instrumentacion industrial temperatura

TEMPERATURA

La temperatura es una de la variables de mayor importancia en los procesos industriales, por medio de ella se dan numerosos procesos químicos en los que predomina la energía calorífica como agente catalizador, o simplemente como agente modificador de algunas propiedades físicas de gases y líquidos.

La TEMPERATURA es la cantidad de calor expresada en grados que contiene un cuerpo, siendo el calor una de las formas de presentarse la energía.

La forma mas corriente de suministrar calor a un cuerpo para que aumente la temperatura, es ponerlo en contacto con otros cuerpos que se encuentran a un nivel superior de calor. Esto produce un aumento de temperatura y, en consecuencia, cambios en todas las propiedades físicas del mismo, tales como:

Aumento en dimensiones

Aumento de presión, a volúmenes constantes

Cambio de fuerza electromotriz desarrollada cuando el cuerpo esta en contacto con otro

Cambio de resistencia Eléctrica

Aumento de la radiación superficial

Cambio de calor

Cambio de estado

Cada uno de los cambios mencionados pueden servir como base para medir la variación de temperatura. De hecho una gran cantidad de instrumentos aprovechan estos como principio de operación.

1.1. Escalas de temperatura.

Existen varias escalas de temperatura conocida a nivel internacional.

1.1.1. CELSIUS (CENTIGRADA)

Generalmente se usa en los países donde se ha adoptado el sistema métrico. Esta escala fue introducida en el año 1.743 por CELSIUS DE UPSALA (Suecia). En dicha escala se ha marcado con cero grado el punto de hielo puro y con 100 grados el punto de ebullición de agua destilada, con una presión de una atmósfera (760 mm de mercurio); se designa esta escala con la letra " C ".

1.1.2. ESCALA FARENHEIT

Esta escala se identifica con la letra " F " y se diferencia de la escala en grados centígrados solamente por su graduación. En su construcción se ha marcado el punto de fusión del hielo con 32º en lugar de 0º C y el punto de ebullición de agua con 212º en vez de 100º C. El cero de esta escala es la temperatura que se obtiene al mezclar pesos iguales de cloruro de sodio y nieve. Cuando Fahrenheit, introdujo esta escala, eligió este punto cero porque pensó que representaba la temperatura mas baja que se podía lograr en el laboratorio.

1.1.3. ESCALA KELVIN

Se designa con la letra " K", también conocida como la escala de grados centígrados absoluta. Su uso es frecuente en estudios de termodinámica. El punto de fusión del hielo corresponde a 273,16º K. y el punto de ebullición del agua a 373,16º K.

1.1.4. ESCALA RANKINE

Se designa con la letra " R", también conocida como la escala de grados Fahrenheit absolutos. El punto de fusión del hielo corresponde a 491,69º R y el punto de ebullición del agua a 671,69º R.

1.1.5. RELACIÓN ENTRE LAS DIFERENTES ESCALAS

Cada una de estas escalas fija un valor determinado para los valores de referencia en los puntos de congelación del agua, ebullición del agua y cero absoluto. A partir de esos valores cada escala es dividida en su correspondiente gama de valores. En el siguiente cuadro establecemos los valores comparativos de las cinco escalas con sus respectivos valores de referencia. (Vease tabla 1.1.).

5a) º C = x º F – 32 d) º C = º K – 273

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9b) º F = x º C + 32 e) º K = º C + 273

5

c) º F = º R – 460 f) º R = º F + 460

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SERVICIOS TECNICOS INDUSTRIALES GUAYANA C.A.DPTO. DE CAPACITACION Y ENTRENAMIENTO

CURSO BASICO DE INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

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TABLA 1.1.TABLA DE RELÁCIÓN DE ESCALA

0 º 273, 16 º 373,16 º Kelvin (ºK)

– 273,16 º 0 º 100 º Celsius (ºC)

Centigrade

– 218,55 º 0 º 80 º Réaumur (ºR)

– 459,59 º 32 º 212 º Fahrenheit (ºF)

0 º 491,59 º 6373,69 º Rankine (ºR)

Cero Punto de Fusión Punto de EbulliciónAbsoluto H2O H2O

1.2. Instrumentos Medidores de TemperaturaPara la medición de temperatura se utilizan instrumentos basados en fenómenos termomecánicos, termoeléctricos y radiación.

A los fenómenos termomecánicos pertenecen los termómetros de cristal, los bimetálicos y los de sistema llenos.

A los fenómenos termoeléctricos pertenecen los termopares, las termoresistencias y los termistores.

A los de radiación corresponden los pirómetros ópticos estos son aptos para grandes temperaturas y constituyen una categoría aparte.

