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Tres proyectos europeos en termometría dentro del Programa Europeo de Investigación en Metrología

Dolores
        del Campo
Dolores del Campo
Centro Español de Metrología
>Graham
        Machin
Graham Machin
National Physical Laboratory (NPL)

Resumen:El Programa Europeo de Investigación en Metrología (EMRP en sus siglas en inglés) [1] es un programa, a largo plazo, de investigación para el desarrollo de proyectos de alta calidad en metrología dentro de la comunidad Europea. Su objetivo es acelerar la innovación y la competitividad así como proporcionar mejores herramientas para la comunidad científica. El EMRP busca, mediante la integración dentro de Europa, el desarrollo de nuevas capacidades de medida estratégicas para Europa. Dentro de este programa se están llevando a cabo tres proyectos dirigidos a la investigación avanzada en la medida de temperatura, que son descritos en este artículo.

Abstract: The European Metrology Research Programme (EMRP) [1] is a metrology focused long-term research programme for high quality joint R&D amongst the metrology community in Europe. Its overall goal is to accelerate innovation and competitiveness, to generate data and the necessary knowledge to improve quality of life, and to provide better tools for the scientific community. The European Metrology Research Programme aims, through European integration, to develop new measurement capabilities which have strategic impact for Europe. Within this programme three projects advancing temperature measurement research have been funded. These projects are described in this paper.

Introducción

La investigación en metrología térmica es actualmente un campo muy activo. Esto es debido a varios factores entre los que se pueden contar los urgentes desafíos que plantea la industria y que necesitan ser resueltos; la necesidad de aumentar la vigencia de la actual escala de temperatura, la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90) [2] hasta al menos 2020, de acuerdo con las conclusiones del Comité Consultivo de Termometría (CCT) [3,4]; la necesidad de mejorar los procedimientos de diseminación de la unidad en algunos rangos claves de la EIT-90 [5] y la necesidad de preparar a la comunidad metrológica para la futura redefinición del kelvin [5,6] (según la propuesta de redefinición de las unidades básicas del SI en función de constantes fundamentales [7].

A la vista de ello, el Comité Técnico de Termometría de EURAMET [8] ha lanzado varias iniciativas de investigación significativas, parcialmente financiadas y enfocadas a abordar los anteriores desafíos, dentro del marco del EMRP. Estos proyectos son:

  • HiTeMS: Metrología de alta temperatura (>1000 °C) para aplicaciones industriales [9, 10]

  • NOTED: Nuevas técnicas para la diseminación trazable de la temperatura [11, 12]

  • InK: Implementación del nuevo kelvin [13].

En este artículo se presenta una descripción somera de dichos proyectos y sus objetivos.

HiTeMS

La medida de temperaturas por encima de 1000 °C es vital para el éxito de un gran número de procesos industriales. Algunos ejemplos pueden encontrarse en la industria aeroespacial (desde 1300 °C a 3000 °C), la producción de combustible nuclear y ensayos de seguridad (1700 °C hasta más de 2500 °C), la producción de materiales refractarios (por encima de 2500 °C), la fabricación de carburo de silicio y de carbono y “composites” (por encima de 2800 °C), la industria metalúrgica, de vidrio y cerámica (1100 °C a 2000 °C), etc. Todas ellas buscan reducir sus emisiones, optimizar sus consumos de energía y desean fabricar sin producir residuos pero manteniendo su competitividad. Una de las claves para hacer avances en este sentido es mediante la mejora de la medida altas temperaturas, para conseguirlo es necesario plantear un enfoque coordinado, motivo por el que se ha iniciado el proyecto HiTeMS.

