Introducción
Los termómetros PRT tienen dos tipos de calibraciones:
caracterización y pruebas de tolerancia. El tipo de calibración que se debe realizar viene determinado por el uso que recibirá la unidad bajo prueba (UUT) y por la exactitud que requiera el usuario. La caracterización es el tipo de calibración en la que se determina la resistencia de la unidad bajo prueba (UUT) a varios puntos de temperatura y los datos se ajustan a una expresión matemática. Por su parte, las pruebas de tolerancia son una calibración en la que se compara la resistencia de la UUT respecto a valores definidos a temperaturas específicas. No se realiza ningún tipo de ajuste de los datos. En el laboratorio, se requiere realizar estos dos tipos de calibración en función de las necesidades de nuestros clientes.
Procedimientos de calibración
Caracterización
La caracterización es el método que se utiliza con mayor frecuencia para una calibración de PRT con exactitud de media a alta. Con este método, se determina una nueva relación de resistencia respecto a la temperatura con cada calibración. Por lo general, con este tipo de calibración se proporcionan nuevos coeficientes de calibración y una tabla de calibración. Hay cinco pasos básicos que se describen a continuación:
1. Coloque la sonda de referencia y las UUT en la fuente de temperatura, muy cercanas entre sí.
2. Conecte los cables de conexión a los lectores; asegúrese de que la conexión de 2, 3 ó 4 hilos es correcta.
3. Mida la sonda de referencia y determine la temperatura.
4. Mida y registre la resistencia de las UUT.
5. Ajuste los datos.
Algunos lectores simplifican la técnica combinando o eliminando algunos pasos. En la siguiente explicación, plantearemos una aplicación que requiere la caracterización del PRT respecto a un SPRT.
Paso 1: Colocación de la sonda
Todas las fuentes de temperatura tienen inestabilidades y gradientes que se traducen en errores de calibración e incertidumbres. Para minimizar los
efectos, las sondas deben colocarse tan cerca entre sí como sea posible. En los baños, las sondas que se van a calibrar se deben colocar en un patrón radial con la sonda de referencia en el centro (foco) del círculo. Esto asegura una distancia igual desde la sonda de referencia a cada una de las sondas a calibrar. En fuentes de temperatura de pozo seco, la sonda de referencia y las sondas que se van a calibrar deben colocarse todas a la
misma distancia del centro para obtener resultados óptimos, pero la referencia puede colocarse en el centro, en caso de ser necesario.
Además, los elementos de detección deben estar en el mismo plano horizontal. Si bien los elementos de detección tienen diferentes longitudes, basta con tener las partes inferiores de las sondas al mismo nivel. La inmersión debe ser suficiente para que no ocurran pérdidas en el vástago. En general, la
inmersión es suficiente cuando se sumergen las sondas hasta una profundidad igual a 20 veces el diámetro de la sonda más la longitud del elemento
de detección. Por ejemplo, imagínese una sonda de 3/16 de pulgadas de diámetro con un elemento de detección de 1 pulgada de largo. Usando la regla
práctica, 20 x 3/16 pulg + 1 pulg = 3 3/4 pulg + 1 pulg = 4 3/4 pulg. En este ejemplo, la inmersión mínima es de 4 3/4 pulgadas. Esta regla práctica
por lo general es correcta con construcciones de sonda de pared delgada y en situaciones de buena transferencia térmica. Si la sonda tiene una
construcción de pared gruesa o hay una deficiente transferencia térmica (como en el caso de un pozo seco con orificios de tamaño incorrecto), se requiere una inmersión mayor.
Paso 2: Conexión al lector
Este paso es muy sencillo. Las conexiones deben ser firmes, y en la configuración correcta de 2, 3 ó 4 hilos. Si se está utilizando una configuración de 4 hilos, asegúrese de que las conexiones de corriente y tensión sean correctas. Vea la figura 1.
Paso 3: Medida de la sonda de referencia y determinación de la temperatura
Existen dos maneras de medir la sonda de referencia y determinar la temperatura. Ambas técnicas tienen la misma exactitud potencial. Es decir, si se hacen correctamente, ninguna técnica es por sí más exacta que la otra.
El primer y mejor método se utiliza con lectores sofisticados diseñados para trabajar con temperaturas. Se mide la resistencia y se calcula la temperatura a partir de coeficientes de calibración que se introdujeron anteriormente en el lector. Una vez introducidos estos coeficientes de calibración, los cálculos de temperatura se realizan internamente y el lector presenta sus datos en unidades de temperatura. Los datos de temperaturas están disponibles en tiempo real. Algunos lectores modernos también muestran los datos en formato gráfico, de forma que el usuario puede determinar la estabilidad a simple vista. Ambas características aceleran el proceso y eliminan posibles errores del usuario debido a una interpolación incorrecta de la tabla.
