Componentes de incertidumbre sobre una calibración de temperatura con un bloque seco

En algunos artículos anteriores, hemos comentado la calibración de temperatura y la incertidumbre de calibración. Esta vez abarcaremos los diferentes componentes de incertidumbre que debemos tener en cuenta a la hora de realizar la calibración de temperatura mediante un bloque seco.

Realizar una calibración de temperatura mediante un bloque seco parece una tarea bastante sencilla y que no requiere elementos complejos; sin embargo, existen muchas posibles fuentes de incertidumbre y de error que deben tenerse en cuenta. A menudo, las mayores incertidumbres pueden estar derivadas del procedimiento que se emplea para la realización de la calibración y no necesariamente de las especificaciones de sus componentes.

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Contenido

• ¿Qué es un “bloque seco”?
• Por tanto, ¿no es un “baño”?
• Directrices de EURAMET
• Componentes de incertidumbre
  
  • ¿Uso de la sonda de temperatura interna o de una sonda de
    referencia externa?
    1. Sonda de temperatura interna
    2. Sonda de referencia externa
    3. Uniformidad axial de la temperatura
    4. Diferencia de temperatura entre orificios
    5. La influencia de la carga
    6. Estabilidad en el tiempo
    7. ¡No hay que tener prisa!
• Resumen
  
  
  

¿Qué es un “bloque seco”?

Empezaremos este artículo definiendo qué es un “bloque seco de temperatura”. 

Un bloque seco de temperatura recibe también el nombre de “pozo seco” o “calibrador de temperatura”. Analizaremos también los componentes de incertidumbre sobre una calibración de temperatura mediante un bloque seco. Se trata de un dispositivo que se puede calentar o enfriar hasta alcanzar diferentes valores de temperatura y, tal como su nombre indica, se utiliza en seco, es decir, sin líquidos.

Un bloque seco normalmente incluye un inserto extraíble que incluye varias perforaciones/orificios para introducir sondas de temperatura.

El bloque seco normalmente incluye su propio mecanismo interno de medición de temperatura, aunque también podemos usar una sonda de temperatura de referencia externa que podemos alojar en uno de los orificios del inserto.

Un bloque seco tiene normalmente insertos intercambiables, de modo que se puede disponer de diferentes diámetros de orificios en cada uno de ellos, para adaptarse a la calibración de sondas de temperatura que tengan diferentes diámetros. Es muy importante que el inserto del bloque seco tenga los orificios lo más ajustados posible al diámetro de las sondas de
temperatura, para lograr de esta forma una resistencia térmica baja entre la sonda y el inserto. Si el orificio es demasiado grande, es decir, la sonda queda dentro del orificio con bastante holgura, se estabilizará lentamente o incluso puede no alcanzar la temperatura del inserto en ningún momento por la deficiente conducción térmica.

Lo habitual es introducir la sonda de temperatura en el bloque seco allí donde se vaya a llevar a cabo la calibración, o bien calibrar un lazo de temperatura cuando la sonda sea el primer componente del lazo.

La principal ventaja de un bloque seco es que es fácil de transportar a campo y que no incluye ningún líquido caliente que pueda derramarse durante su transporte. Además, un bloque seco no contaminará las sondas de temperatura que queremos calibrar.

Los bloques secos casi siempre se utilizan en seco. Tan solo en ocasiones muy concretas se pueden utilizar fluidos o pastas de transferencia de calor. En muchos casos el bloque seco podría dañarse si incluimos líquidos.

El uso de aceite o de pastas puede provocar un posible incendio y daños en nuestra salud si, posteriormente se utiliza a temperaturas más elevadas que la de, por ejemplo, el punto de inflamación de la sustancia extraña. Un bloque seco a 660°C que haya absorbido aceite de silicona en su capa
aislante, puede que luzca limpio por fuera, pero desprenderá gas nocivo cuando lo calentemos.

Los laboratorios de calibración de todo el mundo están probablemente más familiarizados con este aspecto de lo que quisieran…

Una de las desventajas de los bloques secos es que ofrecen unos niveles de exactitud y estabilidad por debajo de los baños líquidos y que la calibración de sondas con formas especiales o muy cortas se realiza con dificultad.

Por tanto, ¿no es un “baño”?

No, es un proceso seco.

