modulo 2 - medicion de temperatura

Capacitacin: Oficial Instrumentista

Mdulo 2 Medicin de Temperatura 2.1. Introduccin 2.1.1. Escalas de temperaturas 2.1.2. Dispositivos de medicin de temperatura 2.1.3. Trasductores 2.2. Termmetro de vidrio 2.3. Termmetro bimetlico 2.4. Termmetro de bulbo 2.4.1. Sistemas de lquido 2.4.1.1. Interruptores de temperatura (Termostatos) 2.4.2. Sistemas de vapor 2.4.3. Sistemas de gas 2.4.4. Sistemas de mercurio 2.4.5. Seleccin de un sistema de bulbo 2.5. Termmetro de resistencia 2.5.1. Introduccin 2.5.1.1. Termorresistencias disponibles comercialmente 2.5.2. Construccin de termorresistencias 2.5.2.1. Circuito RTD dos hilos o bifilar 2.5.2.2. Circuito RTD tres hilos o trifilar 2.5.2.3. Circuito RTD cuatro hilos o cuatrifilar 2.5.3. Construccin de un sensor a termorresistencia 2.5.3.1. Termorresistencias de uso general 2.5.3.2. Termorresistencias con elementos de inmersin variable 2.5.3.3. Termorresistencias tipo SPRING LOADED 2.5.4. Otros sensores a resistencia 2.5.5. Ventajas y desventajas de la RTD 2.6. Termistores 2.6.1. Caractersticas 2.6.2. Consideraciones mecnicas y elctricas 2.6.3. Seleccin 2.6.4. Sensibilidad 2.6.5. Aplicaciones 2.7. Termopares 2.7.1. Leyes termoelctricas 2.7.2. Conversin de voltaje a temperatura 2.7.3. Termocuplas estndar 2.7.4. Termocupla prctica 2.7.5. Termocuplas no estndar 2.7.6. Diseo de las termocuplas 2.7.7. Ventajas y desventajas de las TMC


2.8. Mtodos sin contacto 2.8.1. Pirmetros de banda ancha 2.8.2. Pirmetros de banda angosta 2.8.3. Pirmetros de razn 2.8.4. Pirmetros pticos 2.8.5. Pirmetros de fibra ptica 2.8.6. Construccin de los pirmetros de radiacin 2.9. Conjunto sensor, vainas y dems accesorios 2.9.1. Termopozos 2.10. Termostatos 2.11. Montaje adecuado de un instrumento de temperatura 2.12. Recomendacin prctica API 551.


2.1 Introduccin

La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrn definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia. Por otra parte, si, positivamente, podremos definir los efectos que los cambios de temperatura producen sobre la materia, tales como los aumentos o disminucin de la velocidad de las molculas de ella, con consecuencia palpable, tales como el aumento o disminucin del volumen de esa porcin de materia o posibles cambios de estado. La temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en trminos de los efectos indirectos que tiene sobre las propiedades fsicas de los materiales o en los cambios producidos en circuitos elctricos (voltaje o resistencia). Cambios como estos, deben relacionarse con fenmenos reproducibles en laboratorio, tales como los puntos de ebullicin y congelacin del agua. Los puntos de calibracin en laboratorios son a menudo basados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio lquido - vapor de sustancias puras, como oxgeno, agua, sulfuro, plata y oro. 2.1.1 Escalas de temperatura Sobre un periodo de aos, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes se han usado en la medicin de esta variable. Las dos ms comnmente usadas, Fahrenheit y Centgrada, usan alcances (span) arbitrarios de 180F y 100C respectivamente para los puntos de ebullicin y congelacin del agua. Otras dos escalas (Rankine y Kelvin) que tienen como referencia el cero absoluto. El crdito de la invencin del termmetro se atribuye a Galileo en el ao 1592. Mejoras al diseo del termmetro de Galileo fueron introducidas por otros investigadores utilizando diversas escalas termomtricas, todas ellas basadas en dos o ms puntos fijos. No fue sino hasta el ao 1700, cuando Gabriel Fahrenheit produjo termmetros repetitivos y exactos. Fahrenheit utiliz una mezcla de agua y sal. Esta fue la temperatura ms baja que pudo reproducir, y la llam cero grados. Para la temperatura ms alta de su escala, utiliz la temperatura del cuerpo humano y la llam 96 grados. Esta escala de Fahrenheit gan popularidad principalmente por la calidad y repetibilidad de los termmetros construidos por l. Cerca de 1742 Anders Celsius propuso que el punto de fusin del hielo y el punto de ebullicin del agua fuesen utilizados como puntos iniciales y finales de la escala de temperatura, de esta manera el cero grado fue seleccionado como punto de fusin del hielo y 100 grados como punto de ebullicin del agua. Esta escala denominada Celsius, se le dio oficialmente el nombre en el ao 1948. Otras escalas de temperatura llamadas Kelvin y Rankine, introducen el concepto del cero absoluto y se utilizan como estndares en la termometra. La temperatura no tiene un lmite superior, por ejemplo la superficie del sol tiene una temperatura alrededor de 10 4 C, pero s un lmite inferior. Si tomamos un gas ideal (el cual se considera que sus partculas no tienen volumen y no interactan entre s) y lo enfriamos, se


puede contraer hasta tener un volumen cero a la temperatura de 273.15C. En este valor de la temperatura en la escala Celsius, la energa trmica del gas se suprime y es imposible reducir ms su energa trmica. Lo que trae como consecuencia que no pueda existir una temperatura menor a 273.15C. Esta temperatura recibe el nombre de cero absoluto. La escala de temperaturas que se basa en el cero absoluto se conoce como Kelvin, en esta escala el punto cero (0 K) es el cero absoluto, el punto de congelacin del agua (0C) es 273.15 K, y el punto de ebullicin del agua (100C) es 373.15 K. Esta escala debe su nombre al cientfico escocs Lord Kelvin, que realiz muchas contribuciones al estudio de la termodinmica. Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son: Temperaturas absolutas Temperaturas relativas Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las molculas de esa porcin de materia en estado esttico o con energa cintica nula. Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso comn. En Sistema Mtrico Decimal, las escalas relativas y absolutas son: Escala Celsius o de grados Centgrados (relativa) Escala Kelvin (absoluta) La equivalencia entre las dos escalas es: Grados Kelvin = Grados Centgrados + 273 En el Sistema de Medidas Inglesas, su equivalente ser: Escala Fahrenheit (Relativa) La Escala Rankine (Absoluta) La equivalencia entre estas dos escalas es: Grados Rankine = Grados Fahrenheit + 460 Por otra parte, las escalas Celsius y Fahrenheit estn referidas al mismo patrn, pero sus escalas son diferentes. El patrn de referencia usado para su definicin fueron los cambios de estado del agua. Estos puntos son:


CAMBIO DE ESTADO Slido lquido Lquido gas

CELSIUS 0 100

FARENHEIT 32 212

Como se puede deducir de la tabla anterior, por cada grado Celsius de cambio trmico tendremos 1,8 grados Fahrenheit de cambio equivalente. De todo esto, la equivalencia entre estas dos escalas ser: Grados Fahrenheit = Grados Celsius * 1,8 + 32 Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad con frecuencia incluye la medicin de temperaturas. Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea. El ingeniero de procesos y el instrumentista deben decidir cul de los sensores es mejor para una situacin en particular. 2.1.2 Dispositivos de medicin de temperatura Una clasificacin completa sera la siguiente: Elctricos Termocuplas Termorresistencias Termistores Resistores de carbono Diodos Detectores de ruido Johnson Transistores Cristales de cuarzo Sales paramagnticas Mecnicos Sistemas de dilatacin Termmetros de vidrio con lquidos Termmetros bimetlicos Radiacin trmica Pirmetros de radiacin Total ( banda ancha ) ptico Pasabanda Relacin Varios Indicadores de color


Lpices Pinturas Sondas neumticas Sensores ultrasnicos Indicadores piromtricos Termmetros acsticos Cristales lquidos Sensores fludicos. Indicadores de luminiscencia (Termografa )

2.1.3 Trasductores Son aquellos elementos de un circuito electrnico que efectan una transposicin de una variable fsica en una elctrica. Podemos diferenciar dos clases de traductores: 1) Los de entrada: (o sensores) que transforman una variable fsica dada, en una variable elctrica - por lo general la primera se encuentra en uno de los 5 campos de seales mas comunes - radiante, qumicas, magntica, trmica mecnica, mientras que la segunda queda restringida normalmente a variaciones de tensin y corriente, a veces en forma directa o indirectamente a travs de variacin de algn parmetro pasivo (Resistencia, capacidad, inductancia). 2) Los de Salida: (o actuadores) estos traducirn una variable elctrica a un variable fsica en alguno de los 5 campos mencionados. Trasductores de temperatura Los ms comunes son: termocupla, termorresistencia y elementos de estado slido. A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicacin dada, se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimientos de mantenimiento. Estos factores sern analizados a continuacin en relacin a aquellos dispositivos de uso ms comn en las industrias de proceso: termocuplas, termoresistencias, termistores, sistemas de dilatacin y pirmetros de radiacin u pticos. En la Tabla 1 se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estndar. Estos rangos no representan los extremos alcanzables, sino los lmites que pueden medirse con los dispositivos disponibles por lo general en el mercado y que son suministrados por la mayora de los fabricantes. Se pueden medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo. Tabla 1 - Rangos de temperatura correspondientes a los mtodos mas comunes de medicin. SISTEMA RANGO EN C


Termocuplas Sistemas de dilatacin (capilares o bimetlicos ) Termorresistencias Termistores Pirmetros de radiacin

-200 a 2800 -195 a 760 -250 a 850 -195 a 450 -40 a 4000

2.2 Termmetros de Vidrios Desde un punto de vista histrico, el primer dispositivo prctico para medir temperatura fue el termmetro de vidrio Las sustancias minerales se contraen o expanden una cierta cantidad por cada grado de cambio de temperatura. Este es el principio de la expansin trmica. Cuando se aplica calor a un termmetro de vidrio que contiene por ejemplo mercurio, ste se expande ms que el bulbo de vidrio que lo contiene. La diferencia en expansin, obliga al mercurio a subir por un tubo capilar en forma uniforme con respecto al cambio de temperatura, de modo tal que con calibrar el tubo con una determinada escala, se tendr una lectura directa de la temperatura. Este tipo de instrumento, es el ms conocido por nosotros; consta de un tubo de vidrio hueco, con un depsito lleno de un fluido muy sensible a los cambios de temperatura. Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cules, vendrn limitados, por los puntos de solidificacin y de ebullicin de los antes citados fluidos. Algunos de estos son: Mercurio: -35 a 280 C Mercurio (tubo de gas): -35 a 450 C Pentano: -200 a 20 C Alcohol: -110 a 50 C Tolueno: -70 a 100 C Estos son frgiles, requieren de una posicin especfica para funcionar, adems de tener un rango muy limitado de la variable.

