Temperatura - Métodos de medición

La medición de la temperatura industrial es el proceso de monitorear y controlar las temperaturas en los procesos industriales para garantizar un rendimiento y una seguridad óptimos. Hay varios tipos de dispositivos de medición de temperatura utilizados en entornos industriales, incluidos termopares, detectores de temperatura de resistencia (RTD) y termómetros infrarrojos.

Los termopares son los sensores de temperatura más utilizados en aplicaciones industriales porque son resistentes, fiables y pueden medir una amplia gama de temperaturas. Funcionan usando dos metales diferentes unidos en un extremo, lo que crea un voltaje que es proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos extremos.

Los RTD son otro tipo de sensor de temperatura comúnmente utilizado en entornos industriales. Están hechos de un alambre o película de metal que cambia la resistencia en respuesta a los cambios de temperatura. A menudo se utilizan en aplicaciones donde la precisión es importante, como en el procesamiento de alimentos o productos farmacéuticos.

Los termómetros infrarrojos utilizan radiación infrarroja para medir la temperatura. Son dispositivos sin contacto, lo que significa que no necesitan tocar la superficie que se está midiendo. A menudo se utilizan en aplicaciones en las que la temperatura de una superficie no se puede medir directamente, como en sistemas de calefacción o refrigeración.

La medición de la temperatura industrial es fundamental en muchas industrias, incluidas la química, la del petróleo y el gas, la farmacéutica y la de procesamiento de alimentos. La medición y el control precisos de la temperatura pueden mejorar la eficiencia, la calidad y la seguridad en estas industrias.

Métodos de medición

Los métodos para la medición de variables proporcionan diversos grados de funcionamiento en la instrumentación aplicada.

Con frecuencia, el objeto principal de las mediciones se utiliza como base para el control automático de algún proceso de operación. Así como muestra las industrias de procesos continuos (petrolera, petroquímica, generación de energía eléctrica, manufactura de papel, aplicaciones de la energía nuclear, elaboración de alimentos) que constituyen ejemplo del control automático.

En caso de industrias de procesos por lotes (batch) no continuos también se requiere algún grado de control que puede ser o no automatizado.

El significado de una medición suele estar afectado por dos factores:

- Que tan bien representa la medición a la característica o condición que supuestamente se mide. Esto es la representación y exactitud de la medición.

- Que significa esta medición en cuanto a la operación real del proceso o sea cual es el sentido de la medición para el proceso.

La medición obtenida solo podrá tener significado hasta el punto en que el elemento primario se encuentre expuesto a una condición o característica. Como ejemplo, es el caso de la obtención de una temperatura, el valor que se mide es el correspondiente a la porción sensible adyacente al elemento primario de medición.

En la zona de medición debe evitarse fenómenos como la estratificación, formación de cavidades muertas (puntos estacionarios), puntos calientes; por lo tanto el proceso de selección del sitio de ubicación del elemento primario es de vital importancia.

Los métodos de medición están íntimamente unidos a las variables, ya que esta última debe ser transformada en una señal adecuada para su indicación, registro o control.

La mayoría de las mediciones se realizan con el auxilio de salidas eléctricas de los transductores, los cuales suelen representar a diversas variables, tales como temperatura, presión, flujo, conductividad térmica, pH, potencial Redox y otras. Por lo tanto, los métodos de medición deben estar alrededor de los mecanismos empleados para la medición de voltaje, resistencia eléctrica, inductancia, capacitancia e inductancia.

Una gran cantidad de mediciones eléctricas se realizan mediante circuitos denominados puentes, a continuación se mencionan algunos:

• Puente de Wheatstone Puente de inductancia
• Puente de capacitancia Puente de resistencia

La figura siguiente ilustra un puente de Wheatstone básico empleado para medir temperaturas . Estos dispositivos eléctricos operan con corriente alterna, otros con corriente directa y otros con ambos tipos de corriente. En el caso de un termopar o termocupla, miden la corriente directa del termopar transformando el desbalance del circuito en corriente alterna para la amplificación y operación de los mecanismos de balanceo.

Figura - Puente de Wheatstone empleado para medir temperaturas.

Por lo general, los puentes pueden operarse en dos formas diferentes, a saber:

• Como un circuito de deflexión.

• Como un circuito de balance a cero: en estos, los valores eléctricos del puente se llevan a la condición de balance en tal forma que no fluya corriente a través del mecanismo detector. En la mayoría de los casos, el sistema de balanceo es totalmente automatizado, aunque en los laboratorios y algunas industrias los prefieren manuales.

