GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA · 2001. 6....

COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA LA DETECCION Y/O

MEDICION DE TEMPERATURA

GUIA PROVISIONALCFE GATMO-33

AGOSTO 1988

MEXICO

GUIAGUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA

LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATMO-33

P R E F A C I O

Esta guía ha sido elaborada de acuerdo con las Bases Generales para la Normalización en CFE, habiendopreparado el proyecto inicial la Gerencia de Proyectos Termoeléctricos.

Participaron en la revisión y aprobación del presente documento normalizado las áreas que se indicana continuación:

GERENCIA DE GENERACION Y TRANSMISION

GERENCIA DE LABORATORIO

GERENCIA DE PROYECTOS GEOTERMOELECTRICOS

GERENCIA DE PROYECTOS TERMOELECTRICOS

De acuerdo al procedimiento para elaboración de documentos normalizados, autorizado por la DirecciónGeneral de CFE, con oficio núm. 03742 del 4 de diciembre de 1987, presentamos esta GUIA PROVI-SIONAL para que sea aplicada durante por lo menos un año, a partir de la fecha abajo indicada y probarsu efectividad durante el período en que esté en vigor. Posteriormente se someterá a la autorización de laDirección General tomando en cuenta las observaciones que se deriven de la aplicación de la misma lascuales deberán enviarse al Departamento de Normalización de la Gerencia de Laboratorio.

Este documento normalizado revisa y substituye a todos los relacionados con guía de selección de instru-mento y métodos para la detección y/o medición de temperatura que se hayan publicado, dentro delcampo de aplicación del presente.

NOTA: Entra en vigor como especificación provisional a partir de: 881105

880825I I I I I I I 1 1 I 1

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARAGUIA

LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURACFE GATMO-33

1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 NORMAS QUE SE APLICAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

3 TEORIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

4 TERMOMETROS DE VIDRIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

4.1 Termómetros de Columna de Mercurio, Tipo Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

4.2 Termómetros de Columna de Mercurio, Tipo de Laboratorio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

5 ELEMENTOS SENSORES TIPO BIMETALICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

5.1 Elementos Bimetálicos con Transmisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

6 SENSORES TIPO SISTEMA LLENO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

6.1 Sensores Tipo Sistema Lleno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

6.2 Características del Bulbo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

6.3 Tubo Capilar.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6.4 Blindaje del Tubo Capilar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6.5 Montaje del Bulbo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

6.6 Compensación por Temperatura Ambiente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

6.7 Tipo de Errores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

6.8 Sensor Especial de Velocidad de Aumento de Temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

7 TERMOPARES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

7.1 Tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

7.2 Selección de Termopares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

7.3 Calibre de los Elementos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

7.4 Circuitos Especiales de Termopares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6

7.5 Conexión a Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0

7.6 Blindaje Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

7.7 Cabeza del Termopar y Terminales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

7.8 Cables de Extensión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3

7.9 Compensación por Junta de Referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7

7.10 Calibración Automática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

7.11 Instrumentos Secundarios para Termopares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

7.12 Tipos de Errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0

8 BULBOS DE RESISTENCIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

8.1 Tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

8.2 Características de Construcción de Bulbos de Resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4

8.3 Conexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4

8.4 Fuente de Energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7

8.5 Cabeza de Conexiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7

8.6 Conexión a Tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

C O N T E N I D O

880825 I I l I I I I I I I I

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA

I

G U I A


8.7 Blindaje Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

8.8 Tipos de Errores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

8.9 Instrumentos Secundarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

8.10 Medición Remota.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8

9 DETECTORES DE TEMPERATURA TIPO SEMICONDUCTOR (TERMISTORESI . . . . . . . . 4 0

9 . 1 Tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0

9.2 Características de Construcción de Termistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

9.3 Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

9.4 Fuente de Energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

9.5 Tipos de Errores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

9.6 Instrumentos Secundarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

1 0 PIROMETROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

10.1 Pirómetros de Radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1

10.2 Pirómetros Opticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

l l INDICADOR DE TEMPERATURA COLORIMETRICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

1 2 INDICADORES DE TEMPERATURA POR CAMBIO DE GEOMETRIA. . . . . . . . . . . . . . . . 4 4

1 3 RESUMEN DE CARACTERISTICAS DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA. . . . . . . . . . 4 4

13.1 Generalidades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4

13.2 Termómetros de Vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6

13.3 Elementos Sensores Bimetálicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6

13.4 Sensores Tipo Sistema Lleno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

13.5 Termopares.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7

13.6 Bulbos de Resistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8

13.7 Termistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8

13.8 Pirómetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9

13.9 Indicador de Temperatura Colorímetrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0

13.10 Indicador de Temperatura por Cambio de Geometría. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0

TABLA 1 Escalas de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

TABLA 2 Tipos de sistemas llenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

TABLA 3 Tipos de termopares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

TABLA 4 Elementos de termopar en diferentes atmósferas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4

TABLA 5 Tipos de bulbos de resistencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2

TABLA 6 Características de los alambrados de bulbos de resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6

TABLA 7 Emisividad de diversos materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

TABLA 8 Rangos y costo relativo de sensores de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5

880825 1 I 1 I I I I I I I

Maria Esther Parra

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARALA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATMO-33

FIGURA 1 Termómetro de vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

FIGURA 2 Elemento sensor tipo bimetálico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

FIGURA 3 Ensambles y dimensiones de termopozos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

FIGURA 4 Sensor tipo sistema lleno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

FIGURA 5 Calibración de termopares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

FIGURA 6 Ensamble de un termopozo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5

FIGURA 7 Evitando errores en el arreglo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

FIGURA 8 Arreglo de termopares para suma de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

FIGURA 9 Arreglo para medición de diferencia de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8

FIGURA 10 Arreglo para medición de temperatura promedio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9

FIGURA ll Conexión a tierra de circuitos de termopar (Conexión a tierra). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2

FIGURA 12 Conexión a tierra de circuitos de termopar (blindaje eléctrico). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4

FIGURA 13 Baños de hielo para la junta de referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9

FIGURA 14 Curvas características para bulbos de resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3

FIGURA 15 Alambrado de bulbos de resistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

880825 I I 1 1 I I I I l I I


LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATMO-331 de 51

1 OBJETIVO Y CAMPO DE APLICACION

El propósito de esta Guía* es proporcionar directrices que ayuden a seleccionar el instrumento o elmétodo a utilizar para la detección y/o medición de temperatura en cada uno de los sistemas utilizadosen Centrales Generadoras de Energía Eléctrica.

l NOTA: Esta guía no cubre tipos muy especializados de elementos sensores de temperatura, tales como el de cuarzo, el espectros-cópico, el paramagnético, el ultrasónico y otros.

2 NORMAS QUE SE APLICAN

ASME PTC-19.3-1974

ISA/ANSI MC-96.1-1982

SAMA PMC6.1 O-l 963

SAMA PMC-21.4-1966

Part 3: Temperature Measurement Instruments andApparatus (R-l 985).

Temperature Measurement Thermocouples.

Fi I led System Thermometers.

Temperatura-Resistance Valves for Resistance Ther-mometer Elements of Platinum, Nickel and Copper.

BS 1904- 1984

DIN 43760-1968

Industrial Platinum Resistance Thermometer Sensors.

Valores básicos para resistencias de medida paratermómetros de resistencia.

NOTA: En caso de que los documentos anteriores sean revisados o modificados debe tomarse en cuenta la edicióN en vigor o la últimaedición en el momento del pedido, salvo que la Comisión indique otra cosa.

3 TEOR IA

La temperatura es una manifestación del promedio de energía cinética de las moléculas de una sustancia,debido a la presencia de calor. Generalmente se usa el término temperatura para describir la condición decalor o frío de un cuerpo. Sin embargo, la temperatura no es una medición de la cantidad total de energíaque en forma de calor posee un cuerpo, ya que también depende de otros factores, incluyendo la masadel cuerpo y su calor específico. Por lo tanto, podemos decir que un cuerpo contiene más calor cuandoestá caliente que cuando esta frío, pero que dos objetos a la misma temperatura puedan tener una can-tidad muy diferente de calor, dependiendo de sus masas y su material de construcción.

Las principales escalas para la medición de temperatura son las indicadas en la tabla 1,

Puede encontrarse información adicional en la norma ASME para pruebas de comportamiento. PTC 19.3,en libros de instrumentación y en catálogos de fabricantes.

4 TERMOMETROS DE VIDRIO

Este termómetro basa su funcionamiento en el aumento de volúmen con el aumento de la temperatura.Este térmometro está formado de un tubo capilar de vidrio lleno con un líquido de alto coeficiente dedilatación, tal como el alcohol, el pentano, el mercurio (Hg), etc., ver figura 1.

880825 I I 1 l I I I I l 1 I I

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARALA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA

CFE GATMO-33

2 de 51

TABLA 1 - Escalas de medición

Escala detemperatura

S í m b o l o

I Rankine

l Reaumur I Reaum

Punto de fusióndel hielo

3 2

0

459.67

273.15

0

Punto de ebullicióndel agua a nivel

del mar

Conversión agrados Celsius

2 1 2 I ºC= 5/9 (ºF - 3 2 )

100 - - -

671.61 ºC = 1.8ºR-273.15

3 7 3 . 1 5 I ºC = K - 2 7 3 . 1 5

8 0 ºC = 1.25 (Reaum)

El rango de temperatura que se puede medir es de -196.91 a 593.33ºC (-321 a 1 100ºF), aunque se reco-mienda no usarlos a más de -128.76 a 315.24ºC (-200 a 600” F).

Presentan una escala lineal, (nótese que para un mismo rango, entre más larga es la escala, mayor será laprecisión). La precisión es del orden de -17.54 a -16.65ºC (0.1 a 2°F).

i

I:2’,

l-- CAPILAR

-i

i---- VASTAGO DE VIDRIO

ll--- RESTRICCION

\-_1. . -- BULBO

LIQUIDO DE TRABAJO

FIGURA 1 - Termómetro de vidrio

8 8 0 8 2 5 I I I I 1 I 1 I


I

GUIA


3 de 51

Son baratos y el único mantenimiento consiste en revisar que la columna sea continua; en caso de queésta presente discontinuidad introducir el termómetro en un congelador o en hielo seco, dependiendodel rango. Si al aplicar este método no se logra continuidad de la columna puede intentarse ahora concalentamiento variando lentamente la temperatura hasta que la columna se una sin exceder el rango deltermómetro.

Las principales desventajas son: su fragilidad y que sólo se puede usar para indicación local.

Es importante mencionar que dentro de toda la variedad de este tipo de termómetros, sobre todo decolumna de mercurio, éstos se fabrican en escala de amplio rango que puede iniciarse desde cero gradosCelsius o abajo de cero y con una columna “corrida” según el rango (ejemplo 0 a 100°C; 0 a 200ºC;0 a 300°C, etc.) y otros de rango “partido” o sea dividido en secciones, utilizando una escala amplia encada te.rmómetro ( ejemplo: -38ºC a 2ºC; -8º a 32ºC; 25º a 55ºC; 50º a 80ºC; 75º a 105°C; etc.)de tal forma que se puedan observar secciones de columna con diferencias entre cada grado de tempera-tura, de un largo apreciable, pudiendo definir decimos y hasta centésimos de grado. Dentro de este tipose fabrican termómetros patrón en juegos y con presentación en estuche y certificado de fábrica paracada uno.

Otra característica muy importante en los térmometros de columna de mercurio es el hecho de consi-derar la profundidad de inmersión y el error que se comete cuando no se respeta (o no se puede respetar).De acuerdo a este criterio existen termómetros de inmersión total (la mayoría de los termómetros cono-cidos) y los termómetros de inmersión parcial. Cuando un termómetro es de inmersión parcial, se en-tiende que éste debe introducirse en el medio ambiente cuya temperatura desea determinarse, hasta unamarca grabada por el fabricante, que normalmente viene a 76 mm (3 pg) desde el extremo inferior. Cuan-do un termómetro de columna de mercurio no tiene esta marca, debe entenderse que se trata de untermómetro de inmersión total y por lo tanto debe cuidarse de introducirlo gradualmente conforme seeleva la columna de mercurio y hasta el punto en que esta columna se detenga; en este preciso momentose leerá la temperatura.

Los termómetros de columna de mercurio se fabrican de tipo industrial y de laboratorio.

4.1 Termómetros de Columna de Mercurio, Tipo Industrial

Al especificar un termómetro para uso industrial debe tomarse en cuenta en primer lugar, si se trata deuna escala en grados Celsius o de otro sistema de unidades, indicando el rango deseado.

En segundo lugar debe de especificarse el largo de la escala, ejemplo: .20 m (8 pg), .25 m (10 pg),.30 m (12 pg).