2.3 Termmetros Bimetlicos: Todos los instrumentos de medicin de temperatura utilizan algn cambio en un material para indicar la temperatura. Algunos de los efectos que se utilizan para indicar la temperatura son los cambios en las caractersticas fsicas y variacin en las dimensiones fsicas. Una de las caractersticas fsicas ms importantes usadas en instrumentos de medida de temperatura es el cambio en la longitud de un material en la forma de expansin y contraccin.


Fig.: Dilatacin de una barra Considere la barra homognea uniforme ilustrada en la figura adjunta. Si la barra tiene una longitud dada (LO) a una cierta temperatura y es calentada, se expandir (Lf). La cantidad de expansin o dilatacin L es una funcin de la longitud original y del aumento de temperatura. La cantidad que un material cambia en longitud con la temperatura se llama coeficiente de expansin lineal (tambin: coeficiente de expansin trmica, coeficiente de dilatacin lineal, etc.).

Fig.: Efecto de una dilatacin diferente en una barra compuesta por dos metales superpuestos, de diferente coeficiente de dilatacin (bimetlico). El termmetro bimetlico, consta, como su nombre lo dice, de dos barras metlicas de diferentes metales unidas rgidamente, al ser estos materiales diferentes, tendrn necesariamente, que tener diferentes coeficientes de dilatacin lineal. Al igual que el termmetro de vidrio, utilizan el fenmeno de cambios volumtricos, para su funcionamiento Si dos materiales con diferentes coeficientes de dilatacin lineales se colocan juntos, a medida que se producen cambios de temperatura, sus ndices de expansin sern diferentes. Esto har que el conjunto se doble en un arco como se muestra en la figura adjunta. Mediante este mtodo, funcionan la gran mayora de los termostatos (interruptores de temperatura) y algunos termmetros indicadores locales.


La figura adjunta muestra un termmetro bimetlico. En ella, una tira bimetlica se bobina en forma de hlice larga. Un extremo de la hlice se mantiene rgido. Mientras que la temperatura vara, la hlice intenta enrollarse o desenrollarse. Esto hace al extremo libre girar. El extremo libre est conectado con una aguja indicadora. La aguja indica realmente la rotacin angular de la hlice; sin embargo, puesto que la rotacin es lineal y es funcin de la temperatura, la escala se marca en unidades de temperatura.

Termmetros Bimetlicos

2.4 Termmetro de bulbo Los Termmetros de Bulbo de uso industrial estn diseados para proveer una indicacin o registro de la temperatura a distancia del punto de medicin. El sistema generalmente est formado por un elemento sensitivo a la temperatura (Bulbo); un elemento sensitivo a los cambios de presin o volumen (Bourdon, Fuelle, Diafragma); un medio para conectar estos elementos (tubo capilar); y un mecanismo para indicar, registrar o transmitir la seal relacionada con la temperatura. La figura 1 muestra un termmetro de bulbo con un sistema para indicacin local.


Figura 1. Elementos de un termmetro de bulbo

Hay dos tipos de sistemas de bulbo. En uno de ellos el sistema sensor de temperatura contiene un fluido incompresible bajo presin que llena completamente el sistema. Las variaciones de temperatura producen en el sensor una variacin del volumen de fluido, lo que se traduce en la deformacin y movimiento del extremo libre del elemento de desplazamiento. El otro tipo de sistema es el sistema de bulbo por variacin de presin, del cual hay dos versiones. En una de las versiones, todo el sistema est lleno con un gas bajo presin; en la otra, el sensor se encuentra parcialmente lleno con un fluido voltil bajo presin, mientras el resto del sistema contiene vapor de este fluido voltil. En el primer tipo de sistema las variaciones de volumen estn acompaadas por variaciones secundarias de presin: en los sistemas de gas o vapor las variaciones de presin estn acompaadas por variaciones secundarias de volumen. Sin embargo estos efectos secundarios son insignificantes. Los efectos de las variaciones de temperatura ambiente sobre la medicin de temperatura dependen de varios factores, incluyendo el tipo de sistema, su alcance de temperatura, el largo del tubo capilar y su material de construccin, el fluido de llenado y su presin, el material utilizado para el elemento de desplazamiento, el tamao del sensor y los requerimientos de proteccin de sobre rango. En los sistemas de lquido y gas, tanto el elemento de desplazamiento como el capilar pueden compensarse para estos efectos (plena compensacin), o tan slo se puede compensar el elemento de desplazamiento (compensacin parcial) (fig. 2). Puesto que los sistemas de vapor no se ven afectados por las variaciones de temperatura ambiente, no necesitan compensacin. El efecto total de la temperatura ambiente sobre un sistema de lquido con plena compensacin suele ser inferior a 1% del alcance en el rango de 0 a 50 C en un instrumento cuando la medicin se encuentra cerca del punto medio. Para un sistema de vapor (que no tiene compensacin alguna), el error es inferior a 0.7% del alcance bajo iguales condiciones.


Este error puede calcularse con mayor aproximacin utilizando la siguiente expresin:

donde: f: Error debido a la variacin de temperatura ambiente. Vm: Volumen del sistema de medicin. Vk: Volumen del capilar = q * l (q es la seccin interna y 1 es el largo del capilar) Vf: Volumen del bulbo contenedor en el extremo del capilar. t: Variacin de temperatura ambiente respecto del valor de calibracin. SAMA ha clasificado los sistemas de bulbo segn la Tabla l. Las cuatro clases se basan sobre qu tipo de fluido de llenado es utilizado en el sistema: lquido, vapor, gas o mercurio. Los sistemas de lquido, gas y mercurio, a su vez, se dividen de acuerdo a si estn plenamente compensados (Sufix A) o slo parcialmente compensados (Sufix B). Los sistemas de vapor estn clasificados segn 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 caractersticas de las cuatro clasificacio nes correspondientes a sistemas de bulbo. Cada una de ellas ser luego analizada por separado. La tolerancia de los sistemas de bulbo 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 varan excesivamente, la tolerancia puede llegar a valores de 2% a 3% del alcance de temperatura.


La respuesta de un sistema de bulbo depende del tamao del bulbo sensor, el largo del capilar y el fluido de llenado. En un sistema estndar, para una variacin de temperatura escaln la respuesta del 90% (tiempo para alcanzar el 90% de la variacin escaln) es de 5 a 25 segundos. Se requiere una proteccin de sobre rango en aquellos casos donde el sistema lleno pueda encontrarse sometido a temperaturas ms all del mximo o mnimo de su alcance. Esta proteccin se efecta usando slo una porcin del movimiento total disponible del elemento de desplazamiento. El resto de desplazamiento disponible antes de la deformacin representa la proteccin de sobre rango. Adems, se agregan topes mecnicos para proteger contra eventuales daos el sistema y la pluma o aguja del indicador/registrador. Tabla1. Clasificacin SAMA de sistemas trmicos llenos.

Clasificacin Prefijo I I I II II II II II III III III V V V A B A B A B C D A B Sufijo Descripcin Sistemas llenos de lquido por variacin de volumen (no incluye mercurio) Con plena compensacin Con compensacin parcial Sistemas llenos de vapor por variacin de presin Diseados para funcionar a temperaturas por encima de la ambiente Diseados para funcionar. a temperaturas por debajo de la ambiente Diseados para funcionar a temperaturas por encima y por debajo cruzando de la ambiente Diseados para funcionar a temperaturas por encima, por debajo y a la temperatura ambiente. Sistemas llenos de gas por variacin de presin Con plena compensacin Con compensacin parcial Sistemas llenos de mercurio por, variacin de volumen Con plena compensacin Con compensacin parcial

Los sistemas Clase I y V normalmente tienen ms del 100% del alcance como proteccin. Cuando el volumen del capilar se aproxima al volumen del sensor, la proteccin se reduce. Los sistemas Clase III tienen la mayor capacidad de proteccin de sobre rango mientras los de Clase II la menor.

2.4.1 Sistemas de lquido


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 260C) Kerosn (-50 a 315C) Etilbenceno (- 85 a 175C) Alcohol etlico (- 130 a - 50C) Tolueno (100 a + 315C)

Un sistema Clase I A 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 I B parcialmente compensado (fig. 2b) utiliza un elemento de compensacin bimetlico y omite el segundo capilar. El largo mximo del tubo capilar para sistemas Clase I A totalmente compensados depende de las variaciones de temperatura ambiente del capilar y el instrumento, como largo mximo normalmente se puede sealar 30 m. A medida que aumenta el largo del capilar, su instalacin se vuelve mas difcil, su respuesta se hace ms lenta y su capacidad de proteccin de sobre rango disminuye. El largo mximo de capilar que resulta prctico para sistemas Clase I B 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 medicin, puesto que la compensacin que brinda es slo para variaciones en la temperatura del elemento de desplazamiento.Figura 2 a). Construccin simple sin compensacin. 1. Sistema de desplazamiento -2. Capilar -3. Bulbo sensor 4. Indicador b). Con sistema de compensacin parcial (nicamente sobre el sistema de desplazamiento). c). Con sistema de compensacin total (sobre el sistema de desplazamiento y sobre el capilar). 1,1. Sistema de desplazamiento - 1.2 Sistema de desplazamiento para compensacin 2,1. Capilar - 2,2. Capilar para compensacin - 3. Bulbo sensor - 4.Indicador

Figura 2. Termmetro a sistema lleno con distintos compensaciones de temperatura ambiente.


Los sistemas Clase I tienen un tamao tpico de sensor de 6 a 10 mm de dimetro por 50 a 80 mm de largo para todas las longitudes de capilar, en base a un alcance de temperatura de 100C. Este es el menor tamao de cualquier sensor para alcances de temperatura similares. Para alcances de ms de 100C el sensor tendra que tener un dimetro menor. Resumen Escalas lineales. Bulbos sensores de pequeo tamao. Por las caractersticas de expansin de los fluidos utilizados, encuentran aplicacin para pequeos alcances y bajas temperaturas.

