Medición de la temperatura del aluminio fundido

Para obtener la máxima precisión en la medición de la temperatura del aluminio fundido, combine termopares de inmersión de tipo S para lecturas de pico de contacto directo con pirómetros ópticos de longitud de onda múltiple para una supervisión continua sin contacto, y mantenga una calibración frecuente utilizando patrones trazables para minimizar la variación del proceso y los desechos.

Por qué es importante el control de la temperatura en la fundición de aluminio

La temperatura controla la calidad de la fusión, la fluidez, el contenido de gas disuelto y las propiedades mecánicas finales. Un control deficiente de la temperatura aumenta la tasa de desechos, modifica la composición de la aleación por oxidación excesiva y aumenta el coste energético por unidad. Una medición fiable proporciona puntos de ajuste de proceso repetibles, ayuda en la sincronización de la desgasificación y reduce la repetición de trabajos.

Principales estrategias de medición

En la producción industrial de aluminio se utilizan principalmente dos métodos: los sensores de inmersión de contacto directo y los sensores ópticos sin contacto. Cada método presenta ventajas y desventajas en cuanto a velocidad, longevidad, riesgo de contaminación y complejidad de integración. La mayoría de las fundiciones combinan ambos tipos para obtener redundancia y una retroalimentación continua.

Termopares de inmersión - lectura directa con protección

Por qué siguen siendo habituales los sensores de inmersión

Las sondas de inmersión ofrecen el vínculo más directo con la temperatura del metal. Miden en el interior de la masa fundida, captando la temperatura global que los sistemas ópticos pueden pasar por alto en presencia de escoria o película superficial. La elección de la sonda adecuada reduce el riesgo de contaminación y proporciona lecturas pico repetibles que los lazos de control pueden utilizar para tomar decisiones sobre el proceso.

Las sondas de inmersión se ofrecen en diseños fijos y desechables. Las sondas fijas utilizan materiales de revestimiento resistentes y tubos protectores. Las sondas desechables ofrecen puntas de bajo coste de un solo uso para operaciones de alto desgaste en las que se espera un fallo de la punta de la sonda.

Tipos de termopares y rangos prácticos

Tipo de termopar	Servicio máximo típico	Rasgo clave	Uso común en fundición
Tipo S (Pt10%Rh/Pt)	~1600°C (alta temperatura trazable)	Estable a altas temperaturas, buena resistencia a la deriva	Puntos críticos de control, controles de alta precisión
Tipo K (Cromo/Aluminio)	~1370°C	Bajo coste, respuesta rápida	Supervisión general
Tipo B (Pt30%Rh/Pt6%Rh)	~1700°C	Diseñado para la estabilidad a temperaturas extremas	Aplicaciones de fusión a alta temperatura

Los termopares de alta resistencia fabricados para metal fundido suelen utilizar materiales de revestimiento seleccionados por su resistencia al choque térmico y a los productos químicos. Para el aluminio, son habituales las aleaciones inoxidables o los elementos con protección cerámica. Los tubos de protección y los manguitos cerámicos aumentan la vida útil y reducen la humectación por metal líquido.

Los proveedores del sector ofrecen conjuntos de inmersión adaptados a aplicaciones de artesa de colada, cuchara, crisol y colada. El objetivo es conseguir una respuesta rápida y, al mismo tiempo, evitar que se moje el hilo y se queme la sonda. Las puntas desechables se utilizan cuando la erosión de la punta o la tensión mecánica repetida provocan fallos frecuentes. Las precisiones prácticas del sistema dependen del tipo de sonda, medidor y método de instalación; los sistemas calibrados de tipo S ofrecen la incertidumbre más ajustada para el control de metal fundido.

Instalación y manipulación de la sonda

• Inserte la sonda a una profundidad constante para garantizar la comparabilidad entre las lecturas.
• Utilice un soporte fijo o un soporte repetible para evitar movimientos durante la medición.
• Proteja el empalme y el cable del calor radiante mediante escudos o asas prolongadas.
• Sustituya las puntas fungibles antes de que la corrosión alcance la unión del termopar.