En tercer lugar, se debe especificar la posición del bulbo con respecto a la escala. Su fabricación puedeser diseñada en un ángulo de 90º anterior o posterior, a 45º lateral o 45º frontal o con el bulbo colinealcon la escala.

En cuarto lugar si se desea con termopozo integrado o bulbo en contacto con el medio a medir. Además,en el caso de necesitar termopozo, debe indicarse el material: bronce, acero al carbón, acero inoxidable(indicar especificación), monel, etc.

4.2 Termómetros de Columna de Mercurio, Tipo de Laboratorio

Al especificar un termómetro para uso de laboratorio debe tomarse en cuenta en primer lugar, si setrata de una escala en grados Celsius o de otro sistema de unidades, indicando el rango deseado.

880825 I I 1 I I 1 1 1 I I I

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA GUIA


4 de 51

En segundo lugar debe especificarse el largo total del termómetro, de acuerdo a especificaciones de losfabricantes. En este tipo existe además opción, en algunos casos, de especificar el grueso y hasta el tipo depresentación.

En tercer lugar existe la posibilidad de indicar uso: uso general, para determinado punto de fusión, rangopartido, inmersión total o parcial, tipo de industria, clínico o de laboratorio, tipo patrón, etc.

Para ampliar el tema sobre termómetros se menciona como una referencia, que se fabrican equipos paracomprobar la precisión de lectura de termómetro, empleando hornos o baños a temperatura controlada,manual 0 automática.

5 ELEMENTOS SENSORES TIPO BIMETALICO

Los elementos sensores tipo bimetalico operan bajo el principio de que un cambio de temperatura dadoocasiona un cambio de longitud distinta en metales diferentes, (ver figuras 2 y 3 ). Estos sensores son losmás comúnmente usados para indicación local de temperatura, ofreciendo una precisión de 0.5 a ± 1por ciento de la amplitud de medición. Los tipos para laboratorio pueden ser mas precisos.

rAJUSTE EXTERNO DE CERO

pgmmpg.)

35.7 mm.5 11/32 p g

/I

*- 2 1/2-4-6-9-12-15

l-

VISTA LATERALP U N T E R O ~..-

BOBINA EXTERNA

TUBO PROTECTOR 0 -POZO

- BOBINA INTERNA

MATERIAL ESTAC I O N A R I O PUNTO DE SUJECCION DEL VASTAGODEL PUNTERO

V I S T A ESQUEMATICA

FIGURA 2 - Elemento sensor tipo BIMETÁLICO

880825 1 1 I 1 I 1 I 1 I l I


GUIA

CFE GATMO-335 de 51

115.8 mm.10.625 pg.

--rc 6.3 mm

( 0 . 2 5 0 pg

Tipo RectoS= *U= *

-44.4mm+T -

T i p o ConicoS= *U= *

U-

12.7 mm.

1/2 pg.9

Tipo Recto con extensiónS= *

u = *

c-44.4mm.+T

1

15.8mm.

(0.625 pg )

t

c 6.3 mm.(0.250 pg.)

Tipo Coniro con extensións = *u= *

-U

12.7 mm.

(1/2 pg.) 15.9mm.

\ - (0.625 pg.

NOTAS:

(1) Materiales de construcción:

acero inoxidable de 516 6 304

(2) Tamaño del barreno: 6.6 mm 6.3mm.

(0 .260 pg).6.6 mm. > -(0.625 pg.)

(3) Conexión a 19 mm (3/4) Proceso pg) o 25 4 (p): mm

(1 pg) NPT.(*) Las dimensiones son de acuer-

do a las necesidades.

FIGURA 3 - Ensambles y dimensiones de termopozos

I I I 1 I I 1 I I I I8 8 0 8 2 5 I 1 l I I I I 1 1 I I



6 de 51

Por otra parte, los indicadores del tipo bimetálico generalmente se especifican con carátula circular de127 mm (5 pg) de diámetro, de preferencia del tipo antiparalaje, con ajuste externo de cero y rosca paramontaje de 13 mm (1/2 pg). El bulbo debe ser de acero inoxidable 18-8 (tipo 304) con diámetro de6mm (1/4 pg) y longitud normalizada de 4, 6, 9 pg, etc. La orientación de la conexión del bulbo conrespecto a la caja puede ser inferior o posterior, conocidas como recta o en ángulo, respectivamente. Seprefiere usar una conexión ajustable para permitir la lectura del instrumento desde el lugar que sea másconveniente. Como accesorios, se pueden tener punteros que indiquen la temperatura máxima o mínimaque se llegue a presentar. El rango de medición de estos termómetros se encuentra entre -75°C y 540°C,pero en operación continua la temperatura no debe exceder los 430°C.

5.1 Elementos Bimetálicos con Transmisión

Los elementos del tipo bimetálico también se usan en interruptores de temperatura ciegos. Existe almenos una marca de interruptores que tiene señal de salida neumática, la que, si bien no es estrictamentedel tipo abrir-cerrar, tiene una banda proporcional muy estrecha.

Se fabrica una combinación de elementos sensor y transmisor que mide el rango de 600°C a 1200°C yproduce una señal de salida de 4-20 mA CD. Básicamente, es un instrumento promediador que cuentacon un sensor bimetálico de 660 mm de longitud y 2.3 mm de diámetro. Este elemento es muy flexibleen la calibración. La temperatura nominal máxima es de 1300°C para el elemento sensor y de 85°Cpara el transmisor. Su precisión es de ± 6ºC y su repetibilidad es de ± 3ºC, funciona adecuadamenteen atmósferas oxidantes y reductoras. La señal de salida normalizada se transmite mediante dos conduc-tores de cobre y requiere de una fuente de energía de 60 V ± 10 VCD.

6 SENSORES TIPO SISTEMA LLENO

i 6.1 Sensores Tipo Sistema Lleno

~ Los elementos de sistema lleno están constituidos por un bulbo metálico conectado a un tubo capilar deuna determinada longitud y un elemento (fuelle, espiral, helicoidal, etc.) al final del tubo capilar, el cuales sensible a los cambios de presión o volumen que se producen en el fluido del cual se llena el sistema,cuyos cambios son función de la temperatura del bulbo, el cual se introduce en el proceso.

El cambio de temperatura en estos sistemas produce como consecuencia un movimiento angular, recti-líneo, o bien una fuerza. (ver figura No. 4).

Clasificación de los sistemas llenos según la norma SAMA PMC-6.10, se han clasificado estos sistemas enla forma que se muestra en la tabla 2.

6.2 Características del Bulbo

El bulbo se fabrica de diferentes materiales. Cuando se utiliza con un termopozo, la resistencia a lanaturaleza corrosiva del fluido de proceso no afecta la selección del material del bulbo, por lo que puedeemplearse el normalizado del fabricante: cobre, bronce o acero inoxidable. Cuando la corrosión por laatmósfera sea un factor que afecte al bulbo, se debe utilizar de preferencia acero inoxidable 18-8 (tipo304); en otro caso, puede usarse cobre o bronce, que ofrecen la ventaja de una respuesta más rápida. Lasaleaciones de cobre tienen afinidad con el mercurio y, por tanto, no se usan en sistemas Clase V. Así-mismo, los sistemas Clase V no se usan donde se tenga que evitar el derrame de mercurio ocasionado porrupturas. En caso de que se utilice sin termopozo, el bulbo debe resistir el ataque químico del fluido deproceso. Cuando se requiere termopozo, es conveniente adquirirlo con el instrumento de temperatura ydebe satisfacer los requisitos generales que se aplican a todos los termopozos.

880825 l 1 l I I I 1 I I

IG

UIA

D

E

SE

LEC

CIO

N

DE

IN

STR

UM

EN

TO

Y

METO

DO

PA

RA

I

GU

IA

LA

DE

TEC

CIO

N

Y/O

M

ED

ICIO

N

DE

TE

MP

ER

ATU

RA

CFE

G

ATM

O-33

7 de 51

PExPf:l

880825I

II

II

II

II

II

Maria Esther Parra

GUIA

.

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARALA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATMO-33

8 de 51

FIGURA 4 - Sensor tipo sistema lleno

El volumen del bulbo varia dentro de su rango de 100 a 1 dependiendo del fluido del sistema lleno, de laamplitud de medición de temperatura y de la longitud del tubo capilar.

6.3 Tubo Capilar

El tubo capilar (tubing) es un conducto de diámetro pequeño, por lo regular de cobre o acero inoxidable.Excepto para los sistemas Clase V, el cobre es satisfactorio si la corrosión por la atmósfera no es unproblema. El tubo capilar puede llevar un alambre de compensación de temperatura a lo largo de todasu longitud, ver inciso 6.6, Compensación por Temperatura Ambiente.

Como caso particular los bulbos largos proporcionan una temperatura promedio y algunas veces se insta-lan, tensados en ductos de gases.

6.4 Blindaje del Tubo Capilar

Siempre se debe especificar blindaje para el tubo capilar, no sólo para proporcionarle resistencia mecá-nica, sino también para diferenciarlo de otros tipos de conductos (tubing) y evitar que personal demantenimiento o construcción lo corte por error (un tubo capilar cortado no se puede reparar). Depreferencia se utiliza el blindaje de bronce, por su bajo costo, pero pueden usarse otros metales. En unaatmósfera corrosiva el blindaje debe ir forrado con plástico. No es conveniente usar tubos capilaresexcesivamente largos debido al mayor costo, a la inconveniencia de hqlguras excesivas y al posible incre-mento de error en la medición. Sin embargo, debe tener la longitud suficiente, ya que ésta no se puedeincrementar mediante tensión o empalmes.

880825 I I I I I 1 I I 1 I I


I GUIA

1 CFE GATMO-339 de 51

6.5 Montaje del Bulbo

De las muchas formas de montaje del bulbo disponibles, la que generalmente se recomienda es la deunión ajustable con extensión flexible. Normalmente la extensión flexible es de diámetro menor que elbulbo, para reducir el error por conducción. Su flexibilidad facilita un poco la instalación en lugaresestrechos. La unión ajustable permite deslizar el bulbo hasta que haga contacto con la parte inferior deltermopozo, con lo que se mejora el comportamiento.

6.6 Compensación por Temperatura Ambiente

Debido a que el fluido sensor de temperatura se encuentra desde el bulbo hasta el elemento de presión, seve afectado por las temperaturas registradas a lo largo del sistema bulbo-tubo capilar-elemento de presión.La sensibilidad a la temperatura del fluido contenido en el bulbo es el fundamento de la medición; loscambios de temperatura en otras partes del sistema, pueden o no ocasionar errores importantes. Lossistemas de presión de vapor, Clase II, no se encuentran sujetos a este tipo de error, ya que la presión delsistema sólo depende de la temperatura de la interfase Iíquido/vapor existente en el bulbo. El volumende la cámara del bulbo varía con la temperatura, pero en grado despreciable.

En los sistemas de las Clases I, III y V, la temperatura ambiente puede ocasionar errores de magnitudvariable. La necesidad de compensación es función de la relación del volumen del bulbo al volumentotal del sistema, de la longitud del tubo capilar, de la temperatura ambiente, del rango de medición y dela precisión requerida. La compensación en la caja corrige solamente las variaciones de temperatura enla caja. La compensación total corrige las variaciones de temperatura en el tubo capilar y en la caja. Paradecidir si se especifica la compensación, o el tipo a usar, se tienen dos alternativas:

a) Lo recomendado para obtener confiabilidad absoluta, es especificar los instrumentos delas Clases I, Ill y V con compensación total, ésto es, usar las Clases IA, IIIA y VA. Losinstrumentos Clase II no requieren compensación.

b) Además de incluir la información usual en la especificación del instrumento, definir:

- el rango de temperatura ambiente para el tubo capilar y para la caja,

- la precisión requerida.

El fabricante seleccionará la compensación adecuada si es que se requiere alguna. En esta alternativael costo del instrumento puede ser menor.

6.7 Tipos de Errores

6.7.1 Error por Columna Hidrostática

Puesto que un instrumento de sistema lleno opera por medio de un fluido, se encuentra sujeto a varia-ciones de presión, o sea a errores por cambio de cero, cuando se modifican las elevaciones relativas deltubo capilar y del elemento de presión. La magnitud del error es función de la presión, del tipo y de lafase del fluido del sistema lleno y del cambio de elevación. Este error puede variar desde cero, para laClase II B, hasta valores grandes para otras clases.

Debe consultarse la Tabla 2 y la literatura del fabricante para que la especificación de un instrumentoincluya, si se requiere, la información relativa a elevaciones y, en consecuencia, se suministre la compen-sación por columna hidrostática.

880825 I I 1 I I I I I l I I

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA I GUIA

LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURACFE GATM0-33

10 de 51

6.7.2 Errores por presión externa

La presión externa puede introducir errores de medición porque el sensor de presión detecta la presiónmanométrica del fluido del sistema lleno. Los cambios en la presión barométrica tienen un efectodespreciable en los de tipo de sistemas llenos de líquido, Clases I y V, ya que su presión interna esrelativamente alta.

