Capítulo 6: MEDIDAS DE TEMPERATURA

6.1 – Introducción

Es de las medidas más comunes e importantes que se efectúan en procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida se definen en cada aplicación por la precisión, velocidad de captación de la Temperatura, distancia entre el elemento de medida y receptor, y por el tipo de instrumento: indicador, registrador o controlador.Los instrumentos de medición utilizan fenómenos influidos por la temperatura, como:

- Variación en volumen o estado (sólido, líquido, gas).- Variación de resistencia de un conductor (Sondas de resistencia).- Variación de resistencia de un semi-conductor (Termistores).- FEM (voltaje) creada en la unión de 2 metales (Termopares).- Intensidad de la radiación emitida (Pirómetro de radiación).

6.2 – Termómetro de Vidrio

Consta de un depósito de vidrio que contiene Mercurio, que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. Según el líquido, el rango de medida es:

Mercurio -35 °C +280 °CMercurio (tubo con gas) -35 °C +450 °CPentanol -200 °C +20 °CAlcohol -110 °C +50 °CTolueno -70 °C +100

6.3 – Termómetro Bimetálico

Consta de una aleación de metales laminados con distinto coeficiente de dilatación, ejemplo: latón, monel o acero y una aleación Fe-Ni o Invar. No requieren mantenimiento y su precisión es de +/- 1 (%), con un campo de medida entre los -200 y +500 (°C).

6.4 – Termómetro de Bulbo y Capilar

Constan de un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando cambia la temperatura del bulbo, el gas/líquido se expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja.

- Clase I: Líquido (alcohol o éter), basados en el principio de dilatación del líquido, con un campo de medición entre los +150 y +500 (°C).

- Clase II: Vapor, basados en el principio presión de vapor (más temperatura, aumenta la presión).

- Clase III: Gas, basados en el principio de presión (idem vapor).

- Clase IV: Mercurio, basados en la dilatación (idem líquido).

6.5 – Termómetro de Resistencia

Basa su funcionamiento en la relación entre resistencia eléctrica y temperatura, a partir del “coeficiente de temperatura de resistencia”, para un conductor bobinado entre capas de un aislante y recubierto por vidrio o cerámica.

Rt=Ro (1+αT ) ; R0=R (T=0 °C )Propiedades del conductor:

1. Alto coeficiente de temperatura resistencia, para mayor sensibilidad.2. Alta resistividad, mayor variación por grado, traducido en mayor sensibilidad.3. Relación lineal Resistencia-Temperatura.4. Rigidez y Ductilidad, fácil proceso de fabricación en bobinados pequeños, traducido en

rapidez de respuesta.5. Estabilidad de las características durante la vida útil.

Materiales más usados- Platino: Es el más adecuado en términos de precisión (0,01°C) y estabilidad, pero es caro.

Existen en versiones de resistencia de 25, 100 y 130 (ohms) a 0 (°C). Intervalo de temperatura entre los -200°C y los +950°C. (α=0,00385 )

- Níquel: Más barato que el Pt y con mayor resistencia (mayor variación por grado), pero no posee una relación lineal Resistencia-Temperatura. Precisión de 0,5 (°C), disponibles sólo en 100 (ohms) a 0 (°C). (α=0,0063a0,0066 )

- Cobre: Variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero posee una baja resistividad. Precisión 0,1 (°C)Disponible sólo con resistencia de 10 (ohms) a 0 (°C).(α=0,00425 )

Las bobinas que llevan arrollado el hilo, están encapsuladas y situadas dentro de un tubo de protección o vaina de material adecuado al proceso (acero, acero inox. 316, hastelloy, monel, etc.)La variación de resistencia de la sonda es medida con un “Puente de Wheatstone” que se clasifican según la cantidad de hilos que conectan la sonda al puente:

- Dos hilos: es el más sencillo de los montajes, pero introduce una variación que falsea la indicación debido a la longitud de los hilos, usado cuando no se requiere tanta exactitud en la lectura. (Ecuación)

- Tres hilos: es el más usado en la práctica, este montaje evita falsear la medida (no es afectada por longitud de conductores ni por la temperatura, la condición es que RA = RB.

- Cuatro hilos: permite la mayor presición, se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda, combinando las conexiones. Así se compensan las resistencias desiguales de los hilos y el valor de resitencia es el promedio de ambas mediciones.

La medición automática de temperatura considera instrumentos autoequilibrados que utilizan un circuito de puente de Wheatstone, que al estar desequilibrado acciona un motor mediante el cual mueve un brazo que equilibra el puente y acciona los mecanismos de indicación, registro y control.

