Termometr kwarcowy: rozdzielczość, dokładność i wzorcowanie

Japoński dostawca przysyła stanowisko badawcze z termostatowaną łaźnią, a razem z nim zapis pomiarów z termometru kwarcowego (po japońsku 水晶温度計, suishō ondokei, lub kuotsu ondokei). Temperatura łaźni jest zapisana z czterema miejscami po przecinku, np. 23,2501 °C, a w dokumentacji leży świadectwo wzorcowania JCSS.

Ktoś w dziale jakości odczytuje te cztery cyfry jako „dokładność 0,0001 °C”. Właśnie przed tym błędem ma chronić ten poradnik.

Termometr kwarcowy to termometr stykowy, który mierzy temperaturę przez częstotliwość rezonansową kryształu kwarcu. Wychwytuje bardzo małe zmiany, ale rozdzielczość (najmniejsza rozróżnialna zmiana wskazania) nie mówi nic o błędzie ani o niepewności pomiaru. Te dwie wielkości wynikają z wzorcowania i ze sposobu pomiaru.

Poniżej omawiamy zasadę działania, obliczanie rozdzielczości, czytanie japońskiego świadectwa wzorcowania, wzorcowanie porównawcze w łaźni oraz porównanie z SPRT, Pt100, termistorem i termoparą. Na końcu jest lista kontrolna i wzór wiadomości do strony japońskiej.

Spis treści

1. Czym jest termometr kwarcowy?
2. Jak działa termometr kwarcowy
3. Rozdzielczość a dokładność w liczbach
4. Jak czytać japońskie świadectwo wzorcowania (JCSS)
5. Wzorcowanie porównawcze w łaźni krok po kroku
6. Termometr kwarcowy a SPRT, Pt100, termistor i termopara
7. Co sprawdzić w karcie katalogowej
8. Gdy wskazanie się waha
9. Lista kontrolna i pytania do japońskiego dostawcy
10. Ograniczenia tego poradnika
11. FAQ
12. Źródła

Czym jest termometr kwarcowy?

Termometr kwarcowy to układ pomiarowy złożony z sondy temperatury i przyrządu, który odczytuje częstotliwość. W materiałach technicznych Yokogawa Test & Measurement wymieniany jest jako jeden z wzorców używanych do wzorcowania innych termometrów.

Sondę przykłada się do mierzonego obiektu lub w nim zanurza. W odróżnieniu od pirometru, który wyznacza temperaturę powierzchni z promieniowania, wynik jest wiarygodny dopiero wtedy, gdy czujnik w końcówce osiągnie temperaturę obiektu.

Płytka kwarcowa nie jest zanurzana w cieczy bez ochrony, lecz umieszczona w osłonie. Ciepło musi przejść z osłony do kryształu, dlatego nawet przy szybkim odczycie częstotliwości sonda potrzebuje czasu, żeby nadążyć za zmianą temperatury.

Typowe zastosowania to dokładna obserwacja, np. sprawdzanie stabilności termostatu cieczowego albo pomiar małej różnicy temperatur między dwoma punktami. Termometr kwarcowy nadaje się do szczegółowej oceny zmian temperatury, a nie do zastąpienia wszystkich punktów pomiarowych na linii produkcyjnej.

Rysunek 1 pokazuje podstawowy układ: kryształ drga wewnątrz sondy, a osobny przyrząd odczytuje jego częstotliwość.

Rysunek 1: Kryształ drga w sondzie, przyrząd odczytuje częstotliwość

Płytka kwarcowa ma elektrody i drga dzięki energii elektrycznej dostarczanej przez układ oscylatora.

Rzeczywiste wymiary, układ elektrod i położenie elektroniki zależą od modelu.

Jak działa termometr kwarcowy

Zjawisko piezoelektryczne i drgania

Kwarc to krystaliczna odmiana dwutlenku krzemu i ma właściwości piezoelektryczne: przy ściskaniu pojawia się na nim ładunek elektryczny. Występuje też zjawisko odwrotne, czyli odkształcenie pod wpływem napięcia, a drgania wynikają z obu tych efektów.

W termometrze napięcie przemienne na elektrodach wprawia płytkę w drgania. Sygnał elektryczny wywołany odkształceniem wraca do układu, który podtrzymuje drgania i wyznacza ich częstotliwość.

Sama płytka kwarcowa nie wytworzy stałego sygnału. Rezonator jest elementem biernym: potrzebuje osobnego oscylatora, który go pobudza, i układu odczytu, który mierzy częstotliwość.

