EMPRESS 2: Mejorando la eficiencia de los procesos mediante la mejora de las medidas de la temperatura 2
La eficiencia de procesos de fabricación de alto valor está íntimamente ligado a una medida de la temperatura precisa y trazable, pues algunos de estos procesos necesitan ser controlados de manera fiable a temperaturas tan altas como 2000°C. Los métodos de medida actuales para altas temperaturas usados en la industria bien presentan derivas e importantes incertidumbres en la medida. La mejora en la calidad de las mediciones puede conducir a garantizar la consistencia de un producto, perfeccionar la fiabilidad de un sensor o incrementar la eficiencia energética, reduciendo de esta forma costos para los fabricantes. Este proyecto EMPRESS 2 busca mejorar la eficiencia de los procesos de fabricación de alto valor añadido abordando cuatro retos actuales de la termometría donde es más necesario lograr avances: Sondas para la medida de temperatura superficial por contacto, termopares, termometría de combustión y fibras ópticas.
El proyecto, financiado por el programa de metrología europeo para la innovación y la investigación de EURAMET (EMPIR), se caracteriza por llevar a cabo ensayos directamente dentro de los procesos industriales de interés con el fin de desarrollar novedosas técnicas de calibración que permitan solucionar problemas en entornos punteros de manufactura, mediante la introducción de trazabilidad in situ acorde a la escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90).
La asociación europea de institutos nacionales de metrología (EURAMET) es una iniciativa europea de metrología enfocada en coordinar actividades de I+D que faciliten una integración cercana entre iniciativas de investigación nacionales. Está integrada en el programa marco de la UE para la investigación y la innovación, Horizon 2020. EMPIR aspira a unificar esfuerzos entre los institutos de metrología europeos y las universidades, las empresas y los centros de investigación. En este caso, el LIR-UC3M participa en este consorcio junto con el Centro Español de Metrología (CEM)
Figura 1. Izquierda, TELOPS sistema de imagen hiperespectral mediante tecnología FTIR.
Derecha, La llama estándar del NPL en las instalaciones del LIR-UC3M.
Después del éxito del anterior proyecto EMPRESS, el LIR-UC3M mantiene un papel importante dentro de esta segunda etapa formando parte del paquete de trabajo (WP) 3: “Demostración de un estándar de referencia en combustión validado in situ”. El objetivo de este WP es probar el uso de la llama de referencia estándar, utilizada en el proyecto EMPRESS, para el desarrollo de un sistema óptico infrarrojo asequible que permita mejorar la precisión en la medida de altas temperaturas. El LIR-UC3M elaborará una cámara infrarroja multiespectral, basada en filtros ópticos, cuyo costo será menor en comparación con otros sistemas convencionales de imagen infrarroja sin comprometer la precisión recomendable de medida.
Con el objetivo de validar un sistema de imagen multiespectral en el infrarrojo medio que permita obtener valores de alta temperatura casi tan exactos como los obtenidos en la primera etapa del proyecto con el sistema de imagen hiperespectral, se contó nuevamente en las instalaciones del LIR-UC3M con el sistema de llama estándar del NPL (Reino Unido). A finales de junio de 2019 se llevó a cabo el desembalaje y la instalación del sistema por parte de Gavin Sutton y Alberto Sposito (NPL). El sistema estuvo en las instalaciones del LIR-UC3M durante la segunda mitad de 2019 para la realización de múltiples medidas, bajo diversas configuraciones de mezcla (combustible/aire).
El objetivo es estudiar la mejor configuración de filtros ópticos en el infrarrojo medio que permitan abarcar completamente la firma espectral de los gases de emisión para poder relacionar los valores medidos en radiancia integrada con la temperatura de llama. A comienzos de 2020, el sistema de llama estándar regresó a las instalaciones del NPL para su calibración y posterior viaje al otro colaborador del paquete de trabajo y líder del mismo, el DTU (Danish Technical University).
Figura 2. Instalación del sistema de llama estándar del NPL (junio 2019).
Arriba izquierda: Visualización de la llama estándar en el software del sistema de imagen hiperespectral.
Explicación de Juan Meléndez a Gavin Sutton y Alberto Sposito.
Arriba derecha: Sistema de llama estándar del NPL instalado en el LIR-UC3M.
Abajo izquierda: Detalles de la llama estándar del NPL.
Abajo derecha: Sistemas de imagen infrarroja multi e hiperespectral usados en las medidas del sistema de llama estándar del NPL.
Como actividad posterior a las medidas con el sistema de llama estándar del NPL, entre los días 22 y 23 de enero de 2020 el LIR-UC3M llevó a cabo la calibración en radiancia del sistema de imagen multiespectral en el laboratorio de termometría del CEM (Centro Español de Metrología) situado en Tres Cantos (Madrid). El proceso fue demorado debido a la adaptación mecánica del sistema al entorno del laboratorio, así como a la necesidad de esperar largos lapsos de tiempo para que los cuerpos negros de cavidad usados en la calibración alcanzaran los altos valores de temperatura estable deseados para las medidas.
Para esta labor contamos con el apoyo de María José Martín, responsable del laboratorio de termometría del CEM y colaboradora habitual de los proyectos EMPIR en temas de temperatura de radiación, quien se encargó del control de la temperatura de los cuerpos negros usados, así como de la medida de incertidumbre en cada caso.
Figura 3. Calibración del sistema de imagen multiespectral del LIR-UC3M en el laboratorio de termometría
del CEM usando un cuerpo negro de cavidad de muy alta temperatura
Figura 4. Calibración del sistema de imagen multiespectral del LIR-UC3M en el laboratorio de termometría
del CEM usando un cuerpo negro de cavidad de alta temperatura
Una de las conferencias más importantes a nivel mundial relativas a la termografía infrarroja es Thermosense. La edición Nª 43 de este evento tendrá lugar de forma virtual en abril de 2021 y en él se presentará una ponencia titulada “Mapping of temperature and CO2 column density in a standard flame by multispectral imaging” basada en el trabajo relativo al proyecto realizado hasta el momento por parte del LIR-UC3M. Para mayor información sobre esta conferencia, así como un resumen de la ponencia indicada, se puede visitar su página web: https://spie.org/SI/conferencedetails/thermosense?SSO=1
