TEMARIO

2.4. MEDICIÓN DE TEMPERATURA. La medida de temperatura constituye una de las más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran: • • • • •

variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases); variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia); variación de resistencia de un semiconductor (termistores); f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares); intensidad de radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación); etc.

Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, la conversión mas común es de °C a °F. t(°C)=t(°F)-32/1.8 °F=1.8 t°C +32 A continuación se describirán los instrumentos de temperatura empleados mas comúnmente. 2.4.1. TERMÓMETRO DE VIDRIO. El termómetro de vidrio consta de un deposito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar.

Figura 2.4.1. Termómetro de vidrio.

Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son: Fluido Rango Mercurio -35 hasta +280º C Mercurio (Tubo capilar lleno de gas) -35 hasta +450º C Pentano -200 hasta +20º C Alcohol -110 hasta +50º C Tolueno -70 hasta +100º C Tabla 2.4.1. Rango de trabajo en termómetros de vidrio. 2.4.2. TERMÓMETRO BIMETÁLICO. Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel y acero y una aleación de ferroniquel o invar laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices. El principio de medición es que volumen del bimetal varia con la temperatura.

Figura 2.4.2. Termómetros bimetálicos. Ventajas: • Menos sujetos a quiebre que los de vidrio y mas fáciles de leer. • Simples y de bajo costo. • Admiten ser colocados en diferentes posiciones. •

Desventajas: Están confinados a mediciones locales.

•

La precisión no es tan buena como la de los sensores de tubo de vidrio. (Rango: -70 hasta +500º C).

2.4.3. TERMÓMETRO DE BULBO Y CAPILAR. Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. Hay cuatro clases de este tipo de termómetros: • Clase I : Termómetros actuados por líquidos. • Clase II : Termómetros actuados por vapor. • Clase III : Termómetros actuados por gas. • Clase IV : Termómetros actuados por mercurio. 2.4.3.1. Clase I: Sistemas llenos con líquidos. Se caracterizan en que la dilatación es proporcional a la temperatura, por lo que la escala de medición resulta uniforme. Los líquidos que se utilizan son alcohol y éter.

Figura 2.4.3. Termómetro clase I. 2.4.3.2. Clase II: Sistemas llenos con vapor. Estos termómetros contienen un líquido volátil y se basan en el principio de presión de vapor. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala. La presión en el sistema depende solamente de la temperatura en el bulbo. Si la temperatura del bulbo (temperatura medida) es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medición están llenos de líquido (Clase IIA), siendo

necesario corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y elemento de medición. Si la temperatura medida es más baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor (Clase IIB). Si la temperatura medida opera a una temperatura superior e inferior a la temperatura ambiente (Clase IIC), se utiliza un bulbo grande como para operar en clase IIA y IIB. Es importante mencionar que en este sistema la temperatura medida no debe cruzar la temperatura ambiente. La Clase IID trabaja con la temperatura de medición superior, igual e inferior a la ambiente, empleando otro líquido no volátil para transmitir la presión de vapor.

(a) Termómetro clase IIA

(b) Termómetro clase IIB

(c) Termómetro clase IIC (d)Termómetro clase IID Figura 2.4.4.

2.4.3.3. Clase III: Sistemas llenos de gas. En estos termómetros, al subir la temperatura, la presión del gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto estos termómetros tienen escalas lineales. Otras características de estos termómetros son: • Se llenan con gases inertes (N o He). • Pueden operar a temperaturas muy bajas (-268ºC) o muy altas (760ºC). • Máximo span: sobre los 600ºC. • Mínimo span: 220ºC convencionales 65ºC especiales. • Constante de tiempo: 1 - 4 segundos • Sobreproteción: 150 - 300% del máx. temp. 2.4.3.4. Clase IV: Sistemas con Mercurio. Estos termómetros son similares a los de clase I. Sus principales características son: • Rango desde -40º hasta 650º C. • Span desde 28º hasta 667º C • Velocidad de respuesta más rápida que los otros sistemas de líquidos, pero más lenta que los sistemas de gas. • Sobreprotección mínima: 100% 2.4.4. TERMORESISTENCIAS (RTD). La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado "coeficiente de temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente: Rt = R0 (1 + a t)

En la que: R0 = Resistencia en ohmios a 0°C. Rt = Resistencia en ohmios t °C. a = Coeficiente de temperatura de la resistencia.

