Calibración de termómetros: sondas de temperatura, RTD y termopares

Qué comprueba la calibración de un termómetro

Un termómetro de contacto solo puede indicar la temperatura de su propio sensor. La calibración establece la relación entre la temperatura del sensor y lo que muestra el termómetro, así que casi todo el método consiste en asegurarse de que el sensor está realmente a la temperatura que crees (DKD-R 5-1, apartado 2). Un termómetro infrarrojo sin contacto lee radiación térmica y se calibra con una fuente de cuerpo negro.

Hay dos métodos. En el método de comparación, el termómetro y un termómetro de referencia calibrado se colocan juntos en un baño, un bloque seco o un horno, y se comparan sus lecturas. En el método de puntos fijos, el termómetro se introduce en una celda que realiza una temperatura definitoria de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90). Para los termómetros de trabajo, el método práctico es la comparación, porque cubre cualquier temperatura que alcancen el baño o el bloque.

DKD-R 5-1 calibra al menos a dos temperaturas (apartado 5), y los puntos deben abarcar el intervalo en el que se usa el termómetro. Un resultado de calibración solo es válido entre la temperatura más baja y la más alta calibradas.

• Calibración de termómetros infrarrojos

Sensor, indicador o el sistema completo

Muchos termómetros tienen dos partes: una sonda, como un termómetro de resistencia Pt100 (RTD) o un termopar, y un indicador o un transmisor que convierte su señal en una temperatura. Puedes calibrarlos juntos como un solo sistema o calibrar cada parte por separado.

Calibrar el sistema en un baño da el error de la lectura que realmente usas, pero el resultado pertenece a esa sonda con ese indicador. Si cambias cualquiera de las dos partes, la calibración deja de aplicarse. Calibrar la sonda sola da su resistencia o su tensión a cada temperatura, y el indicador se calibra después eléctricamente en todo su intervalo. La guía de EURAMET sobre termopares pide que el certificado identifique cada elemento que forma parte del sistema medido, incluidos los cables de extensión y los indicadores digitales (cg-8, 14.2).

Con un termopar, el indicador también hace la compensación de la unión fría, que añade un error propio. Las tablas de referencia de los termopares suponen que la unión de referencia está a 0 °C. Cuando está a otra temperatura, a la tensión medida se le suma la tensión que corresponde a esa temperatura, no la temperatura misma (cg-8, 4.1 y 4.6).

Clases de tolerancia: IEC 60751, IEC 60584 y ASTM E2877

IEC 60751:2022 es la norma para termómetros y sensores industriales de resistencia de platino. Define la curva de resistencia, con un coeficiente de temperatura de 0,003851 por °C, y clases de tolerancia que crecen con la temperatura t. Una Pt100 tiene una resistencia de 100 Ω a 0 °C. Cada clase solo se aplica en un intervalo de validez, que es más estrecho para los sensores de película que para los bobinados.

• |t| es la temperatura en °C sin signo. Una Pt100 de clase B puede desviarse ±0,3 °C a 0 °C y ±0,8 °C a 100 °C.
• OIML R 84:2003 da las mismas fórmulas para las clases AA, A, B y C, con los intervalos de validez de entonces, y añade una clase D. Se descarga gratis de la OIML.
• IEC 60584-1:2013 fija las curvas de referencia de los tipos de termopar designados por letra (R, S, B, J, T, E, K, N, C y A) y sus tolerancias. Las tolerancias se aplican a termopares nuevos fabricados con hilo de normalmente 0,13 mm a 3,2 mm de diámetro, tal como se entregan, y no tienen en cuenta la deriva en uso.
• ASTM E2877-12(2019) es una guía para termómetros digitales de contacto. Introduce nueve clases de exactitud para el sensor y el instrumento en conjunto, de −200 °C a 500 °C o en la parte de ese intervalo que cubre el termómetro.

Baños, bloques secos y el termómetro de referencia

El termómetro de referencia necesita un certificado de calibración vigente, trazable a patrones nacionales, con una incertidumbre lo bastante pequeña para la tolerancia que compruebas. DKD-R 5-1 recomienda recalibrar los termómetros de referencia industriales de platino como máximo cada 1 a 2 años, según su historial (apartado 9, tabla 1).

En un baño líquido agitado, los sensores están dentro del líquido. Su perfil de temperatura en el volumen de trabajo debe comprobarse con dos o más termómetros antes de usarlo para calibrar (EURAMET cg-8, 7.2). La guía de termopares separa los sensores unos 1 cm entre sí y los mantiene apartados del fondo y de las paredes (7.4).

