5 općenitih pogrešaka kod mjerenja temperature termometrima

28.09.2020. | edukacije, termometri, Upravljanje kvalitetom |

Danas na tržištu zaista ima bezbroj vrsta termometara. Većina njih izgleda vrlo slično, što je jako zavaravajuće. Usprkos sličnom izgledu princip rada termometara može biti potpuno različit, a zbog toga se razlikuje i ispravan način njihovog korištenja. Općenito, 99,9% termometara na tržištu možemo podijeliti u 6 skupina:

  1. stakleni i drugi termometri s tekućinom u kapilari
  2. kontaktni termometri sa kazaljkom (uglavnom bimetalni, iako ima i drugih vrsta)
  3. digitalni kontaktni termometri s termoparom
  4. digitalni kontaktni termometri s otporničkom sondom
  5. digitalni kontaktni termometri s termistorom
  6. beskontaktni infracrveni termometri

Temperatura kao veličina je vrlo apstraktna, ali je svakodnevno spominjemo, barem u kontekstu vremenske prognoze, ako je već ne mjerimo na poslu. Budući je apstraktna ne možemo je direktno mjeriti, što treba upamtiti. Niti jedna vrsta termometra ne mjeri temperaturu direktno, već neku drugu veličinu koja je ovisna o temperaturi, pa onda tu veličinu u temperaturu preračunava. Stakleni termometar npr. zapravo mjeri duljinu tekućine u kapilari, kontaktni termometar sa otporničkim senzorom mjeri otpor materijala, a beskontaktni infracrveni termometar mjeri intenzitet zračenja u nekom rasponu valnih duljina. Duljina, otpor i intenzitet zračenja su zaista vrlo različite veličine, ali baš sve ovise o temperaturi i tome možemo zahvaliti što imamo toliko različitih vrsta termometara. To je dakako i razlog zbog čega postoje bitne razlike u ispravnim načinima njihovog korištenja.

Termometre pod a), b) i f) vjerojatno svi mogu jednostavno razlikovati, no samo manji broj ljudi razlikuje one pod c), d) i e). Razlikama i posebnostima pojedinih vrsta termometara ćemo se baviti u budućim blogovima, a u ovom ćemo se koncentrirati na 5 potencijalnih pogrešaka u mjerenju koje su zajedničke svim kontaktnim termometrima, dakle, svima od a) do e). (Infracrvenim termometrima kao trenutno vrlo popularnim bavili smo se u prošlomjesečnom blogu.)   

Slika 1. Termometri s termoparom, otporničkom sondom i termistorom

1. POGREŠKA ZBOG NEADEKVATNOG URANJANJA TERMOMETRA U SREDSTVO

U laboratorijima i industrijskim pogonima termometre koristimo kako bismo izmjerili temperaturu samog okoliša (npr. zidni termometar) ili temperaturu nekog sredstva. U prvom slučaju o uranjanju termometra u sredstvo ne trebamo brinuti, jer je on čitavo vrijeme uronjen u okoliš, ali u drugom slučaju to je vrlo važno.

Slika 2. Uranjanje termometra u sredstvo

Dio tijela termometra koji je uronjen u sredstvo apsorbira toplinu iz tog sredstva i zagrijava se (ako je sredstvo na višoj temperaturi od okoliša), ali ta ista toplina prenosi tijelom termometra prema gore i gubi u okoliš na mjestima gdje termometar nije uronjen u sredstvo. To znači da termometar svojim tijelom treba biti dovoljno duboko uronjen u sredstvo kako gubitak topline u okoliš ne bi bio prevelik i utjecao na rezultat mjerenja. Kod nekih vrsta kontaktnih termometara to je važnije (npr. stakleni termometri, termometri sa otporničkim sondama) nego kod nekih drugih, ali važno je kod svih. Budući da se u ovom blogu nećemo baviti tim posebnostima, nekakvo aproksimativno pravilo oko uranjanja termometara u tekućine bilo bi:

  1. za tipične primjene u industrijskim pogonima, gdje ciljamo oko 1% točnosti*, dubina urona treba biti najmanje 5 promjera sonde + duljina samog senzora ukoliko se nalazi na vrhu sonde… dakle u praksi to može biti obično 7-8 promjera sonde.
  2. za tipične primjene u laboratorijima, gdje ciljamo oko 0,01% točnosti*, dubina urona treba biti najmanje 10 promjera sonde + duljina samog senzora… dakle u praksi obično 12-14 promjera sonde.
  3. za primjenu izuzetno visoke točnosti u laboratoriju, npr. kod umjeravanja, dubina urona mora biti još veća* u odnosu na razliku temperature sredstva i temperature okoliša

Zamislimo da je promjer naše sonde 5 mm. To bi značilo da ga za industrijsku razinu točnosti moramo uroniti u sredstvo najmanje 35-40 mm, a za laboratorijsku razinu najmanje 60-70 mm. Sve manje od toga gotovo sigurno će dovesti do pogreške. (Kod staklenih termometara je priča s uranjanjem još kompliciranija, ali to je posebna tema.)