Los sistemas de vapor y gas, Clases II y III, se ven afectados por estos cambios, pero normalmente elerror resultante no excede del 0.4 por ciento de la amplitud de medición.

La presión de proceso que se ejerce sobre el bulbo puede introducir errores en el caso de sistemas llenosde líquido o gas, especialmente en el primero, sin embargo puede suponerse que este error es despreciablecuando el bulbo se encuentra protegido por el termopozo normal,

6.7.3 Otros errores

Los tipos de sistemas llenos pueden tener errores de medición por factores similares a los correspon-dientes a los termopozos.

Algunos transmisores cuentan con la opción de acción derivativa para compensar el error dinámicoocasionado por la masa del bulbo y del termopozo.

6.8 Sensor Especial de Velocidad de Aumento de Temperatura

Dentro de los elementos sensores de sistema lleno, existe un tipo especial constituido por una cámarallena de aire, abierta a la atmósfera y un interruptor de presión.

La presión en la cámara se incrementa al expanderse el gas por efecto del aumento de temperatura,siendo detectado por el sensor, por lo tanto, detectando la velocidad de aumento de temperatura. Parauna determinada velocidad de cambio, la presión en la cámara se incrementa hasta el valor en que actúael interruptor.

Este dispositivo no es muy preciso, pero su precio es bajo y se usa frecuentemente en sistemas de alarmacontra incendio.

7 TERMOPARES

7.1 Tipos

La utilización del termopar es uno de los métodos más simples para determinar la temperatura de unproceso. El funcionamiento de los termopares se basa en que, si un par de elementos de metales dife-rentes se unen en un extremo, se genera una fem (fuerza electromotriz) que se puede medir en el otroextremo, siempre y cuando se tengan temperaturas diferentes en ellos. La junta que esta a la temperaturade proceso es la junta de medición, algunas veces llamada junta caliente; el otro extremo, al que seconecta el instrumento medidor, es la junta de referencia, llamada también junta fría. Los elementosdeben estar electrícamente aislados después de la junta de medición. Sí la junta de referencia se mantienea una temperatura normalizada, por lo regular 0ºC, para cada valor de la temperatura en la junta demedición, debe corresponder un valor único de fem para un determinado par de metales. Esta relaciónconocida como calibración del termopar, se muestra en la figura 5, para los tipos comunes de termopar.La designación del tipo termopar, por ejemplo, tipo J, sigue la nomenclatura establecida por la ISA en lanorma ANSI MC-96.1. Esta norma también contiene mucha información útil relacionada con el tema.

$30L 20

1 0

0 . . . . . - - -2 4 6 6 1 2 14 16 18 22 24 2 6 2 6 3 2 3 4 3 6 3 6 4 2

0 2ooo 3000 4ooo

TEMPERATURA ºF


GUIA

CFE GATM0-33

ll de 51

1 12345678; 1 I I I I I 1

’1000 2ooo 2200

TEMPERATURA º C

FIGURA 5- Calibración de termopares

880825. I I I I I I 1 l I 1


GUIA

CFE GATM0-33

12 de 51

La tabla 3 indica las características importantes de los tipos comunes de termopares. Existen otros tipospara aplicaciones especiales; para información sobre ellos puede consultarse a los proveedores.

~ La selección del tipo termopar a usar, depende de los factores que se muestran en la figura 5 y en lastablas 3 y 4, además es deseable minimizar el número de tipos empleados en una planta. Las tablas

normalizadas de calibración de termopares (ANSI MC 96.1), en las que se basa la figura 5, se aplican aelementos de composición muy específica. El elemento comercial generalmente no es de esa calidad;para la mayoría de los tipos de termopar se encuentra disponible en dos grados: normalizadu y especial(debe consultarse los catálogos de los fabricantes para el error en cada caso). El grado normalizado es elque normalmente se utiliza. Los termopares pueden adquirirse con calibración certificada.

La calibración de cualquier termopar sólo es válida mientras los elementos conserven la homogeneidad yla composición especificada para su tipo. Los cambios químicos o metalúrgicos en cualquier parte de loselementos, deben ocasionar una desviación de la calibración (ver inciso 7.8, Cables de Extensión).

Para limitaciones ambientales de los elementos de termopar, ver tabla 4. Cada *termopar debe tenerambos elementos adecuados para el servicio en que se va a emplear.

7.2 Selección de Termopares

Existe una amplia variedad de diseños que se ajustan a los diferentes requisitos de instalación. En seguidase describen los diseños de más interés:

a) El diseño de termopar preferido es el blindado o tipo lápiz. Contiene aislamientomineral y se enfunda en fábrica, en un tubo cerrado de metal resistente a la corrosión,normalmente acero inoxidable 18-8 (tipo 304). El termopar puede obtenerse con o sinconexión a tierra (ver inciso 7.5 Conexión a Tierra). Para servicio general, la funda debeser de 6. 3 mm (1/4 pg) de diámetro y con resorte de carga para asegurar un contactofirme con la parte inferior del termopozo. Debe utilizarse una cabeza roscada.

Si se requiere una respuesta muy rápida, la funda puede ser tan pequeña como de1.6 mm (1/16 pg) de diámetro exterior y puede usarse sin termopozo, lo que no es unapráctica común. Si se usa sin termopozo, el termopar no se puede extraer sin detenerel proceso y está sujeto a falla por vibración debido a su poca rigidez. Para medicionesde temperatura de maquinaria, por ejemplo, en cojinetes, debe utilizarse el elemento sinprotección, ya que su punta se encuentra soportada.

Los termopares blindados tienen una vida más larga que los aislados con porcelana, queson los que están expuestos al aire. Cuando se utilizan con un termopozo, se mejora laconductividad térmica debido al contacto provocado por la acción del resorte, siendola conexión eléctrica a tierra más segura y confiable.

b) El diseño tradicional de termopar usa elementos con aislamiento de cerámica que seunen a la cabeza de conexiones a través de accesorios de tubería. Los accesorios detubería deben estar de acuerdo con la figura 6. Este diseño es de menor precio y tienelas desventajas de:

- no hacer u n contacto confiable con la parte inferior del termopozo, por lo que seincrementan los errores de medición y posiblemente una junta de medición supues-tamente conectada a tierra no lo esté en realidad,

TABLA 3 - Tipos de termopares (1)

servicio no N o t a s

Normalmente

robusto que lo

NOTAS:

1.- La información es general y está sujeta a modificación en casos especiales según se menciona en la norma ANSl MC 96.1.

2.- Los números representan porcentajes de composición.

3.- Los límites de temperatura se basan en termopares que se encuentran protegidos del proceso por un termopozo. Los limites dados se recomiendan y son

aproximados; en la práctica se pueden exceder.

4.- La estabilidad en servicio no nuclear se refiere al efecto de envejecimiento por limitaciones ambientales. Ver tabla 4.

GU

IA

DE

S

ELE

CC

ION

D

E

INS

TRU

ME

NTO

Y

M

ETODO

P

AR

AG

UIA

LA

DE

TEC

CIO

N

Y/O

M

ED

ICIO

N

DE

TE

MP

ER

ATU

RA

CFE

G

ATM

0-33

14 de 51


LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATM0-33

880825 I I I I I I I I I 1 I

15 de 51

FIGURA 6 - Ensamble de un termopozo


LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATM0-3316 de 51

- existe la posibilidad de perder la conexión a tierra al formarse una película deóxido, de alta resistencia, en la junta de medición,

- tienen una vida relativamente corta,

c) Los termopares del tipo de contacto pueden fijarse con abrazadera a una tubería demodo que la junta de medición haga contacto firme con ésta. Estos dispositivos sepueden utilizar si se necesita hacer una medición de temperatura para la que no se hayanhecho los preparativos normales; asimismo, pueden ser útiles para localizar fallas en elproceso.

La medición que se obtiene no es muy precisa, a menos que el punto de medición y elárea a su alrededor se encuentren perfectamente aislados.

d) Los termopares dobles (duplex) son similares a los normales, a excepción de que lajunta de medición está formada por la unión de dos pares de elementos, por ejemplo,dos de cromel y dos de alumel; cada par se conecta a un circuito diferente y se obtienendos mediciones separadas, las que deben ser idénticas si los circuitos son similares. Estopuede servir para verificar un instrumento contra otro, especialmente al utilizar unvóltmetro local de prueba para determinar si la imprecisión de una lectura remota sedebe al instrumento o a problemas en el circuito. Un termopar doble requiere sólo untermopozo, reduciéndose así el costo, sin embargo, es menos confiable que dos termo-pares sencillos debido a que una falla en la junta de medición o una conexión a tierra oun corto circuito en cualquiera de los circuitos afecta a ambos. Además, si se usa paraverificación de uno de los pares, existe el riesgo de provocar un corto circuito o unaconexión a tierra en el otro. Por todo lo anterior, es preferible no usar termoparesdobles.

7.3 Calibre de los Elementos

Los elementos de termopar deben ser de calibre 14 AWG (American Wire Gauge), para todas las aplica-ciones, incluyendo los termopares dobles, con las siguientes excepciones:

a) Para termopares blindados usar el calibre normalizado del Proveedor.

b) Para termopares con aislamiento de cerámica, usar el calibre 8 AWG, si la temperaturaexcede los 538ºC y si el termopar no está formado con platino o tungsteno. Paraplatino, usar 24 AWG. Para tugsteno, debe usarse el calibre recomendado por el Pro-veedor.

7.4 Clrcuitos Especiales de Termopares

7.4.1 Tipo de medición

Básicamente se puede suponer que existen dos tipos de circuitos para medir una temperatura utilizandotermopares; el tipo galvanométrico y el tipo potenciométrico. En el primer tipo se utiliza la tensión(fem) para establecer una corriente a través de un galvanómetro, obteniéndose la deflexión de una agujaindicadora en relación proporcional al aumento de temperatura y de acuerdo a una curva de respuestaparticular con el tipo de termopar utilizado. En el tipo de medición “potenciométrico” no se utilizaflujo de corriente sino que se compara, la fem con la de un instrumento hasta igualar estas dos tensioneseléctricas de tal forma que a través del movimiento integrado de una escala se pueda leer la fem generadapor el termopar con lo que se logra una alta precisión.

880825 I I I 1 1 I I I I I I

I GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA

I

GUIA

LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATMO-33 I

17 de 51

7.4.1 .1 Generalidades

Mediante la interconexión de varios termopares, se pueden sumar, restar o promediar las fem producidaspor ellos. Todos los termopares que se interconecten deben ser del mismo tipo. A menos que se utiliceun instrumento secundario de alta impedancia, la resistencia eléctrica de las diferentes ramas puedeocasionar errores importantes en la medición Los arreglos para sumar, restar o promediar temperaturasque se describen porteriormente, tienen la desventaja de que una falla en un termopar, como un cortocircuito, puede pasar inadvertida y obtenerse una lectura total errónea sin detectarla. Tampoco seobtiene la indicación de la distribución de temperaturas.

El arreglo en serie, ya sea para suma o resta de temperaturas, debe indicar la falla por apertura del cir-cuito mediante la pérdida de la fem medida.

7.4.1.2 Arreglo para suma de temperaturas

La figura 7 muestra un arreglo para la suma de temperaturas; se utilizan termopares conectados en serie.Cuando las juntas de medición de los termopares se agrupan una junto a otra de modo que detecten lamisma temperatura, se incrementará la sensibilidad en la medición; a este arreglo se le llama termopila.Las termopilas se utilizan principalmente como componentes de pirómetros del tipo de radiación, con lasjuntas de medición enegrecidas, a fin de incrementar la absorción de energía.

El arreglo para suma puede emplearse con las juntas de medición a temperaturas diferentes, por ejemploa través de la sección de un ducto La suma así obtenida es una especie de promedio.

Este arreglo suma las fem, por lo que la fem total puede exceder el rango del instrumento secundario.Este sobrerango se presenta frecuentemente cuando se utiliza una computadora. En el caso de que serequiera un promedio de las temperaturas, puede utilizarse el arreglo que se describe enseguida.

En los arreglos para suma se forman juntas no deseadas (ver figura 8). Esas juntas realmente son termo-pares que se encuentran a las temperaturas t1 y t2, por lo que las variaciones en t1 y t2 ocasionancambios erróneos en la fem neta, y ya que el instrumento secundario que mide la fem neta no compensapor estos cambios, se pueden tener errores importantes. Si se mantienen las juntas no deseadas en unespacio de temperatura t1 controlada, por ejemplo un cuarto de control, una caja unión de referencia oun baño de hielo, entonces se conocerá y será constante el error debido a t j, por lo que se podrá com-pensar con facilidad.