El detector de temperatura de resistencia (RTD) se basa en el principio según el cual la resistencia de todos los metales depende de la temperatura. La elección del platino en los

RTD de la máxima calidad permite realizar medidas más exactas y estables hasta una temperatura de aproximadamente 500 ºC. Los RTD más económicos utilizan níquel o aleaciones de níquel, pero no son tan estables ni lineales como los que emplean platino. En cuanto a las desventajas, el platino encarece los RTD, y otro inconveniente es el autocalentamiento. Para medir la resistencia hay que aplicar una corriente, que, por supuesto, produce una cantidad de calor que distorsiona los resultados de la medida.

Figura 2.4.5. Termoresistencias. La variación de resistencia de las RTD es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes de dos hilos, de tres hilos o de 4 hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda a la resistencia del puente. En el montaje de dos hilos la RTD se conecta a uno de los brazos del puente y se varía R3 hasta que se anula la desviación del galvanómetro. En ese instante, se cumple la ecuación. R1 R R = 2 => RTD = R3 ⋅ 2 R3 RTD R1 Es el montaje más sencillo, pero presenta la desventaja de que la resistencia de los hilos A y B de conexión de la sonda al puente varía cuando cambia la temperatura, y esta variación falsea por tanto la indicación. En efecto, la ecuación anterior pasa a: R1 R2 = R3 RTD + K ( A + B) donde: K = Coeficiente de resistencia por unidad de longitud. A y B = Longitudes de los hilos de conexión de la RTD al puente.

Figura 2.4.6. Conexión de dos hilos En el montaje de tres hilos, la RTD esta conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que esta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente, siendo la única condición que la resistencia de los hilos A y B sea exactamente la misma. En efecto, de la figura 2.4.7 puede verse que la ecuación correspondiente es: R1 R2 = R3 + K · A RTD + K ·B y como K·A=K·B, haciendo R2 /R1=1, R3 puede ajustarse a un valor igual a RTD para que el galvanómetro no indique tensión.

Figura 2.4.7. Conexión de tres hilos. El montaje de cuatro hilos se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la medida, como es el caso de calibración de patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de modo tal que la RTD pase de un brazo del puente al adyacente. De este modo se compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexión y el valor de la resistencia equivale al promedio de los valores determinados en las dos mediciones.

Figura 2.4.8. Conexión de 4 hilos. Para estos casos, la medición automática de la resistencia y por lo tanto de la temperatura se lleva a cabo mediante instrumentos autoequilibrados que utilizan un circuito de puente de Wheatstone. Otra técnica usada para la determinación de resistencia es la de RTD de 4 cables con fuente de corriente (figura 2.4.9). Esta técnica mide la resistencia en los terminales del RTD, con lo cual la resistencia de los hilos queda eliminada de la medida. La adición de un microprocesador a la sonda de resistencia permite obtener un transmisor “inteligente” con la posibilidad del cambio automático del sensor o del campo de medida, la obtención por hardware o software de puentes de Wheatstone, etc.

Figura 2.4.9. RTD de cuatro cables con fuente de corriente.

2.4.5. TERMISTORES. Los Termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado y que presentan una curva característica lineal tensión-corriente siempre que la temperatura se mantenga constante. La relación entre la resistencia y la temperatura viene dada por la expresión.

