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Medición de Temperatura C16 - Sensores, Transductores y Actuadores 2024-2 Prof. Ing. Luis Campusano Q.  OBJETIVOS - Conocer los diferentes instrumentos de medición de temperatura. - Explicar el principio de funcionamiento de los instrumentos de temperatura...

Medición de Temperatura C16 - Sensores, Transductores y Actuadores 2024-2 Prof. Ing. Luis Campusano Q.  OBJETIVOS - Conocer los diferentes instrumentos de medición de temperatura. - Explicar el principio de funcionamiento de los instrumentos de temperatura 2 TEMPERATURA La temperatura es una magnitud física que indica la energía interna de un cuerpo, de un objeto o del medio ambiente en general, medida por un termómetro. Dicha energía interna se expresa en términos de calor y frío, siendo el primero asociado con una temperatura más alta, mientras que el frío se asocia con una temperatura más baja. 4 TEMPERATURA Las formas de transmisión del calor son: Conducción Radiación Convección. 5  TEMPERATURA APLICACIONES En el campo de los procesos industriales, químicos, petroquímicos, siderúrgicos, cerámico, farmacéutico, alimenticio, hidroeléctrico, nuclear, papel y celulosa, etc. El monitoreo de la variable temperatura es fundamental para la obtención del producto final especificado. 6 Medición de temperatura 7  Escalas de temperatura C  F − 32  K − 273  R − 491 = = = 5 9 5 9 Punto de ebullición del agua: 100°C, 373°K, 212°F, 671°R Punto de fusión del agua: 0°C, 273°K, 32°F, 491°R R= Grados F sobre cero absoluto 8 Escalas de temperatura 9  Medición de temperatura Termómetros de dilatación -De vidrio - De bulbo -Bimetálico Termómetros sensibles a la resistencia -De resistencia metálica (RTD) -termistores Termopares -Termocupla K y J Métodos sin contacto -pirómetros ópticos 10  Termómetro de dilatación Termómetro de vidrio 11  Termómetro de Dilatación TERMÓMETRO DE VIDRIO Aplicaciones Son apropiados para la medición directa de la temperatura en el sitio de un medio liquido : Aire acondicionado y refrigeración Sistemas de calefacción y hornos Planta de Ingeniería y equipamientos Manufacturación de máquinas Estaciones de poder para calefacción distritales 12 Termómetro de Dilatación TERMÓMETROS DE BULBO La variación de temperatura produce la expansión o contracción del fluido (mercurio) lo que deforma el recinto (espiral) que lo contiene. La deformación es apreciada por un muelle Bourdon y transmitida a un indicador o transmisor. Rango: -40°C a 425°C Precisión: 1% 13  Termómetro de Dilatación Termómetro de Bulbo 14  Termómetro de Dilatación Termómetro de Bulbo Video Termómetro de Bulbo 15  Termómetro de Dilatación TERMÓMETRO BIMETÁLICO - Constan de 2 láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por sus extremos. - Cuando por efecto de la temperatura se dilatan, se deforman produciéndose un desplazamiento mecánico cuya fuerza se emplea para mover una aguja indicadora o activar un mecanismo de control - Muy usados como termostatos - Rango: -40 a 500°C - Precisión: 1% 16  Termómetro de Dilatación Termómetro Bimetálico 17  Termómetro bimetálico Video Termómetro Bimetálico Video Termómetro Bimetálico 18  RTD (Detector de Temperatura Resistivo) Se basan en que la resistencia eléctrica de metales puros aumenta con la temperatura. En algunos casos en forma casi lineal. Este principio proporciona una forma muy precisa de medir. Se necesita un material: -Resistente a la corrosión y ambientes hostiles -Comportamiento lineal -Alta sensibilidad -Fáciles de fabricar y estables 19  RTD (Detector de Temperatura Resistivo) 20  RTD (Detector de temperatura resistivo) Se fabrican de alambre finos soportados por un material aislante y luego encapsulado, Los materiales empleados para la construcción de sensores RTD suelen ser conductores tales como el cobre, el níquel y platino Platino (precisión + estabilidad) Rango: -200 °C a 850 °C Utiliza como patrón Metal Coef. De Rango de Precio Resistencia Precisión Temp Temp 0 °C Platino 0,385 -250 a 850 Alto 100 0,01 Niquel 0,63 -60 a 180 Medio 100 0,50 Cobre 0,425 -200 a 150 Bajo 10 0,10 21  RTD (detector de temperatura resistivo) 22  RTD Para un RTD de platino (pt-100), su resistencia R a una determinada temperatura T es el resultado de aplicar la siguiente ecuación aproximada R = 100(1 +  T ) Donde  = 0.00385C −1 (curva europea )  = 0.00392C −1 (curva americana ) T = Temperatura medida α = coeficiente de temperatura 23 RTD 24  RTD Ejemplo 1 ¿ Calcular