Medición y control industrial Cómo selecionar sensores de temperatura
|
4. Sistemas térmicos llenos . Un sistema lleno detecta la temperatura a través de una variación de volumen o presión de un fluido que acompaña a una variación de temperatura. El sistema básico, tal como se muestra en la figura 1 incluye un sensor de temperatura, un elemento de desplazamiento del tipo Bourdon, a diafragma o a fuelle, un tramo de tubo capilar y un fluido. El sensor se encuentra ubicado en el lugar donde se debe medir la temperatura, mientras el tubo conecta el sensor al elemento de desplazamiento. |
El desplazamiento o movimiento del elemento provocado por una variación de volumen o presión del fluido en el sensor, se convierte en un movimiento de una aguja en un indicador o registrador, o bien se lo transforma en una señal neumática o eléctrica que se utiliza para control de un proceso. Hay dos tipos de sistemas llenos. En uno de ellos el sistema sensor de temperatura contiene un fluido incompresible bajo presión que llena completamente el sistema. Las variaciones de temperatura producen en el sensor una variación del volumen de fluido, lo que se traduce en la deformación y movimiento del extremo libre del elemento de desplazamiento. El otro tipo de sistema es el sistema lleno por variación de presión, del cual hay dos versiones. En una de las versiones, todo el sistema está lleno con un gas bajo presión; en la otra, el sensor se encuentra parcialmente lleno con un fluido volátil bajo presión, mientras el resto del sistema contiene vapor de este fluido volátil. En el primer tipo de sistema las variaciones de volumen están acompañadas por variaciones secundarias de presión: en los sistemas de gas o vapor las variaciones de presión están acompañadas por variaciones secundarias de volumen. Sin embargo estos efectos secundarios son insignificantes . |
1. Termómetro a sistema lleno de líquido (según norma DIN 16160) a) Con capilar sin protección. 1. Largo del capilar -2. Sujeción de la protección - 3 . Vaina de inmersión - 4. Bulbo sensor - 5. Largo del bulbo -6. Profundidad mínima de Inmersión - 7. Longitud de montaje . b) Con cuello y protección. 1, 1. Cuello - 2, 1. Protección - 3. Vaina de Inmersión - 4. Bulbo sensor - 5. Largo del bulbo- 6. Profundidad, mínima de Inmersión Longitud de montaje .. |
|
Los efectos de las variaciones de temperatura ambiente sobre la medición de temperatura dependen de varios factores, incluyendo el tipo de sistema, su alcance de temperatura, el largo del tubo capilar y su material de construcción, el fluido de llenado y su presión, el material utilizado para el elemento de desplazamiento, el tamaño del sensor y los requerimientos de protección de sobrerrango. En los sistemas de líquido y gas, tanto el elemento de desplazamiento como el capilar pueden compensarse para estos efectos (plena compensación), o tan sólo se puede compensar el elemento de desplazamiento (compensación parcial) (fig. 2). Puesto que los sistemas de vapor no se ven afectados por las variaciones de temperatura ambiente, no necesitan compensación. El efecto total de la temperatura ambiente sobre un sistema de líquido con plena compensación suele ser inferior a ± 1% del alcance en el rango de 0 a 50°C en un instrumento cuando la medición se encuentra cerca del punto medio. Para un sistema de vapor (que no tiene compensación alguna), el error es inferior a ±0.7% del alcance bajo iguales condiciones. |
 |
Este error puede calcularse con mayor aproximación utilizando la siguiente expresión:
SAMA ha clasificado los sistemas llenos según la Tabla l. Las cuatro clases se basan sobre qué tipo de fluido de llenado es utilizado en el sistema: liquido, vapor, gas o mercurio . Los sistemas de líquido , gas y mercurio, a su vez. se dividen de acuerdo a si están plenamente compensados (Sufix A) o sólo parcialmente compensados (Sufix B). Los sistemas de vapor están clasificados según la temperatura a medir, si se espera estar por encima (Sufix A), por debajo (Sufix B), arriba y abajo (Sufix C) , o arriba, abajo y, a la temperatura ambiente (Sufix D). En la Tabla 2 se comparan las características de las cuatro clasificaciones correspondientes a sistemas llenos. Cada una de ellas será luego analizada por separado. La tolerancia de los sistemas llenos normalmente es menor que ± 0,5% a ±0.75% del alcance. Sin embargo, en aquellos casos en que las temperaturas del elemento de desplazamiento o capilar varían excesivamente, la tolerancia puede llegar a valores de ± 2% a ± 3% del alcance de temperatura. La respuesta de un sistema lleno depende del tamaño del bulbo sensor, el largo del capilar y el fluido de llenado. En un sistema estándar, para una variación de temperatura escalón. la respuesta del 90% (tiempo para alcanzar el 90% de la variación escalón) es de 5 a 25 segundos. Se requiere una protección de sobrerrango en aquellos casos donde el sistema lleno pueda encontrarse sometido a temperaturas más allá del máximo o mínimo de su alcance. Esta protección se efectúa usando sólo una porción del movimiento total disponible del elemento de desplazamiento. El resto de desplazamiento disponible antes de la deformación representa la protección de sobrerrango. Además, se agregan topes mecánicos para proteger contra eventuales daños el sistema y la pluma o aguja del indicador/registrador .
