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Title:
SYSTEM AND METHOD FOR CALIBRATING AND CHARACTERISING INSTRUMENTS FOR TEMPERATURE MEASUREMENT BY TELEMETRY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/093930
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a system and method for calibrating instruments for measuring temperature by telemetry, which includes an electric furnace having digital ramp that has a cylindrical black-body recess with temperature sensors, mechanically connected to a disc shaped like a concentric heat-diffusing metal ring which generates a radial profile of staggered temperatures, a measurement subsystem arranged opposite said furnace which consists of a platform with a graded longitudinal scale as a distance indicator and which is suitable for mounting the template equipment and the equipment to be calibrated, and a PC with a specialised mathematical calculation program.

Inventors:
KAPLUN MUCHARRAFILLE, Margarita (Antiguo Camino a Copalita Número 2877, Colonia Villas del Valle, Zapopan Jalisco, 45220, MX)
MARTINEZ FUENTES, Victor (Calzada de las Lágrimas 817, Colonia Lomas de San Pedrito Peñuelas, Santiago de Querétaro Querétaro, 76148, MX)
Application Number:
MX2014/000080
Publication Date:
June 25, 2015
Filing Date:
May 28, 2014
Export Citation:
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Assignee:
KAPLUN MUCHARRAFILLE, Margarita (Antiguo Camino a Copalita Número 2877, Colonia Villas del Valle, Zapopan Jalisco, 45220, MX)
International Classes:
G01K15/00
Foreign References:
US20050205773A12005-09-22
US20090122826A12009-05-14
US3263016A1966-07-26
Other References:
DITEK: "Laboratorio of Calibración.", 23 July 2013 (2013-07-23), Retrieved from the Internet
Attorney, Agent or Firm:
DOMINGUEZ HUERTA, Carlos et al. (Nelson 525-1, Colonia TerranovaGuadalajara, Jalisco, 44689, MX)
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Claims:
REIVINDICACIONES

Habiendo descrito suficientemente la invención, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes cláusulas reivindicatorías.

1.- Un sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, caracterizado por comprender al menos un horno eléctrico con controlador de temperatura con rampa digital que contiene una cavidad cilindrica de cuerpo negro con sensores de temperatura, en donde dicha cavidad cilindrica de cuerpo negro comprende ligado mecánicamente entorno a la entrada de la cavidad un disco con gradiente térmico, y que está compuesto por al menos un. anillo metálico difusor térmico concéntrico, con al menos, dos sensores de temperatura en su parte posterior lisa, insertados en al menos, dos barrenos topados, ubicados horizontalmente, con respecto al eje axial de la cavidad cilindrica de cuerpo negro y equidistantes a su centro, insertados en ambos lados; consta de una carcasa que resguarda y aloja en un recinto de aislamiento térmico la cavidad cilindrica del cuerpo negro a través de soportes de aislamiento térmico, posicionándolo, por medio de guias, en el centro de la carcasa y exponiéndolo en el lado frontal del horno eléctrico; que generan un perfil radial de temperaturas escalonadas por la pérdida de calor por convección y radiación en cada anillo metálico difusor térmico concéntrico, para definir perfiles de temperatura con gradiente térmico por el contacto térmico del disco con la cavidad cilindrica de cuerpo negro que se calienta con un calefactor eléctrico; en donde dicho horno eléctrico comprende un dispositivo controlador de temperatura con rampa digital autoajustable con un adquisidor de datos donde se conectan los sensores de temperatura de dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos y que a su vez dicho adquisidor de datos está conectado a una PC que comprende un programa de computo matemático especializado que procesa la información para obtener así el comportamiento del horno eléctrico; un subsistema de posicionamiento y medición para calibración y/o caracterización de equipos de medición de temperatura por telemetría dispuesto frente a dicho, al menos, un horno eléctrico que consta de una plataforma con escala longitudinal graduada como indicador de distancia, adaptada para montar los equipos patrón y los equipos a calibrar y medios para centrar y nivelar los equipos patrón y equipos a calibrar con el centro del cuerpo negro del horno eléctrico, con los que se toma lectura de temperatura estabilizada del equipo patrón, de los equipos termográficos a calibrar, así como la temperatura del horno eléctrico mostrada en la pantalla; y en donde los datos recolectados junto con las lecturas de las temperaturas que definen los gradientes térmicos de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos del disco con gradiente térmico, se alimenta a dicha PC y mediante el programa de computo matemático se genera un promedio ,de temperaturas, que es comparado con la temperatura del pirómetro patrón y de esta manera, se determina el error de la medición, adicional a los cálculos matemáticos que se requieren para determinar ia incertidumbre estimada asociada al método de medición; pues con el disco con gradiente térmico, compuesto al menos por un anillo metálico difusor térmico , además de conocer la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro y su trazabilidad con referencia a patrones nacionales o internacionales por medio de la calibración del pirómetro patrón, permite conocer el comportamiento de la temperatura a lo largo del disco con gradiente térmico; obteniendo con ello un perfil de temperaturas que permite calibrar y/o caracterizar por comparación directa los instrumentos de medición de temperatura por telemetría. 2.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho horno eléctrico con controlador de temperatura con rampa digital, consta de una carcasa que resguarda y aloja en un recinto de aislamiento térmico la cavidad cilindrica del cuerpo negro a través de soportes de aislamiento térmico, posicionándolo, por medio de guías, en el centro de la carcasa y exponiéndolo en el lado frontal del horno eléctrico; ensamblando el disco con gradiente térmico conformado por, al menos un anillo metálico difusor térmico concéntrico a la entrada de la cavidad cilindrica del cuerpo negro; comprendiendo dicha carcasa soportes inferiores donde se montan elementos disipadores de calor y que se anclan sobre un gabinete de control que aloja un dispositivo controlador de temperatura con rampa digital con capacidad de autoajuste y con pantalla de salida de datos; comprendiendo además medios de ventilación, panel de cableado universal, elementos de fusible, interruptor y un control eléctrico general.

3.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la cavidad cilindrica de dicho cuerpo negro comprende dos sensores de temperatura, ubicados en la parte posterior de la cavidad del cuerpo negro, localizados en unos barrenos topados. 4.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho disco de gradiente térmico está conformado por al menos un anillo metálico difusor térmico concéntrico, preferentemente cuatro anillos metálicos difusores térmicos dispuestos concéntricamente contactados entre sí; en donde el calor se transfiere de la cavidad cilindrica del cuerpo negro hacia los extremos de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos a través del contacto térmico creando una resistencia térmica que depende de la presión de contacto, el acabado superficial y las propiedades térmicas de los anillos en contacto; la cual proporciona una diferencia de temperatura de alrededor de 100°C, que genera una serie de "escalones" de temperatura en la interface de contacto entre los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos y fuera de la interfase, se crea un gradiente térmico de perfil suave en la dirección radial, útiles para la calibración.

5. - El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque cada anillo concéntrico comprende, al menos dos barrenos topados, dispuestos diametralmente para alojar, al menos un sensor de temperatura por cada barreno topado, para la toma de temperatura para cada anillo metálico difusor térmico concéntrico.

6. - El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos sensores de temperatura consisten en termopares tipo "J" o "T".

7. - El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 4 y 5, caracterizado porque dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos, están fabricados de un material seleccionado del grupo que consta de aluminio, latón, inconel® o aleación metálica como la del inconel® que comprende en mayor porcentaje Níquel, aunque también contiene: cromo, hierro, carbono, manganeso, sulfuro, silicón y cobre; o acero inoxidable, dado su alta conductividad térmica y estabilidad en los intervalo de temperaturas. 8.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones 1 , 4, 5 y 7, caracterizado porque las superficies de dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos son ennegrecidas con el fin de aumentar su emisividad.

9. - El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 7 y 8, caracterizado porque el ennegrecido de la superficie de dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos se logra mediante los métodos de anodizado oscuro para anillos fabricados de aluminio, oxidado y pintura negro mate para anillos fabricados con latón, inconel® y acero inoxidable, y/o oxidado de la superficie a altas temperaturas para anillos fabricados de inconel®.

10. - El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones 1 , 4, 5 y 7 a 9, caracterizado porque dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos comprenden un estriado de perfil triangular en su superficie exterior de su cara frontal de trabajo que se muestran como surcos triangulares (equiláteros) en un corte transversal.

11. - El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el grosor de dichos anillos concéntricos es preferentemente de 20 mm.

12. - El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el calefactor y dicha cavidad cilindrica de cuerpo negro están aislados térmicamente mediante fibra cerámica de baja densidad y baja conductividad térmica colocada alrededor de éstos. 13.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 12, caracterizado porque dicho calefactor está conformado por dos piezas en media caña que abraza por completo el exterior de la cavidad cilindrica del cuerpo negro.

14.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque abarca un rango de temperaturas para calibración de equipos de temperaturas en el rango de 50°C a 800°C.

15.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque comprende tres hornos eléctricos con controlador de temperatura en rampa digital, un horno para bajas temperaturas comprendidas de 50°C a 300°C, un horno para temperaturas medias de 150°C a 550°C y un horno para altas temperaturas de 500°C a 800°C. 16.- El sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado porque entre la plataforma con escala longitudinal graduada como indicador de distancia de dicho subsistema de posicionamiento y medición para calibración de equipos de medición de temperatura por telemetría dispuesto frente a dicho, al menos un horno eléctrico, se puede aproximar al horno eléctrico hasta una distancia mínima de 0,15 m y alejarse hasta una distancia máxima de 1 ,5 m;

17.- Un método de calibración y/o caracterización con mayor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, caracterizado por comprender los pasos de:

1) Encender el horno eléctrico y con ayuda del controlador de temperatura con rampa digital, se programa con la primer temperatura solicitada a calibrar;

2) Esperar el tiempo suficiente para que el horno eléctrico llegue a su estabilidad;

3) Colocar en el subsistema de posicionamiento y medición tanto los equipos patrón o de referencia como el instrumento a medir IBC, revisando que ambos instrumentos de medición tengan la misma emisividad programada.

4) Ubicar el soporte a la distancia adecuada y elegida, en base al campo visual y alinear y nivelar con dirección hacía la cavidad cilindrica de cuerpo negro del horno eléctrico.

5) Realizar una prueba de posicionamiento, empleando un apuntador láser para alineación, asegurando que los centros tanto de los equipos patrón, como del instrumento a medir IBC y el centro de la cavidad cilindrica de cuerpo negro queden alineadas con referencia a su centro.

