capiv-termocuplas y termopares

7/22/2019 CapIV-Termocuplas y Termopares

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CAPTULO IV REVISIN N0 11/03/2002TEMA :TERMOCUPLAS Y TERMORRESISTENCIAS

Tecnologa y ensayo de materiales Elctricos Captulo IV Pgina 1

1.TERMOPARES1.1INTRODUCCINLos termopares son sensores activos de tipo analgico basados en el efecto Seebeck. Dicho efecto consiste en la aparicinde una tensin elctrica entre dos piezas de distintos metales unidas o soldadas por un extremo, cuando ste se calienta(unin caliente) y se mantienen los otros dos extremos a una misma temperatura inferior (unin fra), como se muestra en lafigura 4.125.

Unin Fra Circulacin de corriente

cI

Metal "A"

Metal "B"

Unin caliente

Figura 4.125. Principio de funcionamiento de una termocupla La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre la unin fra y la unin caliente:

fc TTfE = Para ciertos materiales existe una relacin bastante lineal entre la diferencia de temperaturas y la f.e.m. generada,

siendo, por tanto, muy adecuados como transductores. Sin embargo, para recoger esta f.e.m. se debern conectar losextremos fros a conductores de cobre u otro metal y por el mismo efecto aparecern unas f.e.m. de contacto, que slo se

compensarn en el caso de que ambas uniones fras se mantengan a idntica temperatura.Por otro lado, para que la tensin de salida sea proporcional a la temperatura en la unin caliente, debe mantenerse

constante la temperatura de las uniones fras, o compensarse la f.e.m. a que daran lugar sus variaciones mediante uncircuito adicional. Si se requiere una buena precisin, se prefiere generalmente compensar las variaciones de temperaturaen la unin fra, aunque esto requiere un sensor adicional, que suele ser una NTC (termorresistencia).

1.2TIPOS DE TERMOCUPLASPara la construccin de termocuplas se han utilizado numerosas combinaciones de metales dismiles algunas de las

cuales se han generalizado. La mayora de esas combinaciones tienen asignadas letras segn un cdigo adoptado por elInstituto Norteamericano de Normas (ANSI) en base a una norma de la Sociedad de Instrumentos de Estados Unidos (ISA),habindose publicado lmites de error para, las calibraciones correspondientes a cada tipo. Las calibraciones comunes estnconsignadas en la Tabla 4.4, con los datos de aplicacin de cada tipo.

Las mencionadas calibraciones de termocupla son mantenidas mediante un adecuado control de fabricacin decada uno de los termoelementos, preservndose constantemente la mayor homogeneidad de los mismos; todos los alambres

deben ser adecuadamente recocidos o templados.Cdigo de

calibracin

ANSI

Ramal

Positivo

Ramal

negativo

Rango til de

temperatura en C de

TC protegida (*)APLICACIONES

Tipo J Hierro Constantn0 760

CmV

057,0

Adecuada para vaco, atmsferas reductoras oinertes, atmsferas oxidantes con corta duracin.El hierro se oxida rpidamente por encima de538 C, de manera que slo se recomiendaalambre grueso para alta temperatura. Loselementos desnudos no deben ser expuestos aatmsferas sulfurosas por encima de 538 C.

Tipo K Cromel Alumel0 1.260

( )C

mV041,0

Recomendada para atmsferas continuamenteoxidantes o neutras. Utilizada mayormente porencima de 530 C. Susceptible de fallas si se

expone a azufre. La oxidacin preferencial delcromo en el ramal positivo a determinadasconcentraciones reducidas de oxgeno ocasionamoho y la desviacin negativa grande se tornams seria en el rango de 816 a 1038 C. Estopuede prevenirse con ventilacin o sellado inertedel tubo protector

Tipo T Cobre Constantn -184 +371

Utilizable en atmsferas oxidantes, reductoras oinertes, as como en vacos. No es susceptible decorrosin en atmsferas hmedas. Se hanpublicado lmites de error para rangos de


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Tecnologa y ensayo de materiales Elctricos Captulo III Pgina 2 de 13

Cdigo de

calibracin

ANSI

Ramal

Positivo

Ramal

negativo

Rango til de

temperatura en C de

TC protegida (*)APLICACIONES

temperaturas inferiores a cero.

Tipo E Cromel0 871

CmV

075,0

Recomendada para atmsferas continuamenteoxidantes o inertes. No se han establecido lmitesde error para temperaturas inferiores a cero.Tiene la salida termoelctrica ms elevada de lastermocuplas comunes.

Tipo R

Tipo S

Platino 13% Rodio

Platino 10% Rodio

Platino

Platino

538 1.482

( )C

mV012,0

Recomendada para alta temperatura. Debe serprotegida con tubo no metlico y aisladorescermicos. El empleo continuo a altatemperatura provoca crecimiento de grano quepuede desembocar en falla mecnica. Desviacinnegativa de calibracin causada por la difusindel rodio al ramal puro as como porvolatilizacin de rodio. El tipo R se utiliza enla industria; el tipo S en el laboratorio.

Tipo BPlatino

30% RodioPlatino 6%

Rodio 8711.705

Los mismos comentarios generales que sobre lostipos R y S. El tipo B es menos susceptible decrecimiento de grano y desviacin decalibracin. La salida es inferior a la de los tiposR y S.

