Global Thermal Solutions México

¿Cómo elegir el termopar correcto en Tratamientos Térmicos?

/ FEATURED NEWS, MANUFACTURING HEAT TREAT, THERMOCOUPLES TECHNICAL CONTENT

OCLos termopares: elementos indispensables para lograr un acertado tratamiento térmico, pero ¿cómo elegir el más indicado para su necesidad particular? ¿Qué exigen las normas actuales? A continuación una explicación, por Víctor Zacarías, director general de Global Thermal Solutions México, que le ayudará a saber escoger el termopar adecuado.

Palabras clave: Termopar, Tratamiento térmico, Pirometría, Medición y Control de Temperatura, AMS2750, CQI-9

Read the Spanish translation of this article in the version below, or see both the Spanish and the English translation of the piece where it was originally published: Heat Treat Today's February's Air & Atmosphere Furnace Systems print edition.

Si quisieras aportar otros datos interesantes relacionados con los termopares, nuestros editores te invitan a compartirlos para ser publicados en línea en www.heattreattoday.com. Puedes hacerlos llegar a Bethany Leone al correo bethany@heattreattoday.com

Víctor Zacarías
Director General
Global Thermal Solutions México

La norma aeroespacial SAE AMS2750 y las evaluaciones automotrices de AIAG CQI-9, CQI-11, CQI-12, y CQI-29 son los estándares universalmente aceptados para el control de temperatura en operaciones de procesamiento térmico. Entre muchas cosas, describen los requisitos para el uso y control de los termopares empleados en hornos y estufas de proceso. En este artículo te comparto los requisitos de estas normativas para que puedas tomar una decisión correcta al elegir un termopar y de esta manera contar con una medición repetible que te asegure un proceso confiable.

1. Aplicación

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Para la selección apropiada de un termopar para la medición, control y/o registro de la temperatura debes considerar en primer lugar el tipo de proceso previsto. En la elección del termopar adecuado, toma en cuenta algunos factores que pudieran alterar su desempeño como:

  • El rango de temperatura en el que estará en uso
  • El tipo de atmósfera al que estará expuesto
  • Posible interferencia eléctrica
  • La precisión requerida por la especificación aplicable, etc.

En función de lo anterior, las normativas refieren una clasificación específica para los termopares en función de su fabricación y su aplicación final:

a) Termopares base y termopares nobles
b) Termopares desechables y no desechables

2. Tipos de termopar y su aislamiento

2.1 Termopar base o termopar noble

Un termopar base está fabricado de aleaciones básicas como hierro, cromo, níquel, cobre, etc., y constituyen los tipos más comunes en la industria por su versatilidad y costo: los termopares tipo K, E, J, N, y T. Un buen proveedor de sensores te recomendará un termopar de este tipo en función de la aplicación, el rango de temperatura y tu presupuesto (ver Tabla 1).

Tabla 1: Rango de temperatura y uso de los termopares más comunes
Source: GTS México

Por otro lado, un termopar noble está fabricado a partir de metales como platino y rodio: termopares tipo R, S y B. Éstos termopares son más estables a altas temperaturas y mantienen su precisión por mayor tiempo; sin embargo, tienen un costo elevado debido a que se fabrican a partir de metales preciosos. Debido a esta naturaleza, los termopares nobles son la elección preferida para aplicaciones de tratamiento térmico al vacío y procesos de alta temperatura.

2.2 Termopares desechables o no desechables

El segundo criterio de las normativas lo constituye el material con el que se protegen los elementos del termopar.

Los termopares desechables son aquellos cuyos elementos están revestidos por materiales como fibra de vidrio, tejido cerámico o recubrimiento polimérico y generalmente se suministran en forma de carrete o bobina. Esta presentación permite al usuario cortar el cable a la medida y fabricar el termopar al unir los dos alambres de un extremo por torsión o soldadura, lo que los hace ideales por ejemplo para aplicaciones de un solo uso como una prueba TUS o termopares de carga (ver Figura 1).

Figura 1: TUS usando termopar desechable tipo K aislado en fibra cerámica
Source: Trucal, Inc.

En contraste un termopar no desechable normalmente está protegido con aislamiento cerámico o mineral y revestido en su exterior por una carcasa metálica (los elementos no están expuestos en esta configuración), lo que le proporciona un mayor tiempo de vida útil y por eso se prefieren para emplearse como termopares de control o registro (ver Figura 2).

