Cuaderno_profesional_13

7/31/2019 Cuaderno_profesional_13

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SUMARIO

1. Concepto de temperatura 11.1. Los puntos fijos de temperatura 31.2. La escala de temperatura de acuerdo a ITS - 90 4

2. Sensores de temperatura 52.1. Termocuplas 62.2. Termopares estndar 72.3. Termopares no nobles 172.4. Termopares nobles 19

3. Compensacin de junta de referencia 243.1. Cables compensados segn normas IEC y DIN 263.2. Cdigo de colores para cables Compensados y

de extensin 293.3. Conexin de las termocuplas 29

4. Construccin de las termocuplas 334.1. Construccin tipo compactada 344.2. Vainas y tubos de proteccin 384.3. Respuesta trmica 514.4. Efectos de la velocidad 534.5. Tubos de proteccin cermicos 544.6. Respuesta dinmica de la temperaturaen los sensores en general 554.7. Medicin de la respuesta dinmica 58

5. Termorresistencias 605.1. Sensores de termorresistencia estndar 605.2. Clculo del valor de temperatura a partirde su resistencia 625.3. Tolerancias 625.4. Clases adicionales o tolerancias extendidas 63

6. Construccin de los sensores de termorresistencia 636.1. Sensores de temperatura de platino - vidrio tipo PG 646.2. Termorresistencias para laboratorio 65


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6.3. Sensores de temperatura de platino- cermica tipo PK 66

6.4. Sensores de temperatura de platinoen lmina flexible 67

6.5. Sensores de temperatura de platino -pelcula fina tipo PCA 67

6.6. Sensores de temperatura de platino -pelcula fina, de cuerpo cilndrico tipo PCR 68

7. Comportamiento de las termorresistenciasa travs del tiempo 69

8. Histresis de termorresistencias 71

9. Errores en las termorresistencias 729.1. El efecto de los conductores 729.2. Resistencia de aislacin insuficiente 739.3. Autocalentamiento 749.4. Tensiones termoelctricas parsitas 759.5. resistencias trmicas 769.6. La funcin transferencia 779.7. Error por conduccin de calor 789.8. Consejos para reducir el error por

conduccin de calor 79

10. Calibracin y certificacin 8110.1. Calibracin 8110.2. Servicios de calibracin 8210.3. Certificacin 84

11. Conexin de termorresistencias 8511.1. Circuito de dos hilos 85

11.2. Circuito de tres hilos 8611.3. Circuito de cuatro hilos 8611.4. Transmisores de 2 hilos 87

NOTAS Este trabajo ha sido preparado en base a material suministrado por el Ing.Rolando Navesnik, de Telemeter S.R.L.Coordinacin: Ing. Victor F. Marinescu


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MEDICION DE TEMPERATURA

MEDIANTE SENSORES DE

CONTACTO

1. Concepto de temperatura

Desde un punto de vista fsico, calor es la medida de laenerga contenida en un cuerpo debido al movimiento irregular desus molculas o tomos. Al igual que una pelota de tenis, queposee mayor energa cuando se incrementa su velocidad. Laenerga interna de un cuerpo o de un gas se incrementa cuando

aumenta su temperatura. La temperatura es una variable que, juntocon otros parmetros tales como la masa, calor especfico, etc.,describe la energa contenida en un cuerpo.

La medida bsica de la medicin de temperatura es el gradoKelvin. A cero grado Kelvin las molculas de cualquier cuerpo estnen reposo y no desarrollan ninguna energa trmica. Por eso no hayposibilidad de temperaturas negativas al cero grado Kelvin, ya queno puede haber un estado de menor energa.

En el uso cotidiano est ms divulgado el uso de la escalaCelsius (previamente centgrado ). Su cero esta posicionado en elpunto de solidificacin del agua, dado que este punto es muy fcilde reproducir en la prctica. Extendiendo la escala Celsius a lamnima temperatura posible, donde todo el movimiento molecularcesa, alcanzamos -273,15 C. Esta temperatura Celsius equivale a0 K.

En pases de habla germana las diferencias de temperaturase especifican usualmente en grados Kelvin. Por lo tanto la

diferencia entre 60 C y 35 C es 25 K. En otros pases lasdiferencias de temperatura se miden en grados Celsius y, por lotanto, debe aclararse en el contexto si el valor corresponde a unatemperatura o a una diferencia de temperatura.

El hombre tuvo la habilidad de medir temperaturas a travs desus sentidos dentro de un rango limitado. Cuantificar la medicin detemperatura no le fue posible; sin embargo, la primera forma cuanti-

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tativa de medicin de temperatura fue desarrollada en los comienzosdel siglo XVII en Florencia. Dependa de la expansin de unacolumna de alcohol. La escala fue basada en la mxima temperaturadel verano y la mnima del invierno. Cien aos mas tarde, elastrnomo sueco Celsius reemplaz sta por una escala basada enlos puntos de ebullicin y solidificacin del agua. Esto ofreci laposibilidad de que el termmetro pudiera ser escalado, en cualquiermomento, entre estos dos puntos, guardando cierta correlacin si seusaba el material apropiado.

Una definicin inequvoca de la temperatura fue conocidarecin en el siglo XIX, a travs de las leyes de la termodinmica. Enprincipio esta temperatura puede ser determinada por cualquiermtodo que derive de la segunda ley de la termodinmica. Porejemplo, despejando de la ecuacin general de los gases P.V = n.R.T. donde:

P = Presin de un gas idealV = Volumen de un gas idealn = Nmero de molesR = Constante molar del gasT = Temperatura absoluta en K

Esta reproduce la relacin directa entre la presin, el volumeny la temperatura de un gas ideal. Por lo tanto, la temperatura puedeser determinada midiendo la presin del gas. Este mtodo norequiere materiales caractersticos y factores de conversin talescomo coeficiente de dilatacin, definicin de longitud, etc. Este es elcaso de los termmetros a mercurio.

En los institutos de metrologa la temperatura es determinadageneralmente con estos tipos de termmetros de gas. El mtodo esextremadamente complejo y dificult un acuerdo, el que fuealcanzado recin en 1927 cuando se cre la escala prctica de

temperaturas, la cual reproduce la escala de temperaturatermodinmica tan precisa como era posible.

La escala practica de temperatura usualmente refiere a uninstrumento de medicin en particular o a las propiedades de unmaterial especifico. La ventaja de tal definicin es una buena repeti-bilidad con comparativamente un menor esfuerzo tcnico.

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1.1. Los puntos fijos de temperatura

Los materiales exhiben diferentes estados, stos pueden serlquidos, slidos o gaseosos. La temperatura determina el estado, laas llamada fase, en la cual el material est en un momento determi-nado. A determinadas temperaturas pueden existir simultneamentedos o tres fases, por ejemplo, cubos de hielo en agua a 0 C. En elagua tambin pueden, a una temperatura determinada, convivir sustres fases. El as llamado triple punto de temperatura se alcanza con0,01 C en el caso del agua. En la mayora de las otras sustanciassolamente dos fases pueden existir simultneamente.

Otros puntos fijos son la solidificacin de los metales puros. Siun metal fundido es enfriado, el metal comienza a solidificar a unacierta temperatura, la conversin de lquido a slido no transcurrerepentinamente, la temperatura permanece constante hasta que elmetal haya solidificado. A esta temperatura se la conoce comotemperatura de solidificacin. Su valor depende nicamente del gradode pureza del metal, de manera que este mtodo permite en formasimple y con gran exactitud reproducir ciertas temperaturas.

Figura 1: Curva de solidificacion

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1.2. La escala de temperatura de acuerdo a ITS - 90

Las temperaturas correspondientes a los puntos fijos sondeterminadas con termmetros de gas o con otros elementos demedicin que puedan ser usados para medir temperaturastermodinmicas. Numerosas mediciones comparativas enlaboratorios oficiales, tales como el Bureau of Standards (USA),National Phisycal Laboratory (UK) o Physikalisch- TechnischeBundesanstalt (Germany), fueron desarrollando regulacionesnacionales e internacionales.

El equipamiento tan complejo que se necesit no esapropiado para mediciones industriales, y ciertos puntos fijosdebieron ser acordados internacionalmente como valoresprimarios. Valores intermedios de la escala de temperatura fuerondefinidos por elementos de interpolacin.

Estos son instrumentos que permiten mediciones, no slo atemperaturas tales como la de solidificacin o el triple puntomencionado ms arriba, sino tambin de temperaturas intermedias.El ejemplo ms simple de un instrumento de interpolacin es eltermmetro de mercurio.

Hasta fines de 1989 el estndar reconocido fue: la escalapractica internacional de temperaturas de 1968, o IPTS - 68. Desde

Tabla 1.2. - Puntos fijos definidos por la ITS - 90 y diferenciasrespecto a IPTS - 68.

Punto Fijo(C)

Material Desviacin de laIPTS - 68 (C)

-218.7916 oxgeno -0.0026

-189.3442 argn 0.0078-38.8344 mercurio 0.0016

0.01 agua 0.000029.7646 galio 0.0054156.5985 indio 0.0355231.928 estao 0.0401419.527 zinc 0.0530660.323 aluminio 0.1370961.78 plata 0.1500

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1990 ha comenzado a regir una nueva escala, la escalainternacional de temperatura ITS - 90.

La nueva escala fue necesaria dadas las numerosasmediciones en diferentes laboratorios a travs del mundo, quedemostraron inexactitudes en las determinaciones previas de lospuntos fijos de temperatura. La tabla que sigue reproduce lospuntos fijos definidos de la ITS - 90 y sus diferencias con la IPTS -68.

El termmetro que permite la interpolacin dentro del rangode -259 a 961 C es la termorresistencia de platino. La ITS -90especfica bajo qu requerimientos de pureza de material se debeensayar y medir, de manera de no alterar las caractersticas de estetermmetro. Adems esta termorresistencia deber ser calibrada adeterminados puntos fijos.

2. Sensores de temperatura

Cada proceso en la industria debe ser controlado de algunamanera, y esta necesidad, con frecuencia, incluye la medicin detemperaturas.

Se dispone de una gran variedad de sensores de temperaturapara llevar a cabo esta tarea, tal como se muestra en la Tabla 2. Elingeniero debe decidir cul de los sensores es mejor para una situacinen particular.

Tabla 2. - Hay una gran variedad de mtodos para la medicinde la temperatura.

DISPOSITIVOS DE MEDICION DE TEMPERATURA

Elctricos Termocuplas, Termorresistencias, Termistores, Resistoresde carbono, Diodos, Transistores Cristales de cuarzo.

