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Cómo selecionar sensores de temperatura

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Vainas y tubos de protección

Puesto que son muchas las aplicaciones que hacen exponer el alambre de termocupla a condiciones ambientales adversas por lo general las termocuplas han de contar con protección. Los tubos y las vainas de protección se eligen generalmente en base a las condiciones corrosivas que es dable esperar más consideraciones de abrasión, vibración, porosidad, velocidad de fluido, presión , costo y requerimientos de reemplazo y montaje .
Por lo común se dispone de vainas con diámetros externos para sensores desde 3 hasta 22 mm de diámetro.

Una rosca cónica externa o una brida proveen un montaje hermético a la presión en el recipiente de proceso si es necesario. En la vaina del tipo de la figura 7, la cubierta, o sea el área entre las roscas y el cabezal de la vaina, permite la extensión de la termocupla a través de cualquier aislación térmica o separarla térmicamente de la fuente de calor que puede afectar el cabezal de conexiones.

Las vainas cónicas brindan una mayor resistencia permitiendo su uso a mayores velocidades del fluido de proceso y a mayores presiones. Las vainas bridadas se usan cuando se requieren conexión del tipo bridado al recipiente de proceso o materiales especiales resistentes a la corrosión. Las vainas bridadas permiten el uso de un revestimiento especial o blindaje metálico como ser de plomo, titanio o tantalio; estos metales podrían resultar imprácticos o demasiado costosos para la construcción de la vaina entera. Las vainas con cuello reforzado proveen resistencia adicional y poseen una respuesta más rápida que las vainas rectas o cónicas (fig. 7 a, b, c).

Los tubos de protección son similares a las vainas, salvo el hecho de que no permiten un montaje hermético a la presión en el recipiente de proceso. Por lo general, los tubos se utilizan en instalaciones a presión atmosférica. Se los fabrican de metal o materiales cerámicos, como ser porcelana mullite, sillimanita, carburo de silicio, grafito, óxido de aluminio, acero y otras aleaciones (fig.. 7 d, e, f).

Las termocuplas de platino requieren normalmente un conjunto de dos tubos para impedir la contaminación por vapores metálicos o gases reductores. El tubo interior se hace de un material como ser porcelana o sillimanita y brinda protección contra los gases corrosivos . El tubo exterior se hace de grafito, carburo se silicio o sillimanita porosa, para lograr resistencia mecánica y protección contra shock térmico (fig. 8).

En la figura 9 puede verse una construcción típica tipo acodada, para lograr la protección del cabezal de conexiones en el caso de inmersión de la vaina en procesos de fusión de metales no ferrosos o tratamientos térmicos por baños de sales con desprendimientos corrosivos o radiación térmica intensa que afectarían el cabezal directamente si la construcción fuese recta.

Por su parte en la figura 10 puede observarse una construcción normal de NiCr-Ni o de Fe-CuNi con vaina simple o tubo protector metálico y la diferencia en el montaje en caso de ser vaina cerámica. Los distintos materiales disponibles para tubos y vainas de protección y sus costos relativos, se detallan en la Tabla 6. Se usa el acero al carbono como índice base, con un factor de 1.0, y los costos de los otros materiales se dan en valores relativos. De esta forma, el titanio, cuyo factor es 12,0, resulta doce veces más costoso que el acero al carbono.

Fig. 7. Montaje de sensores de temperatura.

a. Con rosca a proceso - b. Para soldar - c. Con brida - d. Montaje de una termocupla de vaina
cerámica con brida tope deslizable en la pared de un horno con chapa protectora - e. Montaje de
una termocupla de vaina metálica con brida tope y buje pasante – f. Montaje similar a d.,con protección de escape de gases.

Fig. 8 (arriba) - Termocupla recta con vaina exterior e interior , termopar doble de PtRh-Pt , aislador cerámico de un solo tramo y cuatro orificios . 

