Instrumentacin Industrial Tema 6: Medida de temperatura

Instrumentacin Industrial Tema 6: Medida de temperatura

NDICE TEMA 6: Medida de temperatura.

6.1 Generalidades.6.2 Termmetro de vidrio.6.3 Termmetro bimetlico.6.4 Termmetro de bulbo y capilar.6.5 Termmetro de resistencia.6.6 Termistores.6.7 Sensores de temperatura de semiconductor.6.8 Termopar.6.8.1 Leyes, curvas, tablas, tubos de proteccin y seleccin.6.8.2 Compensacin de la unin fra.6.8.3 Circuito galvanomtrico, potencimetro y digital.6.8.4 Verificacin de instrumentos y termopar.6.8.5 Normas tcnicas aplicables.6.9 Pirmetros de radiacin.6.9.1 Pirmetro ptico de desaparicin de filamento.6.9.2 Pirmetro de infrarrojos.6.9.3 Pirmetro fotoelctrico.6.9.4 Pirmetro de dos colores.6.9.5 Pirmetro de radiacin total.6.9.6 Otros fenmenos.6.10 Velocidad de respuesta.6.11 Tabla comparativa.

6.1 Generalidades.

Es una de las variables ms utilizadas e importantes, ya que infiere en muchas de las medidas de las cuales se toma este valor en el proceso.

En la siguiente tabla se exponen los rangos que cubre cada tipo:

Figura 1: Elementos de medicin de temperatura y rangos.

Por lo general existen medidores de tipo variacin de volumen o estado, resistencia hmica, f.e.m creada por dos metales, intensidad de radiacin y otros que se explicarn posteriormente.

6.2 Termmetro de vidrio.

El termmetro de vidrio consta de un depsito que contiene un fluido de manera que al calentarse, se expande y asciende por l.

Figura 2: Termmetro de vidrio.

Los mrgenes habituales dependen del fluido como el mercurio (-35280C), mercurio lleno de gas (-35450C), pentano (-20020C), alcohol (-11050C) y tolueno (-70100C).

6.3 Termmetro bimetlico.

El termmetro de bimetlico se fundamenta en el distinto coeficiente de dilatacin que existe en dos materiales distintos como latn, Monel o acero, junto a una aleacin ferronquel o Invar, laminados conjuntamente.

La configuracin de ambas lminas puede ser plana, curva o en forma espiral.

Figura 3: Termmetro bimetlico.

El termmetro de bimetlico se fundamenta en el distinto coeficiente de dilatacin que existe en dos materiales distintos como latn, Monel o acero, junto a una aleacin ferronquel o Invar, laminados conjuntamente.

La configuracin de ambas lminas puede ser plana, curva o en forma espiral.

La relacin entre el ngulo de torsin de la lmina y la temperatura viene expresada por la siguiente frmula, siendo a (coeficiente de expansin trmica), s (seccin) y l (longitud de la lmina):

Un bimetlico contiene pocas partes en movimiento (slo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hlice y al propio elemento), ya que el eje y el elemento se sostienen mediante cojinetes, construido con precisin para evitar rozamientos.

Es admisible en servicio continuo en un rango de 0-400C como indicador local, importante que sean orientables para dar mayor facilidad en el montaje de planta, normalmente son de esfera con cristal de seguridad laminado, con una exactitud de hasta un 1% y un campo de medida de -200 a 500C.

6.4 Termmetro bulbo y capilar.

El termmetro de bulbo-capilar consta de los elementos anteriores que estn conectados a una espiral en la cual siempre que haya un cambio de temperatura en el medio fluido (gas o lquido), se expande o contrae y tiende a transmitir el movimiento en dicha espiral que se enrolla.

Figura 4: Termmetro bulbo y capilar.

Existen 4 clases:

Clase I (Actuado por lquido): tienen el sistema de medicin lleno de lquido y como su dilatacin es proporcional a la temperatura, la escala ser uniforme. Se utiliza con capilares cortos (5m) para evitar variaciones con la temperatura ambiente, si fuera ms largo, hay que compensar. La presin dentro del bulbo y tubo debe de ser mayor que la de vapor de lquido para evitar la formacin de burbujas.

Se suele utilizar un gas inerte como el xileno C8H10 y otros, presentando un campo de medicin de -75300C.

Clase II (Actuado por vapor): se basan en el principio de presin de vapor, mediante un lquido voltil cuya interfase se encuentra en el bulbo. Al subir la temperatura aumenta la presin de vapor. La escala de medicin no es uniforme, sino que las distancias van aumentando progresivamente hacia la parte ms alta (donde hay mayor sensibilidad).

En este tipo, las distancias no son un problema, ya que va relacionada directamente con la temperatura en el bulbo, habindolos de cloruro de metilo, anhdrido sulfuroso, butano, propano, hexano, ter metlico/etlico, cloruro de etilo, alcohol etlico y cloro-benceno.

Tienen una velocidad de respuesta de 1-10 segundos con un campo de medicin que va desde los -40300C, dependiendo del lquido.

En caso que la temperatura del bulbo sea mayor que la de ambiente, ste estar lleno de vapor mientras que el capilar y el elemento se llena de lquido. (clase IIA) por lo que se necesita una correccin (tambin por diferencia de alturas), ahora en caso que fuera la temperatura del bulbo inferior al ambiente el sistema sera el contrario (clase IIB).

La clase IIC, sera la unin entre el IIA y IIB para que pueda trabajar sin error en ambos rangos de temperatura (uno es estado lquido y otro vapor en cada elemento).

Por ltimo la clase IID, trabaja con dos lquidos, uno voltil y otro no voltil, situado en parte del bulbo, el capilar y el tubo Bourdon, cuyo objeto es transmitir la presin de vapor a la interfase lquido voltil-vapor.