Mecnicos Sistemas de dilatacin, Termmetros de vidrio con lquidos,

Termmetros bimetlicos.RadiacinTrmica

Pirmetros de radiacin: Total (banda ancha), Banda deradiacin, Espectral o radiacin parcial, Fibra ptica.

Varios Indicadores de color: Lpices, Pinturas Indicadorespiromtricos Cristales lquidos Indicadores deluminiscencia (termografa)

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Tabla 2.1. - Rangos de temperatura correspondientesa los mtodos ms comunes de medicin.

Sistema Rango en C

Termocuplas - 200 a 2.800Sistemas de dilatacin (capilares o bimetlicos) - 195 a 750

Termorresistencias - 250 a 850Termistores - 195 a 450Pirmetros de radiacin - 40 a 3.000

A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicacin dada sedeben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura,exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimiento de manteni-miento. Estos factores sern analizados a continuacin en relacin a

aquellos dispositivos de uso ms comn en la industria de procesotermocuplas, termorresistencias, termistores, sistemas de dilatacin ypirmetros de radiacin u pticos.

En la Tabla 2.1. se listan los rangos de temperatura medidosnormalmente mediante sensores estndar. Estos rangos no represen-tan los extremos alcanzables, sino los lmites que pueden medirse conlos dispositivos disponibles, por lo general, en el mercado y que sonsuministrados por la mayora de los fabricantes. Se pueden medirmayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menorexactitud y a un mayor costo.

2.1. Termocuplas

Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentesmetales o aleaciones (termopar o termoelementos).

Uno de los extremos, la junta de medicin, est colocado en ellugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores(termoelementos) salen del rea de medicin y terminan en el otroextremo, la junta de referencia. Se produce entonces una fuerzaetectromotriz (fem) que es funcin de la diferencia de temperatura entrelas dos juntas (figura 2).

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2.2. Termopares estndar

Hay siete tipos de termopares que tienen designaciones con letraselaboradas por la Instrument Society of American (ISA). El U.S. NationalBureau of Standards (NBS), por su parte, ha preparado tablas decorrelacin temperaturas -fem para estos termopares, las que han sidopublicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y laAmerican Society for Testing and Materials (ASTM).

En el ao 1986, se procedi a uniformar las normas europeas DIN(alemanas), BS (inglesas), NF (francesas) y las antedichas ANSI(norteamericanas) en cuanto a la correlacin de temperaturas y fem, ascomo en lo que hace a las tolerancias de estas fem en las distintasaleaciones. Esto ha quedado homologado en la norma IEC 584(International Electrotechnical Commission).

Estos siete termopares se enumeran en la Tabla 2.2.1. Los

alcances de temperatura indicados son los valores mximos y mnimosen valores de fem que se encuentran publicados. La figura 2.2. muestralas relaciones temperatura - fem de los termopares. En la Tabla 2.2.2. sedetallan las tolerancias de calibracin estndar segn IEC 584 Parte 1,actualmente en vigencia.

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Figura 2 : Esquema de unatermocupla y su sistema

de medicin1. Junta de medicin2. Junta de conexin3. Cable compensado4. Junta de referencia

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Tabla 2.2.1. - Temperaturas limites de acuerdo a las clasesde termopares segun IEC 584 - 2.

ClaseTipo

1 2 3

T desde - 40 C hasta + 350 C desde -200 C hasta + 40 C

E desde - 40 C hasta + 800 C desde - 40 C hasta + 900 Cdesde -200 C hasta + 40 C

desde - 40 C hasta + 750C ------------------------------

K desde - 40 C hasta + 1000 C I desde - 40 C hasta + 1200 C desde -200 C hasta + 40 CR

S

desde 0 C

hasta + 1600 C

------------------------------

------------------------------

B ---------------------------------desde + 600 C hasta + 1700 C

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Figura 2.1. :Escalatermoelctrica.Variacintermoelctrica

promedio E /Tpara una diferenciade temperaturaentre 0 y 100 C deun termoelementocontra platino

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Tabla 2.2.2. - Tolerancias limites para termopares estndar

(referencia junta fra 0 C) segn IEC 584 Parte 1.

(1) La desviacin mxima debe ser calculada como el mayor valor de las dos expresiones : el valor en C o su equivalente calculadoreemplazado (t) por la temperatura en cuestin.

(2)Normalmente, los termopares y los cables compensados se suministran con las tolerancias especificadas por encimade - 40C. Para termopares utilizados por debajo de -40 C, debe entenderse que sus tolerancias son, para ese material, mayoresque las especificadas en clase 3. Si se precisa que respeten las tolerancias segn clase 1, 2 y/ 3 debe comunicarse expresamenteal proveedor, con lo cual normalmente es necesaria una seleccin especial de los materiales.

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En la Tabla 2.2.3. se comparan las capacidades de los termopa-res para enfrentarse a distintas condiciones ambientales.

Tipo B ( PtRh 30 % - PtRh 6 %)

Las ventajas del termopar Tipo B sobre la Tipo R o Tipo S son sucapacidad para medir temperaturas levemente ms altas, su mayorestabilidad y resistencia mecnica, y su aptitud de ser utilizada sincompensacin de junta de referencia para fluctuaciones normales de latemperatura ambiente.

Este ltimo aspecto queda reflejado en la figura 2.2. por lapendiente despreciable de la curva del termopar Tipo B en la reginde la temperatura ambiente.

Los termopares Tipo B resultan satisfactorios para uso continuoen atmsferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700 C.Tambin resultan satisfactorios durante cortos perodos de tiempo envaco.

Las desventajas del termopar Tipo B son su baja tensin desalida y su incapacidad para ser utilizado en atmsferas reductoras

Tabla 2.2.3. - Limitaciones ambientales de termopares(sin vainas o tubos protectores).

Si la aplicacin es adecuada

Tipo Atmsferaoxidante

Atmsferareductora

Atmsferainerte

Vaco Atmsferasulfurosa

Temperaturas VaporesSubcero metalicos

B

R

S

J

S

S

S

S

No

No

No

S

S

S

S

S

Si durantepoco tiempo

No

No

S

No

No

No

No > 500 C

No

No

No

No

No

No

No

S

K

T

E

S (1)

S

S

No

S

No

S

S

S

No

S

No

No

No

No

S

S

S (2)

S

S

S

(1)Mejor que los termopares Tipo E, J o T por encima de 550 C.

(2) La ms satisfactoria para temperaturas subcero.

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(como ser hidrgeno o monxido de carbono ) y cuando se encuentranpresentes vapores metlicos (ej. : plomo o zinc) o no metlicos (ej. arsnico,fsforo o azufre).

Nunca se lo debe usar con un tubo de proteccin metlico o termovaina(a partir de aqu, simplemente se la menciona como vaina).

Tipo R ( PtRh 13 % - Pt)

Los termopares Tipo R pueden ser utilizados en forma continua enatmsferas oxidantes o inertes hasta 1.400 C. No son tan estables como losTipo B en vaco. La ventaja del termopar Tipo R sobre el Tipo B es su mayor femde salida.

La ASTM establece las siguientes limitaciones que se aplican al uso delos termopares Tipo R Nunca se los debe usar en atmsferas reductoras, ni tampoco en aquellas que

contienen vapores metlicos o no metlicos u xidos

Figura 2.2.: Fuerza electromotriz (fem) en funcin de la temperatura para lastermocuplas estndar y varias termocuplas no estndar por encima de 0C.

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fcilmente reducidos, a menos que se los protejan adecuadamentecon tubos protectores no metlicos.

Nunca deben ser insertados directamente dentro de una vaina metlica.

Tipo S ( PtRh 10 % - Pt)

El termopar Tipo S es el termopar original platino - rodio, platino.Es el estndar internacional (Escala Internacional de Temperaturas de1990; ITS - 90); para temperaturas superiores a 961 C.

Los termopares Tipo S, igual que los Tipo R, pueden ser utilizadosen forma continua en atmsferas oxidantes o inertes hasta 1.480 C.Tienen las mismas limitaciones que los termopares Tipo R y Tipo B, ytambin son menos estables que el termopar Tipo B cuando se lo utilizaen vaco.

Figura 2.2.1. : Tolerancia limite para termopares estndar, clase 2, segn IEC584 parte 1.

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Tipo J ( Fe - CuNi)

El termopar Tipo J, conocido como termopar hierro-constantn,es el segundo ms utilizado en los EE.UU. El hierro es el elementopositivo, mientras que para el elemento negativo se recurre a unaaleacin de 55 % de cobre y 45 % de nquel (constantn).

Los termopares Tipo J resultan satisfactorios para uso continuoen atmsferas oxidantes, reductoras e inertes y en vaco hasta 760 C.Por encima de 540 C, el alambre de hierro se oxida rpidamente,requirindose entonces alambre de mayor dimetro para extender suvida en servicio. La ventaja fundamental del termopar Tipo J es su bajocosto.

Las siguientes limitaciones se aplican al uso de los termoparesTipo J:

No se deben usar en atmsferas sulfurosas por encima de 540 C. A causa de la oxidacin y fragilizacin potencial, no se los recomien-

da para temperaturas inferiores a 0 C. No deben someterse a ciclos por encima de 760 C, an durante

cortos periodos de tiempo, si en algn memento posterior llegarana necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperature.

El constantn utilizado para termopares Tipo J no esintercambiable con el constantn de los termopares Tipo T y Tipo E, yaque el constantn es el nombre genrico de aleaciones cobre - nquelcon un contenido de cobre entre 45 % y 60%.

Los fabricantes de los termopares Tipo J regulan la composicindel termoelemento de cobre - nquel de manera que la fem de salidadel termopar siga la curva de calibracin publicada. Los termoelemen-tos fabricados por las distintas empresas con frecuencia no sonintercambiables para el mismo tipo de termopar.

Tipo K ( NiCr - Ni)

Al termopar Tipo K se lo conoce tambin como el termoparchromel - alumel (marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co.,EE.UU.). El chromel es una aleacin de aproximadamente 90 % denquel y 10 % de cromo; el alumel es una aleacin de 95 % de nquel,

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ms aluminio, silicio y manganeso, razn por la que la norma IEC laespecifica NiCr-Ni. El Tipo K es el termopar que ms se utiliza en laindustria, debido a su capacidad de resistir mayores temperaturas queel termopar Tipo J.

Los termopares Tipo K pueden utilizarse en forma continua enatmsferas oxidantes e inertes hasta 1.260 C y constituyen el tipo mssatisfactorio de termopar para uso en atmsferas reductoras osulfurosas o en vaco.

