это требование обеспечивает достаточный запас точности и минимизирует вклад погрешности эталона в суммарную неопределённость результата калибровки.

Все эталонные средства измерений должны иметь действующие свидетельства о поверке или калибровке и обеспечивать прослеживаемость к государственным первичным эталонам единицы температуры (ГЭТ 35) и единицы относительной влажности газов.

Дополнительно при калибровке применяют средства измерения атмосферного давления (барометры), поскольку некоторые методы определения относительной влажности требуют введения поправок на давление. Скорость воздушного потока контролируют анемометрами, если методика калибровки предусматривает учёт этого параметра.

6. Порядок проведения калибровки по температуре

Калибровка термогигрометра по каналу температуры выполняется методом прямого сравнения с эталонным термометром в стабилизированном температурном поле. Наиболее распространённым способом является использование климатической камеры или термостата, в которых одновременно размещают калибруемый прибор и эталон.

Основные этапы работ:

• подготовка термогигрометра: внешний осмотр, проверка комплектности, очистка датчика от загрязнений, включение и прогрев в течение времени, указанного в руководстве по эксплуатации;
• размещение приборов в рабочей зоне камеры так, чтобы чувствительные элементы находились на одном уровне и на расстоянии не менее 50 мм друг от друга;
• задание последовательности температурных точек в пределах диапазона измерений калибруемого прибора (как правило, не менее трёх точек: нижняя, средняя и верхняя границы диапазона, а также дополнительные точки при необходимости);
• выход на каждую заданную температуру и выдержка до полной стабилизации показаний эталона и калибруемого прибора (обычно 30–60 минут);
• регистрация показаний эталона \( t_{\text{эт}} \) и калибруемого термогигрометра \( t_{\text{изм}} \) не менее трёх раз с интервалом 1–2 минуты;
• расчёт абсолютной погрешности в каждой точке по формуле \( \Delta t = t_{\text{изм}} - t_{\text{эт}} \);
• определение вариации показаний как разности максимального и минимального значений при многократных измерениях.

При калибровке цифровых термогигрометров дополнительно проверяют правильность индикации и отсутствие сбоев при смене температурных режимов. Если прибор имеет функцию коррекции (пользовательская калибровка), её выполняют только после получения результатов основной калибровки и при наличии разрешения методики.

Для термогигрометров с выносными датчиками температуры особое внимание уделяют тепловому контакту и отсутствию влияния соединительного кабеля. При использовании жидкостных термостатов датчики погружают на одинаковую глубину, исключая контакт с дном и стенками сосуда.

Результаты калибровки по температуре считают положительными, если абсолютная погрешность во всех точках не превышает предела допускаемой погрешности, указанного в технической документации на прибор, с учётом неопределённости измерений эталона.

7. Порядок проведения калибровки по относительной влажности

Калибровка по каналу относительной влажности является более сложной процедурой из-за сильной зависимости показаний от температуры и необходимости создания стабильного поля влажности. Основными методами являются:

• сравнение с эталонным гигрометром в климатической камере;
• использование генератора влажности (двухтемпературного или двухдавленческого);
• метод насыщенных солевых растворов.

Последовательность операций при калибровке в климатической камере:

1. Установка температуры, при которой будет проводиться калибровка по влажности (обычно 20 или 25 °C).
2. Задание значений относительной влажности в выбранных точках диапазона (рекомендуется не менее трёх точек, например 20 %, 50 % и 80 %).
3. Выдержка до стабилизации температуры и влажности (время стабилизации может составлять от 1 до 3 часов в зависимости от объёма камеры и инерционности датчиков).
4. Одновременная регистрация показаний эталонного гигрометра \( \varphi_{\text{эт}} \) и калибруемого термогигрометра \( \varphi_{\text{изм}} \).
5. Расчёт абсолютной погрешности \( \Delta \varphi = \varphi_{\text{изм}} - \varphi_{\text{эт}} \).

При использовании метода насыщенных солевых растворов применяют герметичные сосуды (эксикаторы или специальные калибровочные камеры), в которых создаётся равновесная относительная влажность над насыщенным раствором соли. Значения влажности для наиболее распространённых солей при температуре 20–25 °C известны с высокой точностью и составляют:

Датчик термогигрометра помещают в рабочий объём над раствором, не допуская контакта с жидкостью. Время стабилизации при этом методе обычно составляет 2–4 часа. Метод солевых растворов особенно удобен при производственной калибровке, так как не требует сложного оборудования.

При расчёте погрешности необходимо учитывать влияние температуры на показания датчика влажности. Многие современные термогигрометры имеют температурную компенсацию, однако её эффективность также проверяют в процессе калибровки.