Znanym przykładem tego samego związku między siłą a elektrycznością jest zapalarka piezoelektryczna. Elementu piezo z zapalarki i płytki kwarcowej z termometru nie można jednak traktować jako tego samego materiału ani tej samej konstrukcji.

Termopara działa inaczej: wykorzystuje zjawisko Seebecka, w którym różnica temperatur między złączami dwóch różnych metali wytwarza napięcie. Termometr kwarcowy nie mierzy wartości napięcia, tylko to, jak szybko drga kryształ.

Odczyt temperatury z częstotliwości

Częstotliwość rezonansowa płytki zależy od kąta cięcia, kształtu i wymiarów, więc samo słowo „kwarc” jej nie określa. Przy innym cięciu częstotliwość inaczej reaguje na temperaturę, a niektóre cięcia lepiej nadają się do termometrii. Termometr kwarcowy Hewlett-Packarda z 1965 roku używał cięcia nazwanego „LC” (linear coefficient), dobranego tak, by zależność częstotliwości od temperatury była prawie liniowa.

W termometrze stosuje się element, którego zmiana częstotliwości z temperaturą jest łatwa do odczytania. Ten element się wzorcuje, a przyrząd przechowuje zależność między częstotliwością a temperaturą.

Pomiar częstotliwości i przeliczenie jej na temperaturę to dwa osobne kroki. Temperatura pochodzi z krzywej wzorcowania, więc połączenie sondy z niewłaściwym zestawem współczynników daje błędny wynik, nawet gdy sam sygnał jest w pełni poprawny.

Rysunek 2 pokazuje to przeliczenie: mierzymy częstotliwość na osi pionowej i odczytujemy odpowiadającą jej temperaturę na osi poziomej.

Rysunek 2: Od częstotliwości do temperatury

Zmierz f i znajdź odpowiadającą jej T na krzywej wzorcowania. Kropki oznaczają punkty uzyskane podczas wzorcowania (schemat).

W określonym zakresie zależność częstotliwości od temperatury może być bliska prostej. W szerokim zakresie nie musi to już być jedna prosta, dlatego w razie potrzeby dodaje się wyrazy wyższego rzędu, które korygują krzywiznę.

Taka korekcja nieliniowości działa na tej samej zasadzie co linearyzator w innych czujnikach. O wiarygodności temperatury decydują punkty wzorcowania i metoda przeliczenia, a nie tylko elektronika odczytu.

Kwarc w zegarku a kwarc w termometrze

Zegarki kwarcowe też mają rezonatory kwarcowe, ale projektuje się je tak, żeby okres drgań nie zmieniał się z temperaturą. Zegarek potrzebuje stabilnej podstawy czasu, a termometr częstotliwości, która podąża za temperaturą.

Według firmy Epson rezonator w zegarku kwarcowym jest częścią układu oscylatora w wewnętrznym układzie scalonym. Drgania rezonatora są podstawą czasu, a układ scalony wytwarza z nich sygnał co jedną sekundę, który napędza zegarek.

Termostatowany generator kwarcowy (OCXO) w sprzęcie telekomunikacyjnym utrzymuje rezonator w stałej temperaturze, żeby ustabilizować częstotliwość. Termometr kwarcowy robi odwrotnie: wykorzystuje zależność częstotliwości od temperatury do wyznaczenia temperatury.

Podłączenie kwarcu zegarkowego do częstościomierza nie da więc precyzyjnego termometru. Potrzebny jest element o charakterystyce czułej na temperaturę oraz jego dane z wzorcowania.

Rozdzielczość a dokładność w liczbach

Czułość i rozdzielczość

Czułość mówi, o ile zmienia się częstotliwość przy danej zmianie temperatury, i służy jako współczynnik przeliczenia na temperaturę. Im większa czułość, tym mniejszej różnicy temperatur odpowiada dany krok częstotliwości, więc małe zmiany są lepiej widoczne.

W opracowaniu Japońskiego Towarzystwa Właściwości Termofizycznych z 1989 roku podano przykład około 1 kHz na 1 K. Konstrukcja HP z 1965 roku miała to samo nachylenie, 1000 Hz/°C, przy rezonatorze o częstotliwości bliskiej 28 MHz. Przy takiej czułości rozróżnienie 0,1 Hz daje rozdzielczość temperatury 0,0001 °C, co pokazuje rysunek 3.