En la que: Rt = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt. R0 = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T0. β = constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas. Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Los termistores de conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida de 1°C (span). Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de fracciones variando de fracciones de segundo a minutos. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperaturas del proceso. Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros. Los termistores, que son detectores resistivos fabricados normalmente de semiconductores cerámicos, ofrecen las siguientes ventajas: • • •

Una impedancia mucho más alta que los RTD, por lo que la reducción de los errores provocados por los hilos conductores hace bastante factible el uso de la técnica de dos hilos, que es más sencilla. Su alto rendimiento (un gran cambio de resistencia con un pequeño cambio de temperatura) permite obtener medidas de alta resolución y reduce aún más el impacto de la resistencia de los hilos conductores. La bajísima masa térmica del termistor minimiza la carga térmica en el dispositivo sometido a prueba.

Desventajas: • La baja masa térmica también plantea un inconveniente, que es la posibilidad de un mayor autocalentamiento a partir de la fuente de alimentación utilizada en la medida. • Falta de linealidad, lo que exige un algoritmo de linealización para obtener unos resultados aprovechables.

(a) Curva característica de termistores. Figura 2.4.10

(b) Termistores.

2.4.6. TERMOCUPLAS O TERMOPARES. Los termopares se utilizan extensamente, ya que ofrecen una gama de temperaturas mucho más amplia y una construcción más robusta que otros tipos. Además, no precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos. Sin embargo, para superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos. a) Efecto Termoeléctrico. Cuando un conductor metálico es sometido a una diferencia de temperatura, entre sus extremidades surge una fuerza electromotriz (f.e.m.), cuyo valor por lo general no excede el orden de magnitud de milivolts, como consecuencia de la redistribución de los electrones en el conductor cuando éstos se someten a un gradiente de temperatura. La figura 3.4.12 representa esquemáticamente el fenómeno.

Figura 2.4.11. Efecto termoeléctrico. El valor de la f.e.m. depende de la naturaleza del material y del gradiente de temperatura entre sus extremidades. En el caso de un material homogéneo, el valor de la f.e.m. no depende de la distribución de temperatura a lo largo del conductor, pero sí, de la diferencia de temperatura entre sus extremidades.

Este fenómeno es básico para poder entender la termoelectricidad y su aplicación en la medición de temperatura. b) Efecto Seebeck. Históricamente el efecto Seebeck fue el primer efecto termoeléctrico observado, a pesar de ser una consecuencia del efecto presentado anteriormente. Consideremos dos metales denominados genéricamente “A” y “B” sometidos a la misma diferencia de temperatura entre sus extremidades. En cada uno de ellos surgirá una fuerza electromotriz de acuerdo a con la figura 2.4.12:

Figura 2.4.12. Dos metales distintos sometidos al mismo diferencial de Tº. Se comprobó entonces que cuando los metales son unidos en una de las extremidades de acuerdo con la figura 2.4.13, se mide una fuerza electromotriz entre las extremidades separadas, cuyo valor corresponde a la diferencia entre los valores de la f.e.m. que surge en cada uno de los metales.

Figura 2.4.13. Metales unidos en una extremidad. A este fenómeno se le conoce como Efecto Seebeck y la configuración de la figura de arriba corresponde al sensor de temperatura conocido como termopar o termocupla. Los elementos “A” y “B” que constituyen el termopar se denominan termoelementos y, a raíz de la polaridad de la fuerza electromotriz EAB, “A” es el termoelemento positivo y “B” el termoelemento negativo del termopar “AB”. En la configuración de un termopar la extremidad en que la cual se hace la unión de los termoelementos se denomina junta de medición, mientras que la otra se denomina junta de referencia. Si la temperatura de la junta de referencia se fija en 0º C, entonces el valor de la f.e.m. dependerá solamente de la temperatura de la junta de medición “T1”, estableciendo la relación T a EAB (T). El conocimiento de esta relación permite utilizar el termopar como un sensor de temperatura. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:

c) Ley del Circuito Homogéneo. Esta ley resalta el hecho que si el termopar es formado por termoelementos homogéneos, el valor de la fuerza electromotriz generada depende solamente de la diferencia de temperatura entre la junta de medición y la junta de referencia. Esta información que ya ha sido citada, es nuevamente presentada para resaltar que: • • •

el valor de la fuerza electromotriz no depende del largo del termopar; el valor de la fuerza electromotriz no depende del diámetro de los termoelementos que componen el termopar; el valor de la fuerza electromotriz no depende de la distribución de temperatura a lo largo del termopar;