También hay baños de temperatura con líquido. El líquido se calienta/enfría y las sondas de temperatura que deseamos calibrar se introducen en el líquido. El líquido también se agita para lograr una distribución homogénea de la temperatura.

También existen algunas combinaciones de bloque seco y baño líquido. Este tipo de dispositivos normalmente incluyen insertos secos e insertos para líquido por separado.

Las principales ventajas de un baño líquido es que hay una mejor homogeneidad de la temperatura y que ofrecen mayor estabilidad e idoneidad para las sondas con formas especiales o cortas.

No obstante, las desventajas del baño líquido es que implica contar con equipos de mayor tamaño y más pesados, trabajar con líquidos calientes, la portabilidad se ve reducida y en la mayoría de los casos implica un proceso más lento que el que ofrecen los bloques secos.

En cualquier caso, en este artículo nos centraremos en los bloques secos de temperatura.

Directrices de EURAMET

Echemos un vistazo a las directrices de Euramet antes de proceder. Y, sí, es información relevante para este tema.

EURAMET es la Organización de Metrología Regional (RMO) de Europa. Desde este organismo se coordina la cooperación entre los institutos de metrología nacionales (NMI) de Europa. Encontraréis más información sobre Euramet aquí: https://www.euramet.org/

Euramet también ha publicado muchas guías informativas para las diversas calibraciones.

Una que me gustaría mencionar aquí es la especialmente dedicada a la calibración de bloques secos de temperatura: Guía de calibración EURAMET n.º 13, versión 4.0 (09/2017), titulada “Guidelines on the Calibration of Temperature Block Calibrators”.

La versión anterior (v. 3.0) se publicó en 2015 y su primera versión se publicó en 2007. Esta guía se denominaba anteriormente EA-10/13, de modo que también podéis usar este nombre en el buscador.

En la guía se define un procedimiento normativo para calibrar bloques secos de temperatura. Muchos fabricantes utilizan esta guía para calibrarlos y para proporcionar las especificaciones de sus bloques secos.

Entre los temas del contenido de la versión más reciente (la v. 4.0), caben destacar los siguientes:

• Alcance
• Capacidad de calibración
• Caracterización
  • Uniformidad axial
  • Diferencia de temperatura entre orificios
  • Efecto de carga
  • Estabilidad en el tiempo
  • Conducción de calor
• Calibración
  • Mediciones
  • Incertidumbres
• Informe de resultados
• Ejemplos

Podéis descargar la guía de Euramet en PDF gratis aquí: Guidelines on the Calibration of Temperature Block Calibrators

Componentes de incertidumbre

Ahora profundicemos en los verdaderos componentes que producen incertidumbres. Al realizar calibraciones de temperatura con un bloque seco, los siguientes aspectos hay que tenerlos en cuenta porque pueden producir incertidumbres o errores en los resultados de las mediciones.

¿Uso de la sonda de temperatura interna o de una sonda de referencia externa?

Principalmente, existen dos maneras de medir la temperatura de un bloque seco. La primera es mediante el uso de un medidor integrado a través de una sonda de temperatura interna en el bloque seco; la segunda, mediante una sonda de referencia externa que se puede ubicar en un orificio del inserto.

Hay diferencias sustanciales entre estas dos formas y ambas tienen un efecto muy distinto sobre la incertidumbre, de modo que comentaremos ambas opciones a continuación.

1. Sonda de temperatura interna

Una sonda de temperatura interna es un mecanismo que se mantiene en el interior de un bloque de metal dentro del bloque seco. Normalmente suele estar ubicada en la parte inferior del bloque metálico alrededor del inserto intercambiable. Por tanto, esta sonda interna no mide directamente la temperatura del inserto allí donde alojamos las sondas que queremos
calibrar, sino que mide la temperatura del bloque adyacente. Dado que siempre hay una cierta resistencia térmica entre el bloque y el inserto, este tipo de medición no suele tener una buena exactitud. Especialmente en situaciones en las que la temperatura cambia, la temperatura del bloque suele cambiar más rápido que la temperatura del inserto. Si realizamos una calibración demasiado rápida sin haber esperado el tiempo suficiente para su estabilización, esto provocará un error importante.