Rysunek 3: Przeliczenie kroku częstotliwości na krok temperatury

0,1 Hz podzielone przez 1000 Hz/°C daje 0,0001 °C. To opis rozdzielczości, a nie gwarancja błędu.

W zakresie, w którym czułość można uznać za stałą

ΔT = ΔfS

ΔT = 0,11000 = 0,0001 °C

ΔT: różnica temperatur [°C]; Δf: różnica częstotliwości [Hz]; S: czułość [Hz/°C]. Różnica 1 K jest równa różnicy 1 °C.

Przy założeniu prostej liniowej tak samo wyznacza się samą temperaturę. Poniższe równanie wzorcowania jest fikcyjne i pokazuje tylko kolejne kroki; nie są to współczynniki żadnego rzeczywistego przyrządu.

Kluczowe jest odjęcie częstotliwości odniesienia. Podzielenie całej zmierzonej częstotliwości przez czułość pomija punkt odniesienia i daje liczbę bez znaczenia.

Rzeczywiste równanie wzorcowania ma też określony zakres temperatur i określone współczynniki. Trzeba pilnować jednostek: wpisanie częstotliwości w kHz do wzoru zapisanego dla Hz daje błędną temperaturę.

Czas bramkowania, rozdzielczość i częstość odświeżania

Przyrząd wyznacza częstotliwość, zliczając okresy w ustalonym czasie bramkowania. Dłuższe zliczanie rozróżnia mniejsze różnice, ale wynik odświeża się rzadziej. W artykule HP z 1965 roku rozdzielczość 0,0001 °C osiągano przy odczycie trwającym 10 sekund, a szybsze odczyty dawały proporcjonalnie mniejszą rozdzielczość.

Częstość odświeżania przyrządu należy oddzielić od odpowiedzi samej sondy. Dzięki temu wiadomo, czy wskazanie „wolno reaguje” z powodu licznika, czy z powodu przepływu ciepła do sondy.

Rozdzielczość, powtarzalność i niepewność

Główna zaleta termometru kwarcowego to śledzenie małych zmian temperatury, a najwięcej daje w stabilnym otoczeniu. Przydaje się, gdy chcemy zobaczyć, jak łaźnia dryfuje w czasie, albo zmierzyć różnicę między dwoma miejscami.

Tu wyraźnie widać, że rozdzielczość i błąd systematyczny to dwie różne rzeczy. Jeśli wskazanie zmienia się co 0,0001 °C, ale jest przesunięte o 0,02 °C względem wzorca, drobna rozdzielczość tego przesunięcia nie usuwa. Wartość 0,02 °C jest wymyślona na potrzeby przykładu i nie jest dokładnością znamionową; wynik pomiaru ma sens dopiero razem z wynikiem wzorcowania i niepewnością wzorca.

Rysunek 4 rozdziela trzy pojęcia, które łatwo pomylić.

Rysunek 4: Dużo cyfr a wiarygodna temperatura

Krok wskazania, rozrzut kolejnych odczytów i przesunięcie względem wzorca to trzy osobne pytania.

Rozdzielczość: krok między sąsiednimi wskazaniamiWidać zmianę 23,2500 → 23,2501 °C

Powtarzalność: czy odczyty w tych samych warunkach się zgadzają?Sprawdź rozrzut odczytów, łącznie z wahaniami łaźni i przyrządu

Błąd systematyczny i niepewność: poprawka i zaufanie do wynikuSkoryguj przesunięcie względem wzorca, a potem oszacuj niepewność od wzorca, rozkładu temperatury i innych źródeł

Korekta błędu systematycznego nie usuwa niepewności wynikającej ze wzorcowania i warunków pomiaru.

Dobrze widać to na historycznej karcie katalogowej. Tabela zbiera skrócone dane, które HP opublikował w 1965 roku dla swoich termometrów kwarcowych; to stary przyrząd, pokazany tylko po to, by zobaczyć, jak daleko od siebie mogą leżeć te liczby.

