REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN - PUERTO ORDAZ ESCUELA: ELECTRÓNICA (44) NOCTURNO ‘A’ CÁTEDRA: INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
MEDIDAS DE TEMPERATURA SENSORES, UNIDADES DE MEDICIÓN, RANGO, PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
Facilitador (a):
Elaborado por:
Ing. Dilia Gómez
Omarbin Bracho 17.506.784 Viviana Marín
17.723.057
Ronniel Merlin
19.158.932
Richarly Rojas
19.905.554
Ciudad Guayana, 06 de Noviembre de 2011 1
ÍNDICE INTRODUCCIÓN...................................................................................... TEMPERATURA……………………………………………………………. Unidades de medida de temperatura……….…………………………. Relación entre las escalas de temperatura…………………………….. ELEMENTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA……………………… TERMÓMETRO DE VIDRIO……………………………………………….. Descripción general de termómetros de líquido en vidrio.……………. Construcción…………………………………………………..………. Termómetro de inmersión parcial…………………………………….. Calibración……………………………………………………………… TERMÓMETRO BIMETÁLICO……………………………………………. TERMÓMETROS DE BULBO Y CAPILAR………………………………… Clase I: Termómetros actuados por líquidos …………………………. Clase II: Termómetros actuados por vapor …………………………….. Clase III: Termómetros actuados por gas…………………………….. Clase IV: Termómetros actuados por mercurio………………………. TERMOPAR…………………………………………………………………. Efecto Seebeck………………………………………………….……… Tipos de termopares…………………………………………………… TERMÓMETRO DE RESISTENCIA (RTD)……………………………….. Características de los RTDs…..………………………………………… TERMÓMETROS SIN CONTACTO……………………………………….. I.Pirómetro de radiación……………………………………………….. II.Pirómetros de absorción-emisión…………………………………… III.Termómetros de radiación infrarroja………………………………. IV.Pirómetros ópticos…………………………………………………. OTROS PROCESOS DE MEDICION DE TEMPERATURA……………… CONCLUSIONES…………………………………………………………….. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………… INTRODUCCION
3 4 4 6 6 7 8 9 10 11 11 13 13 14 14 14 15 15 17 18 21 21 22 25 25 26 29 33 34
En el campo de los procesos industriales, químicos, petroquímicos, siderúrgicos, entre otros, el monitoreo de la variable temperatura, es fundamental para la obtención del producto final especificado. El término termometría significa medición de temperatura. Eventualmente, el termino pirometría es utilizado con el mismo significado. La temperatura puede medirse de diferentes maneras, pero la manera más adecuada depende de las condiciones de funcionamiento del sistema en estudio y del 2
entorno en el cual este funcionando. Para conocer la herramienta que mejor se aplica a determinada aplicación primero se debe conocer a fondo cada una de estas herramientas y los conceptos básicos de temperatura y calor. El propósito general de la presente investigación es analizar las distintas formas de medir temperatura. Así como llevar a cabo la especificación de cada una de las características, funcionamiento, rango y unidades de medición asociadas a los sensores e instrumentos de medición que permiten llevar a cabo las medidas de temperatura, entre estos se deben mencionar el termómetro de vidrio, termómetro de mercurio, termómetro de bulbo y capilar, termómetro bimetálico, termopar, termómetro de resistencia, pirómetros de radiación, pirómetros ópticos, entre otras. La importancia de esta investigación radica en que proporciona un acercamiento a los diferentes métodos de sensar temperatura y a las diferentes herramientas que se pueden utilizar dependiendo de la aplicación.