Los circuitos de medición pueden clasificarse de la siguiente manera:

• Medición directa del voltaje mediante milivoltímetros.

• Medición del voltaje mediante potenciómetros de deflexión.

• Medición del voltaje mediante potenciómetros de balance a cero.

Para el balanceo de los circuitos puente se han desarrollado diversos métodos, a continuación se hace mención a algunos de ellos:

• Sistema Microsen.

• Sistema Dynamaster.

• Sistema Brown Electronik.

• Sistema Stranducer.

• Sistema Dynalog.

• Sistema Electrosyn.

• Sistema Speedomax.

• Sistemas de balanceo sin galvanómetros.

Exactitud del instrumento

Una vez que el instrumento de medición primario se encuentra montado en forma satisfactoria con respecto al proceso, ¿Qué tan bien corresponde la salida del instrumento con el elemento primario? Considerando el ejemplo del termómetro, ¿qué tan cercana se encuentra la temperatura indicada a la temperatura real del elemento primario? Esta pregunta concerniente a la exactitud del instrumento es la que con frecuencia constituye el principal factor en lo que se refiere a la selección del instrumento.

Por lo general, el aumento de exactitud se logra a mayor costo. Los informes de exactitud y de funcionamiento que suministran los fabricantes de instrumentos constituyen una guía digna de confianza. Normalmente es más conveniente escoger el instrumento de medición de mayor costo que el de menor costo. Por otra parte las especificaciones imprácticas que indican un funcionamiento dificultoso y con frecuencia innecesario, no sólo dan lugar a costos iniciales excesivos, sino que pueden resultar en la selección de un instrumento de medición demasiado complicado que requiere de una gran cantidad de trabajo de mantenimiento.

La exactitud casi siempre se especifica en la base de estado uniforme. El funcionamiento dinámico (esto es, como responde la salida de medición con el tiempo a los cambios en el valor que se mide) apenas ha empezado a recibir la atención que merece. Por ejemplo, en la práctica industrial, el elemento primario del termómetro casi siempre se encuentra montado en un termopozo para protegerlo en contra del fluido de proceso y para permitir su remoción, comprobación y reemplazo del elemento sin interrumpir la operación del proceso. El termopozo, trabajando en las mejores condiciones, introduce una pérdida considerable de tiempo en cuanto, a la respuesta de la medición. Cuando la medición se utiliza para el control, este retraso puede llegar a resultar en efectos de mayor importancia.

Figura - Ubicación de elementos primarios de medición de temperatura

La figura anterior ilustra la ubicación de los elementos primarios de medición de temperatura de un fluido que sale de un intercambiador de calor, la cual se mide por medio de un termómetro de resistencia colocado en un termopozo y mediante un segundo termómetro de resistencia de alta velocidad localizado directamente en el vapor de agua. En este caso la temperatura del fluido que fluye hacia fuera del intercambiador de calor es la variable que se mide. Por lo general se emplean dos sistemas de medición (redundancia) separados, uno de ellos un termómetro convencional montado en un casquillo estándar sumergido en la línea; el otro es un termómetro de resistencia de alta velocidad de tipo especial sumergido directamente en la corriente para disponer de una respuesta rápida a la temperatura de la corriente.

Figura - Resultados obtenidos con el controlador ajustado para utilizarse con el termómetro de baja velocidad

Efecto del retardo del instrumento en la respuesta dinámica.

La figura arriba muestra los resultados de emplear un termómetro confinado en un casquillo (representa baja velocidad de respuesta), la figura (b) muestra el efecto del controlador sobre el vástago de la válvula, se pueden observar curvas continuas con cambios notables justo donde se inician cambios en la temperatura, el retardo debido al casquillo produce unos cambios suaves en el controlador, mientras que la figura muestra los resultados del control con una respuesta rápida al emplear un termómetro de resistencia ubicado directamente en la corriente del vapor de agua, la figura (b) muestra movimientos continuos del vástago de la válvula. En términos generales el retraso en la medición es particularmente peligroso, pues la inestabilidad que se presenta con el cambio de la variable medida no se corrige con la prontitud necesaria y cuando se emplean estrategias mas rápidas los movimientos de la válvula resultan excesivos. En caso de ser posible eliminar los retrasos, se puede lograr un control mas satisfactorio con ajustes menos críticos y amplitudes dinámicas mas extensas. Sin embargo, cuando existe la presencia del retraso en la medición, ya sea inherente o resultante de la aplicación práctica (tal como los pozos o casquillos para termómetros), casi siempre es imposible dar tolerancias para tomar en cuenta esto sin que se presenten efectos de importancia en la operación del proceso.

