Medición y control industrial

Cómo selecionar sensores de temperatura

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La temperatura puede medirse de numerosas maneras y con una gran variedad de elementos . Estas páginas cubren las características de los sensores de uso mas común en instrumentación y control de procesos y sugiere que criterios utilizar para seleccionar el mejor sensor para una aplicación particular . Información destinada al personal de mantenimiento industrial y operarios de máquinas en general .

ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS: CALOR Y TEMPERATURA

La Temperatura es difícil de definir, ya que no es una variable tan tangible como lo es la presión, dado que en su caso, no podemos referirla a otras variables.

La física térmica es la disciplina que estudia la temperatura, la transferencia y transformación de la energía. Nuestro recorrido empieza con conceptos que utilizamos en nuestra vida diaria: frío y calor; conoceremos sus respectivas descripciones para saber que se puede tomar o llevar a la boca sin quemarse. Veremos que, aunque la temperatura puede considerarse una cantidad básica, como el tiempo, por lo general se le relaciona con la concentración de energía térmica en un sistema material.

ENERGÍA TÉRMICA

El fuego se conoce desde los inicios de la civilización humana, y no fue sino hasta el siglo XVIII que los científicos comenzaron a entender la diferencia entre los cuerpos calientes y los fríos.

Se creía que cuando un cuerpo se calentaba, un fluido invisible llamado calórico se unía al cuerpo. Así los cuerpos fríos contenían menos calórico que los cuerpos calientes. También la teoría del calórico podía explicar el aumento de tamaño de los cuerpos al calentarse, pero no podía explicar el por qué las manos se calentaban al frotarse entre sí.

A la mitad del siglo XIX, los científicos desarrollaron una nueva teoría para sustituir la del calórico. La nueva teoría suponía que la materia está compuesta por partículas muy pequeñas (átomos, moléculas) que se mueven muy rápido y, por lo tanto, tienen mayor energía que las partículas de un cuerpo frío. Esta teoría recibió el nombre de teoría cinética molecular. A la suma de la energía cinética y la energía potencial del movimiento interno de las partículas de un cuerpo se le llama energía interna o energía térmica del cuerpo.

La energía térmica se transmite de 3 formas distintas: la conducción, la convección y la radiación.

> La conducción es la manera más común en los cuerpos sólidos, ésta es la transferencia de energía cinética entre las partículas del cuerpo cuando ellas chocan, transfiriendo energía cinética las moléculas con mayor temperatura las moléculas con menos temperatura o, lo que es lo mismo, menos energía cinética. Ejemplo de conducción es una sartén con sopa, colocada sobre la estufa. El calor es conducido al material del que está hecha la sartén, lo que provoca que ésta se caliente.

> El movimiento de los fluidos (líquidos o gases) provocados por la diferencia de temperaturas y de densidades transfiere calor por convección. Las corrientes de convección de la atmósfera son las responsables del estado atmosférico de nuestro planeta. Por ejemplo, en nuestras casas hay cuartos más calientes que otros, esto es por el movimiento de las corrientes de aire dentro de ella. No tienen la misma temperatura la cocina y la sala, ni la recámara y el baño.

> La radiación es el proceso por el cual el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas. El calor radiante se puede reflejar o refractar, es decir, parte de él se absorbe y otra parte se refleja. Por eso los cuerpos de color oscuro absorben más rápido el calor que los objetos de color claro. Un ejemplo común de esta transferencia de energía térmica es la energía solar.

El calor es la transferencia de energía térmica de un lugar a otro.

Control automático industrial

Neumática - hidráulica

Technical English - Spanish Vocabulary


 

TEMPERATURA

Comprendido lo anterior, podemos llegar a la conclusión de que un cuerpo caliente tiene más energía térmica que un cuerpo “frío” semejante. Esto significa que, las partículas del cuerpo con mayor temperatura tienen más energía cinética y potencial que las partículas del cuerpo “frío”.

Ahora bien, ¿cómo se mide la “cantidad de calor” de un cuerpo ? La cantidad de calor o el grado de calor se mide sobre una escala específica, es una propiedad de un cuerpo llamada temperatura. La temperatura es una medida de la energía total promedio que tiene cada partícula del objeto en estudio. En un cuerpo más caliente las partículas se mueven más rápido, debido a que tienen mayor energía cinética. Para los gases, la temperatura es proporcional a la energía cinética media o promedio de las partículas. La temperatura no depende del número de partículas que posea un objeto. La energía térmica de un objeto es proporcional al número de sus partículas, mientras que su temperatura no lo es.