Ninguna Tungsteno 26% Renio

Tungsteno 26% Renio 0 2.315

Para aplicaciones a temperaturas muy elevadasen ambientes inertes o vaco.

Ninguna Platinel 5355 Platinel 0 1.260

Combinacin de metal noble que se aproxima ala curva del tipo K pero que tiene mucha mayorresistencia a la oxidacin. Debe ser tratada comocualquier termocupla de metal noble.

(*) El Rango til de Temperatura es el rango para el cual se han establecido lmites de error.Tabla 4.4 Calibraciones de termocuplas.

1.3CABLES DE EXTENSINPara reducir los costos en el caso que se requieran termocuplas de gran extensin, especialmente cuando se

emplean metales nobles, se utilizan prolongaciones que se extienden desde la junta de referencia de la termocupla hasta elinstrumento (ver figura 4.126). Para los calibres de metales bsicos, el cable de extensin es nominalmente de la mismacomposicin que el material de la termocupla propiamente dicha.

Circulacin de corriente

cI

cI

Metal "A"

Metal "B"

Unin caliente

Figura 4.126 Entensin de cable para instrumentops lejanos.

Unin de referencia

Cable de compensacin

Hay un lmite para la temperatura mxima a la que puede ser expuesto el empalme entre el cable de extensin y el

alambre de termocupla.Para las termocuplas de metal bsico, excepto el tipo T, la temperatura mxima es de 2040 C . Para el tipo T es

de 93 C.Los tipos de metales nobles (R S . B, Platinel y W-5% Rh/W-26% Rh) son utilizados con cables de extensin del

tipo a compensacin alternada lo que significa que dicho cable de extensin se hace de un material que difiere en sucomposicin del alambre de termocupla, pero que a las temperaturas encontradas en el empalme de la prolongacin de latermocupla, tiene caractersticas equivalentes de temperatura fuerza electromotriz.

El lmite mximo de temperatura para el empalme de prolongacin de termocupla para los tipos R, S, B, y Platineles de 204 C. Para W-5% Rh/W.26% Rh, dicho lmite es de 871 C. La razn de la limitacin de temperatura es que elempalme entre la termocupla y el cable de extensin est formado por materiales de diferente composicin y, por ende, setrata de otra termocupla.

Siempre que se utilicen cables de extensin, deben adoptarse precauciones para asegurar que exista unatemperatura uniforme, tanto en las juntas de la termocupla como en el empalme con el cable de extensin. Si el gradiente


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de temperatura entre los empalmes de termocupla y cables de extensin y los terminales del instrumento cuando se utiliceun cable de extensin de cobre, es demasiado elevado, pueden ocurrir errores apreciables.

1.4CONSTRUCCIN DE UNA TERMOCUPLAYa hemos estudiado la forma en que una termocupla trabaja, debemos ver las formas constructivas de las mismas. Hay 3tipos generales de construcciones del termocupla: alambre aislado, de aislacin cermica y metal envainado.

Termocuplas de ailamiento cermico: Estas termocuplas poseen un gran dimetro en la unin de los conductoresde la misma, y son ailados mediante compuestos cermicos. Este ltimo le provee a la termucupla una aislacinentre alambres y entre estos ltimoas y el tube exterior de recubrimiento de proteccin. Estas termocuplas (como

los mostrados en la figura 4.127) se colocan dentro de tubos de proteccin que pueden ser de metal o de cermica,a fin de darle una proteccin mecnica y de contaminacin producida por el ambiente. Este tipo de termocuplasson muy utilizadas en hornos de cialquier tipo.

Figura 4.127 Construccin de una termocupla de ailacin cermica

Termocuplas de envainado metlico: Como su nombre implica, la unin de la termocupla y alambres se congreganen un tubo de metal de pequeo dimetro. Los alambres del termocupla se aislan con un material cualquiera comopor ejemplo fibra de vidrio xido de magnesio, como puede verse en la figura 4.128 a y b. La vaina protectorade lal termocupla la proteje de la contaminacin y ataque de elementos qumicos. Ella tambin proporcionaestabilidad mecnica. Esto permite el termocupla adaptarse a muchisimas formas de montaje gracias de laductibilidad del elemento metlico. Es decir pueden realizarse pestaas, formas especiales, con lo cual se facilitasu montaje y la hace muy versatil. Estas opciones permiten que las termocuplas de envainado metlico seautilizada en una gran variedad de aplicaciones.

Figura 4.128 Construccin de una termocupla de ailacin metlica

1.5AISLAMIENTO DE LAS TERMOCUPLASCuando el nombre implica, se envuelven alambres desnudos de la termocupla son cubiertos mediante una

aislacin. Esta ltima es tpicamente un material fibroso, tejido hecho de fibra-vidrio, mica o fibra cermica. Otros tipos deasilantes son plsticos (como Teflon) y poliamidas (como Kapton). ( Figura 4.129). Este material sirve para aislarelctricamente los alambres de la termocupla. Tambin protege levemente a los alambres por contaminacin y permitemayor facilidad de montaje. El material de aislamiento es seleccionado en base la temperatura de operacin y lascondiciones medioambientales (como la exposicin a humedad, qumicos, etc.).