Pirómetros ópticos y sistemas de infrarrojos

Principio y selección espectral

Los sensores ópticos de temperatura calculan la temperatura a partir de la radiación emitida. La señal medida depende de la longitud de onda, el campo de visión del sensor y la emisividad de la superficie. El aluminio fundido no se comporta como un emisor ideal. Eso complica las lecturas de una sola longitud de onda, especialmente cuando las condiciones de la superficie cambian debido a la película de óxido, la escoria o los humos. Por este motivo, los instrumentos de longitud de onda múltiple o los sistemas con compensación de emisividad incorporada ofrecen resultados más coherentes en el servicio industrial.

Unidades de longitud de onda única: bajo coste, precisión condicional

Los pirómetros monobanda funcionan bien si la emisividad de la superficie es conocida y estable. Ofrecen una respuesta rápida, medición sin contacto y sin riesgo de contaminación. Sin embargo, las lecturas cambian cuando la emisividad varía a causa del óxido superficial, las salpicaduras o la espuma.

Pirómetros de longitud de onda múltiple

Los sensores de longitud de onda múltiple miden la radiancia en dos o más longitudes de onda y aplican algoritmos para compensar los comportamientos no grises. En el aluminio fundido, esa capacidad produce lecturas más repetibles en entornos con condiciones de superficie cambiantes y fuertes reflejos. Los instrumentos de longitud de onda múltiple son la opción preferida cuando la supervisión continua debe alimentar los bucles de control.

Límites prácticos de los sistemas ópticos

• La línea de visión debe permanecer despejada; los gases, el humo o los obstáculos físicos reducen la fiabilidad.
• Las masas fundidas que se mueven rápidamente pueden requerir tiempos de integración cortos para evitar retrasos en la medición.
• La calibración utiliza referencias de cuerpo negro o patrones trazables para mantener la precisión.

Comparación de los enfoques óptico y de inmersión

Atributo	Termopar de inmersión	Pirómetro óptico
Contacto con la masa fundida	Sí	No
Tiempo de respuesta	De moderado a rápido	Muy rápido
Riesgo de contaminación	Más alto (posible humectación de la unión)	Ninguno
Dependencia del estado de la superficie	Bajo	Alta para sensores monobanda
Mantenimiento	Sustitución de la sonda, desgaste del tubo de protección	Limpieza del objetivo, recalibrado

Precisión, calibración, trazabilidad

Una buena medición requiere una calibración periódica y puntos de referencia trazables. La calibración trazable según normas nacionales reduce la incertidumbre del proceso y facilita la documentación de la calidad durante las auditorías. La frecuencia de calibración depende del índice de desgaste del sensor y de los límites de control del proceso. La práctica típica de fundición para los sistemas de temperatura de metal fundido incluye la comparación rutinaria con una sonda de referencia calibrada o un estándar de cuerpo negro antes de los vertidos críticos.

Los datos publicados por los fabricantes y las notas de aplicación destacan la diferencia entre los tipos de sensores y las prácticas de calibración recomendadas. En el caso del aluminio fundido, las publicaciones de los proveedores sugieren una cuidadosa selección espectral de los pirómetros y especifican los tipos de termopares y los métodos de calibración que satisfacen las necesidades de precisión de la industria.

Cifras de precisión del sistema que puede esperar

Los fabricantes publican las incertidumbres típicas de las familias de productos más comunes. Por ejemplo, los sistemas de inmersión de sobremesa con instrumentos comerciales suelen indicar incertidumbres del sistema de entre ±5°F y ±20°F, dependiendo del tipo de termopar y de la calidad del medidor. Los sistemas de campo construidos a partir de conjuntos de tipo S de alta calidad más instrumentación de precisión pueden mantener mejores tolerancias. Para un control industrial repetible, conseguir una incertidumbre del sistema inferior a ±10°F es un objetivo práctico utilizando sondas de tipo S y una calibración adecuada.