Trabajar con la sonda de temperatura interna es bastante práctico, ya que siempre está preparada dentro del bloque y no es necesario usar ningún orificio especial del inserto para introducirla. Sin embargo, la recalibración de la medición interna es un tanto difícil, ya que tendremos la necesidad de
que todo el bloque seco deba ser recalibrado.

La señal que emite la sonda de medición interna naturalmente se mide a través de un circuito de medición integrado en el bloque seco y el resultado de esa medición es mostrado en la pantalla del bloque. La medición normalmente incluye una especificación sobre la exactitud obtenida. Tal como se ha comentado anteriormente, en la práctica esta especificación tan solo es válida en condiciones estables, y no incluye las incertidumbres que se hayan podido generar si la calibración se realiza demasiado rápida, o si los sensores de las sondas que queremos calibrar no se encuentran en la parte inferior del inserto, o si no se ha empleado un orificio lo suficientemente ajustado.

En la imagen superior se muestran dos pozos secos y se ilustra dónde se ubica normalmente la sonda interna dentro del bloque de temperatura, mientras que la sonda a calibrar se introduce dentro del inserto. Si la sonda a calibrar es lo suficientemente larga para alcanzar la parte inferior del inserto, el orificio es lo suficientemente ajustado a la sonda a calibrar y , esperamos el tiempo suficiente para su estabilización, obtendremos una buena calibración con poco margen de error (pozo seco de la izquierda).

En la misma imagen superior, pero en el pozo seco de la derecha, vemos lo que sucede si la sonda a calibrar es demasiado corta y no alcanza la parte inferior del inserto. En este caso, la sonda interna y la sonda a calibrar están a diferentes alturas, por tanto, las mediciones que se realicen mostrarán temperaturas muy diferentes.

2. Sonda de referencia externa

El método alternativo se efectúa con una sonda de referencia externa. La idea es que se introduzca una sonda de referencia en un orificio adecuado del inserto, al tiempo que se introducen las sondas que queremos calibrar en otros orificios del mismo inserto. Dado que la sonda de referencia externa se introduce dentro del mismo inserto metálico en el que se introducen las sondas que queremos calibrar, la medición de temperatura de todas las sondas tendrá mejor exactitud porque comparten el mismo lugar. Idealmente, la sonda de referencia debería tener unas características térmicas similares a las de las sondas que queremos calibrar (mismo tamaño y misma conductancia térmica). En tal caso, dado que la temperatura del inserto cambia, la sonda de referencia externa y la que queremos calibrar seguirán con una buena exactitud los cambios a la misma temperatura.

Evidentemente, la sonda de referencia externa necesita medirse de alguna forma. A menudo los bloques secos tienen un circuito de medición interno y una conexión para una sonda de referencia externa, o bien permiten usar un dispositivo de medición externo. Para calcular la incertidumbre, debemos tener en cuenta la incertidumbre de la sonda de referencia y la del circuito de medición. Mediante una sonda de referencia externa obtendremos una calibración con mejor exactitud y con una incertidumbre más baja (en comparación con las sondas de temperatura internas). Por tanto, se recomienda encarecidamente el uso de una sonda de referencia si queremos obtener un resultado con una buena exactitud (baja incertidumbre).

Empleando una sonda de referencia externa también ganamos en fiabilidad. En el caso de que las lecturas de la sonda interna y externa difieran mucho entre sí, esto representaría una advertencia que nos indica que probablemente ha sucedido algo extraño y que las mediciones podrían no ser fiables.

En un proceso de recalibración (con sonda de referencia externa) podemos recalibrar únicamente la sonda de referencia y no todo el bloque seco. En tal caso, obviamente no podremos comprobar las funcionalidades del bloque seco (ni ajustarlas, si fuera necesario) como la uniformidad axial de la temperatura , por ejemplo. Si no mandamos a calibrar el bloque seco, debemos asegurarnos de medir y registrar el gradiente axial periódicamente, ya que es normalmente el componente de mayor incertidumbre, incluso cuando se usa la sonda de referencia externa. De lo contrario, un auditor estricto podría cuestionar profundamente la trazabilidad de nuestras mediciones.

Otro asunto es si usamos la entrada para la sonda de referencia externa del bloque seco o un termómetro/calibrador externo para medir la sonda de referencia. Si usamos la entrada del bloque seco para la sonda de referencia, también tendremos que calibrarlo.