La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia. Por otra parte, si, positivamente, podremos definir los efectos que los cambios de temperatura producen sobre la materia, tales como los aumentos o disminución de la velocidad de las moléculas de ella, con consecuencia palpable, tales como el aumento o disminución del volumen de esa porción de materia o posibles cambios de estado.

CALOR Y TEMPERATURA, relaciones y diferencias.

Como ya hemos indicado antes el calor y la temperatura son dos cosas diferentes. La relación entre ellas es causal ya que la temperatura viene siendo un efecto de la transferencia del calor.

La temperatura nos indica hacia dónde va a fluir el calor cuando se ponen dos cuerpos en interacción; el calor pasa del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, hasta que ambos llegan a una temperatura estable. Más adelante veremos que no es necesario que exista contacto entre dos cuerpos para que haya transferencia de calor.

Por costumbre utilizamos indistintamente el término calor o temperatura para comunicar sensaciones de calor o de frío que percibimos mediante nuestro sentido del tacto. Sin embargo, el calor y la temperatura son distintos, ya que cada uno representa conceptos diferentes y tiene sus propias unidades de medición. Toda la materia, sin importar su estado físico (sólido, líquido o gaseoso), se compone de átomos y moléculas en agitación continua y, pesar de su movimiento, los átomos y moléculas pueden unirse para formar una gran cantidad de elementos y compuestos químicos, los que a su vez se combinan para formar los cuerpos que nos rodean. A las fuerzas que permiten estas uniones se les conoce como fuerzas de cohesión. Como estas partículas se mueven, automáticamente poseen energía cinética y el incremento en la energía interna causa un efecto en la materia que podemos percibir: el calor.

El calor es la energía que fluye como resultado de una diferencia de temperatura y, la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de un determinado cuerpo.

ESCALAS DE TEMPERATURA

Anders Celsius, físico y astrónomo sueco, se basó en las propiedades del agua pura para desarrollar una escala de temperatura, conocida bajo el nombre de escala Celsius. Las propiedades que utilizó Celsius fueron: el punto de congelación del agua, a la cual le asignó el valor de cero grados (0°C) y, el punto de ebullición del agua al nivel del mar, a la cual se asignó el valor de cien grados (100°C). La temperatura de nuestro cuerpo en esta escala es de 37°C.

La temperatura no tiene un límite superior, por ejemplo la superficie del sol tiene una temperatura alrededor de 10 4 °C, pero sí un límite inferior. Si tomamos un gas “ideal” (el cual se considera que sus partículas no tienen volumen y no interactúan entre sí) y lo enfriamos, se puede contraer hasta tener un volumen cero a la temperatura de –273.15°C. En este valor de la temperatura en la escala Celsius, la energía térmica del gas se suprime y es imposible reducir más su energía térmica. Lo que trae como consecuencia que no pueda existir una temperatura menor a –273.15°C. Esta temperatura recibe el nombre de cero absoluto.

La escala de temperaturas que se basa en el cero absoluto se conoce como Kelvin, en esta escala el punto cero (0 K) es el cero absoluto, el punto de congelación del agua (0°C) es 273.15 K, y el punto de ebullición del agua (100°C) es 373.15 K. Esta escala debe su nombre al científico escocés Lord Kelvin, que realizó muchas contribuciones al estudio de la termodinámica.

Existe otra escala de temperaturas llamada Fahrenheit. Esta escala debe su nombre a Gabriel Daniel Fahrenheit, quién utilizó mercurio para medir la temperatura y señalo el punto de fusión o congelación del agua a 32°F y el punto de ebullición en 212°F

Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son:

- Temperaturas absolutas
- Temperaturas relativas

Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado estático o con energía cinética nula.

Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común.

En Sistema Métrico Decimal, las escalas relativas y absolutas son:

- la Escala Celsius o de grados Centígrados (relativa)
- la Escala Kelvin (absoluta)

La equivalencia entre las dos escalas es:

Grados Kelvin = Grados Centígrados + 273

En el Sistema de Medidas Inglesas, su equivalente será:

- La Escala Fahrenheit (Relativa)
- La Escala Rankine (Absoluta)

la equivalencia entre estas dos escalas es:

Grados Rankine = Grados Fahrenheit + 460

 

Por otra parte, las escalas Celsius y la Fahrenheit están referidas al mismo patrón, pero sus escalas son diferentes. El patrón de referencia usado para su definición fueron los cambios de estado del agua. Estos puntos son:

CAMBIO DE ESTADO
ºCELSIUS
ºFARENHEIT
SOLIDO - LIQUIDO
0
32
LIQUIDO - GAS
100
212

Como se puede deducir de la tabla anterior, por cada grado Celsius de cambio térmico tendremos 1,8 grados Fahrenheit de cambio equivalente. De todo esto, la equivalencia entre estas dos escalas será:

Grados Fahrenheit = Grados Celsius * 1,8 + 32

Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad con frecuencia incluye la medición de temperaturas. Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea, tal como se muestra en la figura 1. El ingeniero de procesos y el instrumentista deben decidir cuál de los sensores es mejor para una situación en particular.

EQUILIBRIO TERMICO Y TERMOMETRÍA

Cuando tenemos dos cuerpos con diferentes temperaturas y están en contacto de manera que fluye calor entre ellos decimos que están en contacto térmico. Como ya comentamos anteriormente, el calor fluye del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura, pero ¿qué sucede una vez que los dos cuerpos han alcanzado la misma temperatura? Cuando los cuerpos alcanzan una misma temperatura, ya no fluye calor entre ellos por lo que se dice que alcanzaron un equilibrio térmico. Veamos un ejemplo: cuando sospechamos que tenemos fiebre, se busca un “termómetro” y se coloca en la boca, después de cierto tiempo se obtiene una medida de la temperatura de nuestro cuerpo. A escala microscópica sucede lo siguiente: primero el cuerpo está a una temperatura mayor comparada con la del termómetro, lo cual quiere decir que las partículas de nuestro cuerpo tienen una energía térmica mayor.

Cuando el termómetro, hecho normalmente de vidrio, toca nuestro cuerpo, las partículas del cuerpo chocan con las partículas del vidrio. Estos choques, por conducción, transmiten energía a las partículas de vidrio, aumentando la energía térmica de las partículas que componen el termómetro. Conforme las partículas de vidrio adquieren más energía, empiezan a transferir energía de vuelta a nuestro cuerpo, hasta que la tasa de transferencia de energía entre el cuerpo y el vidrio es la misma, alcanzando el equilibrio térmico.

El termómetro es un instrumento que sirve para medir la temperatura de los cuerpos. Funciona colocando en contacto directo con el objeto hasta que alcanzan el equilibrio térmico. Su funcionamiento depende de una propiedad física de los materiales conocida como volumen, el cual varía con la temperatura. El termómetro trabaja de la siguiente manera: en el interior del tubo de vidrio (en los termómetros caseros) existe un tubo angosto en el que se encuentra ya sea alcohol coloreado o mercurio que, al calentarse, comienza a subir por el tubo. Entre más se caliente el termómetro mayor será la altura de la columna que ocupe el fluido y de acuerdo a la graduación del tubo se sabrá la temperatura del cuerpo u objeto determinado.

TIPOS DE INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Los diferentes tipos de instrumentos que son usados para la medición de la temperatura son básicamente los siguientes:

1. - de Vidrio
2. - Termómetro Bimetálico
3. -
4. - Termoresistencia ( RTD )
5. - de Radiación

TERMÓMETRO DE VIDRIO

Este tipo de instrumento, es el más conocido por nosotros; consta de un tubo de vidrio hueco, con un deposito lleno de un fluido muy sensible volumétricamente a los cambios de temperatura.

Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cuáles, vendrán limitados, por los puntos de solidificación y de ebullición de los antes citados fluidos. Algunos de estos son:

Mercurio -35 a 280 °C
Mercurio (tubo de gas) -35 a 450 °C
Pentano -200 a 20 °C
Alcohol -110 a 50 °C
Tolueno -70 a 100 °C

Estos son frágiles, requieren de una posición específica para funcionar, además de tener un rango muy limitado de la variable.

TERMÓMETROS BIMETÁLICOS

Fig.: Dialatación de una barra

Todos los instrumentos de medición de temperatura utilizan algún cambio en un material para indicar la temperatura. Algunos de los efectos que se utilizan para indicar la temperatura son los cambios en las características físicas y variación en las dimensiones físicas. Una de las características físicas más importantes usadas en instrumentos de medida de temperatura es el cambio en la longitud de un material en la forma de expansión y contracción.