Otros instrumentos utilizan un puente de capacidades con un condensador variable cuya posición está calibrada en función de la temperatura (mismo funcionamiento que anterior).El indicador galvanométrico de puente de resistencias posee un switch de 2 posiciones, una que señala la lectura más baja de la escala y otra que conecta la sonda para medir la temperatura.La adición de un microprocesador a la sonda permite obtener un transmisor “inteligente”, que permite cambiar de sensor o campo de medida, la obtención de puentes de W. o de capacidades.

6.6 – Termistores

Son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que varían rápida y ampliamente, permitiendo medir pequeños cambios en T.Se fabrican con Óxidos de Ní, Mn, Fe, Co, Cu, Mg, Ti y otros metales, y están encapsulados.

Se obtiene una mejor estabilidad mientras más envejecido esté [Fig 6.16 - p237]. Se conectan a puentes de Wheatstone u otros circuitos de medida de Resistencia. En intervalos amplios de Temperatura, poseen características no lineales. Son más sensibles que las sondas de resistencia y permiten un menor intervalo de medida (1 °C de span). Son de tamaño pequeño y con un tiempo de respuesta que depende de la capacidad térmica y la masa del termistor, entre los 0,5 y 10 seg.La distancia entre el termistor e instrumento de medida puede ser considerable, siempre que la resistencia de los cables de unión sea mucho menor. La principal aplicación es la medición, compensación y control de T, y como medidores de T diferencial.

- [Curva característica de un termistor]

6.7 – Termopares

6.7.1 – Leyes, curvas y tablas características, tubos de protección y su selecciónSe basan en el efecto Seebeck (1821), circulación de una corriente que se genera en una aleación de metales a diferente temperatura (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría). Esto obedece a 2 efectos termoeléctricos: Peltier, que provoca liberación o absorción de calor cuando circula la corriente a través de la unión; y Thomson: liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal con gradientes de temperatura (regiones a diferentes T).La corriente que se genera calienta el termopar, puede afectar la presición en la medida, I = 0 A. Existen 3 leyes fundamentales:

- Circuito homogéneo: en un conductor metálico homogéneo no se puede sostener la circulación de una corriente por la exclusiva aplicación de calor.

- Metales Intermedios: para un circuito de varios conductores, si la temperatura es uniforme en un par de ellos, la suma de las fem’s es independiente de aquellos conductores intermedios.

- Temperaturas sucesivas: La fem generada por uniones T1 y T3 es la suma algebraica de la fem generada por unines T1 y T2 + uniones T2 y T3.

Las leyes indican que el circuito desarrolla una tensión continua proporcional a la unión de medida, siempre que haya una diferencia de T con la unión de referencia.

Los alambres deben tener resistencia a la corrosión, oxidación, reducción y cristalización, desarrollar una fem relativamente alta, ser estables, baratos, de baja resistencia eléctrica y que la relación entre T y fem sea paralela.

Termopar Tipo R o S son aplicables a medición de elevadas temperaturas; Tipo E (Cr-const.), se puede usar en el vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora, posee la fem más alta por variación de temperatura; Tipo T (Cu-const.), posee elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación, se puede usar en atmósferas oxidantes o reductoras; Tipo J (Fe-const.) posee la desventaja de la oxidación del Hierro; Tipo K (Cr-Al) se recomienda para atmósferas oxidantes, no debe ser usado en atmósferas reductoras ni sulfurosas sin protección.La protección o vaina debe ser adecuada a la aplicación, usualmente de hierro, acero sin soldadura, acero inoxidable, inconel, cerámico, etc.Cuando el termopar se instala a una larga distancia del instrumento, se deben utilizar cables de extensión con propiedades eléctricas similares a las del termopar, para T entre 0 y 200 (°C):

- Conductores tipo J para termopares tipo J.- Conductores tipo K o T para termopares tipo K.- Conductores tipo T para termopares tipo T.- Conductores tipo E para termopares tipo E.- Conductores Cobre-Cobre/Níquel para termopares tipo R, S o B.

La conexión debe ser perfecta y directa, de lo contrario ocurren errores asociados a la calibración del instrumento.Los termopares (tensiones entre 2 y 50 mV) son susceptibles al ruido eléctrico industrial, así como también a la radiación de la radio, TV y microondas, lo que exige que los cables estén torcidos y apantallados, logrando una buena relación señal/ruido.

Existen 2 formas de medir la f.e.m. del termopar: Circuito Galvanométrico y Circuito Potenciómetro.

6.7.2 – Circuito GalvanométricoSe basa en la desviación de una bobina situada entre 2 polos de un imán permanente, al conectar el termopar al circuito, la corriente generada por la f.e.m. genera un campo electromagnético que permite el movimiento de la posición de la bobina, a la que se une una aguja indicadora.En la construcción tiene importancia:

- Buen estado de los rodamientos, a fin de garantizar precisión.- Resortes con histéresis elástica mínima, para que la histéresis del instrumento sea baja.- Las variaciones de la temperatura pueden influir en la resistencia del circuito de medida,

afectando la exactitud.Posee una espiral bimetálica o termistor que compensa los cambios en la temperatura ambiente.Es afectado por señales parásitas de corriente continua (no por alterna), lo que genera un corrimiento del cero del instrumento.