la resistencia que presenta la temperatura a 20°C? Sensor : pt-100 Temperatura : 20°C α = 0.00385°/C Solución: Rt =100Ω*(1 + 0.00385°/C* 20°C) Rt= 107.7Ω Según tabla 25  RTD Para medir la variación en la resistencia en el detector se usan circuitos basados en el puente de Wheatstone. Un cable común razonablemente grueso seria uno de diámetro equivalente a 18 AWG. La resistencia de este cable es 0.0193 ohm por metro 26  RTD Pt-100 0ºC 100 La resistencia eléctrica cambia con la temperatura Puente eléctrico para la conversión a señal eléctrica de tensión Margen de empleo: -200 500ºC Sensibilidad: 0.4 /ºC Precisión: 0.2% 27  Pt-100 Puente de Wheatstone R R V Rt R Cuando el puente está equilibrado, la tensión V es nula. Si se modifica Rt la Pt100 tensión V cambia. 28 Pt-100 Conexión a tres hilos Pt100 La longitud de los hilos de conexión influye en la medida, el tercer hilo hace que se añada la misma resistencia a cada rama y se compensa el desequilibrio producido en el puente29 Pt-100 Conexión a 2,3 y 4 hilos 30 Características del pt100 31 Pt100 En el momento de comprar un Pt100 se debe tener presente que existen distintas calidades y precios para el elemento sensor que va en el extremo del Pt100. Los de mejor calidad están hechos con un verdadero alambre de platino y los más económicos están hechos en base a una pintura conductora sobre un sustrato de aluminio, estos son menos precisos. En general no se debe montar un Pt100 en lugares sometidos a mucha vibración , puede fracturarse. El aspecto exterior de las termoresistencias (pt-100) industriales es prácticamente idéntico al de las termocuplas. 32 Tipos de pt100 Hay dos tipos principales de elementos Pt100: de hilo bobinado y de película fina 1.- Sensores Pt100 de alambre enrollado Los sensores Pt100 de alambre enrollado constan de una longitud de alambre de platino enrollado alrededor de un núcleo de cerámica o de vidrio. Estos tipos de elementos son típicamente de 1 a 5 mm de diámetro y de 10 a 50 mm de longitud. El núcleo de cerámica o vidrio puede volverlos frágiles y susceptibles a la vibración por lo que normalmente están protegidos dentro de una vaina formando una sonda para uso práctico. 33 Tipo de pt100 Hay dos tipos principales de elementos Pt100: de hilo bobinado y de película fina 2.- Sensores Pt100 de película fina Los sensores Pt100 de película fina se fabrican utilizando materiales y procesos similares a los que son empleados en la fabricación de circuitos integrados. Una película de platino se deposita sobre un sustrato de cerámica que se encapsula. Este método permite la producción de sensores precisos, pequeños, y de respuesta rápida. 34 Pt-100 Video de pt100 35  TERMISTORES Termistor(Resistencia sensible termicamente), Materiales semiconductores que utilizan como variable su resistencia para detectar variaciones de temperatura. Se fabrican con óxidos de diferentes metales como níquel, cobalto, cobre, titanio, manganeso, etc. Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura, tanto en gases como en líquidos o sólidos. 36  TERMISTORES Se utilizan en regulación de voltaje, control de potencia, control de temperatura, detectores en analizadores, etc. Tipos de termistores: PTC: coeficiente de temperatura positivo, cuando aumenta la temperatura también aumenta la resistencia, NTC: coeficiente de temperatura negativo, aumenta la temperatura y disminuye la resistencia, 37 TERMISTORES 38 TERMISTORES 1 1    −  R = R0 e  T T0  R : resistencia del termistor () R0 : resistencia del termistor aT0 () T0 : temperatura de referencia ( K )  : es una cons tan te de calibración dependiente del material del termistor , generalmente entre 3000 y 5000 K 39 Ejercicios 1.- Un termistor NTC tiene los siguientes datos: B=4000 ºK, R(25 ºC)=82 Ω, siendo el rango de temperaturas de 0 ºC a 100 ºC. La temperatura central será en este caso de 50 ºC, que pasado a ºK es de 323 ºK. ¿Calcular la resistencia que presenta la temperatura central de 323 ºK (50 ºC)? Desarrollo Datos: β= 4000°K, R(25) = 82 Ω , To = 25°C , T= 50°C, R(50°) = ? R=Roeβ(1/T -1/To) R= 82 e4000(1/(50+273) – 1/(25+273)) R=29 Ω TERMISTORES VENTAJAS: - alta sensibilidad - alta precisión (+/-0.02°C) - pequeño tamaño - bajo tiempo de respuesta( baja inercia térmica) - estabilidad y repetibilidad a largo plazo DESVENTAJAS: - no lineales - limitado rango de utilización(-40°C a 150°C) 42 Característica del NTC 43 Característica del PTC 44  TERMOCUPLA (Termopar) Es el sensor de temperatura más utilizado en la industria. Está formada por dos alambres de distinto material unidos en un extremo soldados generalmente. Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck: efecto termoelectrico) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Su sensibilidad es del orden de 10 a 50 uV/ºC. 45  TERMOCUPLA Ejemplo Una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y níquel). Al colocar la unión de estos metales a 750°C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts. 46  TERMOCUPLA J I Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T ) 47  TERMOCUPLA Existen varios tipos de termocuplas, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K. Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección ) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). 48  TERMOCUPLA Las termocupla K se usan en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos. Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero) Las termocupla tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100 49 TERMOCUPLA 50  TERMOCUPLA Termocupla Cable Cable Rango Voltios Aleación + Aleación - (min, máx.) mV ºC J hierro Cobre/níquel (-180, 750) 42.2 K Níquel/cromo Níquel/aluminio (-180, 1372) 54.8 T cobre Cobre/níquel (-250, 400) 20.8 R 87% platino 100% platino (0, 1767) 21.09 13% rhodio S 90% platino 100% platino (0, 1767) 18.68 10% rhodio B 70% platino 100% platino (0, 1820) 13.814 30% rhodio 52  Termocuplas Precisión Tipo Rango Precisión T -200 250ºC 2% J -180 750ºC 0.5% K -180 1300ºC 1% R/S 0 1600ºC 0.5% W 0 2800ºC 1% 53  Termocupla La dependencia entre el voltaje entregado por las termocuplas y la temperatura no es lineal ( no es una recta ) , es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este voltaje. 54  Termocupla COMPENSACIÓN DE CERO El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de compensación de cero. Esto se debe a que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre. En ese punto se producirán dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de ambiente ( Ta ) en el punto del empalme. 55  Termocupla CABLES COMPENSADOS Cuando el instrumento está muy retirado del lugar de medición, no siempre es posible llegar con el mismo cable de la termocupla al instrumento. Esto ocurre especialmente cuando se están usando termocuplas R, S o B hechas con aleación de platino de muy alto precio. 56  TERMOCUPLA CABLES COMPENSADOS La solución de este problema es usar los llamados "cables compensados" para hacer la extensión del cable. Estos exhiben el mismo coeficiente de Seebeck de la termocupla (pero hechos de otro material de menor precio ) y por lo tanto no generan termocuplas parásitas en el empalme. Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-) que al conectarse con la termocupla se debe respetar. 57  TERMOCUPLA CABLES COMPENSADOS 58  TERMOCUPLA INDICADOR CONVERTIDOR Metal A 4-20 mA → Cables de Tm mV+-Tol. compensacionTr E Tm-Tr () Metal B Indication UNION DE SISTEMA °C / °F TERMINAL REFERENCIA DE MEDIDA DE CABEZAL 59  TERMOCUPLA V= V(cu,a)(Ta) + V(a,b)(T) +V(b,cu)(Ta) V= [V(b,cu)(Ta) + V(cu,a)(Ta)] +V(a,b)(T) V= V(b,a)(Ta) +V(a,b)(T) V= V(a,b)(T) – V(a,b)(Ta) V=Vcu V(a,b)(T) = V + V(a,b)(Ta) 60  TERMOCUPLA El voltaje que nos interesa saber para conocer el valor de la temperatura T es : Va,b(T) = V + Va,b(Ta) Luego conociendo la temperatura ambiente Ta se busca en la tabla de la termocupla el valor de Va,b(Ta) y se suma a V medido en el voltímetro con lo que se obtiene Va,b(T). Ahora con este valor se busca en la tabla el valor de T. Los instrumentos para termocupla miden Ta en su conector y suman esta cantidad Va,b(Ta) automáticamente para hacerla compensación de cero. 61  TERMOCUPLA Ejemplo: Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV. Si la temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C, entonces en la tabla esto corresponde a 1.277 mV. Solución: Luego Vab(T) = 10.84 + 1.277 = 12.117mV, esto según la tabla corresponde a 224°C 62 Conexión de Termocuplas 63  Conexión de Termocuplas tipo J 64 VIDEO TERMOCUPLAS  Termopozo En la mayoría de las aplicaciones de medición de temperatura no es recomendable exponer el elemento sensor al fluido del proceso. La utilización de un termopozo, a pesar de que introduce retardos en la medición, es recomendable para proteger al elemento sensor de la corrosión, erosión y altas presiones además de permitir su remoción o cambio mientras la planta o el proceso está en operación 65  Termopozo Posición de montaje de un termopozo El usuario debe optimizar la posición de montaje para conseguir un máximo rendimiento. La mejor solución es la posición que permite la máxima exposición del sensor al fluido. Esta exposición se alcanza al montar el termopozo en un codo de tubo contra la dirección del fluido. Si no existe ningún codo en el punto de medición deseado se debe procurar una inclinación del termopozo con el área sensible en dirección contraria del fluido. La posición rectangular resulta menos eficaz ya que reduce la exposición del punto sensible. 