Un calibrador de bloque seco calienta un bloque metálico con taladros para las sondas. Es portátil y limpio, pero el calor fluye a lo largo de las sondas, y EURAMET considera esa conducción de calor normalmente una de las mayores fuentes de incertidumbre (cg-13, 2.2). La pantalla del bloque muestra la temperatura de su sensor de control. Las indicaciones de EURAMET para usuarios recuerdan que la calibración del bloque se refiere al bloque, y un termómetro dentro de él puede diferir (cg-13, anexo C). Una sonda de referencia calibrada en el taladro de al lado mide la temperatura donde importa.

Usa un taladro o un inserto que no supere en más de 0,5 mm el diámetro de la sonda entre −100 °C y +660 °C, ni en más de 1,0 mm por encima de esa temperatura (cg-13, 2.2).

• Calculadora de incertidumbre para termopares y RTD
• Cómo elaborar un presupuesto de incertidumbre de medida

Profundidad de inmersión

Una inmersión insuficiente puede causar errores grandes, porque el calor fluye a lo largo del vástago y el sensor se queda entre la temperatura del baño y la de la sala (DKD-R 5-1, 8.3). DKD-R 5-1 da una primera estimación: sumerge al menos 10 veces el diámetro de la sonda para un error inferior al 1 % de la diferencia entre la temperatura del baño y la de la sala, y cada 10 diámetros más divide el error entre 10. Cuenta la profundidad desde la parte superior del elemento sensor, no desde la punta de la vaina. Por eso una sonda de 6 mm con un elemento de 30 mm necesita al menos 90 mm dentro del baño.

Compruébalo. DKD-R 5-1 reduce la profundidad un 10 % y acepta el resultado cuando la lectura cambia no más del 10 % de la incertidumbre buscada. EURAMET levanta una sonda 20 mm en un bloque seco (cg-13, anexo C) y retira un termopar hasta 5 cm (cg-8, 8.2). Una lectura que cambia delata conducción de calor.

Cuando es posible, EURAMET calibra un termopar con la inmersión que tiene en uso, siempre que sea lo bastante profunda para que las pérdidas o ganancias de calor no afecten a la lectura (cg-8, 8.1). Para un termómetro de resistencia, DKD-R 5-1 busca la mayor inmersión que permitan el baño o el bloque (8.3). En ambos casos, anota la profundidad en el certificado (DKD-R 5-1, 8.3; cg-8, 14.2).

Estabilidad y uniformidad

Dos propiedades del baño o del bloque pasan directamente a la incertidumbre. La uniformidad es cuánto varía la temperatura de un sitio a otro de la zona de trabajo: a lo largo de un taladro, entre taladros y con el bloque cargado. La estabilidad es cuánto oscila con el tiempo una vez estabilizado. EURAMET cg-13 hace caracterizar el bloque en ambos aspectos, con la estabilidad observada durante al menos 30 minutos (3.5). Trata la mayor diferencia encontrada como la semiamplitud de una distribución rectangular, de modo que la incertidumbre típica es esa diferencia dividida entre √3 (4.2.2).

Deja que todo se estabilice antes de leer. Después lee la referencia y el termómetro que calibras al mismo tiempo, o altérnalos en un orden simétrico para que la deriva se compense. EURAMET cg-8 da órdenes como S1, X1 ... Xn, S2, S2, Xn ... X1, S1, donde S son los termómetros de referencia y X los termómetros que se calibran (10.3).

RTD y sondas Pt100: conexión, autocalentamiento e histéresis

• Conexión. Una sonda a 2 hilos suma la resistencia de sus cables a la lectura. En el ejemplo de DKD-R 5-1, una Pt100 con un cable de cobre de 2,5 m y 410 mΩ a temperatura ambiente tiene 492 mΩ cuando el cable está a 70 °C, lo que da una lectura 0,2 K más alta (8.5.1). Un circuito a 3 hilos compensa los cables si son iguales. El circuito a 4 hilos evita el problema y es la conexión preferida (8.5.2 y 8.5.3).
• Autocalentamiento. La corriente de medida calienta el sensor. DKD-R 5-1 mide con dos corrientes y extrapola a corriente cero. Cuando no se mide el autocalentamiento, cuenta 30 mK como contribución rectangular en el presupuesto de incertidumbre (8.8).
• Histéresis. Un termómetro industrial de platino puede leer algo distinto a la misma temperatura después de calentarse que después de enfriarse, así que DKD-R 5-1 pide investigarla o estimarla (3.1.2).
• Estabilidad. Un golpe o una vibración pueden desplazar un sensor de platino. Medir su resistencia en el punto de hielo antes y después del transporte muestra si se ha movido (DKD-R 5-1, apartados 5 y 6).