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Figura 4.129 Aislacin de los alambres de la termocupla

1.6LMITES DE ERRORSe ha hecho mencin anteriormente a "lmites de error" aplicables a las termocuplas. Los lmites de error

corresponden a la tolerancia de desviacin de temperatura aceptable para el respectivo tipo de termocupla. Los lmites deerror se hallan consignados ya sea en grados o como porcentaje de la temperatura medida, Se han publicadointernacionalmente dos niveles de lmite de error para las termocuplas comunes: estndar y especial. Los lmites especialesde error son generalmente la mitad de la magnitud de los lmites estndar, salvo para la termocupla tipo E.

Los lmites de error son acumulables. Por ejemplo: para el empalme entre una termocupla tipo J y el cable deextensin, los lmites estndar de error para el alambre de termocupla por debajo de 277 C (530 F) son 2,2 C y para elcable de extensin por debajo de 204C, son 2,2 C. Los lmites estndar combinados de error son +4,4 C y la desviacinde esta combinacin con respecto a las tablas de la Oficina Nacional de Normas (NBS) de Estados Unidos sobre

... mefaTemperatur , dentro de los lmites estndar de error consignados, pueden variar desde 0C hasta 4,4C. Los

lmites de error se consignan slo para los tipos comunes de termocupla y no se consideran los errores del sistema.Suele ser conveniente emplear un cdigo de colores para identificar los termoelementos positivo y negativo de las

termocuplas ms comunes. El termoelemento negativo es identificado mediante el color rojo, en forma de pintura, rtulo oraya en una capa de aislacin.

Los alambres de termocupla y los cables de extensin suelen tener una aislacin fibrosa o de tipo plstico en"construccin duplex", que se caracteriza por el hecho de que los termoelementos se hallan aislados, mientras el par determoelementos aislados se combina debajo de una capa exterior de aislacin. Con este mtodo de aislacin frecuentementese emplea el cdigo de colores consignado en la Tabla 4.5.

Toda la informacin consignada hasta aqu se refiere a los termoelementos y sus caractersticas. Para el uso normalde una termocupla, los termoelementos deben ser protegidos contra los diversos ambientes que puedan afectar losmateriales de que estn hechos. Los efectos del ataque proveniente del medio ambiente, los ciclos de temperatura y elenvejecimiento, suman su efecto y pueden producir errores de medicin.

Adems de la proteccin contra el medio ambiente, los termoelementos deben estar aislados elctricamente entres en todos los puntos, excepto en la junta de medicin.

La aislacin elctrica se obtiene mediarte diversos materiales dielctricas, tales como barnices, plsticos, fibrasinorgnicas y cermica. Los regmenes generales de temperatura para esos materiales de aislacin se hallan consignados enla Tabla 4.6.

Las aislaciones plsticas protegen los termoelementos contra la humedad o la contaminacin por fluidos. Sonaplicables a temperaturas relativamente bajas en comparacin con las inorgnicas. Los tipos de aislacin fibras inorgnicassuelen ser suministrados con impregnaciones a prueba de humedad que se queman cuando se las expone a temperaturassuperiores a 200 - 260 C. Los aislantes cermicos resistentes al calor se utilizan en las clases de termocuplas de metalbsico y metales nobles. Por encima de 1.300C, se recomiendan los aisladores de almina para las termocuplas de metalnoble. Con las debidas precauciones pueden emplearse de berilio y torio a 2.200 C.

Si se produce la degradacin de la aislacin del alambre a un grado tal que aparezca un contacto elctrico entre losdos termoelementos en algn otro punto que no fuera la junta de medicin, la seal producida por la termocuplacorresponder a la diferencia de temperatura entre la junta de referencia y la nueva junta que evidentemente constituye unajunta secundaria

Calibracin Termoelemento positivo Termoelemento negativo

J Blanco RojoK Amarillo RojoT Celeste RojoE Prpura Rojo

RS Negro RojoTabla 4.5 Cdigo de colores de aislacin.

Tipo general de aislacinRgimen general mximo de

temperatura, en F

Kapton + 700Nylon + 350


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Tefln + 500PVC + 210Asbestos + 1.000Fibra de vidrio + 900Cermica Cordierite o Mullite + 1.800Cermica Almina + 3.000

Tabla 4.6 Regmenes de temperatura para aislacin.

1.7VAINAS DE PROTECCINFrecuentemente se requiere una proteccin adicional de los termoelementos. Existen numerosos materiales para laproteccin de termocuplas en diversas aplicaciones industriales. La Tabla 4.7 consigna los materiales ms comunes

empleados en las vainas protectoras de termocuplas y los respectivos datos sobre aplicacin los que, como mximo,pueden ser considerados lineamientos generales. Esta informacin no puede ser tomada como una garanta de usoadecuado o satisfactorio de ninguno de los materiales enumerados en una aplicacin especfica, debido a las numerosasvariables posibles y que no pueden consignarse en una tabla de este tipo. Tales variables pueden estar referidas aimpurezas, concentracin, ciclos de temperatura, vibracin, etc.

