UNEFA Dpto. Ing. Electrónica 1-2005 Término X Instrumentación de Control Prof. Camilo Duque TEMA...

UNEFADpto. Ing. Electrónica

1-2005 Término XInstrumentación de Control

Prof. Camilo Duque

TEMA 4

MEDICION DE TEMPERATURA

1.- Tipos de Elementos Primarios.

2.- Montaje en campo de medidores.

3.- Conexiones de Elementos Primarios.

4.- Transmisores de Temperatura.



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1.- Tipos de Elementos Primarios.

Los instrumentos de medición de temperatura se basan en varios fenómenos que son influidos por la temperatura:

a) Variaciones en el volumen o estado de u cuerpo.b) Variación en el resistencia de un conductor.c) Variación en la resistencia dinámica de un semiconductor.d) f.e.m. Creada en la unión de 2 metales distintos. (Seebeck)e) Intensidad de radiación emitida por el cuerpo.f) Otras. (Usualmente para condiciones de laboratorio).



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1.- Tipos de Elementos Primarios.a) Variaciones en el volumen o estado de u cuerpo.

En el campo industrial su principal aplicación es la de instrumentos indicadores.

Termómetros de vidrio. El volumen del mercurio aumenta con la temperatura. Es muy común

encontrarlos en equipos de procesos térmicos en plantas de alimentos.

Termómetros Bimetálicos. Dos metales de distinto coeficiente de dilatación se funden de forma tal que se produzca una variación en longitud (planos) o un torque (espirales). Es muy común encontrarlos en equipos de procesos térmicos en plantas de alimentos y en tuberías que llevan fluidos.

Termómetros de bulbo y capilar. El bulbo es la sonda de medición y el capilar que termina en espiral es la extensión del bulbo que va hacia el indicador. Dentro del ambos hay un líquido o gas que se dilata con la temperatura produciendo el torque de la aguja indicadora. Es muy común encontrarlos en tuberías de proceso y servicio.



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1.- Tipos de Elementos Primarios.b) Variación en el resistencia de un conductor.

Consiste de un arrollamiento de hilo muy fino del material conductor bobinado entre capas de aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica.

La medición se logra ya que el material conductor utilizado tiene un “coeficiente de temperatura de resistencia” que representa la resistencia del material a una temperatura específica.

R0 = resistencia a 0ºCRt = resistencia TºCα = coeficiente de temperatura de la resistencia

TRRt 10



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Los materiales usuales son Platino, Níquel y Cobre

Metal Intervalo ºC Costo Precisión ºCPlatino -200 a 950 alto 0.01Níquel -150 a 300 medio 0.5Cobre -200 a 120 bajo 0.1



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Comúnmente se les referencia como RTD.

La más usada a nivel industrial es la de platino a pesar de su costo. Esto es debido a su precisión y rango.

Dentro de las RTD de platino hay diferentes opciones que se designan por la resistencia que presentan a 0ºC:

Pt100 - 100 ohm)

Pt500 - 500 ohm)

Pt1000 - 1000 ohm)

Estos medidores tienen como aplicación principal en el control, registro e indicación de temperaturas, a través del respectivo instrumento asociado (transmisor, controlador, etc.)

No se pueden usar conductores de señal de mucha longitud por que variarían la resistencia vista por el instrumento secundario.



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1.- Tipos de Elementos Primarios.c) Variación en la resistencia dinámica de un semiconductor.

Son semiconductores con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo muy elevado, por lo que presentan grandes variaciones a pequeños cambios en la temperatura, o sea:

Su aplicación en el campo industrial es casi nula, excepto en la compensación de otros instrumentos electrónicos tales como transmisores.

01

11

0TT

t eRR



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1.- Tipos de Elementos Primarios.d) f.e.m. Creada en la unión de 2 metales distintos. (Seebeck)

En 1821 Seebeck descubrió que en la unión de 2 metales diferentes se genera una mínima tensión capaz de producir una corriente que circule por los metales cuya magnitud es proporcional a la temperatura a la que se someta la “unión caliente”.



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1.- Tipos de Elementos Primarios.d) f.e.m. Creada en la unión de 2 metales distintos. (Seebeck)Si analizamos el circuito típico de medición se observa que se reduce a la medición de la corriente generada por la unión caliente compensada por la unión fría a 0ºC (si no existiera la unión fría no hay corriente?)

Es obvio que implementar una unión fría como referencia a 0ºC resulta casi imposible en aplicaciones industriales. Para solventar esto existen 2 opciones: Compensación por hardware (termistores u otro elemento electrónico que le indique al instrumento secundario la referencia) o Compensación por software (que mediante programa se realice el ajuste previamente obtenido por calibración).