TEMPERATURA La temperatura tiene una importancia fundamental en numerosos procesos industriales. Por ello, es imprescindible disponer de una medición precisa. La temperatura es una magnitud física que expresa el grado o nivel de calor o frío de los cuerpos o del ambiente. Las temperaturas inexactas pueden tener graves consecuencias, como la reducción de la vida útil del equipo si sufre un sobrecalentamiento de unos grados. Diferentes efectos producidos por la temperatura − Aumento de las dimensiones (Dilatación). 3
− Aumento de presión o volumen constante. − Cambio de fem. inducida. − Aumento de la resistencia. − Aumento en radiación superficial. − Cambio de temperatura. − Cambio de estado sólido a liquido. − Cambio de calor Unidades de medida de temperatura En el sistema internacional de unidades, la unidad de temperatura es el Kelvin. A continuación, de forma generalizada, hablaremos de otras unidades de medida para la temperatura. En primer lugar se pueden distinguir, por decirlo así, dos categorías en las unidades de medida para la temperatura: absolutas y relativas. - Absolutas son las que parten del cero absoluto, que es la temperatura teórica más baja posible, y corresponde al punto en el que las moléculas y los átomos de un sistema tienen la mínima energía térmica posible. - Kelvin (sistema internacional): se representa por la letra K y no lleva ningún símbolo "º" de grado. Fue creada por William Thomson, sobre la base de grados Celsius, estableciendo así el punto cero en el cero absoluto (-273,15 ºC) y conservando la misma dimensión para los grados. Esta fue establecida en el sistema internacional de unidades en 1954. - Relativas, por que se comparan con un proceso fisicoquímico establecido que siempre se produce a la misma temperatura. - Grados Celsius (sistema internacional): o también denominado grado centígrado, se representa con el símbolo ºC. Esta unidad de medida se define escogiendo el punto de congelación del agua a 0º y el punto de ebullición del agua a 100º , ambas medidas a una atmósfera de presión, y dividiendo la escala en 100 partes iguales en las que
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cada una corresponde a 1 grado. Esta escala la propuso Anders Celsius en 1742, un físico y astrónomo sueco. - Grados Fahrenheit (sistema internacional): este toma las divisiones entre los puntos de congelación y evaporación de disoluciones de cloruro amónico. Así que la propuesta de Gabriel Fahrenheit en 1724, establece el cero y el cien en las temperaturas de congelación y evaporación del cloruro amónico en agua. Este utilizo un termómetro de mercurio en el que introduce una mezcla de hielo triturado con cloruro amónico a partes iguales. Esta disolución salina concentrada daba la temperatura más baja posible en el laboratorio, por aquella época. A continuación realizaba otra mezcla de hielo triturado y agua pura, que determina el punto 30 ºF, que después fija en 32 ºF (punto de fusión del hielo) y posteriormente expone el termometro al vapor de agua hirviendo y obtiene el punto 212 ºF (punto de ebullición del agua). La diferencia entre los dos puntos es de 180 ºF, que dividida en 180 partes iguales determina el grado Fahrenheit. Observando cada una de las propiedades en los materiales se pueden medir la temperatura observando los efectos de los cuerpos. Todos los instrumentos de medición de temperatura cualquiera que fuese su naturaleza dan la misma lectura en cero por ciento (0%) y 100%, si se calibra adecuadamente, pero en otros puntos generalmente la lectura no corresponderá porque las propiedades de expansión de los líquidos varían, en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será totalmente satisfactoria, sin embargo es posible definir una escala de temperatura de un gas ideal como base suprema de todo trabajo científico. Otras unidades de temperatura son °Rankine, °Reamur. Relación entre escalas de temperatura Unidades de Temperatura Escala Kelvin
Cero Absoluto 0°K
Fusión del Hielo
Evaporación
273.2°K
373.2°K
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Rankine
0°R
491.7°R
671.7°R
Reamur
-218.5°Re
0°Re
80.0°Re
Centígrada
-273.2°C
0°C
100.0°C
Fahrenheit
-459.7°F
32°F
212.0°F
ELEMENTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía térmica en otra o en un movimiento. La diferencia ente el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la temperatura es el nivel o valor de esa energía. Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos: a. Termómetros.- Transductores que convierten la temperatura en movimiento. b. Sistemas Termales.- Transductores que convierten la temperatura en presión
(y después en movimiento). c. Termoeléctricos.- Transductores que convierten la temperatura en energía
eléctrica (y mediante un circuito en movimiento).
ELEMENTOS PRIMARIOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA
−
De Vidrio
−
Bimetálico
− − −
Liquido (Clase I) Vapor (Clase II) Gas (Clase III)
−
Mercurio (Clase IV)
− − −
Termopar Resistencia Radiación
Termómetros
Sistemas Termales
Termoeléctricos
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−
Óptico
− − −
Colores de medida de temperatura Cristal líquido Sensores de temperatura de cristal de cuarzo Termómetros de ruido Sensores de temperatura capacitivos Sensores de temperatura inductivos
− −
Otros
− −
Proceso acústico de medida
1. TERMÓMETRO DE VIDRIO Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo sentido de la temperatura. El termómetro de líquido en vidrio es uno de los tipos más comunes de dispositivos de medición de temperatura. Es un tubo de vidrio sellado que contiene un líquido, generalmente mercurio, también el alcohol, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se visualiza en una escala graduada que por lo general está dada en grados celsius. El termómetro de mercurio fue inventado por Fahrenheit en el año 1714. Dependiendo del fluido usado, se tienen diferentes rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cuales, vendrán limitados por los puntos de solidificación y de ebullición de los citados fluidos. Algunos de estos son:
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Los termómetros de vidrio son frágiles, requieren de una posición específica para funcionar, además de tener un rango muy limitado de la variable. Descripción general de termómetros de líquido en vidrio Su operación está basada en la expansión del líquido con el incremento de la temperatura; esto es, el líquido actúa como un transductor, convierte la energía termal en una forma mecánica. Con el incremento de la temperatura, el líquido y el vidrio del termómetro se expanden con diferente coeficiente de expansión, causando que el líquido avance por el tubo capilar.