Modos habituales de fallo y causas subyacentes

Modo de fallo	Causa principal	Remedio
Deriva en la lectura	Envejecimiento del termopar, contaminación	Sustituir la punta, recalibrar el sensor
Lecturas intermitentes	Mal contacto de unión, daños en el cable	Comprobar las conexiones, sustituir el cableado
Ruido óptico	Vista obstruida, humos	Instalar aire de purga, reposicionar sensor
Valor absoluto incorrecto	Ajuste de emisividad incorrecto, tipo de sonda incorrecto	Ajustar emisividad, cambiar a sonda correcta

Lista de comprobación de la instalación para un funcionamiento fiable

• Montaje seguro del sensor con aislamiento de vibraciones.
• Tienda los cables lejos del calor radiante. Utilice pantallas térmicas cuando sea necesario.
• Establezca un programa de calibración y lleve un registro.
• Proporcione purga de lente o cuchilla de aire para los sensores ópticos a fin de mantener despejado el campo de visión.
• Mantenga en inventario puntas y tubos de protección desechables de repuesto.
• Documentar la profundidad de medición y el punto de muestreo para la repetibilidad.

Integración con sistemas de control de procesos

La medición sólo es útil cuando alimenta la lógica de control. La integración típica utiliza entradas de termopar en PLC, sistemas de adquisición de datos o controladores de temperatura de fusión dedicados. Los pirómetros ópticos suelen incluir salida de corriente analógica de 4-20 mA, RS-485 o conectividad Ethernet. Asegúrese de que el acondicionamiento de la señal y la compensación de la unión fría son correctos. En instalaciones con sensores mixtos, aplique la lógica de fusión de sensores para conciliar los picos de los termopares con los promedios ópticos.

Selección del sensor adecuado para su aplicación

Entre los factores de decisión clave se incluyen el volumen de fusión, el ciclo de trabajo, la precisión deseada y el presupuesto. Los hornos de fusión pequeños con manipulación frecuente de metal pueden favorecer las sondas de inmersión desechables para reducir los tiempos de inactividad imprevistos. Las operaciones de mayor envergadura con líneas de colada continua suelen utilizar sondas de inmersión fijas y robustas, además de un sensor óptico a través de la línea para redundancia.

Caso práctico	Sensor recomendado	Justificación
Fusión por lotes, bajo rendimiento	Sonda de inmersión manual	Bajo capital, buena lectura de picos
Línea de colada continua	Sonda de inmersión fija + pirómetro de longitud de onda múltiple	Redundancia, retroalimentación continua
Entorno de alta erosión	Termopares de punta desechable	Menor coste de sustitución, mantenimiento predecible

Ejemplos prácticos

Muchas fundiciones combinan un termopar de varilla para la verificación ocasional con un pirómetro montado permanentemente que alimenta el bucle de control. En el caso del aluminio fundido, los termopares de tipo S están muy extendidos por su estabilidad a altas temperaturas y su reducida deriva en servicio. Las notas de aplicación de la industria y la literatura de los proveedores destacan que los pirómetros de longitud de onda múltiple producen una mejor consistencia durante la fundición porque reducen la sensibilidad al comportamiento reflectante de la superficie.

Investigación y métodos emergentes

Trabajos técnicos recientes combinan métodos ópticos multiespectrales con la estimación de la emisividad basada en el aprendizaje automático para mejorar la precisión sin contacto en condiciones dinámicas de superficie. Los sistemas híbridos que correlacionan los picos de las sondas de inmersión con tendencias ópticas continuas proporcionan un mejor control del proceso y una detección temprana de anomalías térmicas. Los estudios académicos demuestran que la combinación de termopares blindados de tipo k con métodos de infrarrojos ofrece un equilibrio práctico entre coste y rendimiento para muchas operaciones.

