Comparación de Procedimientos Para la Calibración/Caracterización de Baños Termostáticos. Andy Barrientos A. Metrólogo

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1 Comparación de Procedimientos Para la Calibración/Caracterización de Baños Termostáticos Andy Barrientos A. Metrólogo

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4 Contenido (índice) 1. INTRODUCCIÓN 2. VOCABULARIO EMPLEADO 3. PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS 4. INSTRUMENTACIÓN EMPLEADA 5. MEDICIONES REALIZADAS 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 7. CONCLUSIONES

5 1. INTRODUCCIÓN. En termodinámica, un baño térmico es un sistema cuya capacidad calorífica es tan grande que, cuando se halla en contacto con un sistema de prueba, la temperatura del baño permanece constante. Para ensayos; el baño termostático sirve para transferir calor mediante convección hacia las muestras que se coloquen en él. Para calibraciones; el baño termostático sirve para transferir calor mediante convección hacia los instrumentos (sensor de temperatura) instalados en él realizar su calibración.

6 2. VOCABULARIO EMPLEADO. Mensurando: Magnitud que se desea medir. Magnitud: Propiedad de un fenómeno, cuerpo o sustancia, que puede expresarse cuantitativamente mediante un número y una referencia. Medición: Proceso que consiste en obtener experimentalmente uno o varios valores que pueden atribuirse razonablemente a una magnitud. Valor de una magnitud: Conjunto formado por un número de referencia, que constituye la expresión cuantitativa de una magnitud. Unidad de medida: Magnitud real, definida y adoptada por convenio, con la que se puede comparar cualquier otra magnitud de la misma naturaleza para expresar la relación entre ambas mediante un número.

7 2. VOCABULARIO EMPLEADO. Estabilidad: Máxima variación de Temperatura en el tiempo. Uniformidad: Máxima variación de Temperatura en un instante de tiempo (INACAL). Se evalúa espacialmente (gradiente) y temporalmente (Estabilidad) (CENAM). Gradiente: Variación de temperatura espacial (CENAM).

8 3. PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS. Procedimiento de calibración/caracterización de baños termostáticos PC-019 primera edición 2009 Alcance desde -30 C hasta 250 C Número de sensores: Al menos 11 sensores. Resolución: Lo suficientemente pequeña para que la incertidumbre final sea coherente con el EMP definido para el baño termostático. Tiempo de toma de datos: 40 min en total y cada serie de 20 s.

9 3. PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS. Procedimiento de calibración/caracterización de baños termostáticos PC-019 primera edición 2009 Distribución de sensores 17 cm Nivel del Líquido 1 Fondo cm 5 cm 57 cm 15 cm cm 32 cm

10 3. PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS. Guía Técnica de Trazabilidad Metrológica e Incertidumbre de Medida en Caracterización Térmica de Baños y Hornos de Temperatura Controlada. Alcance: -80 C a 300 C Número de sensores: Al menos 2 sensores Resolución: ¼ de la estabilidad esperada. Tiempo de toma de datos: 5 min en cada posición y cada 10 s. Nota.- Para baños de calibración debe cumplirse que el gradiente debe ser menor a 1/3 de la estabilidad.

11 3. PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS. Guía Técnica de Trazabilidad Metrológica e Incertidumbre de Medida en Caracterización Térmica de Baños y Hornos de Temperatura Controlada. Distribución de sensores

12 4. INSTRUMENTACIÓN EMPLEADA. Termómetro de indicación Digital Multicanal con 11 sensores de platino clase A Resolución: 0,0001 C Cronómetro Digital Termohigrómetro Digital Cámara Con esta instrumentación se realizaron las mediciones para los dos procedimientos.

13 5. MEDICIONES REALIZADAS. ÍTEM DE CALIBRACIÓN Baño Termostático Alcance: -45 C a 150 C Estabilidad (fabricante): ± 0,005 C Uniformidad (fabricante): ± 0,007 C Profundidad Máxima: 50 cm

14 COMPARACIÓN DE PROCEDIMIENTOS PARA LA 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a PC Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9 Series10 Series11

15 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a PC Desviación de Temperatura Temporal: Máxima desviación de temperatura de todos los sensores; durante el tiempo en que se realiza la calibración Series

16 COMPARACIÓN DE PROCEDIMIENTOS PARA LA 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a PC Desviación de Temperatura Espacial: Máxima desviación de temperatura en el espacio; la cual se determina tomando el máximo de los promedios de todos los sensores menos el mínimo de los promedios de todos los sensores Sensor 1 Sensor 2 Promedio de Sensor 1 Promedio de Sensor

17 COMPARACIÓN DE PROCEDIMIENTOS PARA LA 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a PC Estabilidad: Máxima desviación de temporal de temperatura detectada en el baño dividido por Sensor 1 Promedio de Sensor

18 COMPARACIÓN DE PROCEDIMIENTOS PARA LA 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a PC Uniformidad: Máxima variación de temperatura en un instante de tiempo Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6 Series7 Series8 Series9 Series10 Series11

19 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a PC Gradiente Estándar del Baño: Es el promedio de las uniformidades instantáneas medidas en el Baño durante la calibración más una desviación estándar de las mismas Gradiente del Baño: Es el promedio de las uniformidades instantáneas medidas en el Baño durante la calibración más dos desviaciones estándar de las mismas.