Es importante reconocer y tomar en consideración tanto las características dinámicas como las estáticas de la medición en caso de que se deseen obtener resultados óptimos.

Interpretación de la medición.

A continuación a través de unos sencillos ejemplos se ilustrará la interpretación real de la medición especifica con respecto a la operación del proceso en que se aplica.

a. Temperatura del vapor de agua como medida de la calidad Un caso simple, o sea la medición de la temperatura del vapor de agua procedente de una caldera, es una medición directa de la calidad. Conociendo las características del fluido de proceso (vapor de agua seco con una pequeña proporción de vapor sobrecalentado), la temperatura, presión y el gradiente de presión a través del orificio o de la tobera de flujo como medición primaria del flujo, las características del vapor de agua de salida quedan completamente definidas. La temperatura se mide directamente. La medición por lo común se registra y también se aplica a un sistema de control para mantener la temperatura a cierto valor requerido para las condiciones de operación en particular. Nótese que la temperatura por sí misma es de interés. El sobrecalentamiento, que por lo general, es de gran importancia, se deriva a partir de la medición de la temperatura y de la presión. El flujo se calcula a partir del gradiente de presión a través del orificio, corregido tanto por temperatura como por presión.

b. Temperatura de condensación del vapor de agua como medida del contenido de humedad en el papel. Un segundo ejemplo de la aplicación de la temperatura consiste en la medición de la temperatura de condensación del vapor de agua utilizado para el secado del papel en la máquina de elaboración del mismo. En este caso, el objetivo radica en el secado del papel, en tal forma que el contenido de humedad del producto final se encuentre a cierto nivel requerido.

La temperatura se ajusta de acuerdo con alguna determinación independiente del contenido de humedad. En esta operación, la temperatura de condensación del vapor de agua no es en sí una medida del contenido de humedad del papel, sino más bien de las condiciones de proceso relacionadas por inferencia con la calidad del producto. La constancia y la repetibilidad de la medición son de importancia (pero el valor absoluto es de poco interés relativamente). Es común este tipo de medición de las condiciones de proceso.

Cualquier cambio en la temperatura produce el cambio correspondiente que puede predecirse en cuanto al contenido de humedad. Ya que la medición de la temperatura del vapor de agua es sencilla, segura y de relativo bajo costo, se le utiliza para el control del contenido de humedad. En la operación normal, la temperatura se ajusta cuando se requiere cierto cambio en el contenido de humedad. Sin embargo, el contenido de humedad de la hoja depende no sólo de la temperatura, sino también de otro conjunto de variables, incluyendo la libertad de movimiento de la carga de alimentación suministrada a la maquinaria, condición de la prensa de fieltro y de otras variables de medición igualmente dificultosas. En consecuencia, la medición y el control de la temperatura de los secadores es de utilidad, pero por sí mismas no son suficientes para lograr la calidad de producto deseada. Esto es típico de las mediciones por inferencia en que se mide la condición del proceso en lugar de las características del producto.

La determinación del contenido de humedad real de la hoja puede llegar a tomar una gran variedad de formas. De modo típico, es posible que el operador juzgue simplemente el contenido de humedad "palpando" la hoja. Por otra parte, el contenido de humedad puede determinarse continuamente mediante la medición de la constante dieléctrica, la cual, a su vez, se calibra en función de determinaciones gravimétricas de la humedad.

c. La temperatura en la medición del flujo de gases

Un tercer tipo de aplicación de la medición de la temperatura se encuentra en la medida del flujo de gases. En la producción y distribución de gases, la medición se efectúa en términos de pies³ en condiciones normales. Considerando el hecho de que la mayoría de las estaciones medidoras de gas pueden manejar cientos de millones de pies³ por día, es evidente lo impráctico de disponer de este gas en las condiciones normales de temperatura y presión atmosférica, y luego proceder a la medición volumétrica. El Reporte No. 3 de la American Gas Association, o sea el patrón común, expresa el flujo total de gas como resultado de una serie de cómputos. Existe un conjunto de coeficientes empíricos, en que la variable primaria es la diferencial de presión a través del orificio; posteriormente se efectúan correcciones por la presión estática, temperatura, peso específico, súper compresibilidad, etc. La American Gas Association ha dedicado una gran cantidad de trabajo a la determinación, tan exacta como fue posible, de todas las variables que afectan la medición.