Existen muchos otros materiales que proporcionan una adecuada proteccin a las termocuplas. Numerososfactores, como ser maquinabilidad, ductilidad y costo, determinan la conveniencia de utilizar los materiales consignados enla Tabla 4.7 para las vainas protectoras. Algunos de esos materiales slo se suministran en determinados rangos detamaos de vainas o tubos protectores. Otros pueden obtenerse en una gama dimensional ms amplia.

Material RECOMENDACIONES Y APLICACIONESAcero

Inoxidable 304

Hasta 899 C en condiciones oxidantes. Tiene en general buena resistencia a la oxidacin y la

corrosin en una amplia gama de ambientes industriales. Susceptible de precipitacin de carburo,que puede reducir su resistencia a la corrosin en el rango de 427 a 538 C. Buenas propiedadesmecnicas desde -184 hasta +788C. Las principales reas de empleo como proteccin determocuplas se registran en las industrias qumica, de alimentos, plsticos y petrleo. Consideradoen general como material estndar para proteccin de termocuplas.

AceroInoxidable 310

Hasta 1.149 C en condiciones oxidantes. La principal rea de aplicacin la constituyen los tubos decalderas de usinas elctricas, hasta 982C. .

AceroInoxidable 316

Hasta 927 C en condiciones oxidantes. Los mismo campos de aplicacin que el acero inoxidable304, pero tiene mejor resistencia a la corrosin por cidos y a las picaduras.

AceroInoxidable 446

Hasta 1.093 C en condiciones oxidantes. Excelente resistencia a la oxidacin y a la corrosin aelevada temperatura. Las principales reas de aplicacin son los hornos de cementacin, nitruraciny revenido; los baos de sal, de plomo derretido; estao y metal babbit; las atmsferas sulfurosas.No apto para atmsferas carburizantes. Otros campos de aplicacin son los fosos de remojo de acero,baos de estaado, calderas de calor residual calcinadores de minerales, chimeneas de cemento,

tubos de calderas hasta 982 C, incineradores mezcladores de asfalto hasta 1093 C, chimeneas detanques de vidrio.

lnconel 600

Hasta 1.149 C en condiciones oxidantes. Las condiciones reductoras disminuyen la temperaturamxima a 1038C. No debe ser colocado en atmsferas sulfurosas por encima de 538C. Losprincipales campos de aplicacin como proteccin de termocuplas son los hornos de carburizacin,los baos de sal de cianuro, los tubos bajantes de altos hornos, las chimeneas de emanaciones desolera abierta, los Fosos de remojo de acero, las calderas de calor residual, los calcinadores deminerales, las chimeneas de salida de plantas de cemento, las de tanques de fabricacin de vidrio. Sefabrica actualmente lnconel 601 en tamaos comunes con una mayor resistencia a la oxidacin a altatemperatura y al azufre

NquelHasta 1.149 C en condiciones oxidantes. No debe ser colocado en presencia de azufre por arriba de538 C. Los principales campos de aplicacin son los baos de sal de cianuro de potasio, salmueras,custicos, exposicin a productos qumicos a alta temperatura.

Acero alcarbono - C1018

Hasta 538C en ambientes no oxidantes. El principal campo de aplicacin son los baos de

galvanizacin, baos de estaado, metal babbit derretido, magnesio derretido, cinc derretido,refineras de petrleo en operaciones como desparafinado y craqueo trmico.

Acero de bajaaleacin (Yoloy)

Hasta 677C en ambientes no corrosivos. Algo superior al acero al carbono, reemplaza al hierroforjado, Los campos de aplicacin son los hornos de revenido hasta 677C, estufas, secadores decermica, chimeneas de salida de tanques de fabricacin de vidrio.

lncoloy 800Hasta 1093C en condiciones oxidantes. Similar al lnconel 600 pero menos adecuado en elementoscusticos derretidos y nitrurantes. Mayor resistencia al azufre que el lnconel.

Kanthal Hasta 1.260 C en condiciones oxidantes. Buena resistencia al azufre a elevada temperatura.

Hierro fundidoHasta 704 C en condiciones oxidantes. Principal campo de aplicacin: para metales derretidos noferrosos, recomendndose blanqueo diario. Puede ser utilizado hasta 871C en condicionesreductoras.


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Material RECOMENDACIONES Y APLICACIONESCermica

metlica LT- l

Hasta 1.374 C en condiciones oxidantes. Principales campos de aplicacin son las aleacionesderretidas a base de cobre hasta 11 49C, gases de alto homo y de chimenea hasta 1.316 C,quemadores de azufre hasta 1093C, hornos de cemento hasta 1204C, reactores de procesosqumicos hasta 1371 C. Se requiere un tubo primario de cermica cuando se utiliza una termocuplade metal noble.

Mullite (63%almina)

Hasta 1.510 C. Tiene escasa resistencia al choque mecnico, buena resistencia al choque trmico.Para baos de sales de cloruro de bario hasta-1288C. Debe ser montado en forma vertical oproversele de apoyos si va en forma horizontal. Para aplicaciones de alta temperatura en la industriacermica, tratamientos trmicos, fabricacin de vidrio.

Almina (96% )Hasta 1.760 C. Tiene resistencia slo regular al choque trmico y mecnico. Esencialmente losmismos campos de aplicacin que el Mullite; incluyendo hornos de fusin a induccin y al vaco.