Tabla 2. Caractersticas de los sistemas trmicos llenos Clase SAMA .Fluido Principio de funcionamiento Rango de temperaturas Exactitud, % del alcance Alcances de temperatura ms cortos y ms largos Respuesta: 1= la ms rpida 7= la ms lenta Capacidad de sobrerrango Linealidad de escala mxima Longitud de capilar estndar, en m Tamao tpico de sensor para un alcance de 110C, D. E. x longitud, en mm Costo

ILquido Variacin de volumen

IIVapor Variacin de presin

IIIGas Variacin de presin

VMercurio Variacin de presin

-30 a 315C 0,5% 215C 0,75 215C 25C 330C

-45 a 315C 0,5 en los 2/3 del alcance superiores 40C 215C

-195 a 315C 0,5% 330C 0,75% 330C 65C 550C

-35 a 650C 0,5 500C 0,75 500C 30C 665C

7

IIA=1 IIB=3 IIC=4 IID=5 La menor

2

6

Media

La mayor

Media

Lineal

Alineal

Lineal

Lineal

IA =30 IB =6 El menor 10 x 50

45

30

VA:30 VB:15 Entre Clase II y Clase III 10 x 100

Entre Clase I y Clase V 10 x 50

El mayor 15 x 200

El mayor

El menor

Medio

Entre Clase I y Clase III

Esta tabla ha de servir tan slo como gua para los valores tpicos de estas caractersticas .Los valores que se indican no son los extremos obtenibles , sino que se refiere al desempeo que se espera de los sensores disponibles comercialmente sin calibracin o procedimientos especiales de fabricacin. Puede haber variaciones entre los distintos fabricantes.


2.4.1.1 Interruptores de temperatura (Termostatos)

La figura adjunta muestra un interruptor de temperatura y dos tipos de sensores de deteccin. Los interruptores de temperatura o termostatos estn destinados a funcionar donde ocurren cambios de temperatura en un recinto, o en el aire que rodea el elemento de deteccin de temperatura. La operacin del interruptor de la temperatura es similar a la operacin del interruptor de presin o presstato; ambos interruptores son accionados por los cambios en la presin. Se disea el elemento de temperatura de manera que un cambio en la temperatura produce un cambio en la presin interna de un sistema trmico lleno (bulbo lleno de gas o aire, o hlice llena), que est conectado al dispositivo actuador por un pequeo tubo o caera. Un cambio de temperatura causa un cambio en el volumen de gas del bulbo, que causa un movimiento del fuelle. El movimiento es transmitido por un mbolo al brazo del interruptor. Un contacto mvil est en el brazo. Un contacto fijo puede ser colocado de manera que el interruptor se abrir o se cerrar con una elevacin 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 accin inversa se puede obtener por un cambio en las posiciones del contacto.

2.4.2. Sistemas de vapor Los sistemas de vapor Clase II se muestran en las figura 3.


Figura 3. Termmetro a sistema lleno de vapor.a). Construccin normal. b). Construccin con membrana. F Sistema de desplazamiento K Capilar V Membrana T Bulbo sensor - Fl fluido- D Vapor- Z Indicador

Los fluidos disponibles para uso y los rangos de temperatura sobre los cuales son aplicables, son los siguientes: Agua (100 a 230C) Tolueno (115 a 315C) Acetona (65 a 200C) ter dietlico (40 a 185C) Butano (-5 a l50C) Cloruro metlico (- 10 a 120C) Propano (-40 a 70C) Alcohol etlico (80 a 230C) Dimetilbenceno (130 a 380C)

La longitud mxima del capilar de los sistemas Clase II es de aproximadamente 45 m a causa de las respuestas ms lentas con capilares ms largos, a las dificultades de instalacin y a las limitaciones de tamao del sensor. El tamao del sensor es independiente del alcance de temperatura y vara desde 10 mm x 50 mm para un sistema Clase IIS con capilar de 7,5 m hasta 22 mm x 150 mm para un sistema Clase IIC con capilar de 45 m. En los sistemas Clase IIA y IIC, el incremento de la longitud del capilar requerir un mayor sensor: ste debe ser lo suficientemente grande para que el lquido que contiene no se vaporice completamente o lo llene completamente bajo todas las condiciones de temperatura. En los sistemas Clase II B el tamao del sensor es constante para cualquier longitud de capilar.


Los sistemas de vapor Clase II son los nicos sistemas llenos en los cuales el desplazamiento de salida es no lineal con las variaciones de temperatura. Esto resulta en una escala que tiene graduaciones ms comprimidas en el comienzo y ms abiertas en el final. En el tercio superior del alcance, la escala no lineal ofrece una mejor resolucin. Por lo general una tolerancia en estos sistemas de 0,5% a 0.75% es aplicable slo sobre los dos tercios superiores de la escala de temperatura. Resumen Escalas no lineales que brindan ventajas en la resolucin. Constantes de tiempo de respuesta (t90) muy chicas, lo que permite una indicacin veloz. Muy difundidos por su bajo costo.

2.4.3. Sistemas de gas Los sistemas llenos de gas Clase II pueden usar helio desde -195 a -130C, nitrgeno desde -130 a 470C o argn desde 470 a 760C. Los sistemas Clase III estn diseados con una relacin elevada volumen de sensor/volumen de capilar. Esto minimiza los efectos de la temperatura ambiente y esencialmente elimina la necesidad de una compensacin total. An cuando puedan fabricarse sistemas totalmente compensados (Clase III A), stos, por lo general no son disponibles comercialmente ya que en estos casos los sistemas Clase III B pueden dar resultados satisfactorios. Para la compensacin de temperatura ambiente, los sistemas Clase III B compensados parcialmente pueden recurrir a un elemento de compensacin bimetlica o bien a un segundo elemento de desplazamiento. Para estos sistemas igual a lo que ocurre con los sistemas Clase II; el tamao del sensor es independiente del alcance de temperatura, y requieren los mayores sensores de todas las cuatro clasificaciones. Por ejemplo un sistema lleno Clase III B con capilar de 30 m tendra un sensor de 22 mm x 250 mm. El largo del tubo capilar en los sistemas Clase III suele ser inferior a 30 m. puesto que un tubo ms largo requerira un mayor sensor para disminuir los errores provocados por las variaciones de temperatura ambiente en el capilar y los sensores en estos sistemas ya de por si son bastante grandes. Resumen Escalas lineales. Pueden fabricarse con una variedad de rangos muy grandes por la amplia franja de temperaturas de utilizacin de los gases empleados.


Figura 4. Curvas de presin de vapor para diversos fluidos utilizados en termmetros a sistema lleno de vapor. a. Propano -b. Cloruro de etilo -c. ter etlico -d. Alcohol etlico e Agua -f. Xlol (dimetilbenceno)

2.4.4. Sistemas de mercurio El sistema lleno de mercurio Clase V es vlido para temperaturas desde - 35 a 650 C. Los sistemas Clase V pueden emplear el mismo tipo de compensacin que los sistemas Clase I. Como alternativa puede utilizarse un elemento bimetlico en lugar del segundo elemento de desplazamiento insertando un alambre Invar dentro del capilar. La variacin de volumen del alambre y el mercurio se compensan entre si. En un sistema Clase V B parcialmente compensado no hay ningn alambre Invar dentro del capilar. Los sistemas Clase V A totalmente compensados suelen tener una longitud mxima de capilar de 30 m pero, igual a lo que ocurre con los sistemas I A, esto depender de las variaciones de temperatura ambiente del instrumento y del tubo capilar. Los sistemas Clase V B que son slo parcialmente compensados, pueden tener hasta 15 m puesto que la expansin del mercurio con la temperatura es menor que la expansin de los fluidos utilizados en los sistemas Clase I, II y III. El tamao del sensor para estos sistemas correspondiente a un alcance de temperatura de 30C es de 12 mm x 100 mm. Para mayores alcances, el sensor seria menor. Resumen Escalas lineales. Muy buena estabilidad con el tiempo. Buena resultante motriz para accionar no slo la aguja indicadora sino tambin contactos para alarmas o control.

2.4.5 Seleccin de un sistema de bulbo


El sistema de vapor Clase II es el ms simple, el menos costoso y el ms difundido de todos los sistemas llenos disponibles y, por lo tanto, ser el primero que se considera al seleccionar sistemas llenos para una aplicacin en particular. Este sistema tambin tiene la mejor exactitud sobre temperaturas ambientes variables, y su escala no lineal ofrece una mejor resolucin en el tercio superior del alcance de temperatura. Si un sistema Clase II no resulta satisfactorio para una aplicacin en particular, la aplicacin siguiente eleccin sera un sistema clase I B I A. Estos tienen los sensores ms pequeos y pueden tener los alcances de temperatura ms angostos. Adems, se los recomienda en especial para mediciones cercanas a la temperatura ambiente. El sistema Clase I A, que est totalmente compensado para variaciones de temperatura ambiente, es tan exacto como los sistemas Clase II, y ofrecen una mayor proteccin de sobre rango que otros sistemas, sin embargo el costo de un sistema Clase I A es mucho ms alto que el de un sistema Clase II A. El sistema Clase I B est limitado por su corto capilar (mximo 6 m) y la temperatura ambiente debe ser la misma tanto para el elemento de desplazamiento como para el capilar. Los sistemas Clase III tienen a su favor los amplios rangos de temperatura pero presentan la desventaja de tener sensores relativamente grandes. El sistema Clase V es de poco uso hoy da a raz de las restricciones ambientales relacionadas con el mercurio y a la posibilidad de disponer de otros dispositivos de medicin para las mismas aplicaciones.


Tabla 3 Caractersticas principales de los termmetros de bulbo

2.5 Termmetro de resistencia 2.5.1 Introduccin La termorresistencia trabaja segn el principio de que en la medida que vara la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificacin puede relacionarse con la variacin de temperatura. Las termorresistencias de uso ms comn se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metlico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. La relacin fundamental para el funcionamiento ser as: Rt = Ro * (1 + Alpha * t) donde: Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius Alpha: coeficiente de temperatura de la resistencia.


Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, nquel, nquel-hierro, cobre y tungsteno. Como se puede observar, se esta suponiendo de antemano, que el material que ser usado debe tener un comportamiento lineal, dentro del rango de trabajo asignado. De no ser as, la funcin debera tener ms trminos. El mtodo de medicin de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia. Este proceso, en la actualidad, ya esta automatizado, gracias a los sistemas de control avanzados y la electrnica digital. El platino encuentra aplicacin dentro de un amplio rango de temperaturas y es el material ms estable y exacto. En efecto, la relacin resistencia temperatura correspondiente al alambre de platino es tan reproducible que la termorresistencia de platino se utiliza como estndar internacional de temperatura desde - 260 C hasta 630 C. Desde el 1871, ao en que William Siemens utiliz por primera vez una termorresistencia, hasta hoy da han sido desarrolladas numerosas calibraciones resistencia - temperatura correspondientes al platino, y varias de ellas se han transformado en estndares nacionales en distintos pases: RC21-4-1966 de SAMA (Scientfic Apparatus Makers Association) en los EE.UU; DIN 43760 - 1968 (Deutsches Institut fr Normung e.V.) en Alemania, etc. Esta proliferacin de distintos estndares nacionales comenz a crear problemas a medida que se iba incrementando el comercio a escala mundial y luego de varios aos de anlisis, se ha aceptado internacionalmente la curva DIN alemana bajo la estandarizacin de IEC identificada como IEC 751. Adems del hecho de que la termorresistencia de platino est siendo utilizada como estndar internacional, el alambre de platino es el material elegido con ms frecuencia para las termorresistencias de uso industrial. Las termorresistencias de platino pueden medir el rango ms amplio de temperaturas, son las mas exactas y estables por no ser fcilmente contaminadas por el medio en que se encuentran, y su relacin resistencia -temperatura es ms lineal que la de cualquier otro material con la excepcin del cobre. Este tipo de sensores tiene una ventaja fundamental; son sumamente precisos y producen medidas altamente reproducibles. Su construccin permite disponer de ellos como elementos simples, dobles y, en casos muy especiales, hasta triples. METAL Platino Nquel Cobre RANGO DE OPERACIN Celsius -200 a 950 -150 a 300 -200 a 120 PRECISIN (grados ) 0.01 0.50 0.10

En su forma general el sensor viene introducido dentro de un tubo protector metlico de acero inoxidable y, segn el caso, puede disponer de camisas protectoras y termopozos construidos de aceros especiales o aleaciones como el Inconel, Incoloy y Hastelloy.


Las termorresistencias de platino tienen normalmente un valor de 100 Ohms a 0C con un intervalo de 38,5 Ohms. Su construccin puede hacerse con 2, 3 o 4 cables, segn la necesidad del proceso. 2.5.1.1 Termorresistencias disponibles comercialmente. La termorresistencia Industrial de alambre de platino ms ampliamente utilizada se la calibra con una resistencia de 100 ohms a 0 C. Las termorresistencias de platino estndar fabricadas comercialmente resultan adecuadas para mediciones en el rango de 250 C a 850 C. Las tolerancias de fabricacin segn IEC 751 pueden verse en la Tabla 10 y figura 12; en forma aproximada, estas tolerancias pueden estimarse, para la Clase B entre 0,8 % y 0,5 %, siendo menores a temperaturas ms elevadas. En este punto es conveniente detenerse para mencionar el frecuente uso que hacen algunos fabricantes de calibrar las termorresistencias segn curvas de respuesta distintas a las normalizadas, lo que los convierte en seguros proveedores de los reemplazos. Es por este motivo que debe tratarse de adecuar las instalaciones dentro de la normalizacin, ya que, justamente una de las grandes virtudes de las termorresistencias es su intercambiabilidad sin practicar una nueva calibracin en el sistema de medicin. Las termorresistencias de nquel no estn en condiciones de medir temperaturas tan elevadas como lo hacen los sensores de platino. Los limites de alcance para las termorresistencias de nquel estn aproximadamente en - 60 C y 180 C. Con exactitudes menores que las de platino (Tabla 11). Normalmente se calibran a 100 ohms en 0 C pudiendo existir otras calibraciones especiales. La principal ventaja del nquel, adems de posibilitar termorresistencias ms econmicas, es su capacidad de ser linealizado (suministrando una salida que es lineal con la temperatura) con bastante facilidad utilizando un circuito puente. Esta ventaja sin embargo, ya no es tan importante hoy en da cuando la introduccin de componentes semiconductores de bajo costo ha hecho posible la linealizacin de los sensores de platino a un costo comparable al de los sensores de nquel. Las termorresistencias de cobre presentan la ms lineal relacin resistencia - temperatura entre todas las termorresistencias pero tambin tienen las desventajas de un rango estrecho de temperatura entre 200 C y 150 C y una baja resistividad. La baja resistividad implica la necesidad de usar alambres finos de poco dimetro. La demanda de termorresistencias de nquel y cobre en las industrias de proceso se halla limitada bsicamente al reemplazo de unidades existentes puesto que la gran mayora de las nuevas instalaciones de termorresistencias se hacen con sensores de platino de 100 ohms a 0C. Las termorresistencias de tungsteno no han encontrado una utilizacin amplia puesto que el tungsteno ha probado ser menos estable que otros materiales. Sin embargo, su mayor resistencia


mecnica permite emplear alambres extremadamente finos, logrndose de esta manera termorresistencias de elevada resistencia elctrica. Para una termorresistencia de platino de 100 ohms a 0C, la variacin de resistencia promedio para una variacin de temperatura de 100C es de 0,385 ohm; un circuito de medicin con una fuente de corriente de 1 mA registrara 38,5 mV para cada 100C de variacin de temperatura. Este valor de tensin es diez veces mayor que la salida de una termocupla Tipo K, y esto explica por qu los alambres de conexin de termorresistencias resultan menos susceptibles de sufrir interferencias provenientes de la cercana de equipos elctricos y lneas de potencia. Sin embargo una buena instalacin requiere cables de conexin blindados tanto para termocuplas como para termorresistencias. La interconexin entre termorresistencias e instrumentos se realiza con cable comn de cobre. En cambio, en el caso de las termocuplas deben emplearse cables especiales de compensacin, de costo superior. La magnitud de la corriente de medicin de una termorresistencia es crtica. Si es muy alta, se produce el autocalentamiento, que aparecer como un error de medicin. En la Tabla 12 se indican los valores de las corrientes de medicin que pueden circular en distintos tipos de termorresistencias Pt100 con un autocalentamiento mximo de 0,1 C.

Tabla 11 - Valores bsicos de termorresistencias con arrollamiento de nquel desde -60C hasta 180C (cada 10C).


Tabla 10 - Tolerancias de termorresistencias Pt100 segn norma IEC751.

Fig. 12 - Tolerancias de termorresistencias Pt100 segn norma IEC751 2.5.2 Construccin de termorresistencias. El aspecto exterior de las termorresistencias industriales es prcticamente idntico al de las termocuplas. Se aplican las mismas consideraciones ambientales y de instalacin y se debe prestar la misma cantidad de atencin a los conceptos de presin, temperatura, ataque qumico, abrasin, vibracin, porosidad y velocidad de fluido, requirindose los mismos tipos de vainas de proteccin (fig. 13).


Existen tres tipos de termoresistencias, de acuerdo a su construccin y cableado: de dos hilos de tres hilos de cuatro hilos

Fig. 14 - Sistemas de conexin de termorresistencias a) Bifilar , b) Trifilar , c) Cuatrifilar . La configuracin A se usa en un circuito bsico bifilar, con una conexin a cada extremo de la termorresistencia. En este diseo la resistencia de los dos cables de conexin, como as tambin las variaciones de resistencia con la temperatura ambiente, sern incluidas en la medicin de la resistencia de la termorresistencia. Este tipo de circuito puede utilizarse cuando los alambres de conexin son tan cortos que su resistencia es despreciable, por ejemplo en el caso de conjuntos transmisor-termorresistencia integrales que contienen tanto la termorresistencia como el circuito de medicin. La configuracin B es el circuito trifilar estndar. Los conductores que conectan la termorresistencia al circuito de medicin tienen resistencias cuyos efectos tienden a cancelarse si dichos alambres tienen la misma longitud, se hallan sujetos a la misma temperatura y el sistema puente de Wheatstone que utiliza a la entrada el instrumento de medicin se encuentra casi balanceado. La configuracin C consiste de cuatro cables de conexin y brinda mejor exactitud que las configuraciones A y B. Si los cuatro cables de conexin son de idntica seccin, longitud y material y se hallan sujetos a la misma temperatura ambiente, y si los dos pares de alambres se encuentran en partes opuestas del circuito puente, las resistencias de los alambres no tendrn efecto alguno en la medicin de la resistencia de la termorresistencia. El costo adicional del diseo de cuatro conductores normalmente se justifica en instalaciones con distancias superiores a los 20 metros. Los circuitos trifilares brindan suficiente exactitud para la mayora de las mediciones industriales hasta 20 metros, adems de que pueden emplearse conductores de seccin menor o de mayor longitud que en el caso de la conexin bifilar. Por ejemplo, para conductores de 0,75 mm2 de seccin, se puede alcanzar un largo de conductores de


10 km. muy superior en comparacin al mximo de 430 metros aceptables para el sistema bifilar, lmite dado por una resistencia de 10 ohms. En el caso le la conexin bifilar la limitacin es la resistencia R, que se utiliza para compensar la j resistencia propia de los conductores; normalmente se utiliza Rj = 10 ohms y se calibra el sistema de medicin para Rj (resistencia de la Pt100 + Rj (10 ohms). En el caso de tres hilos, las resistencias Rj se utilizan para igualar las resistencias de esos conductores. Como ya se haba mencionado, la evaluacin, del valor de la resistencia Rt, se hace en un puente de Wheastone, entonces es aqu, donde se hace importante la diferencia entre ambos tipos de termoresistencias. Para las primeras, de dos hilos o bifilar, ser necesario estimar la longitud del conductor del puente a la resistencia en el punto de toma del proceso, para poder calcular el valor de la resistencia. Para las de tres hilos o trifilar, si adems, ajustamos el puente de tal forma que R1/R2=1, y como la longitud por lado de conductor se hace igual, podremos ajustar el valor de la resistencia R3 para equilibrio, y ese ser directamente el valor de la resistencia x. Dado que en equilibrio la ecuacin del puente ser: R1 / (R3 + K * a) = R2 / (x + K * b) Segn esquemtico de conexin, que se muestra debajo.

