SENSORES DE TEMPERATURA

Universidad Nacional de Piura

INTRODUCCION Aproximadamente un 16% de todos los

procesos industriales miden, indican o controlan la temperatura. De acuerdo a encuestas hechas recientemente, la medición de temperatura crece a un ritmo del 3,6% anual. Este trabajo tiene la intención de dar al estudiante un alcance amplio de la historia y evolución de esta fase tan importante de la medición, de la teoría y elementos empleados en las aplicaciones en los procesos actuales de medición y control.

Reseña Histórica En 1799, Sir Humphrey Davy (1778-1829) derritió dos

trozos de hielo mediante la fricción entre ellos. Este experimento probó por primera vez que el calor es una forma de energía. Antes de esto, se consideraba que el calor era un fluido sin peso llamado calórico. Este descubrimiento permitió ver al calor desde un punto de vista distinto, y abrió el camino para el progreso en la tecnología de la medición de temperatura, que hasta entonces estaba limitada a termómetros simples.

Desde 1799 hasta ahora se ha progresado enormemente. Hoy en día la temperatura es el proceso industrial variable que más se mide.

TIPOS DE SENSORES DE TEMPERATURA

TERMOMETROS TERMOCUPLA TERMORESISTENCIA TERMISTORES SEMICONDUCTORES

TERMOMETROS Muchos termómetros industriales indican la

temperatura por medio de una aguja sobre un dial calibrado. Estos termómetros no contienen líquido sino que funcionan mediante el principio de la expansión desigual. Ya que los distintos metales se expanden en magnitud diferente, podemos soldar dos distintos y observar lo que sucede cuando se calienta, lo hará en una dirección y cuando se enfría lo hará en el sentido opuesto (de allí el término “Termómetro Bimetálico”). Este movimiento se transmite mediante un dispositivo mecánico apropiado a una aguja que se mueve sobre una escala calibrada.

Ejemplo:

TERMOCUPLA En 1821, hubo un muy importante descubrimiento en el

campo de la termometría. T. J. Seebeck observó que si dos metales distintos están unidos de modo de formar un lazo cerrado, y si una unión está a una temperatura diferente de la otra, se genera una fuerza electromotriz (llamada la f.e.m. Seebeck en honor a su descubridor) y una corriente eléctrica circulará por el lazo cerrado. Experimentos hechos por Seebeck y otros han demostrado que la magnitud de esta corriente eléctrica se encuentra relacionada de una manera predecible con la diferencia de temperatura entre las dos uniones. De modo que si la temperatura de una unión se mantiene a un valor conocido, la temperatura de la otra unión puede determinarse por la magnitud del voltaje generado. Este descubrimiento resultó en un sensor de temperatura que conocemos con el nombre de termocupla.

Ejemplo:

Ventaja a considerar Una ventaja de las termocuplas sobre otros tipos de

sensores es la posibilidad de construir el sensor adaptado a una aplicación específica. Desde la termocupla con sus alambres desnudos hasta la protegida en un tubo de acero inoxidable con cuentas de cerámica protectoras en su interior pasando por una infinidad de dispositivos de montaje. El hecho de que son normalmente muy robustas y económicas y abarcan un rango de temperaturas muy amplio las hacen las indicadas para muchas aplicaciones. Además hay que tener en cuenta de que el hecho de estar formadas por dos alambres muy finos hace que sean muy sensibles en un punto pequeño. Una desventaja es que su f.e.m. de salida no es lineal, de modo que el instrumento que mide su salida debe incluir circuitos de linealización. También su exactitud depende de la pureza de las aleaciones empleadas en su construcción.

TERMORESISTENCIA Otro dispositivo muy empleado para la medición de

temperatura es la termo resistencia. Cincuenta años después que Seebeck descubrió la termoelectricidad, Sir William Siemens, siguiendo una investigación hecha por Sir Humphrey Davy el que determinó que la resistencia de los metales mostraba una relación distintiva con el cambio de temperatura. Las termo resistencias de platino lo mismo que las hechas con otros metales trabajan sobre el principio de que la resistencia eléctrica de ciertos metales aumenta o disminuye en una manera repetible a medida que la temperatura aumenta o disminuye.

Ejemplo:

Ventaja considerar

Una termo resistencia típica de platino puede estar en agua hirviendo y sumergirse en nitrógeno líquido (-195ºC) 50 veces con un error total menor a 2/100 de un grado centígrado. Su estabilidad típica es de ± 0.5ºC por año. Otra ventaja sobre la termocupla es que no necesita alambres especiales o una juntura fría.