En la imagen superior se muestran dos pozos secos y se ilustra dónde se encuentran la sonda de referencia externa y la sonda a calibrar (DUT) dentro del inserto. El pozo seco de la izquierda permite ver cómo ambas sondas tocan la parte inferior del inserto. El pozo seco de la derecha sin embargo, es un ejemplo donde el DUT es corto y la sonda de referencia se ha colocado correctamente a la misma profundidad que el DUT.

Si la sonda se hubiera colocado a una altura diferente, se generaría un error adicional, pero seguiría siendo típicamente un error inferior al que obtendríamos con la sonda interna.

3. Uniformidad axial de la temperatura

La uniformidad axial hace referencia a la variación de la temperatura en toda la longitud vertical del orificio dentro del inserto. Por ejemplo, la temperatura puede ser ligeramente diferente en la parte más inferior del orificio del inserto, en comparación con la misma a un nivel superior dentro del mismo orificio. Normalmente, la temperatura será distinta cuando se tome en la parte superior del inserto, ya que hay una fuga hacia el ambiente si la temperatura del bloque es muy distinta a la temperatura ambiente. Algunas sondas de temperatura disponen del elemento real de medida (sensor) corto, mientras que otras lo tienen más largo. Asimismo, algunos fabricantes de sondas incluyen el elemento sensor más cerca del extremo que otros. Para asegurarnos de que los diferentes sensores estén a la misma temperatura, la zona uniforme en la parte inferior del inserto del bloque debe ser suficientemente larga. Normalmente, la zona especificada es de 40 a 60 mm. Un bloque seco debe disponer de una zona suficientemente amplia en la parte inferior del inserto en la que se especifique la uniformidad u homogeneidad de temperatura.

Para realizar una calibración del bloque, podemos emplear dos sondas de referencia de gran exactitud a diferentes alturas, o bien, una sonda con un elemento sensor corto que gradualmente vayamos elevándolo de abajo hacia arriba. Este tipo de elemento sensor corto debe ser estable, pero no debe estar necesariamente calibrado porque se utiliza simplemente para medir la diferencia de temperaturas a diferentes alturas. Si es necesario, el gradiente de temperatura axial se puede ajustar. Si tenemos una sonda de temperatura corta (por ej. de tipo sanitario) que no alcanza el fondo del orificio del inserto, es entonces cuando quizá nos enfrentemos a ciertas complicaciones. En tal caso, la medida de la sonda interna del bloque seco no se puede usar realmente, ya que normalmente se encuentra en la parte inferior del bloque. Debe emplearse una sonda de referencia externa cuyo elemento sensor quede a la misma altura que el elemento sensor de la sonda corta que queremos calibrar. Esto quiere decir que, en esos casos, debemos usar una sonda de referencia de inmersión reducida especial para introducirla a la misma profundidad que el sensor de la sonda corta que queremos calibrar. Podría ser todavía más complicado si la sonda corta que queremos calibrar tiene un reborde largo, ya que absorbería la
temperatura de la sonda.

Resumen – Durante la calibración, debemos asegurarnos que el sensor de la sonda de referencia se introduce a la misma profundidad que el sensor o sensores de la sonda o sondas que queremos calibrar. Si conocemos la longitud y la ubicación de los elementos sensores, debemos intentar alinear los centros de forma horizontal. En caso de no poder hacerlo, debemos estimar el error que esto puede generar. Siempre que sea posible, debemos emplear una sonda de referencia externa en el caso de que los requisitos de exactitud de la calibración sean más elevados, o si la sonda que queremos calibrar no es lo suficientemente larga como para emplear la sonda interna.

Las imágenes anteriores muestran lo que significa la “uniformidad axial de la temperatura”. En condiciones normales, un bloque seco dispone de una zona especificada en la parte inferior que tiene una temperatura uniforme. No obstante, a medida que vamos subiendo la posición de las sondas, dejarán de tener la misma temperatura.

4. Diferencia de temperatura entre orificios

Tal como indica el título de este apartado, la diferencia de temperatura entre los orificios, a menudo denominada “uniformidad radial”, es la diferencia de temperatura entre cada orificio del inserto. Aunque el inserto es una pieza de compuestos metálicos y goza de una buena conductividad térmica, es posible que haya una pequeña diferencia entre los orificios (especialmente entre los opuestos).

