Sonda patrón de temperatura: medición de máximo nivel

Sonda patrón de temperatura

Debido a su alto rendimiento en general y precio asequible, la sonda patrón de temperatura, se emplea de forma generalizada como patrón de referencia y de trabajo en sistemas de calibración. Para este uso, es muy importante la calidad y la estabilidad del diseño y también la robustez en el transporte ya que dependerá normalmente de una calibración hecha externamente en un laboratorio de nivel superior. Este documento presenta varios tipos de sondas patrón  de temperatura desde los niveles más altos de prestaciones y calidad hasta diseños especiales necesarios para no cometer errores importantes debido al procedimiento de medición.

La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90) define el uso del Termómetro Patrón de Resistencia del Platino (TPRP) como dispositivo fundamental de referencia para poder interpolar entre las temperaturas de los puntos fijos definidos en la escala. En práctica, es casi el único tipo de dispositivo disponible comercialmente que permite medir con elevada precisión la temperatura dentro de los límites más habituales.

Termómetro Patrón de Resistencia de Platino

La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90) define el uso del Termómetro Patrón de Resistencia del Platino (TPRP) como dispositivo de referencia para interpolar entre las diferentes temperaturas de los puntos fijos entre -189,3442 ºC y 660,323 ºC. Su uso como termómetro patrón de referencia para la calibración de otros termómetros en laboratorios primarios y secundario es muy extenso. Con ellos se consiguen mediciones muy exactas de temperatura con incertidumbres hasta 0,001 ºC.

Sonda patrón de temperatura AM1950 y AM1960

Los modelos AM1950 y AM1960 son las “joyas de la corona” de todas las sondas de temperatura de la marca AccuMac. Su diseño y su fabricación se basan en décadas de experiencia científica y artesanía para conseguir un producto de una estabilidad excelente a largo plazo.

El elemento sensor de platino de ambos modelos tiene un valor nominal de resistencia en el punto triple de agua (0,01 ºC) de 25 ohmios. El diseño del elemento sensor de platino y el método de sujetarlo dentro de la vaina de cuarzo, es especial para conseguir las mejores prestaciones de estabilidad y repetibilidad.

Todos los componentes usados en la construcción del termómetro son extremadamente limpios antes del montaje final para proteger el hilo del platino contra contaminación, y en particular a elevadas temperaturas. El proceso de montaje está controlado para que no haya contaminantes presentes en el sensor. El termómetro ha sido llenado de un gas de protección para minimizar el efecto de oxidación del hilo de platino. De igual forma, la estabilidad de cada uno de los termómetros fabricados ha sido comprobada después de su fabricación.

La calidad y las prestaciones de los dos modelos son de primera clase al nivel mundial y cumplen con los criterios para sondas patrón definidos en la EIT-90. No obstante, a pesar de ofrecer la mejor calidad y las mejores prestaciones, los precios son muy competitivos. El rango de medición de temperatura del modelo AM1960 es de -200 … 670 ºC y -200 … 500 ºC para el modelo AM1950.

La estabilidad de la resistencia en el punto triple del agua típicamente es de +0,002 ºC, después de 100 horas a temperatura máxima y mejor que +0,005 ºC en un año. La repetibilidad después de 10 ciclos entre la temperatura máxima y la mínima es de +0,001 ºC. Otra característica importante es el reducido auto-calentamiento, de sólo 0,0015 ºC con 1 mA de corriente.

Sonda patrón de temperatura AM1880

La sonda patrón de Accumac AM1880 es única en el mercado y probablemente el termómetro patrón de resistencia de platino más robusto y preciso que existe hoy en día. El elemento sensor de platino del modelo AM1880 tiene un valor nominal de resistencia en el punto triple de agua (0,01 ºC) de 25,5 ohmios. El rango de medición de temperatura es de -200 … 670 ºC.

La característica de ser construida con vaina metálica de Inconel, no implica que lo sonda sea la robusta, ya que lo realmente importante es el diseño de la parte del sensor que hay dentro de la vaina.

El diseño tradicional de un sensor de platino de precisión consiste en un hilo bobinado protegido dentro de una cápsula cerámica o bobinado sobre una cruz de soporte. Para evitar que el sensor tenga histéresis, y que tenga buena repetibilidad y linealidad, la dilatación mecánica con la temperatura no puede ser restringida, lo cual implica mayor vulnerabilidad en cuanto a su soporte estructural.