7.4.1.3 Arreglo para medición de diferencia de temperatura

La figura 9 muestra un arreglo de medición de diferencia de temperaturas que puede utilizarse, porejemplo, para determinar el incremento de temperatura a través de un intercambiador de calor. En estearreglo no existen problemas de juntas indeseables. El instrumento secundario no debe tener compen-sación por junta de referencia (ver inciso 7.9, Compensación por Junta de Referencia).

7.4.1.4 Arreglo para medición de temperatura promedio

La figura 10 muestra un arreglo para medición de temperatura promedio, que puede utilizarse, por ejem-plo, para determinar la temperatura promedio en la sección de un ducto de gas. En este arreglo noexisten problemas de juntas indeseables. Sin embargo, las corrientes que circulan en los termoparespueden ocasionar errores si las resistencias de las diferentes ramas en paralelo no son iguales. La formaconfiable más simple de mantener el error en valores despreciables es añadir una resistencia relativamentegrande, por ejemplo de 100 ohms, a cada rama. A la resistencia que se usa para este propósito se leconoce como resistencia de balance. Este problema únicamente se presenta en el tipo de medición

’ galvanométrica.

880825 l I I I 1 I I I 1 I II

Maria Esther Parra

Maria Esther Parra

I GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARALA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA I

Incorrecto

FIGURA 7 - Evitando errores en el arreglo

Correcto

FIGURA 8 - Arreglo de termopares para suma de temperaturas(ver también figura 7 )

FIGURA 9 - Arreglo para medición de diferencia de temperatura

880825 I I I I I I I I I I I .

Maria Esther Parra

crINCORRECTO


I

GUIA

CFE GATMO-33

19 de 51

CORRECTO

FIGURA10 - Arreglo para medición de temperatura promedio

880825 I I I I I I I I I I I


GUIA

CFE GATM0-3320 de 51

7.4.2 Conexión de un termopar a más de un instrumento secundario

Un termopar puede conectarse a más de un instrumento secundario, con tal de que se use un dispositivoselector, manual o automático, de forma que el termopar se conecte efectivamente a un sólo instrumentoa la vez (sin embargo el selector puede cerrar un circuito antes de abrir otro).

Cuando un termopar se conecte a dos o más instrumentos que operen al mismo tiempo, se producirá unerror de medición o se incrementará el tiempo de respuesta, debido a la interacción de los instrumentos.La magnitud de estos efectos indeseables puede ser tolerable o no, dependiendo de las impedancias deltermopar y de los cables de extensión; de las impedancias y de los rangos de los instrumentos secundariosy del diseño del circuito de protección por ruptura del termopar. La mejor práctica es conectar un termo-par a un sólo instrumento secundario, de acuerdo con ésto, cada par de elementos de un termopar doblepuede conectarse a un instrumento diferente, si bien los termopares dobles no se utilizan generalmente deesta forma. (ver inciso 7.2 Selección de Termopares).

I 7.5 Conexión a TierraI

Los circuitos de termopares siempre deben conectarse a tierra para seguridad del personal y para reducir elruido eléctrico. La conexión a tierra debe hacerse del lado negativo (de bajo potencial) y es mejor hacerlaen el origen que en el instrumento secundario, a fin de lograr el máximo rechazo del ruido de modocomún. De acuerdo con la práctica de que cualquier dispositivo o circuito eléctrico debe aterrizarse en unsólo punto, a fin de evitar corrientes por tierra, el aterrizado de cada circuito de termopar debe realizarseen sólo una de las siguientes formas:

a) Aterrizar de preferencia la junta de medición del termopar.

b) Como alternativa no recomendada, aterrizar el termopar en cualquier otro punto que nosea la junta de medición.

Para cada instrumento secundario, debe seguirse la recomendación, con respecto a conexión a tierra queproporcione el Fabricante, la que se espera se apegue a la práctica de que todos los termopares se aterricenen la junta de medición, con las siguientes excepciones:

a) Termopares que estén interconectados en paralelo o en serie con otros. Todo el circuitodebe tener una sola conexión a tierra.

b) Termopares conectados a instrumentos cuya señal de entrada se encuentra aterrizada en elinstrumento.

c) Termopares que se encuentren en devanados de dispositivos eléctricos como motores,generadores, excitadores, transformadores, u otros que presenten peligro eléctrico poten-cial. Estos termopares deben estar eléctricamente aislados de los devanados para mini-mizar la posibilidad de exponer al termopar a altos voltajes, pero deben estar aterrizadospara tener seguridad en caso de falla del aislamiento. La conexión a tierra debe hacerse ala carcaza de metal del dispositivo, de tal forma que sea mínima la longitud del-elementoque potencialmente se encuentre expuesta a alta tensión.

880825 I l 1 I I 1 I l l I 1 J

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA IGUIA

LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURACF E GATM0-33

21 de 51

La temperatura de las barras eléctricas se han medido con precisión mediante el uso de un termopar sinexponer el sensor a alta tensión. Esto se logra como sigue: se coloca un aislamiento cerámico de berilio(óxido de berilio) en la barra, se fija el sensor al aislamiento mediante un cemento para alta temperatura.El berilio transmite el calor (su conductividad térmica es igual a la del aluminio) pero tiene alta resis-tencia eléctrica (sus propiedades aislantes son iguales a las del magnesio). Este material se encuentradisponible comercialmente en arandelas y otras formas.

Generalmente, puede considerarse que una junta de medición se encuentra aterrizada si está conectada ala funda metálica (blindaje) y ésta hace contacto firme con un termopozo hecho de un material con-ductor de electricidad. Sin embargo, hay casos en los que este arreglo no se aterriza efectivamente,debido a que el termopozo se instala en un sistema que, o no es conductor (como una tubería de plásticoque contiene un no electrolito), o se encuentra aislado de tierra. En este caso el termopar debe aterrizarsede alguna forma apropiada.

Además de las consideraciones de seguridad y ruido eléctrico, es conveniente que la junta de mediciónesté aterrizada, ya que así se mejora la precisión de la medición, debido al contacto térmico entre la juntay su funda o termopozo.

Los termopares pueden estar:

a) Intencionalmente aterrizados.

b) Intencionalmente aislados.

c) Aterrizados impredeciblemente.

Debido al poco o nulo contacto de la junta de medición con su termopozo o por la formación de unapelícula química de alta resistencia en la junta de medición.

El arreglo constituido por un termopar sin funda colocado directamente en un termopozo, debe conside-rarse dentro del caso de aterrizados impredeciblemente. Además, a temperaturas arriba de 815ºC sereduce la resistencia del aislamiento y, por lo tanto, puede existir cierto aterrizamiento no previsto. Elhecho de que un termopar se encuentre o no aterrizado puede ocasionar errores de medición si hay cone-xiones a tierra en más de un punto; ésto incluye la cuestión de si el instrumento secundario tiene aisla-miento de entrada a salida o si dos o más termopares se encuentran interconectados.

La caja y el anaquel de montaje del instrumento secundario también deben aterrizarse por seguridad.

Para minimizar la interferencia entre circuitos que se encuentren conectados a una tierra común, cadacircuito debe conectarse a tierra a través de un cable independiente, en vez de usar un cable común atodos.

En la figura ll se muestran diferentes combinaciones de tipos de termopares, (aterrizados o aislados)con los tipos de instrumentos secundarios (con o sin aislamiento de entrada a salida) y la conexión atierra de la señal de salida.

Debe consultarse al especialista en sistemas de Control o al de la Sección Eléctrica, en caso de que sepresente un problema sobre la conexión a tierra o sobre el blindaje eléctrico.

8 8 0 8 2 5 I I I I I I I T ! l



22 de 51

JUNTA DE MEDICION CONECTADA ATIERRA- - _----. - - - - -

T I E R R A D E L - $7

JUNTA DE MEDICION CONECTADA A TIERRA INTERMITENTE

CONEXION AY DE LA SEÑAL TIERRA CE

LA CAJAJUNTA DE MEDICION CONECTADA A TIERRA

FIGURA 11 - Conexión a tierra de circuitos de termopar

880825 I I 1 I I I I I I I 1


GUIA

CFE GATM0-33

7.6 Blindaje Eléctrico

El blindaje eléctrico de los termopozos debe aterrizarse, como se muestra en la figura 12, a fin de evitar lainfiltración de ruidos eléctricos, cuyas frecuencias pueden variar entre las de la corriente directa y las delas ondas de radio.

Las conexiones a tierra de la señal y del blindaje deben estar lo más próximas posible. Por lo tanto, elblindaje debe aterrizarse en el punto que esté más cercano a la conexión a tierra de la señal. Aún cuandono es usual, puede utilizarse un tercer elemento de cobre en caso de que exista algún error o problemaimportante ocasionado por la circulación de una corriente en el blindaje a lo largo de una gran longitud deltermopar (este elemento se conecta al blindaje). Una aplicación de lo anterior sería un termopar en untubo de la caldera, conectado a tierra ahí, cuya junta de medición se encuentra lejos de la caja unión hastadonde llega el blindaje.

El blindaje generalmente se requiere para minimizar la infiltración de ruido eléctrico en los cables queconducen señales de bajo nivel en sistemas que respondan con la rápidez suficiente para verse afectadospor el ruido. Por ello, los sistemas de adquisición de datos con barrido electrónico y las computadorasrequieren de termopares blindados. Los transmisores para control del proceso y los registradores multi-punto con barrido mecánico, generalmente no requieren termopares blindados, aunque se pueden usarpor uniformidad. Como mínimo el blindaje debe estar de acuerdo a lo recomendado por el fabricantedel intrumento secundario. Además, los pares de conductores deben torcerse para minimizar el ruidoocasionado por campos magnéticos.

7.7 Cabeza del Termopar y Terminales

La cabeza de termopar que generalmente se usa es la roscada a prueba de intemperie, con empaques paraalta temperatura, con bloque terminal para termopar simple o doble; de acuerdo a la explicación, conentrada de 13 mm (1/2 pg) NPT y conexión para tubo conduit de 19 mm (3/4 pg) NPT.

Los termopares deben comprarse completamente ensamblados, incluyendo desde el termopozo hasta lacabeza como se muestra en la figura 6.

Si el termopar sólo es para verificación local de temperatura y no se usa normalmente, puede taparse laconexión para tubo conduit de la cabeza, a fin de proteger el interior contra la intemperie.

La cubierta de la cabeza se removerá cuando sea necesario conectar un instrumento portátil al bloqueterminal.

Por flexibilidad y conveniencia, se dispone de diferentes tipos de terminales y arreglos de conexión rápidaen aleaciones compatibles con los diferentes tipos de termopar. Estos arreglos eliminan muchos de loserrores en los puntos de conexión.

7.8 Cables de Extensión

El termopar (o grupo de termopares) es el elemento primario que proporciona un índice de la tempe-ratura, a través de la fem. El instrumento secundario es el circuito en el que se mide esta fem. Los selec-tores, tableros de interruptores, etc., no son instrumentos secundarios sino accesorios o instrumentosauxiliares.