Fig. 10 (izq.) - Termocuplas rectas . a. Con termopar NiCr-Ni ó Fe-CuNi y vaina metálica . b. Con termopar NiCr-Ni , vaina cerámica y tubo soporte.

Fig. 9 - Termocupla del tipo acodado con brida

 

Fig. 11. Termocupla con vaina y rosca a proceso con cabezal de conexiones (sonda intercambiable colocada según DIN 161601. a. Cabezal - b. Cuello - c. Rosca a proceso - d. Aislador cerámico - e. Vaina metálica - f Termocupla -h. Longitud de la. vaina - l, Longitud del cuello.

Respuesta térmica

El tiempo de respuesta con vainas y tubos será de tres a diez veces mayor que con las termocuplas sin protección.

Los métodos generalmente utilizados para minimizar el tiempo de respuesta consisten en proveer un contacto entre el sensor y el interior de la vaina por medio de una carga a resorte, o bien obtener una tolerancia estrecha entre el diámetro exterior del sensor y el diámetro interior de la vaina. Esto minimiza la separación de aire que hace más lenta la transferencia de calor desde la vaina al sensor.

En la figura 11 puede verse una construcción normalizada correspondiente a una termocupla con vaina y sensor interior con carga a resorte.

Otra manera de minimizar el retardo de la respuesta es el de agregar una pequeña cantidad de aceite o grafito en polvo y aceite dentro de la vaina. El relleno no debe congelarse o hervir a las temperaturas encontradas en el proceso, y no debe reaccionar químicamente ni con la vaina ni con el sensor. Para las instalaciones horizontales o con el extremo abierto hacia abajo, se puede usar grafito en grasa en lugar del líquido.

Cada uno de los metales tiene una distinta conductividad térmica. Por ejemplo, el acero inoxidable posee una menor conductividad que el cobre. Sin embargo, los ensayos han demostrado que no hay una diferencia significativa en el tiempo de respuesta entre una vaina de acero inoxidable y una vaina de cobre, las diferencias entre las velocidades de transferencia de calor de las distintas vainas metálicas son insignificantes si se compara la velocidad de transferencia de calor desde el proceso a la vaina con la velocidad de transferencia de calor desde la vaina al sensor y con la respuesta del sensor.

Otro factor a tener en cuenta al emplear tubos y vainas es el efecto de conducción. Puesto que el tubo o la vaina salen fuera del proceso habrá una distribución de gradientes de temperatura a través de su longitud y si el tubo o la vaina no se encuentran insertados lo suficientemente profundo dentro del proceso esos gradientes provocarán inexactitudes en la medición. Para eliminar dicho efecto, la longitud de inserción dentro del proceso debe ser por lo menos diez veces el diámetro de la vaina exterior.

El tiempo de respuesta también depende del espesor de la pared del tubo o la vaina. Cuanto más delgada es la pared, más rápida es la respuesta. Puesto que una de las funciones importantes de los tubos y vainas es brindar resistencia mecánica, habrá un compromiso en el espesor de la pared entre su velocidad de respuesta y su vida útil.

Tabla 6. Costos de los materiales de vainas relativos al acero al carbono.

MATERIAL FACTOR DE COSTO
Acero al carbono 1,0
Aceros inoxidables :  
304 1,6
304, bajo carbono 2,1
309 4,0
310 4,0
316 2,1
316 , bajo carbono 2,3
347 2,1
410 2,1
446 3,5
Aleación 20 5,0
Aluminio 2,0
Bronce 1,2
Cobre 2,5
Hastelloy B(1) 15,0
Hastelloy C 276(1) 12,0
Inconel 600 (2) 6,0
R-Monel 405 (2) 6,5
K-Monel 500(2) 9,0
Níquel  200 5,0
Titanio 12,0
Acero aleación 2 1/4% Cr, 1 % Mo 2,1
Acero aleación 1 1/4% Cr, 1/2 Mo  2,0
Marcas registradas  de:
(1) Cabot Corp,, High Technology Material Div. 
(2) International Nickel Co.

