Calibración de sondas de temperatura sanitarias

Los sondas de temperatura sanitarias se utilizan habitualmente en muchos sectores como, por ejemplo, el sector de alimentación y bebidas, lácteo, farmacéutico y de las ciencias de la vida. En este artículo se definen las sondas de temperatura sanitarias y qué diferencias hay con respecto a los sondas de temperatura estándar.

La calibración de las sondas sanitarias, es diferente y el proceso es más complejo que el que se sigue para calibrar las sondas estándar. En este artículo se incluyen consideraciones que deben tenerse en cuenta a la hora de calibrar estas sondas, ya que es fácil cometer errores y estos se ponen de manifiesto en los resultados de calibración.

¿Qué es una sonda de temperatura sanitaria?

Empecemos definiendo brevemente lo que es una sonda de temperatura sanitaria. La temperatura es uno de los parámetros de procesos más críticos en muchos sectores y su correcta medición en determinados procesos es de vital importancia.

Los sectores como el de alimentación y bebidas, el lácteo, el farmacéutico y el de las ciencias de la vida aplica requisitos adicionales en lo relativo a las sondas de medición de temperatura debido a sus procesos especiales. Es por ello por lo que se exigen sondas de temperatura “sanitarias”, es decir, sondas que deben ser adecuadas para su instalación en entornos de procesos higiénicos y asépticos. Estas sondas deben estar higienizadas y diseñadas para permitir una limpieza fácil, y a menudo deben poder higienizarse mediante un proceso de limpieza in situ (CIP). El diseño mecánico no debe incluir cavidades, huecos muertos o cualquier espacio que pudiera complicar su limpieza higiénica.

Los acabados de la superficie de estas sondas tienen clasificaciones según su grado de higienización y deben cumplir los estrictos estándares de estos sectores como, por ejemplo, la norma 3-AR (www.3-a.org) o las directrices de la EHEDG (European Hygienic Engineering & Design Group) www.ehedg.org.

El material de las partes húmedas de estas sondas, es a menudo de acero inoxidable de alta calidad, concebido idealmente para este tipo de aplicaciones.

Para facilitar su instalación, los sensores sanitarios a menudo incluyen el sistema de instalación por abrazadera (clamp).

Una de las características más comunes de estas sondas de temperatura sanitarias es que normalmente son muy cortas. Esto hace que el proceso de calibración sea más complejo que el de las sondas estándar.

Otro aspecto que dificulta la calibración es la brida metálica grande que se necesita para la instalación con la abrazadera.

La temperatura normalmente suele alcanzar los 150°C y, en algunos casos, hasta los 200°C, de modo que no supone un importante reto.

El papel que juega la calibración

En cualquier sector, es crucial que los procesos de medición se realicen de forma correcta y con la máxima exactitud que su diseño permite. Esto puede lograrse con ayuda de los instrumentos diseñados para este tipo de procesos concretos y con el programa de calibración adecuado.

En el caso de los sectores de alimentación y bebidas, farmacéutico y de las ciencias de la vida, la calibración juega un papel incluso más importante en comparación con otros sectores. En estas industrias, las consecuencias de realizar calibraciones incorrectas o con errores por encima de los permitido pueden ser dramáticas, ya que un error puede afectar a la salud y seguridad tanto de los consumidores como de los pacientes. Dado que una calibración errónea puede representar costes muy altos para estos sectores, estos malos resultados deben evitarse a toda costa.

Estos sectores también se adhieren a reglamentos concretos muy estrictos en lo relativo a las calibraciones, como lo son por ejemplo las normas de la FDA.

¿Por qué son difíciles de calibrar las sondas sanitarias?

En este apartado comentaremos por qué estas sondas sanitarias son difíciles de calibrar.

1. Los sondas sanitarias son muy cortas

Tal y como se ha mencionado anteriormente, este tipo de sondas son normalmente muy cortas. Lo más habitual es que midan menos de 100 mm, típicamente pueden hacer unos 50 mm y pueden llegar a ser más reducidas hasta alcanzar los 25 mm. Su diámetro exterior suele ser habitualmente entre 3 y 6 mm.