6a) Para el caso de calibrar termómetros de radiación infrarroja, las lecturas se tomarán de la siguiente manera: (LP-L IBC- L IBC -LP-LP- L IBC - L IBC -LP-LP- L IBC - L IBC - LP), donde: Lp corresponde a la lectura del pirómetro patrón y L IBC corresponde a la lectura del instrumento a calibrar.

6b)Para el caso de calibrar equipos o cámaras termográficas, las lecturas se tomarán de la siguiente manera: (LP- Cp - L IBC- L IBC - Cp - LP-LP- Cp - L IBC - L IBC - Cp - LP - LP- Cp - L IBC - L IBC - Cp -LP), donde: Cp corresponde a la lectura de la cámara termográfica patrón.

7) Se anota tanto al principio, como al final de cada punto de medición, la temperatura ambiente cercana al instrumento IBC. También se considera el registro del valor de la emisividad a la cual se está trabajando, spot utilizado, distancia real de posición a la cavidad cilindrica del cuerpo negro y su respuesta espectral del instrumento IBC.

8) Se mide con los diferentes instrumentos de medición: En este momento, el pirómetro patrón mide la temperatura del horno eléctrico, y se registra de manera manual en una PC, cuando la temperatura mostrada en la pantalla de salida de datos ha sido estabilizada. Acto seguido, se mide la temperatura con una cámara termográfica patrón y se registra de manera manual y se toma una imagen termográfica con una cámara termográfica patrón, la cual se almacena en su memoria interna y descargada posteriormente en una PC y finalmente el instrumento a medir, como; termómetros infrarrojos o cámaras termográf icas mide la temperatura del horno eléctrico, y se registra de manera manual en una PC.

9) Repetir esta serie de pasos como mínimo cinco veces y llevar acabo los correspondientes registros de temperatura.

10) Las mediciones de temperatura provenientes de los sensores, ubicados en la parte posterior tanto de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos, como de los sensores de la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2, son adquiridas electrónicamente mediante el adquisidor de datos y transmitidos de manera electrónica a una PC.

11) Los datos recolectados de los equipos patrón, de los instrumentos a medir y los sensores de temperaturas del horno eléctrico, asi como las lecturas de las temperaturas que definen los gradientes térmicos (tomadas con la cámara termográfica patrón) de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos del disco con gradiente térmico, se alimenta a dicha PC y mediante el programa de computo, se realizan los cálculos matemáticos necesarios para determinar el comportamiento del instrumento a medir, tomando como método de calibración el de comparación directa, pues con el sistema de anillos metálicos difusores térmicos concéntricos, ubicados en el disco con gradiente térmico, además de conocer la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro y su trazabilidad con referencia al pirómetro patrón, permite conocer el tamaño del gradiente térmico y por lo tanto, se podrán caracterizar los equipos o cámaras termográficos, pues se conoce el comportamiento de la temperatura a lo largo del disco con gradiente térmico. Obteniendo con ello un perfil de temperaturas radial partiendo del centro de la cavidad cilindrica del cuerpo negro, hasta el extremo del disco con gradiente térmico.

18.- El método de calibración y/o caracterización con mayor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado porque en caso de que el instrumento a medir sea una cámara termográfica, además comprende:

i) La cámara termográfica patrón, toma una imagen termográfica, captando con ello, lecturas de temperatura del frente de horno eléctrico, en diferentes posiciones, siempre preferentemente se debe incluir en la medición al menos 1/8 del área del centro de la cavidad cilindrica de cuerpo negro, con lo cual, el detector del equipo termográfíco a medir tomará (censará) el valor máximo de temperatura en diferentes zonas de su área del detector, logrando con ello determinar el comportamiento del detector del instrumento a calibrar y con ello su caracterización en diferentes cuadrantes, determinando su comportamiento .

ii) Después de tomada la imagen termográfica, se almacena en la memoria interna y descargada posteriormente en una PC.

iii) Esta toma de imágenes termográficas se realiza por lo menos cuatro veces en diferentes posiciones abarcando al menos 1/8 del área del centro de la cavidad de cuerpo negro. iv) Elaborar el certificado de calibración de manera electrónica, considerando todos los datos adquiridos por medio del adquisidor de datos y transferidos a la PC. Este documento involucra dar a conocer las mediciones tomadas durante el proceso de calibración, así como las desviaciones que el instrumento a medir tenga con referencia a los equipos patrón, precisando el error que éste tiene y su incertidumbre asociada en base a las variables que tuvieron afectación sobre la medición durante el proceso de calibración.

19.- El método de calibración y/o caracterización con mayor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque la incertidumbre estimada que se le asocia al método cuando la calibra en temperatura es la resultante de la lectura de temperatura de la cámara termográfica en condiciones de repetibilidad menos la corrección de la emisividad menos la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro obtenida con referencia al pirómetro patrón .

20.- El método de calibración y/o caracterización con mayor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de acuerdo con las reivindicaciones 17 y 18, caracterizado porque la incertidumbre estimada que se le asocia al método cuando la calibración se lleva a cabo en diferencias de temperatura (gradiente térmico) es la diferencia promedio de temperaturas medidas con la cámara termográfica entre dos posiciones determinadas del disco con gradiente térmico menos la diferencia de temperatura promedio determinadas con termopares arreglados en forma diferencial entre dos puntos en posiciones determinadas del disco con gradiente térmico, menos las correcciones de diferencia de temperatura determinadas por factores de instalación de los termopares, correcciones de la sensibilidad debida a la temperatura, factores de transferencia de calor por convección, menos las correcciones de las posiciones geométricas de los termopares en el disco y las determinadas por la interpolación de los gradientes de temperatura entre dos puntos, menos las correcciones debidas a la emisividad tales como los cambios en la misma debidos a la temperatura.

Description:
SISTEMA Y MÉTODO PARA CALIBRACIÓN Y/O

CARACTERIZACIÓN DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA POR TELEMETRÍA

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención, se relaciona con el campo técnico de la mecánica, metrología, termometría, telemetría y la radiación infrarroja, porque describe un disco con gradiente térmico, conformado por al menos un anillo metálico difusor térmico y una cavidad cilindrica de cuerpo negro; un horno eléctrico que comprende a dicho disco con gradiente térmico y a la cavidad cilindrica de cuerpo negro, para generarle y controlarle su temperatura; un método para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En muchos procesos industriales en los que se involucra calentamiento por aplicación de calor o como resultado de la operación de aparatos, herramientas, equipos, maquinaria, etc., en líneas de producción determinadas, se debe tener un control oportuno y preciso de la temperatura y tiempos de exposición y/u operación que ofrezcan los mejores resultados del proceso o la mejor operación de los equipos. Para poder lograr este control es necesario medir apropiadamente la temperatura, lo que se debe normalmente realizar sin contacto por las elevadas temperaturas, por las áreas inaccesible de los operarios o por tratarse de equipos de manejo de altas temperaturas como hornos, entre otros. La solución tecnológica actual consiste en utilizar pirómetros infrarrojos (instrumentos que miden la radiación en el infrarrojo que sale de la superficie de la carga en cierta dirección dada, habitualmente en un intervalo de longitudes de onda fijo, e infieren la temperatura de la superficie a partir de ella).

La radiación infrarroja es una radiación electromagnética con longitudes de onda mayores que las de la luz visible y más cortas que las radiaciones de onda milimétricas. Todas las superficies con una temperatura mayor que el cero absoluto (- 273.15 °C) emiten radiación infrarroja.

El rango de radiación infrarroja sigue inmediatamente a continuación de la luz roja y ocupa el rango de 780 nm a 1 mm dentro del espectro electromagnético.

Para el campo de la tecnología de medición, la radiación infrarroja se puede subdividir en otros tres rangos:

1.SIR (short ¡nfrared [infrarrojo corto], 780 nm a 3 pm),

2.MIR(middle infrared [infrarrojo medio], 3 a 5 μιη),

3. FIR (far infrared [infrarrojo lejano], 5 pm a 1 mm).

En relación a la tecnología de medición por infrarrojos, el rango más significativo es el de 5-20 μιτι (FIR).

La temperatura de un objeto se puede medir a partir de su radiancia espectral. Un termómetro que funcione así se llama termómetro de radiación, y la temperatura medida se llama temperatura de radiancia.

Los termómetros de infrarrojos miden la radiación electromagnética emitida por un objeto como resultado de su temperatura. Cuando un objeto alcanza temperaturas elevadas, la mayor parte de su radiación es una banda de longitudes de onda llamada espectro infrarrojo. Los objetos muy calientes emiten una luz visible que es también una forma de radiación electromagnética.

Mientras que el ojo humano es muy sensible a la luz amarilla con longitudes de onda de en torno a 0.555 μιη, no puede detectar luz con longitudes de onda mayores de 0.700 μιη (roja) ni menores de 0.400 μηι (violeta). Aunque nuestros ojos no puedan detectar la energía fuera de esa banda tan estrecha de longitudes de onda llamada espectro visible, se sabe que está ahí porque se puede detectar con un radiómetro.

Los termómetros de infrarrojos están diseñados para ser sensibles dentro de una banda específica de longitudes de onda. La banda espectral más utilizada en los termómetros de infrarrojos es la que va de 8μΐη a 14μηι (8 a 14 micrómetros) . La radiación infrarroja es radiación electromagnética con longitudes de onda mayores que la luz visible y más pequeñas que la radiación de onda milimétrica. Términos como longitud de onda y amplitud son utilizados para describir los infrarrojos y otros tipos de radiación electromagnética. Por ejemplo, la amplitud de onda describe la intensidad de la radiación electromagnética y la longitud de onda es utilizada entre otras cosas para determinar si es una microonda, luz visible o radiación infrarroja.

Los termómetros de infrarrojos son utilizados en gran variedad de situaciones donde las medidas de contacto no son posibles. Las aplicaciones que abarcan estos aparatos son variables y día a día abarcan un mayor número de posibilidades de análisis, considerando grandes campos de aplicación desde la aeronáutica hasta aplicaciones de uso común, como podría ser la salud, por lo que la confianza en estas medidas se incrementa con la calibración. Los termómetros de infrarrojo tienen una resolución óptica definida por la relación entre la distancia al objeto y el diámetro del área que contiene un porcentaje específico de la energía total recogida (D:S) (Spot size). La relación D:S es utilizada como una guía para determinar la distancia apropiada para hacer medidas de temperatura infrarroja.

Para una cámara termográfica el "spot size" representa al pixel y la distancia que puede ver y el "IFOV" es el ángulo sólido subtendido del pixel al objetivo.