Sin embargo, como consecuencia del uso del termopar en la medición de la temperatura de un proceso, es muy frecuente que con el tiempo el termopar presente heterogeneidad que traerán como consecuencia: • •

alteración del valor de la fuerza electromotriz (suponiendo que la temperatura del proceso se mantenga constante), que empezará a depender inclusive del perfil de la temperatura a lo largo del termopar; un termopar con termoelementos de diámetros menores se vuelve heterogéneo más rápidamente y de forma tanto más intensa a temperaturas muy altas.

d) Ley de las Temperaturas Intermedias. Esta segunda ley muestra una propiedad adicional de la fuerza electromotriz termoeléctrica en relación con la diferencia de temperatura entre sus extremidades. Una aplicación inmediata de esta ley es permitir que el valor de la fuerza electromotriz termoeléctrica dependa únicamente de la temperatura de la junta de medición con la junta de referencia a 0ºC. Normalmente la junta de referencia se encuentra a la temperatura ambiente y querer mantenerla a 0ºC no es nada práctico, por ejemplo, en un baño de hielo el termopar en una planta industrial. Sin embargo, es posible sortear esa dificultad utilizando una compensación de la temperatura ambiente mediante la adición a la señal del termopar de una fuerza electromotriz con valor correspondiente a aquél que el termopar generaría con su junta de medición a temperatura ambiente y su junta de referencia a 0ºC, o sea: EAB (T) = EAB (T - 0ºC) = EAB (T - TAMBIENTE) + EAB (TAMBIENTE - 0ºC)

Figura 2.4.14. Ley de temperaturas intermedias. e) Ley de los Materiales Intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B. La figura 2.4.15 esquematiza esta ley.

..........

............

Figura 2.4.15. Ley de materiales intermedios. Las configuraciones anteriores muestran que la inserción de un material “C” en el termopar “AB” no altera el valor de la fuerza electromotriz generada por el termopar, mientras no haya diferencia de temperatura entre las extremidades de contacto del material “C” con el termopar.

Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0º C. 2.4.6.1. Tipos de termocuplas. La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción, y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre temperatura y la f.e.m. sea tal que el aumento de esta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura. A continuación se presentan los tipos de termopares comunes más utilizados en la medición de temperaturas en procesos, y sus principales características. Termopar tipo T (Cobre - Constantán) - Termoelemento positivo (TP): Cu (100%) - Termoelemento negativo (TN): Cu (55%) Ni(45%) - Rango de utilización: -270ºC a 400ºC - f.e.m. producida: -6,258 mV a 20,872 mV - Características: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original. Termopar tipo J (Hierro - Constantán) - Termoelemento positivo (JP): Fe (99,5%) - Termoelemento negativo (JN): Cu(55%) Ni(45%) - Rango de utilización: -210ºC a 760ºC - f.e.m. producida: -8,096 mV a 42,919 mV - Características: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas (el termoelemento JP se vuelve quebradizo). Sobre los 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC. Termopar tipo E (Cromo - Constantán) - Termoelemento positivo (EP): Ni (90%) Cr(10%) - Termoelemento negativo (EN): Cu(55%) Ni(45%) - Rango de utilización: -270ºC a 1000ºC - f.e.m. producida: -9,835 mV a 76,373 mV - Características: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.