Carburo desilicio

Hasta 1.649 C. Para tubo de proteccin secundaria con tubo primario de almina o Mullite. Parahornos de ladrillo y cermica, fosos de remojo de acero, metales derretidos no ferrosos. Puedesoportar impacto directo de llama.

Cuarzo Hasta 1093 C. Excelente resistencia al choque trmico. Para oro y plata derretidos.

OtrosAdems de los materiales metlicos y cermicos citados ms arriba, han sido satisfactoriamenteutilizados ciertos recubrimientos plsticos, como ser de Tefln, Vitn, Kynar y otros, para brindarproteccin contra la corrosin en numerosos ambientes y productos qumicos. .

Tabla 4.7 - Materiales comunes para vainas o tubos protectores de termocuplas.

1.8CONSIDERACIONES GENERALESAdems de las diversas consideraciones para la proteccin de termocuplas relativas a la calibracin o clase de

termocupla y al material de la vaina protectora elegida se debe tener en cuenta que una termocupla ha de estar ubicadaadecuadamente, con respecto a la carga de trabajo, mientras la fuente de energa debe ser controlada siempre que latermocupla sea utilizada con instrumentacin de control.

Las consideraciones a tener presentes son la de la perturbacin del flujo provocada por el sensor si el mismo seadentra en una corriente lquida o gaseosa; la insercin en el medio que est siendo medido (ya sea un fluido o un slido)hasta una profundidad suficiente como para permitir que la junta de medicin responda a los cambios de temperatura deeste medio antes que ser afectada por la temperatura del medio ambiente; y, en ciertas condiciones, un correctoconocimiento del flujo de calor hacia o desde la junta de medicin debido a la conductividad trmica de los elementostermoelctricos y de los materiales protectores.

En la mayora de las aplicaciones industriales, los errores derivados del flujo de calor a travs del sensor sondespreciables, pero la profundidad de insercin, la fuente de alimentacin y la ubicacin del sensor y de la carga de trabajoson factores fcilmente controlables durante la etapa de diseo del sistema. La siguiente gua general es una regla empricaaproximada para insercin de termocuplas. La inmersin mnima del sensor en fluido o medio a ser medido debe ser de 4 a10 veces el dimetro exterior de la vaina de proteccin.

Los conjuntos de termocupla suministrados con vainas protectoras pueden obtenerse con tres tipos de junta (fig4.130): con conexin a tierra, sin conexin a tierra (aisladas) y expuestas.

La junta con conexin a tierra es la ms comn. Este tipo puede obtenerse en conjuntos que posean vainas o tubosde proteccin , elctricamente conductores e implica que la junta de medicin de la termocupla est en 'contacto elctricocon el tubo protector.

Vaina de

proteccin

Junta con conexin a tierra

Elemento de

termocupla

Vaina de

proteccin

Junta aislada de tierra

Material

Aislante

Elemento de

termocupla

Vaina deproteccin

Junta expuesta

Figura 4.130 Tipos de junta de las termocuplas En el caso de la junta sin conexin a tierra, durante la etapa de fabricacin se adoptan medidas para aislar

elctricamente la junta de medicin con respecto a un tubo protector elctricamente conductor. Este tipo de junta se utiliza


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cuando la termocupla es empleada con instrumentacin sin aislacin elctrica interna. La junta del tipo sin conexin a tierraes ms lenta en responder que el tipo con puesta a tierra para una determinada masa de extremo de junta, pero puede ser eltipo de junta ms robusto y confiable.'

Se tiene una junta expuesta cuando la junta de medicin de la termocupla no se halla protegida por ningnmaterial. Es sta la junta de ms rpida respuesta, pero la ms susceptible de sufrir fallas por corrosin.

En su aplicacin industrial ms generalizada, las termocuplas son utilizadas para detectar una temperatura. Esposible utilizar un grupo de termocuplas adecuadamente conectadas entre s para producir una seal que indiquetemperatura promedio o multiplique la seal disponible proporcionada por un solo sensor. Para medir la temperaturapromedio desde varios puntos, pueden conectarse termocuplas de resistencia similar con la junta de referencia en paralelo

(figura 4.131). La seal producida corresponde a la de una termocupla que tiene su junta de medicin a la temperaturamedia de las juntas de medicin individuales. Deben utilizarse termocuplas sin puesta a tierra cuando se agrupantermocuplas para fines de promedio de temperatura.

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

Juntas de

referencia

Al Instrumento

T

1T

2T

3T

4T

NT

N

TTTTTT

N4321 L

Juntas de

medicin

Figura 4.131 Asociacin de termocuplas en paralelo Cuando un grupo de termocuplas de igual resistencia son conectadas en serie (fig 4.132) la seal producida

corresponde a la de la suma de las seales de las termocuplas individuales. La temperatura promedio detectada por, la

termocupla es obtenida dividiendo la seal producida por el grupo de termocuplas por la cantidad de stas en el grupo. Lasinstalaciones en serie amplifican los pequeos cambios de temperatura, debiendo emplearse termocuplas sin conexin atierra.