Clase III (Actuado por gas): estn completamente llenos de gas, de manera que al subir la temperatura, tambin lo har la presin, prcticamente de forma proporcional, con escalas lineales.

La presin depende de la temperatura del bulbo, pero tambin del capilar y el elemento de medicin, siendo necesaria la compensacin.

La constante de respuesta de los termmetros de gas es de 1-4 segundos, siendo el nitrgeno el ms utilizado (inerte y barato). A muy bajas temperatura se utiliza el helio, que tiene un campo de medicin -80600C

Clase IV (Actuado por mercurio): similares a la clase I, con una respuesta mejor, exactitud y potencia de actuacin. La presin interna del mercurio va desde 28 hasta 80 bar a unas temperaturas altas (eliminando los errores propios del sistema Bourdon).

El campo de medida va desde -40650C, pudiendo tener compensacin en la caja.

Figura 5: Clases de termmetros bulbo y capilar (segn fluido).

Por ltimo mostramos las escalas segn norma DIN.

Figura 6: Norma DIN 16203.

6.5 Termmetro de resistencia.

El termmetro de resistencia depende de su propia variacin, en , con respecto a la variacin de temperatura, propia del elemento de deteccin. Consiste en un arrollamiento muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cermica. Se le conoce como RTC (resistance temperature coeficient), que expresa el valor de temperatura segn el valor de la resistencia.

Figura 7: Relacin entre resistencia y temperatura.

Siendo Ro (resistencia a 0C), Rt (resistencia a temperatura deseada) y (coeficiente de temperatura enter 0-100C de 0,00385/(/C) en la escala prctica IPTS-68.

La relacin resistencia temperatura no es lineal, por lo que la ecuacin general segn la IEC-751 es la siguiente, discriminando entre rangos de temperatura:

Donde A=3,90802x10-3, B=-5,802x10-7 y C=-4,2735x10-12, por lo general, de manera que todos estos valores son hallados mediante el procedimiento Callendar-Van Dussen, para obtener una exactitud alta en casos particulares (metrologa), tomando 4 valores que son los siguientes:

Ro= Temperatura de congelacin del agua (0C). R100= Temperatura de ebullicin del agua (100C). Rh= Temperatura de solidificacin del cinc (419,53C). Rt= Temperatura de ebullicin del oxgeno (-182,96C).

En primer lugar realizamos la primera aproximacin del coeficiente , para linealizar la temperatura:

Callendar establece un trmino de segundo orden basado en la disparidad de la temperatura real (th) y la temperatura calculada (t), que valdrn para cambiar los trminos A, B y C anteriormente definidos:

Y en caso de tener temperaturas negativas, utilizamos :

Slo es aadir un trmino ms a la ecuacin anterior, por lo que:

Siendo los valores los siguientes:

Figura 8: Coeficientes de resistencia Pt100.

Las empresas suelen tener sus propios programas de clculo, pero a nivel normativo dependiendo de si estamos en Estados Unidos (se rige por la ASTM-E1137) o Europa (se rige por la DIN-IEC-751), tendremos que:

Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben de tener un alto coeficiente de temperatura de la resistencia (), alta resistividad (), una relacin lineal entre resistencia-temperatura, rigidez, ductilidad y estabilidad durante la vida til.

Figura 9: Clasificacin de tolerancias de sondas de resistencia IEC-751.

Puede verse las curvas de resistencia relativa de varios metales en funcin de la temperatura junto a sus caractersticas (platino, cobre, nquel y nquel-hierro).

Las sondas de resistencia de platino que ms se utiliza en la industria son de 100 a 0C. La forma es bobinada junto a una pelcula metlica, siendo el sensor de pelcula muy pequeo para responder rpido ante cualquier cambio.

Figura 10: Curvas de resistencia relativa segn material.

Figura 11: Caractersticas de sondas por resistencia.

En las tablas caractersticas se pueden ver los valores de la resistencia para una Pt100, al igual que para una Pt500 (que sera de 500 a 0C) y una Pt1000 (1000 a 0C), multiplicando simplemente por 5 y 10, respectivamente.

Las bobinas que llevan el hilo arrollado de resistencia estn encapsuladas y situadas dentro de un tubo de proteccin o vaina de material adecuado al fluido del proceso, que por lo general suele ser de acero, acero inoxidable 304/316, hastelloy, monel, etc.

Las partes de una sonda de resistencia vienen reflejadas en las siguientes figuras en las que existen varios tipos de sondas y conexiones de proceso (racores, normalmente de tipo roscado, siendo los ms conocidas la rosca mtrica, por ejemplo M25, y la americana 1/2" NPT).

Hay que tener en cuenta que normalmente siempre son estos tipos los que van a ser instalados y que los fabricantes nos aportarn data-sheets (hojas de datos) de cada instrumento para comprobar el cumplimiento de las especificaciones dadas por una ingeniera o por mantenimiento dependiendo de las funciones que se estn desarrollando.

Figura 12: Partes de termorresistencias y elementos de sondas de platino.

Figura 13: Tipos de sondas, conexiones y mtodo simple de medicin.

La forma ms simple de medir la temperatura del proceso, es hacer pasar una corriente por la sonda, que dar lugar a una cada de tensin. Se disipa calor en la sonda y su calentamiento aumenta la resistencia, adems de conexin entre polmetro y sonda que alteran la resistencia de medida.

Por ejemplo, un hilo de 1 por cada tramo y temperatura de 20C (107,793), segn las tablas siguientes:

Por lo que el erro sera 5,43C. Es por ello que se emplea el puente de Wheatstone convencional u otro circuito digital, de manera que puede hacerse un montaje a 2, 3 y 4 hilos, para ganar en precisin.

El ms habitual es el de 3 hilos.