Termopar tipo K (Cromo - Constantán) - Termoelemento positivo (KP): Ni(90%) Cr(10%) - Termoelemento negativo (KN): Ni(95%) Mn(2%) Si(1%) Al(2%) - Rango de utilización: -270ºC a 1200ºC - f.e.m. producida: -6,458 mV a 48,838 mV - Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas abajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”. Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil) - Termoelemento positivo (NP): Ni(84,4%) Cr(14,2%) Si(1,4%) - Termoelemento negativo (NN): Ni(95,45%) Si(4,40%) Mg(0,15%) - Rango de utilización: -270ºC a 1300ºC - f.e.m. producida: -4,345 mV a 47,513 mV - Características: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas. Los tipos de termopares que se presentan a continuación se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico. Termopar tipo S - Termoelemento positivo (SP): Pt(90%) Rh(10%) - Termoelemento negativo (SN): Pt(100%) - Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC - f.e.m. producida: -0,236 mV a 18,693 mV - Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos y sí en tubos con protección de cerámica. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas arriba de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos. Termopar tipo R - Termoelemento positivo (RP): Pt(87%) Rh(13%) - Termoelemento negativo (RN): Pt(100%) - Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC - f.e.m. producida: -0,226 mV a 21,101 mV

- Características: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica de un 11% mayor. Termopar tipo B - Termoelemento positivo (BP): Pt(70,4%) Rh(29,6%) - Termoelemento negativo (BN): Pt(93,9%) Rh(6,1%) - Rango de utilización: 0ºC a 1820ºC - f.e.m. producida: 0,000 mV a 13820 mV - Características: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña. La tabla 2.4.2. resume las principales características de las termocuplas mencionadas. Tipo

Aleación Conductor +

Conductor -

J

Hierro (Fe) (magnesio)

Constantan (Cu - Ni)

K

Níquel-Cromo (Ni - Cr)

T

Cobre (Cu)

Constantán Cobre-níquel (Cu - Ni)

E

Níquel-Cromo (Ni - Cr)

Constantán Cobre-níquel (Cu - Ni)

N

Nicrosil (Ni-Cr-Si)

Nisil (Ni-Si-Mg)

R

Cobre (Cu)

Rango de utilización

f.e.m. producida (mV)

-210 a 760º C

-8,096 a 42,919

Níquel-Alumínio (Ni - Al) -270 a 1200º C -6,458 a 48,838 (magnético)

-270 a 400º C

-6,258 a 20,872

-270 a 1000º C -9,835 a 76,373

-270º a 1300º C

-4,345 a 47,513 mV

Aleación 11 -50º a 1768º C -0,226 a 21,101 (Cu - Ni) Aleación 11 S

Cobre (Cu)

-50º a 1768º C -0,236 a 18,693 (Cu-Ni)

B

Cobre (Cu)

Cobre (Cu)

0º a 1820º C

0,000 a 13820

Tabla 2.4.2. Características de las termocuplas o termopares. La identificación de cada termocupla esta codificada por un código de color. Diferentes países utilizan códigos diferentes para los colores. Los códigos más comunes son:

British BS1843: 1952:

British BS4937: Part 30: 1993:

French NFE:

German DIN:

Norma Ansi:

En la figura 2.4.16 pueden verse tubos de protección para termopares. El material del tubo de protección o vaina debe ser el adecuado para el proceso donde se aplica y suele ser de hierro, acero sin soldadura, acero inoxidable, inconel, cerámico, carburo de silicio, etc.

Figura 2.4.16. Vainas para termocuplas. 2.4.6.2. Cables de extensión y compensación para termocuplas. En las plantas industriales es muy común el hecho de que el termopar, introducido en un medio cuya temperatura se desea medir o controlar, y el instrumento de lectura de la fuerza electromotriz termoeléctrica generada por éste, estén físicamente distantes. También es muy frecuente que exista una diferencia de temperatura entre la junta de referencia del termopar y la temperatura del ambiente en donde está instalado el instrumento de medición. A continuación se presenta una situación en la cual la conexión entre el termopar y el instrumento de medición es realizada con cables de cobre.