Parametr (HP, 1965)	Podana wartość	Co z tego wynika
Rozdzielczość	Do 0,0001 °C	Tylko krok wskazania
Stabilność krótkoterminowa	Poniżej ±0,0002 °C między odczytami	Powtarzalność w stałej temperaturze
Liniowość (bezwzględna)	Lepiej niż ±0,02 °C w zakresie 0–100 °C; ±0,15 °C w zakresie −40–230 °C	Parametr liniowości, zależny od zakresu; sam nie określa całkowitego błędu
Długoterminowy dryft zera	Poniżej ±0,01 °C w ciągu 30 dni	Dlaczego ponowne wzorcowanie ma znaczenie
Odpowiedź (woda płynąca z prędkością 0,6 m/s)	63,2% w <1,0 s; 99,9% w <6,9 s	Odpowiedź sondy przy podanym przepływie

Aby wykorzystać wysoką rozdzielczość do oceny małych różnic, trzeba zapewnić stabilną i jednorodną temperaturę w strefie pomiarowej, niezależnie od wyświetlacza. Jeśli w łaźni jest gradient, różnica położenia sond dodaje się do mierzonej różnicy i trudno ją odróżnić od błędu przyrządu.

Sama zasada pomiaru nie przesądza, który pomiar jest lepszy. Tak jak przy wyborze między termoparą a czujnikiem rezystancyjnym, w decyzji liczą się kształt sondy i warunki montażu.

Jak czytać japońskie świadectwo wzorcowania (JCSS)

Z urządzeniem z Japonii może przyjść świadectwo JCSS. JCSS (Japan Calibration Service System) to system akredytacji laboratoriów wzorcujących oparty na japońskiej ustawie o miarach (計量法, keiryō-hō), prowadzony przez IAJapan, jednostkę akredytującą instytutu NITE (National Institute of Technology and Evaluation).

Dla czytelnika w Polsce najważniejsze są następujące punkty:

• Podstawa akredytacji: NITE podaje jako kryteria akredytacji JCSS normę ISO/IEC 17025, ustawę o miarach i przepisy pokrewne. W Polsce ta sama norma funkcjonuje jako PN-EN ISO/IEC 17025:2018-02, a laboratoria akredytuje Polskie Centrum Akredytacji (PCA).
• Spójność pomiarowa: JCSS wymaga spójności z japońskimi wzorcami państwowymi (utrzymywanymi przez NMIJ, National Metrology Institute of Japan, lub instytuty wyznaczone), więc świadectwo dokumentuje spójność pomiarową wyników objętych wzorcowaniem. Sprawdź zakres usługi, niepewność i identyfikację przyrządu, a w użytkowaniu zachowaj właściwe przypisanie sondy, współczynników i poprawek. W Polsce państwowe wzorce jednostek miar utrzymuje Główny Urząd Miar (GUM), a akredytacją laboratoriów zajmuje się PCA; to dwie różne role.
• Uznawanie za granicą: IAJapan jest sygnatariuszem porozumień ILAC MRA i APAC MRA, a PCA jest stroną EA MLA i ILAC MRA. NITE zaznacza, że znak ilac-MRA na świadectwie mogą umieszczać laboratoria akredytowane w ramach MRA. Sprawdź, czy znak jest na Twoim świadectwie, zamiast to zakładać.
• Niepewność: przykładowe świadectwo NITE podaje niepewność rozszerzoną przy współczynniku rozszerzenia k = 2 (prawdopodobieństwo rozszerzenia około 95%). Na konkretnym świadectwie sprawdź, jakie k i jakie prawdopodobieństwo podano.
• Brak terminu ważności: według NITE świadectwo JCSS nie ma okresu ważności. Odstęp do ponownego wzorcowania ustala użytkownik na podstawie częstości i warunków używania przyrządu.

W zakładach z certyfikatem IATF 16949 sprawdź wymagania wobec laboratoriów zewnętrznych w pkt 7.1.5.3.2, obowiązujące interpretacje IATF (SI) oraz wymagania klienta. Zweryfikuj zakres akredytacji laboratorium dla danej usługi, a to, czy świadectwo JCSS jest w Waszym systemie wystarczające, potwierdź z działem jakości i z klientem.

Wzorcowanie wyznacza różnicę między wskazaniem przyrządu a wartością odniesienia (z uwzględnieniem poprawek wzorca); nie jest tym samym co adiustacja wskazania. Wynik zapisuje się razem z warunkami pomiaru.

Sprawdź, czy świadectwo podaje błąd wskazania, czy poprawkę, i jak zdefiniowano znak: poprawka ma znak przeciwny do błędu. Następnie ustal wewnętrznie, jak i gdzie stosujecie poprawki.

