Guía Práctica Calibración Canal de Medición de Temperatura 4 Elementos,...

METROLÓGICA, C.A.GP-C-CMT-02

GUÍA PRÁCTICA PARA LA CALIBRACIÓNDE CANAL DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA DE 4 ELEMENTOS

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Proceso de CalibraciónCanal de Medición de Temperatura de 4 Elementos

Canal de medición de temperatura de cuatro elementos representados por el elemento primario, un transmisor de temperatura para cabezal de montaje, tarjeta analógica del Control Lógico Programable “PLC” y la indicación de temperatura en pantalla del sistema supervisorio.

Figura N°2, Los componentes que inciden en la función de medición del canal de temperatura son: El elemento primario (Pt100), el transmisor indicador de temperatura, el “PLC” y la indicación en el monitor del sistema supervisorio, en donde la salida de control del PLC y el EFC (motor M02) forman parte del lazo de control completo.

1. Datos del Canal de Medición de Temperatura

Elemento primario conformado por una termoresistencia tipo Pt100 de tres hilos, clase de exactitud “B” o estándar industrial, EMP = +/-(0,3+(0,005*t)

Transmisor indicador de temperatura para Pt100 (3 hilos), clase de exactitud 0,1 % del intervalo de medición, rango de medición (-100 a 300) °C, salida por lazo de corriente de (4 a 20) mA

Tarjeta analógica del PLC de exactitud desconocida Indicación de la temperatura en el monitor del sistema supervisorio, resolución 1 °C Rango general de temperaturas de trabajo (-20 a 60) °C

2. Datos del Patrón

Clase de exactitud: 0,05 Incertidumbre de la medición: +/-(0,05 % RDG + 0,02 ohm), esta ecuación de

incertidumbre, toma en cuenta la incertidumbre debida a la resolución, histéresis, repetibilidad y no linealidad

Adicione 0,020 ohm si usa tres hilos Resolución: 0,01 °C

Temperatura de operación: (-10 a 50) °C

Humedad de operación: (0 a 80) % RH



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3. Datos del proceso

Temperatura de control o punto de control: 100 °C Tolerancia: +/- 1,5 °C

4. DESARROLLO

Para someter la termoresistencia a las temperaturas controladas de calibración, se deberá desconectar los cables de transmisión de la termoresistencia para luego extraerla del termopozo e introducirla en el orificio de inserción del bloque de calibración, luego se conectaran cables de extensión especiales para calibración para conectar la termoresistencia a los cables de transmisión, tal y como se muestra en la figura Nº 1, de esta manera las lecturas de las temperaturas generadas en el bloque de calibración se efectuaran en el monitor del sistema supervisorio.

Para el momento de la calibración, la resolución del monitor será la única fuente de incertidumbre que aporte el canal de medición, el resto es aportado por el patrón y las fuentes externas que en este caso se consideran no significativas. De igual forma se sabe que la incertidumbre que suministra el certificado de calibración del patrón, contiene las fuentes de incertidumbre del proceso de calibración con otro de mayor jerarquía.

Para los efectos didácticos se tomará solo un punto de calibración a 100 °C, con una temperatura ambiente de 30 °C +/-3 °C y una humedad de 56 %RH +/-4 % RH. Los registros de los instrumentos son los siguientes:

Lectura del Patrón: 101,56 °CLectura del Indicador: 100 °C

La tabla de calibración del canal quedaría de la siguiente manera:

Indicación del Patrón

Indicacióndel Canal

Error Absoluto EMP del Canal

101,56 °C 100 °C 1,56 °C +/- 0,90 °C

El error absoluto del canal de medición no cumple con el EMP para este punto de medición tomado como punto de calibración.


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5. Estimación de la incertidumbre de la medición

En los cálculos de incertidumbre de la medición en la calibración del canal, se considerarán las fuentes debida a los errores intrínsecos del patrón o de su certificado, para establecer las diferencias y criterios técnicos que puedan ser utilizados a la hora de tomar decisiones sobre los criterios de aceptación, efectos de la incertidumbre, practicidad y simplicidad de los procedimientos de calibración entre otros.

6. Estimación de las incertidumbre

6.1. Fuente de incertidumbre estándar debida a la resolución de

1

12

resoluciónu i

1

6.2. Fuente de incertidumbre estándar debida al EMP del patrón

Según la tabla de termoresistencia tipo Pt100 con coeficiente de variación de resistencia 0,00385 de la Escala Internacional de Temperatura suministrada por el fabricante +/

Por interpolación se obtiene el valor correspondiente de temperatura para 0,02 ohm:

ohm100,02C0,051

ohm100,39C1

ohm100,00C0



Figura Nº 1

Estimación de la incertidumbre de la medición

En los cálculos de incertidumbre de la medición en la calibración del canal, se considerarán las fuentes debida a los errores intrínsecos del patrón o de su certificado, para establecer las

criterios técnicos que puedan ser utilizados a la hora de tomar decisiones sobre los criterios de aceptación, efectos de la incertidumbre, practicidad y simplicidad de los procedimientos de calibración entre otros.

