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Memorias de las IX Jornadas de Investigación 2011 – UNEXPO Puerto Ordaz - 6 al 9 de Julio de 2011
CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA CERTIFICADOR DE PIRÓMETROS INFRARROJOS PARA EL
LABORATORIO DE METROLOGÍA DE SIDOR
Delgado Domingo, Gragirena Manuel
Siderurgia del Orinoco C. A. (SIDOR). sirded@sidor.com
UNEXPO, Puerto Ordaz. manuelgragirena1@gmail.com
Resumen: Hoy en día, todas las empresas persiguen la excelencia como objetivo principal. Para lograr esto es necesario
garantizar la fiabilidad de las mediciones. Esta investigación propone la construcción de un certificador de pirómetros
infrarrojos, con base en una marca de cuerpo negro: MIKRON, Modelo: M320an. El diseño propuesto mejora el control de
la temperatura y optimiza el resultado de la calibración. Para operar el sistema se implementa un microcontrolador para la
adquisición de la señal analógica y la gestión del control de amplificador de potencia de la temperatura del cuerpo negro. A
través del puerto USB, el microcontrolador se comunica con el ordenador con la aplicación de LabVIEW y Excel, que
establece diferentes niveles de la temperatura del cuerpo negro, que incluye información sobre la calibración y genera un
certificado de calibración.
Palabras clave: Calibración/ Cuerpo Negro/ Pirómetro Infrarrojo/Certificado
Abstracts: Today, every company have pursuited excellence as its main objective. To achieve this it is necessary ensure
the reliability of measurements. This research proposes the construction of a certifier to pyrometers infrared, based on a
black body brand: MIKRON, Model: M320an . The design proposed improves temperature control and optimize the
calibration result. To operate the system is implemented a microcontroller to analog signal acquisition and management of
the power amplifier control of the black body temperature. Through the USB port, the microcontroller communicates with
the computer with Labview and Excel application, which sets different levels of black-body temperature, it includes
information on calibration and generates a calibration certificate.
Keywords: Calibration Black Body Infrared Pyrometer/ Certificate.
I. INTRODUCCIÓN
En las áreas de reducción de SIDOR la medición de temperatura es fundamental para el proceso productivo. La
medición se realiza utilizando pirómetros infrarrojos, con una salida de corriente proporcional a la temperatura medida para
realimentar el lazo de control automático y generar las señales de alarma y el registro del proceso.
La calibración de pirómetros infrarrojos requiere de un cuerpo negro estabilizado como patrón y un protocolo de
mediciones de temperatura para calcular el error absoluto y la incertidumbre de la medición realizada. El pirómetro es un
equipo de medición de temperatura sin contacto que capta la energía infrarroja emitida de un objeto y la convierte en una
señal de corriente proporcional (4 a 20mA). Existen modelos de pirómetros que presentan la indicación del valor de la
medición.
La energía térmica radiada por un objeto puede ser expresada en relación a la energía radiada a la misma
temperatura por un radiador perfecto [1]. Así, la emisividad espectral direccional se define como la razón de la irradiancia
L ,
,
,
T
, ,
,
T a la misma temperatura. (1).
espectral de la muestra con respecto a la de un cuerpo negro, LCN
L
e (1)
LCN
Esta relación de emisividad ( e ) va de entre cero y uno. El caso de emisividad de valor uno ( e 1,
00)
se consigue
utilizando un “Cuerpo Negro”, que es una fuente de radiación infrarroja con cero reflectividad, o sea, una fuente que emite
la máxima posible radiación para una temperatura determinada [2]. Como se ilustra en la figura 1 un cuerpo negro absorbe
toda la radiación de energía que recibe y emite radiación térmica en todos los intervalos de longitudes de onda para la
misma área y temperatura.
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Figura 1: Radiación en un cuerpo negro.
Fuente:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/negro/radiacion/radiacion.htm
Aunque el concepto de cuerpo negro es ideal y los cuerpos negros perfectos no existen, se construyen hornos
especialmente para uso en laboratorios como fuentes emisoras de radiación con una eficiencia en comparación con un
cuerpo negro desde 98% hasta un 99,98% [3]. El enfoque más común para la construcción de un cuerpo negro es utilizar
una cavidad esférica con un pequeño agujero en la superficie o un tubo con un extremo cerrado y tiene que ser más largo
que su diámetro”.
