MANTENIMIENTO ELECTRONICO E INSTRUMENTAL INDUSTRIAL

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HENRY ANDRES MEDINA RINCON

ZAIDY YORELY MORENO

JHOJAN DAVID ADARME

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL ANTONIO CREUS EDICION 8 -CAPITULO 6

MEDIDAS DE TEMPERATURA

INTRODUCCIONLa temperatura es una magnitud física a la vez intuitiva, por su relación con las sensaciones fi- siológicas de frío y caliente, y elusiva, por la dificultad de acceder a su medida directa. De hecho, la temperatura está relacionada con la energía media de las moléculas de un cuerpo, por lo que es inaccesible a la observación directa y debe medirse indirectamente por la relación entre la temperatura y otras propiedades físicas de la materia.

Existen varios fenómenos que son influidos por la temperatura y que son utilizados para medirla:

a) variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos, gases)

b) variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia)

c) variación de resistencia de un semiconductor (termistores)

d) la f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares)

e) intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación)

f) otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido de un gas, frecuencia de resonancia de un cristal etc.).

TERMOMETRO DE VIDRIOLos primeros registros de medición de temperatura datan del periodo Greco-Romano en la Antigüedad Clásica, los instrumentos eran básicos sin escala y abiertos a la atmósfera, por lo que eran influenciados por la presión atmosférica y la temperatura. El desarrollo de los termómetros de líquido en vidrio junto con su escala, se inició durante el Renacimiento en la Era de los Descubrimientos con el auge por la investigación en las ciencias naturales. El antecesor del termómetro fue el termoscopio (1606) de Galileo Galilei (1564...1642), hasta que el también italiano Sanctorius (1561...1636) le incorporó una escala con graduación numérica. En la actualidad los termómetros de líquido en vidrio se fabrican para aplicaciones específicas de medición. A pesar de la gran variedad de instrumentos para la medición de temperatura, prohibición del mercurio, los termómetros de líquido en vidrio son frecuentemente utilizados por su facilidad de uso, portabilidad, costo, estabilidad, amplio intervalo de trabajo y u o por recomendaciones en normas. Pero aun así existe confusión al momento de su elección, uso y calibración.

Las partes principales de un termómetro de líquido en vidrio típico se muestran en la figura 1.

Figura 1. Termómetro de líquido en vidrio.

Materiales que forman al termómetro: Vidrio, líquido termométrico y gas. Existe una gran variedad de tipos de vidrios, pero no todos son apropiados para el trabajo termométrico. En la actualidad se han desarrollado vidrios termométricos especiales, con buena estabilidad y resistentes a las temperaturas. El líquido termométrico ideal, debería tener las siguientes propiedades físicas y químicas:

• Ser líquido en el intervalo nominal del termómetro,

• Tener un coeficiente de expansión lineal, • Ser opaco o con color, para su fácil lectura,

• No “mojar” por fuerzas adhesivas la superficie del capilar,

• Ser químicamente inerte con respecto a otros materiales en el sistema,

• Ser químicamente estable,

• No ser dañino, para seguridad en manufactura y uso,

• Tener un menisco bien definido, para fácil lectura.

Tabla de coeficiente de expansión típico relativo.

TERMOMETRO BIMETALICOLos termómetros bimetálicos se fundamentan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o invar (35,5% de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.

Las combinaciones más usuales son:

Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, solo aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elementó están sostenidos con cojinetes, y el conjunto esta construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento específico.

TERMOMETROS DE BULBO Y CAPILAR

Se transforma la medición de temperatura en una medición de presión que resulta en relación directa con la misma, en base a distintos principios por lo que se los clasifica en clases I,II,III y IV. Clase I (Lleno de Líquido no metálico) . Clase IV son similares a los anteriores respecto de las compensaciones, pero están llenos de Mercurio Hg. La temperatura ambiente actúa sobre el capilar y el espiral por lo que hay que efectuar una compensación de las variaciones de la temperatura ambiente que actúan sobre esos tramos que no son el bulbo. Los termómetros que compensan la influencia del espiral (en general con un Bimetal) son Clase IB Esta se denomina compensación en caja.