Figura 14: Tabla de resistencia Pt100 en funcin de la temperatura (I).

Figura 15: Tabla de resistencia Pt100 en funcin de la temperatura (II).

Figura 16: Tipos de circuitos de sonda por resistencia.

Por ejemplo, un hilo de 1 por cada tramo y temperatura de 20C (107,793), segn las tablas siguientes:

Por lo que el erro sera 5,43C. Es por ello que se emplea el puente de Wheatstone convencional u otro circuito digital, de manera que puede hacerse un montaje a 2, 3 y 4 hilos, para ganar en precisin.

El ms habitual es el de 3 hilos.

Montaje a 2 hilos: la sonda (RTD) se conecta a uno de los brazos del puente y se hace variar R2 hasta que se anule la desviacin en el galvanmetro, por lo que por comparacin y divisores de tensin tenemos que:

Siendo K un factor de longitud con respecto a los hilos (a y b), RTD valor de la resistencia desconocida y el resto de resistencia son valores ya fijados a excepcin de R2 que la usa el operario para igualar tensiones.

El montaje es muy sencillo, pero presenta el inconveniente de la resistencia en los hilos a y b de conexin que pueden falsear la medida.

Como ejemplo tenemos una sonda con un puente de Wheatstone 30m de hilo 12AWG de 0,0525 /m, se obtiene que el error aproximad es de:

Para reducir el error, puede utilizarse un hilo ms grueso (por lo que la resistencia ser ms baja, la longitud en campo y el panel del instrumento

Montaje a 3 hilos: la sonda se conecta mediante 3 hilos al puente, por lo que la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, aplicando el mismo divisor, se tiene que:

Por lo que si Ka=Kb, haciendo R2=R1=1, resulta que RTD=R3. Siendo la tensin de salida Vo (galvanmetro) y Vs (fuente de tensin):

En caso de que est situada a una distancia muy larga, tendremos que tener en cuenta el factor de longitud.

Suponiendo una resistencia de un sensor de 200 (267C), el puente ha proyectado 100, el voltaje de la fuente es de Vs=6V y la tensin en el punto B es de 3V y en E es 2,0066V.

El error es tan slo de 0,99, que corresponde a 2,5C, segn las tablas anteriores.

Montaje a 4 hilos: el puente se alimenta con una fuente de corriente, de modo que independientemente de la resistencia de los hilos de conexin, la misma corriente circula por el detector. Suelen tener unas resistencias altas para que la intensidad sea despreciable.

Figura 17: Materiales de aislamiento segn las temperaturas de proceso.

Es posible su medicin automtica mediante un instrumento autoequilibrado con el principio de puente de Wheatstone o bien un puente de capacidades, ya visto en temas anteriores.

Figura 18: Puente de Wheastone para RTD.

En ambos casos, un motor de equilibrio es excitado siempre que el puente est desequilibrado, de tal modo que el instrumento est marcando continuamente la temperatura de proceso, normalmente amplificada y conectado por bus, con posibilidades de cambios del campo de medida y diferentes caractersticas.

La exactitud de las sondas de resistencia con transmisor inteligente es de 0,5C o 0,1% del span, con una deriva de 0,1C/ao, adems de presentar una estabilidad de 0,2C despus de 10000h a mxima temperatura.

Para temperaturas criognicas, la sonda ser de germanio y podr trabajar entre 0,05-100K, con una resistencia de 10000 para 1K (-272C), con una sensibilidad de 35000/K a 4,2K y un coeficiente de resistencia negativo (debiendo de calibrarse muchos puntos).

Figura 19: Puente de capacidades.

Figura 20: Convertidor de temperatura de sonda por resistencia.

6.6 Termistores.

El termistor es un semiconductor electrnico con un coeficiente de resistencia de temperatura de resistencia negativa de valor elevado, por lo que las variaciones ante cambios muy pequeos, los realiza a gran velocidad.

Se hacen con xido de nquel, manganeso, hierro, cobalto, magnesio y titanio (entre otros) y por lo general estn encapsulados (sondas) o en discos.

Se denominan NTC (negative temperature coeficient) existiendo tambin casos especiales de tipo positivo, que son los PTC, cuyas curvas aparecen en la figura anterior.

Figura 21: Termistor y curvas de resistencia.

La relacin entre el termistor y la temperatura es:

Siendo Rt (resistencia de la temperatura absoluta), Ro (resistencia de la temperatura de referencia), T1 (temperatura absoluta), To (temperatura de referencia) y (coeficiente del intervalo de temperaturas).

La expresin representativa de la temperatura, siendo A, B y C las constantes caractersticas de los materiales empleados a 3 temperaturas distintas y despejando R en funcin de la temperatura absoluta para obtener , para la curva caracterstica y T (temperatura absoluta):

Los termistores se conectan a un puente de Wheatstone convencional o un circuito convertidor a una tensin de salida proporcional, teniendo en cuenta que los intervalos amplios tienen caractersticas no lineales.

Al tener un coeficiente de temperatura alto, posee mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas (1C), con una variacin de 0,5-10 segundos, pudiendo estar alejado del instrumento de medida siempre que la resistencia sea lo suficientemente significativa, con una corriente muy baja para garantizar la variacin captada. Normalmente se instala en medidores de temperatura diferencial.

6.7 Sensores de temperatura de semiconductor.

El sensor de temperatura de semiconductor tiene funciones de transferencia proporcionales a la temperatura en K, C y F (con comparadores y convertidores A/D). Los sensores desarrollados tienen una sensibilidad de 10mV/C y una exactitud de 1C en un intervalo de -55150C, aunque existan analgicos con corriente de salida proporcional a la temperatura absoluta con una sensibilidad de 1-3A/C y termostatos que van de -40125C.