2.5.2.1 Circuito RTD dos hilos o bifilar La RTD simple reemplaza uno de los elementos del puente y causa un desbalance y as como tambin cambios de resistencia. La salida se lee directamente o es usada para manejar otro circuito en el transmisor. Si la RTD esta localizada a una distancia desde el transmisor y puente entonces esta conduce por los dos hilos cuando un material ms econmico es usado para conectar la RTD al puente. Una de las limitaciones de la RTD de dos hilos es que los hilos conductores aadidos a la resistencia del circuito pueden causar errores de lectura.


Fig. Circuito RTD dos hilos o bifilar 2.5.2.2 Circuito RTD tres hilos o trifilar Para ayudar a eliminar el error introducido por los hilos conectores se usa comnmente una RTD de tres hilos con este propsito los efectos de la resistencia de cada uno de los hilos conductores ( A y B ) son eliminados por el puente debido a que cada uno es la conexin opuesta del puente. El tercer hilo ( C ) es un conductor de equilibrio. Los tres hilos unidos no eliminan todos los efectos de los hilos conductores, pero debido a que los sensores estn localizados justamente cercanos a los transmisores, los efectos de los hilos conductores son pequeos y la aproximacin provee una exactitud razonable.

Fig. Circuito RTD tres hilos o trifilar 2.5.2.3 Circuito RTD cuatro hilos o cuatrifilar La va ms efectiva para eliminar los efectos de los hilos conductores es con cualquiera de las versiones de cuatro hilos. Es una aproximacin que no requiere puente como se indica en la figura siguiente, en este mtodo una corriente constante es conectada a dos de los hilos de la RTD, la cada de voltaje en la RTD es medida en los otros dos conductores, la cada de voltaje es independiente de los efectos de los hilos conductores.

Fig. Circuito RTD cuatro hilos o cuatrifilar


2.5.3 Construccin de un sensor a termorresistenciaa) Sonda intercambiable. a. Bornes - b. Zcalo cermico - c. Base de sujecin - d. Conductores e. Vaina metlica - f. Aisladores cermicos - g. Unin de elementos y conductores - h. Termorresistor - l. Largo de insercin

b). Corte de una construccin con vaina y rosca a proceso con cabezal de conexiones y sonda colocada segn DIN 16110 a. Cabezal - b. Cuello - c. Rosca a proceso - d. Aislador cermico - e. Vaina metlica - f. Termorresistencia - g. Largo del elemento sensor - h. Largo de vaina - i. Largo de cuello

Fig. 14.

Muchos de los sistemas de termorresistencias de platino utilizan sensores que van construidos en forma de espiral y recubiertos o encerrados en un cuerpo aislante de cermica o vidrio, el cual posee una relacin de expansin vs. Temperatura muy similar a la del platino dentro del rango de trabajo (Figura 15)


Fig. 15 Las termorresistencias de platino se pueden fabricar con una gran variedad de tubos de proteccin y con los terminales adecuados para la conexin con el resto del circuito as como con diferentes tipos de termopozos para lograr una proteccin total del elemento sensible (Figura 16)

Fig. 16 2.5.3.1 Termorresistencias de uso general Esta disposicin se puede usar con o sin termopozos en una infinidad de procesos que incluyen tanques, hornos, estufas, tuberas, ductos, sistemas de incubacin, fermentacin, refrigeracin. Los tubos protectores se hacen del largo, dimetro y material requerido por el cliente; este tipo de sensores posee adems opciones de respuesta rpida o con camisa para medicin de gases secos.

2.5.3.2 Termorresistencias con elementos de inmersin variable


Este tipo de construccin posee un conector ajustable que permite variar el largo de inmersin del elemento. 2.5.3.3 Termorresistencias tipo SPRING LOADED

Dispositivo que permite que el elemento y el termopozo estn en contacto firme durante su operacin. Esto permite controlar la variacin o golpeteo dentro del termopozo, aumenta la velocidad de respuesta y facilita enormemente la instalacin del sensor. 2.5.4 Otros sensores a resistencia. A nivel comercial, hay varios tipos ms de sensores de resistencia adems de las termorresistencias de alambre de platino, nquel o cobre. Semiconductores de germanio, y silicio, resistores de carbono y los novedosos Pt100 y Pt5OO en pelcula fina (los Pt500 siguen la curva de Pt100 pero con valores de resistencia cinco veces mayores). Sin embargo, a los semiconductores y resistores de carbono normalmente no se los encuentra en el control y medicin de temperaturas de procesos industriales debido a sus rangos limitados y/o limitaciones de amplitud de alcance, alinealidades, caractersticas de deriva e inexactitudes. No ocurre lo mismo con las Pt100 de pelcula fina o metal depositado que cada vez se utilizan ms. En lo que hace a los resistores de semiconductores o carbono, puesto que lo que se mide son variaciones de resistencia que indican variaciones de temperatura, se los clasifica como sensores de resistencia. Se los utiliza para medir baja temperaturas (cerca del cero absoluto) zona que est ms all de las posibilidades de la termorresistencia de platino. Sin embargo, puesto que su relacin resistencia-temperatura es compleja, requieren calibracin en muchos puntos. Los sensores del tipo de pelcula fina (thin film) se utilizan cada vez ms y se estn constituyendo en uno de los avances ms significativos de la construccin de sensores a termorresistencia. Un sensor tal consiste de una pelcula metlica (como ser platino) depositada sobre un material aislante con un sobrerrevestimiento que protege la pelcula del medio ambiente. Previamente se calibra en forma automtica a travs de un lser que traza un circuito sobre el material aislante y lo calibra al mismo tiempo. Luego por medio de un sistema computarizado, selecciona los sensores separndolos en distintas clases segn tolerancias. El sensor que resulta de todo este proceso posee las propiedades elctricas del metal original y sus caractersticas resistencia -temperatura son similares a las de los sensores del tipo alambre. Puesto que el sensor de pelcula fina es de pequeo tamao, responde rpidamente a las variaciones de temperatura y tiene un precio en comparacin con las termorresistencias tradicionales, un 50% ms econmico.


2.5.5 Ventajas y Desventajas de la RTD Ventajas RTD Alta Precisin Mejor Linealidad Mejor Estabilidad No requiere compensacin por junta fra Los hilos no requieren especial extensin Desventajas RTD l limite de temperatura mxima es l mas bajo El tiempo de respuesta sin el termopozo es bajo (El tiempo de respuesta es esencialmente equivalente cuando cualquier tipo de sensor es montado sin la vaina)

2.6 Termistores Compuesto de una mezcla sintetizada de xidos metlicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor trmico" con un coeficiente trmico de temperatura negativo de valor muy elevado. Los termistores tambin se pueden encontrar en el mercado con la denominaci6n NTC (Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient). En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente puede disminuir en hasta 6% por cada 1C de aumento de temperatura. Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizndoselo ampliamente para aplicaciones de control y compensacin en el rango de 150C a 450C. El termistor se fabrica a partir de xidos metlicos comprimidos y sintetizados. Los metales utilizados son nquel, cobalto, manganeso, hierro, cobre, magnesio y titanio, como tpicas se pueden considerar las preparaciones de xido de manganeso con cobre y xido de nquel con cobre. Modificando las proporciones de xido se puede variar la resistencia bsica de un termistor. Se dispone de termistores con resistencias bsicas a 25 C desde unos pocos cientos hasta varios millones de ohms. Los termistores sirven para la medicin o deteccin de temperatura tanto en gases, como en lquidos o slidos. A causa de su muy pequeo tamao, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser especficamente diseados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.


Se los puede adosar fcilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o cementados. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plstico, bronce u otros materiales. Las configuraciones constructivas del termistor de uso ms comn son los glbulos, las sondas y los discos. Los glbulos se fabrican formando pequeos elipsoides de material de termistor sobre dos alambres finos separados unos 0,25 mm (fig. l). Normalmente recubiertos con vidrio por razones de proteccin, son extremadamente pequeos (0,15 mm a 1,3 mm de dimetro) y ofrecen una respuesta extremadamente rpida a variaciones de temperatura.a) Tipo glbulo con diferentes tipos de terminales b) Tipo disco c) Tipo barra.

Figura 1. Formas constructivas de termistores NTCSensor -178CTermistor en circuito puente Termorresistencia de Pt en circuito puente Termocuplas: Cobre/Constantn Hierro/Constantn Chromel/Alumel Pt/Pt - 10% Rh 4680 18 36 48 38 6

mV/C 10C72000 36 40 50 40 6

37,8C3870 54 44 52 42 6

Tabla 1. Sensibilidades relativas de termistores, termorresistencias y termocuplas.

Las sondas son glbulos con conductores de extensin sellados dentro de puntas de varillas de vidrio slidas con dimetros de 0,76 mm a 2,54 mm y largos de 6,3 mm a 50 mm. Las sondas de vidrio resultan por lo general robustas y ms fciles de montar que los glbulos pero tienen una mayor constante de tiempo y requieren ms espacio. Los discos se fabrican prensando el material bajo una presin de varias toneladas dentro de un molde redondo, logrndose piezas cilndricas planas. Resultan tiles para las sondas de medicin de temperatura en superficies donde se deben sensar un rea relativamente grande. 2.6.1 Caractersticas En comparacin con las termocuplas y las termorresistencias, el termistor no ofrece ventajas de exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante est en la extremadamente elevada sensibilidad del termistor a variaciones de temperatura, lo cual puede apreciarse en la Tabla 1. Los termistores NTC poseen elevadas resistencias a baja temperatura, pero sus resistencias disminuyen exponencialmente a medida que crece la temperatura. Por el contrario, las


resistencias de los metales como ser platino, nquel y cobre aumentan linealmente con l a temperatura (fig. 2).

Relacin Rt/R20 en funcin de la temperatura para termorresistencias metlicas (Pt, Cu, Ni) y para termistores NTC con coeficientes 20 entre 20x10-3 y 60x10-3. Rt Resistencia a la temperatura de trabajo. R20 Resistencia a 20C. 20 Variacin media de la resistencia a 20C.