Plan de mantenimiento

1. Diariamente: inspección visual de sensores y cables; limpieza de lentes de unidades ópticas.
2. Semanalmente: compruebe los herrajes de montaje, registre los controles de deriva de calibración.
3. Mensualmente: prueba de señal completa contra la sonda de referencia; inspeccionar el desgaste de los tubos de protección.
4. Trimestralmente: calibración trazable de al menos un sensor de referencia; actualización de las compensaciones de control.
5. Anualmente: calibración del fabricante o cambio a unidades recién calibradas para los puntos críticos.

Errores comunes de medición y medidas correctoras

• Un ajuste incorrecto de la emisividad da lecturas sesgadas del pirómetro: verifique la emisividad en una muestra conocida antes de la tirada de producción.
• La humectación de los empalmes en las sondas de inmersión provoca una lectura insuficiente debido al efecto disipador de calor: utilice un tubo de protección con punta cerámica para retrasar la humectación.
• Los conectores flojos producen datos ruidosos: aplique un apriete de conectores controlado por par o carcasas bloqueables.
• Calor ambiental que provoca daños en los cables: tienda los cables con apantallamiento reflectante y ventilación.

Tres prácticos cuadros de consulta rápida

Tabla 1 Referencia rápida para la selección de termopares

Prioridad	Elija	Por qué
Máxima precisión	Inmersión tipo S	Buena estabilidad a altas temperaturas, baja deriva
La mejor relación calidad-precio	Tipo K con tubo de protección	Menor coste, rendimiento aceptable
Temperatura extrema	Tipo B	Diseñado para temperaturas muy altas

Cuadro 2 Orientación espectral del pirómetro

Banda espectral	Adecuado para	Notas
Onda corta (0,5-1,0 μm)	Metales brillantes, mancha pequeña	Menos afectados por la contaminación cuando se seleccionan adecuadamente
Onda media (1,0-3,0 μm)	Control general de metales	Requiere atención a la emisividad
Longitud de onda múltiple	Aluminio fundido	Compensa los efectos no grises

Tabla 3 Matriz de resolución rápida de problemas

Síntoma	Causa probable	Acción inmediata
Salto brusco de temperatura	Fallo o cortocircuito del contacto de la sonda	Retire la sonda, inspeccione la punta, compare con el sensor de reserva.
Lecturas lentas y rancias	Degradación del aislamiento de la sonda	Sustituir el tubo de protección, volver a probar el tiempo de respuesta
Desplazamiento coherente	Deriva de calibración	Comprobación de la calibración, ajuste de la desviación

Trazabilidad y documentación reglamentarias

Los certificados de calibración trazables crean pistas de auditoría para los sistemas de calidad. Si las especificaciones del producto o los contratos con los clientes exigen tolerancias estrictas, conserve en sus archivos certificados de calibración de laboratorios acreditados. Para vertidos críticos, ejecute protocolos de verificación previos al vertido y registre los ID de los sensores, las fechas de calibración y las desviaciones medidas.

Coste y rentabilidad

La inversión en una sólida medición de la temperatura reduce los costes de desechos y reprocesado. Calcule el retorno de la inversión estimando la reducción del porcentaje de piezas desechadas, el ahorro de energía derivado de un control más estricto y el ahorro de mano de obra derivado de un menor número de intervenciones manuales. La redundancia multisensor reduce los fallos catastróficos que provocan pérdidas de tiempo de producción.

Consejos para la selección de proveedores

• Elija proveedores que ofrezcan soporte de ingeniería de aplicaciones, no sólo artículos de catálogo.
• Solicite instalaciones de referencia para aleaciones y caudales similares.
• Verifique la disponibilidad de piezas de repuesto y los plazos de entrega de puntas o lentes fungibles.
• Solicite datos de pruebas que muestren el rendimiento en aluminio fundido con distintas condiciones de superficie.

