MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA POR CONTACTO DIRECTO

En la mayoría de las aplicaciones industriales, las temperaturas se

registran, directamente, desde dentro de un medio de proceso. Debido a que las

mediciones se realizan en una amplia variedad de medios, técnicas y dispositivos apropiados deben ser empleados para cada

proceso en específico.

La temperatura es una medida de la energía cinéticamedia y en donde sus moléculas se encuentrandentro de un sistema, que está directamenterelacionado con el contenido de calor de la energía.Un objeto no tendrá ningún contenido de calorcuando sus moléculas hayan perdido toda suenergía cinética y estén completamente en reposo.Esto sucede a una temperatura de ceroabsoluto, que se define como 0 en la escala Kelvin (0K).

Una escala de temperatura debe cubrir todo elrango de temperaturas que se espera dentro deun sistema. La Escala Internacional deTemperatura de 1990 (ITS-90) define una formaamplia de 0,65 K por encima de 3.000 K. Estaescala se basa en puntos fijos que correspondena la fase de equilibrio de sustanciasextremadamente puras - el punto triple del agua(0,01 º C), del punto triple del hidrógeno (-269.3467 ° C), y el punto de fusión del aluminio(660.323 º C). Las temperaturas entre puntos seobtienen mediante interpolación.

En la práctica industrial, el contacto con sensores detemperatura eléctricos - sobre todo de los termopares y de losdetectores de temperatura por resistencia - dominan enaplicaciones de medición y control. Los termopares y losdetectores de temperatura de resistencia funcionantransformando una diferencia de medida de temperatura enuna señal eléctrica en bruto, donde un transmisor de campoluego lo convierte a un valor estándar, tal como una señal de 4a 20 mA analógica o a una salida digital correspondiente. Lostermopares son más resistentes que los detectores detemperatura por y suelen ser menos costosos. Detectores detemperatura de resistencia, por otra parte, son más precisos ypueden ser equipados con un mejor protector.

Termopares

En un circuito eléctrico formado por dosconductores de metal de diferente tipo, unacorriente se genera cuando los puntos decontacto de los conductores están adiferentes temperaturas. Esta corrientetérmica resulta de un pequeño voltaje que esproporcional a la diferencia de temperaturaentre los extremos frío y caliente. A esto se lellama efecto Seebeek.

La señal producida por el termopar es proporcional a la diferencia de temperaturas entre la junta de los

dos metales (punta caliente) y los extremos abiertos de los cables. Para que se compensara la

temperatura ambiente y obtener una lectura absoluta de la temperatura (en vez de una diferencia

de temperaturas), la temperatura en los extremos abiertos debería mantenerse constante, lo que es

impráctico, o ser medida con un dispositivo de temperatura extremadamente preciso, como el

termómetro de resistencia de platino. Esta última lectura entonces se convierte en el punto de

referencia para la medición (punta fria).

La señal producida por el termopar es proporcional sólo a la diferencia de temperatura entre el punto de medición y el punto de referencia. Las variaciones en la temperatura por encima de la longitud del termopar no tienen efecto en el producto.

LOS TERMOPARES MÁS COMUNES ESTÁN

CLASIFICADOS EN DOS CATEGORÍAS:

TERMOPARES DE METALES PRECIOSOS

(TIPOS S, R Y B) Y TERMOPARES DE METALES

BÁSICOS (TIPOS E, J, K, N, Y T).

Termopares de metales preciosos (S,R,B): Son

los mas costosos porque se componen de metales nobles o

preciosos, más escasos en la naturaleza, como el rodio

o, especialmente, el platino.

Características:

• Notable resistencia y estabilidad.

• Se usan en muy altas temperaturas (de hasta más de

1300ªC), porque proporcionan señales más débiles (Como

máximo proporcionan tensiones de unos 20 mV), y de poseer

bajas sensibilidades, especialmente a temperaturas muy bajas

(de unas pocas décimas de ºC) o muy elevadas (1200ºC-

1300ºC aprox.).

TIPO S: SE USAN EN ALTAS TEMPERATURAS EN LA INDUSTRIA, ASÍ

COMO EN FORMA DE PATRONES PRIMARIOS DE CALIBRACIÓN (POR

EJEMPLO, PARA LA CALIBRACIÓN UNIVERSAL DEL PUNTO DE FUSIÓN

DEL ORO, A 1064,43 ºC). PARA TEMPERATURAS A PARTIR DE

1400ºC, SUFREN LA APARICIÓN DE PLATINO).