Tipo T ( Cu - CuNi)

El termopar Tipo T se conoce como el termopar de cobre -constantn. Resulta satisfactorio para uso continuo en vaco y enatmsferas oxidantes, reductoras o inertes. Su desventaja reside en elhecho de que su lmite mximo de temperatura es de tan slo 370 C

para un dimetro de 3,25 mm.Aunque los termopares Tipo T resulten adecuados para medicio-nes debajo de 0 C, la ASTM recomienda para ese propsito a lostermopares Tipo E.

Tipo E ( NiCr - CuNi)

El termopar Tipo E, o chromel - constantn, posee la mayor femde salida de todos los termopares estndar, segn se muestra en lafigura 2.2. Para un dimetro de 3,25 mm, su alcance recomendado es -200 a 980 C.

Estos termopares se desempean satisfactoriamente en atms-feras oxidantes inertes, y resultan particularmente adecuados para usoen atmsferas hmedas a temperaturas subcero, a raz de su elevadafem de salida y su buena resistencia a la corrosin.

El termopar Tipo E es mejor que el Tipo T para este propsito acausa de su mayor salida y puesta que la conductividad trmica delalambre de chromel es menor que la del alambre de cobre del termoparTipo T.

Hay muchos otros materiales que se utilizan para construirtermopares, adems de aquellos que tienen asignadas una denomina-cin con la letra por la ISA (IEC). Estos otros termopares exhiben

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caractersticas especiales que no se encuentran en los tipos estndar,lo cual los hace adecuados para aplicaciones especiales. Las carac-tersticas y la fem de salida pueden variar de un fabricante a otro, raznpor la que se debe consultar al fabricante en relacin a aplicacionesespecficas.

Hay una aleacin en particular, muy difundida en nuestro pas,que debemos considerar por separado. Se trata de la aleacin hierro -constantn Fe - CuNi, quizs la ms difundida antes de la homologacinde las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y DIN 43710, las msimportantes a nivel mundial. La curva de esta aleacin, identificada porIEC con la letra L, presenta una diferencia con la Tipo J vistaanteriormente, an cuando sus composiciones qumicas sean similares,de casi 13 C en 800 C. Sin embargo, en nuestro medio, se laconfunde con su similar Tipo J.

En la Tabla 2.2.2. se detallan las caractersticas de los termo-

pares no estndar ms comunes disponibles hoy da en la industria deprocesos.Para una correcta eleccin del termopar adecuado es imprescin-

dible el conocimiento exacto de las condiciones de trabajo. En el rangode trabajo por debajo de los 300 C, hay poco peligro para cualquieraleacin termopar, salvo la tendencia natural a la oxidacin delelemento hierro (Fe) del termopar Fe - CuNi.

Por arriba de los 400 C, los termopares no nobles1) comienzan aoxidarse en el aire, en particular los elementos de cobre (Cu) y hierro(Fe). En temperaturas superiores a los 700 C todava es factible utilizaren atmsferas reductoras el termopar hierro - constantn. Entemperaturas cercanas a los 1.000 C, se utiliza con xito la combina-cin nquel cromo - nquel (NiCr - Ni)2), en caso de atmsferas oxidantes.Se la puede utilizar tambin a mayores temperaturas pero en desmedrode su vida til.

(1) Se distinguen dos grandes grupos de termopares, que sedenominan nobles y no nobles. Se refiere a los termopares quecombinan materiales preciosos, tales como los del grupo del platino (Pt)y del rodio (Rh) fundamentalmente para los nobles y a los restantescomo los no nobles.

(2) La aleacin nquel cromo - nquel se conoce en todo el mundotambin como Cromel - Alumel (Cr - Al), que es una marca comercial

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Tabla2.2.4.-C

aractersticasdelostermoparesnoestndar.


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registrada por Hoskins Inc. de EE.UU. Sin embargo la composicinqumica de ambas denominaciones es exactamente la misma, con elagregado, adems de Ni y Cr, de aluminio (AI) y vestigios demanganeso (Mn). En consecuencia la curva mV / C es exactamenteigual para ambas denominaciones.

2.3. Termopares no nobles

Los termopares no nobles son atacados con intensidad a altastemperaturas debido a la accin corrosiva de la atmsfera gaseosa.Como ejemplo considrese la oxidacin con formacin de cascarilladebido a las atmsferas oxidantes o vapores sulfurosos en el caso delconstantn (CuNi) nquel (Ni).

Bajo atmsferas gaseosas y en particular en presencia de Co,vapor de agua o gases con contenido de oxgeno menor de 0,5 % (el

Tabla 2.2.5. - Equivalencias de distintos calibres dealambres termopares.

Calibre AWG(American WireGauge) o Brown

&Sharp

Dimetro(pulgadas)

Dimetro(mm)

Calibre AWG(American WireGauge) o Brown

& Sharp

Dimetro Dimetro(pulgadas) (mm)

1 0,2893 7,348 17 0,0453 1,150

2 0,2576 6,544 18 0,0403 1,024

3 0,2294 5,827 19 0,0359 0,9116

4 0,2043 5,189 20 0,0320 0,8118

5 0,1819 4,621 21 0,0285 0,7230

6 0,1620 4,115 22 0,0253 0,6438

7 0,1443 3,665 23 0,0226 0,5733

8 0,1285 3,264 24 0,0201 0,5106

9 0,1144 2,906 25 0,0179 0,454710 0,1019 2,588 26 0,0159 0,4049

11 0,0907 2,304 27 0,0142 0,3606

12 0,0808 2,053 28 0,0126 0,3211

13 0,0720 1,829 29 0,0113 0,2859

14 0,0641 1,628 30 0,0100 0,2546

15 0,0571 1,450 31 0,0089 0,2268

16 0,0508 1,291 32 0,0080 0,2019

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efecto de los hidrocarburos no est comprobado), surge una corrosinen el nquel - cromo (NiCr) en la que puede visualizarse una corrosinselectiva de cromo (Cr) (figura 2.3.1.).

Este tipo de oxidacin se conoce comnmente como "verdin" yaque a la vista tiene una apariencia muy similar con aqul. El hecho deque en esta aleacin se oxide primeramente el cromo produce que enla superficie de la aleacin se forme una cascarilla de oxidacincerrada que limita una oxidacin posterior.

Con esta oxidacin aparecen grandes cambios de la fem deltermopar luego de perodos de trabajo no muy prolongados, incluso aveces despus de unas pocas horas.

El elemento nquel (Ni) del termopar es especialmente sensibleal ataque por vapores sulfurosos en los hornos, cosa que ocurre confrecuencia en hornos alimentados por combustibles lquidos.

La resistencia al ataque por sulfuros puede llegar a aumentarse

un poco en el nquel por el contenido de manganeso (Mn) en relacincon lo que sera en caso del nquel puro, pero an as aparece elataque

Tabla 2.2.6. - Composicion quimica nominal de termoelementos.

JP JN TPTNEN (1)

KPEP

KN RP SP RNSN

BP BN

Elemento Composicin qumica nominal, %

HierroCarbonoManganesoAzufreFsforoSilicioNquelCobreCromoAluminioPlatinoRodio

99.5

(2)

... (2)

... (2)

(2)

(2)

(2)

(2)

(2)

45

55

100

90

10

2

1

95

2

87

13

90

10

100

70.4

29.6

93.9

6.1

(1) Los tipos JN, TN, y EN suelen contener pequeas cantidades de distintos elementos para controlar la fem trmica, con lascorrespondientes reducciones en el contenido de nquel o cobre o ambos.

(2) El hierro termoelctrico (JP) contiene pequeos, pero, variables cantidades de estos elementos.

18


22/92

sulfuroso sobre el nquel en los alimentados por combustibles como sergas o diesel - oil, o bien debido a los vapores existentes en los hornosde templado por aceite, por desprendimiento de vapores con contenidode azufre de los ladrillos refractarios o cementos cermicos, o aconsecuencia del agregado de polvos que son necesarios para algunosprocesos trmicos. En la figura 2.3.2. puede verse el resultado tpico deun ataque por sulfuros sobre el nquel.

Similar ataque sufre el elemento constantn (CuNi) de la ter-mocupla de Fe - CuNi en presencia de gases sulfurosos. Bastanalgunas centsimas de por ciento de contenido de azufre, para que seproduzca el ataque del CuNi con la consiguiente fragilidad intercrista-lina.

2.4. Termopares nobles

En el caso del termopar platino rodio - platino (PtRh - Pt), lanorma DIN (alemana) especfica un limite de temperatura de 1.300 Cpara inmersin permanente. En caso de ser aire, no debe esperarseninguna variacin apreciable en la seal entregada.

Estas condiciones de trabajo ideales se encuentran con pocafrecuencia en las mediciones de temperatura industriales. En la mayorade los casos se presentan atmsferas reductoras o gases sulfurososque, en altas temperaturas, pueden provocar un deterioro de lostermopares.

En algunas ocasiones tambin se puede dar el caso de unataque por contaminacin de silicio, es muy frecuente encontrarlo

como xidos (SiO2) en los cementos cermicos o ladrillos refractariosque revisten los hornos, y tambinen pequeas proporciones en las

vainas cermicos o aisladores ceramicos para termocuplas que se fa-

Figura 2.3.1. : Oxidacin selectiva decromo del elemento termopar NiCr.(Aumento 300: 1)

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23/92

Figura 2.3.2. :Ataque porvapores sulfurosos sobre elnquel puro (Ni) del NiCr - Ni.(Aumento 300: 1)

Figura 2.3.3.: Alambre de niquel(Ni) del termopar NiCr - Niatacado. (Aumento 300 : 1)

brican sobre la base de xido de almina (Al2O3) y silimanitas (SiO2).El silicio por sobre los 1.000 C en atmsferas reductoras se

reduce a SiO y se difunde primero sobre el platino y luego lo vacontaminando lentamente. Esto no afecta tanto a la seal termoelc-trica sino a su resistencia mecnica, en especial al elemento platinopuro, apareciendo de esta manera un eutctico con un punto defusin que comienza por arriba de los 900 C. En forma similar puedeser atacado el platino rodio por las uniones voltiles de azufre ysilicio.

La (pica forma de evitar este tipo de ataque es utilizandovainas protectoras y aisladores de una muy buena calidad, como porejemplo de almina pura con el menor contenido de silicio posible eimpermeable a los gases. Lo anterior se logra con alminas (Al203) depureza superior al 99,7 %.

El hierro, el cobre y otras impurezas metlicas influyen sobre laestabilidad de la seal termoelctrica en los termopares del grupo delplatino, aunque no provoquen generalmente una variacin sustancialde la ductilidad. Una presencia de tan solo 0,1 % de hierro (Fe) en elelemento platino (Pt) alcanza para provocar alteraciones en la femdel

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termopar, lo que significa un error de medicin de signo negativo yde aproximadamente 150 C.

