Medicion de Temperatura Apunte 1

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Docente: Marcelo Rojo González Instrumentación industrial Medición de “Temperatura”

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Medicion de Temperatura Apunte 1

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Docente: Marcelo Rojo González

Instrumentación industrial

Medición de “Temperatura”

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Contenido

• Introducción

• Repaso de conceptos:

– Calor

– Temperatura

– Calor especifico

– Inercia térmica

• Elementos primarios para la medición de temperatura

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Introducción

Para poder seleccionar apropiadamente un instrumento de medición, esrequisito “indispensable” estudiar en “detalle” las características del procesosobre el cual se desea utilizar, con el propósito de reconocer “todos” losparámetros bajos los cuales deberá trabajar el instrumento, de manera dedimensionarlo adecuadamente, y así asegurar su funcionamiento confiable yseguro.

Ahora, cuando nos referimos a los parámetros del instrumento, no solodebemos pensar en los parámetros que son propios de la variable a medir,sino que también, debemos considerar otros factores, como por ejemplo, lascondiciones ambientales bajo las cuales el instrumento será instalado, asícomo también, de las normativas vigentes que apliquen sobre en el cualtrabajaremos.

Ya una vez conocida “todas” las características del proceso, y definido susrangos de operación, ya estamos en condiciones de comenzar a definir elinstrumento a utilizar, a partir del estudio de las fichas técnicas de losinstrumentos que se encuentran disponibles en el mercado, los cuales debenser compatibles con las condiciones antes citadas, como también delpresupuesto disponible para la implementación del proyecto.

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Calor y Temperatura

Muchos creen que el calor y temperatura son lo mismo, pero están muyequivocados, ambos términos son muy diferentes aunque tienen una relaciónmuy estrecha entre si.

Primero definamos que es el calor según la física:

Es la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a otro,

es una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras

partículas.

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Es importante tener en cuenta que los

cuerpos no tienen calor, sino energía

interna. Cuando una parte de esta

energía se transfiere de un sistema o

cuerpo hacia otro que se halla a distinta

temperatura, se habla de calor.

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Calor y Temperatura

Ahora definamos que es la temperatura según la física:

La temperatura es una magnitud física que refleja la cantidad de calor, ya sea

de un cuerpo, de un objeto o del ambiente.

Por lo que la principal diferencia entre el calor y temperatura es que el calor es

la transferencia de energía de un cuerpo a otro y la temperatura es la unidad

que refleja la cantidad de calor.

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Por ejemplo:

Si hacemos hervir agua en dos

recipientes de diferente tamaño, la

temperatura alcanzada es la misma para

los dos, 100° C, pero el que tiene más

agua posee mayor cantidad de calor.

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Calor especifico

El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de

calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema

termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. En general, el valor

del calor específico depende del valor de la temperatura inicial del cuerpo.

Se le representa con la letra ”c” (minúscula).

Así tenemos: c = Q / (m+ (Tf-Ti)

Donde:

c : Calor especifico

Q: Calor añadido

M: masa

Tf: Tº final

Ti: Tº Inicial

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Calor especifico

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Tipos de sensores para Temperatura

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– Termopar

• Tipo K

• Tipo E

• Tipo J

• Tipo N

• Tipo B

• Tipo R

• Tipo S

– RTD

• PT100

• PT1000

– Termistor

• NTC

• PTC

– Bimetal

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Sensores termopar = Termocupla

Un termopar Es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos

que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de

temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión

caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de

referencia.

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En Instrumentación industrial, los

termopares son ampliamente usados

como sensores de temperatura. Son

económicos, intercambiables, tienen

conectores estándar y son capaces

de medir un amplio rango de

temperaturas. Su principal limitación

es la exactitud ya que los errores del

sistema inferiores a un grado Celsius

son difíciles de obtener.

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Tipos de Termopares (Termocuplas)

Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel):con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y enuna variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200º C a +1.372ºC y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.

Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos ygracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en elámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.

Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menospopular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan eluso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturassuperiores a 760º C ya que una abrupta transformación magnética causa unadescalibración permanente. Tienen un rango de -40º C a +750º C y unasensibilidad de ~52 µV/° C. Es afectado por la corrosión.

Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones dealta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidaciónde altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y Sque son más caros.

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Tipos de Termopares (Termocuplas)

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300º C).

Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altastemperaturas superiores a 1.800º C. Los tipo B presentan el mismo resultado a0º C y 42º C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso atemperaturas por encima de 50º C.

Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición detemperaturas de hasta 1.300º C. Su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevadoprecio quitan su atractivo.

Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hastalos 1.300º C, pero su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio loconvierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a suelevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del puntode fusión del oro (1064,43° C).