Figura 2. Los termistores no sirven para la medicin de temperatura dentro de alcances amplios puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes para que puedan medirse de una manera adecuada con un solo instrumento. Los termistores resultan particularmente tiles para medir alcances reducidos de temperatura justamente a causa de sus grandes variaciones de resistencia; por ejemplo, la resistencia de un termistor tpico vara 156 ohms de 0C a 1C, mientras la del platino vara tan slo 0,385 ohm. La elevada resistencia de los termistores no slo hace aumentar la sensibilidad, posibilitando la medicin de alcances reducidos de temperatura, sino tambin permite la conexin bifilar. La resistencia del alambre de conexin y los efectos de la temperatura ambiente son despreciables si se los compara con la resistencia del termistor y las variaciones de resistencia. La estabilidad del termistor es una de las caractersticas que estn bajo estudio. Recientemente se ha desarrollado una tcnica de deposicin electrnica de radiofrecuencia que produce sensores de SiC de pelcula delgada adecuados para temperaturas entre 100C y 450C y se dicen que sufren un cambio de resistencia menor del 3% luego de 2.000 horas a 400C. La linealidad es otra rea donde se registran importantes avances. Actualmente se est fabricando un termistor que puede mantenerse lineal dentro de 0,5C desde los 65C hasta 200C. La especificacin es estrictamente vlida slo para potencia cero, puesto que los problemas de disipacin de calor interfieren con el de desempeo, pero el fabricante sostiene que los errores son mnimos a los niveles prcticos de corriente y tensin.


La linealizacin tambin puede obtenerse mediante un diseo adecuado del circuito de medicin La linealizacin digital suele ser considerada efectiva para la mayora de los termistores con un rango de trabajo no mayor a 1000 ohms. Para los sistemas analgicos opera los sistemas digitales que se estima funcionarn ms all de ese rango, la prctica normal es emplear un resistor secundario en paralelo con el termistor de forma de linealizarlo y tambin poder hacerlo intercambiable con sensores del mismo tipo (fig.3) Con esta solucin, por lo general, su coeficiente de temperatura decrece muchsimo, pero sin llegar a los valores tpicos de una termorresistencia metlica.Circuitos para igualar un sensor de temperatura a otro similar cuando la dispersin no permite el intercambio directo o se busca asimilar la curva de un sensor a otro: a. - Sensor de temperatura b, c. - Resistencias fijas invariables con la temperatura.

Figura 3. En las aplicaciones de medicin y control de temperatura, el termistor se usa, generalmente, como uno de los brazos de un puente Wheatstone convencional. Este tipo de circuito suministra una mxima sensibilidad. Para aumentar los niveles de salida del puente, se puede insertar un amplificador entre la salida del puente y el instrumento indicador o dispositivo de control. Este dispositivo es el que tambin se utiliza en el caso de las termorresistencias metlicas. 2.6.2 Consideraciones mecnicas y elctricas El termistor puede emplearse asimismo en el modo de autocalentamiento" para detectar flujos de lquido o gas para analizar la composicin de fluidos. En tales aplicaciones, el elemento de deteccin se halla directamente expuesto al flujo de fluido y la disipacin de potencia en el termistor suministra una indicacin de la velocidad de flujo o calor especfico del medio de inmersin. Los pequeos tamaos de los termistores tpicamente con dimetro de 2,5 mm, producen una rpida respuesta a las variaciones de temperatura. Sin embargo, una vez instalado el termistor dentro de una vaina o blindaje, la respuesta es equivalente a la de una termocupla protegida. El pequeo tamao hace tambin que el termistor sea ms susceptible que una termorresistencia a los errores de autocalentamiento. La constante de disipacin, o sea la potencia en mV necesaria para elevar la temperatura del termistor 1C por encima de la temperatura ambiente inicial es normalmente de 1 mW/C en aire sin movimiento. Un valor en las mismas condiciones de una termorresistencia de platino de 100 ohms es de 20 mW/C . Las especificaciones mecnicas se refieren a: Tamao y configuracin adecuados para el uso previsto, como ser el mtodo de montaje el elemento sensor expuesto o encerrado, terminacin, etc., lo que, a su vez, determina la constante de disipacin y la constante de tiempo. Material a utilizarse para la construccin del conjunto sensor del termistor, lo cual depende del medio (como ser aire, agua, aceite, etc.), longitud de exposicin y medio corrosivo, niveles de choque, vibracin y humedad, temperatura de operacin y rango de temperatura, presin del medio al que se halla expuesto el termistor, etc.


Las consideraciones elctricas se refieren en forma somera a aquellas caractersticas de un termistor que pueden determinarse mediante un ensayo elctrico: La resistencia y la tolerancia a cierta temperatura de referencia. La constante de disipacin, que es la potencia, generalmente en mW que har subir la temperatura del termistor 1C por encima de la temperatura ambiente; esta constante queda determinada en cierta medida por el tipo y tamao del termistor utilizado, y por el mtodo de montaje. La constante de tiempo, que es el tiempo, en segundos, para que todo el conjunto cambie su propia temperatura un 63% de como lo hara a partir de su temperatura original hasta alguna temperatura final al estar sometido a una variacin escaln de temperatura; tambin queda determinado en cierta medida por el tipo y tamao del termistor utilizado, y por el mtodo de montaje. El coeficiente de temperatura o la variacin de resistencia por cada grado de variacin de temperatura del termistor. 2.6.3 Seleccin. En las aplicaciones de medicin y control de temperatura, la seleccin de una resistencia de termistor adecuada generalmente depende de las siguientes consideraciones: a) Alcance de temperatura. Por lo general, la resistencia nominal de un termistor se elige fundamentalmente en base al alcance de temperaturas de operacin. Mayores valores de resistencia corresponden a temperaturas ms elevadas, mientras las bajas temperaturas requieren menores resistencias. b) Valores de resistencia en los extremos del alcance de temperatura. En este caso se deben considerar tres factores: 1) Si la curva del termistor ser positiva o negativa (PTC o NTC). Por lo general y su difusin lo confirma, en la medicin de temperaturas se utiliza el NTC salvo para casos de compensacin de alguna variable a que forzosamente deba ser de caracterstica PTC. Entonces considerando un termistor NTC. 2) La resistencia mxima a bajas temperaturas no debe ser demasiado alta para poder satisfacer las necesidades de los circuitos asociados como ser amplificador, lectura, etc. Si la resistencia a bajas temperaturas es muy alta, se debe considerar la posibilidad de captacin de seales espurias. Si por otras razones es necesaria una elevada resistencia y la captacin es un problema se aconseja utilizar lneas blindadas, filtros y alimentacin CC. 3) La resistencia mnima a elevadas temperaturas no debe ser demasiado baja para poder satisfacer las necesidades del amplificador, lectura, etc. Si la resistencia a elevadas temperaturas es demasiado baja, se deben tener en cuenta los posibles errores debidos a las resistencias de contacto, a la resistencia de lnea y a la variacin de la resistencia de lnea para variaciones de la temperatura ambiente. 2.6.4 Sensibilidad.


La mayora de las aplicaciones tienen una tolerancia expresada en unidades de temperatura. En cambio, los termistores suelen especificarse en trminos de tolerancia de resistencia. Es una caracterstica de los termistores que una tolerancia de resistencia fija sobre un alcance de temperatura sea equivalente a una tolerancia de temperatura que es menor en el extremo de temperaturas bajas y mayor en el extremo de temperaturas altas. La potencia (PR) disipada en el termistor har subir su temperatura por encima de la ambiente. El incremento de temperatura es una funcin directa de la constante de disipacin del termistor con su montaje dentro del medio ambiente donde opera. 2.6.5 Aplicaciones. Segn la utilizacin, pueden encontrarse en el mercado termistores con valores entre 100 ohms y 30 K ohms, los de uso ms frecuente se encuentran en la franja entro 1K y 5K ohms. Dentro de estos valores, tal como se mencion anteriormente, no influyen los pequeos valores de resistencia correspondientes a los conductores de extensin o los propios del termistor. El rango de temperatura de uso ms difundido es entre 150C y 200C, a pesar de haber algunos que alcanzan los 450C. Su aplicacin ms frecuente es como sensor de temperatura para mediciones rpidas en sondas manuales que acompaan a los termmetros porttiles electrnicos, hoy ms difundidos. Su desventaja es su falta de estabilidad en el tiempo y su gran dispersin en comparacin con las termorresistencias, que pueden fabricarse con valores de resistencia superiores (Pt 500 y Pt 1000), mayores exactitudes y valores normalizados universalmente que garantizan su intercambio sin calibracin previa. La ventaja ms importante es su pequea masa, lo que permite velocidades de respuesta muy altas.

2.7 Termopares El termopar es uno de los sensores ms comunes y simples usados para determinar la temperatura de los procesos. Bsicamente, un termopar est constituido por dos metales diferentes tales como alambres de hierro y Constantan. En 1821 T. J. Seebeck descubri que cuando se aplica calor a la unin de dos metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (Fem.), la cual puede ser medida en el otro extremo de estos dos metales (conductores). Este es el principio en el cual se basa la medicin de temperatura utilizando termopares, figura 7.


Figura 7. Esquema de un termopar La Junta de Medicin o junta Caliente es el extremo que se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir. La junta de Referencia o junta Fra es el extremo del termopar que se conecta a los terminales del instrumento de medicin. Los conductores de un termopar forman un circuito elctrico, por el cual fluye la corriente como resultado de la Fem generada. Esta Fem es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos juntas. La corriente fluir en el circuito siempre y cuando T1 sea distinto de T2.

2.7.1 Leyes termoelctricas A continuacin se describen varios fenmenos que se conocen como leyes de termopares, las cuales son tiles para comprender los circuitos de los termopares (figura 8): Figura 8. (a) Ley de los metales intermedios (b) Ley de temperaturas interiores (c) Ley de metales interiores


a) Ley de Metales Intermedios: la incorporacin de un metal homogneo al circuito de un termopar no cambia la Fem desarrollada. b) Ley de Temperaturas Interiores: cuando las juntas de dos metales homogneos diferentes, se mantienen a diferentes temperaturas, no es afectada por los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores. c) Ley de Metales Interiores: en un circuito formado por dos metales homogneos diferentes, que tienen las dos juntas a diferentes temperaturas, la Fem desarrollada no es afectada cuando un tercer metal homogneo se agrega al circuito, siempre y cuando las temperaturas de sus dos juntas sea la misma.

2.7.2 Conversin de voltaje a temperatura

Figura 9 La figura 9 muestra la relacin entre el voltaje de salida versus temperatura para los termopares ms comunes. Se puede observar que no se mantiene una relacin lineal entre la temperatura y el voltaje. La conversin de este voltaje a temperatura se explica a continuacin.