1.2.1. TERMÓMETROS DE VIDRIOLos termómetros de vidrio están basados en la propiedad que tienen los líquidos de dilatarse al aumentar la temperatura.Esto permite medidas de -190 a + 600º C, empleando Líquidos distintos según el campo de medida.

En los términos para uso industrial, se aceptan errores que varían según la extensión de la escala y según la naturaleza del proceso. Por ejemplo en un termómetro con escala de 0 a ± 150º C, el error es de ± 0,5º C, entre 0 y 100º C y ± 1º C entre 100 y 150.

Los termómetros de vidrio están constituidos por un capilar de vidrio y un depósito, que contiene un líquido, como por ejemplo: mercurio.

El bulbo es la parte que está expuesta a los cambios de temperatura, cuando estos se producen, el líquido contenido en el mismo, se dilata o se contrae y varía la altura dentro del capilar, indicando así los grados de temperatura en una escala colocada en la parte externa del termómetro, (Véase Fig. 1.1.)

Como el vidrio tiene alrededor de 1/8 del coeficiente de expansión del Mercurio, la elevación de este, en un termómetro expuesto al calor, se debe a la diferencia entre la expansión del mercurio y la del vidrio.

Si la expansión del mercurio y la del vidrio fueran iguales el mercurio no subiría en el capilar.

El defecto mas serio de los termómetros de mercurio es el cambio del punto cero. Cuando se enfría el bulbo después de haberse calentado, demorara mucho en regresar a su dimensión original. Si se calienta un termómetro hasta 100º C y se enfría rápidamente, se encontrará el punto cero un poco más abajo que antes del calentamiento. Este defecto es conocido como depresión del punto cero. El bulbo continúa contrayéndose lentamente, pero puede tardar semanas en alcanzar nuevamente el punto cero original.

Los termómetros de vidrios tienen una exactitud de 1% de la escala aproximadamente.

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1.2.1.1. LIMITES DE LOS TERMÓMETROS DE VIDRIO: Como el mercurio se congela a -39º C (-38º F), se miden temperaturas por debajo de ese punto, por medio de termómetros de alcohol, pues el punto de congelación del alcohol es de -130º C (-202º F). Para la medición de temperaturas muy altas o bajas, no es conveniente usar termómetros de vidrio como patrones, ya que la calidad del vidrio influye en su indicación. (Véase tabla 1.2)

Mercurio

Mercurio (tubo capilar llenado con gas)

Pentano

Alcohol

Tolueno

- 35 hasta + 280º C

- 35 hasta + 750º C

- 200 hasta + 20º C

- 110 hasta + 50º C

- 70 hasta + 100º C

TABLA 1.2.LÍQUIDOS QUE SE USAN EN LOS TERMÓMETROS DE VIDRIO

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1.2.2. TERMOMETROS BIMETÁLICOSLos termómetros bimetálicos se basan en el hecho de que los metales tienen un coeficiente de dilatación diferente.El sensor consiste en dos láminas, una de ellas de un metal con un coeficiente de dilatación pequeño, tales como latón, monel o acero y otra lámina con un coeficiente de dilatación grande como el de aleación de ferro, níquel o invar (35,5% de níquel), soldadas o simplemente unidas por remaches. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o helicoides. (Vease fig. 1.2)

Figura. 1.2.Sensores Bimetálicos para medir Temperatura

Al variar la temperatura, la diferencia de dilatación de las láminas determinan que el sistema se desvíe hacia un lado. El movimiento puede utilizarse tanto para accionar una aguja indicadora como para dirigir un mecanismo de control, lo que ocurre en los termostatos más sencillos que emplean este principio. Un ter-metro de uso común en la industria es el bimetálico de hélice, que consiste en un helicoide bimetálico en la cual se logra una acentuada torsión, con un par bimetálico sensible, gracias a su gran longitud. Uno de los extremos del serpentín va anclado al fondo mientras que el otro acciona la aguja indicadora.Con este tipo de termómetro se pueden medir temperaturas de -100 a 1000 Fahrenheit; con una aproximación de un 2% de exactitud (véase Fig. 1.3)

Figura. 1.3. Termómetro Bimetálico de Hélice 4



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Figura 1.1Termómetro de Vidrio

1.2.3. TERMÓMETROS DE SISTEMAS LLENOS

Los termómetros de sistemas llenos están compuestos por un bulbo conectado a un tubo capilar, el cual está acoplado a un elemento de presión, por ejemplo, Tubo de Bourdon Espiral. Internamente, el sistema contiene un determinado fluido (líquido, vapor o gas).

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El principio de operación está basado en la variación de la presión del fluido contenido en el bulbo, cuando existen cambios de temperatura.