Otro problema es el tiempo de respuesta lento y la necesidad de mucha profundidad de inmersión debido al “empaquetado” del sensor para protegerle contra contaminación.
El resultado final es un termómetro bastante delicado a pesar de tener vaina metálica y muy sujeto a deriva e incluso rotura en el transporte.

La sonda patrón de temperatura de Accumac modelo AM1880 es la solución para todos los problemas ya que se trata de una sonda muy robusta tanto debido a las partes externas como las partes internas, de deriva despreciable a largo plazo debido a ciclos de temperatura, y poco sensible a manejos adversos en el transporte. También, y en parte debido al diámetro de la vaina más fina, el tiempo de respuesta es más rápido.

El elemento sensor no es bobinado como el diseño tradicional, sino que está estructurado como una especie de “jaula de pájaro” mucho más resistente y libre de estrés mecánico. Aparte de la robustez, dicho elemento sensor, está dentro de una cápsula de platino para proteger el platino puro del sensor contra la contaminación a temperaturas elevadas. Este tipo de cápsulas protege mucho mejor que una cápsula cerámica, y a la vez, actúa como un excelente conductor de temperatura, consiguiendo una mayor estabilidad a largo plazo y tiempo de respuesta más rápido.

Este diseño también permite reducir el diámetro de la vaina metálica hasta 5,5 mm lo cual también ayuda en mejoras el tiempo de respuesta y reduce la profundidad de inmersión mínima.

Todos los componentes usados en la construcción del termómetro son extremadamente limpios antes del montaje final para proteger el hilo del platino contra contaminación, y en particular a elevadas temperaturas. El proceso de montaje es controlado para que no haya contaminantes presentes en el sensor. El termómetro contiene un gas de protección para minimizar el efecto de oxidación del hilo de platino.

La estabilidad de la resistencia en el punto triple de agua típicamente es +0,003 ºC/año. La repetibilidad después de 10 ciclos entre la temperatura máxima y la mínima es de +0,001 ºC. Otra característica importante es el reducido auto-calentamiento, de solo 0,0015 ºC con 1 mA de corriente.

Después de su fabricación, los termómetros se someten a un riguroso control para comprobar su estabilidad, es por ello, que la calidad y las prestaciones del modelo AM1880 son de primera clase a nivel mundial y cumplen con los criterios para sondas patrón definidos en la EIT-90.

Sonda de temperatura patrón Accumac AM1968

El modelo Accumac AM1968 tiene un diseño especial debido a que el sensor de hilo de platino está montado dentro de una cápsula de platino, sellado herméticamente en una cápsula de cristal, lo que permite que el sensor esté libre de estrés mecánico.

El elemento sensor de platino tiene un valor nominal de resistencia en el punto triple de agua (0,01 ºC) de 25 ohmios y es de platino puro con un coeficiente alfa de 0,003925.

El rango de temperatura del termómetro es de -260 … 100 ºC y debido a su pequeño tamaño (vaina de 5 mm de diámetro x 60 mm), la sonda es ideal para aplicaciones criogénicas de muy bajas temperaturas y donde el espacio es pequeño o cuando puede haber errores por falta de inmersión. El cristal de encapsulación es especial y tiene el mismo coeficiente de dilatación térmica que el platino para asegurar una estanqueidad permanente sobre todo el rango de temperatura. El diseño del soporte para el hilo de platino es único y le da unas excelentes prestaciones de estabilidad, robustez contra golpes mecánicos y térmicos, y repetibilidad después de ciclos de temperaturas extremas.

El termómetro ha sido llenado de Helio para minimizar el efecto de oxidación del hilo de platino. Después de su fabricación, se ha comprobado la estabilidad de cada uno de los termómetros. La calidad y las prestaciones cumplen perfectamente con los criterios para sondas patrón definidos en la EIT-90. La estabilidad de la resistencia en el punto triple de agua típicamente es +0,001 ºC/año. La repetibilidad después de 10 ciclos entre la temperatura máxima y la mínima es de +0,001 ºC. Otra característica importante es el reducido auto-calentamiento, de solo 0,0015 ºC con 1 mA de corriente.

