Medición de la uniformidad en bloques secos

La Guía Euramet CG-13 Versión 3.0 (02/2015) “LA CALIBRACIÓN DE CALIBRADORES DE TEMPERATURA BLOQUES SECOS” explica cómo se deben calibrar y caracterizar calibradores de temperatura del tipo bloque seco empleando técnicas y herramientas convencionales. Pensamos que, con los métodos definidos y las herramientas propuestas en la guía, será muy difícil medir con una incertidumbre óptima, la uniformidad térmica verdadera de un bloque seco.

Será todavía más difícil cuando la temperatura es elevada y superior a 250 ºC debido a la construcción tradicional de los sensores de resistencia del platino. También es muy difícil por la escasa profundidad que suelen tener los bloques secos. Muchas veces se confunden los datos de no-uniformidad del bloque con errores de medición, debido a la reducida profundidad de inmersión.

Para poder estudiar con más detalles, y con menos incertidumbre, la uniformidad real de un bloque seco, hemos desarrollado unos nuevos sensores, herramientas, y técnicas de medición. Las herramientas se pueden usar desde una temperatura mínima de -200 ºC hasta la máxima de 650 ºC. El nuevo método y las nuevas herramientas permiten la caracterización detallada y precisa de la uniformidad térmica y al mismo tiempo la simulación de diferentes cargas térmicas en el bloque. Las cargas térmicas simuladas son cualquier combinación entre los extremos de todos los pozos vacíos y todos los pozos llenos de termómetros. Permite simular el efecto de sondas cortas, medianas, y largas y de diferentes diámetros. También permite estudiar con precisión, la calidad del acoplamiento térmico entre el bloque y una sonda al calibrar sondas, que tienen diámetros considerablemente inferiores al diámetro del pozo utilizado para su calibración.

Un calibrador de temperatura tipo bloque seco, suele ser un dispositivo portátil con un bloque metálico integrado (fijo o extraíble), y un sistema de control que calienta y enfría el bloque. Para temperaturas inferiores y superiores a la temperatura ambiental, suelen tener elementos Peltier para calendar y enfriar el bloque. Para temperaturas superiores a la temperatura ambiental, lo habitual es usar elementos resistivos convencionales de calefacción con enfriamiento por ventilador eléctrico integrado.

Para facilitar la calibración por comparación de lecturas entre uno o más termómetros (A) y el calibrador o termómetro patrón de referencia, el bloque tiene uno o más pozos taladrados donde se puede introducir los termómetros.

La temperatura del propio bloque es controlada usando un sensor de temperatura ubicado dentro del bloque o cerca de los elementos de calefacción y enfriamiento (B). El sensor de temperatura es un transmisor al sistema de control la temperatura actual del bloque que a su vez sirve como indicador de la temperatura del calibrador para el usuario.

Las partes laterales del bloque suelen tener un aislamiento térmico (C) con referencia al aire ambiental, usando materiales de baja conductividad térmica. En el fondo, el aislamiento muchas veces es inferior o no existente para facilitar el enfriamiento más rápido del bloque con un ventilador eléctrico montado en el fondo del aparato. A veces hay un bloque de aislante térmico en la parte superior, con los mismos taladros que el bloque, para reducir su contacto con el aire ambiental. Los diferentes niveles de aislamiento alrededor del bloque, significa que las partes que más están en contacto con el aire ambiental, son más afectadas por la temperatura ambiental.

La idea básica del calibrador portátil de bloque seco para calibrar termómetros, debe tener su origen en el concepto más antiguo del baño de líquido agitado, combinado con el uso de un termómetro patrón de referencia. El baño de líquido agitado proporciona una temperatura uniforme con mayores garantías, debido a que las moléculas del líquido se mezclan mediante la agitación, siempre que la viscosidad del líquido sea suficientemente baja, y el baño bien diseñado.