66  Inserción e inmersión de un termopozo La longitud de inmersión requerida para obtener una exactitud y tiempo de respuesta óptimos es una función de factores mecánicos tales como: tipo de elemento sensor, espacio disponible, diseño de la conexión del termopozo al recipiente o tubería y de las consideraciones de transferencia de calor determinadas por las propiedades físicas del fluido 67 Termopozo tipo roscado 68 Termopozo tipo bridado 69 Rangos de presión y temperatura de termopozos 70 Termopozo TERMINALES TUBO PROTECTOR METALES AISLANTE UNION DE MEDIDA 71 Termopozo 72 Termopozo 73  POSICIÓN DE MONTAJE DE UN TERMOPOZO El usuario debe optimizar la posición de montaje para conseguir un máximo rendimiento. La mejor solución es la posición que permite la máxima exposición del sensor al fluido. Esta exposición se alcanza al montar el termopozo en un codo de tubo contra la dirección del fluido. Si no existe ningún codo en el punto de medición deseado se debe procurar una inclinación del termopozo con el área sensible en dirección contraria del fluido. La posición rectangular resulta menos eficaz ya que reduce la exposición del punto sensible. 74 VIDEO DE TERMPOZO  PIRÓMETROS INFRARROJOS Todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas o radiación dependiendo de la temperatura a la que se encuentran La energía radiada y su longitud de onda están de acuerdo a la temperatura Por lo que se puede medir la temperatura del cuerpo sin contacto con él Basan su funcionamiento en la emisividad de los cuerpos 75 PIRÓMETROS INFRARROJOS La emisividad, es la proporción de radiación térmica emitida por una superficie u objeto debida a su temperatura. 76 PIRÓMETROS INFRARROJOS 77  Pirómetros de infrarrojos Tienen unos detectores que captan simultáneamente todas las radiaciones emitidas en la zona del espectro entre 0.3 y 20 micras 78  Pirómetros de infrarrojos APLICACION El sistema óptico del termómetro de radiación recolecta parte de la radiación proveniente de una muestra de la superficie y la dirige al detector. El cual la convierte en una señal eléctrica. El circuito electrónico convierte la señal eléctrica a una correspondiente a la temperatura de la superficie. 79  Pirómetros de infrarrojos Todo cuerpo sobre el cero absoluto de temperatura (-273°C), irradia una energía con una longitud de onda que se encuentra en el infrarrojo (0,76 – 1.000 µm), del espectro. electromagnético. El espectro visible es de 0,4 µ para la luz ultravioleta hasta alrededor de 0,75 µm, para la luz roja. Para los propósitos prácticos de medición de temperatura el espectro infrarrojo se extiende de 0,75 µ a 20 µm. 80 EMISIVIDAD DE LOS MATERIALES Material Emisividad Material Emisividad Aluminio* 0,03-0,30 Plomo* 0,50 Asbesto 0,95 Piedra caliza 0,98 Asfalto 0,95 Aceite 0,97 Basalto 0,70 Pintura 0,93 Latón* 0,50 Papel 0,95 Ladrillo 0,90 Plástico** 0,95 Carbono 0,85 Caucho 0,95 Cerámica 0,95 Arena 0,90 Concreto 0,95 Piel 0,98 Cobre** 0,95 Nieve 0,90 Polvo 0,94 Acero** 0,80 Alimento Congelado 0,96 Textiles 0,94 Hielo 0,98 Agua 0,95-0,99 Hierro* 0,70 Madera*** 0,94 * oxidado ** opaco ***natural 81  Pirómetros de infrarrojos EMISIVIDAD DE LOS MATERIALES Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas. Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. 82  Pirómetros de infrarrojos APLICACIONES Detector de metal Caliente 83 Características de los medidores de temperatura 84 Bibliografía Considine, Douglas M. (1993). Process/Industrial Instruments and controls handbook. New York: Mc Graw- Hill. (621.381I/C74) Creus Sole, Antonio (2006). Instrumentación Industrial. México D.F.: Alfaomega. (621.381I/C85/2006) Kerlin, Thomas (1982). Industrial temperature measurement: ISA. (621.381I/K44) Norton, Harry (1984). Sensores y analizadores. Barcelona: G.Gili S.A. (621.381I/N82) Spitzer, David W. (1990). Industrial Flow Measurement. North Carolina: ISA. (621.381I/S58) 85