2026-06-30

Kalibrering – grunden för tillförlitliga mätningar

”Kalibrering” kan ha olika betydelser. I grunden handlar det om att jämföra ett erhållet mätresultat med det förväntade resultatet. Det följs ofta av en justering av mätinstrumentet, vilket i sin tur bör följas av en verifiering av justeringen. En rad naturligt förekommande osäkerheter förhindrar dock vanligtvis ett perfekt kalibreringsresultat.

Enligt ordböcker kan ordet ”kalibrering” ha minst tre betydelser.

• Att märka upp en mätare med en skala.
• Att jämföra avläsningarna med en standardiserad skala.
• Att justera instrumentet så att avläsningarna stämmer överens med standarden.

Enligt den definition som utfärdats av Internationella byrån för mått och vikt (BIPM) är det endast jämförelsen som utgör en ”kalibrering”. Justeringen är en separat åtgärd som följer efter den egentliga kalibreringen.

Nollpunktskalibreringar

Låt oss säga att vi vill kalibrera en gaskoncentrationsmätare, det vill säga jämföra dess mätvärden med kända koncentrationer.

Det finns ofta minst en koncentration som är lätt att skapa utan behov av certifierade gasblandningar, nämligen nollkoncentrationen. Hur man erhåller en nollkoncentration beror på hur instrumentet fungerar. Till exempel med absorptionstekniker som DOAS handlar det bara om att skicka ljuset från källan till mottagaren utan att någon nämnvärd gasvolym passeras.

En kalibrering vid nollnivå kallas också en offset-kalibrering eftersom resultatet visar en potentiell förskjutning i responsen från noll. Ibland är en nollkalibrering inte ens nödvändig. DOAS-tekniken säkerställer till exempel att en verklig nolla också rapporteras som noll, om än med ett visst mått av instrumentbrus.

Span-kalibreringar

Till skillnad från en offsetkalibrering innebär en span-kalibrering en kalibrering vid en känd, förhöjd gaskoncentration. Koncentrationen väljs vanligtvis så att den ligger i den övre änden av det koncentrationsintervall som instrumentet ska täcka – det ”sträcker sig över intervallet”. Engelska ordet ”span” (sträcka sig över) har gett upphov till namnet på typen av kalibrering, och det används också ofta i svenska texter.

För detta behöver vi en gasblandning med en certifierad koncentration av den gas som ska kalibreras, dvs. en ”kalibreringsgas”. Instrumentet exponeras för kalibreringsgasen, och dess respons noteras och jämförs med den koncentration som anges på gasflaskan. Vi har nu genomfört en span-kalibrering.

Funktionstester

Offset- och span-kalibreringar föreskrivs ofta i lagstiftningen som regelbundna funktionstester för att kontrollera att mätinstrumentet fungerar som avsett inom sitt mätområde, med hänsyn till den förväntade mätosäkerheten. Ibland räcker det med enbart en span-kalibrering, ibland krävs både en offset- och en span-kalibrering – det beror på mätinstrumentet och lagstiftningen.

Exempel på resultatet av en tvåpunktskalibrering av span och offset, vilket leder till en rätlinjig ekvation. Resultaten (lutning k = 0,9802, skärningspunkt b = 0,3558 ppm) är inte nödvändigtvis de nya span- och offset-faktorerna som ska matas in i instrumentet. Det är mer troligt att span = 1/k och offset = -b. Eventuella befintliga span- och offset-värden som inte är 1,000 respektive 0,000 måste också beaktas. Se instrumentets användarhandbok.

Linjäritetskontroller

Det är bra att kontrollera instrumentets respons vid noll och vid en koncentration i den övre delen av mätområdet, men det säger ingenting om vad som händer mellan dessa två punkter, som ibland ligger långt ifrån varandra. I bästa fall är instrumentets respons linjär däremellan, men hur kan vi veta det?

Svaret är en flerpunktskalibrering där responsen även kontrolleras vid ytterligare koncentrationer mellan noll och en övre gräns. Återigen handlar det om att exponera instrumentet för noll och förhöjda gaskoncentrationer och notera instrumentets respons.

