La medición de temperatura es una de las medidas más comunes en la industria de procesos.
En la medida de temperatura, cada lazo tiene un sensor de temperatura como primer componente. Por lo que todo comienza con un sensor de temperatura. Dicho sensor desempeña un papel esencial en la exactitud de cada uno de los lazos. El sensor de temperatura también necesita ser calibrado regularmente como cualquier otro instrumento de medida con el que se pretenda obtener una cierta exactitud.
¿Para qué medir la temperatura, si no importa la exactitud?
En este artículo, explicaremos cómo calibrar los sensores de temperatura y cuáles son los aspectos más comunes que se deben tener en cuenta a la hora de calibrarlos.
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¿Qué es un sensor de temperatura?
Empecemos por lo más básico... Debatiendo sobre qué es un sensor de temperatura:
Como su nombre indica, un sensor de temperatura es un dispositivo/instrumento que se utiliza para medir la temperatura. Responde con una señal de salida proporcional a la temperatura aplicada. Cuando la temperatura del sensor cambia, sucesivamente, la señal de salida también cambia.
Hay varios tipos de sensores de temperatura que tienen diferentes señales de salida. Algunos tienen una señal de salida de resistencia, otros de voltaje o digital, hay diferentes tipos.
En la práctica, en aplicaciones industriales, normalmente la señal de salida del sensor de temperatura se conecta a la entrada de un transmisor de temperatura que convertirá la señal a un formato que resulta más fácil de transferir en distancias más largas, al sistema de control (DCS, SCADA). La estandarización de la señal 4 a 20 mA se ha utilizado durante décadas como una señal de corriente que puede transferir a distancias más largas y dicha corriente no cambia, aunque haya alguna resistencia a lo largo de los cables. Hoy en día, se están adoptando transmisores con señales digitales e incluso
inalámbricas.
De todos modos, para medir la temperatura, el elemento de medición que se utiliza es el sensor de temperatura.
Medición de la salida del sensor de temperatura
La mayoría de los sensores de temperatura tienen una salida eléctrica, y de alguna manera, como es lógico, se tiene que medir. Dicho esto, es necesario disponer de un dispositivo de medición para medir la salida, la resistencia o, por ejemplo, el voltaje.
En ocasiones, el dispositivo con el que se mide muestra una cantidad eléctrica (resistencia, voltaje), no la temperatura. Así que es imprescindible saber cómo convertir esa señal eléctrica en un valor de temperatura.
La mayoría de los sensores de temperatura se basan en normas internacionales en las que se especifican cómo calcular la conversión eléctrica/temperatura, usando una tabla o una fórmula. Si se dispone de un sensor no estandarizado es posible que se necesite información al respecto del fabricante del sensor.
Así pues, existen dispositivos de medición que pueden mostrar la señal del sensor de temperatura directamente como temperatura. Estos dispositivos también miden la señal eléctrica (resistencia, voltaje) y tienen las tablas de sensores (o polinomios/fórmulas) programadas en el interior, por lo que convierten la señal del sensor automáticamente en temperatura. Por ejemplo, los calibradores de temperatura suelen ser compatibles con los sensores más comunes: los RTD (detector de temperatura resistivo) y los termopares (T/C) utilizados en la industria de procesos.
Entonces, ¿cómo calibrar los sensores de temperatura?
Antes de entrar en los diversos aspectos a tener en cuenta a la hora de calibrar un sensor de temperatura, vamos a echar un vistazo al principio general.
En primer lugar, ya que este sensor mide la temperatura, se necesitará tener una temperatura conocida que se pueda aplicar al sensor para poderlo calibrar. Resulta imposible simular la temperatura, por lo que se debe crear una temperatura real usando una fuente de temperatura.
Se puede generar una temperatura con gran exactitud o es posible utilizar un sensor de temperatura de referencia calibrado para medir la temperatura generada. Por ejemplo, insertando el sensor de referencia y el sensor a calibrar en un líquido (preferiblemente agitado) es posible realizar la calibración en ese punto de temperatura. Indistintamente, se puede utilizar una fuente de temperatura llamada de «bloque seco».
Como ejemplo diremos también, que con un baño de hielo agitado es posible obtener el punto de calibración de 0 °C (32 °F) con gran exactitud.
