INSTRUMENTOS DE MEDICION DE TEMPERATURA
OBJETIVOS: Al finalizar la sesión el participante estará en condiciones de identificar y comprender el funcionamiento, calibración y configuración de los instrumentos de medición de Temperatura industriales
La medida de temperatura constituye una de las medidas más frecuentes e importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios. Es importante conocer los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado.
Los instrumentos medidores de temperatura utilizan diversos fenómenos físicos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: Variación de Longitud.
Columna de mercurio, alcohol, etc., en un capilar de vidrio.
Variación de Presión.
Gas a volumen constante.
Variación de Volumen.
Gas a presión constante.
Variación de Resistencia eléctrica de un conductor.
RTD, Pt100
Variación de Resistencia eléctrica de un semiconductor.
Termistor.
Generación de F.e.m. (Efecto Seebeck.)
Termopar
Variación de la Radiación superficial de los cuerpos (Ley de Stefan - Boltzmann.)
Pirómetro de radiación total.
Temperatura: Es el grado relativo de calor o frío que tiene un cuerpo. Unidades de la temperatura La unidad de Temperatura en el SIU es el Kelvin (K)
ESCALAS DE TEMPERATURA ESCALAS ABSOLUTAS vKELVIN vRANKINE
ESCALAS RELATIVAS vCELSIUS vFAHRENHEIT
CONVERSION DE UNIDADES K= ºC +273
ºC/5=( ºF - 32)/9
ºR= ºF + 460
Ejercicios: 1.¿En qué valor de sus escalas coinciden numéricamente las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit? 2.¿En qué valor de sus escalas coinciden numéricamente las escalas de temperatura Kelvin y Rankine? 3.Convertir 555 ºR a Kelvin Rptas: 1.-40 2.0 3.308 K
Para la medición de temperatura se utilizan por lo general los siguientes instrumentos: 1) Termómetros de vidrio. 2) Termómetros bimetálicos. 3) Sondas de bulbo y capilar rellenos de líquido o vapor. 4) RTD’s. 5) Termopares. 6) Pirómetros de radiación.
TERMOMETRO DE VIDRIO
TERMOMETRO DE VIDRIO Consta de un depósito de vidrio que contiene un fluido, por ejemplo mercurio, el cual al calentarse se expande y sube por el tubo capilar en el cual está indicada una escala de temperatura. Su bulbo, relativamente grande en la parte más baja del termómetro, contiene la mayor cantidad del líquido. Fluido
Valor mínimo ºC
Valor máximo ºC
Mercurio
-35
280
Pentano
-200
20
Alcohol
-110
50
Tolueno
-70
100
TERMOMETRO BIMETALICO
TERMOMETRO BIMETALICO Los termómetros bimetálicos se fundamentan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.
ESQUEMA DE TERMOMETRO BIMETALICO
Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y al propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento constante. La precisión del instrumento es de 1% y su campo de medida (rango) es de –200 a +500 ºC. Dentro de sus aplicaciones más comunes es la de utilizarlo como termostato.
TERMOMETRO DE BULBO Y CAPILAR
Este tipo de termómetro trabaja con el mismo principio que el Bimetálico. El elemento sensible es un tubo capilar lleno con un líquido o un gas el cual se expande con un aumento de la temperatura. Este elemento sensible entrega un movimiento el que es aplicado al elemento de control que indica, registra o por medio de su comparación con una referencia puede controlar la temperatura de un proceso.
ESQUEMA DE TERMOMETRO BULBO Y CAPILAR
El campo de medición de estos instrumentos varía entre –40 hasta +500 ºC, dependiendo del tipo de líquido, vapor o gas que se emplee.
RTD’s
TERMOMETROS DE RESISTENCIA METALICA RTD’s La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento sensor. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.
Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: 1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, de este modo el instrumento de medida será muy sensible. 2. Relación lineal resistencia - temperatura. 3.Rigidez y ductibilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta). 4. Estabilidad de las características durante la vida útil del material.
Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el Platino y el Níquel. Características de sondas de resistencia
Metal
Resistividad Coeficiente Intervalo Ø min. de Costo Resistencia Precisión μΩ.cm temp. Ω/Ω ̊ C útil de hilo mm. relativo sonda a 0 ̊C temp. ̊ C ̊ C. ohmios
Platino Níquel Cobre
9,83 6,38 1,56
0,00385 0,0066 0,00425
950 300 120
0.05
Alto Medio Bajo
25, 100, 130 100 10
0,01 0,05 0,10
El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su costo. En general la sonda de resistencia de platino (Pt100) utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0º C. El níquel es más barato que el platino y posee una resistividad más elevada con una mayor variación por grado, sin embargo tiene por desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad.
Las bobinas que llevan arrollamiento de hilo de resistencia están encapsuladas dentro de un tubo de protección o vaina de material adecuado al fluido del proceso (acero, acero inox. 304. Acero inox. 316, hastelloy, monel, etc.)
Ecuación:
Donde:
•Ro= Resistencia en ohmios a 0°C •R= Resistencia en ohmios a T °C •α= coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0 °C y 100 °C es de 0,003850 Ω.Ωˉ¹.°Cˉ¹ en la Escala Práctica de Temperaturas Internacional.
Ejercicios: 1.Calcular la longitud del conductor de Cu necesaria para obtener una resistencia de 200 Ω utilizando un conductor de Cu, de calibre 20 AWG (0.8128 mm.). 2.Calcular la resistencia que presenta una sonda Pt100 a la temperatura de 60 ºC. (Dar la respuesta con aproximación de un decimal). 3.Se tiene una sonda Pt100 que a la temperatura de 300 ºC presenta una resistencia de 246.025 Ω. Calcular el coeficiente de temperatura. (Dar la respuesta con aproximación de 6 decimales). Respuestas: 1.6652 m. 2.123.1 Ω 3.0.004868/ºC
Las variaciones de resistencia de las sondas son medidas con un Puente de Wheatstone dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente.
TERMISTORES
TERMISTORES Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en semiconductores. Si su coeficiente de temperatura es negativo se llaman NTC (Negative Temperature Coefficient), mientras que si es positivo, se denominan PTC. Los símbolos respectivos son los de la figura donde el trazo horizontal en el extremo de la línea inclinada indica que se trata de una variación no lineal.
Los termistores NTC son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes para los cambios relativamente pequeños en la temperatura. La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de diez veces mayor que las metálicas y aumenta su resistencia al disminuir la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados.
•Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia y permiten incluso intervalos de medida de 1º C (span). •Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor. •La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. •La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso. •Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición, la compensación y el control de temperatura, y como medidores de temperatura diferencial.
Ecuación
Donde:
•To= Temperatura de referencia en K •T= Temperatura en K •Ro= Resistencia en ohmios a To •RT= Resistencia en ohmios a T •e= Constante de Euler •= Constante entre 1500 K y 7000 K, para 25ºC y 85ºC
Ejercicios 1.Un Termistor NTC, con β = 3600 K, presenta una Resistencia de 5 KΩ a la temperatura de 27 ºC, calcular la Resistencia que presenta a 270 ºC. 2.Un Termistor NTC, con β = 4500 K, presenta una Resistencia de 200 Ω a la temperatura de 200 ºC, calcular la Resistencia que presenta a 20 ºC. 3.Un Termistor NTC, presenta una Resistencia de 10 KΩ a la temperatura de 25 ºC, además a la temperatura de 300 ºC ofrece una resistencia de 120 Ω. Calcular el valor de β . Rpta. 1.23.27 Ω 2.69 KΩ 3.2746 K
TERMOPARES
TERMOPARES O TERMOCUPLAS Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica. Su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Thomas Seebeck en 1821, cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula a través de la unión, y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.
Las termocuplas son el sensor de temperatura más utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (fusionados generalmente). Al aplicar calor en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño del orden de los milivolts el cual aumenta al aumentar la temperatura.
Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable ú otro material (vaina). En un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). La elección de los alambres para termocuplas se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre la temperatura y la f.e.m. sea directamente proporcional. Existen numerosos tipos de termocuplas, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K.