Wzorcowanie porównawcze w łaźni krok po kroku

Przy wzorcowaniu metodą porównawczą termometr wzorcowany (UUT, unit under test) i termometr wzorcowy umieszcza się w tym samym środowisku temperaturowym i zapisuje różnicę ich wskazań. Fluke opisuje łaźnie cieczowe jako najbardziej stabilne i jednorodne medium do tej pracy.

Poniższe kroki opisują zasady; pierwszeństwo mają procedura Waszego laboratorium i instrukcja producenta łaźni. Przy łaźniach olejowych i wysokich temperaturach obowiązują też zasady BHP z instrukcji stanowiskowej.

1. Najpierw określ zadanie. Ustal potrzebny zakres temperatur i dopuszczalną różnicę. Sprawdzenie tylko w pobliżu temperatury pokojowej wymaga innych punktów wzorcowania niż sprawdzenie obejmujące cały zakres procesu nagrzewania.
2. Umieść czujniki blisko siebie. Strefy czujnikowe wzorca i UUT powinny leżeć obok siebie. Końcówka dotykająca metalowej ścianki lub dna przejmuje temperaturę inną niż ciecz.
3. Wyrównuj według elementu czujnikowego, nie końcówki. Ustawiaj sondę według położenia wewnętrznego elementu pomiarowego, a nie zewnętrznej końcówki. Każda sonda musi mieć wymaganą głębokość zanurzenia, tak aby oba elementy były w tej samej strefie temperatury.
4. Sprawdź zanurzenie. Jeśli wskazanie zmienia się przy zmianie głębokości, podejrzewaj przewodzenie ciepła wzdłuż osłony (stem effect) lub gradient temperatury. Wymagane zanurzenie zależy od sondy, więc nie używaj osłony, która nie pozwala go uzyskać.
5. Odczytuj parami. Gdy łaźnia się ustabilizuje, odczytuj wzorzec i UUT parami i powtórz kilka razy. Odczytanie najpierw wszystkich wartości jednej sondy, a potem drugiej, wprowadza dryft łaźni do różnicy.
6. Zapisz tyle, żeby dało się to powtórzyć. Zanotuj wartość zadaną, oba wskazania, numery seryjne sond, warunki zanurzenia, użyte współczynniki wzorcowania i odstęp między odczytami. Wtedy porównanie z poprzednim wzorcowaniem jest proste.

Rysunek 5 pokazuje układ: strefy czujnikowe blisko siebie, na tej samej głębokości, z dala od ścianek i dna.

Rysunek 5: Układ w łaźni do porównania w tej samej temperaturze

Zbliż strefy czujnikowe wzorca i UUT, trzymaj je z dala od ścianek i dna. Najpierw zapewnij wymagane zanurzenie każdej sondy.

Przy wyborze lub sprawdzaniu łaźni Fluke zwraca uwagę na kilka czynników:

• Stabilność a jednorodność: łaźnia może być stabilna w czasie, a mimo to niejednorodna. Sprawdź gradienty pionowe i poziome w całej strefie pomiarowej.
• Zanurzenie wzorca: długi wzorzec, np. SPRT, zanurzony tylko tak głęboko jak krótka sonda badana, może być obarczony błędem przewodzenia wzdłuż osłony.
• Ciecz: Fluke zaleca lepkość nie większą niż 50 cSt w temperaturze roboczej; stabilność zależy od cieczy i temperatury.
• Wymiary zbiornika: zostaw miejsce na właściwe zanurzenie, ciecz pod czujnikami i odstęp od ścianek.

W rurociągach procesowych odporność na ciśnienie i korozję to osobne zagadnienia. Osłona termometryczna (termowell) chroni czujnik przed medium, ale każda dodatkowa osłona zmienia też to, jak wskazanie nadąża za zmianami temperatury.

Czujnik dwuelementowy pozwala zbudować dwa tory pomiarowe; ich niezależność zależy od konstrukcji całego układu. To decyzja konstrukcyjna, niezależna od kwarcowej zasady pomiaru.

Termometr kwarcowy a SPRT, Pt100, termistor i termopara

W zakładach najczęściej stosuje się termopary i platynowe czujniki rezystancyjne (np. Pt100). Porównując z nimi termometr kwarcowy, najpierw wypisz potrzebny zakres i warunki montażu, zamiast kierować się tym, który „brzmi” dokładniej.

Tabela porównuje typy czujników według wielkości mierzonej i tego, co sprawdza się przy doborze.