Un termómetro de radiación de banda angosta es aquel que posee un filtro óptico que transmite un intervalo estrecho de longitudes de onda. Este intervalo denominado ancho de banda espectral (Δλ) es en el orden de algunos nanómetros (nm).

Un termómetro de radiación de banda ancha es aquel que se caracteriza por tener un filtro óptico que transmite un intervalo amplio de longitudes de onda (Δλ), este intervalo es aproximadamente de algunos micrómetros (μπι).

En procesos industriales es de gran importancia el control y lectura apropiados de las temperaturas de proceso y de los equipos y maquinaria empleados en tales procesos. Muchas decisiones de importancia en la industria están basadas en el resultado de sus mediciones de las condiciones de proceso y sus equipos. Detener una línea de producción para realizar reparaciones y tareas de mantenimiento puede resultar en grandes pérdidas económicas si se debe a problemas de control de temperaturas por fallas o errores en su medición o ante las lecturas equivocadas. Para poder confiar plenamente en las mediciones, no cabe duda que es de importancia mayúscula la calibración óptima de sus instrumentos de medición de temperaturas. calibración es la operación bajo condiciones especificadas establece, en una primera etapa, una relación entre los valores y sus incertidumbres de medida asociadas obtenidas a partir de los patrones de medida y las correspondientes indicaciones sus incertidumbres asociadas y en una segunda etapa, utiliza esta información para establecer una relación que permita obtener un resultado de medida a partir de una indicación . (N MX-Z-055- IMNC-2009).

Una calibración fiable supone mayor exactitud de lecturas, menos preocupaciones, menos dudas y una mayor productividad.

La confianza en las medidas de radiación infrarroja requiere normalmente del uso de instrumentos calibrados. La calibración también puede ser definida como el conjunto de operaciones llevadas a cabo de acuerdo con un procedimiento de calibración definido, que compara las medidas realizadas por un instrumento con otras realizadas con un instrumento de mayor exactitud o patrón, con el propósito de detectar e informar, o eliminar por ajuste los errores en el instrumento que se está calibrando.

El patrón utilizado habitualmente para calibrar o verificar instrumentos o sistemas de medida, es un instrumento del cual se conoce su comportamiento y que servirá de referencia para calibrar al "instrumento de medición a calibrar". (NMX-Z-055- IMNC-2009). El patrón de medida de referencia es el patrón designado para la calibración de patrones de magnitudes de la misma naturaleza en una organización o lugar dado. (NMX-Z-055- IMNC-2009) En los proceso de calibración pueden existir errores de medida que se define como la diferencia entre un valor medido de una magnitud y un valor de referencia (NMX-Z55-IMNC-2009).

Existen también parámetros no negativos que caracterizan la dispersión de los valores atribuidos a un mensurando, a partir de la información que se utiliza. (NMX-Z55-IMNC-2009), que se define como incertidumbre de medida.

Una calibración de temperatura infrarroja comienza con una medida superficial de lo que actúa como fuente de calor, que debe ser un plato plano o una cavidad que funciona como patrón o referencia. La geometría de calibración, que incluye el tamaño de la superficie de medida y la distancia del termómetro a calibrar juega un papel fundamental en el resultado de la medida. También son críticas la estabilidad de la temperatura, la uniformidad y las propiedades físicas de la superficie emisora como es la emisividad.

La emisividad es la energía radiante proveniente de una superficie opaca es una combinación de la radiancia emitida causada por la temperatura de la superficie y la radiancia reflejada proveniente de cualquier lugar en el ambiente. La cantidad de luz emitida a una determinada temperatura es determinada por la emisividad de la superficie. La emisividad es la relación entre la energía radiada emitida por una superficie y la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura. La emisividad se ve enormemente afectada por el tipo de material de la superficie y el acabado de la misma.

Los calibradores de temperatura infrarroja deben ser diseñados para tener una emisividad conocida, que debe permanecer constante a lo largo del tiempo.

La emisividad puede ser cualquier valor entre cero y uno, ambos incluidos. Emisividad cero indica que no importa cual sea la temperatura del cuerpo, ya que nada de luz será radiada. Una emisividad de uno indica que la superficie radiará perfectamente a todas las longitudes de onda. Los "cuerpos negros" son objetos perfectamente radiantes. Los objetos con emisividad muy próxima a uno se llaman habitualmente cuerpos negros. Un calibrador con una superficie plana y una emisividad de en torno a 0.95 se suele llamar cuerpo gris si la emisividad es uniforme para todas las longitudes de onda.

Algunos fabricantes de termómetros de radiación, sino es que la mayoría, suponen un valor constante de emisividad para cualquier objeto o fuente, es decir independiente de la temperatura y la longitud de onda. Sin embargo, en la mayoría de los casos no se cumple: la emisividad de los cuerpos en general depende tanto de su temperatura como de la longitud de onda. Solamente para un cuerpo negro ideal se cumple que el valor de su emisividad es independiente de su temperatura y de la longitud de onda.

Un cuerpo negro es una superficie ideal que emite y absorbe la radiación electromagnética con la máxima cantidad de potencia posible a una temperatura dada de acuerdo con la Ley de Planck, donde:

c 1 L es la primera constante de radiación para radiancia espectral, con valor igual a 1 ,191 042 759 x 10-16 WDm 2 Dsr 1 . λ Es la longitud de onda, en m.

c2 Segunda constante de radiación, con un valor igual a 1,4388 x 10-2 mDK .

T Temperatura del cuerpo negro, en kelvin.

LCN (λ,Τ) Es la radiación electromagnética emitida, llamada radiancia espectral porque involucra propiedades físicas de la fuente, como son:

• la potencia radiada, en W,

· el área de la fuente, en m 2 ,

• el ángulo sólido, en sr.

Dicha superficie ideal que emite y absorbe la radiación electromagnética no permite que la radiación refleje o pase a través de ella. En un iaboratorio un cuerpo negro es una larga cavidad con una pequeña apertura. La reflexión es evitada porque cualquier luz que entra a través del agujero tiene que reflejarse sobre la superficie del cuerpo muchas veces, siendo absorbida antes de escapar.

Cuando se cumple ο2/λΤ>>1, se puede emplear la ley de Wien para la radiancia espectral de un cuerpo negro:

Un cuerpo gris es una superficie que emite radiación con una emisividad constante sobre todas las longitudes de onda y temperaturas. Aunque los cuerpos grises no existen en la práctica, son una buena aproximación para la mayoría de las superficies reales.

En la actualidad existen cuerpos negros para la calibración de medidores de temperatura por radiación, principalmente, termómetros infrarrojos y equipos infrarrojos. Estos cuerpos existen de forma comercial y consisten de cavidades que por sus características físicas de construcción y por los materiales empleados logran tener un alto valor de la emisividad, variable crítica en este campo de la invención. Marcas internacionales como Land®, Hart Scientific (fluke)®, Isotech®, Wuhan Guide®, Infrared Systems®, entre otras son las más conocidas por su calidad y cuentan con intervalos de temperatura extensos. Algunos de los cuerpos negros no son cavidades, sino superficies y estos se utilizan también para calibrar termómetros de radiación y la superficie expuesta de radiación se prefiere para los termómetros infrarrojos con un ángulo de visión grande.

Los cuerpos negros existentes en formas de discos o placas, no determinan el gradiente térmico, adicional a que proporcionan medidas "puntuales" de temperatura sin abarcar la amplia gama de tamaños de matrices que involucran los equipos termográficos.

Los cuerpos negros ya existentes son útiles para la calibración de los termómetros IR, pero no para las equipos infrarrojos, dado que su principio de medición es diferente. La temperatura del termómetro infrarrojo representa el promedio de las temperaturas medidas en el círculo resultante de su ángulo de medición, mientras que la temperatura medida con el equipo infrarrojo es resultante de captar la energía radiada del cuerpo medido, representada por una matriz con valores puntuales de temperatura en X,Y.

En cuanto a los equipos arriba descritos, se tienen deficiencias que imposibilitan calibrar o caracterizar equipos infrarrojos. Para los cuerpos negros, se trata sólo de un punto de temperatura para calibrar sólo una temperatura de la cámara termográfica, no existe forma de tener un gradiente térmico conocido para calibrar las diferencias de temperatura que registra la cámara termográfica.

Para el caso de las superficies negras, aun cuando a pesar de tener gradientes térmicos, éstos no se determinan de tal suerte que no se pueden comparar con los que muestra la cámara termográfica. Por lo tanto, los equipos existentes están realmente diseñados para calibrar termómetros infrarrojos y no equipos termográficos.

Los cuerpos negros ya existentes son útiles para la calibración de los termómetros de infrarrojo (IR), pero no para las cámaras infrarrojas, dado que su principio de medición es diferente. La temperatura del termómetro infrarrojo representa el promedio de las temperaturas medidas en el círculo resultante de su ángulo de medición, mientras que la temperatura medida con la cámara termográfica es resultante de captar la energía radiada del cuerpo medido, representada por una matriz con valores puntuales de temperatura en X,Y.

En los equipos comerciales, la trazabilidad a los patrones del Sistema Internacional de Unidades, en la magnitud de temperatura se da a través de un termómetro de control.

Efectuando una búsqueda del estado de la técnica, se encontraron algunas patentes relacionadas con tecnología de infrarrojo como la solicitud de patente internacional publicada con el No. WO2008031774 de Goldammer Matthias y Heinrich Werner, del 09 de julio de 2007 la cual se refiere a un método para determinar parámetros de un componente por medio de la termografía, en el que, al menos, un componente se calienta por medio de un gas caliente. La invención se refiere además a un dispositivo para la determinación de parámetros de componentes por medio de termografía con un medio de calentamiento para calentar al menos un componente, con un sensor de temperatura para detectar por lo menos un valor de temperatura del componente, en el que el medio de calentamiento para calentar el componente es un dispositivo de emisión de gas caliente.

Se ubicó también la patente EP1726943 de Smith Kevin D del 12 de mayo del 2006 divulga un aparato de inspección que incluye una fuente de luz posicionada para dirigir la luz a una primera superficie de una pieza de trabajo. Un detector de infrarrojos está posicionada para recibir la radiación de la primera superficie. Un ordenador de adquisición y procesamiento de datos está acoplado a la fuente de luz y el detector de infrarrojos. El equipo activa la fuente de luz para emitir la luz una serie de casos.

El equipo adquiere datos térmicos del detector de infrarrojos para un número de veces después de cada uno de los casos.