En la práctica, si hemos introducido dos sondas en diferentes orificios del inserto, podría haber una pequeña diferencia de temperatura entre ambas. La diferencia puede deberse a que el inserto tiene un mayor contacto con una sonda que por la otra, o que el inserto podemos haberlo cargado de forma inadecuada (hay más sondas en un lado o bien las sondas más gruesas no están bien distribuidas por los diferentes orificios). Por supuesto, las resistencias de calentamiento y los elementos Peltier, que se encuentran en lados diferentes, también tienen sus tolerancias. La diferencia de temperatura entre los orificios es, en la práctica, relativamente mínima.

Resumen – Debemos tener en cuenta la especificación de la diferencia de temperatura entre orificios.

5. La influencia de la carga

A través de las sondas, el calor siempre se conduce hacia el entorno (la denominada “conducción térmica “) si la temperatura del bloque es diferente a la temperatura ambiente. Si hemos introducido varias sondas en el inserto, habrá más “fugas” de temperatura hacia el ambiente. Asimismo, cuanto más gruesas sean las sondas, más fuga de temperatura habrá.

Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el inserto y la temperatura ambiente, mayor será la fuga. Por ejemplo, si tenemos el bloque seco a una temperatura alta, la fuga de temperatura hará que el inserto se enfríe debido a la carga. La parte superior del inserto perderá más temperatura que la inferior, haciendo que la cercana a la superficie esté más fría.

Cuanto mayor sea la profundidad del inserto menor será el efecto de carga. Algunos bloques secos tienen dos o más zonas de calentamiento/enfriamiento: una, en su parte inferior; otra, en el centro y, otra, en la parte superior del bloque. Esto ayuda a compensar el efecto de carga (es decir, la parte superior del bloque se puede calentar más para compensar el enfriamiento del extremo del inserto).

Si empleamos como referencia la medida obtenida de la sonda interna del bloque seco, normalmente obtendremos más margen de error dado que esta no se encuentra dentro del inserto, sino en la parte inferior del bloque adyacente. Por tanto, la medida obtenida por la sonda interna que hemos tomado como referencia no tiene presente este efecto de carga.

Sin embargo, una sonda de referencia externa puede tener más en cuenta este efecto de carga, ya que se encuentra dentro del inserto y también experimentará el mismo cambio de temperatura. El error que produce el efecto de carga será mucho más pequeño al usar sondas de referencia externas (en comparación con las internas) y, por tanto, obtendremos
mejores resultados.

Resumen – Comprobar el efecto de carga del bloque seco en nuestra aplicación (número y tipo de sondas usadas) y tenerlo en cuenta como un componente de incertidumbre.

La imagen superior muestra dos pozos secos en los que se ilustra la conducción térmica provocada por la fuga de temperatura de las sondas hacia el ambiente. En el pozo seco de la derecha, vemos que hay varias sondas en el mismo lado, de modo que habrá mayor fuga de temperatura o conducción térmica.

6. Estabilidad en el tiempo

La estabilidad en el tiempo describe el proceso mediante el cual la temperatura se mantiene estable durante un período de tiempo largo. La temperatura debe permanecer estable durante un cierto tiempo, ya que las diferentes sondas pueden tener características térmicas distintas y puede que necesiten su correspondiente tiempo para estabilizarse. Si la temperatura no deja de subir o bajar, es posible que las sondas lean diferentes temperaturas.

En el caso de que haya una cierta fluctuación en la temperatura, podemos ayudarnos de una sonda de referencia externa para obtener resultados más exactos, en comparación con los resultados que ofrece una sonda de temperatura interna.

A menudo los fabricantes de bloques secos proporcionan especificaciones sobre una determinada estabilidad, por ejemplo, por un periodo de 30 minutos.

7. ¡No hay que tener prisa!

Debemos tener en cuenta el hecho de que una sonda de temperatura siempre medirá su propia temperatura. Por tanto, no mide la temperatura allí donde está ubicada, sino su propia temperatura. Además, la temperatura cambia lentamente y pasa un tiempo hasta que todas las piezas de un sistema se han estabilizado hasta alcanzar la misma temperatura, es decir, el
punto en el que un sistema alcanza su equilibrio.