Cecha	Termometr kwarcowy	Czujnik platynowy (Pt100)	Termopara
Wielkość, z której wyznacza się temperaturę	Częstotliwość rezonansowa	Rezystancja	Siła termoelektryczna
Gdzie pasuje	Małe różnice temperatur i sprawdzanie stabilności	Pomiary przemysłowe i precyzyjne	Szerokie zastosowanie przemysłowe, także wysokie temperatury
Zagadnienia obwodu	Drgania, pomiar częstotliwości, krzywa wzorcowania	Prąd pomiarowy, rezystancja przewodów, samonagrzewanie	Kompensacja zimnych końców, przewody kompensacyjne
Co czytać w specyfikacji	Sonda i przyrząd jako para	Norma elementu i dane wskaźnika	Typ, przekrój drutu, osłona, wskaźnik

Kilka uwag przydaje się, gdy japońska specyfikacja i Wasza odwołują się do różnych dokumentów:

• SPRT (wzorcowy platynowy termometr rezystancyjny): w międzynarodowej skali temperatury ITS-90 wzorcowe termometry platynowe są przyrządami interpolacyjnymi w podzakresach od 13,8033 K do 961,78 °C; zakres konkretnego SPRT wynika z jego konstrukcji i świadectwa. We wzorcowaniu porównawczym często służy jako wzorzec; w przykładzie Fluke łaźnia pracuje właśnie z SPRT.
• Pt100: przemysłowe czujniki platynowe dzieli się na klasy tolerancji według IEC 60751 (np. klasa A to ±0,15 °C w 0 °C, z tolerancją rosnącą wraz z temperaturą). Japońska JIS C 1604:2013 podaje jako odpowiadającą normę międzynarodową IEC 60751:2008; IEC wydała później edycję 2022. W zamówieniu podaj pełne oznaczenie i wydanie wymaganej normy (IEC lub PN-EN) oraz klasę, a jeśli dostawca deklaruje JIS C 1604, uzgodnij jej odniesienie do tego wydania.
• Termistor: podobnie jak Pt100 wykorzystuje zmianę rezystancji, ale materiał i wielkość zmiany z temperaturą są inne. Przy monitorowaniu małych elementów warto porównać termistor z Pt100.

W czujnikach rezystancyjnych trzeba uwzględnić rezystancję przewodów, stąd połączenia dwu- i trójprzewodowe. To inne źródła błędu niż w kwarcowym pomiarze częstotliwości.

Przy pomiarze online ustal nie tylko, jak mierzyć poprawnie, ale też, dokąd trafia sygnał. Jeśli idzie do systemu DCS (rozproszonego systemu sterowania) na potrzeby monitorowania i regulacji, wpisz do specyfikacji okres odświeżania i stan wyjścia przy awarii.

Co sprawdzić w karcie katalogowej

Zakres temperatur, dokładność pomiaru i czas odpowiedzi czytaj jako jeden zestaw. Wzorzec do łaźni, która stabilizuje się powoli, i czujnik, który ma wychwycić szybkie zmiany temperatury cieczy, wymagają nacisku na inne parametry.

• Zakres temperatur: zależy od uszczelnienia sondy, okablowania i elektroniki, a nie tylko od kryształu. Nie zakładaj stałej górnej granicy, np. 200 °C, dla wszystkich termometrów kwarcowych; czytaj specyfikację dla danego zestawu sondy i przyrządu i oddzielaj zakres, w którym podana jest dokładność, od zakresu, w którym przyrząd tylko działa.
• Czas odpowiedzi: odpowiedź sondy zmienia się z przepływem wokół niej i ze sposobem montażu. Czas zmierzony w cieczy nie przenosi się na powietrze ani na grubą osłonę.
• Głębokość zanurzenia: sprawdź minimalne zanurzenie, które producent podaje dla każdej sondy.
• Udary i drgania: przyrządy z rezonatorem są wrażliwe na udary mechaniczne i naprężenia. Po upadku lub zmianie mocowania sprawdź wskazanie w punkcie odniesienia.
• Silne pola magnetyczne: zgodność zależy od całego układu (kryształ, oscylator, licznik i kabel). Dobór opieraj na danych z karty lub wynikach badań dla danego natężenia pola i urządzeń.
• Sygnał wyjściowy: wyjścia częstotliwościowego nie podłączysz bezpośrednio do standardowego wejścia analogowego. Format wyjścia przetwornika dopasuj do warunków wejścia 4–20 mA po stronie odbiorczej.
• Sondy zamienne: zgodny kształt to za mało. Zgodność z przyrządem, indywidualne dane z wzorcowania każdej sondy i parametry kabla prowadź razem, żeby po wymianie nie pomylić przeliczeń.