El ordenador está configurado para procesar los datos usando una solución teórica para analizar los datos térmicos basados en un promedio de los datos térmicos para un número de cada uno de los correspondientes de las veces a partir de diferentes de entre las instancias.

Otros documentos localizados, de poca o nula relevancia; pero que se cita como referencia son los documentos GB1345622 y JP5093655A.

Ninguno de los documentos citados y localizados, divulgan o sugieren un sistema y método para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, como el de la presente invención.

Ante la necesidad de contar con un sistema y método para calibración de equipos termográficos e instrumentos de medición de temperatura por radiación infrarroja, que resuelva los incon enientes de los equipos y métodos de calibración existentes no aptos para equipos termográficos, fue que se desarrolló la presente invención,

OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene como uno de los objetivos primordiales, hacer disponible un sistema de calibración y/o caracterización con mayor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría que involucra una unidad de referencia con gradiente térmico, un horno que comprende a dicha unidad de referencia para generarle y controlarle su temperatura; y un método para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría. Otro objetivo de la invención es hacer disponible dicho sistema para calibración y/o caracterización con mayor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, que además permita definir y conocer el gradiente térmico requerido para calibrar las diferencias de temperatura que registran los equipos termográficos.

Otro objetivo de la invención es permitir un método para la calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, que establezca los pasos a seguir para una adecuada y precisa calibración y caracterización de dichos instrumentos, de manera efectiva y bajo los lineamientos de las normatividades vigentes con buenos valores de incertidumbre.

Otro objetivo de la invención es hacer disponible dicho método para la calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, que además permita el análisis de la temperatura para conocer las características de los equipos termográficos.

Y todas aquellas cualidades y objetivos que se harán aparentes al realizar una descripción general y detallada de la presente invención apoyados en las modalidades ¡lustradas.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL INVENTO La invención fue desarrollada para resolver principalmente el problema técnico de no poder determinar los gradientes de temperatura en un disco metálico, para con ello poder calibrar y/o caracterizar los equipos termográf icos; por lo que la presente invención aporta la determinación de las pérdidas de calor en los discos debidos a la convección térmica y la radiación. Para ello se creó un modelo de pérdida de calor en función de la temperatura utilizando las ecuaciones de Fourier de transferencia de calor, Ley de enfriamiento de Newton y la ley de Stefan-Boltzmann . Los coeficientes de transferencia de calor de convección se determinaron de las ecuaciones empíricas de convección libre en aire para placas verticales.

De manera general, el sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de conformidad con la presente invención consta de al menos un horno eléctrico con controlador de temperatura con rampa, que contiene una cavidad cilindrica de cuerpo negro con sensores de temperatura, para calibrar y dar trazabilidad a las mediciones de temperatura de termómetros infrarrojos y equipos termográficos; en donde dicha cavidad cilindrica de cuerpo negro comprende entorno a la entrada de la cavidad un disco con gradiente térmico ligado mecánicamente a la cavidad de dicho cuerpo negro y que está compuesto por una pluralidad de anillos concéntricos con sensores de temperatura que generan un perfil radial de temperaturas escalonadas por la pérdida de calor por convección y radiación en cada anillo para definir perfiles de temperatura con gradiente térmico por el contacto térmico del disco con la cavidad cilindrica de cuerpo negro que se calienta con un calefactor eléctrico; el calentamiento se propicia de la cavidad del cuerpo negro hacia el extremo de al menos uno de los anillos, provocando una pérdida de calor, mientras el calor fluye del centro hacia el extremo en menor proporción; en donde dicho horno comprende un dispositivo controlador de temperatura autoajustable con un adquisidor de datos donde se conectan los sensores de temperatura de dichos anillos concéntricos y que a su vez dicho adquisidor de datos está conectado a una PC que comprende un programa de computo matemático especializado que procesa la información para obtener así el comportamiento del horno, indicando el comportamiento de la temperatura a través del tiempo y pudiendo conocer de esta manera las variables requeridas para determinar el valor de los gradientes térmicos de los anillos; un subsistema de posicionamiento y medición para calibración y/o caracterización de equipos de medición de temperatura por telemetría dispuesto frente, a al menos, un horno que consta de una plataforma con escala longitudinal graduada como indicador de distancia que puede aproximarse al horno hasta una distancia mínima de 0,15 m y alejarse hasta una distancia de 1.5 m; y que está adaptada para montar los equipos patrón y los equipos a calibrar y medios para centrar y nivelar los equipos patrón y equipos a calibrar con el centro de la cavidad del cuerpo negro del horno;el pirómetro patrón mide la temperatura del centro de la cavidad del cuerpo negro del horno y continuamente es comparada con la temperatura mostrada en la pantalla del horno; una vez que la temperatura en el horno se logra estabilizar, se toma la lectura de la temperatura; posteriormente, pero prácticamente de manera inmediata, mientras el horno sigue estable, una cámara termográfica de referencia, toma las lecturas de temperatura de todos los objetos que puede percibir con su ángulo de visión, principalmente la cavidad cilindrica de cuerpo negro y el conjunto de anillos concéntricos ensamblados a ella; y toma una imagen infrarroja, con valores de temperatura en todos sus pixeles de su detector; pudiendo determinar con ello, gradientes térmicos con un tamaño conocido; inmediatamente, se toma lectura con el instrumento a medirse y se registra dicha temperatura para ser comparada con las temperaturas capturadas previamente por los patrones de referencia.

Los datos recolectados de los equipos patrón, de los equipos a calibrar y las temperaturas del horno, así como las lecturas de las temperaturas que definen los gradientes térmicos de los anillos concéntricos del disco, se alimenta a dicha PC y mediante el programa de computo se calibran los equipos de termografía pues con el sistema de anillos de referencia con gradiente térmico, además de conocer la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro y su trazabilidad con referencia a patrones nacionales o internacionales por medio de la calibración del pirómetro patrón y la calibración de los sensores de temperatura del sistema, permitirá conocer cómo se comporta la temperatura a lo largo de los discos de referencia. Obteniendo con ello un perfil de temperaturas que permite calibrar y/o caracterizar por comparación directa de los instrumentos de medición de temperatura por telemetría. Para caracterizar un equipo de termografía con la invención, la cámara termográfica de referencia, toma lecturas de temperatura en diferentes posiciones, siempre preferentemente se debe incluir en la medición al menos 1/8 del área del centro de la cavidad de cuerpo negro, con lo cual, el detector del equipo termográfico a medir tomará (censará) el valor máximo de temperatura en diferentes zonas de su área del detector, logrando con ello determinar el comportamiento del detector del instrumento a calibrar y con ello su caracterización en diferentes cuadrantes, determinando su comportamiento .

En la modalidad preferida de la invención, la cavidad cilindrica de cuerpo negro es cilindrica y está construida con materiales de alta conductividad térmica para proporcionar una buena transferencia térmica hacia el extremo de/los anillo que compone los discos de referencia con gradiente térmico, ocasionando con ello, una disminución de calor, conforme ésta se aleja del centro de la cavidad del cuerpo negro hacia el extremo. La cavidad cilindrica de cuerpo negro tiene la relación óptima de apertura/longitud de la cavidad para proporcionar una alta emisividad.

La cavidad cilindrica de cuerpo negro es calentada longitudinalmente a través de un calefactor eléctrico cuya finalidad es tratar de mantener estable y uniforme en un valor predeterminado de temperatura. Esta estabilidad se logra con un controlador de temperatura con rampas digital; la cavidad cilindrica de cuerpo negro incluye al menos un sensor de temperatura y un sensor de temperatura para el control de la misma. Estos sensores están calibrados e insertados en dicha cavidad, proporcionando con ello trazabilidad a patrones nacionales o internacionales. En la modalidad preferida de la invención, la cavidad cilindrica de cuerpo negro cuenta con dos sensores de temperatura tipo RTD o Termopar tipo K, dependiendo el intervalo de temperatura a medir, ubicados en la parte posterior de la cavidad del cuerpo negro. En la parte posterior de cada anillo metálico difusor térmico, se insertan, al menos, 2 sensores de temperatura preferentemente termopares y/o termómetros de resistencia. Por lo tanto, el disco con gradiente térmico, conformado por el/los anillo(s) metálico(s) difusor(es) térmico(s), cuenta con, al menos 8 sensores de temperatura calibrados, se prefiere un mayor número de sensores para lograr una mayor exactitud en las mediciones (18 sensores, incluyendo los contenidos en la cavidad de cuerpo negro). Todos los sensores proporcionan al sistema trazabilidad a patrones nacionales o internacionales. En una de las modalidades de la invención dichos anillos metálicos difusores térmicos, están hechos de un perfil cuadrangular, que tienen una superficie frontal, posterior y lateral externa; dicho anillo se caracteriza porque comprenden concentricidad, un estriado de perfil triangular en su superficie exterior de su cara frontal de trabajo que se muestran como surcos triangulares (equiláteros) en un corte transversal; una superficie posterior lisa; Al menos, dos cavidades horizontales, con respecto al eje axial del anillo, localizadas en la superficie posterior lisa; y al menos, dos sensores de temperatura incrustados en las dichas cavidades.

En otra de las modalidades de la invención, las superficies de dichos anillos metálicos difusores térmicos, concéntricos son ennegrecidas con el fin de aumentar su emisividad. Los métodos de ennegrecido dependen del material de construcción de los anillos. Para el aluminio es un anodizado oscuro, para el latón el oxidado y la pintura negra mate, para el inconel®, el oxidado de la superficie en altas temperaturas y/o la pintura negra mate.

En la modalidad preferida de la invención, al disco con gradiente térmico lo conforma, a! menos un anillo metálico difusor térmico, se prefieren cuatro anillos dispuestos concéntricamente y la cavidad cilindrica de cuerpo negro en su centro. En los anillos se crean gradientes térmicos debidos al contacto térmico del disco con la cavidad cilindrica de cuerpo negro que se calienta con un calefactor eléctrico. La transferencia de calor se transmite del centro de la cavidad del cuerpo negro hacia los extremos del disco con gradiente térmico, a través del contacto térmico del anillo de menor diámetro con la cavidad del cuerpo negro. El contacto térmico entre los anillos del disco crea una resistencia térmica que depende de la presión de contacto, el acabado superficial y las propiedades térmicas de los anillos en contacto. La resistencia térmica a su vez proporciona una diferencia de temperatura apreciable y abrupta la cual genera una serie de "escalones" de temperatura en la interface de contacto entre los anillos. Dentro de los anillos, fuera de la ¡nterfase, se crea un gradiente térmico de perfil suave en la dirección radial. Este último gradiente es debido a las pérdidas de calor por convección y radiación. Son estas características las que permiten la calibración de termómetros infrarrojos y de equipos termográficos y además la caracterización de estas últimas en lo relativo al gradiente de temperatura. En la modalidad preferida de la invención, el sistema abarca un rango de temperaturas para calibración de equipos de temperaturas entre 50°C a 800°C y para ello incluirá preferiblemente tres hornos eléctricos con controlador de temperatura con rampa digital, que dependiendo del intervalo de medición de los equipos a calibrar, se tendrá un horno para bajas temperaturas comprendidas entre 50°C a 300°C, un horno para temperaturas medias de entre 150°C a 550°C y un horno para altas temperaturas de entre 500°C a 800°C, para poder calibrar y/o caracterizar los equipos.