Ley De Circuitos Homogéneos •
“En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica, por la aplicación exclusiva de calor”.
•
T3
•
A
•
To
+ ΔV _
i
T4
B
•
T2
• • •
ΔV (To - T2)
•
•
La medición no se afecta por T3 o T4.
•
vUna termocupla es sensible temperaturas de sus uniones.
solamente
a
las
•
vCada cable de la termocupla puede estar sometido a diferentes temperaturas sin afectar la calidad de medición. • •
Cromel - Constantán (E) Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Esta termocupla posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura. Cobre - Constantán (T) Tiene una elevada resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y oxidantes. Hierro - Constantán (J) Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son recomendables ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente bajo son muy usadas para la medición de temperaturas dentro de su rango recomendado.
Cromel - Alumel (K) Este tipo de termopares presta un servicio óptimo en atmósferas oxidantes aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o reductoras, siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado. Platino - Rodio (R y S) Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas muy altas en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados.
Tipos de Termocupla Tipo
Materiales
Rango
J
0 a 760 °C
R
Hierro Constantán Cromel Alumel Cobre Constantán Cromel Constantán 87% Pt- 13% Rh Pt
S
90% Pt- 10% Rh Pt
0 a 1500 °C
B
70% Pt- 30% Rh 94% Pt- 6% Rh
0 a 1700 °C
90 80 70
K
60
T
mV
50
E
40 30 20 10 0 -10 -500
0
500
1000
1500
2000
Temperatura °C J–K–T–E–R–S–B
0 a 1260 °C -200 a 400 °C 0 a 1000 °C 0 a 1500 °C
Linealización: La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal (no es una recta), es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar o transmitir la lectura, efectuar la linealización, es decir, tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas externas a que temperatura corresponde este voltaje.
Compensación del cero: El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de “compensación de cero”. Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes en un baño de hielo a cero grados para que generen cero voltaje (Ta=0 y luego V (Ta=0)). Hoy en día, la compensación se realiza en el equipo que recibe la señal de la termocupla.
Ley de las Temperaturas sucesivas “La suma de las f.e.m. generadas por dos termocuplas, que tienen una de sus uniones a una misma temperatura, es la f.e.m. que se generaría por una termocupla con dos uniones a las temperaturas extremas.” •
A
A
+
+
T2
ΔV1
To
_
_
B
B
T₃
T3
ΔV2
A +
To
ΔV = ΔV1 + ΔV2 _ B
T3
Compensación de Unión de Referencia • El
voltaje generado en una termocupla es proporcional a la diferencia entre las temperaturas de ambas uniones. • Con base en la experimentación, se han determinado tablas de termocuplas que indican el voltaje de respuesta si la unión de referencia se encuentra a 0°C. • La ley de temperaturas consecutivas se utiliza para compensar la temperatura de la unión de referencia. • Para compensar la señal de referencia, se mide la temperatura de la unión de referencia usando un pequeño RTD, y se compensa eléctricamente.
Ejemplo de Compensación de la unión de referencia Se tiene una termocupla tipo K que produce 11.207 mV. Este voltaje corresponde a 275.5°C si la unión fría está a 0°C. Pero esa no es la temperatura real. •El RTD de termocompensación mide 25°C. A esta temperatura, una termocupla generará un voltaje de 1.000 mV si la unión fría esta a 0°C. •Por tanto, la medición es equivalente a una termocupla que produce 12.207 mV si la unión fría estuviera a 0°C. Esto significa que la temperatura de medición es de 300°C. •
Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese punto (mediante un sensor de temperatura adicional) y la suman para crear la compensación y obtener así la temperatura real. El punto de empalme (llamado “unión o juntura de referencia”) es siempre en el conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla hasta el mismo instrumento.
Cables compensados Cuando el instrumento está muy retirado del lugar de medición, no siempre es posible llegar con el mismo cable de la termocupla al instrumento. Esto ocurre especialmente cuando se están usando termocuplas R o S hechas con aleación de Platino de muy alto precio. La solución de este problema es usar los llamados “cables compensados” para hacer la extensión del cable. Estos exhiben el mismo coeficiente de Seebeck de la termocupla (pero hechos de otro material de menor precio) y por lo tanto no generan termocuplas parásitas en el empalme.