880825 I I I l I I I I I I I

Maria Esther Parra


I

GUIA


24 de 51

~~~~l~~~~*=UBICACION PREFERIDA PARA

l - -4PARA LA TIERRA DE LA SEÑAL- - - - - - - - - - -

LA TIERRA DEL TERMOPAR Y DEL TERMOPAR

Y DE LA SEÑALTERMOPAR CONECTADO A TIERRA EN EL CAMPO, JUNTA DE MEDICION SIN CONEXION A TIERRA

TIERRA DEL TER -MOPAR Y DE LA r%SEÑAL IRI

’ t’

1 CONEXION ATIERRA- DE LA CAJA

JUNTA DEMEMCION CONECTADA A TIERRA INTERMITENTEMENTE

-,J CONEXION ATIERRA DE

LA CAJA

RECEPTOR.

COMO EN EL CASO DE LOS TERMOPARES SIMPLES, LOS TERMOPARES INTERCONECTADOS TAMBIENDEBEN SEGUIR LA REGLA DE CONEXION A TIERRA EN UN SOLO PUNTO. SE MUESTRA UN CASO TIPICO

ARREGLO PARA DIFERENCIA DE TEMPERATURAS,TERMOPARES CONECTADOS A TIERRA EN EL CAMPO

FIGURA 12 - Conexión a tierra de circuitos de termopar

Maria Esther Parra

l I GUIAGUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA

LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATM0-33 I25 de 51

Generalmente, se usan cables de extensión para conectar la junta de referencia del termopar al instrumentosecundario, a excepción de los siguientes casos:

a) Cuando el instrumento secundario se encuentra proximo al termopar.

b) Para instalaciones de prueba de comportamiento.

c) Para otros requisitos especiales,

Si los cables de extensión están hechos de los mismos materiales y tienen calibración idéntica a la deltermopar, no ocasionarán ningún error. Sin embargo, la mayoria de los cables de extensión tienen unacalibración aproximada a la correcta, por lo que introducen un pequeño error que por lo regular es acep-table. Esta práctica se sigue porque el costo de estos cables de extensión es menor que el de los elementosde termopar. Para obtener alta precisión debe utilizarse un termopar de grado especial sin cable de exten-sión y sin empalmes. (El cromel-constantano generalmente no se encuentra disponible en esta calidad).Si se usan termopares patrones para calibración, deben, si es posible, adquirirse e instalarse sin disconti-nuidades. Sin embargo, inclusive en aplicaciones de alta presición, donde no es posible evitar los empal-mes, pueden utilizarse elementos de termopar unidos con conectores especiales. Su instalación requierede una herramienta especial.

Aunque en los servicios normales los cables de extensión ocasionan errores menores, pueden provocar unerror importante si se tiene un gradiente de temperatura pronunciado entre sus extremos. La fem con quecontribuye cada cable es función de su material y de la diferencia de temperaturas. Si el cable que seencuentra colocado entre la junta de medición y la junta de referencia es química y metalúrgicamentehomogéneo, no se presentará ninguna fem en el cable por el gradiente de temperaturas. Asimismo, siexisten imperfecciones químicas o metalúrgicas, pero no gradiente de temperatura, no se verá afectadala medición.

Los errores aparecen cuando existe un gradiente de temperatura a lo largo de una sección no homogéneade los cables de extensión. La fem básica generada por la diferencia de temperaturas entre la junta demedición y la de referencia se ve afectada por el gradiente de temperatura entre los diferentes “termo-pares” involucrados, estó es, en los conductores diferentes en la sección no homogénea.

Un termopar recién fabricado puede ser preciso sólo por un tiempo limitado, a causa de cambios en sucomposición química y en su estructura metalúrgica. La magnitud del cambio en la calibración del termo-par puede ser dificil de detectar. Si un termopar que no es homogéneo se extrae de su sitio de instalacióny se coloca en un horno de calibración, donde el gradiente de temperatura es diferente al que está expues-to normalmente, la verificación de la calibración será engañosa. Si la sección no homogénea se encuentraen una zona isotérmica del horno de calibración, no se registrará error alguno, aún cuando pueda existir unerror apreciable cuando se encuentre en operación. Por otro lado, si la sección no homogénea se encuentraubicada en un área donde la gradiente de temperatura no es el mismo que el de operación se registrará unerror diferente del que ocurra cuando de ponga en servicio. Por estas razones, deben verificarse los termo-pares que se encuentren en operación, mediante la inserción de un termopar patrón de alta calidad, o mássimplemente pueden reemplazarse periódicamente.

La importancia de la fem inducida por un giadiente de temperatura a lo largo de los cables de extensión,es relativa y depende de la relación entre las magnitudes de la fem básica y de la fem generada en el cablede extensión y del error permisible en la fem; ésto es, de la precisión requerida en la medición.

880825 I I I I I I I I I I I 1

Maria Esther Parra

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARALA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA I GUIA

CFE GATM0-33 I

26 de 51

La fem originada en el cable de extensión puede ser el factor oculto que provoque errores importantes enla medición, si por ejemplo, la cabeza del termopar se encuentra a alta temperatura. Estos errores puedencorregirse mediante la localización de la cabeza del termopar en un lugar fresco o conectado directamenteel termopar a un transmisor. Si se usa un transmisor, se debe tener cuidado de que no exceda su rango detemperatura. En consecuencia, el uso de conductores de cobre como cables de extensión no introduciráerrores, siempre que sus dos extremos estén a la misma temperatura; si ésto no se cumple, se tendrá unaseñal de entrada errónea al instrumento secundario, ya que las uniones de los conductores de cobre concables de otros materiales generan una fem falsa. Este problema se puede presentar, por ejemplo, si ungrupo de termopares se conecta a un selector que a su vez está conectado a un instrumento secundariomediante conductores de cobre. Inclusive, si el interruptor y el instrumento secundario están próximos,como en un tablero de control, pueden tenerse diferencias de temperatura. Este problema puede elimi-narse usando el tipo apropiado de cable de extensión hasta el instrumento secundario, lo que debe ser lapráctica normal.

Para un sistema en el que varios termopares del mismo tipo, por ejemplo, de hierro-constantano, se conec-tan a un instrumento secundario tipo selector, como un registrador muitipunto o una computadora, elcosto por concepto de cable de extensión puede reducirse siguiendo los siguientes pasos (se supone que elconductor ordinario de cobre es más barato que el cable de extensión):

a) Conéctese los termopares, directamente o con cable de extensión, a la caja unión local.Conecte ésta al instrumento secundario mediante conductores de cobre.

b) Instálese un termopar de compensación, del mismo tipo que los de medición, con la juntade medición en la caja unión y alámbrese el instrumento secundario de tal forma que eltermopar de compensación se conecte en serie sucesivamente con cada termopar demedición al efectuar el barrido.

Este método no se recomienda para mediciones en las que se requiera alta precisión y puede no ser prác-tico si se tiene más de una caja unión. En este caso, si las trayectorias son largas, puede reducirse el costomediante la conexión de grupos de termopares a tantas cajas unión de referencia con temperatura contro-lada como sea necesario y empleando conductores de cobre después de estas cajas (Ver inciso 7.9, Com-pensación por Junta de Referencia). Otra alternativa es muestrear varios termopares con un sólo trans-misor; ésto, sin embargo, expone a todos los canales a falla en caso de que falle el transmisor.

Al igual que el elemento de termopar, el cable de extensión se encuentra disponible en calidad normalizaday especial, a excepción del de cromel-constantano del que sólo hay calidad normalizada. Dado que serequiere que se ajusten a las curvas de calibración característica, los cables de extensión de uno o dosconductores, es mejor adquirirlos en pares al mismo tiempo y del mismo Fabricante. En otro caso, puedenpresentarse problemas ocasionados por las diferencias entre:

a) El constantano de fabricantes diferentes.

b) El constantano fabricado para un termopar tipo J.

c) El constantano fabricado para un termopar tipo T.

El cable de extensión se encuentra disponible con variedad de recubrimientos y construcciones que satis-facen los requisitos de diferentes instalaciones y de ruido eléctrico en el medio ambiente. Los catálogos de

880825 I I I I I I I I I I I

Maria Esther Parra



27 de 51

los fabricantes ofrecen diferentes combinaciones de cables de dos o tres conductores, diversos tipos deblindaje eléctrico, recubrimientos resistentes a altas temperaturas, al fuego, a la corrosión atmosférica,varios blindajes mecánicos, conexiones a tierra, etc. El cable de extensión debe ser identificado concolores por el fabricante de acuerdo con la norma ANSI MC96.1, a fin de reducir la posibilidad de usarun tipo incompatible con el termopar. El grupo de la disciplina eléctrica es el encargado de la adquisicióndel cable de extensión; se les debe informar de cualquier requisito especial que puedan no tomar encuenta.

7.9 Compensación por Junte de Referencia

7.9.1 Generalidades

Dado que la fem de un termopar depende de la diferencia de temperaturas entre la junta de medición y lade referencia, la correlación de la fem con la temperatura en la junta de medición depende de la tempera-tura en la junta de referencia, la que puede ser constante o variable con compensación. La única excep-ción es el arreglo para medición de diferencias de temperatura mostrado en la figura 9. En este caso, nose debe incluir compensación por junta de referencia, a fin de no introducir errores en la medición.

7.9.2 Métodos de compensación

7.9.2.1 Compensación automática integrada

a) A menos que se especifique lo contrario, la mayoria de los instrumentos secundarios sesuministran con compensación automática integrada por junta fríe. Por lo regular, estacompensación se lleva a cabo por medio de termistores en el circuito de medición. Lospotenciómetros de alta precisión para laboratorio pueden no tener compensación auto-mática.

b) Otro método de compensación automática, utiliza un termopar auxiliar de compen-sación (Ver inciso 7.8, Cables de Extensión).

7.9.2.2 Compensación manual

Los potenciómetros para laboratorio y otros tipos de instrumentos, pueden utilizar los siguientes méto-dos:

a) Ajuste manual a un reóstato de compensación,

b) Corrección de la lectura por medio de tablas de fem contra temperatura.

En este método se utiliza un termómetro de vidrio localizado en la junta de referencia.

7.9.3 Métodos de control de la temperatura de referencia.

La junta de referencia generalmente no se mantiene a una temperatura constante en aplicaciones indus-triales. Sin embargo, puede desearse mantenerla constante cuando se miden temperaturas en un banco depruebas o en casos especiales que requieran alta precisión, o para utilizar conductores de cobre en lugarde cable de extensión (Ver inciso 7.8 Cables de Extensión).

880825 I I I I I I I I I I I


CFE GATM0-33

Esto puede llevarse a cabo en cualquiera de las siguientes formas:

28 de 51

a) Usar una caja unión de referencia, comercial. Este dispositivo tiene un controladorintegral de temperatura que requiere suministro de energía eléctrica. La caja puedetener de 8 a 100 canales, con una variedad de características opcionales como diferentesclases de terminales, continuidad del blindaje, interruptor de temperatura, etc.

Se pueden mezclar varios tipos de termopares en la misma caja. Su temperatura común-mente se mantiene a 65ºC, aún cuando puede ser más alta, más baja, e incluso puedeestar debajo de la ambiente. La temperatura normalizada de la junta de referencia de0°C se obtiene mediante la calibración del instrumento secundario, aunque la tempera-tura real de la junta de referencia no sea 0°C.

Este método se recomienda para instalaciones permanentes.

b) Usar un baño de hielo, como se muestra en la figura 13. La inmersión debe hacerse enhielo puro, limpio y con poca agua. Puede utilizarse un sólo recipiente si cada elementodel termopar se coloca dentro de un tubo no metálico con fondo cerrado, como un tubode ensayo de laboratorio, lleno de agua. Así se evita el corto circuito de la junta de refe-rencia. Este método puede ser inconveniente, pero es efectivo y satisfactorio para usotemporal.

I 7.10 Calibración Automática

Para medir la fem del termopar se le compara con una fem conocida. Antiguamente los instrumentosautomáticos operaban con una celda normalizada de mercurio, cuyo voltaje era relativamente establecon respecto al tiempo pero que requerían que el insturmento se calibrara (se pusiera a cero) periódica-mente y que eventualmente, tenían que reemplazarse. La calibración generalmente era automática,aunque se podía ordenar manual o semiautomática. Actualmente, los instrumentos industriales utilizan,en general, un circuito con diodos zener que proporciona un voltaje de referencia que es estable y que norequiere atención manual. En los potenciómetros para laboratorio, continuan usándose la celda demercurio y la calibración manual.

7.11 Instrumentos Secundarios para Termopares

De preferencia debe medirse la fem de un termopar con un potenciómetro o con un circuito puente, losque pueden ser parte de un indicador, de un controlador, de una computadora o de otro instrumento.Aunque algunas veces se usa, no se recomienda emplear un galvanómetro, ya que toma corriente encondiciones de estado estable y su lectura se ve afectada por la resistencia del circuito.

