Facultad de ingenieria quimica y textil




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fecha de publicación06.01.2016
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACION



SENSORES DE TEMPERATURA

Ing. Jorge Cosco Grimaney

2012

SENSORES DE TEMPERATURA

La medida de la temperatura constituye una de las mediciones más comunes e importantes efectuadas en los procesos industriales.

Se utiliza una gran variedad de transductores para medir temperatura, algunos de ellos la convierten directamente en una señal eléctrica, y otros emplean la combinación con un sensor. Se escoge según el tipo de aplicación, precisión, velocidad de captación, distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesario.

Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura, como:

a) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).

b) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores)

c) F.E.M. creada en la unión de dos metales distintos (termopares)

d) Intensidad de la radiación total de emitida por el cuerpo Pirometros de radiación.

e) Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resistencia de un cristal, etc.)

Los transductores de temperatura más comunes son:

  • Termómetros de vidrio

  • Termómetros de bulbo y capilar

  • Bandas Bimetálicas.

  • Termopares.

  • Detectores de temperatura resistivos (RTD).

  • Termistores.

  • Sensores de semiconductor.

  • Pirómetros de radiación.

1. Termómetros de Vidrio

Este instrumento posee un depósito de vidrio el cual contiene un fluido cuyo cuerpo se dilata por acción de calor expandiéndose a través del tubo capilar graduado para medir la temperatura en las unidades señaladas por el termómetro.




Termómetro de Vidrio


Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

Mercurio - 35 hasta + 280 ºC

Pentano - 200 hasta + 20 ºC

Alcohol - 110 hasta + 50 ºC

Tolueno - 70 hasta + 100 ºC
2. Termómetro de bulbo y capilar

Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a un espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.

Hay cuatro clases de este tipo de termómetros:

  • Clase I : Termómetros actuados por líquidos

  • Clase II : Termómetros actuados por vapor

  • Clase III : Termómetros actuados por gas

  • Clase IV : Termómetros actuados por mercurio




Termómetro de bulbo y capilar

3. Banda o Cinta Bimetálica

Este sensor se construye por medio de dos cintas unidas de metales diferentes, debido a la diferencia en los coeficientes de expansión térmica de los dos metales, el calentamiento de toda la cinta origina la mayor expansión longitudinal; de como las cintas están soldadas a lo largo de toda su extensión, toda la cinta se doblará en la dirección del metal expandiéndose menos. La extensión del doblamiento es proporcional al cambio de temperatura. Si un extremo de la cinta esta sujeto firmemente, mientras el otro esta libre, la magnitud del doblamiento se puede emplear para indicar el cambio de temperatura. Esto se puede lograr uniendo un transductor de posición al extremo libre de la cinta y calibrar su desplazamiento de acuerdo con los cambios de temperatura.




Termómetro Bimetálico


Las ventajas al trabajar con termómetros bimetálicos, son:

  • Rápida respuesta e indicación exacta de la temperatura.

  • Estructura maciza y fuerte para trabajar en condiciones difíciles.

  • Fácil lectura.

  • Simple y conveniente calibración

  • La exactitud de medición no es afectada por los cambios de ambiente en su cubierta.

  • El visor de medición puede instalarse a distancia del punto sensado.

  • Se puede aplicar en ambientes corrosivos y de alta presión.

  • Precisión de ± 1 %

Estos transductores también pueden ser empleados como interruptores, utilizando los movimientos de la cinta para activar o desactivar equipos y su rango de aplicación varía desde los -2.3°C hasta 285°C.

4. Termocupla o termopares

Las Termocuplas, también llamados comúnmente Termopares, se utilizan extensamente, ofreciendo un rango de temperaturas más amplias y una construcción robusta. Además, no precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos.

Los sensores termoeléctricos son dispositivos que presentan gran alcance de medida (-200°C a 3000°C), baja sensibilidad (5 a 75 µV/°C) y una respuesta no lineal, pero son de alta fiabilidad, buena estabilidad, rápida respuesta, relativo bajo costo además son componentes robustos y sencillos


Representación de las uniones o juntura de una Termocupla


Principio de Funcionamiento

Tipos de Termopares y accesorios




El comportamiento de un termopar se basa en la teoría del gradiente, según la cual los propios hilos constituyen el sensor. Cuando se calienta uno de los extremos de un hilo, le produce una tensión en función del gradiente de temperatura desde uno de los extremos del hilo al otro, y la constante de proporcionalidad, varía de un metal a otro.

E
l sensor es un circuito formado por dos cables distintos, unidos en ambos extremos, desarrollando un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas en las dos uniones a las cuales se les conoce como juntura de medición y juntura de referencia. Esto se puede observar en la figura siguiente.