Figura 2: Termopares no desechables tipo N y K de aislamiento mineral
Source: GTS México

Cualquiera que sea la aplicación, cuando se requiere realizar interconexiones de cableado para la instalación del sensor, dichas conexiones se deben realizar usando conectores y terminales estándar como las que se muestran en la Figura 3, ya que tanto AMS2750 como CQI- 9 prohíben el empalme del cableado.

Figura 3: Conectores estándar tipo K
Source: GTS México

3. Calibración

De acuerdo con la normatividad, todos los termopares usados en operaciones de procesamiento térmico deben haber sido calibrados antes de usarse por primera vez. Para ello, el usuario del termopar debe asegurarse de contar con calibraciones trazables al laboratorio nacional como lo es el NIST en Estados Unidos o su equivalente en México (CENAM).

Las normas de pirometría defi nen los rangos aceptables de error para los termopares en función de su aplicación fi nal: 1) termopares patrón, 2) termopares de prueba (SAT y TUS), 3) termopares de control y registro y 4) termopares de carga. La Tabla 2 describe los máximos errores permitidos a elegir dependiendo del uso del sensor.

Tabla 2: Precisión requerida para sensores de temperatura según AMS2750 y CQI-9
Source: GTS México

Una vez instalado el termopar, el responsable de la operación de tratamiento térmico tiene que deberá documentar la fecha en la que éste entra en servicio, ya que la norma establece un tiempo de vida útil de un sensor en función de la aplicación del mismo.

Al recibir el reporte/certifi cado del termopar, el usuario debe revisar el contenido del documento, pues las normas también definen de manera específi ca la información mínima que debe aparecer en un informe de calibración, que incluye pero no se limita a:

1. Lecturas de prueba
2. Lecturas observadas
3. Factores de corrección
4. Fuente de los datos
5. Acreditación del laboratorio
6. Método de calibración empleado

El certifi cado de calibración puede amparar termopares individuales o un grupo de termopares fabricados a partir del mismo lote (carrete).

Es muy importante observar que tanto AMS2750 como CQI-9 requieren que todas las calibraciones sean realizadas por organismos acreditados en la norma ISO/IEC 17025, por lo que siempre recomiendo que revises el certifi cado de acreditación antes de seleccionar a tu proveedor.

4. En Resumen

Si alguna vez has comprado el termopar equivocado, se lo molesto que puede resultar. Por lo tanto aquí te comparto un resumen para seleccionar el sensor adecuado para su aplicación en 5 sencillos pasos:

1. Define el tipo de termopar: base ( K, T, J, E , N, y M) o noble (S, R, y B)
2. Define el tipo de aislamiento que requieres: fibra textil, polímero, cerámico, metálico, etc.
3. Especifi ca el rango exacto de temperatura en el que operará el sensor
4. Especifi ca el uso del sensor: termopar patrón (estándar), termopar para SAT/TUS, termopar de control / carga
5. Solicita el certifi cado de calibración conforme a la normativa aplicable (AMS2750 o CQI-9)

 

Referencias

ASTM International. ASTM E230, Standard Specification for Temperature-Electromotive Force (emf) Tables for Standardized Thermocouples, Rev. 2017.

Automotive Industry Action Group. CQI-9 Special Process: Heat Treat System Assessment, 4th Edition. June 2020

International Organization for Standardization. ISO/IEC 17025, General Requirements for the Competence of Testing and Calibration Laboratories, 3rd Edition. 2017.

Nadcap AC7102/8 Audit Criteria for Pyrometry, Rev. A, 2021

SAE Aerospace. Aerospace Material Specifi cation AMS2750: Pyrometry, Rev. G, 2022.

 

Sobre el autor: Víctor Zacarías es ingeniero metalúrgico egresado de la Universidad Autónoma de Querétaro con estudios en Gerencia Estratégica por parte del Tec de Monterrey. Con más de 15 años de experiencia en la gestión de tratamientos térmicos, actualmente es director general de Global Thermal Solutions México. Víctor ha realizado numerosos cursos, talleres y evaluaciones en México, Estados Unidos, Brasil, Argentina y Costa Rica y ha participado en el Grupo de Trabajo de Tratamiento Térmico de AIAG (CQI-9) y en el Comité de Ingeniería de Materiales Aeroespaciales de SAE.

