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 .

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:

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 ..

 

donde:

  • f - Error debido a la variación de temperatura ambiente.
  • Vm - Volumen del sistema de medición.
  • Vk- Volumen del capilar = ql (q es la sección interna y 1 es el largo del capilar )
  • Vf - Volumen del bulbo contenedor en el extremo del capilar.
  • - Variación de temperatura ambiente respecto del valor de calibración.

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 .

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:

  • Naftaleno (-15 a 260°C )
  • Kerosén (-50 a 315°C)
  • Etilbenceno (- 85 a 175°C)
  • Alcohol etílico (- 130 a - 50°C)
  • Tolueno (100 a + 315°C)

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.
a). Construcción simple sin compensación. 1.Sistema de desplazamiento -2. Capilar -3. Bulbo sensor 4. Indicador

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 (no incluye mercurio)
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
Tabla 2 . Características de los sistemas térmicos llenos 
Clase SAMA . I II III V
Fluido Líquido Vapor Gas Mercurio
Principio de funcionamiento Variación de volumen Variación de presión Variación de presión Variación de presión
Rango de temperaturas -30 a 315ºC -45 a 315ºC -195 a 315ºC -35 a 650ºC
Exactitud, % del alcance  
±0,5% 215ºC
±0,75  215ºC

±0,5 en los 2/3 del alcance superiores
±0,5% 330ºC
±0,75% 330ºC
±0,5 500ºC
±0,75 500ºC
Alcances de temperatura más cortos y más largos
25ºC
330ºC
40ºC
215ºC
65ºC
550ºC
30ºC
665ºC

Respuesta:

          1= la más rápida

          7= la más lenta

7

IIA=1

IIB=3

IIC=4

IID=5

 2 6
Capacidad de sobrerrango Media La menor La mayor Media
Linealidad  de escala máxima Lineal Alineal Lineal Lineal
Longitud de capilar estándar, en m
IA =30
IB =6
45 30
VA:30
VB:15
Tamaño típico  de sensor para un alcance de 110ºC, D. E. x longitud, en mm

El menor

10 x 50

Entre Clase I y Clase V 

10 x 50

El mayor 

15 x 200

Entre Clase II y Clase III

10 x 100
Costo El mayor El menor Medio Entre Clase I y Clase III

Esta tabla ha dé servir tan sólo como guía para los valores típicos de estas características .Los valores que se indican no son los extremos obtenibles , sino que se refiere al desempeño que se espera de los sensores disponibles comercialmente sin calibración o procedimientos especiales de fabricación . Pueden haber variaciones entre los distintos. fabricantes .

 

INTERRUPTORES DE TEMPERATURA

Los interruptores de temperatura o termostatos están destinados a funcionar donde ocurren cambios de temperatura en un recinto, o en el aire que rodea el elemento de detección de temperatura. La operación del interruptor de la temperatura es similar a la operación del interruptor de presión o presóstato; ambos interruptores son accionados por los cambios en la presión. Se diseña el elemento de temperatura de manera que un cambio en la temperatura produce un cambio en la presión interna de un sistema térmico lleno (bulbo lleno de gas o aire, o hélice llena), que está conectado al dispositivo actuador por un pequeño tubo o cañería. La figura adjunta muestra un interruptor de temperatura y dos tipos de sensores de detección.

Un cambio de temperatura causa un cambio en el volumen de gas del sistema térmico lleno, que causa un movimiento del fuelle. El movimiento es transmitido por un émbolo al brazo del interruptor. Un contacto móvil está en el brazo. Un contacto fijo puede ser colocado de manera que el interruptor se abrirá o se cerrará con una elevación de temperatura. Esto permite que los contactos del interruptor sean fijados para cerrarse cuando la temperatura cae a un valor predeterminado y abrirse cuando las elevaciones de temperatura superan al valor deseado. La acción inversa se puede obtener por un cambio en las posiciones del contacto.

Parámetros de un instrumento de medición

La precisión de un instrumento o dispositivo es la diferencia entre el valor indicado y el valor real. La precisión se determina comparando una lectura indicada con la de un estándar conocido. Los estándares pueden ser dispositivos calibrados u obtenerse del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology - NIST)

Esta es la organización gubernamental responsable de establecer y mantener estándares, y de desarrollar nuevos estándares a medida que la nueva tecnología lo requiera.