El principio de funcionamiento de los sensores termoeléctricos se basa en los descubrimientos de Thomas Johann Seebeck 1822, de Jean C.A. Peltier 1834 y William Thompson 1847, denominados efecto Seebeck, efecto Peltier y efecto Thompson.

El efecto Seebeck consiste en la aparición de una diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor eléctrico que se encuentra de manera simultánea a diferentes temperaturas. El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte calor en electricidad

El efecto Peltier consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos (interfase isotérmico) al pasar corriente por ella. Al invertir la corriente, se invierte también el sentido del flujo del calor. Este efecto es reversible e independiente de las dimensiones del conductor. Depende solo del tipo de metal y de la temperatura de la unión. Por lo anterior el efecto Peltier es un efecto de Juntura

El efecto Thompson consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo sometido a un gradiente de temperatura por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia de signo al cambiar la dirección de la corriente. Liberándose calor cuando la corriente circula del punto más caliente hacia el más frío.

Clasificación

La clasificación de las termocuplas ha sido establecida por la ANSI, tomando en cuenta la respuesta de voltaje versus temperatura, el desempeño en el medio ambiente y la vida útil.

Tipos de Termocuplas

Tipos de Termocupla

Nombre de los Materiales

Rango (ºF)

mV

NOTAS

B

Platino 30% Rodio (+)

Platino 6% Rodio (-)

100 – 3270

0.007 - 13.499

Contaminado fácilmente

Requiere protección

C

Tungsteno 5% Renio (+)

Tungsteno 26% Renio (-)

3000 – 4200

-

No resiste la oxidación

E

Cromel (Cr -Ni) (+)

Constatan (Cu - Ni) (-)

32 – 1800

0 – 75.12

El de mayor voltaje / ºC

J

Acero (+)

Constatan (-)

-300 – 1600

-7.52 – 50.05

Atmósfera reductora. Hierro se oxida a altas temperaturas

K

Cromel (+)

Alumel (-)

-300 – 2300

-5.51 – 51.05

Atmósferas Oxidantes

N

Nicrosil (+)

Nisil (-)

1200 - 2300

-

Uso general. Mejor resistencia a oxidación.

R

Platino 13% Rodio (+)

Platino (-)

32 - 2900

0 – 18.636

Atmósfera Oxidante

Contaminado fácilmente

S

Platino 10% Rodio (+)

Platino (-)

32 - 2800

0 – 15.979

Contaminado fácilmente

Atmósfera Oxidante

T

Cobre (+)

Constatan (-)

-300 – 750

-5.28 – 20.80

Estable a temp. Cryogénicas

Atm. Oxidantes y reductoras

5. Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)


El cambio en la resistencia de un metal hace posible medir la temperatura a través del paso de corriente eléctrica. La construcción clásica de un RTD consiste en una bobina de alambre delgado de cobre, níquel o platino fijado a un bastidor de soporte. También se fabrican depositando una película delgada de platino sobre un substrato de cerámica. Estos RTDs, requieren menos platino y son más baratos.

Los RTDs se caracterizan por tener una excelente linealidad en el rango de operación.

Para trabajos a baja temperatura se emplean resistencias de carbón. Cuando se necesita bajo costo se emplean cobre y níquel, pero con la desventaja de una linealidad reducida.

Los rangos de los RTDs varían entre 10 ohms para los modelos de jaula y varios miles de ohms para los RTDs de película metálica.

Para detectar cambios de resistencia presentes en los RTDs se emplean puentes de Wheatstone.

La aplicación de este sensor, se realiza en cualquier actividad industrial y los rangos de temperaturas; según el material utilizado son:

  • Platino : -200 a 650 ºC

  • Cobre : -100 a 260 ºC

  • Níquel : -100 a 205 ºC

  • Película de platino : -50 a 550 ºC




Termómetro Resistivo

6. Termistores

Los Termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativa de valor elevado y presentando una curva característica lineal cuando la temperatura es constante.






Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor variando de fracciones de segundo a minutos.

Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros.

Los termistores, son detectores resistivos fabricados normalmente de semiconductores cerámicos, ofrecen una impedancia mas alta con respecto a los RTD, la reducción de los errores provocados por los hilos conductores hacen bastante factible el uso de la técnica de dos hilos. Su alto rendimiento (un gran cambio de resistencia con un pequeño cambio de temperatura) permite obtener medidas de alta resolución y reduce aún más el impacto de la resistencia de los hilos conductores. Por otra parte, la bajísima masa térmica del termistor minimiza la carga térmica en el dispositivo sometido a prueba.