El proyecto HiTeMS, coordinado por el National Physical Laboratory (NPL, instituto nacional de metrología de Reino Unido) cuenta con quince participantes (10 institutos nacionales de metrología, INM, cuatro industrias y un centro de investigación). Este proyecto comenzó en septiembre de 2011 y finalizará en agosto de 2014. El objetivo primordial de la investigación es desarrollar un conjunto de métodos y técnicas de medida que puedan mejorar significativamente las medidas de temperatura industriales tanto con contacto como sin contacto hasta, al menos, 2500 °C, haciendo hincapié en facilitar la trazabilidad in-situ a la EIT-90. Para ello se abordarán los siguientes problemas comunes en la metrología de altas temperaturas:

Termometría sin contacto:

  • Emisividad y radiación reflejada para lograr trazabilidad in-situ,
  • Correcciones por la variación del camino óptico y la transmitividad de las ventanas hasta ~2500 °C,
  • Medidas de temperatura trazables, en tiempo real, en el procesado de materiales por láser,

Termometría de contacto:

  • Evaluación de la vida de termopares de metales comunes y medidas de la deriva de termopares de metales nobles y comunes.
  • Auto-validación y validación in-situ de sensores de temperatura hasta, al menos, 2000 °C.
  • Determinación, con bajas incertidumbres, de la función de referencia, en alta temperatura, de termopares no estandarizados.

La implicación de la industria es fundamental para el éxito de HiTeMS. Por ello se cuenta con la colaboración de socios industriales que proporcionarán acceso a sus instalaciones para probar los sensores y técnicas de medida que se desarrollarán en el proyecto.

Mejoras en termometría de contacto

Mejoras en la termometría industrial de contacto en alta temperatura pueden conseguirse mediante una evaluación rigurosa tanto de la vida como de las características de deriva de los sensores, el desarrollo de sensores capaces de auto-validarse hasta ~2000 °C y la puesta en marcha de capacidades distribuidas y a nivel Europeo para la determinación de funciones de referencia de termopares de alta temperatura no estandarizados.

Con respecto a la evaluación de la vida de los sensores de alta temperatura, el trabajo propuesto en el proyecto se dirige a lograr estandarizar un procedimiento para su determinación en el caso de termopares de metales comunes (tipos K y N). Para termopares de metales nobles (tipos R, S y B) se pretende estudiar sus características de deriva. Diferentes compañías europeas han suministrado termopares de metales comunes con asilamiento mineral y con funda metálica (MIMS) de diversos materiales y con hilos de dimensiones 1 mm, 3 mm y 6 mm. Aunque hay trabajos previos en este sentido [14,15], en este proyecto se pretende llegar a más alta temperatura asegurando la trazabilidad a la EIT-90 mediante el uso periódico de termopares de metal noble calibrados.

calibración de termopares
Figura 1. Instrumentación para la calibración de termopares por comparación con termómetros de radiación.

En el caso de la validación de sensores, el objetivo es demostrar tanto el principio de validación in-situ para termómetros de contacto como la disponibilidad de métodos trazables de medida a temperaturas por encima de 2000 °C en atmósfera inerte o vacío y hasta 1800 °C en atmósfera oxidante. En estos rangos habitualmente se emplean termopares de W-Re, que tienen grandes problemas de falta de estabilidad. Sus tolerancias de fabricación son del orden del 1 % de la temperatura medida. Además, su deriva significativa [16] y el hecho de que experimenten deterioros en su homogeneidad, hacen que una calibración externa sea imposible porque se vuelven muy frágiles con el uso, por ello la posibilidad de disponer de métodos de calibración in-situ resulta esencial. Estas calibraciones in-situ se realizarían mediante el uso de referencias de temperatura conocidas: puntos fijos de alta temperatura (HTFP: puntos fijos para los que sus transiciones de fase ocurren a temperaturas superiores a la del punto del cobre) o mediante un termómetro primario práctico (p.e. termómetro de ruido eléctrico) en el mismo cuerpo del termopar. Cualquiera de estas dos posibilidades permitiría la re-normalización de la salida del termopar.

El establecimiento de una capacidad, distribuida a nivel Europeo, para la determinación de funciones de referencia de termopares no estandarizados con muy baja incertidumbre es necesaria ya que existe un gran número de potenciales usuarios de este tipo de termopares que no los emplean por la poca calidad de sus funciones de referencia, que están determinadas con una incertidumbre elevada. Los métodos elegidos dentro del proyecto para la determinación de dichas funciones de referencia son el uso de puntos fijos de alta temperatura y la calibración por comparación a termómetros de radiación (ver figura 1). Cuando esta capacidad distribuida esté establecida, la determinación exacta y rápida con bajas incertidumbres (2 °C a 2000 °C) de funciones de referencia para termopares no estandarizados abrirá el camino para nuevos tipos actualmente no considerados por la industria.