Estos sensores, se utilizan en componentes electrnicos que pueden daarse, siendo una seal de salida en C.C. a dos hilos con una impedancia de 100k, una transmisin 4-20mAcc, multicanal y convertidores de frecuencia.

Figura 21: Sensor de temperatura a 2 hilos y transmisor 4-20mA.

6.8 Termopar.

6.8.1 Leyes, curvas, tablas tubos de proteccin y seleccin.

El termopar se basa en el efecto de Seebeek, en la circulacin de corriente en un circuito cerrado, formado por dos metales, cuyas uniones (unin de medida o caliente y unin de referencia o fra), se mantienen a la misma temperatura.

La circulacin de corriente obedece dos efectos termoelctricos combinados (Peltier y Thompson) que provoca la liberacin y absorcin de calor en la unin de los metales distintos y la de metal homogneo cuando existe un gradiente de temperaturas.

El efecto Peltier se manifiesta segn la figura 23, que mediante una conexin en cruz, se hace pasar una corriente en uno u otro sentido con K2 abierto. Despus de cada paso de corriente se abre K1 y se cierra K2, por lo que existe una f.e.m. creada que es proporcional a la temperatura de la cruz trmica.

Figura 22: Sensor de temperatura a 2 hilos y transmisor 4-20mA.

El efecto Thompson consta de una barra metlica MN, con un termopar diferencial AB aislado y una bobina H para calentamiento elctrico. Cuando la bobina H empieza a calentar, existir una diferencia de temperaturas, de forma que el galvanmetro notar el efecto contrario en la corriente.

Figura 23: Sensor de temperatura a 2 hilos y transmisor 4-20mA.

Gracias a ello podemos establecer el comportamiento de los termopares mediante 3 leyes fundamentales:

Ley de circuito homogneo: un conductor metlico homogneo no puede sostener la circulacin de una corriente elctrica por aplicacin exclusiva de calor. Ley de metales intermedios: si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme las f.e.m. son independientes de los conductores metlicos. Ley de temperaturas sucesivas: la f.e.m generada de T1-T3 ser la suma algebraica de T1-T2 y T2-T3.

Al final, lo que se crea es una Vcc que es directamente proporcional a la temperatura de referencia, donde para cierto material ya estn tabulados los valores, sirvindonos como gua de seleccin.

Figura 24: Curvas caractersticas f.e.m./temperatura de los termopares.

La seleccin se hace atendiendo al tipo de corrosin, oxidacin, reduccin y cristalizacin, adems de que debe presentar una fe.m. alta, estable y una resistencia elctrica.

Como ventajas, podemos decir que son bastante estables y baratos.

Los termopares ms comunes son los citados a continuacin:

Tipo E: nquel-cromo (cromel)/cobre-nquel (constantn), puede usarse en vaco, atmsfera inerte o medianamente oxidante/reductora. Posee la f.e.m ms alta por variacin de temperatura, rango (-200900C) y alta sensibilidad (68V/C).

Tipo T: cobre/cobre-nquel (constantn), elevada resistencia a la corrosin por humedad atmosfrica o condensacin, para atmsferas oxidantes o reductoras. Preferible en un rango (-200260C).

Tipo J: hierro/cobre-nquel (constantn), para atmsferas inertes y temperaturas de (-2001200C). La oxidacin aumenta mucho a partir de 550C, teniendo que aumentar el cond hasta 750C. Es necesario tomar precauciones a temperaturas por debajo de 0C o solidificacin.

Tipo K: nquel-cromo (cromel)/nquel-aluminio (alumel), para atmsferas oxidantes y temperaturas de trabajo de (5001250C). Totalmente prohibido en atmsferas reductoras o sulfurosas, a menos que la proteja una vaina que en ese caso la temperatura ser (-401100C). Tipo R: platino-13% rodio/platino, para atmsferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500C. Es ms estable y con mejor f.e.m que el tipo S, poca sensibilidad (10V/C).

Tipo S: platino-10% rodio/platino, similar al anterior.

Tipo B: platino-30% rodio/ platino-6% rodio, similar al anterior, pero resiste hasta los 1800C.

Tipo N: (84,6% nquel-14% cromo-1,4% silicio)/(95,6% nquel-0,4% silicio), protegido con xido de berilio y camisa de molibdeno y tantalio, se emplea en atmsferas inertes o vaco en temperaturas (02316C), ya estn sustituyendo al tipo K en casi todos sitios con una mejor estabilidad y resistencia a la oxidacin.

Tipo C: (tungsteno-5% renio)/(tungsteno-26% renio), con temperaturas de trabajo entre (02320C).

Tipo B: (tungsteno-3% renio)/(tungsteno-25% renio), con temperaturas de trabajo entre (02495C).

Tipo G: (tungsteno)/(tungsteno-26% renio), con temperaturas de trabajo entre (02495C).

Tipo L: (hierro)/(cobre-nquel), similar al J, con temperaturas de trabajo entre los (-200900C).

Tipo U: (hierro)/(cobre-nquel), similar al T, con temperaturas de trabajo entre los (-200600C).

Figura 25: Tolerancias y temperaturas de trabajo de termopares, segn IEC-584-1.

Para su calibracin, se debe de tener las tablas por cada tipo de termopar, donde tenemos los ejes de temperatura y los valores de la f.e.m (mV), poniendo slo un ejemplo ya que es muy extensa.

Figura 26: Tablas de tipos de termopar y f.e.m correspondiente en mV.

Existen tambin funciones polinmicas para el clculo de la f.e.m segn la NIST, donde las expresiones (excepto el tipo K, derecha) son las siguientes:

Para temperaturas, se tiene la siguiente expresin:

Es recomendable en termopares, que disponga de un muelle de empuje para asegurar el contacto con el fondo de la vaina de proteccin y se tenga una respuesta rpida.