Un sistema lleno consiste en una unidad sellada a presión y compuesta de un bulbo conectado por medio de un capilar a un elemento de presión colocado en la caja del instrumento (Véase Fig. 1.4.)

Figura. 1.4.Termómetro de Sistemas Llenos

Cuando el sistema se llena de gas o de un vapor de equilibrio con un líquido volátil, un aumento en la temperatura causa un incremento proporcional en la presión del sistema que tiende a deformar el elemento de presión y ocasiona un movimiento del puntero.

Si el sistema se llena de líquido, un aumento de temperatura causa una expansión del mismo, la cual deforma el elemento de presión, ya que la presión ha aumentado. Los termómetros de sistema de bulbo lleno se clasifican en atención a los fluidos que los impulsan.

1.2.3.1. TERMOMETROS ACCIONADOS POR LÍQUIDOS: El sistema consiste en un bulbo, un capilar y un tubo de Bourdon. El termómetro se vacía y se llena completamente con un líquido bajo la presión inicial. En teoría y en operación los termómetros llenos por líquidos difieren de los que se llenan con mercurio, solamente, en las características de los líquidos usados, los cuales son generalmente, hidrocarburos tales como el xileno o alcoholes.

A) Clase 1A (tiene compensación completa)

Se distingue de las otras porque opera con presiones más altas. Por ejemplo, la presión de los termómetros de mercurio varía entre 25 y 70 Kg/cm².

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Otras diferencias consisten en que estos termómetros usan un bulbo más pequeño y una compensación por cambio de temperatura, no solamente en la caja del instrumento, sino también para el tubo capilar, lo que se denomina compensación completa. (Vease Fig. 1.5.)

Figura. 1.5.Termómetro Accionado por Líquido Clase 1A

Las dos espirales se expanden en direcciones opuestas y están interconectados. Un espiral sensa la temperatura del proceso más la temperatura ambiente, el otro espiral sólo la temperatura ambiente.Los tubos de conexión (Tubo Capilar) pueden tener una longitud máxima de 30 metros.

B) Clase 1B (Tienen compensación por cambios ambientales de temperatura en la caja)

Estos termómetros están completamente llenos de determinado líquido, mercurio por ejemplo. La escala de estos termómetros es lineal, de tal manera que se puede usar completa, hecho que no sucede en todos los instrumentos.

En los sistemas llenos con líquidos, de bulbo y capilar, en la caja del instrumento está montado un elemento de compensación para la temperatura ambiente. Ello es necesario, porque un aumento de temperatura del tubo Bourdon trae consigo un aumento de presión en el sistema y la indicación del instrumento no corresponde a la temperatura del bulbo. El elemento de compensación de la temperatura en la caja es un tubo de Bourdon igual al tubo del sistema. Al aumentar la temperatura de la caja, los dos tubos se calientan por igual y su dilatación es idéntica, pero el tubo compensador se estira en sentido contrario al tubo del sistema térmico, anulando así su efecto. Para los termómetros de esta clase existen compensadores para cambios de temperatura en el tubo capilar y por esta razón nunca se emplean tubos capilares con una longitud de más de 6 metros. El campo de medición de esta clase de termómetro es de -100 hasta 315º C. (Véase Fig. 1.6)

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Figura. 1.6.Termómetro Clase 1B - Accionado por Líquido.

1.2.4. TERMOPARLa termoelectricidad es la técnica que estudia la generación de energía eléctrica mediante el uso de termopares.

El termopar:Es un dispositivo compuesto de dos conductores con propiedades diferentes unidos en un extremo y libre en el otro, en donde se genera una fuerza electromotriz que es proporcional a la diferencia de temperatura entre el extremo unido (junta caliente) y el extremo libre (de referencia). (Véase Fig. 1.11 y 1.12)

El desarrollo de los termopares se debió al descubrimiento de Seebeck quien demostró que en un circuito termoeléctrico cuando las temperaturas en las uniones son diferentes, fluye una corriente en el circuito. Por lo tanto, debe existir una f.e.m en el circuito la cual origina la corriente. Por el principio de conservación de la energía debe provenir de la absorción de calor de fuentes externas.

La medición de la f.e.m en un termopar se fundamenta en los efectos de Peltier y de Thomson los cuales se enuncian de la manera siguiente:

Efecto Peltier:

Relaciona la absorción y emisión de calor en las uniones de un termopar con el flujo de corriente en el circuito: “Bajo condiciones de uso se desprende calor en la junta de referencia y se absorbe calor en la junta de medición en proporción al flujo de corriente pero independientemente de la forma de hacer la unión, la cual puede ser fundida, soldada o simplemente un contacto íntimo”. Por lo tanto, cada junta del termopar produce una f.e.m Peltier, cuya magnitud y dirección depende de la temperatura.