Figura 2.4.17. Termocupla conectada por 2 hilos de cobre. En esta figura, se utiliza un termopar tipo K para medir la temperatura de un proceso cuya temperatura es supuestamente conocida e igual a 900ºC. La temperatura de la junta de referencia, próxima al proceso, es de 80ºC y la temperatura ambiente es de 30ºC. Con la mencionada configuración, ¿cuál será la temperatura del proceso medida por el indicador,

sabiendo que este realiza una conversión de fuerza electromotriz termoeléctrica generada por el termopar adicionada de una f.e.m. correspondiente a la temperatura ambiente?. - f.e.m. generada por el termopar: EK(900ºC-80ºC); EK(900ºC) - EK(80ºC) = 37,325mV - 3,266mV = 34,059mV; - Compensación de la temperatura ambiente: EK(30ºC) = 1,203 mV; - Fuerza electromotriz que entra en el transformador f.e.m. x temperatura del indicador de temperatura: E = EK(900ºC - 80ºC) + EK(30ºC) = 35,262 mV; Este valor de la fuerza electromotriz, por la tabla de referencia del termopar tipo K, corresponde a la temperatura de 848,8ºC. Siendo así, el indicador de temperatura presentaría un valor de temperatura que difiere del verdadero valor en 51,2ºC, valor este muy próximo de la diferencia de temperatura entre la junta de referencia del termopar y la temperatura ambiente. Entonces, se hace necesario hacer una conexión entre la junta de referencia del termopar y el instrumento de medición con cables que también presenten el comportamiento de un termopar, denominados alambres o cables de extensión / alambres o cables de compensación. Alambres o cables de extensión son pares termoeléctricos con aleaciones iguales a las del termopar utilizado en la medición de temperatura del proceso. La diferencia básica entre el alambre o el cable esta en la rigidez del mismo. Alambres o cables de compensación son pares termoeléctricos con aleaciones diferentes de aquellas que constituyen el termopar, pero que tienen un comportamiento termoeléctrico muy próximo al del termopar, en las franjas de temperatura en que el mismo tendrá que trabajar. La tabla a continuación, muestra con la nomenclatura usual, los alambres de extensión o compensación para los termopares más utilizados. Clase de Tolerancia Tipo JX YX EX KX NX KCA KCB NC

1

2

Temperatura de Utilización

±85 µV (1,5ºC) ±30 µV (0,5ºC) ±120 µV (1,5ºC) ±60 µV (1,5ºC) ±60 µV (1,5ºC) -

±140 µV (2,5ºC) ±60 µV (1,0ºC) ±200 µV (2,5ºC) ±100 µV (2,5ºC) ±100 µV (2,5ºC) ±100 µV (2,5ºC) ±100 µV (2,5ºC) ±100 µV (2,5ºC)

- 25ºC a +200ºC - 25ºC a +100ºC - 25ºC a +200ºC - 25ºC a +200ºC - 25ºC a +200ºC 0ºC a +150ºC 0ºC a +100ºC 0ºC a +150ºC

Temp. de empalme de medición 500 ºC 300 ºC 500ºC 900ºC 900ºC 900ºC 900ºC 900ºC

RCA RCB SCA SCB

±30 µV (5,0ºC) 0ºC a +100ºC ±60 µV (5,0ºC) 0ºC a +200ºC ±30 µV (5,0ºC) 0ºC a +100ºC ±60 µV (5,0ºC) 0ºC a +200ºC Tabla 2.4.3. Alambres de extensión para termocupla.