Realizar una calibración de temperatura en un bloque seco con demasiada prisa representa la mayor fuente de incertidumbre. Por tanto, debemos conocer el sistema y las sondas que queremos calibrar, haciendo pruebas para ver cuánto tiempo necesitan para estabilizarse. En el caso de
emplear la sonda interna, en concreto, el sensor de esta sonda alcanzará la temperatura establecida mucho más rápidamente que los sensores de las sondas que queremos calibrar y que hemos introducido en el inserto. Esto sucede porque la sonda interna está dentro del bloque que estamos calentando/enfriando, mientras que los sondas que queremos calibrar se
encuentran en el inserto. Tomar medidas de manera acelerada nos generará un enorme margen de error.

En el caso de emplear concretamente la sonda interna, la estabilización dependerá de lo diferente que sea esta sonda en comparación con las que queremos calibrar. Si tienen un diámetro diferente, muy probablemente necesitarán un tiempo de estabilización diferente. En cualquier caso, el uso de sondas de referencia externas nos permite obtener una mayor exactitud que con las internas, en el caso de que no podamos esperar demasiado tiempo para su estabilización.

Es bastante habitual encontrar en los bloques secos un indicador de estabilidad, pero en la mayoría de los casos ese elemento mide la estabilidad de temperatura proporcionada por la sonda interna, de modo que no podemos confiar tan solo en dicho elemento.

Resumen – En pocas palabras, si realizamos una calibración con demasiada prisa, los resultados serán pésimos.

La imagen anterior muestra un ejemplo (exagerado) en el que el punto de consigna de temperatura estaba inicialmente en 10°C y, pasados 5 minutos, cambió a 150°C (la línea azul representa el punto de consigna).

Se muestran las respuestas de las dos sondas en el bloque seco: una es la sonda de referencia y la otra la sonda a calibrar.

En la imagen podemos ver que la Sonda 1 (línea roja) cambia mucho más rápido y alcanza la temperatura final en unos 11 minutos.

La Sonda 2 (línea verde) cambia mucho más lentamente y alcanza la temperatura final en unos 18 minutos.

La Sonda 1 es nuestra referencia, mientras que la Sonda 2 es la que queremos calibrar. Aquí vemos que, si tomamos la lectura de las temperaturas demasiado pronto (tras haber transcurrido 10 minutos), obtendremos unos resultados con un importante margen de error (unos 85 °C). Incluso aunque esperemos unos 15 minutos, seguiremos obteniendo
una diferencia de unos 20°C. Por lo tanto, antes de tomar las lecturas, debemos asegurarnos siempre que esperamos el tiempo necesario para garantizar que todas las sondas se hayan estabilizado hasta alcanzar la nueva temperatura.

Resumen

Realizar una calibración de sondas de temperatura con un bloque seco parece una tarea bastante sencilla y que no requiere elementos complejos; sin embargo, existen muchas posibles fuentes de incertidumbre y de error que deben tenerse en cuenta. A menudo las mayores incertidumbres pueden venir derivadas del procedimiento que se aplica para la realización de la calibración y no necesariamente de las especificaciones de sus componentes.

Por ejemplo, podemos tener un bloque seco de gran exactitud que tiene una incertidumbre total combinada de 0,05°C y una sonda de referencia de alta calidad con una incertidumbre de 0,02°C. En cualquier caso, calibrar una sonda de temperatura con estos dispositivos puede desencadenar una incertidumbre de varios grados, si no lo hacemos adecuadamente. Este es uno de los motivos por los que no me gusta hablar sobre la TAR (relación de exactitud de la prueba), ya que no tiene en cuenta todas las incertidumbres que provoca el procedimiento de calibración.

Espero que hayáis tomado en cuenta los aspectos de los que hemos hablado en este artículo y que os puedan ayudar a conocer las posibles fuentes de incertidumbre y cómo minimizarlas.

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Productos que ofrece Beamex

Beamex ofrece varios productos de calibración de temperatura, incluidas dos series diferentes de bloques secos. Podéis comprobar nuestro catálogo en el siguiente enlace: Productos de calibración de temperatura Beamex 

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Publicación original: Uncertainty components of a temperature calibration using a dry block

Publicado en: agosto 2018