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Efecto Thomson:Relaciona la f.e.m generada en un conductor simple y homogéneo con la diferencia de temperatura en los extremos. La f.e.m -Thomson es proporcional a la temperatura y a la diferencia de esta y varia para diferentes metales. (Véase Fig. 1.11)

Figura 1.11.Termopar

Figura. 1.12.Componentes del Termopar

1.2.4.2.CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS TERMOPARES: La tabla 1.3. Muestra estas características.

Termopar metal + metal

Símbolo(ANSI)

Color de los Conductores

Exactitud(ºC)

Rango Normal(ºC)

Temp. máx. (ºC)

Aplic. de los Termopares

Caráct. de corrosión

Cobre/Constantan T +Azul -Rojo 0,2 -200 a 350 600 1A 1BHierro/Constantan J +Blanco -Rojo 0,5 -200 a 750 1000 2A 2BCromel / Alumel K +Amarillo -Rojo 0,5 -200 a 1100 1200 2A 3B

Cromel/Constantan E +Púrpura -Rojo 0,5 -100 a 1000 1000 2A 4BPt. 13% rodio – Pt. R +Negro -Rojo 0,1 0 a 1450 1700 3A 5BPt. 10% rodio – Pt. S +Negro -Rojo 0,1 0 a 1450 1700 3A 5B

TABLA 1.3.CARACTERÍSTICAS DE LOS TERMOPARES INDUSTRIALES

Aplicaciones de los Termopares Relacionados con la Tabla 1.3.

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1A) Indicación y control de temperatura en las estufas industriales.

2A) Indicación y control de temperatura en hornos industriales.

3A) Cuando se requiere de gran exactitud a altas temperaturas se usan como patrones para calibración.

Características de corrosión de los Termopares relacionados con la tabla 1.3.

1B) Sujeto a oxidación y alteración por encima de los 400 ºC debido al cobre, por encima de los 600 ºC por acción del constantan. La contaminación del cobre afecta la calibración enormemente.

2B) Las atmósferas oxidantes y reducidas tienen poco efecto sobre la exactitud. Se recomienda su uso en atmósferas secas.

3B) Resistencia a atmósferas oxidantes de buena a muy buena, Resistencia a atmósferas reducidas muy baja. Afectado por los gases (S02) Y (H2S).

4B) El cromel es atacado por atmósfera sulfuroso. Resistencia a la oxidación: buena. Resistencia a atmósfera reducida: muy baja.

5B) Resistencia a atmósfera oxidante: muy buena. Resistencia a atmósfera reducida: muy baja. El platino se corroe fácilmente por encima de los 1000 ºC. Debe usarse protegido con anillos de cerámica.

Los termopares de hierro - constantan se pueden usar a temperaturas mayores que el limite superior si no hay oxígeno presente que ataque el. conductor de hierro.Los termopares de cobre - constantan están restringidos a bajas temperaturas y los de platino se usan para altas temperaturas.Los termopares de cromel - alumel pueden emplearse a temperaturas mayores si esta presente exceso de oxígeno.

Otro termopar que ha sido estudiado recientemente para aplicaciones a altas temperaturas es el de rodio-iridio para ser utilizado a temperaturas de 3.000ºF y hasta de 3.600 ºF en el vacío, en atmósferas inertes y, particularmente, en atmósferas oxidantes.

El deterioro de los termopares a altas temperaturas no se puede evitar; mientras mayores sean las temperaturas y más desfavorables las condiciones de operación, más rápido será el deterioro. El daño causado por los gases oxidantes o reductores al alambre ocasiona la caída de la fuerza electromotriz, resultando una lectura errónea del instrumento. Por eso es recomendable revisar frecuentemente los termopares, sobre todo si se desea obtener una medición exacta. Normalmente se usan los termopares del tipo " K" en una atmósfera oxidante y los del tipo " J " en una atmósfera reductora.

A continuación se presenta una clasificación de los Termopares atendiendo a los materiales, rango, límites de error.1.2.4.3. CÓDIGO DE COLORES DE LOS ALAMBRES DE EXTENSIÓN:

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La tabla 1.4. Muestra la codificación principal de colores en los alambres de extensión para instalaciones pirométricas.

TABLA 1.4COLORES DE AISLAMIENTO DE ALAMBRES DE EXTENSIÓN

1.2.4.4. INSTALACIÓN DE TERMOPARES: Un termopar instalado permanentemente debe ser montado en forma firme con un soporte adecuado. Se debe proteger contra daños mecánicos. Nunca instale un termopar en un lugar (por ejemplo en un horno) donde esté expuesto a fuego directo, porque el tubo de protección se gasta rápidamente y la indicación de la temperatura no corresponde a la temperatura promedio del horno.