En este trabajo de investigación aplicada se construye un sistema certificador de pirómetros infrarrojos para el
laboratorio de metrología de SIDOR basado en el método de comparación directa[4] para realizar la calibración, y usando
un cuerpo negro MIKRON, Modelo: M320an. El artículo describe los pasos para el diseño del sistema y la metodología
para una certificación bajo prácticas metrológicas validas, por normas internas de la empresa.
II. DESARROLLO
En la Figura 2 se observa un diagrama en bloque representativo del sistema de certificación de pirómetros
infrarrojos, donde se tiene que el cuerpo negro como emisor de radiación infrarroja. Requiere de una alimentación de
110VAC y un control de temperatura que se implementa en un PC mediante una aplicación en LabVIEW® versión 6.0 con
diez (10) consignas de temperatura predeterminadas
Mediante un microcontrolador Microchip®, 18F4550, se implementa la adquisición de datos, su comunicación con
el computador personal (PC), vía puerto USB y la manipulación de la potencia del cuerpo negro a través de un relé de
estado sólido. La interfaz humana máquina deberá, además de establecer las consignas de funcionamiento, realizar el
registro del instrumento (pirómetro bajo prueba), mostrar resultados de la calibración y generar un informe.
El pirómetro bajo prueba genera una señal de corriente de 4 a 20mA, proporcional a la temperatura medida en el
cuerpo negro. Esta señal es acondicionada y enviada al microcontrolador para luego ser enviada vía puerto USB al PC para
obtener el resultado de la medición en grados Celsius (°C).
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Figura 2. Diagrama en bloques del diseño
Para la detección de la temperatura en el cuerpo negro se seleccionó una PT100 debido a que su sensibilidad es
mayor a la de los termopares, la relación entre la temperatura y la resistencia es lineal y además proporciona las medidas de
temperatura con mayor exactitud y repetibilidad. Cabe destacar que la termo resistencia PT100 mide la temperatura del
cuerpo negro, para la acción de control, en consecuencia la certificación de la temperatura depende de esta referencia,
debiéndose entonces maximizar la calidad del circuito de alimentación y de acondicionamiento de señal de este sensor.
La Figura 3, muestra como es conectado el sensor de temperatura PT100 al hardware. Se utiliza un puente activo
con dos fuentes de corriente controlada y una fuente de alimentación unipolar de 3 V. En este circuito las resistencias R3 y
R4 realimentan los amplificadores U2A y U2B , produciendo las 2 fuentes de corriente constante de 1 mA, una para cada
rama del puente.
Cabe destacar que la distancia entre el punto de medición de la PT100 y el circuito amplificador es menor a cien
(100) centímetros, razón por la cual no es necesaria la compensación por resistencia de los conductores, sin embargo, el
hecho de que la alimentación sea mediante dos fuentes de corriente idénticas y sincronizadas, y que la longitud del
conductor serie a la PT100 sea igual a otro conductor de referencia y de igual recurrido asegura, que la variación de caída de
tensión en los conductores sea cancelada por efecto del puente, y esto hace posible conectar la PT100 a dos hilos.
El voltaje de salida diferencial producto del desbalance del puente es aplicado al amplificador de instrumentación
U3 (AD620), seleccionado por su ganancia de voltaje extremadamente grande (hasta 40 dB), elevada resistencia de entrada,
alto rechazo en modo común (100 dB mínimo). La desviación de cero del amplificador diferencial (Offset) se ejerce
mediante una tensión de compensación fijada mediante el amplificador U4B. Este circuito electrónico garantiza la
estabilidad de la lectura de temperatura, aspecto fundamental del sistema.
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Figura 3: Etapa de alimentación y acondicionador de la PT100.
La señal de salida del pirómetro infrarrojo bajo prueba procede de un lazo de corriente de 4 a 20mA, transmitido a
través de un cable apantallado trenzado. La señal es convertida a voltaje mediante una impedancia de 250 Ohm para
producir la conversión de corriente a voltaje de 1 a 5V.
Mediante LabVIEW se creó la interfaz hombre máquina, la cual está constituida por dos pantallas diferentes
definidas como “Pantalla principal” y “Datos de calibración”. Ver Figura 4.