|
-
Variación de temperatura ambiente respecto del valor
de calibración.| Los
sistemas Clase I y V normalmente tienen más del 100% del alcance
como protección. Cuando el volumen del capilar se aproxima
al volumen del sensor, la protección se reduce. Los sistemas
Clase III tienen la mayor capacidad de protección de sobrerrango.
mientras los de Clase II la menor.
4.1 Sistemas de liquido Un sistema Clase I utiliza uno de los siguientes fluidos de llenado, los que resultan adecuados para los rangos de temperatura indicados:
Un sistema Clase IA totalmente compensado (fig. 2c) incluye un segundo elemento de desplazamiento y capilar sin sensor. Los dos elementos de desplazamiento y los dos capilares son de igual volumen, de modo que las variaciones de temperatura los afectan a los dos por igual. Los elementos de desplazamiento se hallan montados de modo que sus movimientos sean opuestos y no haya un desplazamiento neto para variaciones de temperatura ambiente. Un sistema Clase IB parcialmente compensado (fig. 2b) utiliza un elemento de compensación bimetálico y omite el segundo capilar. El largo máximo del tubo capilar para sistemas Clase IA totalmente compensados depende de las variaciones de temperatura ambiente del capilar y el instrumento, como largo máximo normalmente se puede señalar 30 m. A medida que aumenta el largo del capilar, su instalación se vuelve mas difícil, su respuesta se hace más lenta y su capacidad de protección de sobrerrango disminuye. El largo máximo de capilar que resulta práctico para sistemas Clase IB parcialmente compensados es de 6 m. Con mayores largos, hay una gran probabilidad de que puedan producirse diferencias de temperatura entre el instrumento y el tubo capilar, y llevar a un incremento de error en la medición , puesto que la compensación que brinda es sólo para variaciones en la temperatura del elemento de desplazamiento. |
Figura 2. Termómetro a sistema
lleno con distintos compensaciones de temperatura ambiente. b). Con sistema de compensación parcial (únicamente sobre el sistema de desplazamiento). c). Con sistema de compensación total (sobre el sistema de desplazamiento y sobre el capilar). 1, 1. Sistema do desplazamiento- 1.2 Sistema de desplazamiento para compensación - 2 1. Capilar - 2,2. Capilar para compensación - 3. Bulbo sensor - 4.Indicador
|
Los sistemas Clase I tienen un tamaño típico de sensor de 6 a 10 mm de diámetro por 50 a 80 mm de largo para todas las longitudes de capilar, en base a un alcance de temperatura de 100°C . Este es el menor tamaño de cualquier sensor para alcances de temperatura similares .Para alcances de más de 100°C el sensor tendría que tener un diámetro menor.
Resumen
- Escalas lineales.
- Bulbos sensores de pequeño tamaño.
- Por las características de expansión de los fluidos utilizados, encuentran aplicación para pequeños alcances y bajas temperaturas.
Tabla1
. Clasificación SAMA de sistemas térmicos llenos .
| Clasificación |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Prefijo | Sufijo | Descripción | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| I | Sistemas
llenos de líquido por variación de volumen |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| I | A | Con
plena compensación |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| I | B | Con
compensación parcial |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| II | Sistemas
llenos de vapor por variación de presión |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| II | A | Diseñados
para funcionar a temperaturas por encima de la
ambiente |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| II | B | Diseñados
para funcionar. a temperaturas por debajo de la ambiente |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| II | C | Diseñados para funcionar a temperaturas por encima y por debajo cruzando de la ambiente |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| II | D | Diseñados para funcionar a temperaturas por encima, por debajo y a la temperatura ambiente . |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| III | Sistemas
llenos de gas por variación de presión |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| III | A | Con
plena compensación |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| III | B | Con
compensación parcial |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| V | Sistemas
llenos de mercurio por, variación de volumen |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| V | A | Con
plena compensación |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| V | B | Con
compensación parcial |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