No siempre es fcil averiguar cmo pueden llegar estasimpurezas hasta el termopar. Como explicacin, en algunos casos,se puede considerar que los elementos densos e impermeables alos gases, que suelen utilizarse en algunas oportunidades a altastemperaturas, ya no son tan densos e impermeables como paraevitar la penetracin de estas impurezas.

Hay dos combinaciones de termopar noble que tienen unaconsiderable estabilidad y vida til y que son contempladas en lanorma IEC 584 para PtRh - Pt. Se trata de aleacin PtRh 18 - Pt(PtRh 6% - PtRh 30 %) Tipo B y el no tan conocido termopar conestructura de "grano fino" (puede ser PtRh 10% - Pt o PtRh 13% - Pt)Tipo S o R. Desde ya que la seal de esta termocupla PtRh 18 - Ptno coincide con la de las tradicionales PtRh 10% - Pt o PtRh 13% -Pt. La mayor estabilidad del termopar de estructura de "grano fino" secentra en la ventaja de su tendencia a no agrandar el grano. Inclusiveluego de un tiempo prolongado a altas temperaturas, no se observacrecimiento apreciable del grano y, por lo tanto, sus caractersticasmecnicas no se modifican.

En la figura 2.4.1. se muestra la diferencia de estructura entreun platino normal y uno de estructura de "grano fino" luego de unuso

Figura 2.4.1.:1.- Tamao del grano de un elemento de platinonormal luego de 100 horas a 1.450 C.

2.- Tamao del grano para platino con estructura de "grano fino"(Aumento 180 : 1).

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de 100 horas en aire a 145 C. La diferencia entre susestructuras es fcil de visualizar.

Tambin el termopar PtRh 18 - Pt, Tipo B, con aleacinde rodio en ambos elementos es mucho ms resistente a laabsorcin de impurezas aun con una estructura de granoconsiderablemente ms gruesa. Con el agregado de rodio enambos elementos tambin se consigue una tendencia a lacompensacin de la aleacin en altas temperaturassensiblemente mayor a la que se consigue con termoele-mentos PtRh - Pt. Como ya se mencion, al haber unavolatilizacin de Rh, el termopar cambia radicalmente laconfiguracin qumica en este ltimo tipo de aleacin.

Esta aleacin tambin tiene un tope de temperatura deuso permanente ms elevado, de 1.500 C, y en usos de cortaduracin se puede llegar a 1.800 C.

La poca seal que entrega en el rango de 0 a 120 Cproduce, segn se puede apreciar en la figura 2.2., unameseta que indica que, en algunos casos, su conexin sepuede realizar sin recurrir a cable de compensacin y sinprovocar errores de medicin.

Un estudio realizado en 1977 en Alemania porFroschauer y Schmidt, con PtRh 10% - Pt, acerca de lainfluencia de las impurezas que se desprenden de loselementos aislantes o de las vainas de proteccin, demostr laventaja de utilizar elementos aislantes y protectores dealmina pura (99,7 % como mnimo). Este estudio se llev acabo embebiendo un termopar de PtRh 10% - Pt y uno dePtRh

Figura 2.4.2.: Variacin de la fuerza electromotriz (fem) de aleaciones

PtRh - Pt despus de un tratamiento trmico en aire a 1.400 C

(determinaciones a 1.200 C).

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6% - PtRh 30% en diversos polvos cermicos y luego exponindolos enaire a 1.400 C durante 50 horas; en la figura 2.4.2. puedenobservarse los resultados obtenidos. En el caso de la almina pura nose observan grandes modificaciones, pero si para Mullite (silicato deAl), y aun mas para dixido de silicio.

A posteriori se estudi la influencia del silicio, comprobndoseque no era en si el silicio el causante de la contaminacin sino el hierrosiempre presente en el silicato tcnico usado normalmente.

Esto ltimo se volvi a comprobar embebiendo un termopar dePtRh 10% - Pt en los materiales consignados en la Tabla 2.4. yexponindolos a aire a 1.300 C durante 2 horas. Segn puedeobservarse, el cuarzo de alta pureza no modific la fem; de losmateriales conocidos los ms inertes resultaron la almina pura(Alsint) y el xido de magnesio, el cuarzo y la silimanita (Pythagoras).

Otras protecciones

A consecuencia de las altas temperaturas que reinan en loshornos industriales, el aire se convierte, para muchos metales protec-

Tabla 2.4. - Cambios en la seal termoelctrica del platinorodio 10% - platino (PtRh 10% - Pt) despus de 24 Hs. a

1300 C con distintos compuestos cermicos.Polvos cermicos Alteracin de fem en %

Mullite (CSSR) -0,61

Ignodur (KW Neuhaus) -0,60

Triangle H5 (Morgan) -0,37

Pythagoras (W. Haldenwanger) -0,25

Corundio (95% AI2O3) -0,06

Cuarzo tcnico -0,70

Cuarzo tcnico purificado -0,35

Cuarzo de alta pureza -0,00A12O3 Alsint (W. Haldenwanger) -0,05

MgO (xido de magnesio) -0,06

2,5% Fe2O3 en AI2O3 -5,522,5% FeO en AI2O3 -2,96

1% Na2O en A12O3 -1,76

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tores de termocuplas, en un medio agresivo que, a travs de laoxidacin, llega a provocar la inutilizacin de dichos metales.

Las llamas de quemadores con un componente importante demonxido de carbono (Co), los hidrocarburos y los compuestossulfurosos llevan al material a un estado quebradizo, producto delenlace sulfuroso o por carburizacin. Para estos procesos se disponede materiales de proteccin sobre la base de hierro - cromo (FeCr) yhierro - cromo - nquel (FeCrNi) con el agregado, con muy buenosresultados, de aluminio, silicio y manganeso.

3. Compensacin de junta de referencia

La fem neta generada en funcin de las temperaturas deambas juntas requiere el control o la compensacin de la temperaturade la junta de referencia (o junta fra), lo cual se puede lograr de tresmaneras distintas.

El mtodo bsico y ms exacto es el de controlar latemperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la juntaen un bao de hielo (0 C). Otro mtodo consiste en medir latemperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo dedispositivo de medicin de temperatura, y luego en base a esatemperatura y a la salida elctrica de la junta de medicin, compensarla lectura de la temperatura de la junta de medicin.

El tercer mtodo es una compensacin elctrica, que tambinimplica la utilizacin de un dispositivo sensor de temperatura paramedir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugarde calcular la compensacin a ser aplicada a la salida de medicin, elsensor de temperatura de la junta de referencia se halla incorporadodentro de un circuito elctrico de la termocupla, donde agrega o quitalos milivolts necesarios en la junta de referencia, a fin de corregirautomticamente la salida de la termocupla (figura 3).

Como se ver mas adelante, es de fundamental importancia la

prolongacin de los alambres termopares, mucha veces hasta lajunta de referencia que puede estar lejos de la junta de medicin y nosiempre afectada por altas temperaturas como en el caso de losalambres termopares. Es all donde aparece el uso de los conocidoscables compensados.

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Su misin es nicamente la de trasladar la junta de referenciahasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luegoutilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primerossistemas de compensacin de junta de referencia.

En el caso del tercer sistema de compensacin (figura 3), lafinalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensacinautomtica hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60 C, ya quetodos estos sistemas son electrnicos y trabajan con temperaturasambiente entre -10 y 60 C.

Los cables compensados reproducen las mismas curvas derespuesta y de tolerancia mV/ C que las termocuplas entre aproxima-damente -25 y 200 C. Se las utiliza slo por razones econmicas, yaque su composicin qumica difiere de las aleaciones de termocupla,buscndose entonces que los materiales sustitutivos sean mseconmicos que stos.

Ejemplo de calculo para una seal de termocupla dada,conocida la temperatura de junta de referencia, necesitamos conocerla temperatura (en junta de medicin) real

Para un termopar tipo K (NiCr - Ni) segn IEC 584 con unatemperatura de 35 C en junta de referencia y una sealtermoelctrica (fem) en junta de medicin de 8.298 mV.

Figura 3. : Sistema electrnico de compensacin de junta de referencia.

1. Termocupla 3. Compensador de mV.2. Cable compensado 4. Fuente de tensin constante

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Buscando la temperatura correspondiente a 9,705 mV en la tabla

mV / C, encontramos que la temperatura real es 239 C.

3.1. Cables compensados segn normas IEC y DIN

Los cables compensados para termocuplas segn IEC o DINtienen sus caractersticas elctricas y mecnicas especificadas en lasnormas IEC 584-3 y la DIN 43714.

Sus aleaciones tienen la misma composicin qumica que lastermocuplas a que corresponden cuando se los denomina cables deextensin.

En cambio, se fabrican con aleaciones de materiales especialespero con las mismas caractersticas termoelctricas de las termocuplascon las que deban trabajar, y se los conoce como cables compensadosespecficamente.

Esto siempre dentro de un limitado rango de temperaturaambiente, y que ser el ambiente donde estarn tendidos.

Se los designa con un cdigo de tres letras como se ve acontinuacin:

Primera letra: termocupla con la que trabajaSegunda Ietra:X: mismo material que la termocupla

(idntica aleacin) C: materialespecial

Tercera letra: muchas aleaciones compensadasse designan con una segunda letra.

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Ejemplo: KX: cable de extensin para termocupla tipo K, aleacin demtermocupla

RCA :cable compensado para termocupla tipo R, aleacinespecial, material tipo A.

Con respecto a las tolerancias de los cables de extensin ycompensados se rigen por las normas antes mencionadas. Existen dosclases de tolerancias: clase 1 y 2; la tolerancia clase 1 es la ms estrecha yslo se consigue con las aleaciones que son iguales a las de sustermocuplas ( cables de extensin ). Los cables compensados se proveensiempre en clase 2.

Como puede verse en la tabla de ms arriba, la temperatura deoperacin rige para toda la longitud del cable que ser expuesta, incluyendola terminacin que se conectar a bornes de la termocupla, para no excederla tolerancia especificada. Adicionalmente puede verse limitada por latemperatura mxima de utilizacin del material aislante que protege al cable.