Preguntas más frecuentes

1. P: ¿Qué sensor proporciona la lectura instantánea más real?R: Una sonda de inmersión colocada en la masa fundida proporciona la lectura más cercana a la temperatura a granel. Para obtener resultados coherentes, utilice un termopar debidamente protegido e introdúzcalo a una profundidad repetible.
2. P: ¿Se puede confiar en un termómetro de infrarrojos para las fusiones?R: Las herramientas manuales de infrarrojos pueden dar lecturas útiles para comprobaciones aproximadas, pero dependen de la emisividad y pueden cambiar con el estado de la superficie. Para el control de la producción, elija pirómetros industriales con ajustes espectrales adaptados al aluminio.
3. P: ¿Qué tipo de termopar se recomienda?R: El tipo S se recomienda cuando la estabilidad y la baja deriva son importantes. El tipo K ofrece un menor coste y una respuesta rápida para muchas tareas rutinarias.
4. P: ¿Con qué frecuencia deben calibrarse los sensores?R: La frecuencia de calibración depende del uso y de la criticidad. Para los puntos de control críticos, realice comprobaciones mensuales con un sensor de referencia y lleve a cabo una calibración completa trimestral o anualmente en función de las tendencias de deriva.
5. P: ¿Por qué cambian rápidamente las lecturas ópticas?R: Las lecturas ópticas detectan el resplandor de la superficie. Las películas superficiales, las salpicaduras, los humos o los reflejos modifican rápidamente la radiancia. Los instrumentos de longitud de onda múltiple reducen esa sensibilidad.
6. P: ¿Qué causa la humectación del termopar?R: La humectación se produce cuando el metal fundido se adhiere a la vaina de la sonda y llega a la unión. El uso de fundas cerámicas o tubos protectores retrasa la humectación y prolonga la vida útil de la sonda.
7. P: ¿Merece la pena pagar por una sonda desechable?R: Para entornos de alta abrasión o salpicaduras, las puntas desechables reducen el tiempo de inactividad imprevisto y pueden reducir el coste total cuando la vida útil de la punta es corta.
8. P: ¿Pueden los pirómetros medir a través de aberturas o a grandes distancias?R: Los pirómetros tienen una óptica finita y limitaciones de campo de visión. Las mediciones a larga distancia requieren una selección cuidadosa de la óptica, el enfoque y, tal vez, ventanas de protección con sistemas de purga.
9. P: ¿Cómo se ajusta la emisividad del aluminio fundido?R: Determine la emisividad mediante calibración con respecto a una sonda de referencia o un cuerpo negro a la temperatura de funcionamiento y en las condiciones de la superficie. Mantenga un registro de los ajustes de emisividad vinculados a los estados de producción.
10. P: ¿Qué estrategia de redundancia funciona mejor?R: Combine un termopar de inmersión para la verificación de picos con un pirómetro de longitud de onda múltiple para la supervisión continua. Aplique umbrales de alarma a la concordancia entre sensores para señalar fallos.

Lista de control final antes del despliegue

• Valide el tipo de sensor en función de la temperatura y la aleación del proceso.
• Confirmar la selección espectral del pirómetro para las propiedades radiativas del aluminio.
• Cableado completo, compensación de la unión fría y validación de la señal.
• Realice la calibración con una referencia trazable y documente los resultados.
• Formar a los operarios en la interpretación de las lecturas y en las tareas de mantenimiento.

Resumen final

La medición de la temperatura del aluminio fundido exige una combinación pragmática de métodos para equilibrar la precisión, el tiempo de funcionamiento y el coste. Los termopares de inmersión ofrecen mediciones directas de los valores máximos. Los pirómetros ópticos de múltiples longitudes de onda ofrecen una supervisión continua y sin contacto que resiste los cambios de radiación de la superficie. Una instalación híbrida y una calibración disciplinada producen los mejores resultados de producción y el menor coste total de propiedad.