La práctica comúnmente utilizada en la calibración de temperatura (y también la recomendación de Euramet) es que un sonda de temperatura debe sumergirse a suficiente profundidad para lograr unos resultados fiables. La recomendación es sumergirla a una profundidad 15 veces el diámetro de la sonda (más la longitud del elemento sensor). No obstante, en el caso de las sondas sanitarias cortas, sencillamente es imposible sumergir la sonda a una profundidad suficiente durante la calibración dado que es demasiado corta en comparación con el diámetro. Por ejemplo, una sonda sanitaria típica con un diámetro de 6 mm debería sumergirse durante su calibración unos 90 mm (15 x 6 mm) para garantizar de esta forma unos resultados fiables. Si la longitud de esta sonda es de 100 mm no sería un problema, pero si la sonda tiene una longitud de inmersión de 50 mm y su diámetro es de 6 mm, sencillamente no es posible sumergirla dado que no tiene la suficiente longitud de inmersión. Al no poder sumergirla por no tener suficiente longitud de inmersión, su calibración provocará errores y sus resultados no serán fiables.

• Exactitud de 1 % – sumergir 5 diámetros + la longitud del elemento sensor de la sonda
• Exactitud de 0,01 % – sumergir 10 diámetros + la longitud del elemento sensor de la sonda
• Exactitud de 0,0001 % – sumergir 15 diámetros + la longitud del elemento sensor de la sonda

La “exactitud” de las reglas anteriores debe calcularse a partir de la diferencia de temperatura entre la temperatura del bloque y la temperatura ambiente.

Ejemplo: si la temperatura ambiente es de 20°C y la temperatura del bloque es de 120°C, la diferencia es de 100°C. Si se sumerge la sonda tan solo a una longitud 5 veces su diámetro más la longitud del elemento sensor —es decir,
para una sonda de 6 mm de diámetro con elemento sensor interno de 10 mm, se sumergirá a 40 mm (5 x diámetro + elemento sensor)—, cabe esperar un error de 1°C debido a la baja inmersión (1 % de 100°C).

La imagen anterior ilustra la regla de relación utilizada habitualmente entre la profundidad de inmersión de un termómetro (en diámetros) y el error relativo de la diferencia de temperatura (temperatura del bloque y la temperatura ambiental). De modo que, en caso de no realizar ninguna inmersión, se obtendrá un 100 % de error; no obstante, al realizar una inmersión lo suficientemente profunda, el error debido a la inmersión se vuelve insignificante. Si se sumerge la sonda a una profundidad alrededor de 5 veces el diámetro de esta, el error debido a la inmersión será de aproximadamente un 1 % de la diferencia de temperatura.

Esta regla básica puede ser ciertamente importante a temperaturas superiores y/o cuando tratamos con longitudes de inmersión realmente cortas. Así pues, cabe tener en cuenta las sondas que tienen una longitud de inmersión inferior a los 40 mm. Asimismo, puede resultar interesante comentarlo con un ingeniero de diseño para dar con una forma de aumentar la longitud de inmersión de la sonda.

Naturalmente, esta limitación de su exactitud únicamente será válida si el sensor se instala en el proceso y mide la temperatura del proceso (dado que, si es demasiado corta, la sonda no podrá medir con un nivel de exactitud óptima dicha temperatura).

No siempre es fácil conocer la longitud del elemento sensor que se encuentra en el interior de la sonda. En el caso de que no aparezca en la ficha técnica, puede preguntárselo al fabricante. Por tanto, ¿cómo se calibran estas sondas cortas que no pueden sumergirse a una profundidad suficiente? De ello hablaremos en los próximos apartados.

2. Las sondas sanitarias a menudo incluyen una conexión tipo abrazadera (clamp) con una brida

Tal como se ha mencionado anteriormente, las sondas sanitarias son demasiado cortas en comparación con su diámetro para poder sumergirlas adecuadamente, lo cual produce fugas de temperatura, además de elevar el error y la incertidumbre de la calibración realizada.

Por si fuera poco, estas sondas también incluyen la conocida conexión por abrazadera (Tri-clamp, ISO 2852, DIN 11851, DIN 32676, BS 4825, Varivent, etc.), de modo que incluyen una brida relativamente grande que hace que la temperatura conduzca (o fugue) a través de ella. En la práctica, esta fuga hace que la temperatura que está midiendo el sensor se conduzca hacia la brida y, esto provoca, que el sensor de la sonda lea una temperatura ligeramente inferior cuando se calibra a un valor de temperatura superior a la temperatura ambiente.

