ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS: CALOR Y TEMPERATURA

La Temperatura es difícil de definir, ya que no es una variable tan tangible como lo es la presión, dado que en su caso, no podemos referirla a otras variables.

La física térmica es la disciplina que estudia la temperatura, la transferencia y transformación de la energía. Nuestro recorrido empieza con conceptos que utilizamos en nuestra vida diaria: frío y calor; conoceremos sus respectivas descripciones para saber que se puede tomar o llevar a la boca sin quemarse. Veremos que, aunque la temperatura puede considerarse una cantidad básica, como el tiempo, por lo general se le relaciona con la concentración de energía térmica en un sistema material.

ENERGÍA TÉRMICA

El fuego se conoce desde los inicios de la civilización humana, y no fue sino hasta el siglo XVIII que los científicos comenzaron a entender la diferencia entre los cuerpos calientes y los fríos.

Se creía que cuando un cuerpo se calentaba, un fluido invisible llamado calórico se unía al cuerpo. Así los cuerpos fríos contenían menos calórico que los cuerpos calientes. También la teoría del calórico podía explicar el aumento de tamaño de los cuerpos al calentarse, pero no podía explicar el por qué las manos se calentaban al frotarse entre sí.

A la mitad del siglo XIX, los científicos desarrollaron una nueva teoría para sustituir la del calórico. La nueva teoría suponía que la materia está compuesta por partículas muy pequeñas (átomos, moléculas) que se mueven muy rápido y, por lo tanto, tienen mayor energía que las partículas de un cuerpo frío. Esta teoría recibió el nombre de teoría cinética molecular. A la suma de la energía cinética y la energía potencial del movimiento interno de las partículas de un cuerpo se le llama energía interna o energía térmica del cuerpo.

La energía térmica se transmite de 3 formas distintas: la conducción, la convección y la radiación.

> La conducción es la manera más común en los cuerpos sólidos, ésta es la transferencia de energía cinética entre las partículas del cuerpo cuando ellas chocan, transfiriendo energía cinética las moléculas con mayor temperatura las moléculas con menos temperatura o, lo que es lo mismo, menos energía cinética. Ejemplo de conducción es una sartén con sopa, colocada sobre la estufa. El calor es conducido al material del que está hecha la sartén, lo que provoca que ésta se caliente.

> El movimiento de los fluidos (líquidos o gases) provocados por la diferencia de temperaturas y de densidades transfiere calor por convección. Las corrientes de convección de la atmósfera son las responsables del estado atmosférico de nuestro planeta. Por ejemplo, en nuestras casas hay cuartos más calientes que otros, esto es por el movimiento de las corrientes de aire dentro de ella. No tienen la misma temperatura la cocina y la sala, ni la recámara y el baño.

> La radiación es el proceso por el cual el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas. El calor radiante se puede reflejar o refractar, es decir, parte de él se absorbe y otra parte se refleja. Por eso los cuerpos de color oscuro absorben más rápido el calor que los objetos de color claro. Un ejemplo común de esta transferencia de energía térmica es la energía solar.

El calor es la transferencia de energía térmica de un lugar a otro.

TEMPERATURA

Comprendido lo anterior, podemos llegar a la conclusión de que un cuerpo caliente tiene más energía térmica que un cuerpo “frío” semejante. Esto significa que, las partículas del cuerpo con mayor temperatura tienen más energía cinética y potencial que las partículas del cuerpo “frío”.

Ahora bien, ¿cómo se mide la “cantidad de calor” de un cuerpo ? La cantidad de calor o el grado de calor se mide sobre una escala específica, es una propiedad de un cuerpo llamada temperatura. La temperatura es una medida de la energía total promedio que tiene cada partícula del objeto en estudio. En un cuerpo más caliente las partículas se mueven más rápido, debido a que tienen mayor energía cinética. Para los gases, la temperatura es proporcional a la energía cinética media o promedio de las partículas. La temperatura no depende del número de partículas que posea un objeto. La energía térmica de un objeto es proporcional al número de sus partículas, mientras que su temperatura no lo es.

La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia. Por otra parte, si, positivamente, podremos definir los efectos que los cambios de temperatura producen sobre la materia, tales como los aumentos o disminución de la velocidad de las moléculas de ella, con consecuencia palpable, tales como el aumento o disminución del volumen de esa porción de materia o posibles cambios de estado.

CALOR Y TEMPERATURA, relaciones y diferencias.

Como ya hemos indicado antes el calor y la temperatura son dos cosas diferentes. La relación entre ellas es causal ya que la temperatura viene siendo un efecto de la transferencia del calor.

La temperatura nos indica hacia dónde va a fluir el calor cuando se ponen dos cuerpos en interacción; el calor pasa del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, hasta que ambos llegan a una temperatura estable. Más adelante veremos que no es necesario que exista contacto entre dos cuerpos para que haya transferencia de calor.

Por costumbre utilizamos indistintamente el término calor o temperatura para comunicar sensaciones de calor o de frío que percibimos mediante nuestro sentido del tacto. Sin embargo, el calor y la temperatura son distintos, ya que cada uno representa conceptos diferentes y tiene sus propias unidades de medición. Toda la materia, sin importar su estado físico (sólido, líquido o gaseoso), se compone de átomos y moléculas en agitación continua y, pesar de su movimiento, los átomos y moléculas pueden unirse para formar una gran cantidad de elementos y compuestos químicos, los que a su vez se combinan para formar los cuerpos que nos rodean. A las fuerzas que permiten estas uniones se les conoce como fuerzas de cohesión. Como estas partículas se mueven, automáticamente poseen energía cinética y el incremento en la energía interna causa un efecto en la materia que podemos percibir: el calor.

El calor es la energía que fluye como resultado de una diferencia de temperatura y, la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de un determinado cuerpo.

ESCALAS DE TEMPERATURA

Anders Celsius, físico y astrónomo sueco, se basó en las propiedades del agua pura para desarrollar una escala de temperatura, conocida bajo el nombre de escala Celsius. Las propiedades que utilizó Celsius fueron: el punto de congelación del agua, a la cual le asignó el valor de cero grados (0°C) y, el punto de ebullición del agua al nivel del mar, a la cual se asignó el valor de cien grados (100°C). La temperatura de nuestro cuerpo en esta escala es de 37°C.

La temperatura no tiene un límite superior, por ejemplo la superficie del sol tiene una temperatura alrededor de 10 4 °C, pero sí un límite inferior. Si tomamos un gas “ideal” (el cual se considera que sus partículas no tienen volumen y no interactúan entre sí) y lo enfriamos, se puede contraer hasta tener un volumen cero a la temperatura de –273.15°C. En este valor de la temperatura en la escala Celsius, la energía térmica del gas se suprime y es imposible reducir más su energía térmica. Lo que trae como consecuencia que no pueda existir una temperatura menor a –273.15°C. Esta temperatura recibe el nombre de cero absoluto.

La escala de temperaturas que se basa en el cero absoluto se conoce como Kelvin, en esta escala el punto cero (0 K) es el cero absoluto, el punto de congelación del agua (0°C) es 273.15 K, y el punto de ebullición del agua (100°C) es 373.15 K. Esta escala debe su nombre al científico escocés Lord Kelvin, que realizó muchas contribuciones al estudio de la termodinámica.

Existe otra escala de temperaturas llamada Fahrenheit. Esta escala debe su nombre a Gabriel Daniel Fahrenheit, quién utilizó mercurio para medir la temperatura y señalo el punto de fusión o congelación del agua a 32°F y el punto de ebullición en 212°F

Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son:

- Temperaturas absolutas - Temperaturas relativas

Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado estático o con energía cinética nula.

Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común.

En Sistema Métrico Decimal, las escalas relativas y absolutas son:

- la Escala Celsius o de grados Centígrados (relativa) - la Escala Kelvin (absoluta)

La equivalencia entre las dos escalas es:

Grados Kelvin = Grados Centígrados + 273

En el Sistema de Medidas Inglesas, su equivalente será:

- La Escala Fahrenheit (Relativa) - La Escala Rankine (Absoluta)

la equivalencia entre estas dos escalas es:

Grados Rankine = Grados Fahrenheit + 460

Por otra parte, las escalas Celsius y la Fahrenheit están referidas al mismo patrón, pero sus escalas son diferentes. El patrón de referencia usado para su definición fueron los cambios de estado del agua. Estos puntos son:

CAMBIO DE ESTADO ºCELSIUS ºFARENHEIT

SOLIDO - LIQUIDO 0 32

LIQUIDO - GAS 100 212

Como se puede deducir de la tabla anterior, por cada grado Celsius de cambio térmico tendremos 1,8 grados Fahrenheit de cambio equivalente. De todo esto, la equivalencia entre estas dos escalas será:

Grados Fahrenheit = Grados Celsius * 1,8 + 32

Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad con frecuencia incluye la medición de temperaturas. Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea, tal como se muestra en la figura 1. El ingeniero de procesos y el instrumentista deben decidir cuál de los sensores es mejor para una situación en particular.

EQUILIBRIO TERMICO Y TERMOMETRÍA

Cuando tenemos dos cuerpos con diferentes temperaturas y están en contacto de manera que fluye calor entre ellos decimos que están en contacto térmico. Como ya comentamos anteriormente, el calor fluye del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura, pero ¿qué sucede una vez que los dos cuerpos han alcanzado la misma temperatura? Cuando los cuerpos alcanzan una misma temperatura, ya no fluye calor entre ellos por lo que se dice que alcanzaron un equilibrio térmico. Veamos un ejemplo: cuando sospechamos que tenemos fiebre, se busca un “termómetro” y se coloca en la boca, después de cierto tiempo se obtiene una medida de la temperatura de nuestro cuerpo. A escala microscópica sucede lo siguiente: primero el cuerpo está a una temperatura mayor comparada con la del termómetro, lo cual quiere decir que las partículas de nuestro cuerpo tienen una energía térmica mayor.

Cuando el termómetro, hecho normalmente de vidrio, toca nuestro cuerpo, las partículas del cuerpo chocan con las partículas del vidrio. Estos choques, por conducción, transmiten energía a las partículas de vidrio, aumentando la energía térmica de las partículas que componen el termómetro. Conforme las partículas de vidrio adquieren más energía, empiezan a transferir energía de vuelta a nuestro cuerpo, hasta que la tasa de transferencia de energía entre el cuerpo y el vidrio es la misma, alcanzando el equilibrio térmico.

El termómetro es un instrumento que sirve para medir la temperatura de los cuerpos. Funciona colocando en contacto directo con el objeto hasta que alcanzan el equilibrio térmico. Su funcionamiento depende de una propiedad física de los materiales conocida como volumen, el cual varía con la temperatura. El termómetro trabaja de la siguiente manera: en el interior del tubo de vidrio (en los termómetros caseros) existe un tubo angosto en el que se encuentra ya sea alcohol coloreado o mercurio que, al calentarse, comienza a subir por el tubo. Entre más se

caliente el termómetro mayor será la altura de la columna que ocupe el fluido y de acuerdo a la graduación del tubo se sabrá la temperatura del cuerpo u objeto determinado.

TIPOS DE INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE TEMPERATURA

Los diferentes tipos de instrumentos que son usados para la medición de la temperatura son básicamente los siguientes:

1. - Termómetro de Vidrio 2. - Termómetro Bimetálico 3. - Termopares 4. - Termoresistencia ( RTD ) 5. - Pirometro de Radiación

TERMÓMETRO DE VIDRIO

Este tipo de instrumento, es el más conocido por nosotros; consta de un tubo de vidrio hueco, con un deposito lleno de un fluido muy sensible volumétricamente a los cambios de temperatura.

Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cuáles, vendrán limitados, por los puntos de solidificación y de ebullición de los antes citados fluidos. Algunos de estos son:

Mercurio -35 a 280 °C Mercurio (tubo de gas) -35 a 450 °C Pentano -200 a 20 °C Alcohol -110 a 50 °C Tolueno -70 a 100 °C

Estos son frágiles, requieren de una posición específica para funcionar, además de tener un rango muy limitado de la variable.

TERMÓMETROS BIMETÁLICOS

Fig.: Dialatación de una barra

Todos los instrumentos de medición de temperatura utilizan algún cambio en un material para indicar la temperatura. Algunos de los efectos que se utilizan para indicar la temperatura son los cambios en las características físicas y variación en las dimensiones físicas. Una de las características físicas más importantes usadas en instrumentos de medida de temperatura es el cambio en la longitud de un material en la forma de expansión y contracción.

Considere la barra homogénea uniforme ilustrada en la figura adjunta. Si la barra tiene una longitud dada (LO) a una cierta temperatura y es calentada, se expandirá (Lf). La cantidad de expansión o dilatación ∆L es una función de la longitud original y del aumento de temperatura. La cantidad que un material cambia en longitud con la temperatura se llama coeficiente de expansión lineal (también: coeficiente de expansión térmica, coeficiente de dilatación lineal, etc.).

Fig.: Efecto de una dilatación diferente en una barra compuesta por dos metales superpuestos, de diferente coeficientes de dilatación ( bimetálico ). Esta diferencia produce una curvatura de la barra conjunta, debido a que un material sé elongará mas que el otro.

Al igual que el termómetro de vidrio, utilizan el fenómeno de cambios volumétricos, para su funcionamiento. El termómetro bimetálico, consta, como su nombre lo dice, de dos barras metálicas de diferentes metales unidas rígidamente, al ser estos materiales diferentes, tendrán necesariamente, que tener diferentes coeficientes de dilatación lineal.

Si dos materiales con diferentes coeficientes de dilatación lineales se colocan juntos, a medida que se producen cambios de temperatura, sus índices de expansión serán diferentes. Esto hará que el conjunto se doble en un arco como se muestra en la figura adjunta. Mediante este método, funcionan la gran mayoría de los termostatos (interruptores de temperatura) y algunos termómetros indicadores locales.

La figura adjunta muestra un termómetro bimetálico. En ella, una tira bimetálica se bobina en forma de hélice larga. Un extremo de la hélice se mantiene rígido. Mientras que la temperatura varía, la hélice intenta enrollarse o desenrollarse. Esto hace al extremo libre girar. El extremo libre está conectado con una aguja indicadora. La aguja indica realmente la rotación angular de la hélice; sin embargo, puesto que la rotación es lineal y es función de la temperatura, la escala se marca en unidades de temperatura.

TERMOPARES

El termopar se basa en el principio, del efecto que fuera descubierto en 1821 por Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través de esos materiales circulará una corriente.

El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente precisos y muchos más económicos que las termoresistencias.

Existen muchos métodos para realizar mediciones prácticas de temperatura. De todos ellos, unos fueron desarrollados para aplicaciones particulares mientras que otros han ido cayendo en desuso.

Las termocupulas constituyen hoy en día el sistema de medición de temperatura más usado y de mejor acceso.

Esta forma de medición abarca el rango de temperaturas requerido para la mayoría de las mediciones exigidas.

Termocupulas de diferentes tipos pueden cubrir un rango de 250°C hasta 2.000°C y más si fuera necesario

DISPOSITIVOS DE MEDICION DE TEMPERATURA

Veamos el concepto de trasductores :Trasductores son aquellos elementos de un circuito electrónico que efectúan una trasposición de una variable física en una eléctrica. Podemos diferenciar dos clases de trasductores:

1) Los de entrada: (o sensores) que transforman una variable física dada, en una variable eléctrica - por lo general la primera se encuentra en uno de los 5 campos de señales mas comunes - radiante, químicas , magnética, térmica ó mecánica , mientras que la segunda queda restringida normalmente a variaciones de tensión y corriente, a veces en forma directa o indirectamente a través de variación de algún parámetro pasivo (Resistencia, capacidad, inductancia) .

2) Los de Salida: (o actuadores) estos traducirán una variable eléctrica a un variable física en alguno de los 5 campos mencionados.

Trasductores de temperatura , los más comunes son: Termocupla, termorresistencia y elementos de estado sólido.

A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicación dada, se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimientos de mantenimiento. Estos factores serán analizados a continuación en relación a aquellos dispositivos de uso más común en las industrias de proceso: termocuplas, termoresistencias , termistores , sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos.

En la Tabla 1 se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estándar. Estos rangos no representan los extremos alcanzables, sino los límites que pueden medirse con los dispositivos disponibles por lo general en el mercado y que son suministrados por la mayoría de los fabricantes. Se pueden

Eléctricos

• Termocuplas • Termorresistencias • Termistores • Resistores de carbono • Diodos • Detectores de ruido

Johnson • Transistores • Cristales de cuarzo • Sales paramagnéticas

Mecánicos

• Sistemas de dilatación

• Termómetros de vidrio con líquidos

• Termómetros bimetálicos

Radiación térmica

Pirómetros de radiación - Total ( banda ancha ) - Óptico - Pasabanda - Relación

Varios

• Indicadores de color - Lápices - Pinturas Sondas neumáticas

• Sensores ultrasónicos

• Indicadores pirométricos

• Termómetros acústicos

• Cristales líquidos • Sensores

fluídicos. • Indicadores de

luminiscencia (Termografía )

medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo.

1. Termocuplas

Si se presenta un gradiente de temperatura en un conductor eléctrico, el flujo de calor creará un movimiento de electrones y con ello se generará una fuerza electromotriz (FEM) en dicha región. La magnitud y dirección de la FEM será dependientes de la magnitud y dirección del gradiente de temperatura del material que conforma al conductor. Las termocuplas se basan para su funcionamiento en el efecto SEEBEK :

Calentado la juntura de dos materiales distintos que componen un circuito cerrado, se establece una corriente.

Las leyes principales que rigen su funcionamiento son:

1) Ley de Homogeneidad del circuito: No se puede obtener corriente calentando. un solo metal. (efecto Thompson )

2) Ley de Metales Intermedios: La sumatoria de las diferencias de potencial térmicas es cero en un circuito con varios metales, si estos están a temperatura uniforme.

En la figura siguiente ambos instrumentos marcarán igual, es decir la corriente circulante dependerá en ambos casos de T1 y T2 exclusivamente.

3) Ley de Temperaturas intermedias: La fuerza electromotriz térmica de una TMC no depende de las temperaturas -intermedias.

Tabla 1 - Rangos de temperatura correspondientes a los métodos mas comunes de medición . SISTEMA RANGO EN ºC Termocuplas -200 a 2800 Sistemas de dilatación (capilares o bimetálicos ) -195 a 760 Termorresistencias -250 a 850 Termistores -195 a 450 Pirómetros de radiación -40 a 4000

La tensión de una Termocupla cuyas junturas se hallan a temperaturas T y TR respectivamente es:

Se ve que a medida que (T - TR) crece la respuesta se hace no-lineal.

Es deseable entonces para que una TMC tenga un gran rango de medición, que: a) K1 SEA lo mayor posible b) K2, K 3 - - - Kn SEAN lo menor posible c) el punto de fusión de sus metales componentes sea lo mayor posible. d) gran resistencia al ataque químico.

Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones. Uno de los extremos, la junta de medición, está colocado en el lugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia que se mantiene a temperatura constante . Se produce entonces una fuerza electromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas (fig. 2).

En una termocupula, dos materiales que tienen diferentes características FEM / temperatura, se combinan para producir voltaje de salida que puede ser cuantificado.

Existen varias reglas a recordar en el empleo de estos sistemas son las siguientes:

a) Para asegurar una operación estable y adecuada termocupula, las características termoeléctricas de conductores deben mantenerse a todo lo largo de los mismos (uniformidad).

b) Sólo un circuito comprimiendo o simplemente conectando materiales diferentes, en un gradiente de temperaturas producirá una señal. Dos conductores de igual material no producirán FEM alguna.

c) La sensibilidad termoeléctrica de la mayoría de los metales no es lineal con la variación de temperatura.

Puesto que la fem neta generada es función de las temperaturas de ambas juntas, se requiere el control o la compensación de la temperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas.

• El método básico y más exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un baño de hielo (0ºC).

• Otro método consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego, en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición .

El tercer método es una compensación eléctrica. que también implica la utilización de un dispositivo sensor de temperatura para medir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugar de calcular la compensación a ser aplicada a la salida de la junta de medición, el sensor de temperatura de la junta de referencia se halla incorporado dentro del circuito eléctrico de la termocupla, donde agrega o quita los milivolts necesarios en la junta de referencia a fin de corregir automáticamente la salida de la termocupla (fig. - 3).

Figura 2 Esquema de una termocupla y su sistema de medición

1. Junto de medición 2. Junto de corrección 3. Cable compensado 4. Junto de referencia.

Figura 3. Sistema electrónico de compensación de junta de referencia.

1. Termocupla - 2. Cable compensado 3. Compensador de mV 4. Fuente de tensión constante

Como se verá más adelante, es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termocupla. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados.Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta fría mencionados.

En el caso del tercer sistema de compensación (fig. 3), la finalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensación automática hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60º C, ya que todos estos sistemas son electrónicos y trabajan con temperaturas ambiente entre -10º C y 60º C .

Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mV/ºC , que las termocuplas entre 0 y 200º C. Se las utiliza sólo por razones económicas ya que su composición química difiere de las aleaciones de termocupla, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos.

1.2. Termocuplas no estándar

Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termocuplas además de aquellos que tienen asignada una denominación con letra por la ISA (IEC). Estas otras termocuplas exhiben características especiales que no se encuentran en los tipos estándar, lo cual las hace adecuadas para aplicaciones especiales. las características y la fem de salida pueden variar de un fabricante a otro, razón por la que se debe consultar al fabricante en relación a aplicaciones específicas.

Hay una aleación en particular, muy difundida especialmente en Argentina, que debernos considerar por separado. Se trata de la aleación hierro-constantán Fe -

CuNi. quizás la más difundida antes de la homologación de las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y DIN 43710, las más importantes a nivel mundial.

La curva de esta aleación, identificada por IEC con la letra L presenta una diferencia con la Tipo J vista anteriormente, aún cuando sus composiciones químicas sean similares, de casi 13º C en 800º C. Sin embargo, en Argentina se la confunde con su similar Tipo J. En la Tabla 5 se detallan las características de las termocuplas no estándar más comunes disponibles hoy día en la industria de procesos.

1.3. Diseño de las termocuplas

Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:

� Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente. � Deben producir una salida eléctrica mensurable, y estable. � Deben tener la precisión requerida. � Deben responder con la velocidad necesaria � Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura. � Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa � Deben ser económicos .

Hay una gran variedad de diseños de termocuplas para numerosas aplicaciones. En su diseño más común, los conductores (alambres) de los materiales deseados se juntan, normalmente mediante soldadura, para formar la junta de medición. Los alambres son separados, después de la junta soldada y aislados, normalmente por medio de una sustancia corno ser fibra de vidrio, resina fluorocarbonada (por ejemplo, Teflón). aisladores cerámicos, fibra cerámica, polvo cerámico, etcétera.

Los alambres pueden usarse desprotegidos o instalados dentro de un tubo o vaina de protección. Los tubos y las vainas de protección se usan casi siempre con las termocuplas básicas mientras las termocuplas provistas de blindaje protector metálico pueden brindar suficiente protección química y mecánica sin tubo o vaina en la mayoría de los casos.

Construcción con blindaje metálico

Las termocuplas con blindaje metálico, normalmente llamadas compactadas (fig. 6), suelen compactarse con óxido de magnesio, aun cuando puedan utilizarse otros materiales como ser óxido de aluminio y óxido de berilio. Las termocuplas compactadas se construyen insertando la aislación en forma de polvo, o como cordones especiales sobre los alambres dentro del tubo metálico. Posteriormente se procede a reducir el diámetro del tubo trafilándolo, aplastando así los aisladores o comprimiendo el polvo hasta formar una masa más densa. La unidad, finalmente, es tratada térmicamente para aliviar las tensiones provocadas por la reducción del diámetro y para eliminar cualquier humedad residual.

Fig. 6 - Construcción de la junta de medición en termocuplas compactadas .

a. Solidaria ; construcción especial para lograr una mayor velocidad de respuesta

b. Aislada ; construcción normal de las termocuplas. También se la puede construir expuesta , tratándose de una construcción especial que ofrece la máxima velocidad de respuesta y la mínima resistencia a los agentes corrosivos por estar la junta fuera de la vaina protectora .

La junta de medición de las termocuplas con blindaje metálico puede tener tres configuraciones distintas: soldada al extremo del blindaje (fig. 6a): aislada del extremo del blindaje (fig. 6b); o expuesta fuera del extremo del blindaje.

Soldando los alambres al extremo del blindaje se logra hacer masa con el blindaje, se los protege de daños mecánicos y condiciones ambientales adversas, y se asegura una construcción hermética a la presión. La velocidad de respuesta de este tipo de construcción se encuentra entre la velocidad de la junta expuesta (la más rápida) y la aislada (la más lenta).

La junta aislada es similar a la junta puesta a masa, salvo hallarse aislada del blindaje y tener una respuesta mas lenta . Su construcción elimina la tensión entre los alambres y el material del blindaje provocada por las diferencias en los coeficientes de dilatación.

La junta expuesta posee la respuesta más rápida de las tres configuraciones, pero no es hermética a la presión o a la humedad y los alambres se hallan expuestos al ambiente. Esto podría llevar a la corrosión y/o cortocircuito eléctrico debido a la conductividad del medio del proceso.

La termocupla blindada es mecánicamente más fuerte que la termocupla común con alambre aislado, y se la puede doblar o conformar con radios de curvatura muy reducidos inclusive dos veces el diámetro del blindaje. Esta termocupla puede ser cargada a resorte dentro de un tubo o vaina de protección (cuando se requiere protección adicional) para el contacto con el fondo de la vaina o el tubo a fin de obtener una respuesta rápida .

Se dispone de termocuplas blindadas con diámetros externos desde 1 hasta 9.5 mm. Los blindajes pueden hacerse de una gran variedad de materiales, siendo los mas comunes los de aleaciones de níquel-crorno y aceros inoxidables. Tabla 4. Limitaciones ambientales de termocuplas (sin vainas o tubos protectores).

Tipo Atmósfera oxidante

Atmósfera reductora

Atmósfera inerte

Vacío Atmósfera sulfurosa

Temperaturas subcero

Vapores metálicos

B SI NO SI Si durante corto tiempo NO NO NO R SI NO SI NO NO NO NO S SI NO SI NO NO NO NO J SI SI SI SI NO > 500°C NO SI K SI (1) NO SI NO NO SI SI T SI SI SI SI NO SI SI E SI NO SI NO NO SI (2) SI

(1) Mejor que las termocuplas E , J o T por encima de 550°C

(2) La mas satisfactoria para temperaturas subcero.

Tabla 5. Características de las termocuplas no estándar. Composición Características

NicroSil(1) - NiSil(2) - ( níquel - cromo - silicio vs. níquel - silicio) Calibración desde - 240 a 1.230°C; similar a la termocupla Tipo K, con una mejor estabilidad y mayor vida útil .

Platino - 20% rodio vs. platino - 5% rodio Mayor vida útil respecto a las termocuplas tipos R, S y B a temperaturas más elevadas .

Platino - 40% rodio vs. platino - 20% rodio Mayor vida útil respecto a las termocuplas tipos R, S y B a temperaturas más elevadas .

Platino - 13% rodio vs. platino - 1 % rodio Mayor vida útil respecto a las termocuplas tipos R, S y B a temperaturas más elevadas .

Platino - 15% iridio vs. paladio Mayor fem de salida que otras termocuplas de platino.

Platino - 5% molibdeno vs. platino - 0,1 % molibdeno Mayor resistencia a la radiación de neutrones en relación a otras termocuplas de platino,

Iridio - 40% rodio vs. iridio Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino rodio.

Iridio - 50% rodio vs. iridio Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino rodio.

Rodio - 40% iridio vs. iridio Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino rodio.

Plantinel I y II (3) Fem similar a la de las termocuplas Tipo K pero con una mayor estabilidad a la temperatura

Geminol (4) Mayor resistencia que las termocuplas Tipo K en atmósferas reductoras hasta 1.090°C

Thermo-Kanthal especial (5) Calibración similar a la de las termocuplas Tipo K, pero con una mejor estabilidad,

Tophel II(4) vs. Nial II (4) Calibración similar a la de las termocuplas Tipo K, pero con una mayor resistencia .

Chromel (6) (3-G-345) vs. Alumel (6) (3-G-196 ) Mayor resistencia que la termocupla Tipo K a la oxidación de cromo en atmósferas oxidantes de bajo tenor .

Tungsteno vs. tungsteno - 26% renio Capaz de medir temperaturas hasta 2.700 °C Tungsteno - 3% renio vs. tungsteno - 25% renio Capaz de medir temperaturas hasta 2.760 °C Tungsteno - 5% renio vs. tungsteno - 26% renio Capaz de medir temperaturas hasta 2.700 °C

Aleación - hierro vs. Chromel Capacidad mejorada respecto a las termocuplas de medición de temperaturas hasta -185 °C

Marcas registradas de : (1) Amax Speciality Metals Corp. (2) Amax Speciality Metals Corp. (3) Engelhard Industries Div. Engelhard Corp. (4) Driver - Harris Co. (5) Thermo-Kanthal Co. (6) Hoskins manufacturing Co.

4. Fuerza electromotriz fem en función de la temperatura para las termocuplas estándar y varias termocuplas no estándar por encima de 0 ºC .A la derecha arriba se puede observar la respuesta de la termocupla PtRh 30% - PtRh 6% en la zona de temperaturas ambiente; la pendiente de su curva de respuesta es prácticamente despreciable, lo que permitió su utilización sin compensación.

5. Fuerza electromotriz fem en función de lo temperatura para distintas termocuplas por debajo de 0 ºC : a. Cu-constantán NBS 125 - b. Fe-constantán NBS 125 - c. Chromel-Alumel NBS 125 - d. Chromel-constantán NBS 125 - e. Platinel 11 - f . AuCo-AgAu - g. AuFe-Chromel - h. Chromel-AgAu NBS 124.

2. Termorresistencias ( RTD )

La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.

La relación fundamental para el funcionamiento será así:

Rt = Ro * (1 + Alpha * t)

donde:

• Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius • Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius

• Alpha: coeficiente de temperatura de la resistencia.Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno.

Como se puede observar, se esta suponiendo de antemano, que el material que será usado debe tener un comportamiento lineal, dentro del rango de trabajo asignado. De no ser así, la función debería tener más términos.

El método de medición de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia. Este proceso, en la actualidad, ya esta automatizado, gracias a los sistemas de control avanzados y la electrónica digital.

El platino encuentra aplicación dentro de un amplio rango de temperaturas y es el material más estable y exacto. En efecto, la relación resistencia temperatura correspondiente al alambre de platino es tan reproducible que la termorresistencia de platino se utiliza como estándar internacional de temperatura desde - 260 ºC hasta 630 ºC .

Desde el 1871 , año en que William Siemens utilizó por primera vez una termorresistencia, hasta hoy día han sido desarrolladas numerosas calibraciones resistencia - temperatura correspondientes al platino, y varias de ellas se han transformado en estándares nacionales en distintos países: RC21-4-1966 de SAMA (Scientífic Apparatus Makers Association) en los EE.UU ; DIN 43760 - 1968 (Deutsches Institut für Normung e.V.) en Alemania , etc. Está. proliferación de distintos estándares nacionales comenzaron a crear problemas a medida que se iba incrementando el comercio a escala mundial. Y luego de varios años de análisis, se ha aceptado internacionalmente la curva DIN alemana bajo la estandarización de IEC identificada como IEC 751 .

Además del hecho de que la termorresistencia de platino está siendo utilizada como estándar internacional, el alambre de platino es el material elegido con más frecuencia para las termorresistencias de uso industrial. Las termorresistencias de platino pueden medir el rango más amplio de temperaturas son las mas exactas y estables por no ser fácilmente contaminadas por el medio en que se encuentran, y su relación resistencia -temperatura es más lineal que la de cualquier otro material con la excepción del cobre.

Este tipo de sensores tiene una ventaja fundamental; son sumamente precisos y producen medidas altamente reproducibles. Su construcción permite disponer de ellos como elementos simples, dobles y, en casos muy especiales, hasta triples.

METAL RANGO DE OPERACIÓN º Celsius PRECISIÓN (grados )

Platino -200 a 950 0.01

Níquel -150 a 300 0.50

Cobre -200 a 120 0.10

En su forma general el sensor viene introducido dentro de un tubo protector metálico de acero inoxidable pero posible, según el caso, disponer de camisas protectoras y termopozos construidos de acero especiales o aleaciones como el Inconel, Incoloy y Hastelloy.

Las termorresistencias de platino tienen normalmente un valor de 100 Ohms a 0°C con un intervalo de 38,5 Ohms.

Su construcción puede hacerse con 2, 3 o 4 cables, según la necesidad del proceso.

2.1. Termorresistencias disponibles comercialmente .

La termorresistencia Industrial de alambre de platino más ampliamente utilizada se la calibra con una resistencia de 100 ohms a 0 ºC ,

Las termorresistencias de platino estándar fabricadas comercialmente resultan adecuadas para mediciones en el rango de – 250 ºC a 850 ºC. Las tolerancias de fabricación según IEC 751 pueden verse en la Tabla 10 y figura 12; en forma aproximada, estas tolerancias pueden estimarse, para la Clase B. entre 0,8 % y 0,5 %, siendo menores a temperaturas más elevadas.

En este punto es conveniente detenerse para mencionar el frecuente uso que hacen algunos fabricantes de calibrar las termorresistencias según curvas de respuesta distintas a las normalizadas, lo que los convierte en seguros proveedores de los reemplazos . Es por este motivo que debe tratarse de adecuar las instalaciones dentro de la normalización , ya que, justamente una de las grandes virtudes de las termorresistencias es su intercambiabilidad sin practicar una nueva calibración en el sistema de medición .

Las termorresistencias de níquel no están en condiciones de medir temperatura tan elevadas como lo hacen los sensores de platino. Los limites de alcance para las termorresistencias de níquel están aproximadamente en - 60 ºC y 180 ºC .Con exactitudes menores que las de platino (Tabla 11). Normalmente se calibran a 100 ohms en 0 ºC. pudiendo existir otras calibraciones especiales .

La. principal ventaja del níquel, además de posibilitar termorresistencias más económicas, es su capacidad de ser linealizado ( suministrando una salida que es lineal con la temperatura) con bastante facilidad utilizando un circuito puente. Esta ventaja sin embargo, ya no es tan importante hoy en día cuando la introducción de componentes semiconductores de bajo costo han hecho posible la linealización de los sensores de platino a un costo comparable al de los sensores de níquel.

Las termorresistencias de cobre presentan la más lineal relación resistencia - temperatura entre todas las termorresistencias pero también tienen las desventajas de un rango estrecho de temperatura entre – 200 ºC y 150 ºC y una baja resistividad. La baja resistividad implica la necesidad de usar alambres finos de poco diámetro.

La demanda de termorresistencias de níquel y cobre en las industrias de proceso se halla limitada básicamente al reemplazo de unidades existentes puesto que la gran mayoría de las nuevas instalaciones de termorresistencias se hacen con sensores de platino de 100 ohms a 0ºC.

Las termorresistencias de tungsteno no han encontrado una utilización amplía puesto que el tungsteno ha probado ser menos estable que otros materiales. Sin embargo, su mayor resistencia mecánica permite emplear alambres extremadamente finos, lográndose de esta manera termorresistencias de elevada resistencia eléctrica.

Para una termorresistencia de platino de 100 ohms a 0ºC, la variación de resistencia promedio para una variación de temperatura de 10 0ºC es de 0,385 ohm; un circuito de medición con una fuente de corriente de 1 mA. registraría 38,5 mV para cada 100ºC de variación de temperatura. Este valor de tensión es diez veces mayor que la salida de una termocupla Tipo K, y esto explica por qué los alambres de conexión de termorresistencias resultan menos susceptibles de sufrir

interferencias provenientes de la cercanía de equipos eléctricos y líneas de potencia. Sin embargo una buena instalación requiere cables de conexión blindados tanto para termocuplas como para termorresistencias.

La interconexión entre termorresistencias e Instrumentos se realiza con cable común de cobre. En cambio, en el caso de las termocuplas deben emplearse cables especiales de compensación, de costo superior.

La magnitud de la corriente de medición de una termorresistencia es crítica. Si es muy alta, se produce el autocalentamiento, que aparecerá como un error de medición. En la Tabla 12 se indican los valores de las corrientes de medición que pueden circular en distintos tipos de termorresistencias Pt100 con un autocalentamiento máximo de 0. 1 ºC.

Tabla 10 - Tolerancias de termorresistencias Pt100 según norma IEC751 .

Fig. 12 - Tolerancias de termorresistencias Pt100 según norma IEC751

Tabla 11 - Valores básicos de termorresistencias con arrollamiento de níquel desde -60°C hasta 180°C ( cada 10°C) .

.2. Construcción de termorresistencias .

El aspecto exterior de las termorresistencias industriales es prácticamente idéntico al de las termocuplas. Se aplican las mismas consideraciones ambientales y de instalación y se debe prestar la misma cantidad de atención a los conceptos de presión , temperatura , ataque químico, abrasión , vibración, porosidad y velocidad de fluido, requiriéndose los mismos tipos de vainas de protección (fig. 13).

Las termorresistencias se fabrican en varios tipos de configuración de los alambres de conexión, los que se muestran en la figura 14.

La configuración A se usa en un circuito básico bifilar, con una conexión a cada extremo de la termorresistencia. En este diseño la resistencia de los dos cables de conexión, como así también las variaciones de resistencia con la temperatura ambiente, serán incluidas en la medición de la resistencia de la termorresistencia.

Este tipo de circuito puede utilizarse cuando los alambres de conexión son tan cortos que su resistencia es despreciable, por ejemplo en el caso de conjuntos transmisor-termorresistencia integrales que contienen tanto la termorresistencia como el circuito de medición.

La configuración B es el circuito trifilar estándar. Los conductores que conectan la termorresistencia al circuito de medición tienen resistencias cuyos efectos tienden a cancelarse si dichos alambres tienen la misma longitud, se hallan sujetos a la misma temperatura y el sistema puente de Wheatstone que utiliza a la entrada el instrumento de medición se encuentra casi balanceado.

La configuración C consiste de cuatro cables de conexión y brinda mejor exactitud que las configuraciones A y B. Si los cuatro cables de conexión son de idéntica sección, longitud y material y se hallan sujetos a la misma temperatura ambiente, y si los dos pares de alambres se encuentran en partes opuestas del circuito puente, las resistencias de los alambres no tendrán efecto alguno en la medición de la resistencia de la termorresistencia.

El costo adicional del diseño de cuatro conductores normalmente se justifica en instalaciones con distancias superiores a los 20 metros. Los circuitos trifilares brindan suficiente exactitud para la mayoría de las mediciones industriales hasta 20 metros, además de que pueden emplearse conductores de sección menor o de mayor longitud que en el caso de la conexión bifilar. Por ejemplo, para conductores de 0,75 mm2 de sección, se puede alcanzar un largo de conductores de 10 km. muy superior en comparación al máximo de 430 metros aceptables para el sistema bifilar, límite dado por una resistencia de 10 ohms.

En el caso le la conexión bifilar la limitación es la resistencia Rj, que se utiliza para compensar la resistencia propia de los conductores; normalmente se utiliza Rj = 10 ohms y se calibra el sistema de medición para Rj (resistencia de la Pt100 + Rj (10 ohms).

En el caso de tres hilos, las resistencias Rj se utilizan para igualar las resistencias de esos conductores.

Fig. 13 - Sistemas de conexión de termorresistencias a) Bifilar , b) Trifilar , c) Cuatrifilar .

Existen tres tipos de termoresistencias, de acuerdo a su construcción y cableado:

- de dos hilos - de tres hilos - de cuatro hilos

Como ya se había mencionado, la evaluación, del valor de la resistencia Rt, se hace en un puente de Wheastone, entonces es aquí, donde se hace importante la diferencia entre ambos tipos de termoresistencias.

Para las primeras, de dos hilos o bifilar , será necesario estimar la longitud del conductor del puente a la resistencia en el punto de toma del proceso, para poder calcular el valor de la resistencia.

Para las de tres hilos o trifilar , si además, ajustamos el puente de tal forma que R1/R2=1, y como la longitud por lado de conductor se hace igual, podremos ajustar el valor de la resistencia R3 para equilibrio, y ese será directamente el valor de la resistencia x.

Dado que en equilibrio la ecuación del puente será:

R1 / (R3 + K * a) = R2 / (x + K * b)

Según esquemático de conexión, que se muestra debajo.

Circuito RTD dos hilos o bifilar

La RTD simple reemplaza uno de los elementos del puente y causa un desbalance y así como también cambios de resistencia. La salida se lee directamente o es usada para manejar otro circuito en el transmisor. Si la RTD esta localizada a una distancia desde el transmisor y puente entonces esta conduce por los dos hilos cuando un material más económico es usado para conectar la RTD al puente.

Una de las limitaciones de la RTD de dos hilos es que los hilos conductores añadidos a la resistencia del circuito pueden causar errores de lectura.

Fig. Circuito RTD dos hilos o bifilar

Circuito RTD tres hilos o trifilar

Para ayudar a eliminar el error introducido por los hilos conectores se usa comúnmente una RTD de tres hilos con este propósito los efectos de la resistencia de cada uno de los hilos conductores ( A y B ) son eliminados por el puente debido a que cada uno es la conexión opuesta del puente. El tercer hilo ( C ) es un conductor de equilibrio.

Los tres hilos unidos no eliminan todos los efectos de los hilos conductores, pero debido a que los sensores están localizados justamente cercanos a los transmisores, los efectos de los hilos conductores son pequeños y la aproximación provee una exactitud razonable.

Fig. Circuito RTD tres hilos o trifilar

Circuito RTD cuatro hilos o cuatrifilar

La vía más efectiva para eliminar los efectos de los hilos conductores es con cualquiera de las versiones de cuatro hilos. Es una aproximación que no requiere puente como se indica en la figura siguiente, en este método una corriente constante es conectada a dos de los hilos de la RTD, la caída de voltaje en la RTD es medida en los otros dos conductores, la caída de voltaje es independiente de los efectos de los hilos conductores.

Fig. Circuito RTD cuatro hilos o cuatrifilar

Tabla 8 . Valores de termorresistencias Pt100 ohm a 0°C según IEC 751 para temperaturas desde -250°C hasta 0°C (grado por grado ) . >> Ver tabla >>

Tabla 9 . Valores de termorresistencias Pt100 ohm a 0°C según IEC 751 para temperaturas desde 0°C hasta 400°C (grado por grado ) .>> Ver tabla >>

Fig. 14. Construcción de un sensor a termorresistencia

A Sonda intercambiable. a. Bornes - b. Zócalo cerámico - c. Base de sujeción - d. Conductores - e. Vaina metálica - f. Aisladores cerámicos - g. Unión de

elementos y conductores - h. Termorresistor - l. Largo de inserción

B. Corte de una construcción con vaina y rosca a proceso con cabezal de conexiones y sonda colocada según DIN 16110 a. Cabezal - b. Cuello - c. Rosca a

proceso - d. Aislador cerámico - e. Vaina metálica - f. Termorresistencia - g. Largo del elemento sensor - h.

Largo de vaina - i. Largo de cuello

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

Fig. 15

Las termorresistencias de platino se pueden fabricar con una gran variedad de tubos de protección y con los terminales adecuados para la conexión con el resto del circuito así como con diferentes tipos de termopozos para lograr una protección total del elemento sensible (Figura 16)

Fig. 16

TERMORRESISTENCIAS DE USO GENERAL

Esta disposición se puede usar con o sin termopozos en una infinidad de procesos que incluyen tanques, hornos, estufas, tuberías, ductos, sistemas de incubación, fermentación, refrigeración. Los tubos protectores se hacen del largo, diámetro y material requerido por el cliente; este tipo de sensores posee además opciones de respuesta rápida o con camisa para medición de gases secos.

Termorresistencias con elementos de inmersión variable

Este tipo de construcción posee un conector ajustable que permite variar el largo de inmersión del elemento.

Termorresistencias tipo “ SPRING LOADED ”

Dispositivo que permite que el elemento y el termopozo estén en contacto firme durante su operación. Esto permite controlar la variación o golpeteo dentro del termopozo, aumenta la velocidad de respuesta y facilita enormemente la instalación del sensor.