Para la calibración industrial y profesional normalmente se utilizan los baños de temperatura o bloques secos. Estos pueden ser programados para calentar o enfriar la temperatura en un punto determinado.
En algunas aplicaciones industriales, es bastante común reemplazar los sensores de temperatura en intervalos regulares para evitar calibrarlos frecuentemente.
Cómo calibrar los sensores de temperatura – Aspectos a tener en cuenta
Vamos a empezar a indagar en la calibración real de los sensores de temperatura y los diferentes aspectos a tener en cuenta…
1 - Tratamiento del sensor de temperatura
Existen diversos sensores que poseen diferentes estructuras mecánicas y diferente robustez mecánica.
Los sensores SPRT con mayor grado de exactitud (termómetro de resistencia de platino de referencia), utilizados como sensores de referencia en laboratorios de temperatura, son muy frágiles. Nuestro responsable del laboratorio de calibración de temperatura, constata que, si un sensor SPRT toca algo y se puede oír algún sonido, el sensor debe comprobarse antes de volver a emplearlo.
Afortunadamente, la mayoría de los sensores de temperatura industriales son robustos y resistentes a un manejo normal. Hay algunos sensores industriales que son muy robustos por lo que pueden soportar un manejo bastante duro. Pero si no se está seguro de la estructura mecánica del sensor que se pretende calibrar, es mejor prevenir que curar.
Utilizar un sensor como si fuera un SPRT es una apuesta
segura.
Además de los choques mecánicos, un cambio rápido de temperatura puede provocar un golpe en el sensor y dañarlo o desestabilizar su exactitud.
Los termopares no suelen ser tan sensibles como las sondas o sensores RTD.
2 - Preparativos
Normalmente no hay muchos preparativos, pero hay algunos detalles a tener en cuenta. En primer lugar, se realiza una revisión o inspección visual para comprobar que el sensor y los cables están bien y asegurar que el sensor no esté torcido o dañado.
La contaminación externa puede suponer un problema, por lo que no está demás saber dónde se ha usado el sensor y qué tipo de medio se ha utilizado para medir. Es posible que se necesite limpiar el sensor antes de realizar la calibración, especialmente si se tiene planificado emplear un baño líquido para llevar a cabo la calibración.
Para asegurarse de que el sensor no está dañado, es recomendable medir la resistencia de aislamiento entre el sensor y el chasis. Un aislamiento bajo es síntoma de que el sensor está dañado y que puede causar errores en las mediciones.
3 - Fuente de temperatura
Como ya se ha mencionado, es preciso disponer de una fuente de temperatura para calibrar un sensor de temperatura ya que no es posible simular dicha variable.
Para fines industriales, es más común el uso del bloque seco de temperatura. Es práctico y portátil y suele tener una buena exactitud.
Para necesidades de mayor exactitud, se puede utilizar un baño líquido. En cierto modo, no es tan fácil de transportar, pero se puede utilizar dentro de un laboratorio.
A menudo, para llegar a los cero grados centígrados se usa un baño de hielo agitado. Es bastante simple, asequible y ofrece una buena exactitud para el punto cero.
Para obtener temperaturas con un alto grado de exactitud se están utilizando celdas de puntos fijos. Son muy exactas, pero también muy caras. Estas se utilizan principalmente en laboratorios de calibración de temperatura de gran exactitud (y acreditados).
4 - Sensor de temperatura de referencia
La temperatura se genera con algunas de las fuentes de calor mencionadas anteriormente. Obviamente, es necesario conocer, con un alto grado de exactitud, la temperatura de la fuente de calor. Los bloques secos y los baños líquidos disponen de un sensor de referencia interno que mide la temperatura. Sin embargo, para obtener resultados con mayor grado de exactitud, debería utilizarse un sensor de temperatura de referencia de gran exactitud separadamente que se inserta y se somete a la misma temperatura que el sensor o sensores a calibrar. Este tipo de sensor de referencia medirá con mayor exactitud la temperatura que el sensor a calibrar está midiendo.
Naturalmente, el sensor de referencia debe tener una calibración trazable válida. Es más fácil mandar un sensor de referencia a calibrar que enviar toda la fuente de temperatura (también es aconsejable tener en cuenta el gradiente de temperatura del bloque de temperatura si solo tiene el sensor de referencia calibrado y no el bloque).