Mejoras en la termometría sin contacto

En HiTeMS se proponen mejoras en termometría sin contacto a través del desarrollo de tres técnicas para la determinación de la temperatura de superficies en presencia de radiación reflejada y con emisividad desconocida y mediante el uso de HTFP in-situ para efectuar correcciones por variaciones de los caminos de transmisión en procesos industriales a más de 2500 °C. Dentro del proyecto también se demostrará su implementación práctica industrial en el campo del endurecimiento por láser.

Las tres técnicas mencionadas para la determinación de temperatura de superficies en presencia de radiación reflejada y con emisividad desconocida son la termometría de radiación en el ultravioleta y a varias longitudes de onda, la termometría de radiación “gold-cup” trazable y la termometría de radiación de dos colores [18]. El objetivo es reducir las incertidumbres de la medida industrial de temperatura de superficie manteniendo la trazabilidad. Los problemas de radiación reflejada y emisividad desconocida se abordarán mediante el uso de puntos de referencia de temperatura conocidos. Estos puntos, junto con un modelo de medida adecuado, se usarán para efectuar las correcciones necesarias. Además los termómetros industriales que deben realizar medidas en fuentes de radiación de gran tamaño pueden tener mayores incertidumbres de medida debido a ello [19]. Este problema es abordado también en este proyecto para termómetros de radiación, escáneres en línea y cámaras termográficas.

En los procesos industriales es necesario realizar correcciones por deriva, en el caso de termometría de radiación, debida a cambios en las salidas de los termómetros o por variaciones en los caminos de transmisión como consecuencia de, por ejemplo, la contaminación de las ventanas a través de las cuales miden los termómetros. En este proyecto se desarrolla un método de corrección basado en el uso de temperaturas de referencia conocidas (HTFP utilizados como fuentes de radiación de tipo cuerpo negro) en el mismo emplazamiento industrial. Midiendo periódicamente dichos cuerpos negros (cuando realizan la transición de fase) puede determinarse dicha corrección con fiabilidad. Se desarrollará asimismo un algoritmo de corrección en tiempo real para la transmisión variable de la ventana. Esta novedosa aproximación será probada en un emplazamiento industrial para demostrar la puesta en práctica del método pudiendo proporcionar un avance significativo en el estado del arte actual ya que jamás antes se había intentado una solución de este tipo a estas temperaturas en termometría de radiación.

Como se ha mencionado anteriormente, también se llevará a cabo una demostración de estas aplicaciones en un emplazamiento industrial dentro del campo del endurecimiento por láser. En este proceso industrial, láseres de alta potencia realizan barridos de forma controlada sobre superficies metálicas. El incremento de temperatura provocado altera las características metalúrgicas de la superficie endureciéndola y haciéndola por tanto resistente al desgaste. La estabilidad del termómetro de radiación, la transmisión a través del camino óptico (ventana) y la emisividad de la superficie son los problemas habituales de estos procesos. Los métodos descritos anteriormente combinados con medidas de la emisividad serán probados en un emplazamiento industrial que realiza procesos de endurecimiento por láser y, por primera vez en este tipo de procesos, se conseguirá trazabilidad in-situ a la EIT-90, en tiempo real, para temperaturas de superficies de materiales procesados por técnicas láser.

InK

En la actualidad prácticamente todas las medidas de temperatura que se realizan en el mundo están basadas en la trazabilidad a una escala, ya sea la EIT-90 o, por debajo de 1 K a la Escala Provisional de Bajas Temperaturas del 2000 (EPBT-2000). Estas escalas son empíricas y se basan en una serie de puntos fijos cuyas temperaturas fueron determinadas a priori mediante termometría primaria. Los recientes avances en metrología térmica, el establecimiento de la Mise en Pratique (puesta en práctica) del kelvin (MeP-K) y la futura re-definición del kelvin en función de la constante de Boltzmann (~2015) proporcionan una oportunidad única para llevar a cabo un cambio fundamental en las prácticas de medida de temperatura.