GRANULACIONES QUE LOS HACEN MÁS FRÁGILES (PROTECCIÓN CON

TUBOS DE

TIPO R: RESISTENTES Y ESTABLES A ALTAS TEMPERATURAS AL

CONTENER PLATINO, ASÍ COMO DE ELEVADA VELOCIDAD DE

REACCIÓN. SU ELEVADO COSTO Y SU BAJA RESOLUCIÓN Y

SENSIBILIDAD DE MEDIDA SON SUS PUNTOS NEGATIVOS. APTO PARA

SU USO EN ENTORNOS OXIDANTES, AUNQUE SE DETERIORA

FÁCILMENTE EN ENTORNOS REDUCTORES. PROPORCIONA FEM DE

ENTRE -0,226 MV Y 21,701 MV.

TIPO B: OFRECE ESTABILIDAD MEJORADA, AUMENTO DE LA

RESISTENCIA (FUERZA MECÁNICA INCREMENTADA) Y CAPACIDADES

DE MAYOR TEMPERATURA AUNQUE DE BAJA SENSIBILIDAD Y

RESOLUCIÓN SOBRE TODO EN TEMPERATURAS MUY BAJAS

PROPORCIONAN PRÁCTICAMENTE LAS MISMAS LECTURAS DE FEM.

Termopares de metales comunes (K,J,E,N, T):Contienen en su ánodo y cátodo metales

comunes tales como cobre, níquel,

hierro o aluminio.

Características:

Tienen rangos de temperatura bastante amplios y una

sensibilidad significante.

Las señales que proporcionan son mayores que para

termopares de otras categorías .

Son mas baratos.

Tipo J: De uso más común. En temperaturas altas, la velocidad

de oxidación de ambos conductores incrementa rápidamente.

Puede ser usado en el vacío, en atmosferas oxidantes,

reductoras o inertes (fem -8,096 mV y 42,919 mV).

Tipo E: sensibles a muy bajas temperaturas, son prácticos enaplicaciones criogénicas. El termopozo es necesario enatmosferas reductoras y entornos que contiene azufre (fem -9,835 mV y 76,373 mV).

Tipo K: es usado para temperaturas intermedias y mejoresresistencias de oxidación que los tipos J y E. Es usado enmúltiples aplicaciones en temperaturas cerca de 500 C (932 F).Arriba de los 750 C la velocidad de oxidación incrementa (fem -8,096 mV y 42,919 mV.).

Tipo N: El más reciente termopar estándar, el Tipo N ofrecemejor estabilidad termoeléctrica por encima de 870 C (1,598F) y menos probable que se oxide que los Tipos J, K y E. mejor

se adapta a las aplicaciones con oxidación, humedad, o conatmosferas inertes .

Tipo T: uno de los termopares más viejos para medición de

temperaturas bajas. Puede servir en vacío, atmosferas

oxidantes, reductoras o inertes. No es recomendado su uso

dentro de entornos que contienen hidrogeno por encima de

370 C (698 F) sin termopozo (fem -9,835 mV y 76,373 mV).

Curvas de entrada/salida para diferentes tipos de termopares.

Comparativa de la relación entre la α (µV/ºC), o coeficiente deSeebeck, con la temperatura, para algunos tipos de termopares.Nótese, por ejemplo, cómo, para el termopar K, dichocoeficiente se mantiene en los 40-41 µV/ºC hasta los 1000ºCaproximadamente, lo que da una relación aproximadamentelineal (recta) entreΔV y T en ese rango térmico.

Precauciones

Problemas de conexión Son la causa de la mayoría de los errores

de medición. Se debe usar el tipo correcto del cable de

extensión. Cualquiera que sea el conector empleado

debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada.

Resistencia de la guía

Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

Descalibración

La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Hay que tener en cuenta que uno de los criterios para calibrar un instrumento de medición, es que el patrón debe ser por lo menos 10 veces más preciso que el instrumento a calibrar.

Ruido

La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es susceptible de error por ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, como cerca de un motor, es necesario considerar usar un cable de extensión protegido.