Las dos ventajas más importantes que tiene un bloque seco pequeño en sustitución de un baño de líquido agitado son, su fácil transporte y, el rango de temperatura más amplio. No obstante, el bloque seco no tiene la misma uniformidad de temperatura que un baño de líquido agitado y, debido a su pequeño tamaño, tiene fuentes adicionales de incertidumbre comparado con el baño de líquido. Las incertidumbres adicionales, pueden ser muy importantes y por eso debemos evaluar sus magnitudes. Algunas de las fuentes más importantes de incertidumbre son las siguientes:

Distribución no-uniforme de la temperatura debido al diseño:

Debido a que el aislamiento (C) con referencia al aire ambiental suele ser escaso en la parte superior, un poco mejor en el fondo y, más grueso en los laterales del bloque cilíndrico, las pérdidas energéticas del bloque hacia el ambiente suelen ser no-uniformes, incluso cuando no hay ningún termómetro introducido en el bloque. Las pérdidas no-uniformes a través del bloque (las zonas D & E), causarán que la temperatura varíe a través de la geometría del bloque. El documento Euramet CG-13 habla de una zona utilizable donde la temperatura debe ser uniforme, desde el fondo del pozo hasta aproximadamente 40 mm desde el fondo, o sólo 20 mm si la longitud del elemento sensor en el interior del termómetro es superior a 5 mm (lo cual casi siempre es el caso si el sensor es PT100 de hilo de platino bobinado).

Tenemos, por lo tanto, un bloque donde la temperatura en realidad, y hasta cierto punto, es diferente en todas las partes del bloque.

Podríamos compararlo un poco con la temperatura del cuerpo humano visto a través de una cámara de termografía:

Calentamiento o enfriamiento local debido a la carga de termómetros en el bloque:

Cuando introducimos termómetros a calibrar y/o termómetros patrón de referencia en el bloque, éstos causarán pérdidas (o ganancias) térmicas adicionales (zona F). Esto se debe a la conducción térmica desde el bloque, a través de las vainas y hacia el ambiente. El efecto aumenta si una parte significativa del cuerpo del termómetro o del sensor está en contacto directo con el ambiente. La magnitud dependerá del tipo de material del termómetro, la masa, el tamaño, y la geometría. En particular, dependerá del coeficiente de conductividad térmica del material y la proporción del material que está en contacto con el ambiente.

Contacto térmico entre los termómetros y el bloque:

La temperatura de los termómetros introducidos dependerá del contacto físico entre la vaina de cada termómetro y el bloque. Puede haber una diferencia significativa entre la temperatura del bloque y los termómetros si hay un hueco de aire entre el termómetro y el bloque. El documento Euramet CG-13 habla de un hueco permitido de máximo 0,5 mm entre el bloque y el termómetro.

Error debido a profundidad de inmersión inadecuada a temperaturas elevadas:

Sabemos que la temperatura no es una cantidad física como la masa o la longitud que se pueden sumar o restar usando matemática básica. Es más bien un estado energético (cómo de ánimo) de un cuerpo o fluido. Por eso, cuando se introduce un termómetro en un líquido caliente, aunque la temperatura del líquido fuese perfectamente homogénea, la temperatura del termómetro no se comporta cómo se ve gráficamente con colores (rojo = temperatura alta, azul = temperatura baja) en la siguiente imagen:

El perfil térmico del termómetro es más bien como el perfil gradual mostrado en la siguiente imagen donde, tanto la temperatura del baño como la temperatura ambiental, están influyendo en la temperatura del termómetro:

Muchas veces, un calibrador de bloque seco sólo tiene una profundidad de 100 … 150 mm, y los termómetros que se necesitan calibrar tienen muchas veces una longitud de 200 … 400 mm, y diámetros de 6 mm o más. En esa situación, debido a la poca profundidad de inmersión y, donde una parte importante del termómetro está en contacto con el ambiente, la medición puede tener un error importante. El error típicamente aumenta de forma exponencial con la reducción de la profundidad de inmersión, con el incremento del diámetro de la vaina, y con el incremento de la longitud de la vaina. Si asumimos que la temperatura del bloque es uniforme sobre una distancia axial de 10 mm, desde el fondo del pozo, se puede fácilmente comprobar si la profundidad de inmersión es suficiente, tomando una lectura cuando el termómetro está tocando el fondo, y otra con el termómetro extraído 10 mm desde el fondo. Para evitar que una inestabilidad de control, afecte directamente a las dos lecturas, deben hacerse en modo diferencial con referencia a la lectura de otra sonda similar (o igual) a la primera, introducida en otro pozo. Si hay una diferencia entre las dos lecturas, la profundidad de inmersión es insuficiente.