El voltaje generado por un termopar no puede medirse directamente, ya que primero debe conectarse un voltmetro al termopar, y los cables del voltmetro crean ellos mismos un nuevo circuito termoelctrico (termopar). Considere un voltmetro conectado a un termopar cobreConstantan (Tipo T), como se muestra en la figura 10. Lo que se quiere es que el voltmetro indique solamente el voltaje V1, que es el voltaje de salida de la Junta J1; pero al conectar el voltmetro al termopar, se formaron dos juntas metlicas adicionales J2 y J3.


Debido a que J3 es una junta cobre-cobre, no se crea una Fem en esta junta (V3 = 0); pero J2 es una junta cobre-Constantan, la cual desarrolla una Fem (V2) en oposicin a V1. La lectura resultante en el voltmetro ser la diferencia de temperaturas entre J1 y J2. Por lo tanto, la temperatura de J1 no puede conseguirse a menos que primero conozcamos la temperatura de J2.

Figura 10. Utilizacin de un voltmetro para medir la Fem en un termopar Un medio para determinar la temperatura de J1 es el de colocar la junta J2 en un bao de hielo como se muestra en la figura 11, haciendo que su temperatura sea 0C y estableciendo J como la Junta de Referencia.

Figura 11. Junta de referencia externa Ahora, la lectura del voltmetro ser:

Sumando el voltaje de la junta de referencia se ha referido la lectura V a 0C. El punto de hielo o punto de referencia a 0 C es utilizado por el National Bureau of Standards (NBS) como el punto de referencia fundamental para sus tablas de termopares. De este modo, se pueden utilizar las tablas NBS y convertir directamente el voltaje V a la temperatura Tj1.


Casi en la totalidad de los casos la medicin del voltaje generado por un termopar, se realiza a una temperatura de referencia Tref diferente a la de la temperatura de referencia de 0 C. En este caso, al voltaje ledo en el voltmetro habr que sumarle el voltaje que generara un termopar similar desde la Tref hasta la temperatura de referencia de 0 C. De este modo se traslada la junta de referencia desde Tref hasta Tref = 0 C, pudindose entonces utilizar las tablas NBS de termopares, las cuales como se dijo anteriormente estn basadas en Tref = 0 C No siempre es posible mantener la junta de referencia a la temperatura deseada; pero si la temperatura de la junta de referencia se mide o se conoce, entonces es posible aplicar correcciones a la Fem obtenida. Para asegurar una lectura precisa, muchos termopares son instalados con instrumentos que proveen compensacin automtica de la junta de referencia. En muchos instrumentos, esto se realiza haciendo pasar corriente a travs de una resistencia sensible a la temperatura, la cual mide las variaciones en la temperatura de referencia y automticamente provee la Fem necesaria para la compensacin. La tensin de una Termocupla cuyas junturas se hallan a temperaturas T y TR respectivamente es:

Se ve que a medida que (T - TR) crece la respuesta se hace no lineal. Para tener un gran rango de medicin deberamos tener una TMC donde: a) K1 sea lo mayor posible b) K2, K 3 - - - Kn sean lo menor posible c) el punto de fusin de sus metales componentes sea lo mayor posible. d) gran resistencia al ataque qumico. Existen varias reglas a recordar en el empleo de estos sistemas: a) Para asegurar una operacin estable y adecuada las caractersticas termoelctricas de conductores deben mantenerse a lo largo de los mismos (uniformidad). b) Slo un circuito con materiales diferentes conectados, en un gradiente de temperaturas producir una seal. Dos conductores de igual material no producirn FEM alguna. c) La sensibilidad termoelctrica de la mayora de los metales no es lineal con la variacin de temperatura. Puesto que la fem neta generada es funcin de las temperaturas de ambas juntas, se requiere el control o la compensacin de la temperatura de la junta de referencia (o junta fra), lo cual se puede lograr con una compensacin elctrica que tambin implica la utilizacin de un dispositivo sensor de temperatura para medir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugar de calcular la compensacin a ser aplicada a la salida de la junta de medicin, el sensor de


temperatura de la junta de referencia se halla incorporado dentro del circuito elctrico de la termocupla, donde agrega o quita los milivolts necesarios en la junta de referencia a fin de corregir automticamente la salida de la termocupla (fig. 3).

(1) Termocupla. (2) Cable compensado (3) Compensador de mV (4) Fuente de tensin constante

Figura 3. Sistema electrnico de compensacin de junta de referencia. Como se ver ms adelante, es de fundamental importancia la prolongacin de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medicin y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termocupla. Es all donde aparece el uso de los conocidos cables compensados. Su misin es nicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mV/C, que las termocuplas entre 0 y 200 C. Se las utiliza slo por razones econmicas ya que su composicin qumica difiere de las aleaciones de termocupla, buscndose entonces que los materiales sustitutivos sean ms econmicos que stos.

2.7.3. Termocuplas estndar Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standardg (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlacin temperatura FEM para estas termocuplas, las que han sido publicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y el American Society for Testing and Materials (ASTM). Durante el ao 1986. se ha procedido a uniformar las normas europeas DIN (alemanas), BS (inglesas), NF (francesas) y las antedichas ANSI (norteamericanas) en cuanto a la correlacin de temperaturas y FEM, as como en lo que hace a las tolerancias de estas FEM en las distintas aleaciones. Esto ha quedado homologado en la norma IEC 584 (International Electrotechnical Commission). Estas siete termocuplas se enumeran en la Tabla 2. Los alcances de temperatura indicados son aquellos cuyos valores de fem se encuentran publicados. Asimismo se indican la composicin de termocuplas y los dimetros de alambre apropiado. En la Tabla 3 se detallan las tolerancias de calibracin estndar segn IEC 584 Parte 1 actualmente en vigencia. Tipo B ( PtRh 30% - PtRh 6%)


Las ventajas de la termocupla Tipo B sobre la Tipo R o Tipo S son su capacidad para medir temperaturas levemente ms altas, su mayor estabilidad y resistencia mecnica, y su aptitud de ser utilizada sin compensacin de junta de referencia para fluctuaciones normales de la temperatura ambiente. Este ltimo aspecto queda reflejado en la figura 4 por la pendiente despreciable de la curva de la termocupla Tipo B en la regin de la temperatura ambiente. Las termocuplas Tipo B resultan satisfactorias para uso continuo en atmsferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700 C. Tambin resultan satisfactorias durante cortos perodos de tiempo en vaco. Las desventajas de la termocupla Tipo B son su baja tensin de salida y su incapacidad para ser utilizada en atmsferas reductoras (como ser hidrgeno o monxido de carbono) y cuando se encuentran presentes vapores metlicos (plomo o zinc) o no metlicos (arsnico, fsforo o azufre). Nunca se la debe usar con un tubo de proteccin metlico o termovaina (a partir de aqu, simplemente se la menciona como vaina). Tipo R (PtRh 13% - Pt ) Las termocuplas Tipo R pueden ser utilizadas en forma continua en atmsferas oxidantes o inertes hasta 1.400 C. No son tan estables como las Tipo B en vaco. La ventaja de la termocupla Tipo R sobre la Tipo B es su mayor fem de salida. La ASTM establece las siguientes limitaciones que se aplican al uso de las termocuplas Tipo R: Nunca se las deben usar en atmsferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen vapores metlicos o no metlicos u xidos fcilmente reducidos, a menos que se las protejan adecuadamente con tubos protectores no metlicos. Nunca deben ser insertadas directamente dentro de una vaina metlica. Tipo S (PtRh 10 % - Pt )

La termocupla Tipo S es la termocupla original platino-rodio. Es el estndar internacional (Escala Prctica Internacional de Temperaturas de 1968, IPTS-68) para la determinacin de temperaturas entre el punto de solidificacin del antimonio 630,74 C (1.167,33 F) y el punto de solidificacin del oro 1.064,43 C (1.917 F). Las termocuplas Tipo S, igual que las Tipo R, pueden ser utilizadas en forma continua en atmsferas oxidantes o inertes hasta 1.480 C. Tienen las mismas limitaciones que las termocuplas Tipo R y Tipo B y tambin son menos estables que la termocupla Tipo B cuando se las utiliza en vaco. Tipo J (Fe - CuNi ) La termocupla Tipo J, conocida como la termocupla hierro - constantn, es la segunda ms utilizada en los EE.UU. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el conductor negativo se recurre a una aleacin de 55 % de cobre y 45 % de nquel (constantn).


Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en atmsferas oxidantes, reductoras e inertes y en vaco hasta 760 C. Por encima de 540 C, el alambre de hierro se oxida rpidamente, requirindose entonces alambre de mayor dimetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo. Las siguientes limitaciones se aplican al uso de las termocuplas Tipo J: No se deben usar en atmsferas sulfurosas por encima de 540 C. A causa de la oxidacin y fragilidad potencial, no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0 C. No deben someterse a ciclos por encima de 760 C, an durante cortos perodos de tiempo, si en algn momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura. El constantn utilizado para termocuplas Tipo J no es intercambiable con el constantn de las termocuplas Tipo T y Tipo E, ya que el constantn es el nombre genrico de aleaciones cobrenquel con un contenido de cobre entre 45 % y 60 %. Los fabricantes de las termocuplas Tipo J regulan la composicin del conductor de cobre-nquel de manera que la fem de salida de la termocupla siga la curva de calibracin publicada. Los elementos fabricados por las distintas empresas, con frecuencia no son intercambiables para el mismo tipo de termocupla. Tabla 2. Composicin, rango de temperaturas, dimetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas.Tipo Denominacin Composicin y smbolo Rango de temperaturas (1) (en C) Dimetro del alambre apropiado F.e.m en mV (3) (2)

B R S J

Platino-rodio 30% vs. platinorodio 6% Platino-rodio 13% vs. platino Platino-rodio 10% vs. platino Hierro vs. constatn

PtRh 30% - PtRh 6% PtRh 13% - Pt PtRh 10% - Pt Fe - CuNi

0 ...1.500 (1.800) 0...1.400 (1.700) 0...1300(1.600) -200 ... 700 (900) -200 ... 600 (800)

0,35 y 0,5 mm 0,35 y 0,5 mm 0,35 y 0,5 mm 3 mm 1mm

0...10,094 (13,585) 0.16,035 (20,215) 0...13,155 (15,576) -7.89 ... 39,130 (51,875) -7.89 ... 33,096 (45,498)

K

Niquel-cromo vs. nquel (Chromel vs. Alumel )

NiCr - Ni

0...1000(1.300) 0 ... 900 (1.200)

3 2 mm 1,38 mm 0,5 mm 3 mm

0...41,269 (52,398) 0...37,325 (48,828) -5,60 ... 14,86 (20,86) -9,83 ... 53,11 (68,78) -8,83 ... 45,08 (61,02)

T E

Cobre vs. constatn Niquel-cromo vs. constatn (Chromel vs. constatn )

Cu - CuNi NiCr - CuNi

-200 ... 700 (900) -200 ... 600 (800)

(1) Los valores entre parntesis son los admitidos en intervalos cortos (no permanentes) (2) Los dimetros de alambres no son indicativos (3) Valores de fem (mV) en funcin de C, referencia junta fra 0 C.