El segundo método se utiliza cuando el lector no permite el cálculo apropiado de la temperatura. (Algunos lectores, particularmente los multímetros digitales (DMM), tienen incorporadas algunas de las conversiones de temperatura más comunes, y no suelen permitir el uso de coeficientes únicos de calibración, por lo que no pueden utilizarse para una calibración exacta de la temperatura.) En este caso, la resistencia se mide y la temperatura se determina a partir de una tabla de calibración o de un programa de ordenador o calculadora. Dado que debe calcularse la temperatura después de medir la resistencia, el proceso es más lento y no proporciona datos inmediatos de temperatura en tiempo real.
Paso 4: Medida de las sondas a calibrar (UUT)
Las UUT son termómetros de resistencia similares a la sonda de referencia, y por lo tanto se miden mediante el mismo procedimiento. Si se someten
varias UUT a calibración, asegúrese de que cuando se conecten o conmuten para activarlas, se permita tiempo suficiente para el autocalentamiento antes de registrar los datos. Además, asegúrese de fijar el lector en el rango correcto para proporcionar la corriente correcta de la fuente e impedir cambios de rango entre las medidas a diferentes temperaturas. Las medidas se suelen realizar a partir de la temperatura más alta de calibración y luego se continúa en sentido descendente. También se aumenta la precisión de la calibración usando un valor medio (promedio) calculado a partir de varias
medidas a la misma temperatura. Con frecuencia, el lector está diseñado con funciones estadísticas que facilitan esta práctica. También es una buena
práctica cerrar el proceso con una medida adicional de la sonda de referencia. La secuencia de medida de las sondas (referencia y UUT) se conoce como esquema de medida. Hay que tener en cuenta muchas variables al diseñar un esquema de medida.
Algunos puntos a considerar son:
•• Exactitud: cuanto mayor sea la exactitud deseada, más deberán tenerse en cuenta los parámetros siguientes.
•• Estabilidad de la fuente de temperatura: cuanto más estable sea la fuente, de más tiempo dispondrá para realizar las medidas antes de que los cambios de temperatura causen errores indeseados.
•• Número de UUT: cuanto mayor sea el número, más tiempo se tardará en realizar un ciclo a través de todas las UUT.
•• Número de lectores: ¿se medirán la sonda de referencia y las UUT con el mismo lector o con diferentes lectores?
•• Tipo de lector: un lector diseñado para la calibración de la temperatura suele tener funciones que permiten flexibilidad en el esquema de medida.
•• Características de la UUT: tiempo de autocalentamiento, requisitos de corriente de la fuente, estabilidad y calidad general son factores que influyen en el proceso de medida.
No podemos anticipar todas las variables ni describir las soluciones más óptimas en este documento.
Paso 5: Ajuste de la curva de calibración del termómetro
El ajuste de datos es sencillo en cuanto a su concepto, pero puede ser complicado en la práctica. Esencialmente se trata de un proceso de resolver un
conjunto de ecuaciones simultáneas que contienen los datos de calibración para llegar a un conjunto de coeficientes únicos del PRT y de la calibración.
Hay varios programas comerciales de software disponibles, redactados específicamente para llevar a cabo esta tarea. Algunos tienen funciones limitadas, y se limitan a resolver las funciones básicas de temperatura. Otros son más flexibles y permiten opciones con respecto al número y ubicación de los puntos de calibración, y proporcionan un análisis con respecto a la precisión del ajuste resultante. Es preferible utilizar este último tipo de programa. Para los metrólogos que prefieran trabajar personalmente con los algoritmos, un buen software de aplicación de matemáticas como Mathcad o Mathematica, o incluso una hoja de cálculo como Excel, resulta extremadamente útil. Hart Scientific ofrece dos programas:
TableWare para calcular coeficientes de calibración y MET/TEMP II para automatizar tareas de calibración y calcular coeficientes de calibración. Por supuesto que pueden redactarse programas en cualquiera de los lenguajes informáticos modernos (con capacidad de punto flotante de doble precisión o incluso mejor) para realizar los cálculos con igual exactitud. Existen varias ecuaciones utilizadas para la caracterización de PRT. Entre las más comunes se encuentran la serie de la escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90), la ecuación de Callendar-Van Dusen y los polinomios de tercero a quinto orden. Evidentemente, dado que existen varios modelos para describir la conducta de un sistema físico, debemos elegir cuál es mejor para nuestra situación.
Conclusión
Los procedimientos de calibración de termómetros de resistencia de platino son similares, independientemente de que el método seleccionado sea
caracterización o pruebas de tolerancia. Para conseguir la mejor exactitud con equipos modernos, elija la caracterización. Para equipos que no
permitan caracterización, las pruebas de tolerancia pueden ser su única opción, y ésta es una situación común en la industria actual. Al realizar
pruebas de tolerancia, es importante utilizar equipos y procedimientos con exactitud suficiente para determinar la tolerancia con confianza.