En vista de la no linealidad de las fuerzas

Tabla 3.1. - Tolerancias lmites para cables compensadosy de extensin segn IEC 584 3

ToleranciaClase

Termopary tipo

dealambre 1 2

Rango detemperatura de

operacinC

Temperaturamedida

C

JX 85V/1.5C 140V/2.5C -25a+200 500

TX 30V/0.5C 60V/1.0C -25a+100 300

EX 120V / 1.5 C 200V / 2.5 C 25 a + 200 500

KX 60V / 1.5 C 100V / 2.5 C - 25 a + 200 900

NX 60V / 1.5 C 100V / 2.5 C - 25 a + 200 900

KCA 100V / 2.5 C 0 a + 150 900

KCB 100V / 2.5 C 0 a + 100 900

NC 100V/ 2.5 C 0 a + 150 900RCA 30 V / 2.5 C 0 a + 100 1000RCB 60V / 5.0 C 0 a + 200 1000

SCA 30 V/ 2.5 C 0 a + 100 1000

SCB 60 V / 5.0 C 0 a + 200 1000

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Tabla3.2.-Sistemad

eidentificaciondecoloresparacablescompensailos.

Termocupla

IEC584parte

3

DIN43714

ANSI/MC96.1

AislacinIndivid

ual

Aislac

inIndividual

Cubierta

AislacinIndividual

Material

Tipo

Positivo

Neg

ativo

Cubierta

exterior

PositivoNegativo

Cubierta

exterior

Positivo

Negativo

exterior

Cu-CuNi*

Cu-CuNi

Fe-CuNi*

Fe-CuNi

NiCr-Ni

NiCr-CuNi

Pt10Rh-Pt

Pt13Rh-Pt

Pt30Rh-Pt6RH

UTLJKESRB

Rojo

Marrn

Rojo

Negro

Verde

Violeta

Naranja

Naranja

--------

Marrn

Bla

nco

Bla

nco

Bla

nco

Bla

nco

Bla

nco

Bla

nco

Bla

nco

--------

Marrn

Marrn

Blanco

Negro

Verde

Violeta

Naranja

Naranja

--------

Rojo

Rojo

Rojo

Rojo

Rojo

Rojo

Rojo

Rojo

Rojo

Marrn

Marrn

Blanco

Azul

Verde

Negro

Blanco

Blanco

Gris

Marrn

Marrn

Blanco

Azul

Verde

Negro

Blanco

Blanco

Gris

--------

Az

ul

--------

Blanco

Ama

rillo

Violeta

Negro

Negro

Gr

is

--------

-------

Rojo

Azul

-------

-------

Rojo

Negro

Rojo

Amarillo

Rojo

Violeta

Rojo

Verde

Rojo

Verde

Rojo

Gris

Termocupla

BS1843

JIS1610-1981

NFC42-323

AislacinIndivid

ual

Aisla

cinIndividual

Cubierta

AislacinIndividual

Material

Tipo

Positivo

Neg

ativo

Cubierta

exterior

Positivo

Negativo

Cubierta

exterior

Positivo

Negativo

exterior

Cu-CuNi*

U

--------

--------

--------

--------

--------

--------

--------

--------

-------

Cu-CuNi

T

Blanco

Az

ul

Azul

Rojo

Blanco

Marrn

Ama

rillo

Azul

Azul

Fe-CuNi*

L

--------

--------

--------

--------

--------

--------

--------

--------

-------

Fe-CuNi

J

Amarillo

Az

ul

Negro

Rojo

Blanco

Amarillo

Ama

rillo

Negro

Negro

NiCr-Ni

K

Marrn

Az

ul

Rojo

Rojo

Blanco

Azul

Ama

rillo

Violeta

Amarillo

NiCr-CuNi

E

Marrn

Az

ul

Marrn

Rojo

Blanco

Violeta

Ama

rillo

Violeta

Violeta

Pt10Rh-Pt

S

Blanco

Az

ul

Verde

Rojo

Blanco

Negro

Ama

rillo

Verde

Verde

Pt13Rh-Pt

R

Blanco

Az

ul

Verde

Rojo

Blanco

Negro

Ama

rillo

Verde

Verde

Pt30Rh-Pt6RH

B

--------

--------

--------

Rojo

Gris

Gris

--------

--------

-------

*TermoelementossegnDIN-43710-Lacubiertaexteriorpuedeidentificarseconunahebradelcolorcorrespondiente


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electromotrices de los termopares, las tolerancias estn indicadas enV y tambin en C, pero slo aplicables a la temperatura que se indicaen la columna de la derecha.

Esto significa que por ejemplo: Un termopar tipo J conectadomediante un cable de extensin tipo JX, clase 2. Si la medicin detemperatura se mantiene' constante en 500 C y los terminates y elcable de extensin tienen a to largo de su longitud una variacin detemperaturas desde -25C hasta 200 C, la temperatura indicada novara ms de 2,5 C.

3.2. Cdigo de colores para cables compensados y de extensin

Los colores para cables segn DIN estn especificados en lanorma DIN 43713 (1990). Para termocuplas segn IEC 584 el conductor

positivo tiene el mismo color que la cubierta exterior, el negativo essiempre blanco. Las "antiguas termocuplas tipo L y U segn DIN 43710tienen cdigos diferentes. Para el cable correspondiente a la termocuplatipo B no hay codificacin designada. Por la curva tan chata ,caracterstica de la termocupla tipo B, se puede utilizar conductor decobre en lugar de cable compensado.

De acuerdo a la DIN 43714 los cables sern retorcidos entre ellospara mejor proteccin de campos electromagnticos. Proteccinadicional por blindaje de cinta o pantalla tambin puede ser provista. Laresistencia de aislacin entre los conductores y entre conductor ycubierta no debe ser menor a 100 megohm/m a la mxima temperaturade operacin. La tensin de prueba debe ser superior a 500 V ca.

3.3. Conexin de las termocuplas

El largo de los cables de extensin o compensados en relacincon las termocuplas tiene mucha menos importancia que por ejemploen los cables de conexin de las termorresistencias; sin embargo, en el

caso de largos tendidos con cables de secciones menores se puedenalcanzar resistencias importantes, que habr que tomar en cuenta.En el caso de termocuplas tipo J ( Fe - CuNi ) se debe recordar

que el elemento positivo es hierro puro y tiene facilidad para oxidarse

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Figura 3.2. : Fuerza electromotriz (fem) para 100C (referencia 0C) paracables compensados, cables de extensin de acuerdo a IEC 584.

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rpidamente en las conexiones en bornes o conectores. La unin delhierro y el cobre, por ejemplo en la conexin del elemento positivo y uncable de conexin de cobre representa una celda electroqumica. Enpresencia de humedad, esta celda Ileva a la formacin de una uningalvnica con incremento de la corrosin. La resultante de corrientesparsitas puede introducir serios errores en la medicin.

Por esa razn, se prefieren terminales estaados y cablesestaados a conductores o terminales desnudos de cobre. Como elestao, en la escala termoelctrica es mayor que el hierro, para elelemento positivo (hierro) se utiliza un pasivado de su superficie, quereduce esta reaccin.

Frecuentemente se escucha la pregunta de cuando es posibleconectar termoelementos a cables compensados con elementosestndar de conexin de cobre o bronce, como conectores o borneras.Aparte del problema de corrosin de dos metales diferentes, efectiva-

mente es posible bajo ciertas condiciones.Si utilizamos un conector convencional con contactos de cobre,para conectar el elemento positivo de un termoelemento de Fe - CuNi(es decir el elemento de hierro), a continuacin de otro termoelemento ocable de extensin, debemos verificar que la temperatura en cadaextremo de la conexin Fe/Cu y Cu/Fe sea la misma.

La fem (fuerza electromotriz) producida en las uniones Fe - Cu yCu - Fe se cancelan una con otra a la misma temperatura por tenerpolaridad inversa y el mismo valor. Esto independientemente del valor detemperatura y del material de la unin.

Fig. 3.3.1. : Conexin de un termoelemento o cable con conectores de cobreconvencionales.

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Tab

la3.3.2.-Accesoriosdeconexin.


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Cuando la conexin debe realizarse con gradientes de tempera-tura importantes, por ejemplo a travs de una pared aislante condiferentes temperaturas de un lado y del otro, o cuando por conduccintrmica del termoelemento o el cable existen diferentes temperaturasen un lado y otro de la conexin, se utilizan conectores compensadosespeciales.

4. Construccin de las termocuplas

Los requerimientos ms importantes que deben cumplir lastermocuplas son:

Deben ser mecnicamente robustas y resistentes al ataque del

medio en que se encuentran. Deben producir una seal termoelctrica mensurable y estable. Deben tener la exactitud requerida. Deben responder con la velocidad necesaria. Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa

para no afectar la lectura. Deben, en algunos casos, estar aislados elctricamente de masa. Deben ser econmicas.

Hay una gran variedad de diseos de termocuplas para lasnumerosas y diversas aplicaciones. En su diseo ms comn, lostermoelementos (alambres) de los materiales deseados se unen,normalmente mediante soldadura, para formar la junta de medicin. Losalambres son separados despus de la junta soldada y aislados,normalmente por medio de una sustancia como ser fibra de vidrio,resina fluorocarbonada (por ejemplo tefln), aisladores cermicos, fibracermica, polvo cermico, etc.

Los alambres (termoelementos) pueden usarse desprotegidos oinstalados dentro de un tubo o vaina de proteccin. Los tubos y lasvainas de proteccin se usan casi siempre para proteger los termoele-mentos desnudos, mientras las termocuplas del tipo compactadas conblindaje protector metlico pueden brindar suficiente proteccinmecnica y al ataque qumico sin tubo o vaina en la mayora de loscasos.

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4.1. Construccin tipo compactada

Las termocuplas con proteccin metlica incluida, normalmenteIlamadas compactadas (figura 4.1.1.), son fabricadas a partir de un tubode acero inoxidable u otra aleacin de aproximadamente un metro delargo y algunos centmetros de dimetro interno. Se posicionan los dosalambres (termoelementos) centrados a lo largo del tubo y el espaciointerior se Ilena con xido de magnesio u xido de almina.

Posteriormente se procede a reducir el dimetro del tubotrafilndolo, aplastando as los aisladores o comprimiendo el polvo hastaformar una masa ms densa.

La unidad, finalmente, es tratada trmicamente para aliviar lastensiones provocadas por la reduccin del dimetro y para eliminarcualquier humedad residual. Se producen en dimetros de 15 mm a 0,5mm. La geometra interna del tubo y alambres no se modifica. La

Figura 4.1.1. : Construccin de la junta de medicin en termocuplascompactadasa : Solidaria : construccin especial para lograr una mayor velocidad derespuestab : Aislada : construccin normal de las termocuplas. Tambin se la puedeconstruir expuesta; tratndose de una construccin especial que ofrece lamxima velocidad de respuesta y la mnima resistencia a los agentescorrosivos por estar la junta fuera de la vaina protectora.

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junta de medicin de las termocuplas con blindaje metlico puedentener tres configuraciones distintas: Soldada al extremo de la proteccin metlica. Aislada del extremo de la proteccin metlica. Expuesta fuera del extremo de la proteccin metlica.