Este tipo de bridas dificultan la calibración por motivos diversos. Las bridas suman una fuga de la temperatura que está midiendo el sensor hacia la brida; por tanto, cuanto más grande sea la brida, mayor será la diferencia de temperatura con respecto a la temperatura ambiente. Dado que, además, la sonda es muy corta, esta fuga de temperatura hace que el sensor de la sonda mida una temperatura errónea.

¿Baño líquido o bloque seco?

En general, las sondas de temperatura se pueden calibrar en un baño líquido o en un bloque seco. También es el caso para las sondas de temperatura sanitarias. A continuación, comentamos qué son y cuáles son las principales ventajas y desventajas de cada opción.

Baño líquido

Como su nombre indica, un baño líquido de temperatura incluye fluidos en su interior. El líquido se calienta/enfría a la temperatura deseada y las sondas de temperatura que desean calibrarse se introducen en el líquido. En muchos casos, estos baños incorporan un sistema de agitación que remueven el fluido para conseguir que la temperatura del fluido sea uniforme.

Ventajas y desventajas de un baño líquido

Un baño líquido facilita la inmersión de una sonda con independencia de su forma y también permite usar una sonda de referencia al mismo tiempo. En función del tamaño del baño líquido, se pueden introducir varias sondas para calibrarlas al mismo tiempo. En el caso de que la sonda que se desea calibrar tenga una forma rara, una de las ventajas es que se podrá introducir sin problemas en el baño líquido. Un baño líquido a menudo permite una mayor uniformidad y exactitud que un bloque seco, ya que la transferencia del calor en el líquido es mejor.

• Un baño líquido siempre incluye un tipo de líquido (como aceite de silicona) y es posible que podamos contaminar la sonda sanitaria sumergiéndola en dicho líquido. Esto conllevará, un proceso de limpieza importante tras la calibración para poder garantizar que la sonda queda
  totalmente limpia y pueda ser instalada en el proceso correspondiente.
• Trabajar con aceite caliente es peligroso y cualquier derrame puede producir lesiones.
• Cualquier derrame de aceite hacia el suelo hace que este se convierta en una zona resbaladiza y pueda provocar accidentes.
• Los baños líquidos son muy lentos. Incluso aunque quepan varias sondas y puedan calibrarse al mismo tiempo. Suele ser un proceso varias veces más lento que el uso de un bloque seco, de modo que la eficacia general no es mucho mejor. Hay quienes preparan varios baños —cada uno a una temperatura diferente— y cambian los sensores manualmente entre los baños para ahorrarse el tiempo de esperar a que el baño alcance y estabilice la temperatura. Esto puede funcionar para un laboratorio de calibración, pero obviamente es una opción de calibración muy costosa.
• La sonda sanitaria debe colocarse de modo que la superficie del líquido toque la parte inferior de la brida, pero en la práctica este aspecto no siempre es fácil de conseguir. Por ejemplo, el aceite de silicona tiene una expansión térmica bastante amplia, de modo que el nivel de superficie cambia ligeramente a medida que cambia la temperatura. Por ello, quizá sea necesario ajustar la altura de la sonda sanitaria durante la calibración. Además, debido a la agitación del líquido, se crean pequeñas ondas en la superficie y suele ser un nivel alto del líquido, de modo que es difícil ver si el sensor está sumergido a una profundidad adecuada.
• Los baños líquidos, en la mayoría de los casos, implican disponer de un espacio y unos equipamientos adicionales grandes, pesados y caros.