Sondas patrón de máximo nivel AM1850 y AM1860

Los modelos AM1850 y AM1860, también son “joyas de la corona” dentro de su categoría de sonda patrón del máximo nivel y calidad con vaina metálica. Su diseño y su fabricación se basan en décadas de experiencia científica y artesanía para conseguir un producto de una estabilidad a largo plazo excelente. El elemento sensor de platino de ambos modelos tiene un valor nominal de resistencia en el punto triple de agua (0,01 ºC) de 25 o de 100 ohmios.

Se ha sustituido la vaina de cuarzo de los modelos AM1950 y AM1960 por una vaina de Inconel 600 para ganar robustez. También, el sensor de platino puro está protegido dentro de una cápsula para evitar contaminación del platino debido a la vaina metálica a temperaturas elevadas.

Todos los componentes usados en la construcción del termómetro son extremadamente limpios antes del montaje final para proteger el hilo del platino contra contaminación, y en particular a elevadas temperaturas. El proceso de montaje es controlado para que no haya contaminantes presentes en el sensor. El termómetro ha sido llenado de una mezcla de gases de protección y sellado herméticamente para minimizar el efecto de oxidación del hilo de platino.

Estas sondas han sido sometidas a un tratamiento térmico para eliminar fuerzas electromotrices debido a impurezas en el elemento sensor o gradientes térmicas en los puntos de conexión del sensor a los cables internos de conexión.
El rango de medición de temperatura del modelo AM1860 es de -200 … 670 ºC y -200 … 500 ºC para el modelo AM1850.

La estabilidad de la resistencia en el punto triple de agua típicamente es de +0,002 … 0,003 ºC después de 100 horas a temperatura máxima y mejor que +0,008 … 0,010 ºC en un año. La repetibilidad después de 10 ciclos entre la temperatura máxima y la mínima es de +0,0015 ºC. Otra característica importante es el reducido auto-calentamiento, de solo 0,0015 ºC con 1 mA de corriente. Se ha comprobado la estabilidad de cada uno de los termómetros fabricados, después de su fabricación. La calidad y las prestaciones de los dos modelos son de primera clase al nivel mundial y cumplen con los criterios para sondas patrón definidos en la EIT-90.

Sondas patrón AM1762 y AM1760

Los modelos AM1762 y AM1760, son versiones más económicas de los modelos tratados anteriormente y ofrecen elevadas prestaciones a un precio más bajo. El método empleado para sujetar y proteger el sensor de platino ayuda en conseguir un producto libre de histéresis y de una estabilidad a largo plazo excelente.

El elemento sensor de platino del modelo AM1762 tiene un valor nominal de resistencia en el punto triple de agua (0,01 ºC) de 25 ohmios. En la sonda patrón de temperatura modelo AM1760 el valor nominal de resistencia en el punto triple de agua (0,01 ºC) es de 100 ohmios. También se pueden adquirir ambos modelos con vaina de longitud 305 mm o de 508 mm. El rango de medición de temperatura de ambos modelos es de -200 … 670 ºC.

La vaina metálica de Inconel 600 proporciona una excelente robustez externa y el sensor de platino puro está bien protegido internamente para evitar la contaminación del platino debido a la vaina metálica a temperaturas elevadas.

La estabilidad de la resistencia del punto triple de agua típicamente es +0,004 ºC después de 100 horas y +0,006 ºC después de 500 horas a la temperatura máxima. La repetibilidad después de 10 ciclos entre la temperatura máxima y la mínima es de +0,002 ºC. Otra característica importante es el reducido auto-calentamiento, de solo 0,0015 ºC con 1 mA de corriente. El tiempo de respuesta es de 9 segundos correspondiente al 63 % del cambio escalonado en agua moviéndose a una velocidad de 1 metro por segundo.

Después de su fabricación se ha comprobado la estabilidad de cada uno de los termómetros fabricados. La calidad y las prestaciones de los dos modelos cumplen con los criterios para sondas patrón definidos en la EIT-90.

Sonda patrón de temperatura de inmersión total AM1643

El modelo AM1643 es una sonda patrón de resistencia de platino de dimensiones pequeñas que puede ser sumergida totalmente incluyendo el cable en fluidos secos como por ejemplo en hornos de calibración para temperaturas elevadas.