6.7.3 – Circuito PotenciométricoSe basa en un circuito formado por una fuente de poder y un reóstato, al conectar el termopar, se comparan la f.e.m. con la tensión dada por el cursor del reostato (R) de modo que si son diferentes, un amplificador de potencia exita a un motor para que modifique la posición del cursor de R.Elementos: Transductor, que convierte la señal de error de corriente continua a pulsos; Amplificador de tensión; Amplificador de potencia; Motor de equilibrio.

Es necesario compensar las variaciones de la temperatura en la unión del termopar. Para ello se utiliza una resistencia que compensa la pérdida de f.e.m. al variar la temperatura de la unión de referencia, asegurando que el instrumento cumpla con la precisión de medida del fabricante. Para obtener más exactitud en la medida, es posible utilizar cajas de compensación, las que controlan la temperatura ambiente compensando las variaciones, pero requieren de una mayor potencia y uso de termostatos.Posee además una resistencia contra la rotura del termopar.Los circuitos potenciómetricos son afectados por corrientes parásitas alternas, que perturban la sensibilidad del amplificador, ocasionando una respuesta lenta ante cambios en la señal de Temperatura.La incorporación de un microprocesador permite obtener circuitos potenciométricos de diferentes características, así como transmisores inteligentes, con salida linealizada de 4-20 mA cc. Y aislamiento galvánico, que ayuda a evitar el ruido.

6.7.4 – Comparación entre Circuitos Potenciométricos y GalvanométricosTabla comparativa de Circuitos Galvanométricos y Potenciométricos [Tabla 6.7 - p275].

6.7.5 – Verificación de un instrumento y un termoparExisten 2 casos: verificación de un instrumento galvanométrico o potenciométrico y la verificación de la f.e.m. de un termopar.

- Verificación Instrumento: con un potenciómetro se genera una señal en mV para la cual es conocida su temperatura (Tablas), si el instrumento está bien calibrado marcará la lectura correcta. Esta prueba debe considerar además la temperatura ambiente, siendo la señal calculada como la diferencia entre el valor de voltaje de la temperatura de prueba y la temperatura ambiente.

- Verificación Termopar: se realiza también con un potenciómetro, pero de manera inversa, es decir, se somete al termopar a una Temperatura conocida y se leen los valores de voltaje. También se debe considerar la temperatura ambiente (compensación), siendo la señal esperada la suma de los valores de voltaje para la temperatura esperada y la temperatura ambiente.

6.8 – Pirómetros de Radiación

Se basan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante en (J/s-A) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo. Los pirómetros miden la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Existen 4 tipos:

6.8.1 – Pirómetros ópticosSe basan en la desaparición del filamento de una lampara que se compara visualmente con el objeto al que se quiere medir la temperatura. Hay 2 tipos: de corriente variable y de corriente constante en la lámpara.Los pirómetros automáticos (parecidos a los de radiación infrarroja) modifica la señal enviada a la lámpara hasta que el brillo de esta coincide con el del objeto.Sólo trabaja eficazmente a temperaturas superiores a 700 (°C), rango de radiación visible. La mejor presición que puede lograrse es de +/- 0,5%.Este tipo de pirómetros no nos dará la temperatura verdadera a menos que la superficie sea perfectamente negra (absorción de todas las radiaciones y reflexión nula), para corregirlo se debe utilizar el valor de absorción o emisión ε (ecuación de Boltzman) de la superficie.

6.8.2 – Pirómetros infrarrojosSólo es capaz de captar la radiación infrarroja, por lo que puede medir temperaturas menores a los 700 (°C). Posee un termopar o termistor donde concentra la radiación filtrada por una lente que enfoca al objeto. Al igual que el óptico, debe considerar el coeficiente de emisión del cuerpo.Cuenta con un compensador de emisividad que corrige la temperatura leída debido a la emisividad del cuerpo y la presencia de gases o materiales transparentes entre la lente y el objeto. Posee una presición de +/- 0,3%.

6.8.3 – Pirómetros fotoeléctricosEs más rápido que los sensores térmicos, pero muy sensible al ruido eléctrico, lo que se corrige con un sistema de de refrigeración en base a Nitrógeno líquido. El detector genera una tensión proporcional al cubo de la temperatura. Para amplificar esta señal, se transforma a corriente alterna y se procesa con un amplificador de alta ganacia. Tiene un campo de trabajo entre

Temperaturas de 35°C a 1200°C, pudiendo enfocar desde 1 metro hasta el infinito, posee una constante de tiempo de 2, 2 ó 200 (ms) y una señal de salida de 10 (mV).

Oscar Castro