Ventajas y desventajas del bloque seco

Una vez comentadas las ventajas y desventajas del baño líquido en esta aplicación, pasemos a comentar las mismas pero para el bloque seco. Las principales ventajas de calibrar una sonda sanitaria en un bloque seco son las siguientes:

• Dado que es seco, la sonda no se ensucia ni se contamina durante el proceso de calibración. Evidentemente, la sonda deberá limpiarse igualmente tras su calibración, pero esta limpieza es más sencilla que la que le espera tras un baño líquido.
• Un bloque seco también es una opción muy rápida cuando se desea lograr un nuevo punto de temperatura.
• Al utilizar un inserto especial con sus correspondientes orificios, es fácil insertar la sonda sanitaria de la misma forma siempre sin necesidad de más ajustes, pudiendo repetir la calibración con total facilidad cada vez por diferentes usuarios.
• Un bloque seco es ligero y fácil de transportar, en comparación con el baño líquido.
• Lo habitual es que también sea más barato que la primera opción.

Como desventajas, un bloque seco ofrece menos exactitud que el baño líquido, habitualmente solo se calibra una sonda sanitaria por separado y se necesitan diferentes insertos perforados para poder calibrar todas aquellas sondas que tengan distintos diámetros.

Pese a estas desventajas, la gran mayoría de clientes prefieren realizar las calibraciones de sus sondas sanitarias cortas en un bloque seco.

A continuación, comentaremos diferentes aspectos importantes y que deben tenerse en cuenta a la hora de realizar calibraciones con un bloque seco.

Cómo realizar calibraciones con un bloque seco de temperatura

Para calibrar las sondas sanitarias cortas con un bloque seco de temperatura, cabe tener en cuenta los distintos aspectos que indicamos a continuación.

Usar una sonda de referencia externa

En primer lugar, al realizar la calibración con un bloque seco de temperatura, la brida de la sonda a calibrar no permite usar una sonda de referencia externa estándar ubicada en uno de los orificios del inserto, ya que sencillamente no cabe, dado que la brida cubre la parte superior del inserto y todos sus orificios.

En la imagen que se puede ver seguidamente, se puede apreciar una comparación de la calibración de una sonda de temperatura estándar (larga y sin brida) empleando una sonda de referencia externa (imagen de la izquierda), con lo que sería una sonda sanitaria corta con brida (imagen de la derecha). Podemos ver que la brida de la sonda corta cubre todos los orificios del inserto, de modo que no es posible ubicar una sonda de referencia externa estándar:

Usar una sonda de referencia interna

El bloque seco siempre incluye una sonda de referencia interna. No se puede usar la sonda de referencia interna en un bloque seco, ya que la sonda de referencia interna se encuentra cerca de la parte inferior del bloque de temperatura, mientras que la sonda corta que se quiere calibrar está en la parte más superior del inserto. Los bloques secos controlan normalmente el gradiente térmico sobre un rango limitado en la parte inferior del inserto. La parte superior del inserto tiene normalmente un gradiente térmico más amplio, de modo que a esa altura no hay la misma temperatura que en su parte inferior. El valor del gradiente depende de la diferencia de temperatura existente entre el inserto y el ambiente, además de la profundidad a la que introduce la sonda en el inserto.

La sonda de referencia interna se encuentra en la parte inferior del bloque de temperatura, mientras que la sonda sanitaria corta se encuentra en la parte superior del inserto. Hay un gradiente de temperatura en el inserto que hace que su parte superior tenga una temperatura diferente a la de su parte inferior. Esto provoca un error en la calibración:

Usar una sonda de referencia corta especial

Dado que la sonda de referencia interna se encuentra en la parte inferior del bloque seco y no es adecuada, necesitamos usar una sonda de referencia externa especial. Esta sonda de referencia no puede ser una sonda de referencia estándar larga, tal como hemos comentado anteriormente.

Por tanto, la solución está en utilizar una sonda de referencia especial que sea lo suficientemente corta para poder introducirla a la misma profundidad que la sonda sanitaria que deseamos calibrar. En condiciones óptimas, la parte central de los elementos sensores de las sondas deberían estar alineados a la misma profundidad.

Asimismo, el sensor de referencia necesita tener un cable fino y flexible para que pueda colocarse bajo la brida de la sonda sanitaria. Para lograrlo, podemos hacer una ranura en la parte superior del inserto para colocar el cable de la sonda referencia y que permita que la brida de la sonda sanitaria toque la parte superior del inserto.

Naturalmente, la estructura del bloque seco de temperatura debe ser tal que la sonda sanitaria con brida se ajuste en su lugar y toque el extremo de la parte superior del inserto (en algunos bloques secos, su entorno evita que la brida alcance la suficiente profundidad para hacer contacto con la parte superior del inserto).