Ju fler kalibreringspunkter, desto mer detaljerad information om eventuella avvikelser från ett linjärt svar, men också desto mer tidskrävande utan att nödvändigtvis tillföra något väsentligt. Linjäritetskontroller utförs vanligtvis vid fyra eller fem koncentrationer, inklusive noll. Återigen finns det ofta lagstiftning som reglerar hur många och vilka kalibreringspunkter som ska kontrolleras, samt hur ofta kontrollen ska utföras.

Kalibreringsjusteringar

De flesta gasanalysatorer har en offsetfaktor och en multiplikationsfaktor (span-faktor) som kan justeras för att instrumentets respons ska överensstämma med det förväntade resultatet. Vid en enkel span-kalibrering finns endast data för att justera span-faktorn. Vid både noll- och span-kalibrering finns data för att justera både span- och offsetfaktorerna.

Efter flerpunktskalibreringar är det vanligt att anpassa en rät linje till kalibreringspunkterna med hjälp av minsta kvadratmetoden. Ekvationen för den räta linjen ger då de nya offset- och span-faktorerna. Vissa typer av instrument erbjuder även möjligheter till icke-linjär justering genom exempelvis polynom av andra eller tredje graden, för vilka flerpunktskalibreringar krävs.

Verifiering av justeringarna

Efter att justeringar har gjorts på instrumentet är det viktigt att även verifiera att justeringarna har gett önskad effekt. Detta görs genom att upprepa kalibreringsmätningarna och återigen jämföra resultaten med det förväntade utfallet. Avvikelserna från de förväntade nivåerna bör ha minskat, även om det fortfarande finns slumpmässiga faktorer som instrumentbrus som förhindrar att skillnaderna når noll.

Allmänt ökade skillnaderna tyder på problem i kalibreringsförfarandet. Kanske

• Kalibreringsgasen inte tillfördes instrumentet som den skulle.
• Det uppstod ett fel vid avläsningen av en rapporterad koncentration.
• Det uppstod ett beräkningsfel vid fastställandet av de nya span- eller offsetfaktorerna.

Det kan också finnas andra orsaker. Oavsett orsak måste felet lokaliseras och kalibreringsförfarandet måste sedan göras om.

Osäkerheter

Instrumentbrus är en av de faktorer som måste beaktas vid verifiering av kalibreringsjusteringarna. Den totala osäkerheten i de rapporterade resultaten jämfört med ett absolut sant värde är dock vanligtvis högre.

För det första medför kalibreringsgasen i sig en osäkerhet i koncentrationen. Detta framgår inte av kalibreringsverifieringen, men bidrar till den totala osäkerheten, både i kalibreringsresultatet och i vanliga mätresultat. Det finns ofta även andra osäkerhetsfaktorer som medför systematiska eller slumpmässiga avvikelser från det ideala värdet på gashalten.

Det finns standarder utgivna av BIPM och andra organisationer som behandlar osäkerheter i mätningar, och specifikt osäkerheter i kalibreringsresultat. Statistiska metoder gör det möjligt att ta hänsyn till alla kända faktorer och beräkna en ”total utvidgad osäkerhet”. Siffran anger ett intervall centrerat kring mätresultatet inom vilket den sanna koncentrationen ligger med en viss konfidensnivå, vanligtvis 95 %.

Läs mer om osäkerheter i detta blogginlägg.

Osäkerheterna belyser också en viktig aspekt av mätningar och kalibreringar. Vi kan få till det bra – och åtminstone tillräckligt bra – men den perfekta mätningen eller kalibreringen finns inte.

Kalibrering som tjänst

Korrekt kalibrering, justering och verifiering kräver kunskap, utrustning och rutin. En instrumentägare kan undvika många problem genom att anlita ett specialiserat företag som tillhandahåller dessa tjänster. OPSIS är en instrumenttillverkare men driver även ett ackrediterat kalibreringslaboratorium och erbjuder kalibreringstjänster på utvalda marknader. Kontakta oss gärna för mer information.

Originalet till denna artikel har skrivits och granskats av människor.