• Incluye estos términos en un presupuesto de incertidumbre de temperatura

Termopares: por qué se comportan de otra manera

Un termopar no mide en su punta. Su tensión nace del gradiente de temperatura a lo largo de los hilos, así que un tramo de hilo que ha cambiado con el uso solo influye donde queda dentro de un gradiente. Si el gradiente del baño de calibración cae en una parte del hilo distinta de la que ocupa en la instalación, la calibración no representa el uso (EURAMET cg-8, 1.3 y 9.1).

Por eso EURAMET recomienda sustituir los termopares de metal base usados a temperaturas altas en lugar de recalibrarlos, o comprobarlos en su sitio (cg-8, 1.5 y 13.4).

Recorre los puntos en el orden correcto. EURAMET calibra desde la temperatura más alta hacia abajo, salvo el tipo K, que cambia cuando se cicla a 500 °C o más. El tipo K se calibra con temperaturas crecientes y el primer punto se repite al final como comprobación (cg-8, 10.1).

Termómetros digitales y de líquido en vidrio

Un termómetro digital es un sensor y un indicador en uno, así que se calibra como sistema por comparación con una referencia. DKD-R 5-1 se aplica por analogía a los termómetros electrónicos de lectura directa y a los registradores de datos con sensor de resistencia. Si el termómetro se ajusta, el certificado recoge los resultados antes y después del ajuste (apartado 10).

Un termómetro de líquido en vidrio se fabrica para una inmersión determinada. Uno de inmersión parcial se sumerge hasta su línea de inmersión. Uno de inmersión total se sumerge con toda la columna de líquido salvo aproximadamente el último 1 cm. Con la inmersión equivocada puede leer muy mal, porque el líquido del vástago está a la temperatura equivocada (NIST SP 1088, sección 2).

En muchos termómetros de vidrio usados por debajo de 200 °C, el cambio a largo plazo procede sobre todo del volumen del bulbo, y una lectura en el punto de hielo lo muestra (SP 1088, 7.2). El NIST recomienda comprobar en el punto de hielo al menos una vez al año incluso un termómetro que se usa de forma intermitente cerca de la temperatura ambiente. Acepta una recalibración de un solo punto en el punto de hielo para los termómetros de mercurio usados a 200 °C o menos (sección 4). Esa recalibración solo actualiza las correcciones de una calibración completa anterior. El NIST sigue aconsejando una recalibración completa para los termómetros con cámara de contracción y divisiones finas. Inspecciona el termómetro con regularidad y antes de cada calibración por si la columna de líquido se ha separado, lo que causa errores grandes (secciones 5 y 6).

La comprobación en el punto de hielo

El punto de hielo, 0 °C, es la referencia más sencilla que puedes preparar, y ASTM E563-22 es la práctica normalizada para ello. El NIST describe el método en SP 1088 (7.7 y 7.8). Raspa hielo transparente hecho con agua destilada o desionizada en partículas de 2 mm a 5 mm, compáctalo en un vaso Dewar con agua destilada, retira con un sifón el agua de fusión sobrante y déjalo reposar de 15 a 30 minutos. Deja al menos 3 cm de mezcla por debajo del bulbo y prepara un punto de hielo nuevo cada día que lo necesites.

Con el método del NIST, un punto de hielo puede reproducirse con una incertidumbre expandida (k = 2) de unos 0,002 °C (SP 1088, 7.2). Un baño rápido de agua del grifo con hielo es menos exacto: EURAMET señala que su punto de hielo puede quedar entre −0,025 °C y 0 °C (cg-8, 4.1).

Una comprobación en el punto de hielo confirma una sola temperatura. Muestra un desplazamiento, pero no un cambio en la pendiente de la curva, que necesita al menos dos temperaturas (DKD-R 5-1, apartado 9). En termómetros y sondas electrónicos, trátala como una comprobación intermedia y no como una calibración: no reinicia la fecha de vencimiento. La excepción es un termómetro de mercurio en vidrio usado a 200 °C o menos, para el que el NIST SP 1088 acepta una lectura en el punto de hielo como recalibración de un solo punto (sección 4). Esa recalibración solo actualiza las correcciones de una calibración completa anterior. El NIST sigue aconsejando una recalibración completa para los termómetros con cámara de contracción y divisiones finas.