Las partes principales de un termómetro de
líquido en vidrio típico se muestran en la figura siguiente:
El menisco es usado como el indicador. La forma del menisco es: para el mercurio, la parte superior de la curva, para líquidos orgánicos, la parte inferior. Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas cohesivas, el menisco
tiende a ser cóncavo como en el caso de vidrio y líquidos orgánicos. Por
otra parte cuando las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el menisco es convexo como en el caso de mercurio en vidrio.
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Figura 2. Forma de meniscos
Construcción Materiales que forman al termómetro: Vidrio, líquido termométrico y gas. Existe una gran variedad de tipos de vidrios, pero no todos son apropiados para el trabajo termométrico. En la actualidad se han desarrollado vidrios termométricos especiales, con buena estabilidad y resistentes a las temperaturas. El líquido termométrico ideal, debería tener las siguientes propiedades físicas y químicas: − − − − −
Ser líquido en el intervalo nominal del termómetro Tener un coeficiente de expansión lineal Ser opaco o con color, para su fácil lectura No “mojar” por fuerzas adhesivas la superficie del capilar Ser químicamente inerte con respecto a otros materiales en el sistema − Ser químicamente estable − No ser dañino, para seguridad en manufactura y uso − Tener un menisco bien definido, para fácil lectura El gas, además de reducir la destilación, también reduce el índice de separación de la columna de mercurio dada la presión ejercida por el gas. Así, todos los termómetros para altas temperaturas deben ser llenados con un gas inerte seco tal como nitrógeno presurizado para prevenir separación del mercurio a cualquier temperatura indicada en la escala. Los termómetros de inmersión total graduados sobre los 150 °C deben ser llenados con gas para minimizar la destilación del mercurio de la parte superior de la columna. Para termómetros graduados debajo de los 150 °C el llenado con gas es opcional pero altamente recomendado. 9
Profundidad de Inmersión Los termómetros de líquido en vidrio son usualmente utilizados para la medición de la temperatura de fluidos. La elección del tipo de inmersión depende de la medición requerida, la profundidad del fluido y el tipo de montaje. Termómetro de inmersión parcial Diseñado para indicar la temperatura correctamente cuando el bulbo y una porción específica de la columna están inmersos en el medio a la temperatura que va a ser medida. Termómetro de inmersión total Está diseñado para indicar la temperatura correctamente cuando el bulbo y toda la columna del líquido (unos cuantos milímetros por arriba del nivel del líquido) están inmersos en el medio a la temperatura que va a ser medida. Termómetro de inmersión completa Está diseñado para indicar la temperatura correctamente cuando todo el termómetro, incluyendo la cámara de expansión están expuestos en el medio a la temperatura que va a ser medida.
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Figura 3. Tipos de inmersión.
Calibración La calibración se realiza por el método de comparación contra un termómetro patrón calibrado, en sistemas termales recirculantes con líquido, sales o lecho fluidizado y la medición directa de los puntos fijos secundarios de fusión del hielo o ebullición del agua. Dependiendo de la exactitud que se desea obtener, se utiliza un termómetro de resistencia de platino u otros tipos de termómetros trazables y con baja incertidumbre de calibración. 2. TERMÓMETRO BIMETÁLICO Al igual que el termómetro de vidrio funciona con base en el fenómeno de cambios volumétricos. Consta, como su nombre lo dice, de dos barras metálicas de diferentes metales unidas rígidamente, al ser éstos materiales diferentes, tendrán necesariamente, que tener diferentes coeficientes de dilatación lineal. 11
Esta diferencia produce una curvatura de la barra conjunta, debido a que un material se elongará más que el otro. Mediante este método, funcionan la gran mayoría de los termostatos (interruptores de temperatura) y algunos termómetros indicadores locales. Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales, tales como latón, monel o acero ferroníquel o invar (35,5% de níquel) laminados conjuntamente. El órgano sensible consiste en dos láminas, una de ellas de un metal de un coeficiente de dilatación relativamente elevado, y la otra de otro metal con un coeficiente de dilatación mucho menor. Cuando una porción del bimetal es calentado, la mayor dilatación del lado de alta dilación contra el pequeño cambio del lado de baja dilatación, origina la flexión del metal. Si una tira bimetálica se arrolla en espiral y se sujeta por un extremo, la torsión del bimetal origina la rotación del otro extremo. Esta flexión angular se utiliza, fijándole una aguja y junto con una escala graduada, para obtener un termómetro bimetálico. Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el 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.