RTD

El RTD es un detector de temperatura resistivo de resistencia variable a la

temperatura, lo que permite dar una medida de la temperatura conociendo el

valor de la resistencia.

El sensor de temperatura RTD es capaz de variar su resistencia a medida que cambia la

temperatura.

Los materiales empleados deben poseer una granresistividad para que el sensor tenga elcomportamiento lineal que buscamos además de teneruna gran sensibilidad.

Usualmente se utilizan como materiales el platino, elníquel y el cobre. En la siguiente tabla se muestran suscaracterísticas:

Tipos de construcción

Existen sensores RTD de dos tipos según su construcción:

Bobinado

Laminado

Bobinado

El bobinado presenta el material sensibleenrollado en forma de hélice, lo que permite sucontracción y dilatación. Está protegido en unacápsula cilíndrica y su precio es máselevado, pero presenta una mucha mayorestabilidad respecto al laminado.

Laminado

El laminado está compuesto por láminas decristal colocadas encima de los cables estirados ydel puente de Wheastone para protegerlos de lasacciones que puedan dañar el comportamientodel sensor como abrasión, vibraciones, ataquesquímicos, variaciones bruscas de presión, etc. Laventaja de este tipo de sensor es su menorcoste, pues al tener menor longitud del materialde medida (platino, níquel, etc) el precio sereduce.

Tipos de estructura

Bifilar (2 cables)

Trifilar (3 cables)

Cuatrifilar (4 cables)

Usos

La aplicación más inmediata de los RTDses, como ya sabemos, la medida detemperatura. Los sensores de temperaturaresistivos de laminado compuestos por platino(la gran mayoría) se han aplicado en múltiplescasos individuales, en automóviles, enelectrodomésticos y en edificios.

Protecciones de sensores de temperatura

Los sensores de temperatura son colocadostípicamente dentro de termopozos protectores.

Incrementa la vida del sensor bajo condicionesadversas y facilita un rápido intercambiosensorial sin interrumpir el proceso.

Los Termopozos tienen que:

1. Colocar la punta del sensor sensible a la temperaturaen el proceso.

1. Protege el sensor2. Sellar el área del

proceso del ambientepara prevenir fugas.

Los ingenieros tienden a preferir termopozosmetálicos, ya que aseguran un absoluto sellocontra el medio del proceso y la presión delproceso.

Los termopozos cerámicos pueden sernecesitados para temperaturas muy altas ocuando en condiciones de las operacionesexcluyen al metal. Por su naturalezaquebradiza, los termopozos requieren unmanejo delicado—un solo impacto podría llevara su destrucción. En instalaciones críticas, unasegunda barrera puede ser necesaria paraprevenir el escape de materiales peligrosos porel daño al termopozo cerámico.

Los termopozos diseñados específicamente han sido desarrollados para aplicaciones tales como:

Medición de gas caliente en el horno

Reactores que operan a presiones y temperaturas elevadas

Conducciones por donde circulan gases con cargas de partículas de alta temperatura

Canales de gas de combustión

Fundición y baños de sal

Alimentación y la fabricación de productos farmacéuticos

temperaturas de la superficie

Vivienda y la pared temperaturas

cojinetes de la bomba

Respuesta dinámica de los sensores de temperatura

Cuando la temperatura de los medios medidoscambia, el sensor reacciona, y su señal de salida

Cuando la señal de salida ya no indica cambiosmedidos, el sensor ha alcanzado el equilibrio conla temperatura de los nuevos medios.

La comprensión de la respuesta dinámica de lossensores, o constante de tiempo, es importanteen la medición de los procesos con temperaturasque cambian rápidamente y para los sensoresque operan en los lazos de control.

La respuesta dinámica depende de:

1. El diseño del sensor de temperatura (tamaño, peso, material, y la construcción interna)

2. El medio sometido a medición (capacidad calorifica, coeficiente de transferencia de calor, velocidad de flujo)

3. Parámetros de instalación

Los sensores más pequeños y termopozosproporcionan una respuesta más rápida, pero eltamaño debe equilibrarse con las condicionesque el sensor y el termopozo deben soportar.

La falla por fatiga debido a la vibración es undesafío al medir corrientes de alta velocidad y alusar elementos sin protección. Además. Sin untermopozo, el elemento de temperatura no sepuede cambiar mientras el proceso está enfuncionamiento.