En la modalidad preferida de la invención, dichos hornos eléctricos con controlador de temperatura de rampa digital constan de una carcasa que resguarda y aloja en un recinto de aislamiento térmico la cavidad cilindrica de cuerpos negros a través de soportes de aislamiento térmico y exponiendo frontalmente el disco con gradiente térmico conformado por la pluralidad de anillos concéntricos a la entrada de la cavidad del cuerpo negro; comprendiendo dicha carcasa soportes inferiores donde se montan elementos disipadores de calor y que se anclan sobre un gabinete de control que aloja un dispositivo controlador de temperatura con rampa digital con pantalla de salida de datos, medios de ventilación, panel de cableado universal, elementos de fusible, interruptor y un control eléctrico general.

Los anillos de referencia con gradiente térmico concéntricos se unen a la cavidad cilindrica de cuerpo negro de manera mecánica en sus centros; una vez unidos se colocan sobre un soporte aislante de baja conductividad térmica. Para aislar térmicamente todo el ensamble de calefactor y cuerpo negro se utiliza aislante térmico alrededor del calefactor y del cuerpo negro. El aislante térmico es una fibra cerámica de baja densidad y baja conductividad térmica colocada alrededor.

El calefactor del cuerpo negro es eléctrico y cuenta con la potencia suficiente y en exceso superior a las pérdidas de calor. Es de media caña y abraza por completo al cuerpo negro. El calefactor tiene aislamiento eléctrico de mica. Está diseñado para conectarse a la red eléctrica de 220V. Cuenta con un controlador de temperatura con rampa digital, que tiene la capacidad de autoajuste para encontrar los valores óptimos de control y la capacidad de calentamiento en rampas. Tiene un manejador de potencia externo cuya capacidad depende del intervalo de temperatura del aparato.

Los 18 sensores de temperatura tanto de los anillos concéntricos como del interior del cuerpo negro, salen del horno eléctrico y se conectan al controlador que se encuentra en la parte inferior del horno, en el gabinete, mostrando la temperatura en la pantalla de salida.

El controlador de temperatura con rampa digital, tiene la capacidad de autoajuste para encontrar los valores óptimos de control y la capacidad de calentamiento en rampas. Tiene un manejador de potencia externo cuya capacidad depende del intervalo de temperatura del aparato.

A su vez, del controlador salen los sensores de temperatura a un adquisidor de datos que se encuentra adjunto a los hornos. Y una PC es conectada a dicho adquisidor y por medio de un programa de computo matemático especializado se procesa la información para obtener así el comportamiento del horno, indicando el comportamiento de la temperatura a través del tiempo y pudiendo conocer de esta manera las variables requeridas para determinar el valor de los gradientes térmicos de los anillos. Tomando como referencia la información de la guía técnica sobre trazabilidad e incertidumbre en la calibración de termómetros de radiación, a continuación se presentan procedimientos empleando el método de comparación con los siguientes casos:

caso 1. -Comparar la temperatura de radiancia de un cuerpo negro (fuente conocida caracterizada por NIST) medida por el termómetro de radiación IBC, donde la temperatura del cuerpo negro se mide con RTD de Platino hasta la temperatura de 300 °C y el termopar S de 300 °C en adelante ambos como patrones.

caso 2. -Comparar la temperatura de radiancia de una fuente conocida de radiación medida con el termómetro de radiación bajo calibración IBC, contra la temperatura de radiancia medida por un termómetro de radiación calibrado, usado como patrón de referencia. Características de los elementos del sistema de medición.

Fuentes radiantes:

En las mediciones se utilizan generalmente cinco tipos de fuentes radiantes:

Cuerpos negros con puntos fijos de la Escala Internacional de Temperatura de 1990.

Cavidad de un tubo de calor cerrada por un extremo.

Cavidad de un horno de temperatura variable con calentamiento eléctrico, de una o más zonas de calefacción.

Plato caliente de temperatura variable, con emisividad conocida. La opción elegida para la presente invención, es la cavidad de un cuerpo negro, con un arreglo adicional de al menos un anillo metálico difusor térmico (preferentemente cuatro), que conforman el disco con gradiente térmico, colocados dentro de un horno eléctrico de temperatura variable con calentamiento eléctrico de una zona de calefacción. La temperatura es controlada por medio de un control con rampas.

Requisitos para las fuentes radiantes:

• La abertura de la cavidad del cuerpo negro, o el radiador, deberá tener un diámetro cuando menos dos veces mayor que el diámetro del campo visual del IBC, a cualquiera de las distancias establecidas para la calibración.

El valor de la emisividad del cuerpo negro, que se considera como una cavidad isotérmica, no debe ser menor que 0,90.

• El valor de la emisividad de fuentes radiantes diferentes a cuerpos negros, debe tener evidencia de su validez. En consecuencia el sistema de medición es:

Una fuente de radiación (cavidad) caracterizada de apertura 38 mm, profundidad de 19 cm, intervalo entre las 3 cavidades desde 50 °C a 800 °C y un termómetro de radiación calibrado en el mismo intervalo de medida o mejor, con trazabilidad a patrones nacionales o internacionales. El equipo diseñado para calibrar y/o " caracterizar cámaras termográficas y termómetros infrarrojos es el descrito en el sistema de la presente invención, basado en una cavidad de cuerpo negro, unida con disco con gradiente térmico conformado, por al menos, un anillo metálico difusor térmico (preferentemente cuatro), tal como se ha descrito y se ; describirá a detalle en la descripción detallada de la invención (más abajo) y que se muestra en las figuras anexas.

Requisitos para la fuente radiante utilizada:

En consecuencia el sistema de medición es:

Una fuente de radiación (cavidad) caracterizada de apertura 38 rom, profundidad de 18 cm, intervalo entre las 3 cavidades desde 50 °C a 800 °C y un termómetro de radiación calibrado en el mismo intervalo de medida.

Antes de realizar una calibración se requiere saber las características y especificaciones de los siguientes elementos y así poder determinar el alcance de calibración. a) Condiciones ambientales:

Para efectuar correctamente una medición con la cámara condiciones ambientales:

1. Temperatura ambiente:

La temperatura ambiente influye en la temperatura reflejada. En muchos casos tan solo hay unos pocos grados Celsius entre la temperatura ambiente y la temperatura reflejada.

En caso de existir aire acondicionado se recomienda de flujo laminar con especificaciones de control de temperatura de 23 °C ± 3°C

2. Humedad:

La humedad relativa debe ser baja para prevenir la condensación en la cavidad y los platos de gradiente térmico a medir, en el filtro protector de la lente o en la lente misma.

3. Corrientes de aire:

Una corriente de aire puede afectar la cavidad o los platos puesto que la convección arrastra el calor de un objeto cálido y la transfiere a un objeto frío hasta que las temperaturas del aire y del objeto se han igualado.

4. Luz:

La luz no tiene un impacto significativo en la medición con una cámara termográfica. En principio, también se podrían efectuar mediciones en la oscuridad. No obstante, algunas fuentes de luz emiten radiación infrarroja y por tanto afectan a la temperatura de los platos. Por lo que, no se deberían efectuar mediciones cerca de un foco incandescente. Los LEDs o las luces de neón, por el contrario, no presentan este tipo de problema porque emiten la mayor parte dé la energía recibida en forma de luz visible y no como calor radiante.

En modo general se recomienda tener monitoreado y controlado los valores de temperatura y humedad.

Para el buen cuidado y funcionamiento de los instrumentos no se debe exceder de los límites de tolerancia debido a que los componentes electrónicos internos dependen de la temperatura y humedad para que tengan un buen funcionamiento.

Aquí es importante notificar que la alimentación eléctrica con que operan los diferentes equipos, sea la correspondiente en tensión y frecuencia, ya que pueden existir diferencias entre las especificaciones de los fabricantes; por ello se recomienda contar con un sistema de protección y regulación para el equipo electrónico. b) Patrones: Conocer su exactitud (errores y su incertidumbre), alcance de medición, unidades de medición, emisividad o radiancia de la superficie de los discos con gradiente térmico y de la cavidad de cuerpo negro, resolución óptica y vigencia de calibración. c) Medios de reproducción de Temperatura: Horno eléctrico (que contiene entre otros elementos a la cavidad cilindrica de cuerpo negro y disco con gradiente térmico, conformado por al menos un anillo concéntrico (se prefieren cuatro)). Que estos se encuentren caracterizados en temperatura, emisividad o radiancia de la superficie del disco con gradiente térmico e información de distancias a las cuales fueron medidos, evidencia de informe o certificado de medición o calibración.

Determinado el intervalo de temperaturas, lugar y dimensiones donde se ubican los instrumentos. d) Subsistema de posicionamiento y medición

Que la plataforma cuente con lo necesario para colocar, fijar y nivelar los instrumentos a calibrar, esta cuenta con: e) Accesorios: Todo aquello que no tiene que ver directamente pero que ayuda a realizar la calibración, como estructuras, soportes, sujetadores, artículos para limpieza de ópticas.

El método de calibración y/o caracterización con mayor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de conformidad con la presente invención, consta de los siguientes pasos sugeridos, mas no limitativos: a) Recabar información del instrumento a calibrar;

b) Limpiar el instrumento a medir, como termómetro infrarrojo de radiación o cámara termográfica;

c) Acondicionar el horno eléctrico a utilizar, en base al intervalo de medición del instrumento a medir IBC. Según la siguiente tabla:

d) Realizar y registrar una inspección visual;

e) Calibrar y/o caracterizar los instrumentos de medición de temperatura por telemetría.