Existen otras posibilidades de uso en termopares, como los skin points, que se montan sobre la superficie, mediante abrazaderas o embebida en una lmina para ser posteriormente soldada a una tubera, depsito y otro elemento.

El uso de vainas en proceso en AISI-316 es muy conocido, ajustndose al mximo para obtener la mnima resistencia a la transferencia de calor.

A continuacin se expone un ejemplo de una tabla de valores del termopar segn NIST, ya que son todas parecidas.

Figura 27: Coeficientes polinmicos del NIST.

Los errores debidos a la conduccin del calor fluido de la vaina se minimizan con el uso de los termopares de pequeo y mayor longitud (10 veces el vaina), materiales con baja conductividad trmica o con altos coeficientes de conveccin. En caso de una medicin incorrecta, se opta por termopares angulados.

En aplicaciones especiales, las vainas son de porcelana, grafito, xido de aluminio, carburo de silicio y otros, ya que pueden estar expuestos a gases contaminantes, llamas o temperaturas superiores a algunos metales.

Por lo general, los termopares de platino, necesitan un tubo protector cermico para los gases de hornos o gases reductores (a modo de proteccin).

En otros casos, dependiendo de la aplicacin, se opta por hierro, acero sin soldadura, acero inoxidable, inconel, cermico o carburo de silicio, entre otros.

En las siguientes figuras se muestran las partes de la vaina, cabezal y una tabla de seleccin generalizada, dependiendo del tipo de industria con las condicionantes propias de la misma, como gua.

Figura 28: Tubos de proteccin y vainas para termopares.

Figura 29: Diagrama de sistema piromtrico.

Cuando el termopar est instalado a una gran distancia del instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por medio de un cable de extensin o compensacin.

Estos cables tienen unas propiedades elctricas similares a los del termopar a las temperaturas lmite que pueden encontrarse en el proceso y son ms econmicos. Aunque hay que tener cuidado, debido a que en los tipo R o S, los cables de platino encarecen bastante la instalacin desde la entrada de campo hasta el panel, existiendo los siguientes tipos de cables:

Conductor tipo J: para termopar tipo J.

Conductor tipo K o T: para termopar tipo K.

Conductor tipo T: para termopar tipo T.

Conductor tipo E: para termopar tipo E.

Conductor cobre-cobre nquel: para termopar tipo R, S o B.

A continuacin la gua de seleccin en funcin del tipo de industria:

Figura 30: Esquema de seleccin de vainas para termopares (I).

Las conexiones entre el cable de compensacin, termopar y el instrumento deben de ser sin empalmes y bien conectado, debiendo de evitar el paso de fuentes de calor.

En caso de no cumplir las recomendaciones, aparecern tensiones trmicas de corriente continua que darn lugar a un desplazamiento en la lectura del instrumento de medida de temperatura, aunque esta puede ser corregida si disponemos de un configurador, ya sea del transmisor o por PC, regulando los valores.

Figura 31: Esquema de seleccin de vainas para termopares (II).

Figura 32: Colores de los cables de compensacin.

6.8.2 Compensacin de la unin fra.

Las tablas estndar de mV de los termopares se refieren a la unin fra a 0C, mientras que las de panel o campo difieren del 0C, por lo que es imprescindible el referenciar el termopar.Normalmente la compensacin se realiza con un galvanomtrico o potencimetro, con una resistencia que absorbe la tensin equivalente que tendra el termopar, obteniendo una compensacin perfecta en slo dos puntos.

Actualmente, con los mdulos de comparacin/compensacin no es necesario realizar ninguna accin ya que ajusta al 0 el valor del termopar con respecto a la salida del mismo.

Figura 33: Mdulo de compensacin de la unin fra.

En la figura anterior, V1 es la f.e.m en mV generada por el termopar con una temperatura desconocida Tx y Tc es la temperatura del conector, determinada por un sensor como un diodo, una sonda de resistencia, etc. En V2 se inyecta tensin en el mdulo de salida del mismo tipo que el termopar, de modo que si la ganancia G del mdulo de salida se hace unitario, representar la temperatura real.

El termopar es susceptible al ruido, ya que se pueden generar tensiones de 2-50mV en una zona donde existen grandes mquinas rotativas que crean cientos de mV en el cable de conexin, interferencias electromagnticas o bien que se ponga a tierra accidentalmente. Actualmente, con los mdulos de comparacin/compensacin no es necesario realizar ninguna accin ya que ajusta al 0 el valor del termopar con respecto a la salida del mismo.

Para ello, se utilizan transmisores de campo que convierte la seal en 4-20mA y reduce los problemas de ruido, adems si es inteligente, se suele tener una proteccin RFI y EMI, adems de un aislamiento para sobretensiones o errores de lazo.

En los tipos R y S se utilizan cartuchos que son puestos en una lanza (que aunque se funda en segundos, da tiempo a captar los datos necesarios).

6.8.3 Circuito galvanomtrico, potencimetro y digital.

El circuito galvanomtrico se basa en la desviacin de una bobina situada entre dos polos con un imn permanente que al pasar corriente por el primario, produce un campo magntico que se opone al del imn y que es equilibrado por un muelle en tensin.

Una aguja indicadora est unida rgidamente a la bobina mvil y la desplaza a lo largo de la escala graduada, calibrada en las unidades de medida. En este tipo de medidas, se utiliza una resistencia NTC de compensacin por temperatura, ya que afecta a la exactitud.

Figura 34: Circuito galvanomtrico y potencimetro.

El potencimetro consta de una fuente de tensin constante que alimenta ambas ramas del mismo, El termopar T est conectado a la rama inferior E y a travs de un miliampermetro al restato R, indicando la temperatura cuando la corriente es nula.