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Formatos constructivos de termopares

Los termopares ó termocuplas pueden presentar tres formas de construcción:

A) Aterrizada; Construcción especial para lograr una mayor fidelidad de respuesta.

B) Aislada; Construcción normal de los termopares.

C) Expuesta; Construcción especial que ofrece la máxima velocidad y fidelidad de respuesta

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Muestra de curvas de respuesta de algunos termopares

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Sensores del tipo RTD

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Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el

efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que,

ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica

que presentan. Este aumento viene expresado como:

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RTD del tipo Pt100 y Pt1000.

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Un tipo de RTD son las Pt100 o Pt1000. Estos sensores deben su nombre al

hecho de estar fabricados de platino (PT) y presentar una resistencia de

100ohms o 1000ohms respectivamente a 0ºC. Son dispositivos muy lineales

en un gran rango de temperaturas, por lo que suele expresarse su variación

como:.

Donde Tª0 es una temperatura de referencia y R0 es la resistencia a esa

temperatura.

Tolerancias comerciales según norma IEC 751:1995 :

Pt100 Clase A ±0,15 ºC [ 0 ºC] ±0,06 Ω [ 0 ºC]

Pt100 Clase B ±0,30 ºC [ 0 ºC] ±0,12 Ω [ 0 ºC]

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Conexiones de las Pt100 ó Pt1000

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2 Hilos (2 Wires)

Es el modo más sencillo de conexión (“pero el menos recomendado”).

En esta caso las resistencias de los cables Rc1 y Rc2, que unen la Pt100 al

instrumento, se suman provocando un error inevitable.

El lector medirá R(t)+Rc1+Rc2, en vez de sólo R(t).

La recomendación en estos

casos, es usar un cable lo

más grueso posible, para

disminuir la resistencia de

Rc1 y Rc2.

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Conexiones de las Pt100 ó Pt1000

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3 Hilos (3 Wires)

Es el modo de conexión más utilizado y resuelve bastante bien el problema

del error generado por los cables.

El único requisito es que los tres cables, tengan la misma resistencia eléctrica,

pues el sistema de medición (casi siempre), se basa en el puente de

Wheatstone. Por supuesto el medidor de temperatura debe ser para este tipo

de conexión.

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Conexiones de las Pt100 ó Pt1000

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4 Hilos (4 Wires)

El modo de conexión en 4 hilos, es el más preciso de todos, los cuatro cables

pueden ser distintos (diferente resistencia), pero el instrumento lector es más

costoso.

Por los cables 1 y 4, se hace

circular una corriente eléctrica

conocida, lo cual provoca una

caída de voltaje V en R(t). Los

cables 2 y 3 están conectados a

un voltímetro de alta impedancia,

por lo cual por estos cables no

circula corriente, la caída de

tensión en Rc2 y Rc3 es cero, con

lo cual se obtiene el valor de

resistencia a partir de V/I.

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Puente de Wheatstone

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Un puente de Wheatstone es un instrumento eléctrico de medida inventado

por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles

Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas

mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por

cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la

resistencia bajo medida.

Rx es la resistencia cuyo valor queremos

determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de

valores conocidos, además la resistencia R2 es

ajustable. Si la relación de las dos resistencias

del brazo conocido (R1/R2) es igual a la

relación de las dos del brazo desconocido

(Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios

será nulo y por tanto no circulará corriente

alguna entre esos dos puntos C y B.

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Termistor

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Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia

eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermally

sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existen dos

clases de termistores: NTC y PTC.

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Termistor NTC

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Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia

variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura.

Son resistencias de coeficiente de temperatura negativa, constituidas por un

cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir,

su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.

Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc,

cobalto, etc.

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:

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Termistor PTC

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Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia

variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la

temperatura.

Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones:

Limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la

protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores

eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos

en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades y

puede comportarse eventualmente de una

forma similar al termistor NTC si la temperatura

llega a ser demasiado alta.

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Termistor PTC

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Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia

variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la

temperatura.

Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones:

Limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la

protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores

eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos

en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente

de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado

alta.

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Bimetales

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Consiste en dos láminas de metal unidas, con diferente coeficiente de

dilatación térmico. Cuando la temperatura cambia, la lámina cambia de forma

actuando sobre unos contactos que cierran un circuito eléctrico.

Pueden ser normalmente abiertos o normalmente cerrados, cambiando su

estado cuando la temperatura alcanza el nivel para el que son preparados.

Bimetal manual

Son los que requieren intervención

humana para regresar a su estado inicial,

como los termostatos de seguridad que

realizan una función en caso de que la

temperatura alcance niveles peligrosos.

Bimetal automático

Regresan a su estado inicial sin

necesidad de intervención humana.