En cuanto a las características termodinámicas, el sensor de referencia debe ser lo más parecido posible al sensor a calibrar para garantizar que se comportan de la misma manera durante los cambios de temperatura.
Ambos, sensor de referencia y sensor a calibrar, deben sumergirse a la misma profundidad en la fuente de temperatura. Normalmente, todos los sensores están sumergidos en el fondo de un bloque seco. Con sensores muy pequeños, resulta más difícil, ya que la profundidad de inmersión está limitada en la fuente de temperatura, del mismo modo, se debe asegurar que el sensor de referencia está inmerso a la misma profundidad. En algunos casos, esto requiere emplear un sensor de referencia pequeño específico.
Si se utilizan celdas de punto fijo, no se necesitará ningún sensor de referencia ya que la temperatura se basa en fenómenos físicos y, por su naturaleza, son muy exactas.
5 - Medición de la señal de salida del sensor de temperatura
La mayoría de los sensores de temperatura tienen una salida eléctrica (resistencia o voltaje) que necesita ser medida y convertida a temperatura. Por ello, es necesario tener algún dispositivo a utilizar en la medición. Algunas fuentes de temperatura también disponen de canales de medición para los sensores, tanto para el dispositivo bajo prueba o sensor a calibrar (DUT) como para el sensor de referencia.
Si se mide la salida eléctrica es necesario convertirla en temperatura empleando los estándares o normas internacionales. En la mayoría de los casos industriales, se utiliza un dispositivo de medición que puede hacer la conversión directamente permitiendo ver la señal convenientemente en la unidad de temperatura (Centígrado o Fahrenheit).
Cualquiera que sea el dispositivo que se utilice para la medición, hay que asegurarse de conocer la exactitud, la incertidumbre del dispositivo y que dispone de una calibración trazable válida.
6 - Profundidad de inmersión
La profundidad de inmersión (a qué profundidad se inserta el sensor en la fuente de temperatura) es una consideración importante a la hora de calibrar los sensores de temperatura. Nuestro personal del laboratorio de calibración de temperatura estableció esta regla de oro cuando se utiliza un baño líquido con agitador.
- Exactitud de 1% – sumergir la medida de 5 diámetros de la sonda + longitud del elemento sensor
- Exactitud de 0,01% – sumergir la medida de 10 diámetros de la sonda + longitud del elemento sensor
- Exactitud de 0,0001% – sumergir la medida de 15 diámetros de la sonda + longitud del elemento sensor
La conducción de calor en un baño líquido agitado es mejor que en un bloque seco y la profundidad de inmersión requerida es menor.
Para los bloques secos, hay una recomendación de Euramet en la que se expone que se debe sumergir la medida de 15 veces el diámetro de la sonda más la longitud del elemento sensor. Por lo tanto, si se dispone de una sonda de 6 mm de diámetro, que tiene un sensor interno de 40 mm, hay que sumergirlo (6 mm x 15 + 40 mm) 130 mm.
A veces es difícil conocer las dimensiones del sensor interno, no obstante, debe quedar reflejado en las especificaciones del sensor.
Además, se debe conocer dónde se encuentra el elemento sensor (no siempre está en el extremo del mismo).
El sensor a calibrar y el sensor de referencia deben sumergirse a la misma profundidad para que los puntos medios de los elementos sensores estén a la misma profundidad.
Como es lógico, no es posible sumergir profundamente sensores muy cortos. Esta es una de las razones del porqué existe una gran incertidumbre a la hora de calibrar sensores cortos.
7 - Estabilización
¡Hay que recordar que un sensor de temperatura siempre mide su propia temperatura!
La temperatura cambia muy lentamente y siempre se debe esperar lo suficiente para que todas las partes se estabilicen a la temperatura deseada. Cuando se inserta el sensor en una fuente de temperatura, siempre se necesita un tiempo antes de que la temperatura del sensor haya alcanzado dicha temperatura y se haya estabilizado.
El sensor de referencia y el sensor a calibrar (DUT) pueden tener características termodinámicas muy diferentes, especialmente si son mecánicamente diferentes.
En ocasiones, una de las mayores incertidumbres relacionadas con la calibración de temperatura se puede dar cuando la calibración se hace demasiado rápida.
Si habitualmente se calibran tipos de sensores similares, es aconsejable hacer algunas pruebas previas para conocer el comportamiento de dichos sensores.