La pantalla “Datos de Calibración” permite introducir los datos de la calibración, del patrón, del rango del
instrumento en prueba y la curva de calentamiento del cuerpo negro, para establecer diferentes valores de temperatura,
estables y distanciados en el tiempo. La “Pantalla principal” permite dar inicio a la calibración o detenerla. En esta pantalla
se presenta el valor actual de la consigna, la lectura de la temperatura del cuerpo negro y de la temperatura detectada por el
pirómetro en prueba. De igual manera se puede observar gráficamente el comportamiento de la temperatura del cuerpo
negro, y el control de la parte de potencia del cuerpo negro.
Importante es señalara que a la señal que proviene de la PT100 se le aplica la validación por límite y linealización
por ingeniería para obtener el valor de temperatura en grados Celsius (°C). El valor se obtiene luego de promediar cinco
valores, para luego mostrarlo en la interfaz como resultado de la lectura del patrón (LP).
A la señal que proviene del pirómetro bajo prueba se le aplica la linealización por ingeniería y luego es mostrado el
valor en la interfaz hombre máquina.
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Figura 4: “Pantalla Principal”.
Al pulsar “iniciar calibración” se crea un vínculo entre las aplicaciones LabVIEW y Excel abriendo una hoja de cálculo
preestablecida y cargando en ella los datos de la calibración. La hoja de Excel se le llama “manuscrito”, para cumplir con la
definición pautada en la norma interna de la empresa y se imprime al final de la calibración para dar cumplimiento a la
norma ISO/IEC 17025 en su apartado 4.13.2.1.
III. RESULTADOS
Tomando como componentes al microcontrolador PIC 18F4550 y el software LabVIEW, se diseñó un sistema
micro computarizado instalado en la sala metrológica a una temperatura ambiente y cuya exactitud es +/- 0,25% del valor
medido, exactitud establecida .al calibrar el sistema utilizando un pirómetro marca MIKRON, modelo: M90, con un patrón,
sobre la base una certificación internacional realizada por la firma: Mikron Instrument Company, en los Estados Unidos de
América.
Con la finalidad de facilitar la comprensión de las variables y ecuaciones utilizadas, se incluye la leyenda
explicativa presentada en la Tabla I y para la certificación del sistema se seleccionaron 5 puntos a lo largo de la escala
distribuidos uniformemente y se realizaron 5 mediciones en cada uno de ellos, estos resultados se presentan en la Tabla II.
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Tabla I: Definiciones de algunas variables para el calculo de error e incertidumbre.
Variable Definición
LP Lectura de temperatura medida en el pirómetro MIKRON M90 (patrón).
LI Lectura de temperatura medida con el instrumento diseñado.
Factor de cobertura:. Depende del nivel de confianza que se desee dar al resultado.: K=3 equivale a
K
99,73%, K=2 equivale a 95,00% y K=1 equivales a un 68,00%.
F Factor de multiplicación: Para cinco mediciones f=1,2
m Incertidumbre del patrón, impresa en el certificado de calibración del patrón.
ua Incertidumbre debida a los efectos aleatorios (no controlados).
uc1 Incertidumbre en la medición atribuible a la resolución del instrumento bajo prueba.
uc2 Incertidumbre en la medición de temperatura atribuible al patrón.
U Incertidumbre en la medición
El “instrumento diseñado”, señalado en la Tabla, es el cuerpo negro más el sistema de medición conformado por
el sensor PT100, el PIC 18F4550 y la aplicación LabVIEW, al cual se le hará una certificación como “fuente de radiación”.
Rango (⁰C)
300 a 300
Tabla 5.I: Datos iníciales de la calibración del instrumento diseñado
Dispositivo
bajo prueba
Lectura del
instrumento
diseñado LI
(⁰C)
Lectura del
patrón LP1
(⁰C)
Lectura con pirómetro patrón MIKRON M90 (LP)
Lectura del
patrón LP2
(⁰C)
178
Lectura del
patrón LP3
(⁰C)
Lectura del
patrón LP4
(⁰C)
Lectura del
patrón LP5
(⁰C)
30 29,2 29,4 29,3 29,4 29,5
90 89,7 89,9 89,5 89,7 89,8
150 149,7 149,9 150,3 150,3 150,2
210 211 210,7 210,9 210,8 210,9
270 271,9 271,6 271,3 271,8 271,9
A continuación se presentan las ecuaciones para los cálculos de la incertidumbre en la medición. . Ecuaciones
aceptadas en la teoría de errores para la determinación del error absoluto y la estimación de la incertidumbre de las
mediciones.