Efectos de la velocidad 

Una vez traspuesta la vaina, el fluido que circula forma una estela turbulenta con una frecuencia que varia con la velocidad del fluido. La vaina debe ser lo suficientemente delgada para que la frecuencia de la estela no llegue a ser igual a la frecuencia natural de la vaina y provocar su resonancia y posterior fractura.

En la Tabla 7 se detallan los límites de velocidad para vapor y gas de distintos materiales utilizados en vainas cónicas y estándar con inserciones de 11,4 y 26,7 cm. Por ejemplo, una vaina cónica de acero al carbono, insertada 11,4 cm dentro de un proceso, puede utilizarse para velocidades hasta 54 m/s. o sea 17 m/s más de lo que puede. tolerar en forma segura una vaina estándar .

Efectos de la velocidad Una vez traspuesta la vaina, el fluido que circula forma una estela turbulenta con una frecuencia que varia con la velocidad del fluido. La vaina debe ser lo suficientemente delgada para que la frecuencia de la estela no llegue a ser igual a la frecuencia natural de la vaina y provocar su resonancia y posterior fractura.

En la Tabla 7 se detallan los límites de velocidad para vapor y gas de distintos materiales utilizados en vainas cónicas y estándar con inserciones de 11,4 y 26,7 cm. Por ejemplo, una vaina cónica de acero al carbono, insertada 11,4 cm dentro de un proceso, puede utilizarse para velocidades hasta 54 m/s. o sea 17 m/s más de lo que puede. tolerar en forma segura una vaina estándar .

Tubos de protección cerámicos

Se utilizan tubos cerámicos al presentarse alguna de las siguientes condiciones:

  • La termocupla estará expuesta al golpe directo de llama;
  • Existirán gases contaminantes;
  • Las temperaturas serán mayores de lo que pueden tolerar los tubos metálicos (el umbral de las vainas metálicas es aproximadamente 1.200 ºC).

Normalmente. las termocuplas de platino requieren un tubo cerámico para lograr protección contra la contaminación proveniente de hornos y otros gases reductores.

Un conjunto cerámico puede incluir dos tubos, uno primario (interior) y uno secundario (exterior), o un solo tubo. Con termocuplas de platino por encima de 1.200 ºC , el tubo primario es de alúmina pura al 99,7% (óxido de aluminio) que es hermético a los gases y adecuado para temperaturas hasta 1.870 ºC.

Debajo de 1.200 ºC se puede usar un tubo de porcelana (sillimanita u otras combinaciones de óxido de aluminio / óxido de silicio). No se puede usar porcelana por encima de 1.315 ºC puesto que libera sílice que contamina la termocupla de platino.

Al utilizarse un tubo secundario, éste normalmente consiste de carburo de silicio, que no es hermético a los gases pero resiste la acción de corte del golpe directo de llama y es más resistente al shock térmico y mecánico que. la alúmina pura (99,7%). Sin embargo, poses una pobre conductividad térmica.

Se dispone también de tubos secundarios metal-cerámicos, éstos resultan superiores a los tubos de cerámica pura en lo que hace a la resistencia al shock mecánico y térmico y brindan una respuesta térmica más rápida.

Tabla 7. Límites de velocidad para vainas rectas y cónicas (vainas de diámetro interior de 1/4 pulgada y diámetro exterior de 3/4 pulgadas).

Material

Inserción, cm

Límites de Velocidad cm/s


Vaina estándar

Vaina cónica


 
Monel a 4800C 11,4

26,7

33,6

6,21

46,5

8,52

Acero al carbono a 535°C 11,4

26,7

36,9

6,84

54,0

9,9

Acero Inoxidable, TIPO 304 ó 316, a 5350C 11,4

26,7

38,4

7,08

59,1

10,6

 

 

 

 

 

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