El objetivo del proyecto InK es realizar mejoras en termometría primaria en seis órdenes de magnitud, en la zona criogénica hasta 0,0009 K y en alta temperatura hasta más de 3000 K. Estas mejoras se llevarán a cabo mediante el desarrollo de métodos primarios de termometría que sustituyan las dos escalas actualmente definidas (EIT-90 y EPBT-2000) en altas (>1000 °C) y bajas (<1 mK) temperaturas. Entre estos extremos de temperaturas, es también necesario determinar nuevos valores para las diferencias entre la temperatura termodinámica y la temperatura definida por la EIT-90 (TT90) con bajas incertidumbres (<1 mK) para proporcionar datos fiables para la MeP-K a corto plazo y para desarrollar métodos primarios que, a largo plazo, pudieran ir reemplazando progresivamente las escalas definidas.

El proyecto InK, coordinado por el NPL, incluye como participantes nueve INM pertenecientes a EURAMET, tres de fuera de Europa así como otros tres como colaboradores y cuatro universidades. El proyecto comenzó en octubre de 2012 y finalizará en septiembre de 2015

La temperatura termodinámica en el rango de altas temperaturas

Actualmente, la EIT-90 se realiza y disemina por encima del punto de la plata (961,78 °C) utilizando la ley de Planck en forma relativa. Las incertidumbres en la medida de temperatura por encima de dicho punto fijo aumentan con T2 utilizando la EIT-90. Mediante la determinación fiable (por vez primera) de la temperatura termodinámica de un grupo de HTFP, las incertidumbres de realización podrían reducirse significativamente y, lo que es más importante, podría diseminarse directamente la propia temperatura termodinámica (una implementación directa del nuevo kelvin).

Detalle
        de instrumentación
Figura 2. Detalle de instrumentación para la calibración absoluta de un termómetro de radiación

Estas mejoras se fundamentan en la asignación definitiva de temperatura (con bajas incertidumbres) a un grupo de HTFP, en concreto el punto del cobre (1357,77 K), y las mezclas eutécticas Co-C (1597 K), Pt-C (2011 K) y Re-C (2748 K). El cobre se ha incluido en este grupo debido a problemas sin resolver con las medidas actuales según ha hecho notar el CCT así como para mantener la ligazón con la EIT-90. Los HTFP de mezclas eutécticas se han elegido ya que la mezcla eutéctica proporciona la temperatura más baja de la fase líquida y por tanto, en presencia de una fuente de carbono, la mezcla metal-carbono al fundirse alcanza automáticamente la composición del punto eutéctico, que es un punto de temperatura estable. Los HTFP de mezclas eutécticas de alta calidad son uno de los artefactos más codiciados en la medida de alta temperatura, la elección que se ha realizado es práctica ya que éstos son los más desarrollados hasta el momento y los más fiables, proporcionando el nivel de reproducibilidad requerido (mejor que 0,1 °C incluso en el caso del Re-C) estando, además, lo suficientemente espaciados en temperatura como para ser utilizados en el futuro para determinar las temperaturas de otros puntos fijos con bajas incertidumbres.

Ademas de la asignación de la temperatura termodinámica a estos puntos fijos, también se probarán dos caminos diferentes para la diseminación de la misma. Esta diseminación llevada a cabo sin necesidad de una escala es muy importante y nunca había sido intentada previamente de forma amplia. Esta diseminación directa tiene la ventaja práctica para los usuarios, especialmente a nivel industrial, de proporcionar acceso directo a la temperatura termodinámica, por lo que no tendrían que preocuparse por futuros cambios de escalas. Además, futuros desarrollos tecnológicos podrían también implementarse sin necesidad de cambiar escala por que de esta forma se disemina directamente la magnitud fundamental que no estaría constreñida por ningún método ni artefacto determinado. El objetivo del trabajo en este proyecto es llevar a cabo una evaluación detallada de dos posibles esquemas de realización y diseminación de la temperatura termodinámica por encima de 1000 °C:

  • Diseminación mediante termómetros de radiación calibrados de forma absoluta (ver figura 2).
  • Diseminación mediante referencias de temperatura calibradas a priori (HTFP)

Ambas alternativas serán evaluadas, por primera vez, por los INM europeos capaces de llevarlas a cabo. Ambas tienen ventajas y desventajas que serán identificadas siendo el CCT informado puntualmente.