Jeśli mierzona temperatura się zmienia, różnica w odpowiedzi wzorca i UUT też trafia do różnicy wskazań. Nie opieraj się na chwili, w której łaźnia osiąga wartość zadaną; obserwuj oba wskazania i porównuj pary z okresu stabilnego.

Przy pomiarze małego elementu sama sonda zmienia przepływ ciepła. Uwzględnij pojemność cieplną czujnika i przewodzenie ciepła wzdłuż osi, a zanim zaczniesz zwiększać liczbę cyfr, sprawdź, czy sonda nie zmienia temperatury, którą chcesz zmierzyć.

Gdy wskazanie się waha

Sprawdzaj przyczyny po kolei i zmieniaj jeden warunek naraz:

1. Zapisz przebieg w czasie. Porównaj temperaturę łaźni i wskazanie w czasie. Regularny cykl może mieć związek z regulacją grzałki lub mieszadłem; sprawdź korelację z pracą tych układów.
2. Rozdziel próby. Próby ze zmianą położenia prowadź osobno od prób ze zmianą ustawień odczytu w stałym położeniu. Jeśli zmienisz kilka rzeczy naraz i wskazanie się uspokoi, nie będziesz wiedzieć, co pomogło ani jak ustawić pomiar następnym razem.
3. Zamień położenia. Przy dwóch sondach zamień je miejscami w łaźni. To, czy różnica idzie za położeniem, czy za sondą, pomaga oddzielić rozkład temperatury od różnic między sondami.
4. Uśredniaj tylko okresy stabilne. Uśrednianie wartości z narastania temperatury sprawia, że cyfry wyglądają spokojnie, ale zaciera, jakiej temperaturze i jakiej chwili odpowiadają.
5. Śledź wyniki w czasie. Porównuj wyniki w tym samym punkcie odniesienia z miesiąca na miesiąc. Jeśli po upadku lub naprawie wskazanie się przesunie, oceń to bez czekania na kolejne planowe wzorcowanie i prowadź zapisy, które pozwolą ustalić, których pomiarów to dotyczy.

Lista kontrolna i pytania do japońskiego dostawcy

Użyj tej listy, gdy dostajesz z Japonii termometr kwarcowy, jego dane lub świadectwo JCSS:

• Rozdzielczość i niepewność (lub błąd graniczny) są podane jako osobne liczby
• Dla każdego punktu wzorcowania podano niepewność rozszerzoną, współczynnik rozszerzenia k i prawdopodobieństwo rozszerzenia
• Symbol JCSS, a jeśli potrzebujecie uznania międzynarodowego, także znak ilac-MRA
• Punkty wzorcowania obejmują Wasz zakres roboczy
• Numer seryjny sondy na świadectwie zgadza się z sondą, którą macie
• Zestaw współczynników w przyrządzie należy do tej sondy
• Wynik podano jako błąd wskazania lub poprawkę ze zdefiniowanym znakiem, a nie tylko „wyregulowano”
• Głębokość zanurzenia i typ łaźni użytej przy wzorcowaniu
• Zakres z podaną dokładnością a zakres roboczy
• Czas odpowiedzi i warunki, w których go zmierzono
• Odstęp ponownego wzorcowania ustalony wewnętrznie (świadectwo go nie określa)
• Akceptacja świadectwa w Waszym systemie (IATF 16949, wymagania klienta) potwierdzona przez dział jakości

Jeśli czegoś brakuje, zwykle wystarczy krótki e-mail. Poniższy wzór jest po angielsku, bo tak najczęściej koresponduje się z japońskim dostawcą; zastąp części w nawiasach.

W skrócie pytasz o: niepewność rozszerzoną z k w każdym punkcie niezależnie od rozdzielczości 0,0001 °C, znak ilac-MRA, głębokość zanurzenia i łaźnię przy wzorcowaniu, zakres z podaną dokładnością, przypisanie współczynników do numeru seryjnego sondy oraz zalecany odstęp ponownego wzorcowania.