Soldando los alambres al extremo de la proteccin metlica selogra hacer masa con ella, se los protege de daos mecnicos ycondiciones ambientales adversas y se asegura una construccinhermtica a la presin. La velocidad de respuesta de este tipo deconstruccin se encuentra entre la velocidad de la junta expuesta (lams rpida) y la aislada (la ms lenta). De cualquier manera stasson mucho ms rpidas que las termocuplas convencionales, por supequeo dimetro.

La junta aislada es similar a la junta puesta a masa, salvo porhallarse elctricamente aislada del blindaje y tener una respuestams lenta.

La junta expuesta posee la respuesta ms rpida de las tresconfiguraciones, pero no es hermtica a la presin o a la humedad ylos alambres se hallan expuestos al ambiente. Esto podra Ilevar a lacorrosin y/o corto circuito elctrico debido a la conductividad delmedio del proceso.

La termocupla compactada es mecnicamente ms robustaque la termocupla convencional con alambre aislado, y se la puededoblar o conformar con radios de curvatura muy reducidos,aproximadamente tres veces el dimetro de la proteccin.

Esta termocupla puede ser cargada a resorte dentro de untubo o vaina de proteccin (cuando se requiere proteccin adicional -Ver figura 4.1.2.) para garantizar el contacto con el fondo de la vainao el tubo, a fin de obtener una rpida respuesta.

Tienen una gran respuesta al impacto y a la vibracin. Puedentener junta de medicin con cabezales de conexin, salidas de cablecompensado o fichas.

Se dispone de termocuplas compactadas con dimetros exter-nos desde 0,5 hasta 15 mm. Los blindajes pueden hacerse de unagran variedad de materiales, siendo los mas comunes los de aleacio-nes de nquel - cromo y aceros inoxidables.

Pueden fabricarse de, prcticamente, cualquier largo y se produ-

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cen con los tipos de termopar no nobles ("J", "K", "T", "E") pero no contermoelementos de platino ("S", "R" o "B") por no tener la ductilidadnecesaria para resistir la trefilacin.

Muchas veces no precisan de cables de extensin o compensadosya que se pueden continuar hasta las borneras de conexin o los mismosequipos de medicin, aprovechando su flexibilidad como cables deextensin y tienen la ventaja de poder atravesar zonas de altatemperatura y alta presin.

A causa de sus dimetros pequeos la distancia entre eltermoelemento y la proteccin metlica es mnima y se debe tener

cuidado con la resistencia de aislacin;se debe recordar que la resistenciadecrece rpidamente a temperaturaselevadas. Las temperaturas mximasde operacin dependen de los

dimetros de las termocuplas. Aqu,nuevamente mayores dimetrosresisten mayores temperaturas.

La figura 4.1.3 muestra larelacin para temperaturas deoperacin continua, de dos tipos determocuplas diferentes. (En estecaso tipo "K" NiCr-Ni y "N" NiCrSi-NiSi).

Una ventaja que mencionamosen estas termocuplas es su altaresistencia a los choques yvibraciones por su solidez entretermoelementos y proteccin.

Figura 4.1.2. : Inserto para ter-mocuplas con construccin solidaria.a : Zcalo de conexin d: Termopar

b : Largo de insercin e : Tapac : Tubo de proteccin f : Aislador

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Pero esto a su vez acarrea una mayor deriva en el tiempo de laseal termoelctrica, primero por la constante solicitacin mecnicaproducto de la diferencia de coeficientes de dilatacin termoelemen-tos/vaina.

Segundo, el poco espacio entre stos facilita la contaminacin delos termopares por la proteccin metlica.

Existen estudios que muestran que el oxgeno en los materialesde Ilenado en la forma de aire, agua o dixido de carbono esresponsable de esto.

Este acta como medio de transporte para el equilibrio de lasconcentraciones de sulfuros y carbono en la proteccin metlica y lostermoelementos, y esto cambia la composicin qumica de los mate-riales.

Estos conceptos sobre contaminacin, responsabilizando a laproteccin metlica, vuelven a verse en la investigacin de Bentley

sobre termocuplas compactadas tipo N de 3 mm de dimetro conprotecciones de diferentes tipos.Por esta razn se trata de usar protecciones metlicas lo ms

parecidas en su composicin qumica a los termoelementos. Paratermocuplas tipo N el fabricante recomienda utilizar Nicrosil, un

Figura 4.1.3 : Mximas temperaturas de operacin para termocuplascompactadas.

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material de composicin similar al termoelemento positivo de esatermocupla.

4.2. Vainas y tubos de proteccin

Puesto que son muchas las aplicaciones que exponen lostermoelementos a condiciones ambientales adversas, por lo general,las termocuplas han de contar con proteccin. Los tubos y las vainasde proteccin se eligen generalmente en base a las condicionescorrosivas que se esperan, ms consideraciones de abrasin, vibra-cin, porosidad, velocidad de fluldo, presin, costo y requerimientos dereemplazo y montaje.

Por lo comn, se dispone de vainas para sensores condimetros externos desde 3 hasta 22 mm de dimetro. Una rosca aproceso macho o una brida proveen un montaje hermtico a la presin

en el recipiente de proceso si es necesario. En las vainas de la figura4.2.1., el cuello, o sea el tubo entre la rosca a proceso y el cabezal dela vaina, permite separarla trmicamente de la fuente de calor quepuede afectar el cabezal de conexiones.

Figura 4.1.4 : Derivas de la seal termoelctrica dependiendo de laproteccin metlica.

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Las vainas cnicas brindan una mayor resistencia, permitiendosu uso a mayores velocidades del fluido de proceso y a mayorespresiones (ver figura 4.2.1. b y c). Las vainas bridadas se usancuando se requieren conexiones del tipo bridado al recipiente deproceso por trabajar a altas presiones. Las vainas bridadas utilizan enocasiones un revestimiento especial o blindaje metlico, como serplomo, titanio o tantalio; estos metales podran resultar imprcticos odemasiado costosos para la construccin de la vaina entera. Lasvainas con extremo sensibilizado poseen una respuesta ms rpidaque las vainas rectas o cnicas.

Figura 4.2.1.: Montaje de sensores de temperatura.a : Con rosca a proceso;b : Para soldar;c : Con brida;d : Montaje de una termocupla de vaina cermica con brida tope deslizable

en la pared de un horno con chapa protectora;e : Montaje de una termocupla de vaina metalica ;f : Similar a d) con proteccin de escapes de gases.

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Figura 4.2.3.: Termocupla recta con vaina exterior e interior, termopardoble de PtRh - Pt, aislador cermico de un solo tramo y cuatro orificios.

Los tubos de protec-cin son similares a lasvainas, salvo el hecho deque no permiten un monta-

je hermtico de proteccinen el.recipiente de proceso.Por lo general, los tubos seutilizan en instalaciones a

presin atmosfrica. Se losfabrica de metal omateriales cermicos,

Figura 4.2.4. : Termocupla del

tipo acodado con brida.


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como ser porcelana Mullite, silimanita, carburo de silicio, grafito,xido de aluminio, acero y otras aleaciones (figura 4.2.1.).

Las termocuplas de platino requieren normalmente unconjunto de dos tubos para impedir la contaminacin por vaporesmetlicos o gases.

El tubo interior se hace de un material como porcelana osilimanita y brinda proteccin contra los gases corrosivos. El tuboexterior se hace de grafito, carburo de silicio o silimanita porosa,para lograr resistencia mecnica y proteccin contra shock trmico(figura 4.2.3.).

En la figura 4.2.4. puede verse una construccin tpica acodada,para lograr la proteccin del cabezal de conexiones en el caso de

Figura 4.2.5. : Termocuplas rectas.a : Con termopar NiCr - Ni o Fe - CuNi y vaina metlicab : Con termopar NiCr - Ni o Fe - CuNi, vaina cermica y tubo soporte

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inmersin de la vaina en procesos de fusin de metales no ferrosos otratamientos trmicos por baos de sales con desprendimientocorrosivo o radiacin trmica intensa, que afectaran el cabezaldirectamente si la construccin fuese recta.

Por su parte, en la figura 4.2.5., puede observarse una construc-cin convencional del tipo "J" o "K" (NiCr - Ni o Fe - CuNi) con vainasimple o tubo protector metlico, y la diferencia en el montaje en casode ser vaina cermica.

Los distintos materiales disponibles para tubos y vainas deproteccin, y sus costos relativos, se detallan en la Tabla 4.2.6. Se usa

Tabla 4.2.6. - Costos de los materiales de vainas relativosal acero al carbono.

Marcas registradas de(1) Cabot Corp. High Technology Material Div. (2) International Nickel Co. (3) Kanthal A.B. (Suecia)

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Tabla4.2.8.-Aplicacionesyespecifcacio

nesdetubosdeproteccinparatermocuplas


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Tabla4.2.8.-Aplicacionesyespecificacionesdetubosdeproteccinparatermocuplas(continuacin)


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Tabla4.2.9.-Guadeseleccindemate

rialesparaservicioenambientescorrosivos


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Tabla4.2.9.-Guadeseleccindematerialesparaservicioenambientescorrosivos(continuacin)


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Tabla4.2.9.-Guadeseleccindematerialesparaservicioenambientescorrosivos(continu

acin)


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Tabla 4.2.10. - Regmenes de temperatura para distintasclases de aislacin

Tipo general de aislacin Rgimen generalmximo de temperatura,

C

PVC +99Nylon +176Tefln +260Kapton +371Fibra de vidrio +482Asbestos +538Cermica - Cordierite o Mullite +982Cermica - Silimanita +1.600xido de Magnesio compactado (Mg 0) +1.730

Cermica - Almina +1.800

el acero al carbono como ndice base, con un factor de 1,0 y los costos delos otros materiales se dan en valores relativos. De esta forma, el titanio,cuyo factor es 12,0 resulta doce veces ms costoso que el acero alcarbono.

4.3. Respuesta trmica

El tiempo de respuesta con vainas y tubos sera de tres a diezveces mayor que con los termoelementos sin proteccin. Los mtodosgeneralmente utilizados para minimizar el tiempo de respuesta consisteen proveer un buen contacto trmico entre el termopar y el interior de lavaina por medio de una carga a resorte, o bien obtener una toleranciaestrecha entre el dimetro exterior del termoelemento y el dimetrointerior de la vaina. Esto minimiza la separacin de aire que hace mslenta la transferencia de calor desde la vaina al termoelemento.

En la figura 4.3.1. puede verse una construccin normalizadacorrespondiente a una termocupla con vaina y sensor intercambiableinterior con carga a resorte. En la figura 4.3.2. se puede observar unaconstruccin del extremo sensibilizado vs. construccin normal.