Contact/Contacto Victor: victor@globalthermalsolutions.com

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How To Choose the Right Thermocouple in Heat Treatment

/ FEATURED NEWS, MANUFACTURING HEAT TREAT, THERMOCOUPLES TECHNICAL CONTENT

OC

Thermocouples: You can’t accurately heat treat without them. But how can you choose the best one for your needs? What do current regulations require? Read this helpful explanation, by Víctor Zacarías, managing director of Global Thermal Solutions Mexico, to find out how to choose the right thermocouple.

Keywords: Thermocouple, Heat Treatment, Pyrometry, Temperature Measurement and Control, AMS2750, CQI-9

Read the English version of the article below, or find the Spanish translation when you click the flag above right!

This Technical Tuesday article, first published in English and Spanish translations, is found in Heat Treat Today's February's Air & Atmosphere Furnace Systems print edition.

If you have any facts of your own about thermocouples, our editors would be interested in sharing them online at www.heattreattoday.com. Email Bethany Leone at bethany@heattreattoday.com with your own trivia!

Víctor Zacarías
Managing director 
Global Thermal Solutions México

The SAE AMS2750 aerospace standard and the AIAG CQI-9, CQI-11, CQI-12, and CQI-29 automotive assessments are the universally accepted standards for temperature control in thermal processing operations. Among many things, they describe the requirements for the use and control of thermocouples used in process ovens and furnaces. In this article you will find the requirements of these regulations so that you can make a correct decision when choosing a thermocouple, and thus have a repeatable measurement that ensures a reliable process.

1. Application

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For the appropriate selection of a thermocouple for the control and/or recording of temperature, you must first take into account the type of process. In choosing the right thermocouple, consider some factors that could alter its performance, such as:

  • The temperature range at which it will be in use
  • The type of atmosphere to which it will be exposed
  • Possible electrical interference
  • The accuracy required by the applicable specification, etc.

Based on the above, existing regulations refer to a specific classification for thermocouples based on their manufacture and final application. These classifications are:
a) Base thermocouples and noble thermocouples
b) Expendable and non-expendable thermocouples

2. Types of Thermocouples and Their Insulation

2.1 Base Thermocouple or Noble Thermocouple

A base thermocouple is made of basic alloys such as iron, chrome, nickel, copper, etc., and they are the most common types in the industry due to their versatility and cost. Base thermocouples are types K, E, J, N, and T. A good supplier of sensors will recommend a thermocouple based on the application, the temperature range, and your budget (see Table 1).

 

Table 1: Temperature range and application of most common thermocouples
Source: GTS México

On the other hand, a noble thermocouple is made from metals such as platinum and rhodium: types R, S, and B thermocouples. These thermocouples are more stable at high temperatures and maintain their accuracy for a longer time. However, they have the highest cost since they are made from precious metals. Due to this nature, noble thermocouples are the preferred choice for vacuum heat treatment applications and high temperature processes.

2.2 Expendable or Non-expendable Thermocouples

The second criteria from the regulations are the material which protects the elements of the thermocouple.

Expendable thermocouples are those whose elements are covered by materials such as fiberglass, ceramic fabric, or polymeric coating and are generally provided in the form of a spool. This form allows the user to cut the cable to size and manufacture the thermocouple by joining the two wires by twisting or welding, making them ideal for single use applications such as a TUS test or charging thermocouples, for example (see Figure 1).

Figure 1: TUS using type K expendable thermocouple insulated in ceramic fiber
Source: Trucal, Inc.

In contrast, a nonexpendable thermocouple is normally protected with ceramic or mineral insulation and covered on the outside by a metallic sheath (the elements are not exposed in this configuration), which gives it a longer useful life. Therefore, it is preferred for use as a control or recording thermocouple (see Figure 2).

Figure 2: Non-expendable type N and K mineral insulated thermocouples
Source: GTS México

Whatever the application, when wiring interconnections are required for sensor installation, these connections must be made using standard connectors and terminals such as those shown in Figure 3, as both AMS2750 and CQI-9 prohibit the wiring splice.

Figure 3: Standard type K connectors
Source: GTS México

3. Calibration

According to regulations, all thermocouples used in the heat treatment operation must have been calibrated before being used for the first time. The user of the thermocouple must ensure that they have calibrations traceable to a national laboratory such as the NIST in the United States or its equivalent in Mexico (CENAM).