La acción del bi - metálico se contrapone a la que produce la temperatura ambiente sobre el capilar y el bourdón de manera que efectúa una compensación.

Clase IA Los termómetros de bulbo y bourdón clase I A compensan la influencia de la temperatura ambiente sobre el volumen del líquido en el bourdón (espiral) mediante un segundo espiral de acción inversa de manera que ambas se compensan. El capilar. Debe ser compensado en el caso de capilares largos (más de 5 metros como referencia).

CLASE II (Actuados por Vapor) Se basa en que la presión de un líquido en equilibrio con su vapor depende de la temperatura, como esa presión no depende de la temperatura que hay en el capilar y en el bourdón de medición, no es necesario realizar las compensaciones. Cuando la Temperatura del Bulbo superior a la ambiente y el fluido en el capilar y en el borudón no se vaporiza, y están llenos de líquido, se dice que es un termómetro CLASE IIA.

CLASE IIB : En éstos termómetros la temperatura del bulbo es inferior a la ambiente entonces el capilar y burdón se llenan de vapor.

La clase IID rellena el capilar y el bourdón de otro líquido para transmitir la presión de vapor y puede funcionar temperaturas inferiores.

CLASE III: Estos sistemas son semejantes a los anteriores, operan a gas a volumen prácticamente constante el bourdón se deforma gracias al aumento de presión del gas. Basándonos e la Ecuación de Estado para los gases ideales vemos que si esta se cumple tendremos una relación lineal entre la presión en el sistema y la temperatura, siendo la posible fuente de error la falta de constancia de V y la suposición de Gas Ideal.

TERMOMETROS DE RESISTENCIALa medida te temperatura utilizando sondas de resistencia depende de la variación de resistencia en función de la temperatura, que es propia del elemento de detección.

El elemento consiste, usualmente, en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio de cerámica.

El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa, a una temperatura específica, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura.

La relación entre estos factores pueden verse en la siguiente expresión lineal:

Rt=(1+αt)

R0=¿ ¿Resistencia en ohmios a 0 ℃

Rt=¿¿Resistencia en ohmios a t ℃

α=¿ Coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0 ℃ y 100 ℃ es de 0,003850 ohmios en la escala practica de temperatura internacional (IPTS-68)

El platino es el material mas adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 0 grados centígrados.

En la tabla 6.1 se indican las características de las sondas de resistencia de platino, de níquel y de cobre.

Partes de un termo resistor.

Tipos de sondas de resistencias.

En estas dos figuras pueden verse las partes de un termistor y los varios tipos de sondas con algunas conexiones al proceso.

Las sondas de resistencia se conectan a puentes de wheatstone convencionales u otros circuitos digitales de resistencia.

Un puente de whatstone consiste en un rectángulo formado por resistencias( o capacidades) cuyos extremos opuestos están conectados, uno a una fuente te

tensión constante y el otro a un galvanómetro. Cuando por variación de una resistencia (la que está en contacto con el proceso), el galvanómetro detecta corriente nula, se dice que el puente está equilibrado.

El puente de wheatstone esta dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente.

Tipos de circuitos de puente de wheatstone a sondas de resistencia.

la exactitud de las sondas de resistencia con trasmisor inteligente es de 0,5 grados centígrados, o 0.1 % del span, y su deriva de 0,1 grados centígrados/ año. La estabilidad es de 0.2 grados C después de 10.000 horas de máxima temperatura.

Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel.

Para temperaturas criogénicas, la sonda de resistencia de germanio puede trabajar entre 0.05 y 100 “k(grados kelvin = -272,95 grados C y -173 grados C) con una resistencia de 10.000 ohms para 1 grados K(-272 grados C), una sensibilidad de 35.000 ohmios/ grados K a 4,2 grados K y un coeficiente de resistencia negativo (a mas temperatura menos resistencia). Sin embargo, su relación resistencia-temperatura es compleja y requiere calibración en muchos puntos.