Ley de Metales Intermedios “La introducción de un tercer metal no varía la diferencia de potencial generado siempre que las uniones de este tercer metal con los otros dos, estén a la misma temperatura entre sí.” •
A
T2
T1 + ΔV c B
T3
T4
+ ΔV c = 0 sólo si T3 = T4 _
B
Cables de extensión • Los cables de extensión de termocuplas son cables de • • • •
material adecuado para minimizar o eliminar los efectos de distorsión sobre la lectura introducidos por el cable, a un menor costo. Los cables de extensión pueden añadir imprecisión debido al potencial de ruido eléctrico. Se debe notar la condición que las uniones del material intermedio con los materiales del termopar deben estar a la misma temperatura. Cuando la conexión es corta (p.ej., en cajas de conexión) no hay un efecto pronunciado sobre la lectura. Cuando se requiere una conexión larga, como por ejemplo para extender los cables, se deben usar cables termocompensados o cables de extensión de termocuplas.
Precisión de cables de extensión Normal
Especial
JX (0 a 200°C)
± 2.2°C
± 1.1°C
KX (0 a 200°C)
± 2.2°C
± 1.1°C
TX (0 a 100°C)
± 1.0°C
± 0.5°C
EX (0 a 200°C)
± 1.7°C
± 1.0°C
SX (0 a 200°C)
± 5°C
BX (0 a 100°C)
± 3.7°C
Código de colores de Cables de extensión v Existen múltiples códigos de colores de cables de termocupla y cables de extensión. v v En el estándar ANSI (EEUU), el lado negativo es siempre rojo. • El positivo puede ser: § Blanco para J § Azul para T § Amarillo para K •
v El aislamiento total puede ser negro para J; azul para T y amarillo para K.
Código de Colores para cable Tipo
Pata
Color
T
TP
Azul
TN
Rojo
JP
Blanco
JN
Rojo
EP
Morado
EN
Rojo
KP
Amarillo
KN
Rojo
SP
Negro
SN
Rojo
RP
Negro
RN
Rojo
BP
Plomo
BN
Rojo
J E K S R B
CODIGO DE COLORES
PIRÓMETRO DE RADIACION
En aplicaciones industriales y de investigación es necesario a menudo medir la temperatura de un objeto desde una cierta distancia sin hacer contacto; por ejemplo, cuando el objeto está en movimiento, como en una línea de montaje; cuando está muy caliente, dentro de un horno o cuando es inaccesible. El método usado para efectuar estas mediciones de temperatura a distancia es conocido como Pirometría de radiación.
Todos los objetos a temperatura por encima del cero absoluto emiten radiación electromagnética en función de la temperatura. La cantidad de radiación electromagnética depende de la temperatura del cuerpo, a mayor temperatura más intensa es la radiación. El sistema óptico del termómetro de radiación recolecta parte de la radiación proveniente de una muestra de la superficie y la dirige al detector, el cual la convierte en una señal eléctrica. El circuito electrónico convierte la señal eléctrica a una correspondiente a la temperatura de la superficie.
PIROMETRO DE RADIACION TOTAL Son los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo. Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo. Determinan la temperatura de una superficie en base a la ley de Stefan-Boltzmann, es decir consideran la radiación emitida por la superficie en todas las longitudes de onda.
La potencia emisiva superficial de una superficie real es menor que el de un cuerpo negro a la misma temperatura y está dada por:
Donde epsilon es una propiedad de la superficie denominada emisividad. Con valores en el rango 0<=ε<=1, esta propiedad es la relación entre la radiación emitida por una superficie real y la emitida por el cuerpo negro a la misma temperatura. Esto depende del material de la superficie y de su acabado, de la longitud de onda, y de la temperatura de la superficie.
APLICACIONES •Para la medida de temperaturas de superficies. •Para medir temperaturas de objetos en movimiento. •Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los termopares. •Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura. •Donde las condiciones mecánicas (vibraciones, choques, etc.) acorten la vida de un par termoeléctrico caliente
