Terminologia i metodyka pomiarów wilgotności względnej i temperatury powietrza, powtórna kalibracja i konserwacja przyrządów

Podstawowa terminologia mertologiczna

Podstawowe znaczenie terminów metrologii używanych w ofertach, opisach technicznych i świadectwach wzorcowania jest następujące:

BŁĄD POMIARU: różnica między wynikiem pomiaru a wartością prawdziwą wielkości mierzonej.

BŁĄD (WSKAZANIA) PRZYRZĄDU POMIAROWEGO: wskazanie przyrządu pomiarowego minus wartość prawdziwa odpowiedniej wielkości wejściowej. Pojęcie to stosuje się głównie wtedy, gdy porównuje się przyrząd ze wzorcem odniesienia.

DOKŁADNOŚĆ POMIARU: stopień zgodności wyniku pomiaru z wartością rzeczywistą wielkości mierzonej.

DOKŁADNOŚĆ PRZYRZĄDU POMIAROWEGO: właściwość przyrządu pomiarowego dawania odpowiedzi bliskich wartości prawdziwej.

NIEPEWNOŚĆ POMIARU: parametr, związany z wynikiem pomiaru, charakteryzujący rozrzut wartości, które można w uzasadniony sposób przypisać wielkości mierzonej. Takim parametrem może być na przykład odchylenie standardowe (lub jego wielokrotność) albo połowa szerokości przedziału odpowiadającego określonemu poziomowi ufności. Niepewność pomiaru zawiera na ogół wiele składników. Niektóre z nich można wyznaczyć na podstawie rozkładu statystycznego wyników szeregu pomiarów i można je scharakteryzować odchyleniem standardowym eksperymentalnym. Inne składniki, które mogą być również scharakteryzowane odchyleniami standardowymi, są szacowane na podstawie zakładanych rozkładów prawdopodobieństwa opartych na doświadczeniu.

POMIAR: zbiór operacji mających na celu wyznaczenie wartości wielkości.

POPRAWKA: wartość dodana algebraicznie do surowego wyniku pomiaru w celu skompensowania błędu systematycznego.

WYNIK POMIARU: wartość przypisana wielkości mierzonej, uzyskana drogą pomiaru. Całkowite wyrażenie wyniku pomiaru powinno zawierać dane dotyczące niepewności pomiaru i poprawki ze świadectwa wzorcowania (o ile są znane).

WZORCOWANIE: zbiór operacji ustalających w określonych warunkach relację między wartościami wielkości mierzonej wskazanymi przez przyrząd pomiarowy lub układ pomiarowy albo wartościami reprezentowanymi przez wzorzec miary lub przez materiał odniesienia, a odpowiednimi wartościami wielkości realizowanymi przez wzorce jednostki miary. Wynik wzorcowania pozwala na przypisanie wskazaniom odpowiednich wartości wielkości mierzonej lub na wyznaczenie poprawek wskazań. Wynik wzorcowania może być poświadczony w dokumencie, nazywanym świadectwem wzorcowania.

Zainteresowanych pogłębieniem wiedzy odsyłamy do publikacji omawiających te zagadnienia bardziej szczegółowo:

"Prawo o miarach"- Ustawa z dnia 11 maja 2001 r., ( Dziennik Ustaw Nr 243, Poz. 2440 i 2441).
"Międzynarodowy Słownik Terminów Metrologii Prawnej"- Wydanie polskie; GUM; Warszawa; 2002
"Międzynarodowy Słownik Podstawowych i Ogólnych Terminów Metrologii"- Wydanie polskie; GUM; Warszawa; 1995
"Słownik Metrologiczny" zamieszczony na stronie Okręgowego Urzędu Miar w Krakowie.
Pl.wikipedia.org - przykładowo hasła:

Zwracamy jednocześnie uwagę na fakt, że każdy pomiar jest obarczony niedostatecznie znanym błędem pochodzącym od różnych przyczyn, których źródłem jest zarówno sam przyrząd pomiarowy, jak i sposób posługiwania się tym przyrządem. Posiadanie przyrządu o określonej dokładności czy niepewności nie gwarantuje dokonania nim pomiaru z tą dokładnością, jeżeli pomiar będzie wykonywany bez zrozumienia istoty fizyki tych pomiarów i oraz bez przeprowadzenia rachunku błędów odpowiedniego do danego sposobu lub miejsca wykonywania pomiarów. W praktyce, zagadnienie jest bardziej skomplikowane, niż to wynika ze stosunkowo prostych cytowanych powyżej definicji terminów metrologii.