Отдельно оценивают гистерезис — разность показаний при подходе к одной и той же точке влажности со стороны меньших и больших значений. Величина гистерезиса не должна превышать половины предела допускаемой погрешности.

8. Оформление результатов и межповерочный интервал

Результаты калибровки оформляют в виде протокола и (или) сертификата о калибровке. В документе обязательно указывают:

• наименование и тип термогигрометра, заводской номер;
• диапазоны измерений и пределы допускаемой погрешности;
• условия проведения калибровки (температура, влажность, давление);
• применённые эталоны с указанием номеров свидетельств о поверке или калибровке;
• значения погрешностей в каждой калибровочной точке;
• вывод о соответствии или несоответствии метрологических характеристик установленным требованиям;
• дату проведения работ и срок действия результатов калибровки.

Межкалибровочный интервал устанавливают на основании анализа стабильности метрологических характеристик конкретного типа приборов и условий их эксплуатации. Для большинства термогигрометров общего назначения рекомендуется интервал 12 месяцев. В условиях интенсивной эксплуатации, высоких температур, агрессивных сред или повышенных требований к точности интервал может быть сокращён до 6 месяцев.

При положительных результатах калибровки на прибор наносят знак калибровки или выдают сертификат. Если погрешность превышает допускаемые значения, прибор бракуют и направляют в ремонт или регулировку с последующей повторной калибровкой.

Все документы по калибровке хранят в течение срока, установленного системой менеджмента качества предприятия, но не менее межповерочного интервала плюс один год.

9. Типичные ошибки при калибровке и способы их предотвращения

На практике наиболее часто встречаются следующие ошибки, снижающие достоверность результатов калибровки:

Дополнительной причиной ошибок является неправильная подготовка персонала. Калибровку должны выполнять специалисты, прошедшие обучение и имеющие практический опыт работы с конкретными типами эталонов и методиками.

Важным фактором является состояние самого эталонного оборудования. Регулярная поверка (калибровка) эталонов и контроль их стабильности между поверками позволяют избежать систематических смещений результатов.

10. Особенности калибровки в производственных условиях

Производственная калибровка термогигрометров имеет ряд существенных особенностей, отличающих её от лабораторной.

Во-первых, невозможно создать идеально стабильные условия окружающей среды. Поэтому используют портативные эталоны и методы, допускающие работу в реальных условиях цеха или склада. Наиболее удобны переносные калибраторы влажности и температуры, а также комплекты насыщенных солевых растворов в компактном исполнении.

Во-вторых, часто отсутствует возможность демонтажа термогигрометра. В этом случае применяют метод сличения на месте установки: эталонный прибор размещают максимально близко к датчику калибруемого термогигрометра и проводят параллельные измерения в течение времени, достаточного для усреднения показаний.

В-третьих, на результаты влияют сквозняки, вибрация оборудования, тепловые излучения от работающих машин и изменения нагрузки на систему вентиляции. Для снижения этих влияний калибровку планируют на периоды минимальной производственной активности или используют защитные экраны и временные укрытия.

В чистых помещениях и зонах с контролируемым микроклиматом дополнительно учитывают требования к чистоте. Эталонное оборудование должно соответствовать классу чистоты помещения, а персонал — соблюдать действующие правила поведения.

При калибровке термогигрометров, установленных в системах непрерывного мониторинга, важно минимизировать время простоя канала измерения. Для этого применяют параллельное подключение эталона или используют функцию «горячей» замены датчиков, если она предусмотрена конструкцией системы.

В производственных условиях особенно тщательно контролируют прослеживаемость: все используемые эталоны должны иметь актуальные документы о поверке или калибровке, а результаты работ — оформляться с указанием фактических условий проведения.

Несмотря на более высокую неопределённость по сравнению с лабораторной калибровкой, производственная калибровка позволяет получить данные, наиболее близкие к реальным условиям эксплуатации прибора, и своевременно выявить отклонения, возникающие именно в процессе работы.

Правильно организованная система калибровки термогигрометров — как лабораторной, так и производственной — является необходимым условием обеспечения достоверности измерений параметров микроклимата. Современные термогигрометры при своевременной и качественной калибровке сохраняют заявленную точность на протяжении всего срока службы. Если вам требуется купить надёжный термогигрометр с подтверждёнными метрологическими характеристиками, обратите внимание на модели, для которых производитель предоставляет полную информацию о методиках калибровки и рекомендуемых межповерочных интервалах. Актуальная цена и наличие приборов позволяют подобрать оптимальное решение как для лабораторного, так и для производственного применения.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич