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Escalas de temperatura. Termocuplas:principio de funcionamiento, caracte-rísticas generales, tipos estanda-rizados, cables de compensación.Termorresistencias, principio de ope-ración, tipos, conexiones. Termisto-res. Sistemas de protección.
TEMA 2: ELEMENTOS DE TEMPERATURA
Sistemas de dilatación: clasificación, aplicaciones y limitaciones. Indicado-res: termómetros de vidrio y bimetálicos. Pirómetros de radiación, principio de funcionamiento, componentes, aplicaciones. Sistemas de control de temperatura. Especificación técnica
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Macroscópicamente, es la propiedad intrínsecade la materia que cuantifica la posibilidad quetiene un cuerpo de transferir energía térmica.
Esto resulta del “Principio cero de la Termodinámica”
TEMPERATURA:
Microscópicamente, la Tempe-ratura está vinculada con elnivel de energía que poseenlas moléculas de un cuerpo.
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Se toma comoreferencia cambiosde estados desustancias purasque se producen auna temperaturafija.
ESCALAS DE TEMPERATURA
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La Escala Internacional de temperaturas (ITS-90)fue adoptada por el Comité Internacional de Pesasy Medidas en su reunión en 1989.
ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURAS DE 1990 ITS-90
La unidad fundamental conocida) como latemperatura termodinámica, el Kelvin (K), se definecomo la fracción 1/273.16 de la temperaturatermodinámica del punto triple del agua.
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La temperatura es la variable que másfrecuentemente se mide en ambientes industriales.Fundamentalmente con dos propósitos:
¿ POR QUÉ MEDIR TEMPERATURA EN
AMBIENTES INDUSTRIALES ?
CONDICIONES OPERATIVASPara mantener condiciones de trabajo en unproceso. (Monitoreo, control y registro)
SEGURIDADCondiciones de alta o baja temperatura quepueden influir negativamente en el proceso.
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ELEMENTOS PRIMARIOS
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SENSORES INDUSTRIALES
PRINCIPIO
GENERAL TIPO Principio de funcionamiento ALCANCE (°C)
Termocupla
La f.e.m. inducida en dos
alambres de distintos metales o
aleaciones depende en forma
directa de la diferencia de
temperaturas entre los dos
extremos soldados (juntas).
-200 a 2000
Termoresistencias
Se infiere la temperatura a partir
de la variación en la resistencia
eléctrica de un metal,
generalmente platino, cobre o
níquel.
-200 a 700 ELÉCTRICOS
Termistores
Similar al anterior, pero de un
semiconductor. La resistencia
tiene relación inversa con la
temperatura.
< 300
RADIACIÓN
TÉRMICA
Pirómetros óptico,
de radiación total
y de relación
Sistema que mide la temperatura
basándose en la radiación que
emite la superficie cuya
temperatura es censada. El
elemento sensible no está en
contacto con el cuerpo sobre el
que se practica la medición.
-40 a 4000
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SENSORES INDUSTRIALES
PRINCIPIO
GENERAL TIPO Principio de funcionamiento ALCANCE (°C)
Sistemas de
dilatación
Son elementos que aprovechan la
capacidad de los fluidos (líquidos
y gases) de dilatarse con la tempe-
ratura. Generalmente se asocian a
transmisores neumáticos.
-195 a 760
Termómetros de
vidrio
Similares a los anteriores pero
para indicación sobre una escala. -200 a 350 EXPANSIÓN
TÉRMICA
Bimetálicos
Consisten en dos piezas de
aleaciones de distinto coeficiente
de dilatación térmica que
producen cambios de forma por
efecto de la temperatura.
-50 a 500
VISUALES Indicadores de
color
Se trata de compuestos químicos
que tienen la propiedad de
cambiar su color con la
temperatura. Solo sirven de
indicación
-50 a 1000
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Un termocupla se compone de dos hilos dediferentes metales unidos en sus extremos. Lasuniones se llaman juntas. Una junta es la juntacaliente o de medición y la otra la de referencia ojunta fría.
TERMOCUPLAS
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ial El principio de medición de temperatura con
termocuplas se basa en tres principios físicos:
TERMOCUPLAS
1.- Efecto Seebeck: al unir dos cables de materialesdiferentes formando un circuito, se induce una fuerzaelectromotriz cuando las juntas se encuentran a diferentetemperatura.
3.- Efecto Thomson: un gradiente de temperatura en unconductor metálico está acompañado por un gradiente devoltaje, cuya magnitud y dirección depende del metal quese esté utilizando.
2.- Efecto Peltier: cuando una corriente eléctrica fluye através de una junta de dos metales diferentes, se libera oabsorbe calor. Cuando la corriente eléctrica fluye en lamisma dirección que la corriente Seebeck, el calor esabsorbido en la junta caliente y liberado en la junta fría.
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El Efecto Seebeck esel preponderante enmediciones industriales.
TERMOCUPLAS
)()( RBRA TTSTTS
Coeficientes de Seebeck (absolutos)
dTdSd AB
))(()( RBARAB TTSSTTS
Coeficiente de Seebeck (relativo A a B)
Como el Coeficiente de Seebeckdepende de la temperatura laforma más general es diferencial
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ial Hay termocuplas estandarizadas (Norma
internacional IEC-584 que unificaestandarizaciones nacionales DIN, BS, ANSI,etc.). Son siete y se identifican con una letraMayúscula.
ESTÁNDARES PARA TERMOCUPLAS
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Rangos de aplicación de Termocuplas estandarizadas
ESTÁNDARES PARA TERMOCUPLAS
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Las Curvas características determocuplas se presentan como tablas,gráficos o fórmulas polinómicas.
ESTÁNDARES PARA TERMOCUPLAS
...)T(Ta)T(Ta)T(Taaε3
R3
2
R2R10
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El estándar establece la incertidumbre de cada tipo
ESTÁNDARES PARA TERMOCUPLAS
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Casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J ó del tipo K.
ESTÁNDARES PARA TERMOCUPLAS
Las termocuplas tipo J se usan ampliamente en laindustria del plástico, goma (extrusión e inyección )y fundición de metales a bajas temperaturas.
La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornosa temperaturas menores de 1300 °C (fundición de cobrey hornos de tratamientos térmicos).
Las termocuplas R, S, B son típicas en la industria Siderúrgica.
Las tipo T son usadas en la industria de alimentos,donde compiten con las termoresistencias Pt100.Especiales para aplicaciones criométricas
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Hay diversas termocuplas que no tienen estándares generales,y se suelen emplear en aplicaciones especiales.
ESTÁNDARES PARA TERMOCUPLAS
Tungsteno – Rhenio: termopar que puede ser utilizado enforma continua hasta 2300 ºC y por periodos cortoshasta 2750 ºC
Iridio – Rhodio/Iridio: Utilizados por periodos limitadoshasta 2000ºC
Oro – Hierro/Cromel: Utilizados en temperaturascriogénicas
NicroSil(1) - NiSil(2) - (níquel-cromo-silicio / níquel-silicio): Calibración desde - 240 a 1.230°C; similar a latermocupla Tipo K, con una mejor estabilidad y mayorvida útil
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1. Deben generar fem suficientes para el instru-mental de adquisición, dentro del rango demedición.
2. La calibración del par debe ser estable3. El par debe ser intercambiable.4. Resistencia del par a las condiciones de pro-
ceso (robustez)5. Ser económico
PROPIEDADES REQUEIRDAS A LOS PARES DE METALES
UTILIZADOS EN TERMOCUPLAS
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En las termocuplas se emplean cables normalizados y algún tipode aislante adecuado. La unión de medición se forma en unextremo soldando los dos alambres conductores fundiéndolosentre sí bajo una atmósfera inerte de argón.
TERMOCUPLASAspectos constructivos
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La termocupla suele irmontada en una carcasao vaina cerrada en suextremo. Debe ser dealguna aleación metálicao cerámica a fin deresistir las condicionesdel proceso, corrosivas,alta temperatura, etc.
TERMOCUPLASAspectos constructivos
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Hay unidades blindadaso herméticas en las quelos cables conductoresestán envueltos en unpolvo mineral aislante einerte compactados enuna camisa metálica quese sella.
La camisa puede ser deacero inoxidable oaleaciones de níquel. Lasunidades herméticas seconsiguen en diámetrosexternos desde 0.25hasta mas de 10 mm.
TERMOCUPLASAspectos constructivos
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ial Las termocuplas que tienen la unión caliente
expuesta directamente al proceso tienen unarespuesta más rápida (menor tiempo derespuesta) ya que las variaciones detemperatura no necesitan atravesar la vainapara ser detectadas.
Junta Expuesta
Junta Aislada
Junta Soldada
TERMOCUPLAS - Aspectos constructivos
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El material de la junta soldada no influye ya que se encuentra a la misma temperatura de medición T
ε
TR
TR
T
Cable A
Cable B
Material C
)(
)()()(
RAB
RBCRA
TTS
TTSTTSTTS
TERMOCUPLAS - Aspectos constructivos
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Hay múltiples formas en que sepuede montar el elemento demedición con su vaina.
(a) Unión roscada
(b) Vaina soldada
(c) Unión bridada
TERMOCUPLASAspectos constructivos
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CABEZAL
RESORTE
HILOS CON
ASILACIÓN
NIPLE DE
EXTENSIÓN
TERMOVAINA
JUNTA DE
MEDICIÓN
BLOCK DE
TERMINALES
DISPOSITIVO
DE EXTENSIÓN
AISLACIÓN DE LA
TERMOCUPLA
ROSCA DE
CONEXIÓN
TERMOCUPLAS - Aspectos constructivos
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El tiempo de respuesta varía segúnel diámetro, tipo de junta y medio.
TERMOCUPLAS Dinámica
Medio: aire
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El tiempo de res-puesta varía según eldiámetro, tipo dejunta y medio.
Medio: agua
TERMOCUPLAS Dinámica
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ial Un inconveniente la necesidad de "compensación de cero".
Cuando el instrumento está muy retirado del lugar demedición, no siempre es posible llegar con el mismo cable de latermocupla al instrumento. Al empalmar los cables de latermocupla con un conductor normal de cobre se producirándos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas,generando cada una fem adicional.
ε
TR
TR
T
Cable A
Cable B
Junta
CalienteConductor de cobre
Ta
)(
)()()()(
aAB
aRCuaBaARaCu
TTS
TTSTTSTTSTTS
La referencia pasa a ser la temperatura ambiente en el punto de conexión
TERMOCUPLAS – Compensación de cero
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La solución al problema de los cables de conexión es usar losllamados "cables compensados" para hacer la extensión delcable. Estos exhiben el mismo coeficiente de Seebeck de latermocupla (pero hechos de otro material de menor precio) ypor lo tanto no generan termocuplas parásitas en el empalme..
)()()(
)()()()(
RABRaXYaAB
aRYaBaARaX
TTSTTSTTS
TTSTTSTTSTTS
Un par compensado cumple que
ε
TR
TR
T
Cable A
Cable B
Junta
Caliente
Par compensado
Cable X
Cable Y
XYAB SS
TERMOCUPLAS – Compensación de cero
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Cables Compensados paratermocupla tipo J concubierta de fibra de vidrioy malla Ac. Inoxidable.
Cables Compensados paratermocupla tipo R/S deGoma Siliconada sanitaria.
TERMOCUPLASCables compensados
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ial La fem neta generada es función de las temperaturas de ambas
juntas, por lo que se requiere el control o la compensación de latemperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual sepuede lograr de maneras distintas.
El método básico y más exacto es el de controlar latemperatura de la junta de referencia,
Otro método consiste en medir la temperatura en lajunta de referencia utilizando cualquier tipo dedispositivo de medición de temperatura, y luego,compensar la lectura de la temperatura de la junta demedición.
TERMOCUPLAS – Compensación de cero
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TERMOCUPLAS Transmisión de señales
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TRANSMISOR DE TEMPETATURA
Hay transmisores dedicados y transmisores universales que manejan distintos tipos de entradas: termocuplas estándar, RTD, mV, etc.
Montaje separado en campo o remoto
Montaje en campo
Cableado de un transmisor de temperatura
Montaje en campo
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TERMOCUPLAS Código de colores para cableado
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TERMORESISTENCIASLas termorresistencias trabajan según el principio de que en la resistencia eléctrica de un metal cambia (aumenta) con la temperatura.
Los metales que se emplean
son platino, níquel, níquel-
hierro,cobre y
tungsteno.
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TERMORESISTENCIAS
El platino es el metal más empleado por la precisión y estabilidad aunque presenta mayores costos. A nivel industrial la más difundida es la Pt-100 (R = 100 a 0 ºC).
Para el platino en intervalos estrechos vale
Para intervalos amplios, se aplica la Polinómica de Calendar – van Dusen
Normas IEC 751, BS-1904, ASTM 1137
Vale alrededor de 0.0385
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TERMORESISTENCIAS
El níquel es una alternativa al platino debido a su menor costo, pero no es suficientemente lineal.
El cobre presenta una mayor linealidad, pero tiene la desventaja de presentar baja resistencia eléctrica, lo que hace que su precisión sea menor. Además su rango de aplicación es bajo.
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TERMORESISTENCIAS
Precisión Para el platino, en función a la incertidumbre de medición en dos clases:
Clase A: 0,15 ºC ± 0,002.|t|
Clase B: 0,3 ºC ± 0,005.|t|
donde |t| es el valor absoluto de la temperatura en (ºC)
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TERMORESISTENCIASForma Constructiva
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TERMORESISTENCIASForma Constructiva
Se construye en forma de espiral y recubiertos o encerrados en un cuerpo aislante de cerámica o vidrio que posee una relación de expansión vs. Tempera-tura muy similar a la del platino dentro del rango de trabajo
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TERMORESISTENCIASForma Constructiva
Se debe prestar especial cuidado para evitar
tensiones que alteren la relación estándar de
resistencia-temperatura
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TERMORESISTENCIASProtección
Las termorresistencias de platino se pueden fabricar con unagran variedad de tubos de protección (vaina). Normalmente seusa acero inoxidable, aceros especiales o aleaciones, como elInconel, Incoloy y Hastelloy.
Requerimientos:• Permitir el mayor intercam-
bio posible de temperaturaentre la resistencia deplatino y el medio.
• Soportar las vibraciones ygolpes propios de la mani-pulación
• Compensación de las dife-rencias en el compor-tamiento térmico entre elsoporte y la resistencia.
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TERMORESISTENCIASProtección
El aspecto exterior de las termorresistenciasindustriales es prácticamente idéntico al delas termocuplas.
Cabezal
Conector
Transmisor local
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TERMORESISTENCIASMedición de Resistencia
El proceso de medición de la resistencia del sensor está afectado por la resistencia de los hilos de conexión. Este efecto es función de la longitud de estos hilos. Existen varias configuraciones para la medición de la resistencia para inferir la temperatura.
Dos hilos
Tres hilos
Cuatro hilos
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TERMORESISTENCIASConfiguración con dos hilos
Es la configuración más elemental. En un puente de Wheatstonese conecta directamente la termoresistencia a través de doscables que presentan resistencias L1 y L2 . La tensión de entradaes conocida y la variable de salida es la tensión de salida Vout
R3 se emplea para fijar el cero del instrumento
Si se desprecia laresistencia de loshilos, resulta:
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TERMORESISTENCIASConfiguración con dos hilos
Si se considera la resistencia de los hilos entonces
Se ve que esto altera la estimación de la termoresistencia y sólo se aplicaría para longitudes cortas de cables.
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TERMORESISTENCIASConfiguración con tres hilos
Una conexión de tres hilos sirve para considerar la resistencia del cable.
Los tres cables deconexión deben teneridéntica sección, lon-gitud y material.
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TERMORESISTENCIASConfiguración con cuatro hilos
La vía más efectiva paraeliminar los efectos de loshilos conductores es concualquiera de las versionesde cuatro hilos.No se requiere puente comose indica en la figurasiguiente. En este método,una corriente constante esconectada a dos de los hilosde la RTD, la caída devoltaje en la RTD esmedida en los otros dosconductores. La caída detensión es independiente delos efectos de los hilosconductores.
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TERMORESISTENCIASAutocalentamiento
El calentamiento por efecto Joule es un problema inherentea todo transductor resistivo. Aunque la cantidad de calordisipada suele ser pequeña, puede ser apreciable elaumento de temperatura respecto del medio cuyatemperatura se está sensando.
El coeficiente de disipación U A para sensores industrialesestá normalmente entre 1 y 20 mW/ºC.
Ejemplo. Si se disipan 2,5 mW enuna Pt-100 como consecuencia deuna corriente de 5 mA, el errorcometido resulta
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TERMORESISTENCIAS Transmisión de Señales
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TERMORESISTENCIAS Instalación
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TERMOCUPLAS VERSUS TERMORRESISTENCIAS
Ventajas RTD- Alta Precisión- Mejor Linealidad- Mejor Estabilidad- No requiere compensación por junta fría- No requieren hilos de extensión especiales
Desventajas RTD- Él limite de temperatura máxima es más bajo- El tiempo de respuesta sin termovaina es más alto- Pueden requerir configuraciones tri y tetrafilares
Ventajas y Desventajas de la RTD en relación con laTermocupla
Las termocuplas son los sensores de temperatura másampliamente utilizados a nivel industrial. Sin embargo, haynumerosos profesionales que consideran que las termocuplas secaracterizan por ser simples, baratas y "miserables" debido a lafacilidad con que las salidas pueden resultar erróneas.
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TERMISTORES
Los termistores son dispositivos semiconductores cuya cuyaresistencia cambia con la temperatura.
Estos dispositivos presentan grandes coeficientes detemperatura negativos (NTC), es decir, que su resistenciadisminuye cuando la temperatura aumenta. Los materialescon que se fabrican pueden ser mezclas sintetizadas desulfatos, selenio, óxidos de níquel, manganeso, hierro,cobalto, cobre, magnesio, titanio, uranio, y otros metales.
Existen también termistores con coeficiente térmicopositivo (PTC) fabricados de bario sintetizado y mezclas deestroncio y titanio, pero son menos sensibles y más caros.
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TERMISTORESLa ecuación que domina el cambiode resistencia de un termistorrespecto a la temperatura estádada por:
Por tratarse de material semiconductor, los termistorestienen un rango limitado que va de -20 ºC a 150 ºC, y comose puede apreciar en la ecuación anterior, su respuesta es nolineal por el término exponencial.
Estos dispositivos que presentan el fenómeno de envejeci-miento (derivas altas).
El coeficiente beta usualmenteestá entre -3500 y -4600 K.
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TERMISTORES
Comparación de resistencia de termistores NPT vs Pt-100
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TERMISTORESLos encapsulados de los termistores requieren de materiales queconduzcan muy bien la temperatura como son: vidrios, resinasepóxicas, etc.. Dentro de los tipos de encapsulados se puedeencontrar las siguientes formas:
Disco
Gota de vidrio
Barra
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TERMISTORES Circuitos
Los circuitos que seemplean, tienden agenerar salidas lineales
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COMPARACIÓN ENTRE ELMENTOS ELÉCTRICOS
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TERMÓMETROS DE VIDRIO
Constan de un bulbo que contiene un fluido que al calentarse se expande a
través de un tubo capilar.
El ejemplo más conocido es el de mercurio líquido.
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TERMÓMETROS DE VIDRIO
Se utilizan otros líquidos Aparte delmercurio, según las temperaturas que sedeben medir.
Fluido Valor
mínimo ºC
Valor
máximo ºC
Mercurio líquido -35 280
Mercurio, tubo
capilar con gas -35 450
Pentano -200 20
Alcohol -110 50
Tolueno -70 100
Con estos termómetros solo se puedetener indicación local de la variable.
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SISTEMAS TÉRMICOS LLENOS (de bulbo y capilar)
Un sistema lleno detecta latemperatura a través de unavariación de volumen opresión de un fluido queacompaña a una variación detemperatura.
El acondicionamiento de laseñal de presión generada através de la dilatación dellíquido o el aumento depresión del gas o vapor, serealiza a través de tubos deBourdon. Éstos se desenrollany mueven la aguja indicadorasobre el dial (o pantalla desistema neumático)
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SISTEMAS TÉRMICOS LLENOS
Se requiere compensación detemperatura ya que bulbo yelemento receptor pueden estar adistintas temperaturas.
Con capilares de longitudes menores a 5 metros se compensa sólo el elemento de medición, por medio de un bimetal se compensa la variación de temperatura del liquido por efecto del medio ambiente.
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SISTEMAS TÉRMICOS LLENOS
Cuando el tubo capilar eslargo, se usa un segundotubo capilar sin bulbo,cerrado en el extremocorrespondiente al bulbo(paralelo al tubo capilar)desde el bulbo y acciona unBourdon helicoidal idénticoen la caja del instrumento,de tal modo enlazado con elelemento original, que cual-quier dilatación en estecapilar corrector se restadel otro sistema y corrigetoda dilatación, excepto ladel bulbo medidor.
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SISTEMAS TÉRMICOS LLENOS
Tipos de dispositivos clasificados por SAMA
A Con plena compensaciónB Con compensación parcial
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SISTEMAS TÉRMICOS LLENOS
Estos dispositivos estánsiendo desplazados comoelementos industriales demedición.
Se los emplea paraindicación, como interruptory también como transmisores(usualmente neumáticos)
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BIMETÁLICOS
Este termómetro consisteen una cinta hecha de dosmetales (o aleaciones) decoeficientes de dilatacióntérmica muy diferente,tales como el Invar y ellatón, soldados cara concara en toda su longitud.
Una elevación detemperatura cambia lacurvatura de la cinta.
Las cintas bimetálicas seemplean para actuar sobrecontactos eléctricos, opara indicación.
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BIMETÁLICOS
Son muy adecuados para indicación local. La aguja va directamente vinculada al bimetálico en forma Mecánica.
Los bujes permiten un giro con bajo nivel de rozamiento.
Los valores de incertidumbre de estos instrumentos no son bajos (alrededor del 1% del span)
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BIMETÁLICOSLos indicadores locales tienegran versatilidad para sermontados en campo.
Conexión inferior
Conexión posterior
Conexión en ángulo variable
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BIMETÁLICOS
Se usan extensamente
para interruptores
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PIRÓMETROS – Radiación Todo cuerpo emite radiación electromagnética en todas laslongitudes de onda. La radiación electromagnética es clasificadaen "bandas", de acuerdo a su longitud de onda.
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PIRÓMETROS – Radiación Ley de Kirchhoff
Cuando un cuerpo está en equilibrio térmico la cantidad deenergía que absorbe es igual a la que emite.
Balance de Energía
En el equilibrio laenergía que absor-be es igual a laque entrega.
La energía inci-dente es igual a lasuma de la energíaque se refleja,más la que seabsorbe más la quese transmite.
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PIRÓMETROS – Radiación
Cuerpo Opaco
El cuerpo opaco no transmite nada, pues la radiación no loatraviesa. Un vidrio común es opaco al infrarrojo. Elcoeficiente de emisión es igual al de absorción
Cuerpo Negro
Cuerpo negro es un cuerpoideal que absorbe toda laenergía radiante que le llega.No refleja nada de la energíaque le llega.
No transmite nada de laenergía que le llega. Emiteenergía y en el equilibrio seráiguala la que le llega.
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PIRÓMETROS – Ley de Plank
La Densidad de FlujoRadiado W (potencia porunidad de área y porunidad de longitud deonda) se vincula con lalongitud de onda y conla emisividad delobjeto con la expresión
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PIRÓMETROS – Ley de Wien
La ley de Wien describe el valormáximo de la curva de densidadde energía irradiada y muestraque este valor máximo varía enfrecuencia e intensidad enfunción de la temperatura.
La longitud de onda correspon-diente al máximo viene dado por:
Con la Ley de desplazamientode Wein se puede evaluar enque longitudes de onda esconveniente hacer lasmediciones
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PIRÓMETROSLey de Stefan-Boltzmann
Relaciona la potencia total (entodas las longitudes de onda) porunidad de área emitida por uncuerpo y su temperatura. Resultade integrar la ecuación de Plank:
es una propiedad dela superficie deno-minada emisividad
El resultado es unaexpresión sencilla yes el fundamento dela medición:
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PIRÓMETROS - EmisividadLa emisividad espectral () es la relación entre la energíaemitida en una determinada longitud de onda y la emitida por elcuerpo negro (0 < () < 1). El calificativo de espectral esprecisamente por que depende de la longitud de onda (Ley dePlank)
La emisividad global o total es la relación entre la energíatotal emitida por un cuerpo y la correspondiente a la de uncuerpo negro (Ley de Stefan-Boltzmann)
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PIRÓMETROS - Cuerpo GrisUn cuerpo gris es aquel que tiene una misma emisividadespectral para toda longitud de onda. Algunos materialescomo el aluminio presentan esta característica.
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PIRÓMETROS
La emisividad del cuerpo cuyatemperatura se mide debeser conocida. Esto puedeoriginar origina errores.
Los pirómetros es un instrumentocapaz de medir la temperatura deun cuerpo a partir de la radiaciónque emite. Se basan en la teoríacuántica de la radiación de cuerponegro. Sirven para indicación,transmisión y como interruptores.
Para las mediciones industriales,las longitudes de onda abarcandesde 0.1 (ultravioleta) hasta 12 (infrarojo).
PIRÓMETROS – Características
No requiere contacto con el objeto (mide “mirando”).Esto lo hace apto para aplicaciones en las que es difícilinsertar otro dispositivo o resulta peligroso.
Pueden emplearse para objetos en movimiento
Puede emplearse para medir a grandes distancias.
Amplio rango de temperaturas,pudiendo medir valores muysuperiores a las posibilidades conotros sensores.
PIRÓMETROS – Tipos
Pirómetro de Banda Angosta
Tienen una respuesta en longitud de ondarelativamente angosta y cuidadosamente seleccio-nada, a menudo para satisfacer requerimientosespecíficos. Los pirómetros ópticos se puedenconsiderar como un caso especial de esta categoría
Pirómetro de Banda Ancha o de Radiación Total
Los más simples y baratos. Responden a una zonamuy amplia del espectro abarcando longitudes deonda desde 0,3 μm hasta 2,5 μm ó 20 μm
Pirómetro de Relación
Son en esencia dos pirómetros combinados comprar-tiendo elementos en común (lentes, detector, etc.) yque trabajan en longitudes de onda distintas. Lamedición es relativamente independiente del tamañodel objetivo, de su distancia y de su emisividad.
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BANDA ANCHA
Evalúan la temperaturade acuerdo con la Ley deStefan-Boltzman.
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PIRÓMETROS DE BANDA ANCHA
De acuerdo con la Leyde Stefan-Boltzman.
Donde P es latransparencia dela atmósfera, T0
la temperaturacorrespondiente alcuerpo negro.
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PIRÓMETROS DE BANDA ANCHACaracterísticas
Amplio rango de longitudes de onda.De 0,3 μm hasta 2,5 μm ó 20 μm
Sensible al humo, humedad y otrosgases que absorben radiación.
Necesidad de un sistema óptico limpio
Los alcances se ubican entre temperaturas ambiente y hasta los 4000 ºC.
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PIRÓMETROS DE BANDA ANGOSTAEstos dispositivos trabajan en un estrecho rango de longitudesde onda, entre 0.5 a 25 μm aproximadamente. La longitud deonda se elige en función del rango de temperatura y el tipode superficie a medir.
Se trabaja en lazona del pico deradiación y por lotanto, aplicando laLey de Wien
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PIRÓMETROS DE BANDA ANGOSTA - ÓPTICO
Tienen una lámpara incandescente, generalmente de tungsteno,alimentada por una fuente que regula su luminosidad. Unsistema óptico se encarga de superponer la luz de la lámpara yla del objetivo para que puedan ser vistos simultáneamente. Unfiltro rojo deja pasar la luz de λ > 650 nm. El ojo humano,proporcionan el intervalo de longitud de onda necesario
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PIRÓMETROS DE BANDA ANGOSTA - ÓPTICO
Filamento más frío que el objetivo
Filamento más frío que el objetivo
Filamento y objetivo a la
misma temperatura
Filamento más caliente que el objetivo
Para tomar una medición, se observa através del ocular y se ajusta manualmente laintensidad de la lámpara hasta que ésta seaindistinguible de la radiación del objetivo.
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PIRÓMETROS DE BANDA ANGOSTACaracterísticas
Se alcanza una buena precisión quepuede estar entre 0.5 y 2 % Span
El ancho de banda estrecho se logracon filtros apropiados. Cuando másestrecha la banda, más preciso es elinstrumento
La longitudes de onda se eligen paraevitar la interferencia de la humedado del dióxido de carbono de laatmósfera
Una vez calibrado, cubre rangos de temperatura mucho más estrechos
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PIRÓMETROS DE RELACIÓN
Hay dos sensores combinados con elementos en común (comolas lentes y el detector), pero que trabajan con radiacionesde distinta longitud de onda. El dispositivo genera una señalque es el cociente de las respuestas individuales .
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PIRÓMETROS DE RELACIÓN
Aplicando la Ley dePlank y haciendo elcociente, resulta:
La idea es que la señal“cociente” depende de latemperatura, pero es rela-tivamente independiente deltamaño y de la distancia alobjetivo, a diferencia delos otros pirómetros.
Si la emisividad del objetivoes la misma para las doslongitudes de onda delinstrumento, la mediciónresulta independiente deesta cantidad (o del cambiode la misma).
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PIRÓMETROS DE RELACIÓNFactores que afectan la medición
Emisividad desconocida o variable
Hay varias maneras de determinar laemisividad de un objeto. En caso detratarse de materiales estándares, comoaceros y plásticos, los valores deemisividad están tabulados:
De otro modo hay que hacer aproximaciones y para esoexisten algunas técnicas:
Materiales no metálicos: 0,85 - 0,90Metales no oxidados: 0,50 - 0,20Alumnio, oro y plata: 0,02 - 0,04
Por contrate con un termómetro de contacto.
Usando una máscara de emisividad conocida enel objetivo
La emisividad tiene gran influencia en los pirómetros deradiación total
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PIRÓMETROS DE RELACIÓNFactores que afectan la medición
Interferencia en el campo de visión
La radiación del objetivo puede seratenuada por: obstrucción física porhumo, polvo o vapor, absorción por otrosgases en el campo de visión, bloqueointermitente por un cuerpo opaco fríoque obstruye el campo de visión.
Conviene analizar elespectro de absorciónde cualquier materialque obstruye el campode visión, para evitaremplear longitudes deonda que coincidan conlas líneas de absorción
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PIRÓMETROS DE RELACIÓNFactores que afectan la medición
Angulo de visión
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PIRÓMETROS - Detectores
Los elementos que miden laradiación proveniente delobjeto pueden ser:.
TermopilasTermocuplas en serie
Sensores fotoeléctricosElementos que generan señaleseléctricas que cambian por efectode la radiación infrarroja
BolómetroMedidor de la radiación térmica basados en RTDs
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PIRÓMETROS DE IMAGEN (Scan)
Hay pirómetros que generan imágenes de
color que dan un mapa de las temperaturas
sobre la superficie. Son de indicación.
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INDICADORES, REGISTRADORES Y CONTROLADORES
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INDICADORES, REGISTRADORES Y CONTROLADORES
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INDICADORES VISUALES DE TEMPERATURA
Hay rótulos (autoadhesivos)con pigmentos que cambian de color enforma reversible o irreversible paraindicación de niveles de temperaturas
Indicador irreversible
Indicadores reversible
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INDICADORES VISUALES DE TEMPERATURA
La variante es usar pintura ocrayones con pigmentostemrosensibles
Crayones para marcar
Pinturas
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LAZO DE CONTROL DE TEMPERATURA
Temperatura de recalentamiento de
una caldera
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INSTRUMENTOS COMERCIALES
LAND -Cyclops 390B Furnace Pro
http://www.landinst.com/
ROSEMOUNT RTD Sensors
http://www2.emersonprocess.com/en-US/brands/rosemount/Temperature/
General Purpose Test Wells
http://www.omega.com/
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INSTRUMENTOS COMERCIALES
Tranmisor de Temperatura TF212/TF212-Ex
http://www.abb.com/
http://www.conar.com
YTA110 Temperature Transmitter
http://www.yokogawa.com/
Sensor de Temperatura a Termoresistencia