Proceso de calibración

Cuando el instrumento a medir pasa satisfactoriamente la inspección visual y no hay inconveniente para realizar la calibración, se procede a:

1) Encender el horno eléctrico y con ayuda del controlador de temperatura con rampa digital, se programa con la primer temperatura solicitada a calibrar;

2) Esperar el tiempo suficiente para que llegue a su estabilidad el horno eléctrico; la rampa del controlador de temperatura permite que el horno se mantenga estable por un tiempo considerable y adecuado para realizar las mediciones de temperatura con los diversos equipos de medición: equipos patrón e instrumento a medir;

3) Colocar en el subsistema de posicionamiento y medición tanto los equipos patrón o de referencia como el instrumento a medir

IBC, revisando que ambos instrumentos de medición tengan la misma emisividad programada.

4) Ubicar el soporte a la distancia adecuada y elegida, en base al campo visual y alinear y nivelar con dirección hacia la cavidad cilindrica de cuerpo negro del horno eléctrico.

5) Se realiza una prueba de posicionamiento, si es posible y el instrumento a medir lo permite, con un apuntador láser se hace la prueba de alineación, asegurando que los centros tanto de los equipos patrón, como del instrumento a medir IBC y el centro de la cavidad cilindrica de cuerpo negro queden alineadas con referencia a su centro.

6a) Para el caso de calibrar termómetros de radiación infrarroja, las lecturas se tomarán de la siguiente manera: (LP-L IBC- L IBC ,-LP-LP- L IBC - L IBC -LP-LP- L IBC - L IBC -LP), como se muestran en la siguiente tabla:

Donde:

Lp corresponde a la lectura del pirómetro patrón.

L IBC corresponde a la lectura del instrumento a calibrar. 6b)Para el caso de calibrar equipos o cámaras termográficas, las lecturas se tomarán de la siguiente manera: (LP- Cp - L IBC- L IBC - Cp - LP-LP- Cp - L IBC - L IBC - Cp - LP - LP- Cp - L IBC - L IBC - Cp -LP), como se muestran en la siguiente tabla:

Donde:

Cp corresponde a la lectura de la cámara termográfica patrón.

7) Se anota también al principio, como al final de cada punto de medición la temperatura ambiente cercana al instrumento IBC. También se considera el registro del valor de la emisividad a la cual se está trabajando, spot utilizado, distancia real de posición a la cavidad cilindrica del cuerpo negro y su respuesta espectral del instrumento IBC.

8) Medir con los diferentes instrumentos de medición: En este momento, el pirómetro patrón mide la temperatura del horno eléctrico, y se registra de manera manual en una PC, cuando la temperatura mostrada en la pantalla de salida de datos ha sido estabilizada. Acto, seguido, se mide la temperatura con una cámara termográfica patrón y se registra de manera manual y se toma una imagen termográfica con una cámara termográfica patrón, la cual se almacena en su memoria interna y descargada posteriormente en una PC y finalmente el instrumento a medir, como: termómetros infrarrojos o cámaras termográficas mide la temperatura del horno eléctrico, y se registra de manera manual en una PC.

9) Repetir esta serie de pasos como mínimo cinco veces y llevar acabo los correspondientes registros de temperatura.

10) Las mediciones de temperatura provenientes de los sensores, ubicados en la parte posterior tanto de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos, como de los sensores de la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2, son adquiridas electrónicamente mediante el adquisidor de datos y transmitidos de manera electrónica a una PC.

11) Los datos recolectados de los equipos patrón, de los instrumentos a medir y los sensores de temperaturas del horno eléctrico, así como las lecturas de las temperaturas que definen los gradientes térmicos (tomadas con la cámara termográfica patrón) de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos del disco con gradiente térmico, se alimenta a dicha PC y mediante el programa de computo, se realizan los cálculos matemáticos necesarios para determinar el comportamiento del instrumento a medir, tomando como método de calibración el de comparación directa, pues con el sistema de anillos metálicos difusores térmicos concéntricos , ubicados en el disco con gradiente térmico, además de conocer la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro y su trazabilidad con referencia al pirómetro patrón, permite conocer el tamaño del gradiente térmico y por lo tanto, se podrán caracterizar los equipos o cámaras termográficos, pues se conoce el comportamiento de la temperatura a lo largo del disco con gradiente térmico. Obteniendo con ello un perfil de temperaturas radial partiendo del centro de la cavidad cilindrica del cuerpo negro, hasta el extremo del disco con gradiente térmico;

12) En caso de que el instrumento a medir sea una cámara termográfica, específicamente hablando, se considera este paso adicional para realizar la caracterización de la misma y se realiza de la siguiente manera:

i) La cámara termográfica patrón, toma una imagen termográfica, captando con ello, lecturas de temperatura del frente de horno eléctrico, en diferentes posiciones, siempre preferentemente se debe incluir en la medición al menos 1/8 del área del centro de la cavidad cilindrica de cuerpo negro, con lo cual, el detector del equipo termográfico a medir tomará (censará) el valor máximo de temperatura en diferentes zonas de su área del detector, logrando con ello determinar el comportamiento del detector del instrumento a calibrar y con ello su caracterización en diferentes cuadrantes, determinando su comportamiento .

ii) Después de tomada la imagen termográfica, se almacena en la memoria interna y descargada posteriormente en una PC.

iii) Esta toma de imágenes termográficas se realiza por lo menos cuatro veces en diferentes posiciones abarcando al menos 1/8 del área del centro de la cavidad de cuerpo negro.

iv) Elaborar el certificado de calibración de manera electrónica, considerando todos los datos adquiridos por medio del adquisidor de datos y transferidos a la PC. Este documento involucra dar a conocer las mediciones tomadas durante el proceso de calibración, así como las desviaciones que el instrumento a medir tenga con referencia a los equipos patrón, precisando el error que éste tiene y su incertidumbre asociada en base a las variables que tuvieron afectación sobre la medición durante el proceso de calibración.

La incertidumbre estimada que se le asocia al método cuando la calibra en temperatura es:

ect ~ ¾t* ~~ ~~

Donde:

ect es el error de la cámara termográfica obtenido en la calibración .

tct es la lectura de temperatura de la cámara termográfica en condiciones de repetibilidad . La incertidumbre que interviene es la de repetibilidad del instrumento y la resolución.

ce es la corrección de la emisividad cuando no se puede ajustar en la cámara termográfica para igualarla a la de la cavidad cilindrica de cuerpo negro. La incertidumbre de este parámetro está determinada por la incertidumbre de la emisividad efectiva de la cavidad cilindrica de cuerpo negro, a partir de la emisividad de las paredes del mismo.

f c p es la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro obtenida con referencia a el pirómetro patrón. La incertidumbre se calcula en base a la calibración del pirómetro patrón de referencia y a los errores de medición de temperatura (uniformidad, transferencia de calor) La incertidumbre estimada que se le asocia al método cuando la calibración se lleva a cabo en diferencias de temperatura (gradiente térmico) es: Donde:

ea&, es el error en la diferencia de temperatura medida con la cámara termográfica y las diferencias de temperatura observadas en el disco con gradiente térmico, entre dos posiciones determinadas del mismo.

es la diferencia promedio de temperatura medidas con la cámara termográfica entre dos posiciones determinadas del disco con gradiente térmico.

&t d, es la diferencia de temperatura promedio determinadas con termopares arreglados en forma diferencial entre dos puntos en posiciones determinadas del disco con gradiente térmico.

Para el intervalo de temperatura del método va de 50 °C a 800 °C y se han dividido los materiales de construcción en tres: aluminio, latón e inconel® para los subintervalos de 50 °C a 350 °C, 150 °C a 550°C y 500°C a 800 °C, respectivamente. La principal razón para la selección de estos materiales está en función de su alta conductividad térmica y estabilidad en los respectivos intervalos de temperatura. Para esto, la siguiente tabla muestra el alcance de medición de la presente invención, para la calibrar y/o caracterizar cámaras termográficas y termómetros infrarrojos. No. Horno 1 (baja T) Horno 2 (media T) Horno 3 (alta T)

No. Temperaturas a calibrar 50 * C a 300°C 150"C a 550°C 500°C a 800°C

1 50°C

2 150°C

3 250°C

4 350°C

5 500'C

6 550°C

7 650°C

8 800°C

La principal característica de le presente invención, es el uso de un disco con gradiente térmico, que está ligado mecánicamente a la cavidad cilindrica del cuerpo negro. Los gradientes de temperatura en el disco con gradiente térmico se producen por dos principales factores: el uso de al menos un anillo metálico difusor térmico concéntrico, preferentemente cuatro anillos metálicos difusores térmicos concéntricos que conforman el disco, unido a la cavidad cilindrica del cuerpo negro, cuya finalidad es crear "escalones" en el perfil de temperatura radial y la pérdida de calor por convección y radiación en cada anillo para dar perfiles de temperatura con poca pendiente. Son estas características las que permiten la caracterización de cámaras en lo relativo al gradiente de temperatura.

La configuración del disco con gradiente térmico conformado por al menos un anillo metálico difusor térmico, concéntricos se describe en la descripción detallada.

Los gradientes térmicos se cuantifican de la forma siguiente: Gradiente = ΔΤ/AL

Donde:

ΔΤ es la diferencia de temperatura entre dos puntos consecutivos y AL es la distancia entre esos dos puntos consecutivos. La diferencia de temperatura se mide principalmente con termopares calibrados.

La distancia entre dos puntos consecutivos se conoce desde el diseño y construcción de los anillos metálicos difusores térmicos.

Ejemplo del cálculo dé las compensaciones introducidas por un termómetro de radiación que opera a un ajuste de emisividad distinto de 1.

En la literatura se pueden encontrar varias propuestas para determinar una compensación al valor de temperatura medido de un objeto que no es un cuerpo negro, en función de su emisividad y su temperatura.

En general, el valor de la emisividad suele variar para las diferentes longitudes de onda del espectro emitido por una fuente de radiación y para las diferentes temperaturas a las que la fuente se pueda encontrar.

Sin embargo, se puede determinar un valor de emisividad promedio de la fuente de radiación para la banda de respuesta espectral del patrón y del IB C que pueda manejarse como si fuera independiente de las longitudes de onda de esa banda.

Con un valor de emisividad tal, la señal de salida B(T) que produce la radiancia de una fuente de radiación que no es un cuerpo negro, se compensa mediante el cociente de esa señal y esa emisividad:

B'(T) = B(T)/ ε

De esta manera, se obtiene un valor de señal que sería equivalente al de un cuerpo negro que se encuentra a la misma temperatura del objeto que se mide y con este valor determinar el valor de la temperatura de la fuente.