Un termopar generalmente no se conecta a más de un instrumento secundario a la vez. El termopar debeconectarse directamente al instrumento secundario que utiliza la medición, sin importar la distancia quelos separe (suponiendo que se utilice un potenciómetro o circuito de medición con alta impedancia),a menos que no sea recomendable desde el punto de vista técnico, ya sea por ruidos muy fuertes en la

~ señal, por el costo de los cables de extensión, por los gradientes de temperatura en los cables de exten-sión, o por otra razón específica. Cuando éste sea el caso, el termopar puede conectarse a un transmisor.

8 8 0 8 2 5 I I 1 I I I I 1 I I I

-.=P-C-- - -X-T -


GUIA

CFE GATM0-33

29 de 51

FIGURA 13 - Baños de hielo para la junta de referencia

880825 I I I I I 1 I 1 I 1 I


CFE GATM0-33 I

30 de 51

Los transmisores se pueden montar en un gabinete cerrado o localmente. Existe un tipo de transrnisorque va montado en un termopozo, se suministra como un ensamble completo. Los transmisores, algunasveces llamados acondicionadores de señal, convertidores de señal o convertidores de milivoltaje, producenuna señal de salida eléctrica, aunque hay algunos con salida neumática.

7.12 Tipo de Errores

Además de los errores a que generalmente están sujetos los termopozos y los elementos censures. lostermopares están sujetos a otros, que y se han descrito, y que se resumen a continuación:

a) Composición inadecuada del metal.

b) Envejecimiento.

c) Contaminación.

d) Circuito abierto.

e) Corto circuito.

f) Contacto pobre de la superficie del termopar.

g) Resistencia en el circuito del termopar, si la impedancia del instrumento secundario noes alta.

h) Problemas en uno de los circuitos de un termopar doble.

i) Problemas en uno de los termopares que se interconectan para forrnar un arreglo paraefectuar operaciones aritméticas.

j) Juntas indeseables que generen fem erróneas en el arreglo para suma de temperaturas.

k) Resistencias diferentes de las ramas en paralelo del arreglo para medición de temperaturapromedio.

l) Conexión de un termopar a más de u n instrumento secundario a la vez.

m) Falla de la conexión a tierra en el circuito del termopar.

n) Existencia de más de una conexión a tierra en el circuito del termopar,

o) Falta de blindaje en el termopar o en los cables de extensión

p) Elementos del termopar sin torcer.

q) Materiales inadecuados para los cables de extensión.

r) Gradiente de temperatura en los cables de extensión.

,’ 880825 I I I 1 I I 1 I I I I

Maria Esther Parra


LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA,CFE GATM0-33

31 de 51

s) Temperatura incorrecta en la junta de referencia.

t) Falta de compensación por junta de referencia.

u) Compensación incorrecta por junta de referencia

v) Emplear compensación por junta de referencia en un circuito para medición de dife-rencia de temperaturas.

w) Voltaje de referencia incorrecto.

8’ . BULBOS DE RESISTENCIA

8.1 Tipos

Todo metal tiene una determinada resistencia que se incrementa con la temperatura. Los metales quegeneralmente se usan como elementos sensores en los bulbos de resistencia (Resistance TemperatureDetector, RTD), son: el cobre, níquel y platino. La selección del tipo de RTD depende de los factoreslistados en la tabla 5 y figura 14, más la minimización de tipos que se requieren dentro de una planta.Asimismo, en la figura 14, se incluyen, con fines de comparación, las características de un semiconductortípico (Ver capitulo 9, Termistores).

Los bulbos de resistencia pueden adquirirse con calibración certificada. Sin embargo, la calibraciónpuede variar, particularmente si se someten a una temperatura que exceda el límite superior recomen-dado, debido a lo anterior la calibración debe verificarse periódicamente.

Dentro de los RTD para uso industrial, están los que cuentan con rangos menores y mayores de 100ohms (Ver tabla 5). Se recomienda el uso de los de 100 ohms, ya que:

a) Una resistencia menor tiene una respuesta menor de voltaje,

b) Una resistencia mayor requiere un sensor de mayor tamaño, con un límite superior detemperatura menor, debido a la falla del aislamiento entre los conductores internos y esde costo mayor.

Con fines de uniformidad, los RTD de platino de 100 ohms deben tener exactamente un coeficiente de0.00385°C. 1)

Para obtener la más alta precisión, cada RTD debe calibrarse en forma individual.

En seguida se listan las normas relacionadas con los bulbos de resistencia:

a) Norma SAMA PMC 21.4

b) Norma BS 1904.

c) Norma DI N-43760.

NOTA: 1) Valor dado por la NBS Monograph 126.

880825 I I I I I I I I I I I

GU

IAG

UIA

D

E

SE

LE

CC

ION

DE

IN

STR

UM

EN

TO

Y

METO

DO

PA

RA

LA

DE

TEC

CIO

N

Y/O

M

ED

ICIO

N

DE

TE

MP

ER

ATU

RA

CFE

G

ATM

0-33

32 de 51

,d0

wL

;;(;i;o

;iQ

. .

%b

II

II

II

I1

1



33 de 51

4:

100

TEMPERATURA, OF

1 I I 1 1 1 1 I 1 I-200 - 1 0 0 0 100 200 300 400 500 600 roo 600

TEMPERATURA, º C

NOTA: 1) Esta curva es únicamente para referencia, las curves reales varían considerablemente de un semiconductor a otro y

pueden tener una características positiva en lugar de la negativa que se muestra.

FIGURA 14 - Curvas características para bulbos de resistencia

-da--- l I I I I I I I 1 1 I



34 de 51

8.2 Características de Construcción de Bulbos de Resistencia

Dentro de los RTD, se encuentran los diseños con simple, doble o triple elemento, cada uno eléctrica-mente separado. El uso de más de un elemento permite que dos circuitos de medición independientesregistren la misma temperatura, además de facilitar la realización de más de una medición con un sólosensor. Sin embargo, la masa adicional de los elementos, soporte asociado y materiales de cubierta quese le añaden al sensor, incrementan ranto el tiempo de respuesta como el error por conducción. El usode sensores por separado proporciona impedancia mecánica para el mantenimiento.

Los RTD generalmente deben contar con resorte de carga, punta sensible, y funda de 6.3 mm (1/4 pg) dediámetro. No obstante, los fabricantes ofrecen diferentes diseños de bulbos que satisfacen requisitosespecíficos. El tiempo de respuesta y su resistencia a la vibración varían considerablemente en funciónde su construcción. Para obtener datos específicos, debe consultarse la información proporcionada porlos fabricantes; ver inciso 7.2, Selección de Termopares para información adicional al respecto.

8.3 Conexión

Los bulbos de resistencia pueden contar con dos, tres o cuatro cables de resistencia para interconexióncon el instrumento secundario (Ver figura 15). Las propiedades de las diferentes formas de conexión sedefinen en la tabla 6. Para el arreglo de cuatro hilos, lo más conveniente es colocar por pares los conduc-tores, y así se debe especificar; una alternativa, aunque no muy efectiva, es usar un circuito de compen-sación.

Los cables conductores de cobre se consideran satisfactorios para todos los arreglos. Para un RTD deter-minado, todos los cables conductores deben ser del mismo calibre y longitud, y han de ir colocados en elmismo tubo conduit.

El arreglo de cuatro hilos se ve afectado por los cambios de temperatura de los cables conductores y, detodos los arreglos, es el menos afectado por corrientes parásitas. Debido a lo anterior, se usa para medirdiferencias de temperatura y para llevar a cabo mediciones muy precisas. Por lo general, el arreglo detres hilos es satisfactorio para mediciones industriales, utilizando un instrumento indicador remoto. Elarreglo de dos hilos es impreciso, debido a que la resistencia de los conductores cambia con la tempera-tura, sin embargo, es satisfactorio, cuando se usa en ensambles de RTD y transmisor debido a que sereduce la longitud del tubo conduit.

I Ejemplo:

Supóngase una longitud de cable conductor de 38 m entre RTD e instrumento de medición. Los cablesconductores son de cobre, calibre 22 AWG y tienen una resistencia de 2 ohms por cable. El rango de laseñal de salida del bulbo de resistencia es de 0-100 Ω correspondiendo a un cambio de temperaturade -18°C a 38ºC. La temperatura en el bulbo permanece constante, sin embargo, la temperaturaambiente varía de 0°C a 77°C.

El cambio aparente resultante de la medición es:

8 8 0 8 2 5 I I I I 1 I I I 1 I I I

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA GUIA


35 de 51

INSTRUMENTO

DE BALANCE

ARREGLODE 2 HILOS

INSTRUMENTO

SECUNDARIO

--DoDE 4 HILOS, DISPUES-TOS EN PARES

IN STRUMENTOSECUNDARIO

TT l-

IT TCONDUCTORESDE CONEXIOND E COBRE

ARREGLO CE 4 HILOS CONCIRCUITO DE COMPENSACION,NO RECOMENDADO.

NOTA: En cada arreglo, el instrumento mide el valor de la resistencia dibujada con línea gruesa. Ver también tabla 6.

FIGURA 15 - Alambrado de bulbos de resistencia

8 8 0 8 2 5 I I I I I I I I I I I

TABLA 6 - Características de los alambrados de bulbos de resistencia

Número de hilos

Efecto en la medición de loscambios de temperatura en losconductores de conexión (1)

Resistencia de balance Polaridad

2

3

4, con circuito decompensación

4, dispuestosen pares

Grande

Poco

Poco

Ninguno

Se requiere

Se requiere sólo para bulbosde baja resistencia

No se requiere

No se requiere

No importa

Importante

Importante

Importante

NOTA: (1) El valor absoluto del efecto en la medición dependa de la magnitud de los cambios de temperatura y de la resistencia del elemento.

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARAESPECIFICACION


37 de 51

Número de hilosCambio aparente en la

medición º C

2 0.277

3 0.0166

4 0.0033

El cambio aparente se reduce al disminuir la resistencia del cable conductor con respecto a la resistenciatotal y con el incremento de resistencia del RTD, con respecto a la resistencia total.

Los bulbos que se utilizan para el equipo eléctrico, generalmente usan un arreglo de tres hilos, o uno decuatro dispuesto en pares.

8.4 Fuente de Energía

El circuito de medición del bulbo de resistencia utiliza la energia que le proporciona una fuente de C.D.La energía de esta fuente normalmente se suministra a través del instrumento secundario. Si éste es untransmisor con corriente de salida de, por ejemplo, 4-20 mA, entonces la energía se suministra a travésde los cables de salida del transmisor. Una fuente de energia generalmente puede alimentar a variossensores, excepto cuando se requiere conexión local a tierra (Ver inciso 8.6, Conexión a Tierra).

El voltaje necesario varía aproximadamente de 10 a 80 volts. El valor que se vaya a utilizar depende dela resistencia del circuito, rango de señal, tipo bulbo, sensitividad al voltaje requerida y error por autoca-lentamiento permisible. Una aplicación típica usa una corriente de 10 mA con un coeficiente de autoca-lentamiento de 150 mW por ºC con base en la inmersión en agua que circule a 20 cm/s a 20°C (8 pg/sa 68ºF), con un error resultante de 0.1 ºC.

La fuente de voltaje que se utilice debe seguir la recomendación del fabricante. La corriente es funciónde la amplitud de medición y del diseño del circuito de medición. El código para pruebas de comporta-miento, ASME PTC 19.3, proporciona un procedimiento para determinar la corriente máxima permisibleen base al incremento límite de temperatura. Dentro de este límite, la corriente debe ser tan grandecomo sea posible para alcanzar la sensitividad máxima.

8.5 Cabeza de Conexiones

A menos que se monte un transmisor en el termopozo, el sensor debe conectarse a una cabeza de cone-xiones que generalmente es como la de los termopares (Ver inciso 7.7, Cabeza del Termopar y Termi-nales). En relación con lo anterior, existen las siguientes excepciones:

a) Para un bulbo de resistencia simple, el bloque terminal debe ser capaz de manejar cuatroconductores.

b) La cabeza debe ser a prueba de explosión cuando así se requiera en áreas peligrosas. Sinembargo, si el sistema es intrínsecamente seguro, puede no requerirse la condición antescitada.

L - I - l I I I I I I I I 1 I

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARALA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CF E GATM0-33

38 de 51

8.6 Conexión a Tierra

Los principios de conexión a tierra que se definen en el inciso 7.5, Conexión a Tierra de Termopares,se aplican a los bulbos de resistencia, a excepción del elemento sensor o sea la resistencia de un HTD, quenunca se aterriza pues no debe ponerse en corto circuito. LOS bulbos que se usan en equipos eléctricos,como transformadores, deben aterrizarse localmente; en otros casos, se deben aterrizar en la fuente deenerg ía. Esta fuente de energía y los bulbos de resistencia asociados, deben aterrizarse en un sólo punto.Si un bulbo de resistencia necesita conexión local a tierra, entonces requerirá una fuente individual deenerg ía.

8.7 Blindaje Eléctrico

Los principios sobre blindaje de termopares que se definieron en el inciso 7.6, Blindaje Eléctrico,también se aplican a los bulbos de resistencia.

8.8 Tipo de Errores

Además de los errores que generalmente se presentan en los sensores de temperatura, la precisión de lamedición de los bulbos de resistencia puede verse afectada por la deformación de los cables del eiemento(deben templarse), por las resistencias de los cables conductores y terminales, por la conducción de calora lo largo de los conductores, por el efecto de autocalentamiento ocasionado por la corriente que circulaen el circuito del bulbo de resistencia (Ver inciso 8.4, Fuente de Energía), por el envejecimiento y porel ruido eléctrico.

8.9 Instrumentos Secundarios