Pyrometry standards defi ne the acceptable error ranges for thermocouples depending on their final application. These categories for final application include: standard thermocouples, test thermocouples (SAT and TUS), control and recording thermocouples, and load thermocouples (see Table 2). Table 2 describes the maximum errors allowed to be selected depending on the use of the sensor.

Table 2: Accuracy required for temperature sensors according to AMS2750 and CQI-9
Source: GTS México

Once the thermocouple is installed, the person responsible for the heat treatment operation must document the date on which it comes into service, since the regulations establish the life of a sensor based on its application.

When receiving the report/certificate of the thermocouple, the user must review the content of the document, since the standards specifically define the minimum information that shall appear in a calibration report, which includes but is not limited to:

1. Test readings
2. Actual readings
3. Correction factors
4. Data source
5. Laboratory accreditation
6. Calibration method used

The calibration certificate can cover individual thermocouples or a group of thermocouples manufactured from the same lot (spool).

It is very important to note that both AMS2750 and CQI-9 require all calibrations to be conducted by ISO/IEC 17025 accredited organizations, so ensure that you review the accreditation certificate before selecting your supplier.

4. In Summary

If you’ve ever bought the wrong thermocouple, you know how annoying it can be. Therefore, here is a quick guide to select the right sensor for your application in five easy steps:

1. Define the type of thermocouple: base (K, T, J, E, N, and M) or noble (S, R, and B)
2. Define the type of insulation you require: textile fiber, polymer, ceramic, metallic, etc.
3. Specify the exact temperature range in which the sensor will operate
4. Specify the use of the sensor: standard thermocouple, SAT/TUS thermocouple, control/load thermocouple
5. Request the calibration certificate in accordance with the applicable regulations (AMS2750 or CQI-9)

 

References

ASTM International. ASTM E230, Standard Specification for Temperature-Electromotive Force (emf) Tables for Standardized Thermocouples, Rev. 2017.

Automotive Industry Action Group. CQI-9 Special Process: Heat Treat System Assessment, 4th Edition. June 2020.

International Organization for Standardization. ISO/IEC 17025, General Requirements for the Competence of Testing and Calibration Laboratories, 3rd Edition. 2017.

Nadcap AC7102/8 Audit Criteria for Pyrometry, Rev. A, 2021

SAE Aerospace. Aerospace Material Specifi cation AMS2750: Pyrometry, Rev. G, 2022.

 

About the Author: Víctor Zacarías is a metallurgical engineer from the University of Queretaro with studies in Strategic Management from Tec de Monterrey. With over 15 years of experience in Heat Treatment Management, he is currently the managing director of Global Thermal Solutions México. He has conducted numerous courses, workshops, and assessments in México, the United States, Brazil, Argentina, and Costa Rica. He has been a member of the AIAG Heat Treat Work Group (CQI-9 committee) and the SAE Aerospace Materials Engineering Committee.

Contact Víctor at victor@globalthermalsolutions.com

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Guía para conducir pruebas System Accuracy Tests conforme a CQI-9 4ta. Edición

/ AUTOMOTIVE HEAT TREAT, AUTOMOTIVE HEAT TREAT TECHNICAL CONTENT, FEATURED NEWS, INSTRUMENTATION TECHNICAL CONTENT

OCThe AIAG CQI-9 (Heat Treat System Assessment) is the most accepted standard in the automotive industry for the validation of heat treatment operations. This article summarizes the evaluation requirements and illustrates the benefits of conducting this test to identify variations in control systems using the probe method A.

Read the Spanish translation of this article by Erika Zarazúa, gerente regional de compras de Global Thermal Solutions México, in the version below, or read both the Spanish and the English translation of the article where it was originally published: Heat Treat Today's August 2022 Automotive print edition.

La evaluación CQI-9 (Heat Treat System Assessment) de AIAG es el estándar mas aceptado en la industria automotriz para la validación de operaciones de tratamiento térmico y, entre muchas cosas, describe los requisitos generales y el procedimiento para conducir las pruebas SAT (System Accuracy Test) a los sistemas medición de temperatura de los equipos de procesamiento térmico. Este artículo sintetiza los requerimientos de la evaluación e ilustra los beneficios de conducir esta prueba para identificar variaciones en los sistemas de control mediante el método de sonda “A”.