Como inconveniente del termistor es su falta de linealidad. Exigiendo un algoritmo de linealización para obtener mayores resultados.

7. Transductores de Temperatura Basados en Semiconductores

Los tres tipos más comunes son: las resistencias semiconductoras volumétricas, los diodos y los circuitos integrados.

7.1 Resistencias semiconductoras volumétricas

Son los dispositivos semiconductores más sencillos. Varían su resistencia con un coeficiente positivo de temperatura de 0,7% por ºC. Trabajan en un rango de temperaturas desde los -65ºC hasta los 200ºC siendo razonablemente lineales (±0.5%). Tienen el aspecto de resistencias de ¼ W y su resistencia nominal va desde 10 hasta 10k con tolerancias de 1% a 20%. Son dispositivos de bajo costo.

Su principal desventaja, se debe a los efectos del propio calentamiento.

7.2 Diodos semiconductores

Su principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de juntura el diodo a la temperatura del mismo, para los diodos de Sílice el factor de proporcionalidad es de -2.2mV/ºC . Los rojos de temperaturas de este sensor es de -40ºC hasta 15ºC. Son muy utilizados por su bajo costo, lineales, bastante lineales y de respuesta rápida.

Desventaja: dos diodos del mismo tipo pueden tener diferentes valores iniciales de voltaje de juntura, por lo tanto se deben incluir circuitos de calibración.

7.3 Circuitos Integrados

Este tipo de transductor es altamente lineal y el porcentaje de error es menor al 0.05% en cierto rango de temperatura. Como trabaja con corrientes el ruido no lo afecta, y como estas son pequeñas el calentamiento propio es despreciable. Además puede ser utilizado como un sensor remoto de temperatura pues las caídas en la línea serán muy pequeñas.

8. Pirómetros de Radiación

Los pirómetros de radiación se basan en la intensidad de energía radiante (w) emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta(T) del mismo, es decir, W=KT4. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda 0,45 micras para el valor violeta hasta 0,70 micras para el rojo.

Los pirómetros ópticos miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa emitida.

L
os pirómetros de radiación total miden la temperatura captando toda o parte de la energía emitida por un cuerpo.

8.1 Pirómetros Ópticos

Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado.

a).Corriente Variable b). Variación de brillo de la fuente

Los pirómetros ópticos automáticos consisten en un disco rotativo para modular la radiación del objeto y la de una lámpara estándar incidiendo en un foto tubo multiplicador. Este envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua convenientemente acondicionada para modificar la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta coincidir con el brillo de la radiación del objeto y de la lámpara. En algunos modelos, el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador permitiendo alcanzar una precisión de ±0,5% en la lectura. El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no proporciona una temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra.



Principio del Pirómetro Óptico de desaparición de filamento



8.2 Pirómetros de Radiación Total

El pirómetro de radiación total, está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio concentrando la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensible a pequeñas vibraciones de la energía radiante, y, además muy resistentes a vibraciones o choques.




Pirómetro de Radiación Total


La f.e.m. proporcionada por la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de ésta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocado en su interior para igualar la temperatura de este cuerpo. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la bobina de níquel, compensado la pérdida de la f.e.m. de la termopila para calentar el cuerpo del instrumento. En los bornes de la termopila va conectado un cable de cobre llegando hasta el instrumento.

La compensación descrita se utiliza para temperaturas ambientes máximas de 120ºC. A mayores temperaturas se emplean dispositivos de refrigeración por aire o por agua, disminuyendo la temperatura de la caja en unos 10 a 40ºC por debajo de la temperatura ambiente.

En la medición de bajas temperaturas, la compensación se efectúa utilizando además una resistencia termostática adicional manteniendo constante la temperatura de la caja en unos 50ºC, valor mayor a la temperatura ambiente y lo suficientemente baja como para no reducir apreciablemente la diferencia de temperatura útil.

La relación entre la f.e.m. generada y la temperatura del cuerpo es independiente de la distancia entre el cuerpo y la lente si siempre la imagen de la superficie del cuerpo emisor de la radiación cubre totalmente la unión caliente de la termopila. El fabricante normaliza la relación entre las dimensiones del objeto y su distancia al lente, para garantizar buenas condiciones de lectura.

Las lentes de pyrex se utilizan en el campo de temperaturas de 850 a 1750ºC, la lente de sílice fundida en el intervalo de 450 a 1250ºC y la lente de fluoruro de calcio, con un ángulo de enfoque ancho para captar la mayor cantidad posible de energía, de 50 a 200ºC.

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