8 - Junta de transición/mango de la sonda de temperatura
Normalmente, la parte del mango o junta de transición, tiene un límite de temperatura determinado. Si se calienta demasiado, la sonda se puede dañar. Hay que asegurarse de conocer las especificaciones de las sondas a calibrar. Si se calibra a altas temperaturas, se recomienda utilizar un escudo de temperatura para proteger el mango de la sonda.
9 - Rango de temperatura calibrado
Los sensores de temperatura, no se suelen calibrar todo el rango de medida de temperatura del sensor.
A la hora de calibrar, se debe tener especial cuidado con los valores más altos del rango. Por ejemplo, un sensor RTD puede variar constantemente si se calibra a una temperatura demasiado alta.
Del mismo modo, los puntos más fríos del rango de temperatura del sensor, en la calibración, pueden ser difíciles de conseguir y/o caros.
Por lo tanto, se recomienda calibrar el sensor de temperatura en el rango en el que se va a utilizar.
10 - Puntos de calibración
En la calibración industrial, es necesario seleccionar suficientes puntos de calibración para averiguar si el sensor es lineal. Normalmente, es suficiente con 3 - 5 puntos en todo el rango.
Dependiendo del tipo de sensor o si no se tiene claro si el sensor es lineal, puede que se necesite establecer más puntos de calibración.
Si se pretende calibrar sensores de platino calculando coeficientes basados en los resultados de la calibración, se necesitará calibrar en puntos de temperatura adecuados para poder calcular dichos coeficientes. Los coeficientes más comunes para los sensores de platino son los coeficientes ITS-90 y Callendar van Dusen. Para termistores, se pueden utilizar los coeficientes Steinhart-Hart.
Cuando los sensores se calibran en un laboratorio acreditado, los puntos también pueden seleccionarse en función de la incertidumbre más pequeña del laboratorio.
11 - Ajuste / compensación de un sensor de temperatura
Desafortunadamente, la mayoría de los sensores de temperatura no se pueden ajustar o compensar. Así que, si se encuentra un error en la calibración, no se puede ajustar. En su lugar, es posible utilizar coeficientes para corregir la lectura del sensor.
En algunos casos, es posible compensar el error del sensor en otras partes del lazo de medición de temperatura (en el transmisor o en el DCS).
Otros aspectos a tener en cuenta
Documentación
Como en cualquier proceso de calibración, la calibración del sensor de temperatura se debe fundamentar en un certificado de calibración.
Trazabilidad
En la calibración, el patrón de referencia que se utilice debe tener una trazabilidad válida a las normas nacionales, o equivalente. La trazabilidad debe ser una cadena ininterrumpida de calibraciones las cuales deben reflejar las distintas incertidumbres.
Para más información sobre trazabilidad metrológica, recomendamos la publicación de nuestro blog: La trazabilidad metrológica en calibración. ¿son trazables sus calibraciones?
Incertidumbre
Como siempre cuando se realiza una calibración, y lo mismo ocurre con la calibración de un sensor de temperatura, hay que conocer la incertidumbre total del proceso de calibración. En la calibración de temperatura, el proceso de calibración (la forma en la que llevamos a cabo la calibración) puede, fácilmente, ser el componente de incertidumbre más grande de la incertidumbre total.
Para más información sobre la incertidumbre de calibración, recomendamos la publicación de nuestro blog: Incertidumbre de la calibración para no matemáticos
Automatización de la calibración
La calibración de temperatura siempre es una operación bastante lenta ya que la temperatura cambia lentamente y es necesario esperar a su estabilización. Es posible ganar tiempo, si se logra automatizar las calibraciones de temperatura. La calibración todavía requerirá tiempo, pero si está automatizada, no será necesaria la presencia permanente in situ a la espera de la estabilización de los puntos de calibración ni tampoco para la toma de datos.
Esto, naturalmente, ahorra tiempo y dinero.
Además, cuando se automatiza, se gana en fiabilidad de los datos y en seguridad de que la calibración se hace siempre de la misma manera.
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Queremos dar las gracias a todo el personal de nuestro laboratorio de calibración de temperatura acreditado por su ayuda en la elaboración de este artículo. Y por supuesto, ¡un agradecimiento especial al Sr. Toni Alatalo, jefe de nuestro laboratorio de temperatura acreditado!
Original post: How to calibrate temperature sensors
Published on: August 2019
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