1000ºC 1000ºC 1000ºC 1000ºC

En la situación presentada al comienzo, si la conexión entre la junta de referencia del termopar y el instrumento de medición fuera efectuada con un alambre de extensión KX, el resultado de la medición sería el que se muestra a continuación:

Figura 2.4.18. Compensación con cables tipo Kx. - f.e.m. generada por el termopar EK(900ºC-80ºC); EK(900ºC) - EK(80ºC) = 37,325mV - 3,266mV = 34,059mV; - f.e.m. generada por el cable de extensión: EKX(80ºC-30ºC); EKX(80ºC)-EKX(30ºC) = 3,266mV-1,203mV = 2,063mV; - Compensación de la temperatura ambiente: EK(30ºC) = 1,203mV; - Fuerza electromotriz que entra en el transformador f.e.m. x temperatura del indicador de temperatura. E = EK(900ºC - 80ºC) + EKX(80ºC - 30ºC) + EK(30ºC) = 37,325mV; Este valor de la fuerza electromotriz termoeléctrica para el termopar tipo K corresponde a la temperatura de 900ºC, que es la temperatura del proceso. Por consiguiente se verifica que la utilización de los alambres/cables de extensión/compensación elimina una grave fuente de error. Los alambres/cables de extensión/compensación están disponibles en varios diámetros con varios tipos de aislamiento, cada una de ellas adecuadas a las condiciones que quedaran sometidas. Un dato que merece destacarse, es que cuando el cable es muy largo, o queda sometido a campos electromagnéticos intensos, pude actuar como una antena, ocasionado el sumergimiento de las fuerzas electromotrices inducidas en el circuito termoeléctrico adicionadas a la f.e.m. termoeléctrica, lo cual es indeseable. En estas

situaciones se recomienda el uso de alambres/cables con una trenza metálica, que a la vez es puesta a tierra, con el fin de evitar estas inducciones. Mas información sobre termocuplas se puede encontrar en [5] de la bibliografía. 2.4.7. PIROMETROS DE RADIACIÓN. Consiste en un método de medición sin contacto. Los Pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W=KT4. Un sistema óptico recoge la energía radiada y la concentra en un detector, el cual genera una señal proporcional a la temperatura. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas. Los pirómetros se utilizan: • cuando no se pueden utilizar termopares (rango, ambiente agresivo); • cuando el área a medir se mueve o tiene difícil acceso. Los instrumento que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que éste emite, se denominan “pirómetros ópticos de radiación parcial” o “pirómetros ópticos”; mientras que los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman “pirómetros de radiación total”. 2.4.7.1. Pirómetros Ópticos. Los pirómetros ópticos se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararla visualmente con la imagen del objeto enfocado. Para ello se superponen ambas ondas luminosas y se varía la corriente eléctrica de la lámpara hasta que deja de ser apreciable a la vista.

Figura 2.4.19. Pirómetro óptico. Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a los de radiación infrarrojos y consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto

y la de una lámpara estándar que inciden en fototubo multiplicador. Este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara. En este momento la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura. Estos pirómetros trabajan en la banda de ondas visibles: 0,45 micras (violeta)- 0,75 micras (rojo). Fueron los primeros aparatos de pirometría, todavía se usan pero no son elementos convencionales. En algunos modelos, el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador, lo que permite alcanzar una precisión de +/- 0.5% en la lectura. 2.4.7.2. Pirómetros de Radiación Total. El pirómetro de radiación total está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh de pequeñas dimensiones y montado en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares.

Figura 2.4.20. Principio de operación de un pirómetro de radiación total. La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de esta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro. El pirómetro puede apuntar al objeto bien directamente, o bien a través de un tubo de mira abierto (se impide la llegada de radiación de otras fuentes extrañas) o cerrado (medida de temperatura en baños de sales para tratamientos térmicos, hornos). Inconvenientes: • Lentitud de respuesta. • Para eliminar radiaciones perturbadoras (energía radiada o absorbida por otros elementos presentes) se usan lentes y filtros que también reducen la energía útil.

2.4.8. SENSORES DE CI. Los sensores de circuitos integrados resuelven el problema de la linealidad y ofrecen altos niveles de rendimiento. Son, además, relativamente económicos y bastante precisos a temperatura ambiente. Sin embargo, los sensores de CI no tienen tantas opciones de configuraciones del producto o de gama de temperaturas, y además son dispositivos activos, por lo que requieren una fuente de alimentación.