Figura 4. Termómetro bimetálico
El uso de termómetros bimetálicos es admisible para servicio continuo de 0 ºC a 400 ºC. Para indicación local se usan, preferiblemente, los termómetros bimetálicos de esfera orientable. De este modo, el operario puede leer la temperatura a distancia
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desde distintos niveles de al de la instalación. La exactitud del instrumento es de ± 1 % y su campo de medida es de -200 ºC a 500 ºC. 3. TERMÓMETROS DE BULBO Y CAPILAR Consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. El campo de medición de estos instrumentos varía entre 40ºC hasta +500ºC, dependiendo del tipo de líquido, vapor o gas que se emplee. Hay cuatro clases de este tipo de termómetros: Clase I: Termómetros actuados por líquidos: Presentan las siguientes características: -
Tienen el sistema de medición lleno de líquido.
-
Su dilatación es proporcional a la temperatura; por lo tanto, la escala de medición es uniforme.
-
El volumen de líquido depende principalmente de la temperatura del bulbo (de la del capilar y de la del elemento de medición).
-
Para capilares de hasta 5 metros sólo se compensa el elemento de medición, para evitar errores debido a la variación de la temperatura ambiente.
-
Para capilares más largos, hay que compensar el volumen del tubo capilar.
-
Los líquidos que se utilizan son el alcohol y el éter.
-
Son equipos con buen nivel de exactitud.
Figura 5. Termómetros actuados por líquido
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Clase
II:
Termómetros
actuados
por
vapor:
Presentan
las
siguientes
características: -
Se basan en el principio de la presión de vapor.
-
Contienen un líquido volátil.
-
Al subir la temperatura, aumenta la presión del vapor del líquido.
-
La escala de medición no es uniforme.
-
La presión en el sistema depende solamente de la temperatura del bulbo, por tanto no hay que compensar la temperatura ambiente.
Figura 6. Termómetros actuados por vapor
Clase III: Termómetros actuados por gas: Presentan las siguientes características: -
En estos termómetros, al subir la temperatura, la presión del gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto, tienen escalas lineales.
-
Es necesario compensar la temperatura del ambiente.
-
Se llenan con gases inertes (N o He).
-
Pueden operar a temperaturas muy bajas (-268ºC) o muy altas (760ºC).
-
Máximo Span: Sobre los 600ºC.
-
Mínimo Span: 220ºC convencionales, 65ºC especiales.
-
Constante de tiempo: 1 - 4 segundos.
Clase IV: Termómetros actuados por mercurio: Estos termómetros son similares a los de clase I. Presentan las siguientes características: -
Rango desde -40ºC hasta 650ºC.
-
Span desde 28ºC hasta 667ºC.
-
Velocidad de respuesta más rápida que los otros sistemas de líquidos, pero más lenta que los sistemas de gas. 14
4. TERMOPAR Un termopar es un dispositivo utilizado para la medición de la temperatura, basado en efectos termoeléctricos. Es un circuito eléctrico formado por dos conductores de metales diferentes o aleaciones de metales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe una diferencia de temperatura, que origina una fuerza electromotriz (Efecto Seebeck).
Figura 7. Termopar
La fuerza electromotriz generada por el termopar está en función de la diferencia de temperatura entre la unión fría y caliente, pero más específicamente, ésta es generada como un resultado de los gradientes de temperatura, los cuales existen a lo largo de la longitud de los conductores. Efecto Seebeck El Efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial.
Figura 8. Efecto Seebeck
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La magnitud de la termoelectricidad depende del tipo de material de los conductores, la temperatura de contacto y no depende de la temperatura que se distribuye a lo largo del conductor.
La termoelectricidad permite evaluar los
termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango desde +43 hasta –38 mV/grado.
Características -
Presentan el más amplio rango de temperatura con respecto a los otros sensores de temperatura. Rango de temperaturas grande: -270ºC a 3000ºC. Para bajas temperaturas tienen mayor exactitud que las Pt100. Estabilidad a largo plazo aceptable y fiabilidad elevada. Son resistentes al ambiente. Son sensibles. Autoalimentadas. Bajo costo. Requieren de otro sensor de temperatura. Son menos estables que otros sensores de temperatura Su principal limitación es la exactitud, ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de obtener.
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-
El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas. TIPOS DE TERMOPARES
Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200º C a +1.372º C y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación. Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C. Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760º C ya que una abrupta transformación magnética causa un desajuste permanente. Tienen un rango de -40º C a +750º C y una sensibilidad de ~52 µV/° C. Es afectado por la corrosión. Tipo T (Cobre / Constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopares de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C. Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.