Los valores de T T90

Las diferencias entre la temperatura termodinámica T y la temperatura definida por la EIT-90, T90, son necesarias para proporcionar el respaldo imprescindible para cualquier reemplazo de la EIT-90. La figura 3 muestra diversas series de datos medidos de estas diferencias que presentan muchas discrepancias y grandes incertidumbres. Dentro del proyecto InK se pretende, por un lado, incrementar el número de estas series de datos y, por otro, reducir su incertidumbre. Esto último será factible ya que los últimos resultados experimentales permiten identificar y, por tanto, mejorar, las componentes de incertidumbre sistemáticas más significativas, lo que resultaba imposible con los resultados más antiguos. Se pretenden reducir, al menos a la mitad, las incertidumbres actuales de determinación de T T90 en los rangos identificados como prioritarios en el reciente seminario sobre el “nuevo kelvin” [5], donde los requisitos para la termometría primaria para los próximos 5 a 10 años han sido definidos, y en los documentados por el CCT [6]. La necesidad de llevar a cabo nuevas medidas entre los puntos triples del neon y del agua (~24,5 K to 273,16 K) y entre 550 K y el punto del zinc (~693 K) y a la temperatura del punto del cobre (~1358 K), es urgente. El determinar estas diferencias con muy bajas incertidumbres permitirá que cualquier cambio futuro de la EIT-90 se sustente en una base sólida además de permitir el acceso a valores de temperatura termodinámica con muy baja incertidumbre como es requerido por usuarios especializados.

Resonador
        acústico.
Figura 3. Series individuales de diferencias medidas de T-T90 en las que están basadas las mejores estimaciones actuales.

Las actividades científicas en este proyecto supondrán el uso de diversos métodos termométricos primarios: termometría acústica (en la figura 4 puede observase un resonador esférico componente crítico de un termómetro acústico), dieléctrica, de ruido, de índice de refracción y radiometría espectral por parte de INM de dentro y fuera de Europa así como diversas universidades. La comparación de los resultados obtenidos por los distintos métodos y por los diversos participantes reducirá significativamente las contribuciones de incertidumbres sistemáticas que afectan cada técnica en particular.

Resonador
        acústico.
Figura 4. Resonador acústico.

El rango de muy bajas temperaturas

La EPBT-2000, que abarca de 1 K hasta 0,0009 K, tiene ya siete años y se basó en datos discrepantes hasta aproximadamente un 6 % en las temperaturas más bajas (ver figura 5). En principio, esta escala sólo buscaba ser un arreglo provisional que sería reemplazado cuando datos más consistentes estuviesen disponibles. En este proyecto se medirán de nuevo las diferencias T – T2000 para resolver estas discrepancias de los datos de partida y se desarrollarán técnicas para la diseminación a largo plazo de la temperatura termodinámica por debajo de 1 K. Esto último es particularmente interesante para aquellos usuarios que no quieren estar trazados a una escala determinada, facilitando, a su vez, una implementación directa del nuevo kelvin. El realizar medidas de temperatura fiables en esta región criogénica es extremadamente complicado debido, entre otras cosas, a la disipación del calor producido por las corrientes eléctricas que circulan a través de los sensores, necesarias para la realización de las medidas. Por ello también se desarrollarán nuevos sensores que mejorarán la práctica de la termometría de muy bajas temperaturas.

Datos de partida
Figura 5. Datos de partida utilizados para la definición de la EPBT-200 (TX - T). La discrepancia a las temperaturas más bajas crece muy rápidamente siendo de un 6% a ∼0,0001 K llevando a un gran aumento de las incertidumbres de la escala.

NOTED

La MeP-K fue creada por el CCT en 2006 para proporcionar una orientación definitiva en la realización práctica de la unidad de temperatura de acuerdo con el Sistema Internacional de unidades (SI). La MeP-K abre nuevos y flexibles caminos para actualizar y ampliar el rango de métodos termométricos reconocidos más allá de los actualmente en uso. En el futuro, nuevas versiones de la MeP-K incluirán la redefinición del kelvin en función de la constante de Boltzmann, la realización (y donde sea posible diseminación) del kelvin mediante métodos primarios y facilitará aproximaciones indirectas capaces de incertidumbres excepcionalmente bajas o de una mayor fiabilidad. Como resultado se espera una mayor flexibilidad para la realización de medidas trazables de temperatura. También se prevé que la EIT-90 continuará en uso por su robustez y fiabilidad, aunque tiene algunas limitaciones que deben ser resueltas, algunos de los problemas más acuciantes pretenden resolverse dentro del proyecto NOTED [4,5,14].