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1T

2T

3T

4T

NT

Juntas dereferencia

Juntas de

medicin +

+

+

+

+

-

-

-

-

-

Al Instrumento

T

N4321

TTTTTT LFigura 4.132 Asociacin de termocuplas en serie

2.TERMORRESISTENCIAS ESTNDAR TIPO PT100)Los conductores elctricos presentan, en general, un aumento de resistencia con la temperatura, segn una ley que

puede expresarse en forma simplificada por la siguiente ecuacin:

( )[ ]00 1 TTRR TT += donde se denomina coeficiente trmico de resistencia.

Aprovechando esta propiedad, se construyen sondas de temperatura, pero para ello se requiere un material cuyocoeficiente se mantenga relativamente constante y que d una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen

construir a base de muchos materiales, por ejemplo el platino, cuyo coeficiente trmico es de C00385 . Dichassondas suelen tener un valor nominal de 100 a 0C, de donde se deriva el nombre de Pt100, dado que son las msutilizadas. A las termorresistencias se las suele llamar RTD (Resistanse temperature Detector).

Un RTD puede tomar muchas formas. Los elementos de RTD usados a menudo se muestran en la figura 4.133. Lamisma muestra un alambre de elemento de platino fino enrollado alrededor un cilindro, muy delgado, cermico. Se usan amenudo elementos de resistencia de platino, pero tambin se usa el nquel, cobre y nquel-hierro. Los alambres de salida sesueldan al elemento de resistencia. Todo esto es encapsulado en vidrio, a fin de proveerle un sellarlo y prevenga lacontaminacin.

Figura 4.133 RTD tipobobina Figura 4.134 RTD tipo Film

Figura 4.135 RTD aisladocon Klapton

El RTD en la figura 4.134 se logra depositando una pelcula delgada de platino u otro metal en a una superficie decermica (platelet). Se conectan los alambres de salida y el conjunto se recubre con vidrio o epoxy para proteccin. Lafigura 4.135 muestras un alambre de platino puesto entre dos capas de un aislante de poliamida (Kapton). Este conjuntotiene ventaja de ser flexible.


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Al contrario de una termocupla o termopar, no hay ninguna seal elctrica generada por un RTD. Para que unelemento controlador debe medir la resistencia haciendo circular una pequea corriente a travs del RTD. Basado en lacorriente y el voltaje utilizado, se calcula la resistencia.

Los aumentos de temperatura producen un aumento en la resistencia de un RTD (y una disminucin al bajar latemperatura). Como se indica en la figura 4.136, la resistencia varia con la temperatura de forma muy lineal como seadvirti al comienzo. Esta curva tambin es conocida como un TCR (Temperature Coefficient of Resistanse).

Fugura 4.136 Curvas de variacin de resistencia para PTCUn RTD utiliza o est caracterizada por un valor base de resistencia, generalmente a cero grado centgrado. Por

ejemplo, las RTD de platino tienen un valor bastante bajo de 100 a 0C. Sin embargo existen RTD de platino que tienenuna base de resistencia de 500 o incluso 1000 a 0C. Otras RTD utilizan otros metales para su concepcin, que tambinresultan de valores bajos de resistencia, pero que presentan una buena linealidad ante las variaciones de temperatura, como

se muestra en la tablaTipo de elemento Rango de temperatura Resistencia Base [ ]CTCR

Platinum DIN 200 to 650 C (330 to 1200 F) 100at 0 C 0.00385

Platinum JIS 200 to 650 C (330 to 1200 F) 100at 0 C 0.003916

Copper 100 to 260 C (150 to 500 F) 10at 25 C 0.00427

Nickel 100 to 205 C (150 to 400 F) 120at 0 C 0.00672Element Type Temperature Range Base Resistance TCR(// C)Nuestro estudio en este punto lo enfocaremos en las RTD de platino, ya que son las utilizadas casi con

exclusividad en la industria. Existen dos normas industriales para la fabricacin de RTD de platino (Pt100): Las normasDIN y las JIS Las primeras, las ms utilizadas por los fabricantes, utiliza un coeficiente de variacin de la resistencia con la

temperatura (TCR) de 0.003850C

. Las normas JIS usa, en cambio un TCR de 0.003916C

.

Los catlogos de productos establecen para cada temperatura el valor de resistencia, como se muestra en la tablasiguiente:

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 100.00 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51

10 103.90 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.40

20 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.73 110.12 110.51 110.90 128

30 167 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 113.99 114.38 114.77 115.15

40 115.54 115.93 116.31 116.70 117.08 117.47 117.85 118.24 118.62 119.01

50 119.40 119.78 120.16 120.55 120.93 121.32 121.70 122.09 122.47 122.86


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60 123.24 123.62 124.01 124.39 124.77 125.16 125.54 125.92 126.31 126.69

70 127.07 127.45 127.84 128.22 128.60 128.98 129.37 129.75 130.13 130.51

80 130.89 131.27 131.66 132.04 132.42 132.80 133.18 133.56 133.94 134.32

90 134.70 135.08 135.46 135.84 136.22 136.60 136.98 137.36 137.74 138.12

Ahora bien, si nosotros tenemos termocuplas, qu ganaramos cambindolas por RTD?. Los sensores de RTDtienen grandes ventajas por encima de las termocuplas. Las ventajas mayores son:

Estabilidad: Los RTD son con el tiempo muy estables. Esta estabilidad no es propia de las termocuplas, que

varan su comportamiento en el tiempo. Esto significa que las medidas tomadas por el RTD resultan ms exactasque las termocuplas en el tiempo.