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Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300º C). Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800º C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0º C y 42º C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50º C. Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300º C. Su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio quitan su atractivo. Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300º C, pero su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43° C). Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar. Leyes Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.
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2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'. 3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0º C. 5. TERMÓMETRO DE RESISTENCIA (RTD
Los termómetros de resistencia o termómetros a resistencia son transductores de temperatura, los cuales se basan en la dependencia de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura, es decir, son capaces de transformar una variación de temperatura en una variación de resistencia eléctrica. La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. 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 cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia”,
que expresa a una temperatura especificada, la
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variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia de temperatura. Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben de poseer las siguientes características: -
Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo
el instrumento de medida será muy sensible. -
Alta resistividad, ya que cuanto mayor sea la resistencia a una
temperatura dada tanto mayor será la variación por grado. -
Relación lineal de resistencia-temperatura.
-
Rigidez y ductilidad, 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). -
La relación entre resistencia y temperatura viene dada por la relación:
-
RT = R0[1 + At + Bt2 + C(t – 100)3] Presenta estabilidad de las características durante la vida útil del
material. -
Materiales comunes: Platino (0,01% de precisión y posee mayor
resistividad 100W a 0ºC); El Níquel podría ser una variante del platino para estos termómetros, pero se debe observar su no linealidad y el Cobre (0,1% de precisión, con poca resistividad). -
La salida de estas sondas, son enviadas a un puente Wheastone
dispuesto en distintos montajes. a) Montaje de dos hilos: Es un montaje barato y sencillo, pero la resistencia de
los hilos a y b de conexión de la sonda al puente varía cuando cambia la temperatura, y esta variación falsea por lo tanto la indicación. Por lo tanto, éste tipo de montaje se utiliza cuando la lectura no necesita ser demasiado exacta.
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b) Montajes de tres hilos: En este circuito la sonda está conectada mediante tres
hilos al puente. Ahora, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que esta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma.
c) Montaje de cuatro hilos: Se utiliza para obtener la mayor precisión posible
en la medida, como es el caso de los convertidores digitales de temperatura o la calibración de patrones de resistencia en laboratorio.
Características de los RTDs -
-
Tienen un alcance de medición hasta 800ºC. Son muy estables. Son muy exactas. Están estandarizadas entre fabricantes. Son costosas. Requieren de alimentación. Tienen baja sensibilidad. Presentan autocalentamiento. 21
-
Son lentas a los cambios.
6. TERMÓMETROS SIN CONTACTO Estos termómetros determinan la temperatura del cuerpo a distancia, y se basan en la determinación de alguna característica del cuerpo que cambie con la temperatura sin hacer contacto con él, aquellos que se usan para medir temperaturas altas y medianamente altas (unos 600ºC o más) se denominan pirómetros. En general son aparatos ópticos más complejos y su uso es mas especializado, por lo que en estas páginas solo se hará breve referencia a ellos. Las características utilizadas para la determinación de la temperatura con estos termómetros mas comunes son: -
Medición de la radiación electromagnética visible emitida por el cuerpo caliente (pirómetros de radiación visible).
-
Medición de la absorción de radiaciones electromagnéticas por el cuerpo caliente (pirómetros de absorción-emisión).
-
Medición de la radiación infrarroja emitida por el cuerpo caliente (termómetros de radiación infrarroja).
I. Pirómetro de radiación Se emplean para medir temperaturas altas. Se basan en la radiación visible emitida por objetos muy calientes (incandescentes). Para medir la temperatura de un metal incandescente, se observa éste a través del pirómetro, en el campo visual del instrumento hay una lámpara con filamento de tungsteno. Girando un botón graduado en grados de temperatura se suministra mas o menos voltaje al filamento y con ello se cambia su color de incandescencia, mientras pueda observarse el filamento es porque su color es diferente al del metal cuya temperatura quiere medirse (fondo). En el momento en que desaparezca el filamento del campo visual se han igualado las temperaturas y la escala del botón nos mostrará la temperatura. Teoría de los Pirómetros 22
La palabra pirómetro se deriva de la palabra griega Pyros, que significa “Fuego” y Metron que significa “Medida”. La teoría de los pirómetros se basa en el hecho de que todos los cuerpos arriba del cero absoluto de temperatura irradian energía, de lo cual parten para medir la temperatura de los cuerpos. La radiación es un modo de propagación de la energía a través del vacío, de forma análoga a la luz. Cuando se habla de la radiación de los cuerpos se hace referencia a la emisión continua de energía desde la superficie de dichos cuerpos, esta energía es radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a una velocidad de 3x108 m/s. La radiación electromagnética se extiende a través un ancho rango de frecuencias.