Un ejemplo familiar de medición de temperatura que todos conocemos es, la medición de la temperatura del cuerpo humano. Se puede comparar ciertos aspectos de la medición de la temperatura del cuerpo humano con, la medición de la temperatura en un bloque seco. La temperatura del cuerpo humano típicamente se mide mediante la introducción de un termómetro en la boca de la persona, tal como mostrado en las siguientes imágenes:

La temperatura de una persona no enferma debe tener un valor alrededor de 37 ºC y, si el ambiente es 20 ºC, la diferencia entre la temperatura de la persona y la temperatura ambiental es alrededor de 17 ºC.

La profundidad de inmersión es pequeña y alrededor de 30 – 40 mm (la zona dentro del círculo rojo en la imagen) así que se puede cometer un error por falta de profundidad de inmersión si el termómetro no tiene un diseño adecuado. Queremos medir la temperatura con un error mínimo sea cual sea la temperatura ambiental y por eso, el termómetro típico tiene un diseño particular como se ve en la siguiente imagen:

El termómetro tiene una punta pequeña metálica en la parte que se introduce en la boca. El resto del cuerpo del termómetro, que se queda en contacto con el ambiente, es de plástico.

El metal usado en la punta es un material de elevada conductividad térmica y el plástico es un buen aislante térmico. El tipo de elemento sensor que se suele usar es un termistor de pequeñas dimensiones, ubicado en el interior de la punta metálica.

El diseño es bueno para medir la temperatura del cuerpo, con una incertidumbre de medición reducida, quizás de solo 0,1 ºC y, se puede adquirir en farmacias por un precio de aproximadamente 6 – 7 €.

Si como método alternativo, intentamos medir la temperatura del cuerpo humano con un sistema típicamente usado en laboratorios de calibración, los resultados serán distintos. El sistema de medición consistiría en una sonda patrón de referencia, un puente de resistencia de precisión, calibración en puntos fijos, y todo tendría un coste de inversión alrededor de 15000 €.

Un sistema de alta precisión de laboratorio podría tener una incertidumbre certificada de 0,001 ºC. El termómetro patrón tendría una vaina metálica o de cuarzo de diámetro 6 mm ó ¼” y una longitud de 400 – 500 mm. A pesar de la baja incertidumbre indicada en el certificado de calibración, al usarlo para medir la temperatura del cuerpo humano, el error de medición podría ser fácilmente de 0,5 ºC o mayor. El error se debe a que la mayor parte de la vaina del termómetro está en contacto directo con el ambiente y si la temperatura ambiental es más baja que la temperatura del cuerpo, la lectura del sistema sería inferior a la temperatura del cuerpo que queremos medir.

La exactitud de la medición por lo tanto sería muy inferior con el sistema que ha costado 15000 € que con el sistema que ha costado 7 €.

El proceso de medición de la temperatura en bloques secos presenta problemas similares al proceso de medir la temperatura del cuerpo humano. Debido a que muchas veces la diferencia de la temperatura del bloque con la temperatura ambiental es mucho mayor, el problema puede ser más grave.

Un bloque seco también suele tener poca profundidad de inmersión mientras, los termómetros patrón de referencia, suelen tener una vaina larga. La vaina es larga para conseguir una incertidumbre baja asociada a su calibración en por ejemplo puntos fijos. También suele tener un diámetro de 5 – 6 mm o más para que, a temperaturas superiores a 250 ºC, tenga una protección en su interior para no contaminar el sensor de platino.

La diferencia entre la temperatura ambiental y la del bloque seco suele ser mucho mayor, comparado con el ejemplo de la medición de la temperatura del cuerpo humano. En este caso, la incertidumbre debido a la poca profundidad de inmersión en el bloque, puede ser muy significante y difícil de cuantificar – particularmente cuando la temperatura del bloque se aleja de la temperatura ambiental. Por lo tanto, el diseño de un termómetro de resistencia de platino patrón, no es ideal para medir la temperatura en un bloque seco de tamaño reducido. Es todavía menos ideal para medir la uniformidad térmica dentro del bloque.