Otra manera de minimizar el retardo de la respuesta es el deagregar una pequea cantidad de aceite siliconado o grafito en polvo

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y aceite dentro de la vaina. El relleno no debe congelarse o hervir a lastemperaturas encontradas en el proceso y no debe reaccionar qumi-camente ni con la vaina ni con el sensor. Para las instalacioneshorizontales o con el extremo abierto hacia abajo se puede usar grafitoen grasa en lugar de lquido.

Cada uno de los metales tiene distinta conductividad trmica.Pbr ejemplo, el acero inoxidable posee una menor conductividad que elcobre. Sin embargo, los ensayos han demostrado que no hay unadiferencia significativa en el tiempo de respuesta entre una vaina deacero inoxidable y una vaina de cobre; las diferencias entre lasvelocidades de transferencia de calor de las distintas vainas metlicasson insignificantes si se compara la velocidad de transferencia de calordesde el proceso a la vaina con la velocidad de transferencia de calordesde la vaina al sensor y con la respuesta del sensor.

Otro factor a tener en cuenta al emplear tubos y vainas es el

efecto de conduccin trmica. Puestoque el tubo o la vaina salen fuera delproceso habra una distribucin degradientes de temperatura en sulongitud, y si el tubo o la vaina no seencuentran insertados to suficiente-mente profundo dentro del proceso,esos gradientes provocarn inexac-titudes en la medicin.

a : Cabezalb : Cuelloc : Rosca a procesod : Aislador cermicoe : Vaina metlicaf : Termocuplag : Longitud de la vainah : Longitud del cuello

Figura 4.3.1. : Termocupla con vaina yrosca a proceso con cabezal de co-nexiones (sonda intercambiable construida segun DIN 16160)

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Para eliminar dicho efecto, la longitud de insercin dentro delproceso debe ser por lo menos diez veces el dimetro de la vainaexterior.

El tiempo de respuesta tambin depende del espesor de lapared del tubo o la vaina. Cuanto ms delgada es la pared, ms rpidaes la respuesta. Puesto que una de las funciones importantes de lostubos y vainas es brindar resistencia mecnica; con el espesor de lapared habr un compromiso entre su velocidad de respuesta y su vidatil.

4.4. Efectos de la velocidad

Una vez insertada la vaina, el fluido que circula forma unaestela turbulenta con una frecuencia que vara con la velocidad del

fluido. La vaina debe ser lo suficientemente delgada para que lafrecuencia de la estela no Ilegue a ser igual a la frecuencia natural dela vaina y provocar su resonancia y posterior fractura.

En la Tabla 4.4.1. se detallan los lmites de velocidad paravapor y gas de distintos materiales utilizados en vainas conicas yestndar con inserciones de 11,4 y 26,7 cm. Por ejemplo, una vainacnica de acero al carbono, insertada 11,4 cm dentro de un proceso,puede utilizarse para velocidades hasta 54 m/s, o sea 17 m/s ms delo que puede tolerar en forma segura una vaina estndar.

Figura 4.3.2. : Construccin con ex-tremo sensibilizado y su relacincon otra de extremo normal.

a: Termocupla compactada conconstruccin estndarb : Construccin solidaria con reduc-cin

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Tabla 4.4.1 - Lmites de velocidad para vainas rectas y cnicas(vainas de dimetro interior de 1/4 pulgada

y dimetro exterior de 3/4 pulgadas)

Lmites de velocidad, cm/sMaterial Insercincm

Vaina estndar Vaina cnica

Monel a 480 C 11,4 33,6 46,526,7 06,21 8,52

Aceros al carbono a 530 C 11,4 36,9 54,0

26,7 06,84 09,9

Acero inoxidable 11,4 38,4 59,1

Tipo 304 6 316, a 535 C 26,7 07,08 10,8

4.5. Tubos de proteccin cermicos

Se utilizan tubos cermicos al presentarse alguna de las siguien-tes condiciones: El termopar estar expuesto al golpe directo de llama. Existirn gases contaminantes. Las temperaturas sern mayores de lo que pueden tolerar los tubos

metlicos (el umbral de las vainas metlicas es aproximadamente1.200 C).

Normalmente las termocuplas de platino requieren un tubocermico para lograr proteccin contra la contaminacin proveniente dehornos y otros gases reductores.

Un conjunto cermico puede incluir dos tubos, uno primario(interior) y uno secundario (exterior), o un solo tubo. Con termocuplasde platino por encima de 1.200 C, el tubo primario es de almina puraal 99,7 % (xido de aluminio) que es hermtico a los gases y adecuadopara temperaturas hasta 1.870 C.

Debajo de 1.200 C se puede usar un tubo de porcelana(silimanita u otras combinaciones xido de aluminio / xido de silicio). Nose puede usar porcelana por encima de 1.315 C, puesto que liberasilicio (Si) que contamina la termocupla de platino.

Al utilizarse un tubo secundario, este normalmente consiste de

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carburo de silicio, que no es hermtico a los gases pero resiste laaccin de corte del golpe directo de llama y es ms resistente alshock trmico y mecnico que la almina pura (99,7 %). Sin embargo,posee una pobre conductividad trmica.

Se dispone tambin de tubos secundarios metal - cermicos;stos resultan superiores a los tubos de cermica pura en lo que hacea la resistencia al shock mecnico y trmico, y brindan una respuestatermica ms rpida.

4.6. Respuesta dinmica de la temperatura en los sensores engeneral

En las hojas de caractersticas suelen aparecer distintos datossobre la respuesta en el tiempo de los sensores. Algunos de estosparametros son el tiempo de operacin, el tiempo de respuesta, eltiempo promedio, el tiempo de indicacin, el tiempo t99 o t90. Qusignifican todas estas expresiones y cmo inciden en la utilizacin deestos equipos?

La respuesta dinmica de temperatura puede ser observada yestudiada cuando un sensor con una temperatura v1 = 20 C essumergido en un bao termosttico a la temperatura v2 = 40 C; latemperatura indicada debe leerse slo cuando se aparta muy poco dela temperatura real del bao. El tiempo en que esto ocurre dependecasi exclusivamente de la construccin mecnica del sensor.

En la figura 4.6.1. se muestra la respuesta de la indicacinrespecto al tiempo en un salto de temperatura v2 v1. Para un tiempoespecfico t, la diferencia entre el valor final y el valor instantneo es v2-v1. Refiriendo esta diferencia al salto de temperatura antesmencionado, se obtiene la funcin de transicin:

En el caso ms sencillo, la indicacin de temperatura en funcindel tiempo transcurre segn una funcin exponencial con exponentenegativo:

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En consecuencia, las temperaturas se igualan recin despusde algn tiempo. En ocasiones, al valor T se to denomina tiempo derespuesta o constante de tiempo, y es el tiempo en que la indicacinde la diferencia entre v2 y v1 cambia 0,632 veces, valor que seobtiene de (1 - e-1) = (1 - 0,368) = 0,632. En este tiempo t63, elsensor responde con el 63 % del valor del salto de temperatura.

De las expresiones (1) y (2) se desprende:

Figura 4.6.1.: Respuesta de la indicacin respecto al tiempo en unsalto de temperatura.

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El tiempo promedio t50 es el tiempo en que el sensorresponde con el 50 % del valor del salto de temperatura.

El tiempo t90 es el tiempo en el que el sensor responde conel 90% del valor del salto de temperatura.

En este caso, la proporcin t90 / t50 es equivalente a 3,32.Una proporcin distinta muestra que la transicin de

comportamiento del sensor no sigue exactamente una variacinexponencial segn la figura 4, habiendo otros detalles para tener encuenta.

Los valores T, t50 y t90 de una sonda o sensor caracterizanglobalmente su comportamiento en el tiempo. Estos parmetrosinteresan al usuario de sensores de temperatura para lazos decontrol, pero no alcanzan para los sensores de temperatura deindicacin directa. Por ejemplo, para un salto de temperatura de + 20C a + 120 C, en el t90, se lograra una indicacin de 110 C. Alusuario le interesa, en este caso, saber en qu tiempo, con el sensoren cuestin, puede Ilegar a conocer el valor de lectura.

Para sto debe solicitarse el tiempo correspondiente al valort99, o sea el tiempo en que el sensor responde al 99 % del valor delsalto de temperatura:

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En el ejemplo dado anteriormente, en el tiempo t99 se llega a119 C: Despus del tiempo t99, la lectura est en el entorno de latolerancia del equipo de medicin.

Es interesante consignar aqu la relacin entre el t99 y otrostiempos significativos:

4.7. Medicin de la respuesta dinmica

Obviamente, existe una relacin entre los valores derespuesta dinmica y los sistemas utilizados para medir estosvalores, de modo que para relacionar las distintas formasconstructivas de sensores se debern uniformizar los criterios deensayo de estos.

Parece lgico ensayar las respuestas de los sensores segnla funcin para la que han sido diseados, por ejemplo Sondas de inmersin: en baos de agua. Sondas para aire: en corrientes de aire. Sondas para superficies: en superficies.

A los fines de ensayo, evidentemente, un valor de respuestat90 medido en bao de agua no sirve para un sensor de superficies.

Entonces, para sensores de inmersin se recomienda medirlos tiempos en baos de agua con una corriente de fluido develocidad 0,2 m/s.

Para aire, los tiempos se miden en corrientes de aire con unavelocidad de 1 m/s.

Para superficies, los tiempos se miden en una placa de aceroinoxidable rectificado a temperatura ambiente de 20 C y sincorriente de aire. El sensor se apoyar perpendicularmente con unapresin de 1 Kp (9,8 N).

En este caso, conviene que los fabricantes aclaren siempre el

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material de la placa que se utiliza; si ese material Ilegara a ser un metalcon mejor conductividad trmica, las mediciones del tiempo de respuestadaran menores valores y no podran establecerse comparaciones.

El usuario debe tener presente que estos parametros son muyimportantes y que deben estar medidos y ensayados con muchaseriedad. Adems, si se considera que estos ensayos se Ilevan a caboen condiciones ideales de laboratorio, cuando en realidad los sensoresse usan en medios industriales, generalmente en condiciones msdesfavorables, se debern calcular tiempos ms prolongados.

Esto es as especialmente en la medicin de temperaturas ensuperficies donde, por lo general, hay que enfrentarse con superficiessperas u oxidadas, detalles, stos, que alteran los valores medidos.

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5. Termorresistencias

La variacin de la resistencia elctrica de los metales esfrecuentemente utilizada para la medicin de temperaturas. La resistenciaelctrica aumenta con el crecimiento de la temperatura y entonceshablamos de coeficiente de temperatura positivo PTC (PositiveTemperatura Coeficiente).Esto, por ejemplo, con las termorresistencias deplatino.