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1.- Tipos de Elementos Primarios.d) f.e.m. Creada en la unión de 2 metales distintos. (Seebeck)Uno de los metales más utilizados es el platino, según el segundo metal seleccionado y la relación de liga recibe el nombre de Tipo J,K, E, T, R, S o B.

La aleación determinará las características operativas del instrumento (rango, precisión, etc.)



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ThermocoupleType

Conductor TemperatureRange C)

Voltage Range(mV)

Seebeck CoefficientV/C)

Positive Negative

E Chromel Constantan -270 to 1,000 -9.835 to 76.358 58.70 at 0 C

J Iron Constantan -210 to 1,200 -8.096 to 69.536 50.37 at 0 C

K Chromel Alumel -270 to 1,372 -6.548 to 54.874 39.48 at 0 C

T Copper Constantan -270 to 400 -6.258 to 20.869 38.74 at 0 C

S Platinum-10%

Rhodium Platinum -50 to 1,768 -0.236 to 18.698 10.19 at 600 C

R Platinum-13%

Rhodium Platinum -50 to 1,768 -0.226 to 21.108 11.35 at 600 C



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1.- Tipos de Elementos Primarios.d) f.e.m. Creada en la unión de 2 metales distintos. (Seebeck)Una vez que un sistema a adquirido una temperatura vía una termocupla es necesario linealizar los datos debido a que el comportamiento Temperatura vs Voltaje no es lineal. Para esto existen algunas fórmulas polinómicas de aproximación



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Thermocouple Type E J K R S T

Range 0° to 1,000 C 0 to 760 C 0 to 500 C -50 to 250 C -50 to 250 C 0 to 400 C

a0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0a1 1.7057035E -2 1.978425E -2 2.508355E -2 1.8891380 E-1 1.84949460E -1 2.592800E -2

a2 -2.3301759E -7 -2.001204E -7 7.860106E -8 -9.3835290E -5 -8.00504062E -5 -7.602961E -7

a3 6.5435585E -12 1.036969E -11 -2.503131E -10 1.3068619E -7 1.02237430E -7 4.637791E -11

a4 -7.3562749E -17 -2.549687E -16 8.315270E -14 -2.2703580E -10 -1.52248592E -10 -2.165394E -15

a5 -1.7896001E -21 3.585153E -21 -1.228034E -17 3.5145659E -13 1.88821343E -13 6.048144E -20

a6 8.4036165E -26 -5.344285E -26 9.804036E -22 -3.8953900E -16 -1.59085941E -16 -7.293422E -25

a7 -1.3735879E -30 5.099890E -31 -4.413030E -26 2.8239471E -19 8.23027880E -20

a8 1.0629823E -35 1.057734E -30 -1.2607281E -22 -2.34181944E -23

a9 -3.2447087E -41 -1.052755E -35 3.1353611E -26 2.79786260E -27

a10 -3.3187769E -30



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1.- Tipos de Elementos Primarios.d) f.e.m. Creada en la unión de 2 metales distintos. (Seebeck)La construcción de una termocupla es más simple que la de una RTD.

Dentro de la funda o vaina de iconel solo va la unión caliente sumergida en óxido de magnesio que se usa para mantener fija la unión y como aislante.

Estos medidores tienen como aplicación principalen el control, registro e indicación de temperaturas, a través del respectivo instrumento asociado (transmisor, controlador, etc.)

Sin embargo no puede usarse conductores de señal muy extensos debido a que la tensión es mínima y se produciría caída de importante magnitud.



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1.- Tipos de Elementos Primarios.e) Intensidad de radiación emitida por el cuerpo.Su funcionamiento se basa en el principio de que la cantidad de absorción (radiación) de energía es proporcional a la temperatura del cuerpo.

Su principal aplicación es en la medición no intrusiva, es decir cuando no hay que perforar el medio a medir la temperatura. Para esto se usan “pistolas” que emitan una radiación infrarroja hacia la superficie del medio a medir y se mide entonces la diferencia entre la radiación emitida por la pistola y la reflejada por el cuerpo.



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2.- Montaje en Campo de Medidores.

Independientemente del tipo de medidor a utilizar el montaje en campo se realiza muy similarmente.

La idea es que el elemento sensor quede inmerso en el proceso con las restricciones necesarias para una medida confiable y que la conexión pueda ser llevada a cabo en forma fácil y segura.

Sensor

Vaina o Funda de protección

Cabezal Zócalo

Bornes

Elementos de conexión y montajeTipos: Para soldar, con rosca y con brida

Unidad de MedidaIncluye:sensor, zócalo, bornes y cables.