Cálculo y estimación de Incertidumbre Se obtienen de los datos de las mediciones calculando las correspondientes medias (promedios) del patrón, y el instrumento a calibrar. Además si existió alguna corrección, ésta se suma al valor del promedio para obtener el valor final. Error de medida. Es igual a la diferencia del instrumento(C) a calibrar y del patrón (P).

Error=L I bc-LP

El proceso de calibración implica encontrar la diferencia entre. el calibrando y patrón. Por lo cual se encuentra un "error"; este valor tiene signo y se le asocia una incertidumbre. A diferencia del proceso de medición exclusivamente, a éste se le asocia un valor de Incertidumbre de la medición. Es decir después de hacer una corrección al valor indicado éste tiene una incertidumbre de medición. En ocasiones no es práctico realizar la corrección y la incertidumbre de la medición se estima como la suma algebraica del error y la incertidumbre del error.

También en la calibración de un instrumento de medición se parte de que el Patrón (P) tiene una incertidumbre mas pequeña que la del calibrando (C), por ello en la combinación de las incertidumbres se puede estimar que el resultado tiende a la incertidumbre del calibrando; asi que si se realiza una corrección al instrumento la incertidumbre del error es equivalente a la incertidumbre de la medición (en las condiciones de calibración)

Incertidumbre de medida:

Adicionalmente al error se le asocia el valor de la incertidumbre. Este parámetro nos permite evaluar la calidad de la medición, indicado por un intervalo, en cual tenemos la certeza de que se encuentre el valor convencionalmente verdadero. En la incertidumbre repercuten todos los medios que influyeron en la medición, aclarando que también la calidad del termómetro a calibrar tiene consecuencias en sobre este valor!

Incertidumbre

Incertidumbre tipo A. Obtenida por métodos estadísticos y expresado en función de la desviación estándar muestral de la media (σχ) .

σ τ =t

Donde:

σ Desviación estándar típica y n el número de muestras Incertidumbre tipo B. Debido a la información recopilada por datos no estadísticos.

Especificación

u,

2V3

1.- Incertidumbre de resolución del IBC. Resolución pantalla de desplegados del IBC

resolución IBC

2V3

2.- Incertidumbre mediciones repetidas del IBC. Obtenida por métodos estadísticos y expresado en función de la desviación estándar muestral de la media (σχ). σ

u 2 =t

n

3.- Incertidumbre por compensación de ajuste de emisividad del IBC.

Se debe usar este esquema cuando el IBC opera a un valor de emisividad fijo (distinto al de la fuente) y se debe calcular la compensación Δ( sIBC) que el termómetro introduce en el valor desplegado de la temperatura medida. compensación emisividad IBC

U 3 =

2/3

4.-lncertidumbre por la calibración de la fuente radiante temperatura:

certificado - fuente

5.-lncertidumbre por la calibración de la fuente radiante emisividad:

certificado - fuente

6.- Incertidumbre por A (área de radiación), ε (emisividad) y φ (radianza total). Incertidumbre de medición del pirómetro a calibrar por la incertidumbre de la radianza espectral y la emisividad a partir de la ecuación de Stefan Boltzmann: U A =k A -A U 4 =k 4 -≠ si

Donde:

ki son las ¡ncertidumbres relativas en porcentaje del Área, emisividad y radiancia total respectivamente y estiman en un nivel de confianza a 1σ.

t la temperatura de medición .

Observando que el coeficiente de sensibilidad para este modelo es de 1/4

7. -Incertidumbre por la calibración del termómetro de radiación:

certificado - fuente

8.- Incertidumbre mediciones repetidas del patrón: Obtenida por métodos estadísticos y expresados en función de la desviación estándar muestral de la media (σχ).

9. -Incertidumbre por la variación de temperatura ambiente sobre el sistema-condición ambiental: Es provocada por los cambios de temperatura del sistema aire acondicionado por la convección forzada del aire en el área de calibración y la fuente de radiación. Se muestra una ecuación de diferencias de temperatura entre la fuente y el ambiente.

10.- Incertidumbre por calibrar el pirómetro en puntos diferentes a los que se calibro el patrón. Cuando se mide en puntos diferentes se estima a partir de una ecuación lineal, ésta a su vez tiene una incertidumbre.

Donde:

t es la temperatura del punto de calibración.

At es la diferencia de temperatura de los puntos calibrados en el patrón.

Umax es la incertidumbre máxima de los puntos de calibración del patrón.

Aplica cuando en la calibración se asigna este modelo. Incertidumbre tipo B. Para la presente invención, se concluye que el cálculo de incértidumbre estimado para calibración y/o caracterización de equipos termográficos se define de la siguiente manera:

1. Calibración en temperatura: Cuando la cámara termográfica se calibra en temperatura usando la cavidad cilindrica de cuerpo negro para la temperatura patrón de referencia y la lectura en temperatura que se obtiene en la cámara termográfica se tiene: Donde:

ect es el error de la cámara termográfica obtenido en la calibración .

es la lectura de temperatura de la cámara termográfica en condiciones de repetibilidad . La incértidumbre que interviene es la de repetibilidad del instrumento y la resolución.

ce es la corrección de la emisividad cuando no se puede ajusfar en la cámara termográfica para igualarla a la de la cavidad cilindrica de cuerpo negro. La Incértidumbre de este parámetro está determinada por la Incértidumbre de la emisividad efectiva de la cavidad cilindrica de cuerpo negro, a partir de la emisividad de las paredes del mismo.

es la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro obtenida con referencia al pirómetro patrón. La incértidumbre se calcula en base a la calibración del pirómetro patrón de referencia y a los errores de medición de temperatura (uniformidad, transferencia de calor) 2. Calibración en diferencias de temperatura (gradiente térmico)

Cuando se calibran las diferencias de temperatura observada en la cámara termográfica contra las diferencias de temperatura medidas en el disco se tiene el siguiente modelo de medición.

Donde:

¾, es el error en la diferencia de temperatura medida con la cámara termográfica y las diferencias de temperatura observadas en el disco, entre dos posiciones determinadas del mismo.

&t ct, es la diferencia promedio de temperatura medidas con la cámara termográfica entre dos posiciones determinadas del disco.

& t d, es la diferencia de temperatura promedio determinadas con termopares arreglados en forma diferencial entre dos puntos en posiciones determinadas del disco.

c &t d , son las correcciones de diferencia de temperatura determinadas por factores de instalación de los termopares, correcciones de la sensibilidad debida a la temperatura, factores de transferencia de calor por convección.

CP é , son las correcciones de las posiciones geométricas de los termopares en el disco y las determinadas por la interpolación de los gradientes de temperatura entre dos puntos.

Cf , son las correcciones debidas a la emisividad tales como los cambios en la misma debidos a la temperatura. Para comprender mejor las características de la presente invención se acompaña a la presente descripción, como parte integrante de la misma, los dibujos con carácter ilustrativo más no limitativo, que se describen a continuación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra una vista en perspectiva convencional del sistema de calibración y/o caracterización con mejor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de conformidad con la presente invención.

La figura 2 muestra una vista en perspectiva convencional del sistema de calibración y/o caracterización con mejor exactitud de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, en la modalidad de tres hornos eléctricos con controlador de temperatura con rampa digital, para calibración y/o caracterización de equipos de medición en tres intervalos de temperatura diferentes.

La figura 3 muestra en perspectiva anterior un explosivo de un horno eléctrico con controlador de temperatura con rampa digital, del sistema de la invención, que contienen una cavidad cilindrica de cuerpo negro y disco con gradiente térmico, de conformidad con la presente invención. La figura 4 muestra en perspectiva anterior un horno eléctrico con controlador de temperatura con rampa digital del sistema de la invención, que contiene— una cavidad cilindrica de cuerpo negro y disco con gradiente térmico, de conformidad con la presente invención.

La figura 5 ilustra en perspectiva posterior un horno eléctrico con controlador de temperatura con rampa digital del sistema de la invención, que contiene una cavidad cilindrica de cuerpo negro y disco con gradiente térmico, de conformidad con la presente invención.

La figura 6 ilustra una perspectiva convencional de la cavidad cilindrica del cuerpo negro con el disco de gradiente térmico ligado mecánicamente.

La figura 7 muestra un despiece de la cavidad cilindrica del cuerpo negro demostrando el montaje de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos de diferentes diámetros que conforman el disco de gradiente térmico.

La figura 8 ilustra un corte transversal de un anillo metálico difusor térmico concéntrico de los que conforman el disco de gradiente térmico, mostrando los barrenos topados, para los sensores de temperatura y el estriado de la superficie frontal de trabajo . Para una mejor comprensión del invento, se pasará a hacer la descripción detallada de alguna de las modalidades del mismo, mostrada en los dibujos que con fines ilustrativos mas no limitativos se anexan a la presente descripción.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO Los detalles característicos del sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría, de conformidad con la presente invención, se muestran claramente en la siguiente descripción y en los dibujos ilustrativos que se anexan, sirviendo los mismos signos de referencia para señalar las mismas partes.

Haciendo referencia a las figuras 1 y 3 a 7, el sistema para calibración y/o caracterización de instrumentos de medición de temperatura por telemetría consta de un horno eléctrico 1 con controlador de temperatura con rampa digital 14 que contiene una cavidad cilindrica de cuerpo negro 2 con sensores de temperatura 3 (ver figuras 6 y 7), para calibrar y dar trazabilidad a las mediciones de temperatura de los equipos a calibrar, como termómetros infrarrojos y cámaras termográficas; en donde dicha cavidad cilindrica de cuerpo negro 2 comprende entorno a su entrada un disco con gradiente térmico 4 ligado mecánicamente a la cavidad cilindrica de dicho cuerpo negro 2 y que está compuesto por, al menos un anillo metálico difusor térmico concéntrico 5, con al menos, dos sensores de temperatura (no mostrados)en su parte posterior lisa, insertados en al menos, dos barrenos topados 26, ubicados horizontalmente, con respecto al eje axial de la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2 y equidistantes a su centro, insertados en ambos lados, que generan un perfil radial de temperaturas escalonadas por la pérdida de calor por convección y radiación en cada anillo metálico difusor térmico concéntrico 5 para definir perfiles de temperatura con gradiente térmico por el contacto térmico del disco con gradiente térmico 4 con la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2.