Los termopares pueden ser utilizados para medir temperatura en más de un punto, para ello, se interconectan de tal manera que nos produzcan los resultados deseados. Las configuraciones más comunes son para obtener temperaturas promedios y temperaturas diferenciales.

Para obtener temperaturas promedios los termopares se conectan en serie o en paralelo. En esta conexión cada una de las fuerzas electromotrices (f.e.m) de los termopares se suman para formar una sola, la cual alimentará el instrumento medidor. Este se calibra para que dé la temperatura promedio dependiendo del número de termopares que entran a formar parte del sistema en serie, (Véase fig. 1.13) el instrumento debe ser calibrado para que dé una indicación de 3 veces la fuerza electromotriz de un termopar.

A) En serie:

SÍMBOLO

POLARIDAD

POSITIVO + NEGATIVO -

COLOR AISLANTECONDUCTOR

COLOR AISLANTEEXTERNO

CALIBRE 14,16,20

T COBRE CONSTANTANO + AZUL – ROJO AZUL

J HIERRO CONSTANTANO + BLANCO – ROJO NEGRO

K CHROMEL ALUMEL + AMARILLO – ROJO AMARILLO

R o S PLATINO Pt - Rh + NEGRO – ROJO VERDE

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El uso de los termopares instalados en series se aplica frecuentemente, para conseguir una fuerza electromotríz ( F.e.m ) más grande, o más sensible en un instrumento cuando se midan cambios muy pequeños de temperaturas, pero tienen las desventajas que si se abre uno cualquiera de los termopares ya no se obtiene medición.

B) Termopares instalados para medir diferencias de TemperaturaPara obtener temperaturas diferenciales, los termopares se conectan según la fig. 1. 14.

Figura. 1.l4.Termopares Conectados en Serie

Obsérvese que las fuerzas electromotrices (El y E2) generadas por los termopares están opuestas.

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Figura 1.13Termocuplas en Serie (Suma de Temperaturas)

De esta manera la fuerza electromotríz resultante (emt) será la diferencia entre E1 - E2, o bien E2 – E1 según sea la fuerza electromotríz mayor en ese instante.

En este caso la temperatura que mide el instrumento será la diferencia entre el termopar 1 y 2 (t1 y t2).

C) Termopares en Paralelo

En el caso de esta configuración, el instrumento medidor une como temperatura promedio, todas las fuerzas electromotrices generadas por los termopares en este caso la calibración del instrumento corresponde a la de uno utilizado para un solo termopar.Este método para medir temperatura promedio tiene la ventaja de que si falla un termopar, no se interrumpe la medición, no obstante si se abre uno de ellos la falla no puede ser rápidamente detectada.

La fuerza electromotríz desarrollada es el promedio de los 3 termopares:

El + E2 + E3fem =

3

(Vease Fig. 1.15)

Figura. 1.15.Termopares Conectados en Paralelo

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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL POTENCIÓMETRO: Para medir temperatura con termopares el instrumento más utilizado es el potenciómetro. La fuerza electromotríz (m.v.) producida en un termopar es medida con alta precisión a través de un potenciómetro, donde la escala expresa directamente los valores de temperatura.

En algunas ocasiones se usa el término "potenciómetro" para designar una resistencia con tres terminales: dos correspondientes a los extremos y el tercero a un punto intermedio de posición variable. En este sentido, se usa para medir una diferencia de potencial mediante la composición con otra diferencia de potencial conocida.

En la Fig. 1.16, se supone que, por medio de la pila, se aplica a la resistencia un voltaje determinado, por ejemplo, 1.5 voltios. La caída de voltaje a través del tramo comprendido entre el punto A y el punto C de la resistencia depende de la longitud de dicho tramo y es proporcional a esa longitud, en el caso de que sea homogénea la resistencia. Por ejemplo, la caída de voltaje entre el punto A y los puntos situados a la tercera parte, la mitad y en el punto B de la resistencia, será respectivamente de 0.50, 0.75 y 1.50 voltios.

E 1.5 VEj.: supongamos que RAB sea: 150 ohmios entonces: I = = = 0,01 Amp. R 150 como RAD = 1/3 de RAB entonces

RAD = 50 ohmios

RAC = 1/2 de RAB

Entonces RAC = 75 ohmios

Por lo tanto:

EAC = I x RAC Por lo tanto EAD = I x RAD

EAC = 0.01 A x 75 EAD = 0.0l A x 50

EAC = 0.75 voltios EAD = 0,5 voltios

y finalmente:

Si RAB = 150 EAB = I x RAB

Por lo tanto EAB = 0,01 Amp. x 150

EAB = 1,5 voltios

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Figura. 1.16Circuito de una Resistencia Conectado a una Pila

Si se conecta el circuito anterior a otra fuente de voltaje, en serie con un galvanómetro, (Véase Fig. 1. 17) y este último voltaje Ex, fuera igual a la caída de voltaje a través del tramo AC, no habrá corriente a través del galvanómetro, puesto que los puntos C y D tendrán el mismo potencial. Diríamos, en este caso, que el circuito está en equilibrio.