El objetivo del proyecto es proporcionar soluciones a los problemas más urgentes asociados con la práctica de alto nivel de la metrología térmica en el rango más de temperaturas más empleado, entre -218 °C hasta 1000 °C. Los dos principales objetivos son:

  • El desarrollo de nuevos sensores y técnicas de interpolación y, mediante la implementación de termómetros primarios prácticos, la calibración de termómetros de resistencia de platino patrones (TRPP) directamente frente a la nueva definición del kelvin.

  • Resolver las cuestiones más importantes relacionadas con los puntos fijos de la EIT-90, como la influencia de las trazas de impurezas, permitiendo una disminución de su incertidumbre de realización.

En este sentido, NOTED es el complemento perfecto a los dos proyectos descritos en los anteriores apartados HiTeMs e InK. NOTED es, por un lado, un proyecto eminentemente práctico, orientado a desarrollar nuevas técnicas e instrumentos para proporcionar una trazabilidad mejorada al kelvin, facilitando a los usuarios el soporte para una diseminación de la EIT-90 más amplia y simple, mientras que por otro lado profundiza en el conocimiento más fundamentar de problemas relacionados con los puntos fijos y los instrumentos de interpolación de la EIT-90. NOTED, coordinado por el Centro Español de Metrología, cuenta con la participación de 13 INM europeos y con la colaboración de otros institutos de dentro y fuera de Europa y de diversos fabricantes. El proyecto comenzó en junio de 2012 y finalizará en mayo de 2015.

Los principales problemas de la EIT-90

La EIT-90 está en uso desde hace más de 20 años, durante este tiempo se han identificado varios puntos débiles [5, 20, 21]. En 2008 el CCT recomendó que no sería necesaria una modificación inmediata de la escala ya que la MeP-K proporcionaría en el futuro caminos alternativos y más flexibles para la trazabilidad al kelvin. Al mismo tiempo, el CCT señaló la necesidad de investigación en diferentes áreas para abordar alguna de las limitaciones más importante de la EIT-90 [22], que serían contempladas en el anexo técnico de la EIT-90 o en la propia MeP-K.

Las actividades de este proyecto están dirigidas a mejorar la actual realización de la EIT-90 mediante el estudio sistemático de las dos fuentes de incertidumbre más importantes en la realización de los puntos fijos de definición (ver figura 6): los flujos térmicos y la concentración de impurezas. Ambas están consideradas como las mayores limitaciones de la EIT-90 [21].

célula del punto triple del mercurio
Figura 6. Fotografía de una célula del punto triple del mercurio

En la actualidad no existen diagramas de fases para bajas concentraciones de impurezas en los materiales de los puntos fijos, por lo que no es posible realizar correcciones a sus temperaturas debido a impurezas. En NOTED se intentará, por primera vez, profundizar en el conocimiento teórico de las transiciones de fase de los puntos fijos de definición utilizando modelos teóricos y numéricos precisos que podrán ser empleados por el usuario final para realizar correcciones por impurezas y estimar las incertidumbres. El objetivo es cuantificar de forma precisa las influencias de las impurezas más comunes en los puntos fijos metálicos (mercurio, galio y aluminio) y en el punto triple del agua. Esta información permitirá la corrección de la temperatura del punto fijo con respecto a la del elemento puro con la consecuente reducción de incertidumbres. Es importante resaltar que las incertidumbres por impurezas corresponden, en media, al 20 % de la incertidumbre total. Para el caso de materiales que pueden obtenerse con alta pureza (Hg y Ga) puede llegar a ser de hasta el 40 %. Por otro lado, las incertidumbres debidas a flujos térmicos corresponden también, en media al 20 % de la incertidumbre total pero pueden llegar hasta un 75 % en el caso del aluminio. Los estudios que se llevan a cabo en este proyecto permitirán realizar estimaciones fiables de estos efectos y, en los casos en que sea posible, su minimización.