Al circuito se le puede incorporar un autoequilibrio que sustituya al miliampermetro por un amplificador, mientras exista una diferencia de potencial el circuito excitar a un motor hasta que la posicin del cursor sea la correcta para la temperatura captada. La resistencia Rni, compensa las variaciones de temperatura ambiente, ya que absorbe una f.e.m equivalente de la unin caliente.

Tambin tiene una Rd contra rotura del cable o del termopar, siendo de valor elevado, que cierra el circuito de amplificacin.

Si se aade un microprocesador o controlador podemos obtener la medida automticamente, la compensacin, dirigir rutinas, calibraciones, etc, adems de tener un aislamiento galvnico.

Figura 35: Circuito digital de medida de temperatura.6.8.4 Verificacin de instrumentos y termopar.

Para la verificacin, obtenemos las tablas de f.e.m referidas a 0C de unin fra y a la temperatura ambiente y proceso para obtener la resta de las f.e.m generadas (V-Va), ya que se tienen que compensar posteriormente.

Como ejemplo, tenemos un tipo J de 0-700C, queremos comprobar que con 700C y una temperatura de 20C cual es la correccin.

En tablas, la f.e.m a 700C es de 39,1mV y a 20C es de 1,019mV, siendo la diferencia 38,111mV, por tanto ste ser el valor real para los 700C. En caso de tener microprocesador, lo podr autochequear.

Hay que tener en cuenta la degradacin de los mismos termopares, debindose chequear en mV con un generador de tensin en los bornes con un instrumento patrn que mida la temperatura real. Con las tablas de conversin, se sumar la Vp leda del potencimetro y la Va correspondiente a la Ta, para aplicar la suma, por lo que si se lee 38,111mV y el termmetro pone 20C, segn tabla habra que sumar 1,019mV, para que equivalga a la temperatura de referencia a 0C.

6.8.5 Normas bsicas aplicables.

Las ms importantes son las tablas de referencia internacional y toleranciasDIN-IEC-584-1/2, UNE-EN-60751, calibracin, tablas, especificacin estndar en platino y resistencias industriales ASTM-E-220/E-230/E-1137/E-644.

6.9 Pirmetros de radiacin.

Los pirmetros de radiacin se fundamenta en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de la energa radiante por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo en grados K.

En la figura 36 se representa la energa radiante de un cuerpo negro a varias temperaturas en funcin de su longitud de onda (Ley de Planck). Para el caso de medicin de temperaturas industriales, las longitudes de onda trmicas abarcan de 0,1-12m, es decir desde la radiacin ultravioleta hasta las infrarrojas.

El coeficiente de emisin o emisividad de un cuerpo es la relacin entre la energa radiante por un cuerpo y la de un cuerpo negro que se encuentra a la misma temperatura, siendo la diferencia que un cuerpo negro absorbe todas las radiaciones que recibe o emite (por lo que su emisividad ser la unidad), para el resto de cuerpos, se les llama opacos.

En caso de muchas instalaciones, como por ejemplo en los hornos) en las que el pirmetro se enfoca directamente a una abertura del mismo o al extremo de un tubo cerrado es donde se puede realizar este tipo de mediciones.

Un pirmetro de radiacin calibrado para condiciones de cuerpo negro indicar una baja temperatura del cuerpo que enfoca si ste se encuentra en el exterior.

Figura 36: Grfico de energa radiante de un cuerpo.

La emisividad depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor, para un metal como el cobre, pueden existir valores de 0,1-0,85 dependiendo de si est pulido o tiene una capa de xido (con los baos metlicos ocurre algo similar).

En el caso de cuerpos incandescentes, no nos dar una temperatura real, ya que no es perfectamente negra. En ese caso se corregir con un factor de brillo S. Se tiene en la figura 37 una tabla de valores y una grfica de variacin.

Dentro de las bandas de operacin, el pirmetro no puede distinguir entre la energa emitida por el cuerpo, la transmitida y la reflejada.

En resumen, los pirmetros de radiacin miden la temperatura en funcin de la distancia, siendo de radiacin luminosa (0,4-0,7m), infrarrojos (0,7-20m) y dems instrumentos que iremos definiendo a continuacin.

Figura 37: Coeficientes de emisin total y variacin en algunos metales.

6.9.1 Pirmetro ptico de desaparicin de filamento.

Se basan en la desaparicin del filamento de una lmpara al compararlo visualmente con la imagen captada, variando la corriente de la lmpara hasta que sta deja de verse.

Se restringe slo a 0,65-0,66m (zona infrarroja).

Figura 38: Pirmetros pticos de desaparicin del filamento.Dispone de filtros para reducir la intensidad de la radiacin recibida, permitiendo elevar el margen de temperaturas, aunque slo puede medir las incandescentes o en fusin.

Se parecen mucho a los de radiacin infrarroja, comparan la radiacin emitida por el cuerpo por una fuente controlada, en un disco rotativo y la compara con una referencia, teniendo una exactitud del 1-2%.

6.9.2 Pirmetro de infrarrojos.

Este tipo de instrumento capta la radiacin espectral del infrarrojo (invisible al ojo humano), que puede medir temperaturas menores a 700C, tambin las superiores, con un rango de medida de 0-4000C.

Figura 39: Pirmetros de infrarrojos.

La lente filtra la radiacin infrarroja emitida por el rea del objeto examinado y la concentra en un sensor de temperatura fotorresistivo que la convierte en una seal de corriente a travs de un algoritmo, aunque tambin puede ser analgica (4-20mA o digital. La relacin de la distancia del objeto al sensor vara entre 2:1 y 1:300.