Asimismo, debemos colocar una sonda de referencia corta especial a la misma profundidad que la sonda sanitaria corta que deseamos calibrar para garantizar que obtenemos la misma temperatura. Además, el cable de la sonda de referencia se encuentra en la ranura, de modo que no impide que la brida de la sonda sanitaria haga contacto con la parte superior del inserto:

Imágenes de ejemplo sobre el aspecto del inserto especial para calibraciones de sondas sanitarias. El orificio para la sonda sanitaria y para la de referencia están a la misma profundidad y hay una ranura para ubicar el cable de la sonda de referencia:

Sonda corta sin brida de conexión ni abrazadera

También existen sondas de temperatura cortas sin la brida y sin el sistema de conexión por abrazadera. Con este tipo de sondas, se puede usar una sonda de referencia externa que se haya introducido a la misma profundidad que la sonda que se desea calibrar. La sonda de referencia debe ser lo más parecido posible a la sonda que queremos calibrar (en diámetro, tiempo de respuesta, etc.).

La sonda de referencia interna del bloque seco no se puede usar en esta ocasión, ya que como hemos dicho anteriormente se encuentra en la parte inferior del bloque de temperatura y recibe diferente temperatura que la sonda corta que se pretende calibrar.

Calibración de sondas cortas (sin brida) mediante una sonda de referencia corta:

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Breve explicación sobre la documentación, trazabilidad metrológica e incertidumbre de calibración

Dado que la documentación se incluye en la definición formal de calibración, se trata de una parte crucial de cada calibración. Obviamente, esto también vale para la calibración de sondas de temperatura sanitarias. Normalmente, se proporciona con un certificado de calibración.

Los equipos de calibración utilizados deben incluir una trazabilidad metrológica válida de conformidad con las normas correspondientes; de lo contrario, la calibración no garantiza la trazabilidad a la hora de calibrar la sonda. Encontraréis más información sobre la trazabilidad metrológica en el siguiente enlace: La trazabilidad metrológica en calibración, ¿son trazables sus calibraciones?

La incertidumbre de calibración es una etapa crucial en cada calibración. Si los equipos de calibración no tienen una buena exactitud, el método y/o el proceso empleados no son lo suficientemente adecuados para calibrar una sonda, no tendrá mucho sentido realizar la calibración. ¿Qué interés tiene usar un calibrador con una exactitud del 2 % para calibrar un equipo cuya exactitud es del 1 %?

Aquí encontraréis más información sobre la incertidumbre de calibración: Incertidumbre de la calibración para no matemáticos

Solución de beamex

El Beamex MC6-T es un sistema de calibración de temperatura automático, portátil y muy versátil. Combina el bloque seco de temperatura con la tecnología del calibrador multifunción de procesos Beamex MC6 y con
la tecnología de comunicador.

El calibrador de temperatura Beamex MC6-T150 está diseñado para adaptarse perfectamente a las aplicaciones de calibración de este tipo de sondas de temperatura sanitarias cortas. El MC6-T150 puede incluir
insertos personalizados para vuestros procesos con sondas específicas.

La sonda de temperatura Beamex SIRT-155 es una sonda de referencia de inmersión reducida de gran exactitud la cual va provista de un cable flexible fino diseñado especialmente para acompañar al MC6-T150 en esta aplicación.

Podréis digitalizar y simplificar todo el proceso de calibración utilizando el MC6-T junto con el software de calibración, CMX o LOGiCAL.

En la primera imagen que se puede ver a continuación, se aprecia el Beamex MC6-T con un inserto especial para calibraciones de sondas sanitarias. La segunda imagen muestra la ubicación de la sonda de referencia corta (SIRT-155) en el inserto. La tercera imagen muestra la inserción de la sonda sanitaria que se va a calibrar. Finalmente, la cuarta imagen muestra cómo se han realizado todas las inserciones y el inicio de la calibración automática:

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Si queréis saber más sobre la calibración de temperatura, encontraréis en la web de Beamex lo siguiente:

• Cómo calibrar los sensores de temperatura
• Sensor de temperatura Pt100 – lo que hay que saber
• Unidades de temperatura y sus conversiones