Con respecto a los TRPP, el proyecto también pretende mejorar significativamente su uso y manejo, tanto de los termómetros de tipo varilla como de los de tipo cápsula. En el caso de los TRPP tipo cápsula, no existe ningún procedimiento internacionalmente aceptado para realizar su calibración en puntos fijos convencionales [5], los trabajos desarrollados en este proyecto conducirán a unas recomendaciones de buenas prácticas en su calibración. Para los TRPP de tipo varilla, la falta de nuevos datos en cuanto a no-unicidad, oxidación, efectos de tensiones y contaminación, en especial para los nuevos modelos comercializados, impiden que se puedan realizar calibraciones óptimas. Todos estos aspectos son evaluados en el proyecto. También se pretende desarrollar un modelo analítico para la optimización de hornos, que no existe hasta el momento, que facilitará la optimización de los procedimientos de calibración de los TRPP.

En el pasado se han llevado a cabo trabajos para buscar posibles candidatos que podrían ser usados como puntos fijos en futuras escalas o como sustitutos de los actuales (p.e. la necesidad de reemplazar el punto fijo del mercurio). En este proyecto se abordarán principalmente dos aspectos, por un lado el mejorar algunos de los nuevos puntos fijos más prometedores (para disminuir sus incertidumbres de realización) y por otro el desarrollar otros completamente nuevos que puedan llenar algunos de los huecos más grandes de la EIT-90 entre algunos de los puntos fijos establecidos. El esquema actual de interpolación de la EIT-90 es lagrangiano, es decir, las ecuaciones de interpolación tienen el mismo número de parámetros de ajuste que de puntos de medida. Si se pueden añadir puntos adicionales de alta calidad, entonces podrían realizarse ajustes por mínimos cuadrados reduciendo, en consecuencia, la incertidumbre propagada. Por ejemplo, entre los puntos del argón (~189 °C) y del agua, la disponibilidad de nuevos puntos fijos (p.e. Xe o C2F6) podrían reducir la incertidumbre total de calibración en un 50 %.

Resumiendo, la consecución de estos objetivos permitirá resolver los principales problemas de la EIT-90 alargando, por tanto, su vida.

Nueva instrumentación para una diseminación mejorada

En el rango entre el punto triple del argón (189,344 2 °C) y el punto de la plata (961,78 °C), el TRPP es el instrumento de interpolación determinado por la EIT-90. Es también el tipo de sensor utilizado cuando se necesitan incertidumbres de medidas inferiores a 10 mK. Si embargo, estos termómetros tienen una limitación en las aplicaciones prácticas: requieren un manejo cuidadoso ya que son muy sensibles a choques mecánicos que pueden modificar el estado físico de su elemento sensible impidiendo que consigan las incertidumbres de medida requeridas. Incluso un pequeño golpe puede modificar varios milikelvin su lectura en el punto triple del agua, es decir, varias veces más que las incertidumbres de calibración más comunes, causando, por tanto, errores inaceptables. Esta fragilidad limita el uso de los TRPP a dentro de la comunidad metrológica de alto nivel, por tanto se hace necesario buscar nuevos sensores y métodos de medida que, manteniendo los niveles de incertidumbres de los TRPP, no tengan sus limitaciones.

En especial, por encima del punto del zinc (419,527 °C) hasta 1000 °C, las mejores incertidumbres alcanzables [24] son de varios milikelvin utilizando TRPP de alta temperatura, instrumentos que, como se ha mencionado, tienen problemas de deriva y son poco robustos. Dentro de este proyecto se pretende mejorar el comportamiento de los termopares de Au/Pt con el objetivo de que sustituyan a los TRPP de alta temperatura como instrumentos de interpolación de la EIT-90, lo que aumentará la fiabilidad de la diseminación de la escala y simplificará su uso.

Para materializar ese mismo rango mediante termometría de radiación absoluta, se necesitan termómetros de radiación que operen en el rango de longitudes del infrarrojo cercano (NIR). Dentro de NOTED se desarrollará la instrumentación necesaria para permitir la caracterización y calibración absoluta de dicho tipo de termómetros. El trabajo previsto permitirá la evaluación de los parámetros clave en la determinación de la temperatura termodinámica: la responsividad absoluta en radiancia con incertidumbre relativa inferior al 0,1 % (k = 1), la estabilidad a corto plazo del termómetro y la linealidad dentro del rango dinámico de dichos termómetros de radiación. Al mismo tiempo se desarrollará un termómetro de radiación NIR con una longitud de onda operacional sintonizable que será construido de forma que se facilite la calibración de su respuesta espectral absoluta mediante láser. La calibración de este instrumento sería mucho más sencilla en comparación con los radiómetros de filtro habituales ya que su longitud de onda sería sintonizable.