Podstawowe zasady wykonywania pomiarów

Do prawidłowego pomiaru wilgotności względnej niezbędne jest, aby czujnik wilgotności (sensor) osiągnął, oprócz wilgotności, również temperaturę mierzonego powietrza. Należy bowiem pamiętać, że przy istniejącej w danym pomieszczeniu bezwzględnej ilości wilgoci w powietrzu (wyrażonej np. temperaturą punktu rosy albo w gramach wody na kilogram suchego powietrza) wilgotność względna jest funkcją temperatury. Przykładowo, w typowych warunkach pokojowych (20 °C i 50 % R.H.) temperatura wnętrza sondy większa o 1 °C od temperatury otoczenia spowoduje spadek wskazywanej wilgotności względnej do wartości około 47 %. Zależności występujące pomiędzy różnymi parametrami opisującymi klimat można prześledzić używając progrmu " KALKULATOR WILGOTNOŚCI LAB-EL".

Wyrównaniu temperatury czujnika wilgotności z temperaturą otoczenia przeciwdziałają bezwładności cieplne: struktury czujnika, obudowy sondy i powietrza znajdującego się w głowicy sondy pomiarowej. Wyrównanie tych temperatur następuje na drodze: promieniowania cieplnego oraz przenoszenia ciepła przez wymianę powietrza. Promieniowanie cieplne napotyka na dużą rezystancję cieplną powietrza otaczającego sondę, dlatego ma znikomy wpływ na wyrównanie temperatur. Konwekcja powietrza następująca w wyniku fizycznego zjawiska rozszerzalności cieplnej powietrza (unoszenia cieplejszego powietrza do góry) wywołuje stosunkowo powolny przepływ powietrza. Jedynym skutecznym sposobem wymiany powietrza otaczającego czujnik wilgotności jest wymuszony ruch powietrza wokół sondy pomiarowej.

Stabilizacja wyników pomiarów następuje dlatego po czasie zależnym od rozmiaru zmian warunków pomiarów oraz, przede wszystkim, od intensywności wymiany powietrza wokół sondy pomiarowej. Dla niewielkich zmian (do kilku °C i kilkunastu % R.H.) i przy przewiewie około 0,2...0,5 m/s stabilizacja wskazań z błędem pomijalnym w stosunku do dokładności pomiarowej następuje po czasie około 1 minuty. Dla dużych zmian i braku przewiewu czas ustalania wyniku zdecydowanie wzrasta i może wynosić około 15...30 minut.

Szczególnie niekorzystne zjawisko ma miejsce, gdy przenosimy przyrząd (np. w okresie zimowym) z zimnego pomieszczenia do ciepłego pomieszczenia i gdy w ciepłym pomieszczeniu temperatura punktu rosy jest wyższa od temperatury zimnego pomieszczenia. Następuje wówczas wykroplenie wody (roszenie) na powierzchni zimnego czujnika wilgotności i gwałtowny wzrost wilgotności wskazywanej przez miernik. W tym przypadku wyniki pomiarów ustalą się w pobliżu rzeczywistej wilgotności ciepłego pomieszczenia nie tylko po wyrównaniu temperatur czujnika i powietrza w ciepłym pomieszczeniu, ale dopiero po odparowaniu wody z powierzchni czujnika, co nastąpi w czasie rzędu 60 minut. Dlatego zimą podczas transportowania przyrządu należy zabezpieczyć go (np. pokrowcem) przed nadmiernym oziębieniem.