ncertidumbres de la medición en el proceso de calibración

Fuente de incertidumbre estándar debida a la resolución de la

C 0,2886 12

C1

Fuente de incertidumbre estándar debida al EMP del patrón

Según la tabla de termoresistencia tipo Pt100 con coeficiente de variación de resistencia Escala Internacional de Temperatura ITS90 y la ecuación de incertidumbre

suministrada por el fabricante +/- (0,05 % RDG + 0,02 ohm).

se obtiene el valor correspondiente de temperatura para 0,02 ohm:

ohm

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En los cálculos de incertidumbre de la medición en la calibración del canal, se considerarán las fuentes debida a los errores intrínsecos del patrón o de su certificado, para establecer las

criterios técnicos que puedan ser utilizados a la hora de tomar decisiones sobre los criterios de aceptación, efectos de la incertidumbre, practicidad y simplicidad de los

alibración

a indicación

Según la tabla de termoresistencia tipo Pt100 con coeficiente de variación de resistencia ITS90 y la ecuación de incertidumbre

se obtiene el valor correspondiente de temperatura para 0,02 ohm:



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C 0,0588 3

C)0,051C) (101,56%05,0(

3

EMPu P

2

6.3. Fuente de incertidumbre según el certificado de calibración del patrón

C 0,0091u3 para 105 °C

6.4. Incertidumbre combinada tomando en cuenta el EMP del patrón ( pCEMPU )

C2945,0C)0588,0(C)2886,0(u

)u()u(u

22pCEMP

22

21pCEMP

6.5. Incertidumbre expandida derivada del EMP del patrón para un coeficiente de

cobertura K=2 ( pEEMPU )

C 59,0 U

C 2945,02uKU

pEEMP

pCEMPpEEMP

6.6. Incertidumbre combinada tomando en cuenta la incertidumbre del certificado de calibración del patrón ( pCCCu )

C 2887,0C) 0091,0(C) 2886,0(u

)u()u(u

22pCCC

23

21pCCC

6.7. Incertidumbre expandida derivada de la incertidumbre del certificado del patrón

para un coeficiente de cobertura K=2 ( pECCU )

C 58,0U

C 0,28872uKU

pECC

CCCpECC



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Las incertidumbres expandidas son prácticamente iguales con una diferencia de apenas 0,01 °C , debido a que la incertidumbre que aporta la resolución del indicador es demasiado grande comparada con las incertidumbres del patrón, en el caso de la UEEMPp la u1 es 5 veces mayor que u2 , y en el caso de la uCCCp la u1 es 31 veces mayor que u3 lo que nos indica que para influir en estos resultados habría que trabajar en las fuentes de incertidumbre ajenas al patrón, en la evaluación de los criterios de coherencia se tomaran los efectos de estos resultados.

7. Criterio de aceptación de la incertidumbre de la medición

El requisito de medición del canal de medición de temperatura corresponde al EMP del canal de medición.

El EMP del canal se puede determinar de varias formas, nosotros tomaremos el camino más práctico, el cual consiste en estimar un EMP del canal de medición, a través de la raíz cuadrada de la combinación de varianzas o de límites de error de los elementos que conforman el CMT, elevados al cuadrado, de esta manera podemos estimar y asumir un EMP que agrupa a todos los límites de error tolerados.

7.1. Error Máximo Permitido del Canal de Medición de Temperatura

En este caso solo se conoce el EMP del la termoresistencia y del transmisor de temperatura, el EMP de la tarjeta del PLC es desconocido y la resolución del monitor es de 1 °C, en tal sentido el EMP del Canal de Medición se calcula mediante la suma cuadrática de los errores máximos permitidos de los instrumentos de medición del canal. Como el EMP de la termoresistencia suele ser mayor que los demás errores máximos en un canal de medición de temperatura, el desconocimiento del EMP de la tarjeta del PLC se considerará no significativo frente al del elemento primario.

TT))delmedición deIntervalo del (Intervalo % (0,1t)(0,005(0,3EMP 2canal

Donde “t” es la temperatura indicada por el patrón

)C400 % (0,1C))101,56(0,005(0,3EMP 22canal

C 0,90EMPcanal

7.2. Comparación entre la incertidumbre de la medición en el proceso de calibración del canal de medición UEEMPp tomando en cuenta el EMP del patrón versus el EMPcanal

C0,23 C0,59C090,0

EMP4

1 UEMP

10

1canalpEEMPcanal



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7.3. Condición de coherencia entre la incertidumbre de la medición del canal de medición

PECCU tomando el cuenta la incertidumbre del certificado de calibración del patrón

versus el requisito de medición “ EMPcanal “

C 0,23C 0,58 C 0,090

EMP4

1 U EMP

10

1canalpECCcanal

En ambos casos no se cumple con la condición de coherencia entre la incertidumbre y el requisito de medición.