También se desarrollará un termómetro basado en los modos de galería de susurros (whispeering-gallery-mode en inglés, WGM) de un resonador de zafiro. Éste podría ser un buen candidato que carecería de las inestabilidades mecánicas de los TRPP para aplicaciones industriales. La dependencia intrínseca del índice de refracción (o de la permitividad) con la temperatura del zafiro sintético, junto con la facilidad de la medida de la frecuencia de sus modos de resonancia con un factor Q alto, permitiría su uso como termómetro más que como patrón de frecuencias. El termómetro WGM es un potencial sustituto del TRPP en aplicaciones industriales cuando son necesarias incertidumbres de medida inferiores a 10 mK. En NOTED se desarrollará un termómetro de este tipo para cubrir el rango de -80 °C a 180 °C.

Termometría primaria práctica

En la actualidad, en los rangos de altas y bajas temperaturas coexisten T y T90 por que el equipamiento para desarrollar ambas es igualmente reproducible, repetitivo y con el mismo nivel de complejidad. Pero no existe ningún procedimiento ni instrumentación capaz de diseminar la temperatura termodinámica de forma práctica, sobre todo en el rango entre -218 °C hasta 1000 °C. Los termómetros primarios, como los usados dentro del proyecto InK (termómetros acústicos, de constante dieléctrica, etc.), son complicados y difíciles de manejar. Son excelentes para la realización de la temperatura termodinámica al más alto nivel de exactitud pero poco adecuados como instrumentos de transferencia. En este proyecto se desarrollarán los medios necesarios para llevar a cabo calibraciones termodinámicas prácticas mediante la construcción de termómetros acústicos prácticos que permitirán la calibración directa de TRPP frente a la temperatura termodinámica por primera vez, permitiendo la trazabilidad directa y superando los habituales problemas de propagación de las incertidumbres de los puntos fijos.

Conclusión

En este artículo se han presentado en forma muy resumida los objetivos de tres proyectos de investigación dentro del EMRP enfocados a la termometría. Los resultados de estos proyectos en su conjunto proporcionarán un avance significativo en la termometría práctica tanto a nivel de INM como a nivel industrial. Información actualizada y de contacto puede encontrarse en sus páginas web: http://projects.npl.co.uk/hitems/ (HiTeMs), http://projects.npl.co.uk/ink/ (InK) y www.notedproject.com NOTED).

Agradecimientos

Estos trabajos de investigación están incluidos en proyectos de investigación conjunta del EMRP siendo financiados por los países participantes dentro de EURAMET y por la Unión Europea.

Los autores desean también agradecer a todos los socios y colaboradores la dedicación y entusiasmo puestos en estos proyectos.

Referencias

[1] http://www.euramet.org/index.php?id=publicity

[2] http://www.bipm.org/utils/common/pdf/its-90/ITS-90_metrologia.pdf

[3] http://www.bipm.org/en/committees/cc/cct/

[4] http://www.bipm.org/cc/CCT/Allowed/24/D17_rev_MePK_Report_2008c.pdf

[5] Machin, G. et al Metrologia, 2011, 48, 68-69

[6] http://www.bipm.org/en/publications/mep_kelvin/

[7] http://www.bipm.org/en/si/new_si/

[8] http://www.euramet.org/index.php?id=tc-t

[9] http://projects.npl.co.uk/hitems/

[10] Machin, G., et al HiTeMS presentado en el Congreso ITS-9, USA, Marzo 2012, (en prensa)

[11]http://www.euramet.org/index.php?id=emrp_call_2011 (SIB10)

[12] del Campo, D. et al, Proceedings XX IMEKO Congress, Rep. Korea. Sept.2012

[13]http://www.euramet.org/index.php?id=emrp_call_2011 (SIB01)

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