La resistencia de un RTD se mide mediante un circuito en puente o potenciómetro que puede ser partede un indicador, controlador, computadora u otro instrumento. Podría utilizarse un milivóltmetro tipogalvanómetro, sin embargo no se recomienda. A fin de evitar errores de medición, cada bulbo de resis-tencia debe conectarse a un sólo instrumento secundario.

Esta conexión debe ser directamente al instrumento secundario que utiliza la medición, sin importar ladistancia que los separe, a menos que no sea recomendable desde el punto de vista técnico, como excesode ruido en la señal u otra razón específica. Cuando sea necesario, por ejemplo, que se requiera conec-tarlo a más de un instrumento secundario, el RTD puede conectarse a un transmisor.

8.10 Medición Remota

Tanto termopares como elementos de resistencia (RTD) son utilizados para medición remota de tempe-ratu ra.

Si el elemento no está expuesto a una atmósfera reductora (aunque su funda o termopozo de metalpueda estarlo), el sensor generalmente debe ser un termopar de cromel-constantano con resorte de cargay con funda (blindado). Para temperaturas mayores del límite recomendado, usar un termopar decromei-alumel y para temperaturas aún mayores utilizar termopares de platino. Los termopares debenser de grado normalizado y deben usarse con cables de extensión del rnismo grado a excepción de lostermopares de platino. Si se requieren termopares o cables de grado especial y la atmósfera del termopares adecuada (Ver tabla 4), usar un termopar de cromel-alumel en lugar del de cromel-constantar:o, ya que

880825 I I I 1 I I I I I I 1



39 de 51

el cable de cromel-constantano por lo regular no se obtiene con facilidad en esta calidad. Como alter-nativa, especialmente en caso de no ser satisfactoria la substitución del cromel-constantano, se usa elcobre-constantano hasta el límite de temperatura recomendado, pudiéndose utilizar arriba de este Iímiteel de hierro-constantano.

Los transmisores se pueden montar en un gabinete, cerrado en el lugar de la medición. Los transmisoreslocales se pueden montar en un termopozo, y suministrarse como un ensamble completo. Los transmi-sores, algunas veces conocidos como acondicionadores de señal, convertidores de resistencia, o conver-tidores de voltaje cuentan con señal eléctrica o, en algunos casos, señal neumática de salida.

Los termopares no se deben emplear en los siguientes casos:

a) Para muy alta precisión, como para medir:

- la temperatura del vapor a la entrada de la turbina, ya que su temperatura de diseñoesta cerca de la temperatura máxima permisible en la tubería y en el equipo.

- la temperatura de los puntos de prueba permanentes en la turbina.

En estos casos, debe utilizarse un bulbo de resistencia de platino de 100 ohms y decuatro hilos que cuente con un coeficiente de temperatura de 0.00385 “C.

b) Para intervalos de medición reducidos o para pequeñas diferencias de temperatura,menores de 28°C. Para amplitudes de medición tan pequeñas como 1 1ºC, puede usarseun transmisor del tipo sistema lleno, en el caso de amplitudes de medición menores de3°C puede usarse un bulbo de resistencia, el que puede ser de niquel, o de cobre; puedeusarse un termistor para intervalos tan pequeños como 1ºC.

c) Para prueba, si se usa un sensor portátil y no se requiere muy alta precisión, puede usarseun termómetro de carátula o un termopar; para mayor precisión, puede utilizarse untermómetro de vidrio; para muy alta precisión puede usarse un termopar de gradoespecial; para precisión óptima, debe usarse un bulbo de resistencia de platino de cuatrohilos dispuesto en pares, y para intervalos de medición muy reducidos usar un termistorcalibrado.

d) Para muy altas temperaturas. Si un termopar de platino no es satisfactorio, puedeusarse un termopar de tungsteno-renio o un pirómetro óptico automático con trans-misor. Además algunos fabricantes pueden proporcionar un termopar de tungsteno-renioque puede medir temperaturas del orden de 2260°C.

e) Para muy alta velocidad de respuesta. Un pirómetro del tipo fotosensible proporciona larespuesta más rápida a cambios de temperatura en un objeto emisor de radiación; sinembargo, no es adecuado medir cambios de temperatura de fluidos invisibles. Untermopar o termistor sin protección es muy rápido y puede usarse si es aceptable desdeel punto de vista mecánino y químico. Puede considerarse también el uso de un ter-mopar con funda. Un bulbo pequeño sin protección y lleno de gas tiene una respuestamás rápida que los bulbos de resistencia sin protección. Para servicio general que re-quiera respuesta nominal rápida, por lo regular es adecuado un termopar con resorte decarga que haga contacto firme con el termopozo. Otra alternativa es emplear un bulbopequeño lleno de gas.

I I I I 1 1 I I I I I



40 de 51

Si se requiere un interruptor local de .temperatura, puede optarse por el tipo bimetálicoo por el sistema lleno. Para una mayor velocidad de respuesta, puede usarse un termo-

par; sin embargo, éste requiere el uso de un interruptor adicional que detecte la fuerzaelectromotriz, a costo extra.

9 DETECTORES DE TEMPERATURA TIPO SEMICONDUCTOR (TERMISTORES)

9.1 Tipos

Los termistores típicos están hechos de mezclas sinterizadas de óxidos de metales; sin embargo, puedenhacerse de germanio u otros materiales. A diferencia de otros tipos de sensores de temperatura, lostermistores tienen una composición que varía en función del rango de temperatura y sensitividad nece-sarias. En lo que se refiere a calidad, eran inestables y carecían de reproducibilidad, sin embargo, latecnología actual ofrece una intercambiabilidad de 0.03ºC. En la actualidad, se recomienda que las medi-ciones de proceso se realicen con los tipos de sensores más tradicionales en lugar de termistores, debido ala carencia de normalización de tipos de termistores, a la falta de linealidad, y a la baja temperaturamáxima de operación permisible. Sin embargo, un termistor, debido a su sensitividad puede ser la mejorselección para realizar mediciones con una muy alta precisión dentro de amplitudes de medición redu-cidas; en este caso, el termistor debe calibrarse.

Este debe calibrarse a precisiones del orden de 0.01ºC dentro del rango de -100 a + 130°C. Física-mente los termistores son de construcción resistente.

La mayoría de los termistores tienen coeficiente negativo de temperatura (Ver figura 14); sin embargo,algunas veces se fabrican con un coeficiente positivo para alta precisión a alta temperatura y para usarloscomo dispositivos automáticos limitadores de corriente.

Cuentan con una característica exponencial y su resistencia puede variar en más de un tres por ciento por0.5ºC. Estas propiedades hacen que el uso de termistores se restrinja a mediciones con amplitudes demedición reducidas.

A temperaturas menores de 315ºC, la estabilidad de los termistores se incrementa con el tiempo y el90 por ciento del envejecimiento se presenta en la primera semana. Su alta resistencia hace despreciablelos efectos de las resistencias de cables conductores y terminales.

Se fabrica un tipo especial de elemento semiconductor con un tramo de tubo de inconel que puede medirhasta 45 m. Este tubo lleva una sal eutéctica sensible a la temperatura y un conductor central de níquel.La sal, cuando está fría, tiene una resistencia muy alta. El tubo se coloca alrededor de recipientes, a lolargo de charolas, etc. Un incremento de temperatura en cualquier punto del tubo ocasiona que sereduzca la resistencia de la sal en ese punto y se incremente marcadamente el flujo de corriente entre lacubierta y el cable central. Esta corriente puede accionar un interruptor en un circuito de protección.Los puntos de ajuste de los interruptores pueden variar desde 125°C a 480°C. Este sistema no detectatemperaturas promedio, sino áreas calientes en cualquier punto del elemento, aunque con ésto no seobtenga la ubicación de dicho punto. El sistema tiene repetibilidad en la medición aún cuando se expon-ga a temperaturas tan altas como 1095°C.

Se fabrica un tipo similar de sensor de temperaturas puntuaies con un termistor de cerámica.

860825 I I I I I I I 1 I I I



41 de 51

9.2 Características de Construcción de Termistores

Los termistores utilizados con mayor frecuencia son los que tienen forma de botón, por lo regular conrevestimiento de vidrio, aún cuando existen en otras formas. Pueden tener punta de aguja o estar encap-sulados. Generalmente, no se usan con termopozo. El semiconductor de sal eutéctica sólo se encuentradisponible en forma de tubo con 2.26 mm (0.089 pg) de diámetro exterior.

9.3 Cables

Para conectar los termistores a sus instrumentos secundarios correspondientes sólo se utilizan dos cablesde cobre.

9.4 Fuente de Energía

Como en el caso de los bulbos de resistencia, los termistores requieren una fuente de energía pero devoltaje y corriente diferentes. La corriente puede ocasionar un error de autocalentamiento.

Los termistores deben aterrizarse y blindarse de acuerdo con los principios que se aplican a los bulbos deresistencia.

9.5 Tipos de Errores

Los termistores están sujetos a los mismos errores que se presentan en los RTD.

9.6 Instrumentos Secundarios

La resistencia de un termistor puede medirse mediante un circuito en puente, que puede detectar ampli-tudes tan bajas como 1°C. Si se usan dos termistores calibrados, pueden medirse diferencias de tempera-tura tan bajas como 0.005°C. El instrumento secundario puede ser un indicador o un interruptor, siendolo mejor adquirirlo del Proveedor del termistor.

10 PIROMETROS

10.1 Pirómetros de Radiación

El pirómetro de radiación se utiliza para medir temperaturas en el rango de Oº a 3870ºC. Detecta laenergía radiada por un objeto, el emisor, y no requiere contacto físico con él. Requiere de una línea deenfoque y puede ir montado permanentemente o ser portátil. El pirómetro de radiación consiste de unsistema óptico y un sensor, a veces conocido como detector. Usa un circuito potenciométrico y puedecontar con un indicador integrado u otro instrumentro secundario. La escala de medición no es lineal,ya que la medición varía con la temperatura absoluta a la cuarta potencia. Por lo tanto, la sensitividaden el extremo inferior de cada rango es muy pobre; en el tercio superior es excelente. El diseño de lospirómetros es muy complejo y parcialmente empírico, en él se deben tomar en cuenta los siguientesfactores:

a) El campo que se enfoca. Puede ser amplio o reducido, rectangular o circular, puedeenfocarse con 0 sin lentes telescópicos. El emisor puede ser tan pequeño como 1.6 mmde diámetro.

880825 I I I I I I I I I I I



42 de 51

b) La calidad óptica de los componentes del pirómetro. Los lentes pueden ser de vidrio,cuarzo, flouroro de calcio, u otro material, dependiendo de la temperatura del emisor yla longitud de onda correspondiente a la radiación. Algunas veces la radiación se filtraintencionalmente, a fin de minimizar, entre el emisor y el pirómetro, el efecto de inter-ferencia de la atmósfera. El uso de una ventana de protección puede afectar la medición.

El sistema óptico debe mantenerse limpio y libre de corrosión. Esto puede requerir el usode un gas de purga o una limpieza o reemplazo periódicos.

Además, puede ser necesario el enfriamiento del instrumento mediante agua o aire.

c) Las características del sensor. Los dos tipos básicos que existen son:

- el tipo térmico que suministra una señal de salida al incrementarse la temperatura,en función de la energía radiante que el sensor absorbe. Este sensor responde atodas las longitudes de onda y puede subclasificarse en los siguientes tipos:

de termopila. Es el que más se usa (Ver subinciso 7.4.1.2, Arreglo para suma detemperaturas de termopares).

Este dispositivo requiere compensación por junta de referencia.

de bolómetro (detector que cambia su resistencia en función de la energíaradiante que recibe). Como referencia ver capítulo 8, Bulbos de Resistencia.

- el tipo fotosensible que suministra una señal eléctrica de salida al liberar electronespor la energía radiante recibida. Dentro de este tipo están los tubos fotomultipli-cadores y detectores de fotones. Estos detectores usan un material semicristalinocomo silicón o sulfuro de plomo: cada uno de ellos tienen una sensitividad diferentepara cada longitud de onda.

Los elementos fotosensibles responden directamente a cada fotón de energía radian-te absorbida, mientras que los térmicos tienen una respuesta más lenta, debido a sucapacitancia térmica.

d) El material del emisor, el cual determina la emisividad. Esta mide qué tanto se acerca elmaterial al comportamiento de un cuerpo negro ideal, y es de primordial importancia enla medición. En la tabla 7 se listan las emisividades de diferentes materiales:

Además, cada material tiene diferentes transmitancias y reflectancias de la radiación querecibe del medio que le rodea. Aún más, estas propiedades varían con la longitud deonda. Por lo tanto, una diferencia de temperatura entre el emisor y una superficie ajenapuede ser importante para la medición. Muchos hornos en estado estable se aproximansatisfactoriamente al comportamiento del cuerpo negro. Si un horno se comporta comocuerpo negro ideal, no se pueden percibir los detalles en su interior. El error resultanteexiste en función del grado en que pueden percibirse dichos detalles. Dependiendo deque las paredes del horno sean más o menos brillantes que el emisor, la lectura de latemperatura será demasiado alta o demasiado baja.

880825 I I I I 1 I I I I I I


GUIA