Tipo K (NiCr Ni) La termocupla Tipo K se la conoce tambin como la termocupla Chromel-Alumel (marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co., EE.UU.). El Chromel es una aleacin de aproximadamente 90% de nquel y 10% de cromo, el Alumel es una aleacin de 95% de nquel, ms aluminio, silicio y manganeso, razn por la que la norma IEC la especifica NiCr - Ni. La Tipo K es la termocupla que ms se utiliza en la industria, debido a su capacidad de resistir mayores temperaturas que la termocupla Tipo J. Las termocuplas Tipo K pueden utilizarse en forma continua en atmsferas oxidantes e inertes hasta 1.260 C y constituyen el tipo ms satisfactorio de termocupla para uso en atmsferas reductoras o sulfurosas o en vaco. Tipo T (Cu - CuNi ) La termocupla Tipo T se conoce como la termocupla de cobre constantn. Resulta satisfactoria para uso continuo en vaco y en atmsferas oxidantes, reductoras e inertes. Su desventaja reside en l hecho de que su lmite mximo de temperatura es de tan slo 370 C para un dimetro de 3,25 mm. Aunque las termocuplas Tipo T resulten adecuadas para mediciones debajo de 0 C, la ASTM recomienda para ese propsito a las termocuplas Tipo E. Tipo E ( NiCr - CuNi ) La termocupla Tipo E, o Chromel-constantn, posee la mayor fem de salida de todas las termocuplas estndar, segn se muestra en la figura 4. Para un dimetro de 3,25 mm su alcance recomendado es - 200 C a 980 C. Estas termocuplas se desempean satisfactoriamente en atmsferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente adecuadas para uso en atmsferas hmedas a temperaturas subcero a raz de su elevada fem de salida y su buena resistencia a la corrosin. La termocupla Tipo E es mejor que la Tipo T, para este propsito a causa de su mayor salida y puesto que la conductividad trmica del alambre de Chromel es menor que la del alambre de cobre de la termocupla Tipo T. Tabla 3.Tolerancias de calibracin para termocuplas estndar (referencia junta fra 0 C ) segn IEC 584 Parte 1.TermocuplaCobre vs. Cobre-nquel, Tipo T Hierro vs. cobre- nquel, Tipo J Nquel-cromo vs. nquel, Tipo K Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R . Platino-rodio 10% vs. platino, Tipo S Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%, Tipo B

Rango-40 a + 350C -40a+ 750 C - 40 a 1.000 C 0 a + 1.600C 0 a + 1. 600C --

Clase 1. Desviacin mxima (+ ) (1)0, 5 C 0,004 (t) 1,5 C 0,004 (t) 1,5 C 0,004 (t) 1 C 1 + 0,003 (t - 1. 100)C 1 C 1 + 0,003 ( t - 1.100)C

TermocuplaCobre vs. cobre-nquel, Tipo T Hierro vs. cobre-nquel, Tipo J Nquel-cromo vs. nquel, Tipo K

Rango-40a+ 350C -40a+ 750 C - 40 a + 1.200C

Clase 2. Desviacin mxima (+ ) (1)1C 0,0075(t) 2,5 C 0,0075 (t) 2. 5 C 0.0075 (t)


Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R Platino-rodio 10% vs. platino, Tipo S Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%, Tipo B

0 a + 1.600 C 0 a + 1.600 C + 600 a + 1700 C

1,5 C 0,0025 (t) 1,5 C 0,0025 (t) 1,5 C 0,0025 (t)

TermocuplaCobre vs. Cobre-nquel, Tipo T Hierro vs. cobre- nquel, Tipo J Nquel-cromo vs. nquel, Tipo K Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R Platino-rodio 10% vs. platino, Tipo S Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%, Tipo B

Rango-200 a + 40 C -200 a + 40 C -200 a + 40 C --+600 a + 1.700 C

Clase 3(2). Desviacin mx. (+ ) (1)1 C 2,5 C 2,5 C --4 C 0,015 (t) 0,015 (t) 0,015 (t)

0,005 (t)

(1) La desviacin mxima debe ser calculada como el mayor valor de las dos expresiones: el valor en C o su equivalente calculado reemplazando (t) por la temperatura en cuestin. (2) Normalmente, las termocuplas y los cables compensados se suministran con tolerancias especificadas por encima de -40 C. Para termocuplas utilizadas por debajo de -40 C debe entenderse que sus tolerancias son para ese material mayores qu las especificadas en Clase 3.

2.7.4 La termocupla prctica Para aplicaciones simples, los termoelementos pueden hacerse usando cables compensados y algn tipo de aislante adecuado para cada caso. La unin de medicin se forma en un extremo soldando los dos alambres conductores fundindolos entre s bajo una atmsfera inerte de argn. La condicin esencial es establecer una conexin elctrica adecuada entre los conductores (Figura 1)

Fig. 1 Los rangos, tipo y estilos de las termocupulas son muy grandes y completos con lo que es posible conseguir una disposicin adecuada para las aplicaciones necesarias en la industria y el campo cientfico. Frecuentemente, el termoelemento suele ir introducido en una carcaza cerrada en su extremo (vaina) que se fabrica de alguna aleacin metlica resistente a la corrosin o al calor y, en otros casos, se utiliza un material refractario (Figura 2)

Fig. 2 Una forma alternativa de construccin es utilizar un termoelemento con aislamiento mineral En . este caso, los cables conductores estn envueltos en un polvo mineral inerte y no conductor fuertemente compactado. Todo este conjunto va rodeado de una camisa metlica (de acero


inoxidable o aleaciones de nquel) que forman una unidad hermtica. Este tipo de ensamblaje se puede obtener en dimetros externos desde 0.25 hasta 19 mm inclusive y longitudes de unos pocos milmetros hasta cientos de metros (Figura 3)

Fig. 3 Para aplicaciones especiales donde se requiere una respuesta rpida, es aconsejable ocasionalmente, que la termocupla sea fabricada con su unin expuesta o en algunos casos aterrada; siempre y cuando el resto del sistema lo permita. Las termocuplas estn frecuentemente acabadas con una conexin o un terminal que permite su unin con resto del circuito termoelctrico. Alternativamente, un conector especial puede se r incluido. En estos dispositivos, las patas conectoras estn construidas de materiales o aleaciones adecuadas para no alterar la FEM generada en la unin de medicin, permitiendo as la rpida conexin o desacople del sensor a utilizar sin afectar de forma alguna la uniformidad del termoelemento. En los termopares, tambin llamados termocuplas, existen dos puntos importantes: las juntas caliente (en el proceso) y la junta fra (en el medio ambiente). Los materiales que sern usados ya estn estandarizados y tienen unas tablas de comportamiento, que suponen, que la junta fra se encuentra a cero grados centgrados. Esto es con el fin, de tener un valor de patrn de comparacin que parta de cero, ya que de no ser as, la junta fra actuara como un segundo termopar en serie con el primero sumando as a la f.e.m. de la junta caliente. En la prctica industrial, lo frecuente, es tener la junta fra a temperatura ambiente, lo que hace necesario compensar el valor de la lectura de mV, restando los mV que generara ese termopar a la temperatura ambiente. 2.7.5 Termocuplas no estndar Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termocuplas adems de aquellos que tienen asignada una denominacin con letra por la ISA (IEC). Estas otras termocuplas exhiben caractersticas especiales que no se encuentran en los tipos estndar, lo cual las hace adecuadas para aplicaciones especiales. Las caractersticas y la fem de salida pueden variar de un fabricante a otro, razn por la que se debe consultar al fabricante en relacin a aplicaciones especficas. Hay una aleacin en particular, muy difundida especialmente en Argentina, que debernos considerar por separado. Se trata de la aleacin hierro-constantn Fe - CuNi. Quizs la ms difundida antes de la homologacin de las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y DIN 43710, las ms importantes a nivel mundial.


La curva de esta aleacin, identificada por IEC con la letra L presenta una diferencia con la Tipo J vista anteriormente, an cuando sus composiciones qumicas sean similares, de casi 13 C en 800 C. Sin embargo, en Argentina se la confunde con su similar Tipo J. En la Tabla 5 se detallan las caractersticas de las termocuplas no estndar ms comunes disponibles hoy da en la industria de procesos. Tabla 5Composicin Caractersticas

NicroSil(1) - NiSil(2) - ( nquel - cromo - silicio vs. nquel - Calibracin desde - 240 a 1.230C; similar a la termocupla silicio) Tipo K, con una mejor estabilidad y mayor vida til. Platino - 20% rodio vs. platino - 5% rodio Platino - 40% rodio vs. platino - 20% rodio Platino - 13% rodio vs. platino - 1 % rodio Platino - 15% iridio vs. Paladio Platino 5% molibdeno vs. platino - 0,1 % molibdeno Iridio 40% rodio vs. iridio Iridio - 50% rodio vs. iridio Rodio - 40% iridio vs. iridio Plantinel I y II (3) Geminol (4) Thermo-Kanthal especial (5) Tophel II(4) vs. Nial II (4) Chromel (6) (3-G-345) vs. Alumel (6) (3-G-196 ) Tungsteno vs. tungsteno - 26% renio Tungsteno - 3% renio vs. tungsteno - 25% renio Tungsteno - 5% renio vs. tungsteno - 26% renio Aleacin - hierro vs. Chromel Mayor vida til respecto a las termocuplas tipos R, S y B a temperaturas ms elevadas. Mayor vida til respecto a las termocuplas tipos R, S y B a temperaturas ms elevadas. Mayor vida til respecto a las termocuplas tipos R, S y B a temperaturas ms elevadas . Mayor fem de salida que otras termocuplas de platino. Mayor resistencia a la radiacin de neutrones en relacin a otras termocuplas de platino, Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino - rodio. Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino - rodio. Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino - rodio. Fem similar a la de las termocuplas Tipo K pero con una mayor estabilidad a la tem

modulo 2 - medicion de temperatura

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