Figura 10. Pirómetro de radiación
Principio físico en el que se basan Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir
donde • • •
W= σ
T4
W (potencia emitida) es el flujo radiante por unidad de área, σ es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W / m2 K4) y T es la temperatura en Kelvin Si el cuerpo radiante de área A está dentro de un recinto cerrado que está a la
temperatura To, su pérdida neta de energía por segundo, por radiación está dada por: 23
U=σ
A (T4 - To4)
La ley de Stefan fue establecida primeramente en forma experimental por Stefan en 1879; Boltzman proporcionó su demostración termodinámica en 1884. Estructura de los pirómetros de radiación 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; el instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoeléctrico en aire o en bulbo de vacío o una pila termoeléctrica de unión múltiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro, con carácter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador. El espejo cóncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones: •
1) la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda.
•
2) las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.
Usos El pirómetro de radiación se puede recomendar en lugar del termoeléctrico en los casos siguientes: •
Donde un par termoeléctrico sería envenenado por la atmósfera de horno
•
Para la medida de temperaturas de superficies 24
•
Para medir temperaturas de objetos que se muevan
•
Para medir temperaturas superiores a la amplitud de los pares termoeléctricos formados por metales comunes
•
Donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques acorten la vida de un par termoeléctrico caliente
•
Cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura. Este pirómetro reemplaza al pirómetro óptico cuando se desea registrar y
vigilar las temperaturas superiores a 1600 ºC. Esta sustitución requiere que la fuente sea lo suficientemente grande para llenar el campo del pirómetro de radiación. II. Pirómetros de absorción-emisión Se utilizan para determinar la temperatura de gases. Estos pirómetros se basan en el hecho de que los gases pueden absorber en mayor o menor medida las radiaciones electromagnéticas de ciertas longitudes en dependencia de su temperatura. Para la medición, el pirómetro emite un haz de radiaciones electromagnéticas calibradas que se hacen pasar a través del gas, luego se mide la intensidad y se compara con la original, las pérdidas de radiación permiten obtener la temperatura del gas. III.Termómetros de radiación infrarroja. Todos los cuerpos en dependencia de la temperatura emiten radiaciones electromagnéticas el exterior, cuando la temperatura llega a determinado valor medianamente alto (aproximadamente a los 450ºC) esta emisión comienza a hacerse visible como roja (zona visible del espectro), y si nos acercamos al cuerpo caliente en estas condiciones sentiremos en la piel la radiación como calor, aunque no tengamos contacto con él. Para valores de calentamiento algo menores sigue presente la radiación, y aunque no podamos verla como emisión de luz roja, aun podemos sentirla en la piel si nos acercamos lo suficiente. Estas radiaciones no visibles se llaman radiaciones infrarojas (por debajo del rojo). Los termómetro infrarojos pueden 25
detectar las radiaciones no visibles y convertirlas a un valor de temperatura en una escala o en una pantalla digital utilizando captadores muy sensibles que pueden determinar las radiaciones de cuerpos relativamente fríos. Son aparatos electrónicos bastante complejos. IV.Pirómetros ópticos El pirómetro óptico es un dispositivo que puede medir la temperatura de una sustancia o de un cuerpo sin estar en contacto con ella. El pirómetro más común es el de absorción-emisión, y se utiliza para determinar la temperatura de gases. Usos: -
Medir temperaturas donde la atmósfera o las condiciones impidan el uso de otro método.
-
Medir temperaturas promedio de superficies muy grandes.
-
Se utiliza para medir la temperatura superior a 600 c° en molinos donde se funden metales como el acero y cuando se esta formando la cerámica. El pirómetro óptico funciona comparando el brillo de la luz emitida por la
fuente de calor con la de una fuente estándar. Esto quiere decir que el pirómetro compara el brillo de luz que sueltan los electrones cuando saltan o regresan de órbita con una fuente estándar. A diferencia de una celda solar que sus electrones brincan gracias a la luz solar, en el pirómetro óptico, los electrones brincan gracias a la temperatura.