Para poder utilizar este efecto en la medicin de temperatura,adems, la resistencia elctrica debe variar de manera reproducible enfuncin de la temperatura. Por otra parte, las caractersticas del metal nodeben modificarse durante el tiempo de empleo de ese metal como sensorpara no introducir errores en la medicin. El coeficiente debe ser lo msindependiente posible de los efectos de la temperatura, presin y ataquequmico.

5.1. Sensores de termorresistencia estndar

El platino se estableci como el material resistivo ms apropiadoen la instrumentacin industrial por sus caractersticas fsicas y elctricas.Estas ventajas incluyen alta resistencia qumica, relativa facilidad paraprocesarlo como alambre, posibilidad de producirlo con altos grados depureza y la virtud de reproducir siempre sus caractersticas elctricas.Estas propiedades estan definidas en la norma IEC 751, de manera deasegurar universalmente la intercambiabilidad. Esta norma establece lasrelaciones entre valores de resistencia elctrica y temperatura y sustolerancias, tambin define los rangos de temperatura para cada caso.Los clculos analticos distinguen dos rangos -200 a 0 C y 0 a 850 C.

El rango de -200 a 0 C est definido por el siguiente polinomio detercer orden:

El segundo polinomio se aplica al rango de 0 a 850 C:

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Los coeficientes tienen los siguientes valores:

El trmino R* es el referido al valor nominal y representa el valorde resistencia a 0C. De acuerdo a la IEC 751 el valor nominal es100,000, Q. Por esa razn, nosotros hablamos de sensores determorresistencia Pt 100.

Se dispone tambin de sensores de termorresistencia convalores nominales de 500 y 1000 S2. Su ventaja es una mayorsensibilidad (mayor variacin de resistencia con la temperatura)

La variacin de resistencia en el rango de temperatura hasta100 C es aproximadamente:

Las normas definen un coeficiente adicional referido al rangoentre 0 y 100 C. Este representa el promedio de variacin de

Figura 5.1. : Curvacaracteristica de laPt 100

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resistencia respecto del valor nominal a 0 C:

5.2. Clculo del valor de temperatura a partir de su resistencia

Para su aplicacin como sensor de temperatura, el sensor determorresistencia precisa definir el valor de temperatura en funcin desu valor de resistencia. La ecuacin que sigue representa la variacin

de resistencia elctrica en funcin de la temperatura.Para temperaturas superiores a OC se desprende una expre-

sin explcita para las caractersticas segn IEC 751:

DondeR = Resistencia medida en Qt = Temperatura calculada en CRo, A, B : Parmetros segn IEC 751

5.3. Tolerancias

La norma IEC 751 distingue 2 clases o tolerancias:

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La tolerancia clase A es aplicable slo en el rango de temperatura

de -200 a +600'C. En cambio, la tolerancia clase B es aplicable en elrango completo de temperatura de -200 a +850 C.

5.4. Clases adicionales o tolerancias extendidas

Es frecuente en la industria que las dos clases definidas por lanorma no sean suficientes para los requerimientos especiales. Por esarazn, JUMO de Alemania defini clases adicionales para satisfacer lasdistintas necesidades del mercado.

6. Construccin de los sensores determorresistencia

Debemos distinguir bsicamente entre dos diferentes formas deconstruccin, los sensores de termorresistencias bobinados en cuerpos de

vidrio, cermica, lminaflexible y los de pelicula fina o"Thin film".

Figura 5.4. : Toleranciasadmitidas a diferentes tem-peraturas.

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Tabla 5.4. - Clases de tolerancias.

6.1. Sensores de temperatura de platino - vidrio tipo PG

En esta construccin dos alambres de platino se bobinan sobreun cuerpo de vidrio en forma de lazo o bobinado anti - inductivo. Luegose funden en el cuerpo de vidrio junto con los chicotes de conexin.Despues de calibrar el arrollamiento de platino, se coloca un tubo devidrio sobre el cuerpo y ambos se funden juntos. Esto asegura que elarrollamiento estar completamente sellado.

El alambre de platino que se utiliza tiene un dimetro de 17 a 30m, dependiendo de la forma del sensor. El tipo de vidrio que se utilizase desarrolla especialmente para adaptarlo al coeficiente de dilatacindel alambre de platino.

Las dimensiones delsensor pueden ser de 7 a55 mm en largo y de 0,9 a4,9 mm de dimetro.

Adems de los sensorescon valores nominales de

10052, tambin seproducen versiones de50052 y 100052.

Figura 6.1. : Comparacin deun cabello humano con elalambre de platino utilizado.

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Los sensores de este tipo son insensibles al shock mecnico ylas vibraciones, y por su excelente resistencia al ataque qumicopueden usarse, en ocasiones, directamente sumergidos en el medio amedir. Existen versiones con tubo de extensin de vidrio y tambin dedoble bobinado. Se utilizan en el rango de -200 a 400 C.

6.2. Termorresistencias para Iaboratorio

Se une un tubo de vidrio con un sensor tipo PGL por fusin, y elextremo del tubo se puede adaptar para el montaje de la aplicacinen particular. La conexin elctrica del sensor puede hacerse a travsde un conector tipo LEMO o directamente a travs del cable deconexin de 2,3 0 4 hilos.

Todo este conjunto puede colocarse dentro de un tubo o vainametlica para protegerlo mecnicamente.

El tubo metlico de proteccin tiene perforaciones en elextremo para facilitar el contacto del medio con el cuerpo de vidrio delsensor. Ciertas versiones de este tipo de sensores determorresistencia pueden calibrarse para ser usados como patronesde termorresistencia certificados.

Figura 6.1.1.: Esquema cons-tructivo de un sensor de tem-

peratura de platino - vidrio.

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6.3. Sensores de temperatura de platino - cermica tipo PK

En un cilindro cermico con dos o cuatro orificios longitudinales semontan los bobinados calibrados de platino, ya con sus alambres ochicotes de conexin soldados. Los orificios se Ilenan luego con polvo dealmina para mantener el bobinado en posicin y para mejorar el contactotrmico.

Despus de la calibracin final se sellan los extremos del cuerpocon una frita vitrea para adems sostener los alambres de conexin. Losdimetros de este tipo de sensor varan entre 0,9 y 4,9 mm y sus largos

entre 7 y 30 mm.La construccin

interna de este tipo desensores previene per-manentemente los cambios

de resistencia causadospor los esfuerzosmecnicos a causa de loscambios de temperatura.Estos sensores se utilizanen el rango de -200 a +800C.

Figura 6.2. : Esquema

constructivo de un sensor de

termorresistenciapara laboratorio.

Figura 6.2.1. : Termorre-

sistencia patrn certificada.

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6.4. Sensores de temperatura de platino en lmina flexible

Se fabrican con un arrollamiento de platino de aproximadamente30 pm, montado entre dos lminas de poliamida y soldado a las cintas deconexin.

Este sensor de temperatura tiene apenas 0,17 mm de espesory es usado mayormente para medir temperaturas de superficiesplanas y curvas.

Por su pequea masa y re lativa gran superficie, estos sensoresflexibles tienen una gran velocidad de respuesta y se utilizan entuberas, conductos, calefactores y matrices o moldes. Cubren elrango de -80 a +180 C.

6.5. Sensores de temperatura de platino - pelcula

fina tipo PCA

Sobre un sustrato cermico se difunde una pelcula de platino yse conforma en una estructura de zigzag mediante un proceso

litogrfico. Una capa devidrio protege el conjuntocontra las influencias delexterior.

Un par deconectores se suelda alas terminaciones de estecircuito resistivo, y la capade vidrio acta comoaislante y soportecermico. La temperaturade operacin depende deltipo de sensor pero seestablece entre -50 y+600 C.

Figura 6.3. : Esquemaconstructivo de un sensorde tipo platino - cermica.

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Se producen en tamaos de 2.0 mm x 2.5 mm hasta 3.2 x 10 mm.En vista de su muy pequeo tamao y del mnimo espesor del sustrato(0,3 mm), estos sensores tienen una alta velocidad de respuesta.

Tienen la ventaja de poder producirse sensores de valoresnominales de 500 y 1000 en un rea mnima, a diferencia de lo queoeurre con los del tipo platino - vidrio o cermico.

Los sensores de temperatura de pelcula fina combinan lasventajas de los sensores a termorresistencia de platino, tales comointercambiabilidad, gran estabilidad en el tiempo, repetibilidad y ampliorango de temperatura con los beneficios econmicos que produce la granescala de fabricacin.

6.6. Sensores de temperatura de platino - pelicula fina, decuerpo cilindrico tipo PCR

Son del mismo tipo constructivo que los anteriores, pero monta-dos dentro de un cilindro cermico abierto en un extremo y luegosellado con una frita vtrea. El cuerpo cermico ofrece una proteccin

adicional a solicitacionesmecnicas y su forma cilndricalo convierte en reemplazo de losdel tipo bobinado cermico perode menor costo. El rango detemperatura es -50 a 300 C.

Figura 6.4. : Esquema cons-tructivo de un sensor de tern-

peratura de platino con lminaflexible.

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Figura 6.5.: Esquemaconstructivo de un sensor de

temperatura de platino deltipo pelcula fina.

7. Comportamiento de las termorresistencias a traves deltiempo

Un aspecto muy importante en el uso de los sensores detemperatura es el concerniente a la estabilidad de su seal durante tiemposprolongados. Un sensor tiene que mantener su exactitud a travs de toda

su vida til, a fin de asegurarquela exactitud deseada en laindicacin se mantiene hasta elfinal.

Los parmetros de uso y losaspectos constructivos afectan

enormemente la estabilidad. Lasafirmaciones generales, tales

Figura 6.5.1.: Vistas desensores de temperatura de pelculafina

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como, por ej.: deriva : 0.05 % por ao, son apenas informativas si no hayindicacin sobre las condiciones operativas. Los cambios cclicos detemperatura, variando sta entre lmites superior e inferior, afectan atodos los componentes del sensor, mucho ms que cualquier otraexigencia continua.

Se alcanza una estabilidad importante aun bajo condiciones detemperaturas variables mediante termorresistencias cermicas en las queel arrollamiento est embebido en un polvo, lo cual conduce a que existanmuy pocas uniones mecnicas.

El alambre resistivo se puede dilatar libremente en relacin con losotros materiales constructivos. Se protege de los esfuerzos mecnicosque provocan cambios en la estructura metalogrfica y, por lo tanto, enla resistencia elctrica. Investigaciones recientes han mostrado que lastermorresistencias cermicas sufren cambios en su valor nomin

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