Se debe de considerar tambin la emisividad del cuerpo, aunque suele tener incorporado un compensador que permite corregir la temperatura leda, no solo por la prdida de radiacin, sino tambin cuando hay gases, vapores, humos o materiales transparentes, para ello se usan tecnologa de banda estrecha. Algunas aplicaciones, pueden requerir una camisa enfriada por agua.

Su respuesta es ms rpida que la de los termopares (1ms), detectando tambin las variaciones de temperatura, con una exactitud del 0,3%.

Su uso y aplicacin (captacin de imgenes) es de inters para el campo de mantenimiento preventivo y predictivo.

6.9.3 Pirmetro fotoelctrico.

Los detectores fotoelctricos o cunticos consisten en materiales semiconductores cristalinos, como el indio antimonio (In Sb), silicio (Si), el sulfuro de plomo (PbS) y el sulfuro de cadmio (CdS), que responden a los fotones de radiacin del cuerpo que se enfoca liberando cargas elctricas por mecanismos fotoelctricos, fotoconductores o fotovoltaicos, respondiendo a las diferentes partes del espectro, para tener gran selectividad en las ondas que operan.

Los semiconductores citados, poseen una excelente relacin seal/ruido, de modo que operando en longitudes de onda corta y banda estrecha, permiten medidas precisas de baja temperatura.

Figura 40: Energa relativa a la longitud de onda de 4 detectores fotoelctricos.

La seal de salida depende de la temperatura instantnea del volumen del detector, por lo que evita retardos inherentes al aumento de la temperatura de la masa del detector, que existen en otros tipos de pirmetros.

Siendo V (la f.e.m), K (constante) y T (temperatura absoluta del cuerpo).

Una estimacin mal aproximada, puede conducir a error que puede minimizarse si el instrumento se programa a corta longitud de onda y pequeo ancho de banda, de manera que un error del 10% representa un error del instrumento de 25C a 1750C, mientras que uno del 25% se dispara a 75C a 1750C,

Uno de los mtodos para amplificar la seal es interrumpirla con un disco ranurado a cientos de Hz, para obtener una seal c.a.

Se utiliza en la industria del vidrio trabajando a unas longitudes de onda de 4,8-5,6m, que dan una mnima interferencia con el vapor de agua, CO2 y la luz solar en el intervalo de 35-540C con una constante de tiempo de 0,2-0,5s.

El campo de trabajo, generalmente, va de 15-3000C, enfocando desde 1m hasta el infinito, con una constante de tiempo de 2,2-200ms (aunque puede llegar a nanosegundos).

Los semiconductores citados, poseen una excelente relacin seal/ruido, de modo que operando en longitudes de onda corta y banda estrecha, permiten medidas precisas de baja temperatura.

6.9.4 Pirmetro de dos colores.

El pirmetro de relacin o de 2 colores, se basa en la relacin entre las radiaciones emitidas en dos bandas estrechas del espectro, como funcin de la temperatura entre ambas bandas.

El dispositivo dispone de un selector de relacin hasta que ajusta a la correcta, siendo excelente para cuerpos grises, adems midiendo incluso atmsferas de humos, vapor y polvo, ya que la lectura es independiente (en teora) de la atmsfera intermedia.

Figura 41: Fundicin de un metal con temperatura controlada por un pirmetro de 2 colores.

Un pirmetro de dos colores divide la radiacin del objeto en dos haces medidos por clulas fotoelctricas de silicio similares, una de ellas tiene un filtro que deja pasar la radiacin de la longitud de onda ms corta (0,65m) y otra sobre los 0,9m, siendo la relacin de ambas corrientes de salida la temperatura del objeto.

Una de las desventajas es que es susceptible al ruido elctrico, debido a las diferencias de intensidad comparadas (ya que son pequeas) y como las emisividad relativa es menos conocida que el valor absoluto de la emisividad, los errores pueden ser muy grandes si un color es afectado por el entorno (ambiental, superficie, xido), aunque la tcnica lser resuelve estos problemas.

6.9.5 Pirmetro de radiacin total.

El pirmetro de radiacin total capta una banda amplia de radiacin y est formado por una lente prex, slice o fluoruro de calcio que concentra la radiacin del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares Pt-Pt/Rh, muy pequea y montada en serie.

La radiacin se enfoca incidiendo en la uniones calientes de los termopares que gracias a su reducida masa les hace muy sensibles a pequeas variaciones de la energa radiante (adems, resiste las vibraciones y choques).

La f.e.m que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unin caliente (objeto enfocado) y la unin fra, siendo compensada mediante un resistencia de nquel conectada en paralelo a los bornes de conexin del pirmetro y colocada en su interior (para que la temperatura sea la misma que en el interior).

Figura 42: Pirmetro de radiacin total y tubos de proteccin.

La compensacin descrita se utiliza para temperaturas ambientes mximas de 120C. en caso que sean mayores, se utiliza refrigeracin (aire o agua) para que la caja no supere la ambiental, teniendo los siguientes accesorios:

Lente para enfocar la radiacin de la termopila. Dispositivo de seguridad para aislar la lente del proceso y proteger el pirmetro en caso de llama. Dispositivo de refrigeracin (aire o agua) para proteger la lente (la mantiene limpia de gases o vapores que pueden estar en contacto con el tubo de mira).

Figura 43: Dispositivos de refrigeracin.

Tubos de mira con extremo cerrado que se emplean en hornos con atmsfera a presin o con gases particularmente agresivos y medidas de temperatura de metales fundidos en los que el tubo de mira debe de estar sumergido. El fondo del tubo es la fuente de radiacin y las paredes tienen poca influencia.

Los tubos de proteccin de los pirmetros, pueden ser metlicos (acero inoxidable o aleaciones metlicas resistentes, hasta 1100C) o cermicos (carburo de silicio que se utiliza en hornos, con buena respuesta a cambios de temperatura y resistencia a cambios bruscos o Sillramic que es un refractario vitrificado con gran resistencia al choque trmico, penetracin de gases pero posee una baja resistencia mecnica).