8. Soluciones propuestas

Debido a que la fuente de incertidumbre más significativa es la debida a resolución de laindicación, esta incertidumbre puede tratarse, aumentando la resolución de 1 °C a 0,1 °C, de esta forma la el aporte de incertidumbre disminuye y se cumpliría la condición, lo cual es factible debido a que la resolución de los sistemas supervisorios es programable.

Otra forma podría ser aumentando la tolerancia de medición en el proceso hasta que se cumpla el criterio de aceptación. Siempre y cuando esto no afecte la calidad del producto, esta alternativa no representa la solución más idónea, debido a que ello implicaría cambios en todas las declaraciones de calidad involucradas con este punto y los productos correspondientes, ello sin contar con las modificaciones en los parámetros de control de los procesos productivos involucrados.

8.1. Fuente de incertidumbre estándar debida a la resolución de la indicación

C 0,0288 12

C 1,0

12

resoluciónu i

1

8.2. Sustituyendo u1 en 6.4 obtenemos

C0655,0C)0588,0(C)0288,0(u 22pCEMP

8.3. Sustituyendo uCEMPp en 6.5 obtenemos

C 13,0 U

C 0655,02uKU

pEEMP

pCEMPpEEMP



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De igual manera sustituimos en 6.6 y obtenemos

C 0604,0C) 0091,0(C) 02886,0(u

)u()u(u

22pCCC

23

21pCCC

8.4. Sustituyendo uCCCp en 6.7 obtenemos

C 12,0U

C 0,06042uKU

pECC

CCCpECC

De esta manera la coherencia entre la incertidumbre de la medición y los requisitos de medición quedaría de la siguiente manera.

8.5. Condición de coherencia entre la incertidumbre de la medición en el proceso de calibración del canal de medición UEEMPp tomando en cuenta el EMP del patrón versus el requisito de medición del canal “EMPcanal”

C0,23 C0,13C090,0

EMP4

1 UEMP

10

1canalpEEMPcanal

8.5. Condición de coherencia entre la incertidumbre de la medición del canal de medición

PECCU tomando el cuenta la incertidumbre del certificado de calibración del patrón

versus el requisito de medición del canal “ EMPcanal “

C 0,23C 0,12 C 0,090

EMP4

1 U EMP

10

1canalpECCcanal

En ambos casos las condiciones se cumplen, esto nos indica que la calidad de la medición requerida era superior al criterio establecido con una resolución de 1 ºC .

9. Condición de coherencia de la incertidumbre de la medición en el proceso productivo o en las condiciones de uso normal del equipo con los requisitos de medición

En el proceso productivo las fuentes de incertidumbre que intervienen son todas las que tienen que ver con el canal de medición y el medio ambiente que lo afecta, es decir la debida al EMP



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del elemento primario, el EMP del transmisor indicador de temperatura, el EMP de la tarjeta analógica del PLC y la resolución de la indicación. Esta incertidumbre se debe compatibilizar con la tolerancia de medición (T) que requiere en el proceso productivo, para establecer si la calidad de la medición satisface las necesidades de medición.

Se tomará el punto de control o set point para efectuar una medición en el canal, la cual dio 100°C (t), siendo la tolerancia de proceso establecida de +/- 1,5 °C, la medición se efectuó a una temperatura ambiente de 32 °C y una humedad de 50 % RH.

Estimación de las incertidumbres de la medición

9.1. Fuente de incertidumbre estándar debida al EMP de la termoresistencia

Clase de exactitud B según DIN 3460: t)(0,0053,0(

C0,46643

C)101,56(0,0053,0(u

3

t)(0,0053,0(

3

EMPu

1

RTD1

9.2. Fuente de incertidumbre estándar debida al EMP del canal de medición

C0,5196 3

C)º 90,0(u

3

EMPcanalu

2

2

9.3. Fuente debida a la resolución de la indicación

C2887,0 12

C1

12

resoluciónu3

9.4. Incertidumbre combinada

C 7656,0)C2887,0()C5196,0()C4664,0(u

)u()u()u(u

222C

23

22

21C

9.5. Incertidumbre expandida para un coeficiente de cobertura K=2

C 51,0 U

C 7656,02uKU

E

CE



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9.6. Condición de coherencia entre la incertidumbre de la medición de uso y la tolerancia de medición de T= ± 1,5 °C

C 0,38 C 0,51 C 15,0

C1,5 4

1 U C 1,5

10

1

T4

1 U T

10

1

E

E

El valor de incertidumbre expandida sobrepasa el límite superior de la condición de coherencia, de esta manera se comprueba que tomar literalmente la recomendación de ¼ del requisito de la medición de la recomendación internacional resulta muy difícil de cumplir, para equipos de medición industriales, de tal manera que si lo remplazamos por el criterio de ½ podremos cumplir de manera segura.

C 0,75 C 0,51 C 15,0

C1,5 2

1 U C 1,5

10

1

T2

1 U T

10

1

E

E

Fin del documento


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