Tomando en cuenta una instalación construida de acuerdo con las recomendaciones adecuadas, y considerando la medición satisfactoria de las variables, el flujo total de gas puede determinarse con un alto grado de exactitud.

En este caso, la temperatura misma no es de interés. Sin embargo, ya que el cambio de 10°F en la temperatura resulta en un cambio en la densidad en una proporción aproximada de 2%, lo cual, a su vez, tiene un efecto de 1 % en la medición del flujo total, el hecho de que la temperatura sea conocida con exactitud se vuelve de importancia.

Es de hacerse notar el contraste entre la medición del flujo de gas y la medición del contenido de humedad en el papel. En cada uno de éstos se tiene que existen diversas variables que influyen en el resultado final. En la medición de gases, pueden medirse las variables significativas; es por esto que el flujo puede determinarse por medio de cálculos en términos de pies³ en condiciones normales. Por el contrario, en la manufactura del papel existe un número igual o mayor de variables que afectan el contenido de humedad, pero la temperatura es casi laúnica variable que puede medirse con facilidad. Asimismo, es la variable que se manipula y mediante la cual se mantiene la calidad del producto final en el valor requerido. Ya que muchas de las otras variables que influyen en el contenido de humedad no pueden medirse no es posible determinar el valor real del contenido de humedad. Sin embargo, la medición de la temperatura suministra un procedimiento de utilidad para la operación de secado del papel.

El mismo razonamiento general es de aplicación a otras mediciones. Los problemas que quedan implicados en algunas de las determinaciones analíticas de mayor complejidad requieren de un estudio mucho más detallado para lograr la apreciación completa del significado de algunas de las mediciones. No obstante, es posible la aplicación de los mismos principios generales. La importancia radica en el hecho de que, haciendo caso omiso de la medición, el significado en cuanto a la operación debe comprenderse claramente como base para la selección, aplicación e interpretación de los valores resultantes de la medición.

¿QUE ES LO QUE DEBE LOGRARSE COMO RESULTADO DE LA MEDICIÓN?

Para cualquier medición específica, la respuesta a esta pregunta queda implícita en el significado básico de la medición. Cuando existe la comprensión total del verdadero significado de la medición, se dispone del conocimiento de lo que puede lograrse con la aplicación de dicha medición.

Volviendo de nuevo a los ejemplos mencionados antes, la medición de la temperatura del vapor de agua procedente de una caldera puede suministrar una diversidad de resultados. La temperatura en sí es un aspecto de gran interés y puede utilizarse directamente como base para el control automático. La temperatura en conjunto con la presión y la diferencial de presión suministra una información completa acerca de la calidad y cantidad del vapor de agua producido. Esta medición combinada puede utilizarse directamente tanto para propósitos de control como en la forma de base para el balance, eficiencia y otras determinaciones de la planta.

En contraste, la medición de la temperatura del gas natural en las líneas de distribución sólo tiene un objetivo simple: la determinación del factor de corrección que afecta la medición del flujo total en términos de pies³ estándar por minuto. No existe ningún interés directo en el valor real de la temperatura; más aún, este valor casi nunca se emplea como base para el control u otra manipulación.

El objetivo básico de las mediciones industriales es ayudar a que la operación de la planta tenga el máximo provecho desde el punto de vista de la base total. Es evidente que muchas de las mediciones son de utilidad. En otros casos se requiere de un juicio balanceado en cuanto a lo que se desea lograr como resultado de una medición particular (en términos de mejoría de calidad, aumento en la productividad, reducción de los costos de manufactura, y así sucesivamente), en comparación de todo lo incluido para obtener la medición requerida. El aspecto relacionado con el criterio a menudo es de importancia cuando la selección debe efectuarse entre la medición de una cantidad simple y de realización sencilla, que sólo esté relacionada indirectamente con el valor requerido, y con una medición más complicada y de mayor costo que tenga una correlación más directa con el valor deseado.

Las consideraciones usuales de mejor calidad, mayor cantidad, y reducción de los costos de mano de obra, son evidentes y se han reconocido como satisfactorias. En muchos casos, la seguridad es una función directa de la medición (en todo momento, considerando desde la indicación de exceso de temperatura en los motores de los aeroplanos hasta el "interruptor de emergencia" automático del reactor nuclear cuando el periodo se vuelve peligrosamente corto). Es igualmente aparente el uso de la medición como base para la consideración de costos, así como para los balances de material y de energía.