Considere la barra homogénea uniforme ilustrada en la figura adjunta. Si la barra tiene una longitud dada (LO) a una cierta temperatura y es calentada, se expandirá (Lf). La cantidad de expansión o dilatación ΔL es una función de la longitud original y del aumento de temperatura. La cantidad que un material cambia en longitud con la temperatura se llama coeficiente de expansión lineal (también: coeficiente de expansión térmica, coeficiente de dilatación lineal, etc.).

Fig.: Efecto de una dilatación diferente en una barra compuesta por dos metales superpuestos, de diferente coeficientes de dilatación ( bimetálico ).
Esta diferencia produce una curvatura de la barra conjunta, debido a que un material sé elongará mas que el otro.

Al igual que el termómetro de vidrio, utilizan el fenómeno de cambios volumétricos, para su funcionamiento. El termómetro bimetálico, consta, como su nombre lo dice, de dos barras metálicas de diferentes metales unidas rígidamente, al ser estos materiales diferentes, tendrán necesariamente, que tener diferentes coeficientes de dilatación lineal.

Si dos materiales con diferentes coeficientes de dilatación lineales se colocan juntos, a medida que se producen cambios de temperatura, sus índices de expansión serán diferentes. Esto hará que el conjunto se doble en un arco como se muestra en la figura adjunta. Mediante este método, funcionan la gran mayoría de los termostatos (interruptores de temperatura) y algunos termómetros indicadores locales.

La figura adjunta muestra un termómetro bimetálico. En ella, una tira bimetálica se bobina en forma de hélice larga. Un extremo de la hélice se mantiene rígido. Mientras que la temperatura varía, la hélice intenta enrollarse o desenrollarse. Esto hace al extremo libre girar. El extremo libre está conectado con una aguja indicadora. La aguja indica realmente la rotación angular de la hélice; sin embargo, puesto que la rotación es lineal y es función de la temperatura, la escala se marca en unidades de temperatura.

 

TERMOPARES

El termopar se basa en el principio, del efecto que fuera descubierto en 1821 por Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través de esos materiales circulará una corriente.

El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente precisos y muchos más económicos que las termoresistencias.

Existen muchos métodos para realizar mediciones prácticas de temperatura. De todos ellos, unos fueron desarrollados para aplicaciones particulares mientras que otros han ido cayendo en desuso.

Las termocupulas constituyen hoy en día el sistema de medición de temperatura más usado y de mejor acceso.

Esta forma de medición abarca el rango de temperaturas requerido para la mayoría de las mediciones exigidas.

Termocupulas de diferentes tipos pueden cubrir un rango de 250°C hasta 2.000°C y más si fuera necesario.

DISPOSITIVOS DE MEDICION DE TEMPERATURA
Eléctricos
  • Termocuplas
  • Termorresistencias
  • Termistores
  • Resistores de carbono
  • Diodos
  • Detectores de ruido Johnson
  • Transistores
  • Cristales de cuarzo
  • Sales paramagnéticas
Mecánicos
  • Sistemas de dilatación
  • Termómetros de vidrio con líquidos
  • Termómetros bimetálicos

Radiación térmica

Pirómetros de radiación
- Total ( banda ancha )
- Óptico
- Pasabanda
- Relación

Varios
  • Indicadores de color
    - Lápices
    - Pinturas
    Sondas neumáticas
  • Sensores ultrasónicos
  • Indicadores pirométricos
  • Termómetros acústicos
  • Cristales líquidos
  • Sensores fluídicos.
  • Indicadores de luminiscencia (Termografía )

Veamos el concepto de trasductores :Trasductores son aquellos elementos de un circuito electrónico que efectúan una trasposición de una variable física en una eléctrica.
Podemos diferenciar dos clases de trasductores:

1) Los de entrada: (o sensores) que transforman una variable física dada, en una variable eléctrica - por lo general la primera se encuentra en uno de los 5 campos de señales mas comunes - radiante, químicas , magnética, térmica ó mecánica , mientras que la segunda queda restringida normalmente a variaciones de tensión y corriente, a veces en forma directa o indirectamente a través de variación de algún parámetro pasivo (Resistencia, capacidad, inductancia) .

2) Los de Salida: (o actuadores) estos traducirán una variable eléctrica a un variable física en alguno de los 5 campos mencionados.

Trasductores de temperatura , los más comunes son: Termocupla, termorresistencia y elementos de estado sólido.

A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicación dada, se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimientos de mantenimiento. Estos factores serán analizados a continuación en relación a aquellos dispositivos de uso más común en las industrias de proceso: termocuplas, termoresistencias , termistores , sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos.