20 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a PC-019 Parámetro Valor Incertidumbre Expandida (mk) 1 mk = 0,001 C Máxima Temperatura Medida TBmax 50,015 C 20 Mínima Temperatura Medida TB min 49,996 C 20 Desviación Temperatura en el Tiempo DTTB 0,012 C 1 (*) (*) Las incertidumbres calculadas Desviación Temperatura en el Espac DTEB 0,008 C 1 (*) menores o iguales a 1 mk se han Estabilidad Medida ESTB (±) 0,006 C 1 (*) redondeado a 1 mk. Uniformidad Instantánea Máxima UIMB 0,013 C 1 (*) Gradiente del Baño G 0,012 C 3 Gradiente Estándar del Baño g 0,011 C 3 T.PROM: Promedio de la temperatura en una posición de medición durante el tiempo de calibración. T prom: Promedio de las temperaturas en las once posiciones de medición para un instante dado. T.MAX Temperatura máxima T.MIN Temperatura mínima DTTB: Desviación de Temperatura en el Tiempo DTEB: Desviación de Temperatura en el Espacio Para cada posición de medición su "desviación de temperatura en el tiempo" está dada por la diferencia entre la máxima y la mínima temperatura registradas en dicha posición. Entre dos posiciones de medición su "desviación de temperatura en el espacio" está dada por la dife - rencia entre los promedios de temperaturas registradas en ambas posiciones. Incertidumbre expandida del termómetro del baño: 0,06 C El significado esperado para el Gradiente Estándar del Baño es que con una probabilidad del 68% las temperaturas instantáneas simultáneamente medidas en dos puntos espaciales diferentes cualesquiera dentro del volumen efectivo del baño no deberían diferenciarse entre sí en un valor mayor al Gradiente Estándar del Baño si se hace bajo las mismas condiciones que las de la calibración del Baño. El significado esperado para el Gradiente del Baño es que con una probabilidad del 95 % las temperaturas instantáneas simultáneamente medidas en dos puntos espaciales diferentes cualesquiera dentro del volumen efectivo del baño no deberían diferenciarse entre sí en un valor mayor al Gradiente del Baño si se hace bajo las mismas condiciones que las de la calibración del Baño Durante la calibración y bajo las condiciones en que ésta ha sido hecha el Baño Termostático CUMPLE con los límites especificados de temperatura.

21 COMPARACIÓN DE PROCEDIMIENTOS PARA LA 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a GUÍA EMA-CENAM - Estabilidad: Para obtener la estabilidad, se grafican las lecturas del termómetro de referencia durante todo el proceso de medición y se trazan los límites superior (L sup ) e inferior (L inf ), como se muestra en la figura. La estabilidad (Est) del baño a la temperatura de medición se define como: Est = L sup L inf Series

22 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a GUÍA EMA-CENAM - Gradiente: Para medir los gradientes en la zona de trabajo, primero se obtiene la desviación del termómetro móvil (T mov ) respecto al termómetro fijo (T fijo ), con el siguiente modelo: δ = T mov Ref T fijo Donde: δ es la desviación o discrepancia entre las lectura de los dos termómetros T mov-ref es el promedio de lecturas del termómetro móvil en la posición de referencia T fijo es el promedio de las lecturas del termómetro fijo en la posición de referencia

23 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a GUÍA EMA-CENAM Después con las mediciones de ambos termómetros, cuando el termómetro móvil se encuentra en las demás puntos de la zona de trabajo, se obtiene el gradiente de cada punto respecto al punto de referencia, con el siguiente modelo: t i = T mov i T fijo δ

24 5. MEDICIONES REALIZADAS. Resultados de acuerdo a GUÍA EMA-CENAM Estabilidad Valor Medido/ C U / C Estabilidad 0,0025 0,0003 Gradientes Posición Δt i / C p1 0,0024 p2 0,0017 p3 0,0016 p4 0,0022 p5 0,0011 p6 0,0011 p7 0,0019 p8 0,0019 p9 0,0010 p10 0,0014 p11 0,0009 p12 0,0009 Uniformidad Uunif. / C (k=2) 0,007

25 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Para la estabilidad: Est PC019 = 0,006 C Est EMA-CENAM = 0,0025 C RECORDAR Est EMA-CENAM = L sup L inf 12

26 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Para la estabilidad: Est PC019 = ± 0,006 C Est EMA-CENAM = 0,0024 C 0,006 C / 3 = 0,0035 C Para Gradiente: Para la Uniformidad: Gradiente PC019 = 0,012 C Gradiente EMA-CENAM = 0,0024 C Unif. PC019 = 0,013 C Uunif. EMA CENAM = 0,007 C 0,013 C / 3 = 0,008 C

27 7. CONCLUSIONES. - La estabilidad y uniformidad dependen del número de sensores que se coloquen en el baño termostático. - El PC-019 toma el peor de los casos en la caracterización y calibración de baños termostáticos. - La guía EMA-CENAM da una opción de poder analizar las cualidades térmicas de un baño termostático para determinados fines. - Para el PC-019 se da una declaración de que el baño cumple o no en las condiciones en las que fue calibrada. - Para la guía EMA-CENAM el valor de la estabilidad es muy importante y prácticamente centra su estudio en determinarla; siendo ésta la mayor fuente de incertidumbre del baño.

28 7. CONCLUSIONES. - Los resultados muestran de forma inicial que los valores de Estabilidad; Gradiente y Uniformidad SON MUY DIFERENTES; si embargo analizando el aporte del baño como la incertidumbre es casi similar. - Ambos procedimientos pueden emplearse para realizar calibraciones de baños termostáticos; respetando los criterios descritos en sus procedimientos y también considerando el fin al cual se empleará el baño termostático. GRACIAS.

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