Ograniczenia tego poradnika

• Zakres, czas odpowiedzi, odporność na pole magnetyczne i dokładność zależą od modelu. Nic tutaj nie jest wspólną specyfikacją wszystkich termometrów kwarcowych.
• Dane HP pochodzą z 1965 roku i ilustrują różnicę między rozdzielczością a dokładnością; obecne przyrządy będą się różnić.
• Procedura w łaźni opisuje zasady, a nie zwalidowaną metodę laboratoryjną. Stosuj procedury zgodne z PN-EN ISO/IEC 17025 i instrukcje łaźni oraz sond.
• To, czy świadectwo JCSS jest akceptowane w Waszym systemie jakości lub przez klienta, zależy od ich wymagań. Potwierdź to z nimi.
• Rozdzielczość termometru nie wyznacza sama, jak dokładnie można regulować temperaturę. Liczą się moc i rozmieszczenie grzałek, opóźnienie cieplne i krok sygnału sterującego, więc pomiar i regulację projektuj jako jeden układ.

FAQ

Czy termometr kwarcowy mierzy z dokładnością 0,0001 °C?

Sama ta liczba tego nie dowodzi. Wartość 0,0001 °C to przykład rozdzielczości, czyli kroku wskazania, i nie gwarantuje błędu 0,0001 °C. Błąd i niepewność ocenia się osobno, uwzględniając poprawki z wzorcowania, sondę i rozkład temperatury wokół niej.

Czy zwykły zegarek kwarcowy może służyć jako termometr?

Nie. Kwarce zegarkowe projektuje się tak, by utrzymywały stałą częstotliwość jako podstawę czasu. Bez czułości temperaturowej i wzorcowania elementu pomiarowego odczyt sygnału zegarka nie daje precyzyjnego pomiaru temperatury.

Czy termometry kwarcowe działają powyżej 200 °C?

To zależy od modelu i sondy; nie ma górnej granicy wspólnej dla wszystkich termometrów kwarcowych. Przy wysokich temperaturach oddziel zakres roboczy od zakresu z podaną dokładnością i sprawdź odporność cieplną osłony i okablowania.

Czy każdy termometr z „kwarcem” w nazwie mierzy częstotliwość?

Nie. Termometr z osłoną ze szkła kwarcowego to nie to samo co termometr mierzący rezonatorem kwarcowym. Sprawdź w specyfikacji, czy elementem pomiarowym jest rezystor platynowy, czy rezonator kwarcowy, zamiast sugerować się nazwą produktu.

Czy świadectwo wzorcowania JCSS traci ważność?

Nie. NITE podaje, że świadectwa JCSS nie mają okresu ważności. O terminie ponownego wzorcowania decyduje użytkownik, biorąc pod uwagę częstość i warunki używania przyrządu.

Źródła

• Termometr kwarcowy jako wzorzec do wzorcowania: Yokogawa Test & Measurement, pomiar napięcia i temperatury (po japońsku)
• Rezonatory kwarcowe w zegarkach: Epson, zasada działania i zastosowania elementów kwarcowych (po japońsku)
• Przykład czułości (ok. 1 kHz/K): Japan Society of Thermophysical Properties, podstawy pomiaru temperatury (1989, po japońsku)
• Cięcie LC, nachylenie 1000 Hz/°C, dane techniczne: Hewlett-Packard Journal, marzec 1965, „The Linear Quartz Thermometer”
• Generatory OCXO: Nihon Dempa Kogyo (NDK), cechy OCXO (po japońsku)
• Ważność świadectw JCSS, kryteria akredytacji, znak ilac-MRA: NITE, FAQ JCSS (po japońsku)
• Przykładowe świadectwo JCSS (ISO/IEC 17025, ILAC/APAC MRA, k = 2): NITE IAJapan, przykładowe świadectwo wzorcowania JCSS
• PCA, porozumienia EA MLA i ILAC MRA: Polskie Centrum Akredytacji, „Akredytacja od A do Z”
• Wzorcowanie termometrów metodą porównawczą: Główny Urząd Miar, Biuletyn 1/2021
• Dobór łaźni kalibracyjnej: Fluke, „Buying the Right Temperature Calibration Bath for Your Laboratory”
• Zakres platynowego termometru rezystancyjnego w ITS-90: NIST Technical Note 1265, „Guidelines for Realizing the ITS-90”
• Klasy tolerancji IEC 60751: JUMO, „Pt100 accuracy class”; wydanie 2022: IEC 60751:2022
• JIS C 1604:2013 i IEC 60751:2008: Japanese Standards Association, podgląd JIS C 1604:2013 (po japońsku)