Erika Zarazúa
Gerente Regional de Compras 
Global Thermal Solutions México
Source: Global Thermal Solutions México

1. Aplicación

Las pruebas SAT deben realizarse a todos los sistemas de control, monitoreo y registro de los equipos de procesamiento térmico. Esto no aplica para los sistemas de ‘alto-límite” cuya única función es la de proteger al horno de un sobre calentamiento.

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El termopar de prueba empleado para la prueba SAT debe cumplir con los requisitos de precisión que define CQI-9 en la tabla P3.1.3 de la sección de Pirometría (±1.1°C o ±2°F máximo de error). De igual manera, la tabla P3.2.1 de la misma sección define los requisitos para el instrumento de prueba - field test instrument (±0.6°C o ±1°F máximo de error).

Las pruebas SAT por el método de sonda deben realizarse trimestralmente o después de algún mantenimiento que pudiera afectar la precisión del sistema de medición como:

  • Reemplazo del cable de extensión
  • Reemplazo del termopar de control
  • Reemplazo del instrumento de control/registro

2. Procedimiento (Método de sonda A)

El método de sonda A es una comparación entre la lectura del sistema de medición del horno y un sistema de medición de prueba corregido:

Table 1. Probe method A
Tabla 1. Método de sonda A

Al insertar el termopar de prueba, se debe asegurar que la punta se coloque lo mas cerca de la punta del termopar a ser probado, y no mas lejos de 50mm. Una vez colocado en la posición de prueba, se recomienda permitir cierto tiempo para que ambos sistemas alcancen un equilibrio antes de conducir la prueba.

Si la diferencia entre el sistema de medición del horno y sistema de prueba corregido excede de ±5°C (±10°F) entonces se deben conducir acciones correctivas antes de procesar producto. Las acciones correctivas mas comunes consisten en reemplazar el termopar de control, calibrar y ajustar el instrumento de control/registro o una combinación de ambas. De acuerdo a CQI-9, estas acciones deben ser documentadas.

3. Registros

CQI-9 revisión 4 especifica que la prueba SAT debe documentarse y los registros deben incluir como mínimo la siguiente información

a. Identificación del termopar del horno
b. Identificación del termopar de prueba
c. Identificación del instrumento de prueba
d. Fecha y hora de la prueba
e. Valor del setpoint
f. Lectura observada en el sistema de control
g. Lectura observada en el sistema de prueba
h. Factores de corrección del termopar e instrumento de prueba
i. Lectura corregida del sistema de prueba
j. Diferencia calculada del SAT
k. Nombre y firma del técnico que realiza la prueba
l. Compañía que realiza la prueba (si es externa)
m. Acreditación en ISO/IEC 17025 de la compañía (si es externa)
n. Aprobación del responsable de tratamiento térmico

4. En resumen

La sección de Pirometría de CQI-9 revisión 4 indica los requerimientos y el procedimiento para la realización de la prueba SAT (Sección P3.3).

El sistema de medición de temperatura del horno no debe presentar una desviación mayor a los ±5°C (±10°F) respecto al sistema de prueba. Si este fuera el caso, el equipo no debe usarse para procesamiento térmico y deben aplicarse acciones correctivas.

CQI-9 especifi ca la información que debe contener el informe de SAT cada vez que se conduce esta prueba.

 

Referencias

[1] Automotive Industry Action Group; CQI-9 Special Process: Heat Treat System Assessment, 4rd Edition, June 2020.

[2] International Organization for Standardization; ISO/IEC 17025, General requirements for the competence of testing and calibration laboratories. 3rd Edition, 2017.

(Fuente de la foto: Global Thermal Solutions)

Sobre el autor: Erika Zarazúa es Ingeniera Química Metalúrgica por parte de la Universidad Autónoma de Querétaro. Con más de 18 años de experiencia en operaciones de tratamiento térmico y medición de temperatura, ha trabajado en múltiples roles de ingeniería, calidad y proyectos en las industrias automotriz y aeroespacial. Actualmente ocupa el cargo de Gerente Regional de Compras de Global Thermal Solutions.

Contacto Erika: erika@globalthermalsolutions.com

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Guía para conducir pruebas System Accuracy Tests conforme a CQI-9 4ta. Edición Read More »