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Figura 11. Pirómetro óptico
Principio físico en el que se basan Se basan en la ley de distribución de la radiación térmica de Wien. λ T, donde A = 0.2897 si λ
m
m
=A/
viene en cm. La longitud de onda correspondiente al
máximo de potencia irradiada en forma de radiaciones comprendidas en un intervalo infinitamente pequeño de longitudes de onda es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo negro. En la medición de temperaturas con estos pirómetros se hace uso de una característica de la radiación térmica: el brillo. El brillo de la radiación en una banda muy estrecha de longitudes de onda emitidas por una fuente, cuya temperatura ha de medirse, es confrontado visualmente con el brillo, en la misma banda, de una fuente calibrada. Si la fuente es un radiador perfecto, un llamado cuerpo negro, existe una relación entre el brillo Jλ Τ de la fuente en esta banda estrecha, la longitud landa de la onda efectiva media de esta banda y la temperatura absoluta T de la fuente, la cual se expresa muy aproximadamente por la ley de distribución de la radiación térmica de Wien: Jλ Τ =
C1 λ
-5
exp [C2/ λ T]
La modificación de Planck de esta ley Jλ Τ =
C1 λ
-5
exp [(C2/ λ T) - 1] 27
es exacta. En estas expresiones C1 y C2 son constantes físicas que pueden ser determinadas experimentalmente por varios métodos. La ley de Wien es suficientemente exacta para las longitudes de onda visibles hasta por lo menos 1800 °C y es matemáticamente de manejo más cómodo que la ley de Planck. Errores debidos a la reflexión Los cuerpos no negros son reflectores de radiación. La medida con el pirómetro óptico está basada sólo en la radiación emitida. Por lo tanto, cualquier luz de una lámpara, ventana u otra fuente de luz que sea reflejada por la superficie que se está midiendo en el telescopio pirométrico introduce un error en la lectura y esto debe evitarse. Las superficies limpias de metales fundidos son buenas reflectoras y por consecuencia tienen baja emisividad. La emisividad del acero fundido para λ = 0.65 micras tiene un valor generalmente aceptado de 0.4. Las partículas de óxido de hierro flotantes sobre el metal tienen valores más altos de emisividad, y por consiguiente aparecen como manchas brillantes sobre la superficie; son estas mas negras que el acero. La corrección para una emisividad de 0.4 es aplicable al acero y es la superficie limpia más oscura con la cual debe ser comparado un filamento. Graduación Los pirómetros ópticos de laboratorio de fábrica son graduados por un método de sustitución. Un pirómetro óptico patrón que ha sido graduado a temperaturas fijas de solidificación se emplea para medir la temperatura aparente de un filamento aplastado de tungsteno, luego se sustituye el patrón por el pirómetro que va a ser graduado y se observa la corriente en que se consigue la desaparición. El filamento de tungsteno no es "negro"; pero si los filtros de vidrio rojo de los dos instrumentos son semejantes, las correcciones de emisividad son las mismas para ambos y se obtendrá una graduación del cuerpo negro del instrumento que se ensaya.
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Otros errores Además de la luz extraña, hay que evitar otras fuentes de error: los humos o vapores entre el pirómetro y la fuente; el polvo u otros depósitos en las lentes, pantallas o lámparas, y la pérdida de voltaje de las baterías del filamento. El pirómetro debe probarse de tiempo en tiempo frente a un pirómetro patrón.
OTROS PROCESOS DE MEDICION DE TEMPERATURA a.
COLORES DE MEDIDA DE TEMPERATURA:
Efectos físicos de los materiales, cuyos colores cambian dependiendo de la temperatura. La temperatura de color de una fuente de luz se define comparando su color dentro del espectro luminoso con el de la luz que emitiría un cuerpo negro calentado a una temperatura determinada. Por este motivo esta temperatura de color se expresa en kelvin (mal llamados "grados Kelvin"), a pesar de no reflejar expresamente una medida de temperatura, por ser la misma solo una medida relativa.
Figura 12. Representación aproximada de la temperatura según ciertos colores.
Generalmente no es perceptible a simple vista, sino mediante la comparación directa entre dos luces como podría ser la observación de una hoja de papel normal bajo una luz de tungsteno (lámpara incandescente) y a otra bajo la de un tubo fluorescente (luz de día) simultáneamente. Algunos ejemplos aproximados de temperatura de color:
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1700 K: Luz de una cerilla 1850 K: Luz de vela 2800 K: Luz incandescente o de tungsteno (iluminación doméstica convencional)
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3200 K: tungsteno (iluminación profesional)
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5500 K: Luz de día, flash electrónico (aproximado) 5770 K: Temperatura de color de la luz del sol pura 6420 K: Lámpara de Xenón 9300 K: Pantalla de televisión convencional (CRT) 28000 - 30000 K: Relámpago
Aplicaciones La temperatura de color se usa en muchas ramas de la industria y la técnica, concretamente en fotografía, cine, teatro y vídeo donde su efecto produce colores dominantes que pueden afectar a la calidad de la imagen. Igualmente es utilizada en astronomía y, concretamente, analizando el espectro de una estrella, se puede relacionar su clasificación y, además para determinar el desplazamiento con respecto a la Tierra; así, si la estrella se ve en tono rojizo, se trataría, bien de una estrella fría, bien de una estrella que se aleja de nosotros o que se acerca si se trata de tonos azulados.