En cambio si la caída de voltaje que corresponde a la posición del punto C fuera mayor o menor que el vol-taje Ex, habría circulación de corriente a través del galvanómetro, en u otra dirección, y el circuito estaría fuera de equilibrio.

Figura. 1.17Galvanómetro Conectado en Serie con Fuente de Voltaje

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Conviene tener presente que cuando el circuito está en equilibrio se comporta en relación con la corriente que lo atraviesa, exactamente, como si no tuviese conectada a la pila Ex, es decir, la corriente que circula a través de AB será, en el caso de (véase Fig. 1.17) la misma que en el de la figura 1.16. En estas condiciones, la longitud del tramo AC, comparada con la longitud total de la resistencia, daría una indicación del valor Ex y se podría tener una escala, en el presente caso, graduada de 0 a 1.5 voltios, sobre la cual el punto móvil C indica directamente el valor del voltaje Ex. En teoría la resistencia AB, llamada resistencia variable, puede tener cualquier valor. Sin embargo, con el objeto de alargar la vida de la pila Ba, se hace que la corriente sea pequeña, dándose a la resistencia AB un valor suficientemente grande. Por ejemplo, para que el valor de la corriente fuera 10 ma., el valor de la resistencia debería ser de 150 ohmios. Si en lugar de una gama de 0 a 1.5 voltios, nos interesa tener una gama de menor amplitud, por ejemplo, de 0 a 1 voltios, tendríamos que agregar una resistencia adicional (Ra) en serie con la resistencia variable (Véase Fig. 1.8). Para los mismos valores anteriores de voltaje de suministro y de corriente, las resistencias tendrían que ser de 100 a 50 ohmios, respectivamente.

E 1.5 vRt = RAB + RA = 100 + 50 = 150 = =

= 0,01 Amp. R T 150

EAB = I x RAB = 0,01 Amp x 100

EAB = 1 voltio

Figura. 1.18.Conexión de Resistencia Adicional en Serie

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Sí necesitamos supresión de cero es decir, si la escala tuviera que comenzar con un valor mayor que cero, habría que agregar una resistencia adicional (Rb) a la izquierda de la resistencia variable (véase Fig. 1.19), por ejemplo, si la gama fuera de 0.25 a 0.50 voltios, los valores de las tres sería de 25, 25 y 100 ohmios, respectivamente.

Rt = Rb + RAB + RA = 25 + 25 + 100 = 150

E 1.5 VI = = = 0,01 Amp

Rt 150

E(RB) = I x Rb = 0,01 Amp x 25 = 0,25 V

E(AB) = I x RAB = 0,01 Amp x 25 = 0,25 V

E(RA) = I x RA = 0,01 Amp x 100 = 1 V

Figura. 1.19.Resistencia adicional en Serie a la Izquierda de la Resistencia variable

En los casos anteriores, se parte del supuesto, que el voltaje de suministro tiene un valor fijo determinado. Esto equivale a suponer que la corriente que circula por el circuito tiene un valor constante, por ejemplo, 10 ma. Sin embargo, cuando el voltaje se obtiene de una pila seca, no es posible llenar esta condición por un tiempo muy prolongado, ya que, a medida que la pila se va gastando, su voltaje va disminuyendo.

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Con el objeto de mantener fijo, a pesar de esto, el valor de la corriente, se acostumbra conectar en serie con la pila seca un reóstato (Rbat) (véase Fig. 1.20), cuyo valor necesita ser grande cuando la pila es nueva y, paulatinamente, más pequeño a medida que el voltaje de la pila va bajando. Periódicamente se comprueba que el valor de este reóstato es el adecuado para que la corriente que circula tenga el valor apropiado. A esta comprobación se le llama "estandarización”. En la misma figura, se aprecia que en la rama inferior hay una resistencia adicional Rc que sirve para comprobar el valor de la corriente. Con este fin, se conectan, en la forma indicada en la figura 1.20 una pila C.E., conocida como celda "Standard" o celda patrón, que suministra un voltaje constante, y un galvanómetro. La indicación del galvanómetro es cero cuando la caída de voltaje a través de Rc es igual al voltaje suministrado por la celda patrón.