La precisión depende de la linealidad, histéresis, compensación, deriva y sensibilidad. La discrepancia resultante se expresa como una desviación ± del valor real y normalmente se especifica como un porcentaje de la lectura o desviación de la escala completa (% FSD). La precisión también se puede expresar como porcentaje de intervalo de medida (span), porcentaje de lectura o valor absoluto.

El rango de un instrumento especifica las lecturas más bajas y más altas que puede medir, es decir, un termómetro cuya escala va de -40 ° C a 100 ° C tiene un rango de -40 ° C a 100 ° C.

El intervalo de medida (span) de un instrumento es su intervalo desde el valor de escala mínimo al máximo, es decir, un termómetro cuya escala va de -40 ° C a 100 ° C tiene un intervalo de medida de 140 ° C. Cuando la precisión se expresa como porcentaje del intervalo, es la desviación del verdadero expresado como porcentaje del intervalo de medida.

La precisión de la lectura es la desviación del valor real en el punto en el que se toma la lectura y se expresa como un porcentaje.

Figura 3. Manómetros (a) manómetro que muestra graduaciones; (b) curva de histéresis para un instrumento.

La precisión se refiere a los límites dentro de los cuales se puede leer una señal y pueden ser un poco subjetivos. En el instrumento analógico que se muestra en la figura 3a, la escala está graduada en divisiones de 0,2 psi, la posición de la aguja podría estimarse dentro de 0,02 psi y, por lo tanto, la precisión del instrumento es de 0,02 psi. Con una escala digital, el último dígito puede cambiar en pasos de 0.01 psi de modo que la precisión sea de 0.01 psi.

La reproducibilidad es la capacidad de un instrumento para leer repetidamente la misma señal a lo largo del tiempo y dar la misma salida en las mismas condiciones. Es posible que un instrumento no sea preciso, pero puede tener una buena reproducibilidad, es decir, un instrumento podría leer 20 psi con un rango de 17,5 a 17,6 psi en 20 lecturas.

La sensibilidad es una medida del cambio en la salida de un instrumento para un cambio en la variable medida, y se conoce como función de transferencia, es decir, cuando la salida de un transductor de presión cambia en 3.2 mV para un cambio en la presión de 1 psi. , la sensibilidad es de 3,2 mV / psi. Se prefiere una alta sensibilidad en un instrumento ya que esto proporciona mayores amplitudes de salida, pero esto puede tener que ponderarse con la linealidad, el rango y la precisión.

El valor inicial (offset) es la lectura de un instrumento con entrada cero.

La deriva (drift) es el cambio en la lectura de un instrumento para una variable fija con el tiempo.

La histéresis es la diferencia en las lecturas obtenidas cuando un instrumento se acerca a una señal desde direcciones opuestas, es decir, si un instrumento da una indicación de un valor de escala media yendo desde cero, puede dar una lectura diferente del valor después de hacer una lectura de escala completa. Esto se debe a las tensiones inducidas en el material del instrumento al cambiar su forma al pasar de cero a una deflexión de escala completa. La histéresis se ilustra en la figura 3b.

La resolución es la cantidad más pequeña de una variable que un instrumento puede resolver, es decir, el cambio más pequeño en una variable a la que responderá el instrumento.

La repetibilidad es una medida del grado de concordancia entre un número de lecturas (10 a 12) tomadas consecutivamente de una variable, antes de que la variable tenga tiempo de cambiar. Se calcula la lectura promedio y la dispersión del valor de las lecturas tomadas.

Figura 4. Inexactitudes del instrumento (a) error de histéresis de un manómetro; (b) no linealidad en un transductor de presión a voltaje.

La linealidad es una medida de la proporcionalidad entre el valor real de una variable que se mide y la salida del instrumento de medición en su rango operativo. La figura 4b muestra la curva de entrada de presión versus salida de voltaje para un transductor de presión a voltaje con la línea recta lineal que mejor se ajusta. Como puede verse, la curva real no es una línea recta. La desviación máxima de +5 psi de lineal ocurre a una salida de 8 V y −5 psi a 3 V dando una desviación de ± 5 psi o un error de ± 5 por ciento de FSD.

La desviación del valor verdadero para un instrumento puede ser causada por uno de los factores anteriores o una combinación de varios de los factores anteriores, y puede determinar la elección del instrumento para una aplicación particular.

 

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