Normas:

Con termocuplas trabajamos con el estándar ISA para aleaciones de termocupla. Con las termoresistencias trabajamos con coeficientes de temperatura o “Alfas”. El alfa más popular o más usado para las termo resistencias de platino en el mundo es el 100 ohm internacional que cumple con la DIN43760 es un coeficiente de 0.00385 ohms/ohm/grado centígrado. Esto significa que un elemento a 0ºC tiene una resistencia de 100 ohms mientras que a 100ºC tiene una resistencia de 138,5 ohms.

advertencia Ya que existen dos alfas, es importante que nuestra

instrumentación esté apareada con el alfa correcto. Así como no se usa una termocupla tipo J con un instrumento calibrado para termocuplas tipo K, no se usa una termorresistencia tipo DIN con un instrumento calibrado para un alfa de 0.003826. Esto provocará errores significativos en el sistema. Se debe ser cuidadoso al adquirir termorresistencias y el instrumento asociado a ellas. Lo mismo que no se puede asumir que porque es una termorresistencia de platino tiene un alfa de 0.00385, tampoco se puede asumir que un instrumento que emplea como sensor una termorresistencia de platino está calibrado para un alfa de 0.00385.

Inconvenientes: Primero está el problema de la resistencia de los

cables. Como mencionamos anteriormente, la termorresistencia trabaja como la rama de un puente. En cuanto se encuentra montada a alguna distancia del instrumento, la causa más frecuente de error es la resistencia de los alambres. Ya que estos están hechos con cobre, su resistencia cambia con la temperatura y como se encuentran en serie con la termorresistencia de platino tendremos un error que puede ser importante.

Para compensar estos errores, las termorresistencias se suministran en las versiones con tres y cuatro conductores como se vera en la siguiente figura.

TERMISTORES Otro sensor basado en la variación de resistencia con la

temperatura es el termistor. A diferencia de la termo resistencia, el termistor tiene un coeficiente de temperatura negativo. Esto significa que a medida que la temperatura aumenta la resistencia del termistor disminuye. El cambio por grado centígrado en un termistor es mucho mayor que en una termo resistencia, esto hace que sea muy sensible respecto a pequeños cambios de temperatura. Esta sensibilidad va acompañada por una alinealidad muy grande, usualmente sobre un rango de temperatura menor. Los termistores no se han hecho muy populares en la industria debido a este hecho y que además por ser dispositivos semiconductores, son muy susceptibles a variaciones permanentes en caso de una exposición a temperaturas altas. Por otra parte son bastante frágiles y deben montarse con cuidado cuando están expuestos a golpes o vibraciones.

SENSORES INTEGRADOS

Los sensores de temperatura integrados son una de las últimas innovaciones en el campo de la medida de temperatura. La ventaja principal de este tipo de sensor es que es un dispositivo naturalmente lineal con una salida proporcional a la temperatura absoluta. La salida está indicada en micro amperios por grado Kelvin. El más usado es el AD590 de Analog Devices.

Principio: El sensor integrado utiliza una propiedad

fundamental de los transistores. Si dos transistores idénticos se trabajan en una relación constante de densidades en el circuito de colector (r), luego la diferencia en sus voltajes emisor-base será lineal (kT/q). Ya que ambos k (constante de Boltzmann) y q (carga de un electrón), el voltaje resultante es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Este voltaje se convierta a corriente mediante un resistor de bajo coeficiente de temperatura.

Ejemplo: Lm 35

Conclusiones

Hay que considerar que la respuesta de los sensores metálicos tiende a ser más lenta en respuesta que las termocuplas, aunque la respuesta de estas últimas depende en alto grado de su montaje. Sobre los 850ºC deben emplearse las termocuplas, pero para temperaturas menores se eligen las termoresistencias cuando se necesita mayor estabilidad.

Se debe tener en cuenta que físicamente las termorresistencias no son tan robustas como las termocuplas. En áreas de alta vibración o golpes es mejor emplear las termorresistencias de película delgada.

Hay que tener en cuenta que los sensores integrados son semejantes al los de el termo resistencias más un rango de medida muy limitado, hasta 150 ºC. Como máximo, lo que impide medir grandes temperaturas como por ejemplo hornos de fundición.

Muchas gracias