ERC = I

1.019 vRC = 0.01 Am

RC = 101.9

Figura. 1.20.Conexión en Serie de un Reóstato R Bat

La celda normalmente usada es el tipo Wheatston y produce un voltaje de 1,019 voltios, de modo que si la corriente tuviera que ser de 10 ma., Rc debería valer 101,9 ohmios. La celda patrón puede ser utilizada sólo durante corto tiempo, es necesario para efectuar la estandarización, cuidando que la corriente producida no sea demasiado alta. Es necesario, por consiguiente tener la precaución de no poner en corto circuito sus

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terminales así como de no someterla a temperaturas menores de 0 ºC ni mayores de 60 ºC, ni dejarla permanentemente en posición horizontal.El galvanómetro usado durante la estandarización podría ser el mismo de la medición, usando un Interruptor de dos polos y doble tiro, tal como se muestra en la figura 1.21. En esta figura se puede apreciar que, durante la medición, las resistencias Rc y Rbat forman parte, con R3, de la energía que fluye a la derecha de la resistencia variable.

Figura. 1.21.Conexión de un Galvanómetro utilizando un Interruptor de dos Polos y Doble Tiro

Industrialmente estas mediciones se realizan de manera automática con los potenciómetros, en los cuales la señal de tensión que mueve el índice del galvanómetro es amplificada y por lo tanto, puede ser empleada para accionar mecánicamente el reóstato, que equilibra nuevamente el sistema.

1.2.5 TERMORESISTENCIA (R.T.D.)

Los termómetros por resistencia están basados en las características inherentes de los metales que incrementan su resistencia eléctrica cuando en ellos se producen aumentos de temperatura, esto significa que tienen un coeficiente de temperatura positivo. Por lo general, industrialmente, los bulbos de resistencias son fabricados de platino, cobre o níquel. Los fenómenos de variación de la resistencia en función de la temperatura son también aplicados a los semiconductores.

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Los termómetros de resistencia tienen un dispositivo sensible a los cambios de temperatura, produciendo a la vez, cambios directamente proporcional de los valores de resistencia. Estos cambios de resistencia son medidos para obtener así los valores de temperatura.

Son los más precisos en el campo de -200 a + 750º C, por el hecho de que las termoresistencias se pueden construir con gran precisión. La resistencia calibrada de uso común suministra medidas con precisión de ± 0,02º C en el campo de -50 a + 150º C.

Estas, permiten efectuar medidas incluso en puntos inaccesibles, como el caso de elementos insertados en partes interiores de máquinas eléctricas. El efecto de distancia entre el punto de conexión del elemento y el instrumento de la medida influye de manera poco importante; esto no representa una limitación para utilización.

La medida de temperatura se efectúa con galvanómetros de bobina cruzada, o con un puente de Wheatstone, el cual se detallará mas adelante.

Un termómetro de resistencia reúne los siguientes requisitos:

Constancia de las características en el tiempo.

Reproducibilidad de las características.

Elevada variación de la resistencia en función de la temperatura.

Basado en estas características se han normalizado dos tipos de resistencia:

A) Las resistencias de níquel: presentan un coeficiente de temperatura a = 6.17 x 10 ¯³ y pueden emplearse desde - 60 a + 750º C.

B) La resistencias de platino: poseen un coeficiente de temperatura a = 3.85x 10 ¯³ y se usan desde - 200 a + 750º C.

Los termómetros de uso normal han de tener una resistencia de 100 ohmios a la temperatura de 0º C con una tolerancia ± 0,1 ohmios, constituidos normalmente por un hilo muy delgado de níquel o de platino enrollado sobre un soporte aislante cilíndrico o plano.

La ejecución más extendida para uso industrial se conoce como “resistencia de platino sumergido en cuarzo", y consiste en un tubo de cuarzo sobre el cual se ha enrollado un espiral de platino, protegido externamente por otro tubo de cuarzo fundido, vaciado sobre el primero. La corriente se transmite por conductores de platino y la resistencia esta protegida de cualquier acción química. (Véase la fig. 1.22.)

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Figura. 1.22.Termoresistencia de Platino

1.2.5.1 Las características de los metales utilizados para la construcción de resistencias en la medición de temperatura son las siguientes: A. El aumento de la resistencia especifica, no se altera con el tiempo.B. La variación de la resistencia debe ser significativa por cada grado de variación de temperatura.C. Su resistencia específica debe ser elevada para evitar el uso de alambre fino o largo.D. Los tamaños y dimensiones deben ser tales que, todas las resistencias fabricadas sean

intercambiables. (Véase tabla 1.5).