La relacin entre f.e.m y temperatura es independiente de la distancia (excluyendo gases o vapores que absorben la energa) siempre que la imagen de la superficie del cuerpo emisor cubra la unin caliente.

Figura 44: Pirmetros de radiacin de ngulo estrecho y ancho.

Los fabricantes normalizan la relacin entre las dimensiones del objeto y su distancia a la lente para garantizar buenas condiciones de lectura, de manera que existen pirmetros de radiacin de ngulos estrecho (20:1) y ancho (7:1) como los anteriores.

Las lentes de prex se utilizan en el campo de temperaturas de 850-1750C, la lente de slice en el intervalo 450-1250C y las de fluoruro de calcio para temperaturas inferiores.

Las dificultades expuestas y problemas pueden hacer creer que la regulacin de temperaturas es algo complejo, pero afortunadamente en muchos procesos las condiciones de trabajo son repetitivas, por lo que aunque se desconozcan la emisividad, haya radiacin parsita o el cuerpo sea transparente, se puede detectar y controlar sin problema.

Figura 45: Aplicaciones industriales de los pirmetros de radiacin (I).

Figura 46: Aplicaciones industriales de los pirmetros de radiacin (II).

6.9.6 Otros fenmenos.

Existen otros mtodos citados a continuacin:

Por licuacin de lacas (normalmente en publicidad), 1%.

Por radar, usado en mquinas rotativas, separado a 1-50mm acoplada como seal de proceso, emite un pulso de radar de baja energa y alta frecuencia, que impacta en el sensor, con una amplitud de 0-200C y precisin 2C.

Por fibra ptica que conduce la radiacin captada mediante un cristal de xido de aluminio que acta como cuerpo negro sobre el detector fotoelctrico de silicio que mediante un amplificador genera una corriente proporcional a la intensidad de la radiacin. Tiene una precisin de 5K dentro de un intervalo de 1000-1600K.

El termmetro ultrasnico que se basa en la velocidad del sonido proporcional a la temperatura del aire y experimenta un cambio drstico a las proximidades, por lo que el tiempo disminuye cuando el impulso llega al objeto y regresa a la fuente de ultrasonidos, pudiendo medir temperaturas de 0-80C con una exactitud de 0,4C.

El termmetro de cristal de cuarzo mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo, en contacto con el cuerpo cuya temperatura desea medirse, mediante un contador que tiene como reloj la misma seal de la temperatura controlada, siendo el margen de medida -80250C con una exactitud muy elevada de 0,075C.

Algunas sales paramagnticas, como el sulfato amnico frrico, tienen la propiedad de cambiar de estado de energa bajo la accin de un campo magntico fuerte, manteniendo como variable la susceptibilidad magntica posible para medir temperaturas muy bajas, a 1K (para procesos criognicos.

Otros mtodos de medicin de temperaturas muy bajas incluyen la resonancia cuadripolar nuclear del 35 Cl (hasta 11K), las uniones del efecto tnel que comprende de 0,3-3K, etc.

6.10 Velocidad de respuesta.

La constante de tiempo de un instrumento es el tiempo necesario para que alcance el 63,2% de la variacin total que experimenta la temperatura, por ejemplo, si una sonda pasa un recinto de 70C a 270C alcanzar este valor cuando llegue cerca de los 200C en 0,1 segundos segn la figura 47.

La sonda de resistencia, tiene su comportamiento particular en funcin de los coeficientes de conveccin o conduccin trmica.

Figura 47: Velocidad de respuesta de un instrumento de temperatura y una sonda.

En los termo pares, a dos hilos soldados, la masa a calentar depende de la galga y el dimetro de los hilos y forma de soldadura (hilo torcido o a tope).

Figura 48: Respuesta de un termopar ante varias condiciones.

El pirmetro de radiacin responde rpidamente a los cambios en la temperatura por dos razones principales, la captacin de energa radiante es prcticamente instantnea u la masa de la termo pila es muy pequea.

Figura 49: Respuesta de un pirmetro de radiacin.

El pirmetro de radiacin responde rpidamente a los cambios en la temperatura por dos razones principales, la captacin de energa radiante es prcticamente instantnea u la masa de la termo pila es muy pequea.

Los elementos de temperatura estn inmersos en vainas termomtricas o tubos de proteccin como los expuestos en la figura 50, para tener una proteccin mecnica. Se emplea debido a las altas temperaturas y presiones, siendo el espesor de las paredes mayor que el de los tubos de proteccin, reduciendo la respuesta. Los deben ajustarse para que mejore la transmisin trmica por conduccin sin que exista un volumen apreciable de aire.

Si la temperatura es baja, se puede aplicar una grasa para mejorar el contacto.

Siempre que sea posible, se recomienda prescindir de las vainas y los tubos de proteccin para eliminar el retardo considerable que presenta a la transmisin de temperatura.

Figura 50: Tipos de instalaciones de vainas en tuberas.

Otros factores que influyen en la respuesta son la clase de fluido y la velocidad de circulacin que cuanto mayor sea, tanto mejor ser el suministro de calor aportado. En aire el elemento tiene una constante de tiempo mayor que la del lquido, siendo recomendable que exista una circulacin de 2m/s, al menos.

El error dinmico es inherente a toda medida, ya que se transfiere energa entre el fluido y el elemento, requiriendo un cierto tiempo para efectuarse.

Figura 51: Error dinmico en la instalacin de una vaina o tubo de proteccin.

6.11 Tabla comparativa.

A continuacin la tabla resumen de todo lo expuesto:

Figura 52: Tabla comparativa (I).

Figura 53: Tabla comparativa (II).

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