El elemento sensor de platino de la sonda patrón de temperatura del modelo AM1643 tiene un valor nominal de resistencia en el punto triple de agua (0,01 ºC) de 100 ohmios.
Su rango de temperatura es de 0 … 420 ºC y ofrece una exactitud mejor que +0,04 ºC incluso a la temperatura máxima.
La repetibilidad a corto plazo es de +0,02 ºC y el tiempo de respuesta de solo 5 segundos.
El diámetro de la sonda es de 3 mm y la longitud de solo 50 mm. Puede suministrarse bajo pedido a otras longitudes hasta 305 mm. Lleva un cabezal de diámetro 6,4 mm y longitud de 25 mm entre la vaina y el cable de conexión.
El método empleado para sujetar y proteger el sensor de platino, en este caso platino industrial PT100 conforme a la norma IEC751, ayuda a conseguir un producto robusto, libre de histéresis, y de buena linealidad y estabilidad a largo plazo.
La vaina metálica de Inconel 600 proporciona una excelente robustez externa y el sensor PT100 está bien protegido internamente para evitar contaminación del platino debido a la vaina metálica a temperaturas elevadas.
La estabilidad de la resistencia en el punto triple de agua típicamente es +0,04 ºC después de 100 horas a la temperatura máxima de 420 ºC. La repetibilidad después de 10 ciclos entre la temperatura máxima y la mínima es de +0,02 ºC. La histéresis máxima es de 0,01 ºC y el auto-calentamiento, de 50 mW / ºC.
El tiempo de respuesta es de 5 segundos correspondiente al 63 % del cambio escalonado en agua moviéndose a una velocidad de 1 metro por segundo
Después de su fabricación, se ha comprobado la estabilidad de cada uno de los termómetros.

Recomendaciones sobre el uso de una sonda patrón de temperatura

1) No someter la sonda a vibraciones o golpes mecánicos.
2) Almacenarla en un lugar seguro, donde no pueda caerse, ni ser golpeada, ni sufrir movimientos físicos bruscos, o donde no haya vibraciones.
3) Siempre y cuando sea posible, guardar la sonda patrón de temperatura en una maleta acolchada para su protección.
4) Para el transporte de la sonda, se recomienda usar un maletín o caja protectora con goma espuma para minimizar el efecto de golpes y vibraciones.
5) Para el uso en hornos tipo bloque seco, asegurarse que el diámetro del pozo es suficientemente grande para que la sonda pueda moverse libremente hacia arriba y hacia abajo.
6) No usar la sonda patrón de temperatura en fluidos contaminados y mantenerla lo más limpia posible.
7) No sobrepasar los límites de temperatura y especialmente el límite superior de temperatura.
8) No introducir el cable y el cabezal dentro de un líquido.
9) No someter el cable y el cabezal a temperaturas extremas.
10) Comprobar si la profundidad de inmersión es la adecuada, variando la profundidad y observar posibles variaciones de lectura.
11) Las sondas han sido selladas herméticamente y no se deben calentar por encima de sus respectivas temperaturas máximas de uso. Sobrepasando la temperatura máxima de uso se puede romper el sellado y la protección interior de la sonda. No confundir con un transmisor de presión.

¿Cómo resolver problemas en caso de un comportamiento anómalo de la sonda patrón de temperatura?

1) Si el valor de resistencia (valor del coeficiente R0.01) en el punto triple de agua ha aumentado de forma significativa, es posible que ha sido causado por un golpe mecánico. Se puede intentar hacer un tratamiento térmico para aliviar las tensiones internas en el hilo de platino para recuperar el valor original del coeficiente R0.01. Medir el valor del coeficiente R0.01 antes y después del tratamiento para verificar su eficiencia.
2) Si el valor del coeficiente R0.01 no es estable durante la medición, es probable que haya una mala conexión en el interior o en el exterior de la sonda o un cortocircuito en la parte bobinada del sensor. De no haber una mala conexión en el conector o en el cable de conexión, la sonda patrón de temperatura probablemente estará dañada.

A. Ovredal(1)

(1) PRIMA PROCESS METROLOGY c/. Chile, 10, 28290 LAS MATAS, Madrid, España