Con referencia a las figuras 3 a 5 dicho horno eléctrico 1 de control de temperatura con rampa digital, consta de una carcasa 6 definida por una tapa superior 6a y una tapa inferior 6b cóncavas, que resguarda y aloja en un recinto de aislamiento térmico 7 la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2 a través de soportes anulares de aislamiento térmico 8 y medios de fijación 9; en donde dicha cavidad cilindrica de cuerpo negro 2 se calienta por un calefactor eléctrico 10 (mostrados como dos mitades semicirculares que la abraza) y exponiendo frontalmente dicho disco con gradiente térmico 4; comprendiendo dicha carcasa 6 soportes inferiores 11 donde se montan elementos disipadores de calor 12 y que se anclan sobre un gabinete de control 13 que aloja un dispositivo controlador de temperatura con rampa digital 14 con pantalla de salida de datos 15, medios de ventilación 16, un panel de cableado universal 17, elementos de fusible 18, un interruptor 19 y un control eléctrico general 20. Dicho dispositivo controlador de temperatura con rampa digital 14 comprende un adquisidor de datos (no mostrado) donde se conectan los sensores de temperatura de dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5 del disco con gradiente térmico 4 y que a su vez dicho adquisidor (no mostrado) de datos está conectado a una PC 21 que comprende un programa de computo matemático especializado que procesa la información para obtener así el comportamiento del horno eléctrico 1, indicando el comportamiento de la temperatura a través del tiempo y pudiendo conocer de esta manera las variables requeridas para determinar el valor de los gradientes térmicos de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5.

Un subsistema de medición 22 para calibración de equipos de medición de temperatura por telemetría (no mostrados) dispuesto frente a dicho horno eléctrico 1 que consta de una plataforma 23 con escala longitudinal graduada 24 como indicador de distancia que puede aproximarse al horno eléctrico 1 hasta una distancia mínima de 0,15 m y alejarse hasta una distancia de 1,5 m; y que está adaptada para montar los equipos patrón (no mostrados) y los equipos a calibrar (no mostrados) y medios para centrar y nivelar (no mostrados) los equipos patrón y equipos a calibrar con el centro de la cavidad cilindrica del cuerpo negro 2 del horno eléctrico 1, con los que se toman diferentes lecturas de temperatura, una vez que la temperatura en el horno eléctrico 1 es estabilizada.

En este momento, el pirómetro patrón (no mostrado) mide la temperatura del horno eléctrico 1, y se registra de manera manual en una PC 21 , cuando la temperatura mostrada en la pantalla de salida de datos 15 ha sido estabilizada. Acto seguido, se mide con la cámara termográfica patrón (no mostrada) la temperatura y se registra de manera manual y se toma una imagen termográfica con una cámara termográfica patrón (no mostrada), la cual se almacena en su memoria interna (no mostrada) y descargada posteriormente en una PC 21 y finalmente el instrumento a medir, como: termómetros infrarrojos (no mostrados) o cámaras termográficas (no mostradas) mide la temperatura del horno eléctrico 1, y se registra de manera manual en una PC 21. Esta serie de pasos es repetida como mínimo cinco veces. Las mediciones de temperatura provenientes de los sensores (no mostrados), ubicados en la parte posterior tanto de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5, como de los sensores (no mostrados) de . la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2, son adquiridas electrónicamente mediante el adquisidor de datos (no mostrado) y transmitidos de manera electrónica a una PC 21.

Los datos recolectados de los equipos patrón, de los instrumentos a medir y los sensores (no mostrados) de temperaturas del horno eléctrico 1, así como las lecturas de las temperaturas que definen los gradientes térmicos (tomadas con la cámara termográfica patrón) de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5 del disco con gradiente térmico 4, se alimenta a dicha PC 21 y mediante el programa de computo, se realizan los cálculos matemáticos necesarios para determinar el comportamiento del instrumento a medir, tomando como método de calibración el de comparación directa, pues con el sistema de anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5, ubicados en el disco con gradiente térmico 4, además de conocer la temperatura de la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2 y su trazabilidad con referencia al pirómetro patrón, permite conocer el tamaño del gradiente térmico y por lo tanto, se podrán caracterizar los equipos o cámaras termográficos, pues se conoce el comportamiento de la temperatura a lo largo del disco con gradiente térmico 4. Obteniendo con ello un perfil de temperaturas radial partiendo del centro de la cavidad cilindrica del cuerpo negro 2, hasta el extremo del disco con gradiente térmico 4.

En caso de que el instrumento a medir sea una cámara termográfica (no mostrada), se considera un paso adicional para realizar la caracterización de la misma y se realiza de la siguiente manera: La cámara termográfica patrón (no mostrada), toma una imagen termográfica, captando con ello, lecturas de temperatura del frente de horno eléctrico 1, en diferentes posiciones, siempre preferentemente se debe incluir en la medición al menos 1/8 del área del centro de la cavidad cilindrica de cuerpo negro 2, con lo cual, el detector interno del equipo termográfico (no mostrado) a medir tomará (censará) el valor máximo de temperatura en diferentes zonas de su área del detector, logrando con ello determinar el comportamiento del detector del instrumento a calibrar y con ello su caracterización en diferentes cuadrantes, determinando su comportamiento. Después de tomada la imagen termográfica, se almacena en la memoria interna y descargada posteriormente en una PC 21. Esta toma de imágenes termográficas se realiza por lo menos cuatro veces en diferentes posiciones abarcando al menos 1/8 del área del centro de la cavidad de cuerpo negro 2.

Por último, se elabora el certificado de calibración de manera electrónica en la PC 21, considerando todos los datos adquiridos por medio del adquisidor de datos (no mostrados) y transferidos previamente a la PC 21. El certificado de calibración involucra dar a conocer las mediciones tomadas durante el proceso de calibración, así como las desviaciones que el instrumento a medir (no mostrado) tenga con referencia a los equipos patrón (no mostrados), precisando el error que éste tiene y su incertidumbre asociada en base a las variables que tuvieron afectación sobre la medición durante el proceso de calibración. La incertidumbre matemática estimada que se le asocia al método cuando la calibración es en temperatura es: e c — f -¾ ~ c s— £ P y La incertidumbre matemática estimada que se le asocia al método cuando la calibración se lleva a cabo en diferencias de temperatura (gradiente térmico) es:

El horno eléctrico 1 estará soportado sobre una plataforma 25 dispuesto colinealmente con respecto a la plataforma 23 del subsistema de medición 22 para calibración de equipos de medición de temperatura por telemetría.

Los tipos de cavidades cilindricas de cuerpos negros 2, que se utilizar en la presente invención, son aquellos que tengan preferentemente las características de la sig. Tabla:

La principal razón para la selección de estos materiales está en función de su alta conducti idad térmica y estabilidad en los respectivos intervalos de temperatura, así como condiciones óptimas de operación. Con referencia a la figura 2, el sistema incluye tres hornos eléctricos 1 con controlador de temperatura con rampa digital 14, que dependiendo del Intervalo de medición de los equipos a calibrar, se tendrá un horno eléctrico 1a para bajas temperaturas comprendidas entre 50°C a 300°C, un horno eléctrico 1b para temperaturas medias de entre 150°C a 550°C y un horno eléctrico 1c para altas temperaturas de entre 500°C a 800°C, todos soportados en la plataforma 25, para poder calibrar y/o caracterizar los equipos en rangos de temperatura entre 50°C a 800°C.

Donde el material de que está hecho el anillo metálico difusor térmico 5 de la presente invención, depende de la temperatura de operación del horno eléctrico 1, como se muestra en la sig. Tabla:

Con referencia a las figuras 6 a 8, el disco con gradiente térmico 4 se forma por al menos un anillo metálico difusor térmico concéntrico 5, en la presente invención se prefieren, al menos, cuatro anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5a, 5b, 5c y 5d, ensamblados mecánicamente en el disco con gradiente térmico 4, que en su modalidad preferida tiene los siguientes diámetros:

Cada uno de dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5a, 5b, 5c y 5d comprenden cuatro barrenos topados 26 dispuestos diametralmente y horizontales al eje axial, para alojar al menos a dos sensores de temperatura (no mostrados), en la presente invención se prefieren cuatro sensores de temperatura (no mostrados), para la toma de temperatura de los puntos para cada anillo metálico difusor térmico concéntrico 5a, 5b, 5c y 5d. En donde los sensores de temperatura consisten en termopares tipo "J" o "T".

Para cuantificar los gradientes térmicos se miden las temperaturas de los termopares de cada anillo metálico difusor térmico concéntrico 5a, 5b, 5c y 5d. El gradiente de temperatura se genera en forma radial en el disco con gradiente térmico 4 compuesto por dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5a, 5b, 5c y 5d. Los gradientes térmicos se cuantifican de la forma siguiente:

Gradiente= ΔΤ/Δί

Donde ΔΤ es la diferencia de temperatura entre dos puntos consecutivos y AL es la distancia entre esos dos puntos consecutivos. La diferencia de temperatura se mide principalmente con termopares calibrados ubicados en la parte posterior de los anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5. La distancia entre dos puntos consecutivos se conoce desde él diseño y construcción de dichos anillos metálicos difusores térmicos concéntricos 5.

En la figura 7 se aprecia que la cavidad cilindrica del cuerpo negro 2 comprende un inserto de tapa 2a para obturar el extremo posterior o fondo de ¡a cavidad cilindrica del cuerpo negro 2, y que tiene una forma cóncava en su cara exterior; dicha cara cóncava se posiciona dentro de la cavidad cilindrica del cuerpo negro 2. Los barrenos laterales donde se disponen los sensores de temperatura 3 en dicha cavidad cilindrica d cuerpo negro 2, son de 50 mm a 100 mm y preferiblemente de 50 m m .

En la figura 8 se muestra que dichos anillos concéntricos 5 comprenden un estriado de perfil triangular 27 en su superficie exterior de su cara frontal de trabajo 28 que se muestran como surcos triangulares (equiláteros) en corte transversal y que evitan reflejos en la misma.

El invento ha sido descrito suficientemente como para que una persona con conocimientos medios en la materia pueda reproducir y obtener los resultados que mencionamos en la presente invención. Sin embargo, cualquier persona hábil en el campo de la técnica que compete el presente invento puede ser capaz de hacer modificaciones no descritas en la presente solicitud, sin embargo, si para la aplicación de estas modificaciones en una estructura determinada o en el proceso de manufactura del mismo, se requiere de la materia reclamada en las siguientes rei indicaciones, dichas estructuras deberán ser comprendidas dentro del alcance de la invención.