Navedena pravila uranjanja vrijede samo za tekućine, dok je kod plinova problem puno veći zbog slabijeg prijenosa topline sa sredstva na termometar, pa bi uranjanje trebalo biti otpilike 10x veće nego kod urona u tekućinu. Za sondu promjera 5 mm, to znači otprilike 350-400 mm urona za industrijske primjene, odnosno 600-700 mm urona za laboratorijsku točnost.

2. POGREŠKA ZBOG KONAČNOG TOPLINSKOG KAPACITETA

Toplina je energija, a energija koju neka količina tvari može uskladištiti nije beskonačna. To svi jako dobro znamo jer će nam se topli čaj nakon nekog vremena ohladiti ako ga na vrijeme ne popijemo. Isto tako znamo da će se prije ohladiti šalica čaja nego 20 litara čaja u loncu. Logično, jer je u šalici uskladišteno manje topline. Što to znači za mjerenje temperature?

Zamislimo malu posudu vrele vode u koju uronimo termometar kako bismo izmjerili temperaturu. Istog trena toplina počinje prelaziti iz vode na termometar – voda se hladi, a termometar se zagrijava. Kad se rast temperature na zaslonu termometra zaustavi, znači da se postigla ravnoteža između temperature vode i temperature termometra. Ako termometar pokazuje temperaturu od +80 ºC, to mora značiti da je u trenutku kad smo u vodu termometar uronili, temperatura sigurno bila viša, a to je ona koju smo željeli izmjeriti! Postoje tri stvari koje možete učiniti da izbjegnete takav scenarij:

  1. veća posudica, odnosno veća količina tekućine kako se zagrijavanjem termometra temperatura tekućine ne bi značajno smanjila
  2. manji termometar 🙂
  3. trik s dva termometra!

Za uspješan trik potrebno je imati dva termometra potpuno istog modela i tipa kako bi količina prenešene topline na oba termometra bila podjednaka. U tekućinu prvo uronite jedan termometar i kada se pokazivanje ustabili recimo da pokazuje onih +80 ºC, ali ne znate, a zanima Vas temperatura tekućine prije nego što ste termometar uronili. U tom trenutku prvi termometar izvadite, a u tekućinu uronite drugi i čekate da se i njegova temperatura ustabili. Recimo da drugi termometar pokazuje +70 ºC. To znači da je količina topline koja je prešla na svaki termometar dovela do pada temperature od 10 ºC, a to pak znači da je početna, nepoznata temperatura bila +90 ºC. Ta-daaam!

3. POGREŠKA ZBOG KONAČNOG VREMENA ODZIVA TERMOMETRA

Kada uronimo stakleni termometar u tekućinu na višoj temperaturi od okoliša, živa u kapilari počinje brzo rasti, a nakon nekog vremena raste sve sporije i sporije sve dok se potpuno ne zaustavi, odnosno dok se taj rast ne uspori do te mjere da ga više ne vidimo i da nam više nije bitan.

Ista stvar se događa i ako sondu nekog digitalnog termometra uronimo u sredstvo. No sigurno smo primjetili i da neki termometri nakon što ih uronimo u sredstvo reagiraju brže, a neki sporije.

Slika 3. Porast pokazivanja temperature termometra nakon uranjanja u sredstvo

Općenito, “masivniji” termometri, odnosno sonde većeg promjera reagiraju sporije. Ako nam je glavni cilj da do rezultata dođemo što brže, onda je uvijek bolje izabrati tanju sondu. Kao i kod pogreške zbog uranjanja, znatno veći problem je mjerenje temperature plina (npr. zraka) od mjerenja temperature tekućine (npr. vode). U plinu je porast pokazivanja temperature na termometru 10-20x sporiji!

Za ovaj problem nažalost ne postoji jednostavan trik kojim bismo ga zaobišli. Pomaže jedino strpljenje, naročito kod mjerenja temperature u plinovima. Ono što eventualno može malčice pomoći je da s vremenom naučimo koliko je potrebno vremena da se temperatura nekog konkretnog termometra, nakon što ga sa sobne temperature unesemo u sredstvo, uravnoteži sa temperaturom sredstva koje mjerimo (npr. u zrak u hladnjaku) i onda namjestimo alarm na mobitelu umjesto da svakih par minuta provjeravamo raste li temperatura na zaslonu termometra i dalje, odnosno u slučaju hladnjaka – pada li.

Također, postoji i veličina svojstvena svakom termometru koju zovemo njegovom vremenskom konstantom, 0. Tijekom tog vremena, termometar će “proći otprilike 63,2% puta” od početne (sobne) temperature do prave temperature sredstva kojeg mjeri. Za industrijsku točnost trebamo čekati barem 5 vremenskih konstanti, a za laboratorijsku točnost barem 10 vremenskih konstanti prije nego što temperaturu na termometru očitamo (i vjerojatno zapišemo).