Lecturas como se encontró y un termómetro fuera de tolerancia

Registra las lecturas antes de que nadie ajuste el termómetro o cambie la configuración del indicador. Si un error como se encontró queda fuera de su límite, el termómetro estuvo fuera de tolerancia durante una parte desconocida del tiempo transcurrido desde su última calibración o comprobación correcta. El apartado 7.1.5.2 de ISO 9001 te pide determinar si los resultados anteriores se vieron afectados negativamente y actuar según sea necesario. En un termómetro, mira qué controlaban sus lecturas, como el ajuste de un horno o un baño, una temperatura de proceso en un registro de lote o una condición de ensayo.

• Qué hacer cuando un instrumento no supera la calibración
• Lecturas como se encontró y como se dejó

Cada cuánto calibrar un termómetro

Ninguna norma fija el intervalo. El NIST no recomienda un intervalo de recalibración fijo, y la guía de EURAMET sobre termopares dice que no hay frecuencias especificadas formalmente porque los termopares y sus usos varían muchísimo (cg-8, 13.1). ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 enumera los factores que hay que valorar, entre ellos la tendencia a la deriva, la dureza del uso y el efecto de la propia temperatura medida, con el ejemplo de las temperaturas altas en los termopares (5.1).

Algunos puntos de partida publicados:

• Termómetros de referencia industriales de platino en un laboratorio de calibración: como máximo cada 1 a 2 años, según su historial (DKD-R 5-1, tabla 1).
• Termómetros de líquido en vidrio: una comprobación en el punto de hielo hasta una vez al mes cuando son nuevos o se usan por encima de 200 °C, que se amplía a una o dos veces al año cuando el historial muestra un bulbo estable (NIST SP 1088, 7.6).
• Termopares de metal base usados a temperaturas altas: prevé sustituirlos en lugar de recalibrarlos (EURAMET cg-8, 1.5).

• Cómo fijar los intervalos de calibración
• Calculadora de intervalos de calibración

Qué debe incluir el certificado y el registro

Guarda suficiente detalle para que otra persona pueda repetir la calibración. EURAMET cg-8 (14.2) y DKD-R 5-1 (apartado 10) enumeran estos datos, además del contenido general del certificado del apartado 7.8 de ISO/IEC 17025:2017.

• Cada elemento calibrado: la sonda, cualquier cable de extensión y el indicador o transmisor que forma el sistema.
• Las temperaturas calibradas y el método, por ejemplo la comparación en un baño o un bloque.
• La profundidad de inmersión y cualquier otra condición de la calibración.
• En una RTD, la corriente de medida y el autocalentamiento. En un termopar, cualquier tratamiento térmico previo a la calibración.
• La lectura de la referencia y la del termómetro en cada punto, el error y la incertidumbre de medida.
• Los resultados antes y después de cualquier ajuste, la fecha, quién hizo el trabajo y la próxima fecha de vencimiento.

• Plantilla de certificado de calibración (Excel)
• Requisitos del certificado de calibración

Dónde encaja Axiospec

Axiospec es un software de gestión de calibraciones. Guarda cada termómetro y cada sonda con su historial de calibraciones, sus certificados y su próxima fecha de vencimiento, y cada calibración indica el patrón de referencia usado. Un registro de calibración admite hasta 100 puntos de ensayo, cada uno con su temperatura nominal, su propia tolerancia y las lecturas como se encontró y como se dejó, así que una clase cuyo límite crece con la temperatura encaja punto por punto. El registro guarda también la temperatura y la humedad de la sala.

En una calibración interna, una lectura final fuera de su tolerancia fija el resultado en No cumple, y registrar un Cumple de todos modos exige un motivo por escrito. Un No cumple pone el termómetro en cuarentena, y el registro pregunta qué midió desde su último resultado Cumple. Axiospec no hace la comparación ni elige los puntos, el límite o el intervalo. Eso queda en tus manos o en las de tu laboratorio.

El plan gratuito cubre hasta 50 instrumentos activos. Un espacio de trabajo nuevo empieza con una prueba de 45 días de Professional, con capacidad para 1500 instrumentos activos y sin tarjeta de crédito. Cargamos tus registros existentes sin coste en todos los planes.

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