TERMISTORESLos termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas, y extremadamente grandes, para los cambios, relativamente pequeños, en la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos.

Los termistores son de dos tipos: NTC (negative temperature coeficient – coeficiente de temperatura negativo) existiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura (PTC - positive temperature coeficient).

Los termistores se conectan a puentes de wheatstone convencionales o a circuitos que convierten su resistencia a una tensión de salida proporcional.

En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un alto coeficiente de temperatura, poseen una mayor

sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida de 1 grado centígrado. Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor, variando de 0,5 a 1º segundos. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que le elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistores, a través del circuito de medida, debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elementó sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura en el proceso.

Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición, la compensación y el control de la temperatura, y como medidores de temperatura diferencial.

TERMOPARESUn termopar es un sensor para medir la temperatura. Se compone de dos metales diferentes, unidos en un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría, se produce una tensión que es proporcional a la temperatura. Las aleaciones de termopar están comúnmente disponibles como alambre.

Los termopares se basan en el efecto descubierto por Sir Thomas Seebeck: en un circuito formado por dos metales distintos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparece una corriente eléctrica.

Se produce una conversión de energía térmica en energía eléctrica, o bien, si se abre el circuito, en una fuerza termo-electromotriz (f.t.e.m) que depende de los metales y de la diferencia de temperatura entre las uniones: eAB = aT donde a es el coeficiente de Seebeck y T la temperatura absoluta. a representa la variación de tensión producida por la variación de 1º de temperatura para cada par de materiales.

Así para el hierro-constatan a es de 0,0828mV por grado. Todos los pares de metales diferentes presentan este efecto. Para pequeños cambios de temperatura, la tensión de Seebeck es linealmente proporcional a la temperatura. El efecto Seebeck es una combinación de los efectos Peltier y Thomson:

- Efecto Peltier: cuando una corriente circula por la unión de dos metales diferentes se produce una absorción o liberación de calor en ésta, que es función

de la dirección del flujo de corriente. - Efecto Thomson: cuando una corriente circula por un metal homogéneo sometido a un gradiente de temperatura provoca una absorción o liberación de calor.

Características de los termopares:

Comparativamente con los otros transductores de temperatura, los termopares destacan por su amplio margen de medida, globalmente de -270 a +3300 ºC, y en particular por las características siguientes:

- Positivas: o Dimensiones reducidas. O Estabilidad a largo plazo. o Robustos, versátiles y fiables. O Económicos. o Transductores activos (no requieren excitación externa).

- Negativas: o Baja sensibilidad. o Baja linealidad. o Requieren unión de referencia.

Tipos de termopares:

Para cada tipo de aplicación hay que escoger el tipo de termopar que más se ajuste a las necesidades del

Diseño. Los factores que determinan la elección, en orden de importancia, son:

- Margen de temperaturas a medir.

- Compatibilidad con la atmósfera del entorno del termopar.

- Coste.

- Tensión por grado de temperatura.

- Linealidad.

PIROMETROS DE RADIACIONEste instrumento no necesita estar en contacto íntimo con el objeto caliente, se basa en la ley de

Stephan Boltzmann de energía radiante, la cual establece que la superficie de un cuerpo es

Proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta:

W = Energía emitida por un cuerpo

T= Temperatura absoluta (°K)

K= Constante de Stephan Boltzmann = 4.92x10 Kcal/m2

Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces;

Se han construido de diversas formas, existiendo dos tipos: espejo cóncavo y lento.

Aplicaciones del pirómetro de radiación:

*donde un termopar sería envenenado por la atmósfera de horno.

*para la medida de temperaturas de superficies.

*para medir temperaturas de objetos que se muevan.

*para medir temperaturas superiores a la amplitud de los pares

*termoeléctricos formados por metales comunes.

*donde las condiciones mecánicas, tales como vibraciones o choques

*acorten la vida de un par termoeléctrico caliente.

Y, cuando se requiere gran velocidad de respuesta a los cambios de temperatura.

(extraido del libro INSTRUMENTACION INDUSTRIAL)

(Antonio creus, edición 8)