(a) Circuito con diodo Si.

(b) Circuito con diodo Ge.

(c) Circuito con CI AD590. Figura 2.4.21. Sensores basados en transistores, diodos y circuitos integrados. 2.4.9. TABLA COMPARATIVA DE CARACTERÍSTICAS. En la tabla 2.4.4 puede verse un resumen de características de los instrumentos de temperatura de mayor uso.

Escalas de temperatura aplicables Dispositivo

Exactitud aproximada

Respuesta

°F

°C

°F

°C

transitorios

Costo

Notas

a. Alcohol

-90 a 150

-70 a 65

±1

± 0.5

Mala

Bajo

b. Mercurio

-35 a 600

-40 a 300

± 0.5

± 0.25

Mala

Variable

Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.

-35 a 1000

-40 a 550

± 0.5

± 0.25

Mala

Variable

Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.

-150 a 1000

-100 a 550

±2

±1

Mala

Bajo

20 a 400

-4 a 200

±2

±1

Mala

Bajo

Cinta bimetálica

-100 a 1000

-70 a 550

± 0.5

± 0.25

Mala

Bajo

Ampliamente usados como dispositivos simples de medición de temperatura

Termómetro de resistencia eléctrica (TDR)

-300 a 1800

-180 a 1000

± 0.005

± 0.0025

De regular a bueno

Caro

El más exacto de todos los métodos

Termistor

-100 a 500

-70 a 250

± 0.02

± 0.01

Muy bueno

Bajo

Útil para los circuitos compensadores de temperatura; las cuentas termistores pueden obtenerse en tamaños muy pequeños.

Termopar

-300 a 650

-180 a 350

± 0.5

± 0.25

Buena

Bajo

Termómetro de liquido en vidrio

c. Mercurio lleno con gas

Usados como termómetros baratos para temperaturas bajas.

Termómetro de expansión de fluido a. Liquido o gas

b. Presión de vapor

Cobre - Constantán

Ampliamente usados en las mediciones industriales de temperatura.

Termopar

-300 a 1200

-180 a 650

± 0.5

± 0.25

Buena

Bajo

Superior en atmósferas reductoras

-300 a 2200

-180 a 1200

± 0.5

± 0.25

Buena

Bajo

Resistente a la oxidación a temperaturas altas

0 a 3000

-15 a 1650

± 0.5

± 0.25

Buena

Alto

Salida baja; el más resistente a la oxidación a temperaturas altas

1200 más

650 más

± 20

± 10

Mala

Medio

Ampliamente usado en medición de temperaturas en hornos industriales.

0 más

-15 más

± 0.5 °C bajos alcances, 2.5 a 10°C a alta

Buena

Medio a alto

Hierro - Constantán Termopar Cromel - Alumel Termopar Platino - Platino con 10% de sodio Pirómetro óptico

Pirómetros de radiación

Tabla 2.4.4. Elementos de medición de temperatura.

Aplicaciones en aumento como resultado de los nuevos dispositivos de alta precisión que están en continuo desarrollo

2.4.10. BIBLIOGRAFÍA. [1]. Creus Solé Antonio; Instrumentación Industrial, 6ª edición; Marcombo S.A.; 1997. [2]. Creus Solé Antonio; Instrumentos Industriales. Su ajuste y calibración; 2ª edición; Marcombo S.A. [3]. Bordóns Alba Claudio; Apuntes de la asignatura “Tecnología del control” Dpto. Ingeniería de sistemas y automática; Septiembre 2000 [4]. http://www.cienciasmisticas.com.ar/electronica/electricidad/ttemperatura/index.html [5]. http://www.arrakis.es/~mpereira/Tempera/Temperatura_Menu.htm [6]. http://www.geocities.com/CollegePark/Pool/1549/instru1/b01.html