W przypadku umieszczania sondy podczas pomiarów na przedmiotach należy zapewnić jej ustawienie w przewiewnym miejscu (np. na podstawce) tak, aby powietrze mogło swobodnie opływać sondę. Sonda nie powinna stykać się swoimi otworami wentylacyjnymi z przedmiotami, gdyż wówczas temperatura i wilgotność tych przedmiotów będzie wpływać w niekontrolowany sposób na wynik pomiaru. Sondę podczas pomiaru należy trzymać możliwie daleko od źródeł ciepła (ciała człowieka, grzejników, promieniowania słonecznego itp.), nie należy jej trzymać w ręku.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że w każdym pomieszczeniu występują znaczne lokalne różnice oraz ciągłe fluktuacje temperatury i wilgotności powietrza w różnych miejscach tego samego pomieszczenia, w zależności np. od otwarcia drzwi, wwiezienia towaru do pomieszczenia, wejścia personelu, włączenia maszyn, działania ogrzewania lub klimatyzacji, a nawet promieniowania słońca oraz siły i kierunku wiatru na zewnątrz budynku. W celu zmniejszenia różnic parametrów klimatu w pomieszczeniu należy wprowadzić np. wymuszony ruch powietrza.

Kiedy należy więc uznać pomiar wilgotności i temperatury za zakończony, skoro czas oczekiwania na poprawne wyniki pomiaru zależy od tylu czynników zewnętrznych? Należy w tym celu obserwować zmiany wyników pomiarów. Jeżeli stwierdzimy, że uśrednione wyniki pomiarów za każde kolejne 10 sekund zmieniają się monotonicznie nie więcej niż o 0,1°C i 0,1% R.H., to wskazania można uznać za ustabilizowane w zakresie dokładności przyrządu. Jeżeli chwilowe wyniki pomiarów zmieniają się w obu kierunkach o dziesiąte części, a średni wynik pomiaru jest stały, to obserwowane chwilowe wahania wynikają z lokalnych fluktuacji klimatu w pomieszczeniu.

Podczas pomiarów wilgotności w szybkich strumieniach powietrza (powyżej 10 m/s) będzie następowało zaniżanie wyniku pomiaru (nawet o kilka % R.H.). Zalecane jest wówczas umieszczenie sondy w dodatkowej osłonie zmniejszającej intensywność przepływu powietrza (np. w filtrze przeciwpyłowym).

Powtórna "kalibracja" - jak często ?

Użytkownik przyrządu pomiarowego (np. higrometru, termometru, barometru) powinien zwrócić uwagę na konieczność okresowego dokonywania sprawdzenia poprawności wskazań przyrządu. Częstotliwość dokonywania tych kontroli, potocznie zwane "kalibracją" (poprawna nazwa: " wzorcowanie" czyli najprościej: porównanie z wzorcem) jest uzależniona od następujących czynników:

znaczenia dokładności wskazań przyrządów (np. większe znaczenie będą miały pomiary w magazynie drogich leków niż w zwykłym pomieszczeniu biurowym),
warunków pracy przyrządów (tzn. tym częściej, im większe są narażenia na ekstremalne temperatury i wilgotności),
zanieczyszczeń mechanicznych i chemicznych, a w szczególności obecności czynników korozyjnych (np. oparów substancji żrących lub przykładowo drobinek błota z solą występującego w zimie w pobliżu dróg o dużym natężeniem ruchu).

Im większe narażenia, tym proces starzenia może występować szybciej (a co za tym idzie, szybciej może nastąpić wzrost błędu pomiarowego). I tak:

jeżeli warunki pracy są łagodne (np. pomieszczeniach mieszkalnych, biurowych), to termohigrometry powinny zachować poprawność wskazań przez okres 24 miesięcy (i co taki okres powinny być poddawane konserwacji oraz sprawdzeniu i regulacji w laboratorium),
jeżeli warunki pracy są bliskie granicy zakresów pomiarowych (np. wysoka wilgotność), a przyrząd jest w tych warunkach tylko okresowo użytkowany, a przez większość czasu jest w warunkach łagodnych, to termohigrometry powinny zachować poprawność wskazań przez okres 18 miesięcy (i co taki okres powinny być poddawane konserwacji oraz sprawdzeniu i regulacji w laboratorium),
jeżeli warunki pracy są w okolicy granicy zakresów pomiarowych (np. wysoka wilgotność), a przyrząd jest w sposób ciągły użytkowany w tych warunkach, to pierwsze sprawdzenie i konserwacja powinna być dokonana po około 6 miesiącach, a następne co około 12 miesięcy,
jeżeli przyrząd jest eksploatowany w warunkach ekstremalnych w obecności dużych zanieczyszczeń, to sprawdzenie i konserwacja powinna być dokonane co 6 miesięcy,
jeżeli pomiary kontrolne dokonywane innym sprawdzonym przyrządem wykazują niedopuszczalny błąd wskazań, to sprawdzenie i konserwacja powinna być dokonana natychmiast.