Figura 13. Medidor de Temperatura del color (Colormeter)
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Para corregir la temperatura del color de la fuente se utilizaban filtros cuya mezcla debía ser determinada por un instrumento denominado: colorímetro, kelvinómetro o termocolorímetro. b. TERMÓMETRO DE CRISTAL LIQUIDO Utilizado para la indicación de las temperaturas superficiales y la presentación óptica de los campos de temperatura. Un termómetro de cristal líquido o "termómetro de tira de plástico" es un tipo de termómetro que contiene cristales líquidos sensibles al calor (termocrómicos, es decir que cambian de color con la temperatura).
Figura 14. Termómetro de cristal líquido
El cambio de color es debido a que los cristales líquidos (los de un tipo llamados colestéricos) poseen una estructura, en su red atómica cristalina, de tipo helicoidal, que se relaja ligeramente a medida que cambia la temperatura. La torsión de la estructura helicoidal afecta las propiedades ópticas del cristal líquido, que cambian con la temperatura. Lo que se hace para formar un termómetro de cristal líquido es encapsular sobre una tira (en general de plástico elástico) varias zonas (una por grado,por ejemplo), cada una con el cristal preparado para adoptar el color verde a la temperatura que corresponde a la zona. En la zona de 38 grados, por ejemplo, se coloca el cristal preparado para tomar el color verde a 38 grados. El cristal toma color azul antes de pasar al verde, y color beig después de haber pasado por el verde. Así, si 31
la temperatura es de 38 grados, se verá la zona de los 38 grados en verde, la de los 39 algo azul y la de los 37 algo beig. Los sensores de cristal líquido aprecian cambios del orden de 0,1 ° C. Se pueden utilizar para el uso en domicilio y médico en general. Si el termómetro es por ejemplo de color negro y se coloca en la frente de una persona puede indicar su temperatura según el cambio de color. c.
SENSORES DE TEMPERATURA DE CRISTAL DE CUARZO
La frecuencia de resonancia cambia, dependiendo de la temperatura.
d. SENSORES CAPACITIVOS PARA ALTAS TEMPERATURAS Dependencia de la temperatura de las constantes de dielectricidad. Deben ser considerados como parte de la línea tradicional de sensores, con la diferencia que la parte electrónica está completamente separada del sensor, que está en forma de una extensión que puede soportar temperaturas de -200 a +250 °C. Estos productos son usados para controlar los niveles de materiales calientes tal como líquidos, aceite, polvo y plástico granulado. Sirven también para detectar cuerpos sólidos metálicos y no metálicos localizados en áreas de alta temperatura.
Figura 15. Sensor capacitivo de temperatura
e. SENSORES DE TEMPERATURA INDUCTIVOS Dependencia de la temperatura del momento magnético. Los sensores inductivos detectan sin desgaste ni contacto los objetos metálicos. Para ello necesitan un campo electromagnético alterno de alta frecuencia que interactúa con el objeto.
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Figura 15. Sensor inductivo de temperatura
En los sensores inductivos, este campo es generado por un circuito LC de resonancia con bobina de núcleo de ferrita. Los sensores inductivos de construcción especial son adecuados para temperaturas de -60 hasta +250°C. CONCLUSIONES Después del desarrollo del informe y de haber hecho comparaciones entre los diferentes instrumentos y sensores que permiten medir temperatura, se pueden establecer las siguientes conclusiones: − Las temperaturas inexactas pueden tener graves consecuencias, como la reducción de la vida útil del equipo si sufre un sobrecalentamiento de unos grados. − Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía térmica en otra o en un movimiento. −
Dependiendo del fluido usado, se tienen diferentes rangos de temperatura para el termómetro de vidrio, los cuales, vendrán limitados por los puntos de solidificación y de ebullición de los citados fluidos.
− Los termómetros de líquido en vidrio son usualmente utilizados para la medición de la temperatura de fluidos.
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− Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico. − El campo de medición de los termómetros de bulbo y capilar varía entre 40ºC hasta +500ºC, dependiendo del tipo de líquido, vapor o gas que se emplee. − La fuerza electromotriz generada por un termopar está en función de la diferencia de temperatura entre la unión fría y caliente. − Los termopares presentan el más amplio rango de temperatura (-270ºC a 3000ºC), con respecto a los otros sensores de temperatura. −
La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de
las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. −
El pirómetro de radiación reemplaza al pirómetro óptico cuando se
desea registrar y vigilar las temperaturas superiores a 1600 ºC. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Creus, A (2005). Instrumentación Industrial. 7ma Edición. Ediciones Técnicas Marcombo S.A. España. Doebelin, E (2005). Sistemas de Medición e Instrumentación. 5ta Edición. Editorial: MC GRAW HILL. México.
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