CF E G ATMO-33

43 de 51

TABLA 7 - Emisividad de diversos materiales

I M a t e r i a l I Emisividad I

I Plata, sin oxidar I 0.03 I

Aluminio, sin oxidar .06

Aluminio, oxidado .19

Ladrillo, refractario .75

Acero, oxidado .79

I Placa de acero, sin pulir I .97 I

e) La composición de la atmósfera entre el emisor y el pirómetro. La medición se ve afec-tada por la cantidad y tamaño de partículas, como humo, y por la cantidad de bióxido decarbono, vapor de agua u otros gases invisibles que absorban radiación infrarroja. Losgases, aunque invisibles, no son menos importantes que los componentes visibles.

10.2

10.2.1

Pirómetros Opticos

Pirómetro visual

Un pirómetro óptico compara la intensidad de la radiación térmica del emisor con la de una fuente norma-lizada de energía radiante localizada en el interior del instrumento. En general, es similar al pirómetro deradiación, excepto que el bióxido de carbono, vapor de agua y otros gases invisibles no afectan a estedispositivo. En la versión manual se necesita que una persona use los dos ojos para tomar una lectura. Estetipo no es útil para temperaturas menores de 760°C, debido a la insuficiencia de luz visible radiada. Paratemperaturas mayores de 1315°C se necesitan filtros para proteger los ojos. Puede utilizarse para tempe-raturas hasta de aproximadamente 6095ºC.

10.2.2 Pirómetro automático

El pirómetro automático opera bajo el mismo principio de medición que el pirómetro manual, pero utilizadetectores de radiación eléctricos, en lugar del ojo humano. Dado que no se hace uso del ojo humano, elpirómetro no está limitado a las longitudes de onda visibles y puede emplearse en las bandas infrarroja yultravioleta. Sin embargo, la medición de radiación infrarroja trae consigo el error ocasionado por elbióxido de carbono, vapor de agua, y otros gases invisibles.

1 1 INDICADOR DE TEMPERATURA COLORIMETRICO

Los indicadores de temperatura colorimétricos, también conocidos como materiales sensibles a la tempe-ratura, usan sales metálicas de colores que cuando se calientan cambian su composición química y su colormediante el proceso de desprendimiento de un gas, como amoníaco, bióxido de carbono o agua.

I 880825 1 I I I 1 I I I I 1 I I

I I GUIAGUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA I

LA DETFCCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURACFE GATM0-33

44 de 51

Algunos indicadores, conforme se calientan pasan por varios cambios de color. Los cambios de color sonfáciles de percibir, por ejemplo, de amarillo a gris, y no son reversibles, a excepción del agua de hidra-tación que puede reabsorberse lentamente. Estos indicadores normalmente vienen en forma de crayón opintura, su costo es reducido y pueden registrar temperaturas en varios rangos hasta aproximadamente1370°C. Su propósito no es proporcionar mediciones precisas.

El punto de cambio de color es una característica inherente a cada material y es función tanto del tiempocomo de la temperatura. Por lo tanto, la relación temperatura-tiempo del indicador, que es equivalente ala cantidad de energía térmica que absorbe, puede afectar la temperatura de cambio de color. Sin embar-go, para producir algún efecto, la temperatura debe exceder un valor mínimo crítico que depende delmaterial; abajo de este valor, el indicador es estable.

Puede ser necesario que un observador esté presente cuando ocurra el cambio de color. Por otro lado, siel propósito de la medición es sólo comprobar que no se ha excedido una temperatura especificada, elobservador no necesita estar presente.

La medición calorimétrica puede ser útil, en tratamientos térmicos o al efectuar soldaduras, para indicarque no se ha excedido una temperatura determinada en un objeto o parte de él.

12 INDICADORES DE TEMPERATURA POR CAMBIO DE GEOMETRIA

Los indicadores de temperatura por cambio de geometría son sólidos en forma de pequeños conosverticales o barras que experimentan un cambio de dimensiones cuando se calientan. Normalmenteestán hechos de arcillas, se usan sólo una vez y su sensitividad varía con la relación temperatura-tiempo.Las densidades relativas de la cubierta e interior, pueden revelar el tipo de atmósfera del horno, porejemplo, oxidante, reductora, o carburizante, a la que se ha expuesto un indicador.

Cuando se suministran en grupos, estos indicadores pueden proporcionar lecturas de ± 1°C de cambiode temperatura. Son baratos y son útiles dentro de un rango aproximado de 595ºC a 2940ºC.

Dentro de este tipo de indicadores, es común el uso de un eslabón fusible que se funde a altas tempera-turas y permite que se cierre una puerta contra incendio. En recipientes presurizados o calentados,pueden utilizarse tapones fusibles que los protejan de la sobretemperatura ocasionada por la dismi-nución del nivel de líquido.

13 RESUMEN DE CARACTERISTICAS DE LOS SENSORES DE TEMPERATURA

13.1 Generalidades

A continuación, se presenta un resumen general de varios tipos de sensores de temperatura. Las refe-rencias entre paréntesis indican en que capítulo se discutió el tipo de sensor mencionado. En la tabla 8se muestran los rangos y costos relativos aproximados.

Con frecuencia, se puede medir satisfactoriamente la temperatura, a través de diferentes tipos de senso-res, por ejemplo: elemento bimetálico o termopar, mediante varios subtipos como, termopares dehierro-constantano o de cobre-constantano. En consecuencia, la selección del tipo de sensor para unaaplicación determinada no es tan simple y puede involucrar factores de disponibilidad, costo, precisión,

880825 I I 1 1 1 I I I 1 I I 1


GUIA

CFE GATM0-3345 de 51

TABLA 8 - Rangos y costo relativo de sensores de temperatura

INDICADOR 10-20SISTEMA LLENO

TRANSMISOR 60-10

TERMOPAR

NORMAL 6-10

BUREAU OF (5)STANDARDS:120 160

I

-450 -400 -300 -1000 500 1000 5000 10000TEMPERATURA, ºF

-250 -200 - I b 0 500 1000TEMPERATURA, º C

500

10 100TEMPERATURA, ºR

1000 10000

880825 I I I I I I I 1 1 I I



46 de 51

vida, minimización de tipos, condiciones de servicio y otras consideraciones. La información y compa-raciones que se presentan a continuación, son guias abreviadas que ayudan en la selección de los sensoresde temperatura para uso en las centrales generadoras de energia eléctrica. Si se utilizan estas guías gene-ralmente se obtendrá un funcionamiento satisfactorio a un costo razonable. Las descripciones de losdiferentes tipos de sensores debe revisarse para obtener más detalles de éstos e información relacionadacon sensores para servicios especiales no mencionados.

13.2 Termómetros de Vidrio (Ver capítulo 4)

- disponibilidad con amplia variedad de rango, sensibilidad y precisiones,

- simplicidad de uso, no requieren instrumento secundario,

- calibración estable,

- facilidad de identificación de daños, excepto por sobrerango,

- no requieren fuente de energía,

- vida indefinida si no existen daños,

- fragilidad,

- lectura máxima limitada,

- inadecuado para lectura remota,

- dificultad en la lectura.

13.3 Elementos sensores bímetálicos (Ver capítulo 5)

- no existe necesidad de efectuar correcciones por temperatura ambiente,

- poca necesidad de mantenimiento,

- construcción relativamente resistente,

- facilidad de lectura,

- no se necesita instrumento secundario,

- susceptibilidad a cambios de calibración en caso de que no se manejen con cuidado,

- no aparecen a la vista los daños ocasionados por golpes o vibración,

- dificultad de lectura del indicador en caso de que esté sujeto a vibración,

- incapacidad para suministrar lecturas remotas.

I I I I I I I I I I



13.4 Elementos sensores tipo sistema lleno (Ver capítulo 6)

- construcción resistente,

- no requieren fuente de energía,

- adecuado para medición medianamente remota,

- limitación en la longitud del tubo capilar,

- posibilidad de reemplazo del sistema completo, debido a daños físicos a lo largo deuna distancia considerablemente larga.

13.5 Termopares (Ver capítulo 7)

- respuesta rápida,

- sensibilidad puntual (no necesariamente es una ventaja),

- adecuado para medición remota,

- libre de efectos producidos por la longitud y diámetro del cable a condición de quese use un instrumento secundario de alta impedancia,

- facilidad de reparación temporal,

- necesita compensación por junta fría,

- necesita cable de extensión,

- susceptibilidad a error, debido al gradiente de temperatura en el cable de extensión,

- posible infiltración de ruido en la señal,

- necesita instrumento secundario,

- necesita elementos homogéneos,

- necesita evitar las juntas intermedias de metales diferentes,

- amplitud de medición limitada,

- inadecuado para uso sin protección en sustancias conductoras,

- necesita calibrarse para alcanzar altas precisiones.

I I I I I 1 I I I I I



48 de 51

13.8 Bulbos de Resistencia (Ver capítulo 8)

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

alta precisión,

de muy buena a excelente estabilidad y reproducibilidad,

intercambiabilidad,

capacidad para ajustarse dentro de tolerancias estrechas en mediciones de diferenciade temperaturas,

capacidad para realizar mediciones dentro de amplitudes de medición reducidas,

adecuado para medición remota,

susceptibilidad a daños mecánicos,

necesita compensación por la resistencia del cable conductor,

susceptibilidad a error por autocalentamiento,

susceptible a ruido en la señal,

inadecuado para uso sin protección en substancias conductoras,

generalmente no se puede reparar,

necesita fuente de energía.

13.7 Termistores (Ver capítulo 9)

- tamaños tan pequeños como 0.12 mm aproximadamente,

- alta sensibilidad,

- disponibilidad con coeficiente de temperatura negativo o positivo,

- capacidad para realizar mediciones dentro de amplitudes de medición reducidas,

- independencia de polaridad,

- la resistencia en los puntos de contacto o en los cables conductores no afecta lamedición, debido a la alta resistencia del sensor,

- incremento de la estabilidad con el tiempo,

- adecuado para medición remota,

880825 I I I I I I I I I I I



- necesita calibrarse para alcanzar la precisión óptima,

- falta de linealidad,

- posible inestabilidad a temperaturas mayores de 315ºC,

- inadecuado para amplitudes de medición grandes,

- susceptibilidad a error por autocalentamiento,

- susceptibilidad a infiltración de ruido en los cables conductores, dependiendo de laresistencia del termistor,

- inadecuado para uso sin protección en substancias ionizadas,

- susceptibilidad a error de calibración ocasionado por trabajo en frío.

13.8 Pirómetros

13.8.1 Pirómetros de radiación (Ver inciso 10.1)

- libre de deterioro por la atmósfera de hornos y altas temperaturas,

- libre de contacto físico con el emisor y, por lo tanto, facilidad de uso con emisoresmóviles,

- adecuado para medición de la temperatura de superficies,

- adecuado para medición de altas temperaturas,

- capacidad para montarse evitando la vibración y choques,

- respuesta rápida, es adecuado para emisores móviles,

- larga vida,

- capacidad para medir la temperatura de cuerpos pequeños,

- disponibilidad para uso remoto,

- independencia del ojo humano,

- adecuado para temperaturas bajas,

- necesita emisores más grandes si se usa a cierta distancia,

- generalmente su precisión es menor,

- - - - -

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARALA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA CFE GATM0-33

50 de 51

- fragilidad,

- no linealidad,

- susceptibilidad a errores por emisividad.

13.8.2 Pirómetros ópticos (Ver inciso 10.2)

- libre de deterioro por la atmósfera del horno y altas temperaturas,

- relación directa entre la temperatura indicada y la del emisor,

- facilidad y rápidez de uso,

- capacidad para medir las temperaturas de cuerpos pequeños, por ejemplo cablesdelgados, sin afectar su temperatura,

- susceptibilidad a error por la presencia de humo o gases incandescentes entre elobservador y el emisor,

- se requiere conocer el espectro de emisión a fin de leer la temperatura verdadera,

- susceptibilidad a error por uso inadecuado,

- inconveniente para operación automática,

- susceptibilidad a errores por emisividad.

13.9 Indicador de temperatura colorimétrico (Ver capítulo 11)

- sólo se puede usar una vez,

. - poca precisión,

- los afecta el tiempo cuando se encuentran arriba de cierta temperatura,

- inadecuado para uso remoto.

13.10 Indicador de temperatura por cambio de geometría (Ver capítulo 12)

- sólo se puede usar una vez,

- poca precisión,

I I I I I 1 I I 1 I i

NOTAS:

1.-

2.-

3.-

4.-

Los rangos mostrados corresponden a las temperaturas recomendadas para cada tipo de sensor. Los rangos son aproxi-

mados y en la práctica pueden excederse. Le amplitud de medición de un sensor determinado puede ser considera-

blemente menor que le de su grupo. Los limites especificados para los rengos y el costo relativo son aproximados.

Los termopares de tungsteno-renio pueden usarse a temperaturas de 2260ºC o mayores

Los bulbos de resistencia de tungsteno pueden detectar temperetures superiores a los 980ºC.

Si se requiere un bulbo de resistencia con calibración certificada debe obtenerse de un laboratorio autorizado por el

Sistema Nacional de Calibración de la Dirección General de Normas.



51 de 51

- lo afecta el transcurso del tiempo,

- inadecuado para uso remoto.

GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA · 2001. 6....

Documents

Transcript of GUIA DE SELECCION DE INSTRUMENTO Y METODO PARA LA DETECCION Y/O MEDICION DE TEMPERATURA · 2001. 6....