Szczegółowe i rozszerzone omówienie tego zagadnienia można znaleźć w artykułach:

" Sposób wykorzystania świadectw wzorcowania do ustalania okresów miedzy wzorcowniami", Ryszard Malesa, kierownika Działu Akredytacji Laboratoriów Wzorcujących w Polskim Centrum Akredytacji,
"Czynniki wpływające na częstość wzorcowań przyrządów do pomiaru temperatury, wilgotności i ciśnienia", Tomasz Bakoń, Instytut Energetyki,
"Pomiar i wzorcowanie - minimalizacja kosztów i ryzyka w metrologii przemysłowej i ochronie środowiska", Tomasz BAKOŃ, Roman WITKOWSKI, Instytut Energetyki.

Konserwacja, ponowna kalibracja (adjustacja) i sprawdzenie wskazań (wzorcowanie) przyrządów są normalnymi czynnościami eksploatacyjnymi, nie są w związku z tym objęte gwarancją producenta oraz są wykonywane odpłatnie na zlecenie właściciela.

Legalizacja termometrów, higrometrów, barometrów

Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 30.03.2005 r, w sprawie rodzajów przyrządów pomiarowych podlegających prawnej kontroli metrologicznej oraz zakresu tej kontroli, z którego tekstem można zapoznać się na stronie Głównego Urzędu Miar, legalizacji nie podlegają (między innymi) termometry, higrometry i barometry do kontroli powietrza (do monitoringu warunków środowiskowych) – jako niewymienione w tym rozporządzeniu. Wymaganie klienta, aby otrzymać legalizowany termometr, higrometr lub barometr, jest więc nie do spełnienia, gdyż Główny Urząd Miar ani inna jednostka uprawniona, nie wyda świadectwa legalizacji na te przyrządy. Obecnie legalizacji podlegają głównie przyrządy, których wyniki pomiarów są związane z rozliczeniami finansowymi pomiędzy kontrahentami (np. wagi).

Dla termometrów, higrometrów i barometrów stosuje się natomiast procedurę wzorcowania. Na życzenie Zamawiającego akredytowane Laboratorium Wilgotności, Temperatury i Ciśnienia LAB-EL wykonuje wzorcowanie (czyli porównanie badanego przyrządu z wzorcem), poprzedzone ewentualnie adjustacją (potocznie zwaną "kalibracją"). Dowodem właściwości metrologicznych przyrządu jest wówczas Świadectwo Wzorcowania, wydawane indywidualne dla każdego przyrządu. "Wzorcowanie" jest czasami, choć nieprawidłowo, potocznie nazywane przez użytkowników przyrządów - "legalizacją".

Zgodność z wymaganiami

Na pytanie, czy urządzenie pomiarowe jest sprawne i czy spełnia wymagania techniczne, Laboratorium może udzielić odpowiedzi na podstawie wytycznych ILAC-G8:03/2009. Wytyczne te zostały opracowane, aby pomóc laboratoriom badawczym i wzorcującym na całym świecie w stwierdzaniu i przedstawianiu zgodności pomiarów ilościowych ze specyfikacją. W celu spełnienia wymagań zawartych w normie ISO/IEC 17025, laboratoria powinny dostarczać klientom sprawozdania zawierające wyniki pomiarów, ich niepewność oraz, w razie potrzeby, ocenę zgodności ze specyfikacją danych technicznych producenta. Ocena zgodności jest przeprowadzana zgodnie z w/w wytycznymi na indywidualne zamówienie klienta.