Confiabilidad: se refiere al la habilidad de RTD de medir la misma temperatura con la misma precisin despus delos calentamientos repetidos y los ciclos trmicos. Estos ciclos trmicos de calentamiento y refresco, hacen a lastermocuplas que varen su precisin dentro del margen de tolerancia. Por ejemplo una RTD se pone a 100C en unhorno y mide 100.0C, y medir 100.0C, aun despus de varios ciclos de calentamientos y refrescos. En cambiopara una termocupla, mide 100C una vez, y la prxima podr medir 99. y la prxima 101, y as sucesivamente. a.

Exactitud: Puesto que estamos analizando la exactitud, comparemos el la exactitud de RTD con las de lastermocuplas. Supongamos el caso que a una determinada temperatura de una conocida RTD, se desea saber suresistencia. Con solo ir a la tabla precedente podemos saberlo. Sin embargo si lo medimos con un elemento deprecisin, obtendremos que el valor medido es mayor. ?Qu ha ocurrido?, bueno es correcto pensar que el sistemade medicin no solo tom en cuenta el valor de la RTD, sino tambin el valor del cable de conexin. Parasolucionar esto se recurre al conexionado con 3 y 4 hilos. Como se ve en la figura 4.137, los de tres hilos, laresistencia es medida entre los puntos 2 y 3 y se le resta el valor de la resistencia medida entre 1 y 2, con lo cual

solo nos queda el valor real de la resistencia. Para el caso de los de 4 hilos el valor medido entre 2 y 3 se le restapor separado los medidos entre 1 y 2 y entre 3 y 4.otro mtodo consiste en llevar el valor de la resistencia de laPt100 a un transmisor muy cercano al elemento y luego transmitir una seal de 4-20 mA, proporcional al valormedido.

1

RTD

2 3

RTD de tres hilos

1

RTD

3 4

RTD de cuatro hilos

2

Figura 4.137 RTD de tres y cuatro hilos de conexionado Es verdad que las RTD tienen sus desventajas como: costo: Cuando nosotros sabemos, el platino es material extremadamente caro. Por otro lado la elaboracin de una

RTD requiere de mayor tecnologa. Es por eso que una RTD tiene un coste de alrededor 2 a 3 veces ms respectoa la termocupla.

Rango de temperatura: El Platino que se usa en las RTD tiene un rango de temperatura que va desde los -200 a650C. Hay tambin algunas RTD que puede llegar a los 850C, sin ningn tipo de problemas de linealidad. Parael caso de los otros materiales utilizados en las RTD, esta limitacin es aun mayor dado que abarca temperaturasmenores (vase la tabla ).

Variacin respecto a los cambios de temperatura: Una unin de una termocupla es muy pequea y fcilmente tomacalor del medio, y rpidamente alimenta de esta informacin al sistema medidor o controlador. Para el caso de las

RTD, esto no es tan fcil. Los elementos de los RTD responden mucho ms lento a los cambios de temperaturapor dos razones: Uno, el calor tiene que fluir a travs del epoxy o las capas de vidrio cobertores. Dos, Se debealcanzar que toda la superficie del elemento que compone el RTD alcance una temperatura uniforme, antes de quemida una temperatura exacta. Si la temperatura no es la misma a todo lo largo del elemento que forma el RTD,medir una temperatura incorrecta. Como una regla general, un RTD tendr una velocidad de respuesta de 2 a 4veces ms lenta al cambio de temperatura respecto a la termocupla..

Para identificar los cables de conexionado en una RTD debemos medir el valor de resistencia entre sus puntos. Elvalor en el cual se halla la Pt100 propiamente dicha debe existir un valor de alrededor de 110, mientras que los hilos decompensacin (entre 1 y 2 y entre 3 y 4), no debe llegar a 1.

Veamos ahora como es la construccin de una RTD que puede esperar ver en la industria. Para esto utilizaremosuna capa delgada de Kapton se ha enrollado el material resistente, por ejemplo platino. Para temperaturas bajas( a 260C),


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el elemento del RTD se suelda por sus extremos a un alambre de cobre o nquel. Toda este subconjunto es insertado dentrode un tubo de vidrio cerrado. Dentro del tubo se rellena las partes vacas con un polvo o grasa termal. En el extremo abiertodel tubo se coloca una pasta de epoxy a fin de sellar la entrada de contaminantes, dejando salir los alambres de conexiones,como se indica en la figura.En versiones de temperatura ms altas (a 650C), el interior del RTD es rellenado con un mineral aislante, como se muestraen la figura.

Termorresistencia

Grasa trmicaVaina protectora Sello

Epoxi

Conductores

aislados

RTD de baja temperatura

Termorresistencia

Vaina

protectora SelloEpoxi

Conductores aisladosOxido de magnesio

compactado

Adaptador de

conexionado

RTD de aislacin mineral para alta temperatura

Figura 4.138 Composicin de una RTD. 3.TERMORRESISTENCIAS DE SEMICONDUCTOR TERMISTORES PTCY NTC)Las sondas PTC y NTC son esencialmente termorresistencias a base de semiconductor. stos suelen presentar

coeficientes de sensibilidad bastante mayores que en el caso de metales, pero a costa de un gran prdida de linealidad.Las PTC (Positive Temperature Coefficient) son resistencias construidas a base de xidos de bario y titanio, que

muestran cambios muy bruscos de valor a partir de una cierta temperatura. Precisamente la temperatura de cambio es un

parmetro caracterstico de las PTC. En la figura 4.139 se muestra la caracterstica aTemperatursistenciaRe adistintas frecuencias para una sonda PTC.