METAL RESISTIVIDAD

u / cmCOEFICIENTE

TEMP ºC

INTERVALO UTIL

DE TEMP. ºC

MIN DEHILO MIN

COSTORELATIVO

RESIS. SONDAA 0 ºC

PRESICIÓNºC

PLATINO 9,83 0.00392 -200 a 950 0,05 alto 25. 100. 130 0,01

NIQUEL 6,38 0,0063 a 0,0066 -150 a 300 0,05 medio 100 0,05

COBRE 1,56 0,00425 -200 a 120 0,05 bajo 10 0,10

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TABLA 1.5.RESISTENCIAS RELATIVAS DE VARIOS METALES

EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA

1.2.5.2.EQUIVALENCIA ENTRE RESISTENCIA Y TEMPERATURA: En las tabla 1.6 y 1.7 se presenta la relación del cambio de resistencia ocasionados por los cambios de temperatura en un ejemplo de níquel, para un campo de medición de -100º C + 150º C. Por ejemplo. Para saber cuantos ohmios equivalen a 800º C, se lee en la columna "Ohmio" que va desde + 0 hasta + 100º C que el valor resistivo correspondiente es de 713,8 ohmios.

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TERMISTORESPara medir temperaturas, además de las resistencias metálicas usuales que tienen un coeficiente de temperatura positiva, se emplean semi-conductores, que tienen coeficiente negativo y son también denominados "Resistencias N.T.C" o termistores. Estos tienen la particularidad de disminuir su resistencia al aumentar la temperatura.

Un Termistor es un elemento eléctrico fabricado de un semi-conductor sólido con un alto coeficiente de resistividad por temperatura. La aplicación de termistores se clasifica en dos grandes categorías:

En una de ellas, por diseño, se disipan en el Termistor muy pequeñas cantidades de potencia, tales como usos en puentes y métodos potenciométricos de medición de resistencia, usualmente empleados para mediciones de temperaturas y aplicación de controles. La otra clasificación importante, está basada en las características no lineales del voltaje-corriente, resultante del aumento de temperatura en el termistor provocado por el mismo, cuando importantes cantidades de potencias son disipadas en él.

1.2.6.1.CONSTRUCCIÓN DE TERMISTORES: Entre los materiales semiconductores con los cuales se fabrican los termistores, existe un gran número de óxidos de metal y sus mezclas, incluyendo óxido de cobalto, cobre, hierro, magnesio, manganeso, níquel, titanio, uranio y zinc. Los óxidos usualmente presentados en forma de polvo, son tratados térmicamente para recristalizarlos, resultando en un cuerpo denso de cerámica. Los contactos eléctricos están hechos de varias maneras, tales como: pueden ser cables puestos antes de calentar el material y platinas o cerámicas metálicas pintadas en el fondo del termistor. (Véase Fig. 1.27).

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Figura. 1.27.Tipos de Termistores

Las formas de termistores generalmente pueden ser pequeñas esferas de 0,015” de diámetro, discos desde 0,2” hasta 1” de diámetro formas cilíndricas desde 0.03” hasta 0,25" de diámetro y hasta 2" de largo.

1.2.6.2. APLICACIÓN DE TERMISTORES EN LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA: La aplicación de termistores para las medidas de temperatura siguen los principios usuales de la termometría por resistencia, siendo usados comúnmente en puentes convencionales u otros circuitos de medidas de resistencias. El alto coeficiente de temperatura de los termistores, dan como resultado una mayor sensibilidad a los cambios de temperatura, que los elementos resistivos comúnmente empleados o las termocuplas comunes.

Un ejemplo del uso de los termistores, permite la adaptación de registradores convencionales de temperatura para mediciones hasta de 1 ºC, en toda la amplitud de la escala. Esto no es factible con termómetros de resistencias ordinarias o con termocuplas.

También se emplean estas resistencias en combinación con un medidor de bobina móvil para medir la temperatura del agua de enfriamiento de los vehículos. (Véase Fig. 1.28)

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Figura. 1.23.Resistencia Combinada con Medidor de Bomba Móvil

Interruptores de Temperatura

Como todas las variables, la temperatura necesita de instrumentos de protección, los cuales actuarán cuando la temperatura sobrepase cierto valor que previamente se ha establecido, con la finalidad de evitar fallas en el proceso.

Interruptores de Temperatura

Como todas las variables, la temperatura necesita de instrumentos de protección, los cuales actuarán cuando la temperatura sobrepase cierto valor que previamente se ha establecido, con la finalidad de evitar fallas en el proceso.

Los instrumentos más comunes usados para éste propósito son los termostatos. De ellos existen varios tipos, pero todos tienen el mismo objetivo: cerrar o abrir un circuito eléctrico, lo cual se aprovecha para accionar una alarma, encender una luz indicadora o para algún equipo o proceso, con la finalidad de evitar daños, tanto materiales como humanos. (Véase Fig. 1.31.).

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Figura. 1.31.Componentes de un Termostato

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instrumentacion industrial temperatura

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