En la Tabla 1 se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estándar. Estos rangos no representan los extremos alcanzables, sino los límites que pueden medirse con los dispositivos disponibles por lo general en el mercado y que son suministrados por la mayoría de los fabricantes. Se pueden medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo.

Tabla 1 - Rangos de temperatura correspondientes a los métodos mas comunes de medición .
SISTEMA RANGO EN ºC
Termocuplas -200 a 2800
Sistemas de dilatación (capilares o bimetálicos ) -195 a 760
Termorresistencias -250 a 850
Termistores -195 a 450
Pirómetros de radiación -40 a 4000

1. Termocuplas

Si se presenta un gradiente de temperatura en un conductor eléctrico, el flujo de calor creará un movimiento de electrones y con ello se generará una fuerza electromotriz (FEM) en dicha región. La magnitud y dirección de la FEM será dependientes de la magnitud y dirección del gradiente de temperatura del material que conforma al conductor. Las termocuplas se basan para su funcionamiento en el efecto SEEBEK :

Calentado la juntura de dos materiales distintos que componen un circuito cerrado, se establece una corriente.

Las leyes principales que rigen su funcionamiento son:

1) Ley de Homogeneidad del circuito: No se puede obtener corriente calentando. un solo metal. (efecto Thompson )

2) Ley de Metales Intermedios: La sumatoria de las diferencias de potencial térmicas es cero en un circuito con varios metales, si estos están a temperatura uniforme.

En la figura siguiente ambos instrumentos marcarán igual, es decir la corriente circulante dependerá en ambos casos de T1 y T2 exclusivamente.

3) Ley de Temperaturas intermedias: La fuerza electromotriz térmica de una TMC no depende de las temperaturas -intermedias.

La tensión de una Termocupla cuyas junturas se hallan a temperaturas T y TR respectivamente es:

Se ve que a medida que (T - TR) crece la respuesta se hace no-lineal.

Es deseable entonces para que una TMC tenga un gran rango de medición, que:
a) K1 SEA lo mayor posible
b) K2, K 3 - - - Kn SEAN lo menor posible
c) el punto de fusión de sus metales componentes sea lo mayor posible.
d) gran resistencia al ataque químico.

Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones. Uno de los extremos, la junta de medición, está colocado en el lugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia que se mantiene a temperatura constante . Se produce entonces una fuerza electromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas (fig. 2).

En una termocupula, dos materiales que tienen diferentes características FEM / temperatura, se combinan para producir voltaje de salida que puede ser cuantificado.

Existen varias reglas a recordar en el empleo de estos sistemas son las siguientes:

a) Para asegurar una operación estable y adecuada termocupula, las características termoeléctricas de conductores deben mantenerse a todo lo largo de los mismos (uniformidad).

b) Sólo un circuito comprimiendo o simplemente conectando materiales diferentes, en un gradiente de temperaturas producirá una señal. Dos conductores de igual material no producirán FEM alguna.

c) La sensibilidad termoeléctrica de la mayoría de los metales no es lineal con la variación de temperatura.

Puesto que la fem neta generada es función de las temperaturas de ambas juntas, se requiere el control o la compensación de la temperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas.

  • El método básico y más exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un baño de hielo (0ºC).
  • Otro método consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego, en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición .
  • El tercer método es una compensación eléctrica. que también implica la utilización de un dispositivo sensor de temperatura para medir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugar de calcular la compensación a ser aplicada a la salida de la junta de medición, el sensor de temperatura de la junta de referencia se halla incorporado dentro del circuito eléctrico de la termocupla, donde agrega o quita los milivolts necesarios en la junta de referencia a fin de corregir automáticamente la salida de la termocupla (fig. - 3).
 
 
Figura 2 Esquema de una termocupla y su sistema de medición
  1. Junta de medición
  2. Junta de corrección
  3. Cable compensado
  4. Junto de referencia.

Figura 3. Sistema electrónico de compensación de junta de referencia.

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

Ampliar tema: Termoinstrumentos

Como se verá más adelante, es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termocupla. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados.Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta fría mencionados.

En el caso del tercer sistema de compensación (fig. 3), la finalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensación automática hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60º C, ya que todos estos sistemas son electrónicos y trabajan con temperaturas ambiente entre -10º C y 60º C .

Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mV/ºC , que las termocuplas entre 0 y 200º C. Se las utiliza sólo por razones económicas ya que su composición química difiere de las aleaciones de termocupla, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos.

 

 

 

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