1. Cálculo valor promedio de temperatura medida con el patrón.(2)
LP
LP
n
___
(2)
2. Cálculo del Error Absoluto (3)
Ea LI LP
(3)
3. Cálculo de la incertidumbre de la medición debido a la resolución del instrumento bajo prueba. El valor “a” es la
apreciación (valor del último digito del instrumento). (4)
a
uC1 (4)
12
4. Estimación de la incertidumbre de la medición debido al patrón, se asume a m 0.
1.
(5)
___

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5. Cálculo de desviación estándar (6)
6. Cálculo de la esperanza (7)se aplicó la ecuación.
179
m
uC
K
2 (5)
___
( )
1
LP LP
n
2
(6)
S x
( n 1)
7. Estimación de la incertidumbre debido a los efectos aleatorios (8)
u f . S
(8)
8. Estimación de la incertidumbre total . Se asume k=2 para un grado de confianza de 95%.
a
U
x
2
2
2
k ( ua
) ( uC1)
( uC2
)
(6)
En la Tabla III se presentan los resultados de la calibración que evidencian la confiabilidad en las mediciones realizadas con
el instrumento diseñado.
Lectura del
Instrumento diseñado
(⁰C)
Tabla III: Resultados de la calibración del sistema.
Lectura del patrón
(⁰C)
Error Absoluto
(⁰C)
Incertidumbre
(⁰C) para k=2
30,00 29,36 0,64 0,17
90,00 82,72 0,28 0,20
150,00 150,08 -0,08 0,31
210,00 210,86 0,86 0,17
270,00 271,70 -1,70 0,30
A partir de los resultados obtenidos, se grafican los valores de las mediciones de la calibración. En las Figuras 6 y 7
se muestran los comportamientos de la linealidad, el error absoluto y la incertidumbre para todo el rango de medición del
sistema certificador.
(7)

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Figura 6: Medida de temperatura del instrumento diseñado vs medida de temperatura con el
patrón.(linealidad)
Figura 7: Comportamiento del error absoluto y la incertidumbre el rango de medición
IV. CONCLUSIONES
1. Para el diseño se aprovecha la infraestructura correspondiente al horno cuerpo negro marca: MIKRON, modelo:
M320, implementando sobre él tecnología electrónica basada en un microcontrolador, lo cual además de ser una
modernización aporta la posibilidad de una operación en automático, la identificación del operador y los datos
correspondientes al pirómetro bajo prueba.
2. La implementación del microcontrolador y un computador para la manipulación de la temperatura representa un
aporte importante al proceso metrológico ya que la toma de las lecturas de temperatura se optimiza bajo las condiciones
precisas de estabilidad en cuerpo negro. El registro se hace directamente sobre el formato preestablecido por la empresa
para tal fin, en formato digital, en consecuencia, el registro histórico de la temperatura durante la calibración incrementa
la confiabilidad de la certificación, al servir de testimonio del proceso metrológico.
3. Cabe que el diseño implementado para la medición de temperatura del cuerpo negro mediante la PT100 es de
singular importancia, ya que se constituye en la referencia para la calibración y certificación de los pirómetros ópticos de
la empresa SIDOR.
4. El cuerpo negro fue calibrado con un pirómetro marca MIKRON, modelo: M90, el cual es certificado en Estados
Unidos por MIKRON INSTRUMENT COMPANY y que funge como patrón de la empresa SIDOR. El error de la
temperatura del cuerpo negro, medido a partir de la PT100 instalada dentro de él y el sistema aquí diseñado, fue menor a
1,70 °C en un rango de 30 a 300°C, de igual forma la incertidumbre de las mediciones estuvieron por debajo de 0,31°C.
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5. El equipo queda operativo, facilitando el proceso de certificación de pirómetros en el laboratorio, con la garantía de
que la certificación cumplirá con los pasos previstos en el protocolo, y la información quedará plasmada en los formatos
establecidos en la norma interna de la empresa
I. REFERENCIAS
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