Para poder medir con mejor exactitud la(s) temperatura(s) del bloque seco, bajo diferentes condiciones de carga térmica en el bloque, un sensor especial de resistencia de platino de 4 hilos ha sido desarrollado para este fin. El rango de temperatura del sensor es de -200 hasta 650 ºC.

El termómetro tiene un elemento sensor bobinado de platino, lo cual le da buenas características metrológicas en cuanto a su linealidad, histéresis, y estabilidad. El elemento sensor está montado dentro de una vaina flexible de solo 1,5 mm de diámetro y la punta donde está el elemento sensor, es cilíndrica, de cobre y de diámetro 3,2 mm.

El cobre es un material de excelentes características en cuanto a su conductividad térmica y, ayuda a establecer buen contacto térmico con la pared de por ejemplo un pozo de diámetro un poco mayor (ej. 4 mm).

Debido al muy pequeño diámetro de la vaina general, que va desde la punta de la sonda hasta llegar en contacto directo con el ambiente y, la masa térmica muy mayor de la punta de cobre, la temperatura local en la zona de la punta se puede medir con alta precisión a diferentes alturas dentro del pozo, y también entre diferentes pozos en el bloque.

Pruebas precisas de inmersión en modo diferencial realizadas en baños de agua usando dos sondas (una de inmersión normal y otra de poca inmersión), han demostrado que es suficiente tener una profundidad de inmersión de aproximadamente 40 mm a 90 ºC (con el resto de la sonda en contacto directo con el ambiente), para evitar un error de 0,001 ºC.

Sería insuficiente poder medir con baja incertidumbre, la uniformidad solamente en un pozo vacío y de diámetro reducido. Debido a que las temperaturas de un bloque seco se ven alteradas de forma significativa cuando hay sondas introducidas en el bloque, existen herramientas adicionales para pozos de diámetros más grandes.

Las temperaturas del bloque dependen de la cantidad de termómetros introducidos en este bloque y, sus dimensiones y tipos de materiales.

Con vainas de diferentes diámetros o, combinaciones de vainas donde el diámetro interior es aproximadamente 4 mm, podemos medir correctamente cual es la temperatura en el interior de cada vaina a diferentes alturas, desde el fondo del pozo hasta donde sale la vaina al ambiente. Si variamos la longitud de las vainas, podemos simular y medir cómo se alteran las temperaturas del bloque, debido a las vainas de diferentes longitudes.

Si el bloque tiene múltiples pozos, podemos medir la uniformidad bajo varias condiciones de carga en el bloque, desde con el bloque vacío hasta con el bloque llenado al tope, y con vainas cortas, largas, medianas, etc.

En la imagen siguiente, el termómetro especial con punta de cobre de diámetro 3,2 mm (G) y, con el resto de la vaina metálica muy fina (H) de 1,5 mm de diámetro para reducir su conductividad térmica, se usa para medir el perfil térmico dentro de un tubo de mayor diámetro. La carga en el bloque es prácticamente idéntica a la carga que tuviéramos, al calibrar un termómetro de un diámetro y longitud similar.

Adicionalmente y usando solo el termómetro especial dentro de pozos o tubos de mayores diámetros, se puede cuantificar de forma directa los errores (o fuentes de incertidumbre) por la presencia de un hueco de aire, entre el termómetro que se quiere calibrar y las paredes del pozo. La guía Euramet CG-13 habla de un hueco máximo permitido de 0,5 mm entre el termómetro y la pared del pozo, para calibrar termómetros en calibradores del bloque seco. Usando las herramientas de medición detalladas en este artículo, podemos medir y cuantificar el valor cometido con diferentes huecos entre la sonda y la pared del pozo. También, podemos optimizar las mediciones y cuantificar las fuentes de error con diferentes cargas en el bloque.

El termómetro especial y el juego de vainas han sido diseñados principalmente para facilitar la medición y cuantificación de la uniformidad de la temperatura en bloques secos. Hemos visto que el termómetro especial también es una herramienta muy útil para medir la uniformidad en baños de líquidos y en cámaras térmicas y climáticas.

 

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