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Si el ambiente donde se ha de instalar el sensor es muy húmedo y/o no se coloca en forma fija inmerso en el proceso se utiliza otro tipo de montaje:

En este caso el zócalo y bornes de conexión están dentro del encapsulado que debe ser con grado de protección IP65. Generalmente se suministra con cables de extensión. La desventaja de este tipo de montaje es que no se puede incorporar el transmisor.

SensorVaina o Funda de protección



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Tanto el tipo de montaje del elemento sensor como la unidad de medida en si, como los accesorios restantes deben ser especificados por separado según los requerimientos técnicos.

Así por ejemplo, existen varios tipos de montaje fijo con cabezal:

Las variantes son el tipo de material (aluminio, plástico o acero inoxidable), las dimensiones de las conexiones (conduit de canalización y diámetro de perforación), el grado de protección (IP65 o menor).



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Las fundas de protección pueden ser de diferentes longitudes, diferentes diámetros, materiales, pueden ser con rosca o con brida para intercambiar el cabezal.



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Adicionalmente es necesario tomar en cuenta las condiciones del proceso y del punto de medición, tanto desde el punto de vista mecánico, eléctrico, costo, etc.

Así por ejemplo, el punto de medición dentro de un sistema debe escogerse de tal forma que sea razonablemente representativa la ubicación del sensor.

Puerta hacia exterior @Tamb

Puerta al área de descongelación @12ºC

Unidad de enfriamiento

Cava de congelación @3ºC máx



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El esfuerzo mecánico al que se someta el sensor es importante, ya que puede causar fricción, tensión superficial sobre la funda, absorción de calor, etc. lo que puede desviar la medición.



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La forma de conexión de los sensores de temperatura es particular de cada elemento, así las RTD tienen 3 tipos de conexiones posibles, las termocuplas se conectan de forma única pero el cable debe ser seleccionado en forma específica.

Las RTD tienen 3 formas de conexión:

- A 2 hilos.

- A 3 hilos.

- A 4 hilos.



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Conexión de A 2 hilos de una RTD:

RL son las resistencias debido a los cables de extensión, los cuales introducen un error, ya que la medición ocurre no de RT sino de 2RL+RT.

Este método resulta poco confiable, pero se puede usar si se aplica alguna o ambas de las consideraciones siguiente:

a) El cable tiene un diámetro bastante considerable, tal que la resistencia disminuya (Cable Grueso 18 AWG)

b) El cable se usa para distancias cortas (máx. 3 mts.)



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Esta conexión es la más común en instalaciones industriales debido a su bajo costo, confiabilidad y facilidad de instalación y mantenimiento. Esta variante es tan difundida que la mayoría de instrumentos industriales vienen para trabajar en esta configuración y las RTD se suministran con 3 alambres (marrón, azúl y verde).

De esta forma se puede eliminar el error de la conexión a 2 hilos siempre y cuando los tres conductores tengan la misma resistencia eléctrica. Con esto se pueden obtener distancias medias (máx 15 mts) pero se aconseja aplicar los mismos criterios del caso anterior.



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Bajo esta configuración se puede obtener la mayor precisión posible, pero a cambio, el sistema de medición resulta más costoso y complejo (el instrumento secundario y conductores). Aplicar esta técnica no es más que extender el puente de equilibrio de medición hasta el elemento primario con la finalidad de reducir el error.



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Conexión de Termocuplas:

Como ya se mencionó antes, los cables de extensión ocasionan distorsión debido a las uniones que se presentan, para contrarrestar esto hay dos formas:

- Localizar la unión de referencia en el instrumento de medición y utilizar dispositivos automáticos para compensar (software).

- Seleccionar los conductores de extensión de tal forma que las uniones que ocurran, neutralicen en conjunto el error y el instrumento de medición sólo perciba como resultante la fem generada por la unión caliente.



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Conexión de Termocuplas:

Para compensar con los cables de extensión se puede proceder de una o dos de las formas siguientes:

- Utilizar el propio termopar para llegar al instrumento secundario.

- Usar cables de extensión hechos con metales de propiedades termoeléctricas similares a las de la termocupla.

La primera opción teóricamente no introduce error pero es factible para distancias cortas, mientras que la segunda, se puede para distancias medias a grandes.

La conexión debe hacerse sin empalmes, con un conductor con las protecciones y calibre apropiados para reducir el error de naturaleza eléctrica.



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4.- Transmisores de Temperatura.

Existen muchas opciones en el mercado pero los aspectos principales a tomar en cuenta al seleccionar un transmisor son:

- Tipo de montaje: en cabezal o en riel (en un tablero).

- Tipo de salida: analógica (0-20mA, 4-20mA, etc.) o digital (bus de campo).

- Opciones de ajuste: cero, span, compensación.

- Precisión.

- Tiempo de respuesta.

- Rango de operación.

- Alimentación.

- Grado de protección (IP).

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