Debido a su comportamiento poco lineal, se aplican bsicamente en combinacin con circuitos detectores deumbral como elementos todo-nada.

Las NTC son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo (Negative Temperature Coefficient),construidas a base de xidos de hierro, cromo, cobalto, manganeso y nquel dopados con iones de titanio o litio. Elcomportamiento frente a las variaciones de temperatura puede expresarse, aproximadamente, por la siguiente ecuacin:

= TB

eAR donde A y B, son constantes que dependen de la NTC y T es la temperatura en grados Kelvin. Por lo general, los valoresde resistencia se refieren a 25C, con lo que resulta una relacin:

= 2981

1

25

T

B

CT eRR

El valor de la constante B se suele determinar experimentalmente a partir de los valores de resistencia a 0C y a50C. La figura 4.140 muestra la caracterstica real de distintos tipos de NTC. Como puede verse, presentan una fuertealinealidad con la temperatura (tngase presente que la escala de ordenadas es logartmica), por lo que su respuesta debenormalmente compensarse.


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Figura 4.139 Curvas de una PTC Figura 4.140 Curvas de una NTC

Veremos a continuacin algunas de las aplicaciones de los termistores. Veamos el caso de la limitacin decorriente en el arranque de un motor.

Para asegurar una velocidad de respuesta adecuada, los motores para compresores de frigorficos a aireacondicionado, son provistos con una bobina de arranque extra para obtener el torque necesario en el arranque. Esta bobinade arranque necesita ser puesta fuera de servicio, una vez el motor alcanz su estado nominal. El termistor de PTC realizaesta funcin, presentando en el arranque una baja resistencia, con lo cual toda la tensin aparece en la bobina principal y la

bobina de arranque. A medida que el PTC toma temperatura, aumenta rpidamente su resistencia, hasta que la corriente porla bobina de arranque se reduce a un valor insignificante, produciendo que esta ltima no genere interferencias con labobina principal. En la figura 4.141 pueden verse el PTC y el conexionado del mismo.

Figura 4.141 PTC para motores de compresores y su conexionadoOtra aplicacin importante para las PTC, son los casos en que se conecta en paralelo con termostatos del tipo

bimetlicos. Con el bimetlico solo, al llegar al lmite de corriente este abre, producindose que al bajar la temperatura delmismo este vuelve a cerrar, producindose varios ciclos de encendido apagado, que puede producir daos en la carga. Altener el termistor en paralelo y, al abrirse el bimetlico, la corriente se deriva por el termistor que al aumentar sutemperatura aumenta su resistencia rpidamente, con lo cual limita el valor de corriente a pocos miliamperes, protegiendoel aparato. El calor generado por la PTC, hace que el bimetlico no se enfre y no vuelva a cerrar sus contactos, hasta tantono se corte la llave general. En la figura 4..142 puede verse su conexionado.


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Figura 4.142 PTC en paralelo con termostatosOtra importante funcin de los termistores, es la de proteccin de cargas ante la sobre corriente o el

sobrecalentamiento. El PTC puede utilizarse para transformadores, motores y circuitos electrnicos. Al producirse unasobre corriente, la resistencia del PTC aumenta considerablemente y protege el aparato, sin daarse como por ejemplo lohara un fusible. Este tipo de PTC se construyen en material cermico para soportar temperaturas mayores y varios ciclosde calentamiento enfriamiento sucesivos. En la figura 4.143 podemos ver su conexionado y su apariencia.

Figura 4.143 PTC para proteccin de sobrecorriente

4.COMPARATIVA ENTRE LOS SENSORES DE TEMPERATURASensor Ventajas Desventajas

Termocupla

Simple Alta temperatura de operacin Bajo costo Alta velocidad de respuesta Un solo punto de medicin La resistencia de los cables no

crea errores.

Baja sensibilidad ante pequeos

cambios de temperatura. Los cables de las termocuplas

deben ser especiales y de altocosto.

Baja exactitud La transmisin es afectada por

ruidos electromagnticos. Poca estabilidad y repetibilidad.

RTD

Estabilidad de la medida en eltiempo.

Mayor exactitud. Muy resistentes a la

contaminacin y corrosin de loselementos.

Poca histresis ante ciclos decalentamiento enfriamiento .

Alto costo. Baja velocidad de respuesta. Baja sensibilidad ante poca

variacin de temperatura. Sensibles a la vibracin. Frgil. El elemento se descalibra si se

pasaron los rangos de temperatura.

Termistores

PTC NTC

Alta sensibilidad ante los cambiosde temperatura.

Alta estabilidad en el tiempo. Puede utilizarse Nquel o cobre en

los cables de extensin.

Rango de temperatura limitado. Muy frgiles. El elemento se descalibra si se

pasaron los rangos de temperatura. Falta de estandarizacin para los

reemplazos entre distintas marcas.

capiv-termocuplas y termopares

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