Primjer: Recimo da je sobna temperatura +25 ºC, a temperatura sredstva kojeg želimo izmjeriti otprilike +105 ºC, iako nas naravno zanima koliko je točno. Put koji termometar od +25 do +105 mora proći je “dugačak” 80 ºC, bez obzira je li riječ o staklenom ili digitalnom termometru, a 63,2% tog puta je dugačko (80*0,632) = 50,56 ºC. Na put krećemo od +25 ºC, pa kada je prošla jedna vremenska konstanta termometar pokazuje otprilike +75,56 ºC. Ako od urona termometra do trenutka kada termometar prolazi kroz točku +75,56 ºC prođu 2 minute, znači da je vremenska konstanta 2 minute i da za industrijsku točnost trebamo čekati ukupno oko 5*2 = 10 minuta, a za laboratorijsku ukupno oko 10*2 = 20 minuta.

Slika 4. Mjerenje temperature koja polako raste

Također, budući da vremenska konstanta nikad nije 0, ako se temperatura koju želimo mjeriti polagano mijenja, moramo biti svjesni da termometar nikad neće pokazivati trenutnu temperaturu, nego će uvijek kasniti (vidi sliku 4.)

4. POGREŠKA ZBOG TERMIČKOG ZRAČENJA U OKOLIŠU

Postoje poznati kolokvijalni izrazi “temperatura zraka u hladu” i “temperatura zraka na suncu”. Ako termometar koji ljeti stavimo “u hlad” pokazuje npr. +30 ºC, taj isti ako ga izložimo Sunčevim zrakama, tj. zračenju, pokazivat će znatno više, recimo +60 ºC. Koja je onda prava temperatura zraka? Prava temperatura zraka je ona “u hladu”, i to zato što kada termometar nije u hladu, Sunčevi fotoni direktno udaraju u njega i podižu mu temperaturu znatno iznad temperature zraka.

Sunce je svakako najdramatičniji izvor zračenja, ali i u zatvorenom prostoru mogu postojati izvori zračenja koji nemaju veze sa Suncem. Njihov utjecaj sigurno neće biti nekoliko desetaka ºC kao kad je Sunce u pitanju, ali svjedno može utjecati na naše mjerenje. Iako fizička veza između izvora termičkog zračenja i termometra često nije očita, svaki vrući predmet koji nije nekom barijerom zaklonjen od termometra, svojim zračenjem podiže temperaturu koju termometar pokazuje. Isto tako, svaki hladni predmet tu temperaturu spušta (“heat sink”). U sobi s velikim bojlerom, npr. stakleni termometar punjen živom može pokazivati i nekoliko stupnjeva višu temperaturu od temperature sredstva u kojem se nalazi samo zbog fotona koje bojler isijava i koji u termometar udaraju.

5.POGREŠKA ZBOG IGNORIRANJA POTVRDE O UMJERAVANJU 🙂

I na koncu, ako svoj termometar i upotrebljavate na ispravan način, morate biti svjesni da on ni tada nije u potpunosti točan, jednostavno zato što svaki termometar ima pogrešku koja može biti manja ili veća. Srećom, zbog toga postoji umjeravanje i ako samo zavirite u svoju potvrdu o umjeravanju možete ono što termometar pokazuje – korigirati. Ako npr. vaš termometar pokazuje +4,3 ºC, a u potvrdi o umjeravanju piše da je njegova pogreška (ili odstupanje) u blizini te temperature +0,6 ºC, znači da je točna temperatura +3,7 ºC. Potvrda o umjeravanju nas upozorava da termometar pokazuje različitu temperaturu od one prave, ali nam i govori koliko je ona različita. Zahvaljujući tome, termometar može postati znatno točniji nakon umjeravanja, čak i ako nije moguće fizičko podešavanje.

Kao što smo rekli na početku, ovih 5 pogrešaka su zajedničke svim kontaktnim termometrima i njih uvijek možete napraviti, iako je cilj očito da ih izbjegnete. Svaka (pod)vrsta kontaktnih termometara ima nažalost i specifične opasnosti koje su obično veće od ovih zajedničkih. One koji su zainteresirani kako te pogreške ne napraviti u svom laboratoriju ili pogonu, pozivamo na našu edukaciju s primjerima i demonstracijama… “Kako ispravno mjeriti temperaturu Vašim termometrom”, a koja će se održati 15. listopada 2020. Prijaviti se i zatražiti ponudu možete na edukacije@metroteka.com.

Podijeli ovaj članak

Prethodni članak

Zašto su infracrveni termometri opasni za korištenje?

Sljedeći članak

Lean Six Sigma?