Download - CLASE 3- Temperatura (Termocuplas y RTD)
TEMPERATURA
Termocuplas - RTD
1. Principio de funcionamiento de las termocuplas.
2. Linealización – Compensación de Cero.
3. Tipos de termocuplas - Identificación
4. Cables compensados
5. Código de colores para cables compensados y de extensión.
6. Selección de termocuplas.
7. Termoresistencias (RTD)
8. Características RTD
9. Tolerancias RTD
10. Conexión RTD
11. Transmisores y Controladores
Instrumentación Industrial Ing. John Jairo Piñeros
TRANSDUCTORES TEMPERATURA Ing. John Jairo Piñeros
TIPOS DE TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA
TRANSDUCTORES TEMPERATURA Ing. John Jairo Piñeros
Termocuplas: Principio de funcionamiento
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Cuando dos alambres compuestos por distintos materiales se unen en
ambas puntas y una de ellas es calentada aparece una corriente continua que
fluye en el circuito termoeléctrico. Thomas Seebeck - 1821
Linealización
La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura
no es lineal ( no es una recta ) , es deber del instrumento electrónico
destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el
voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que
temperatura corresponde este voltaje.
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Compensación de Cero
Esto se debe a que en algún punto, habrá
que empalmar los cables de la termocupla
con un conductor normal de cobre.
En ese punto se producirán dós nuevas
termocuplas con el cobre como metal para
ambas, generando cada una un voltaje
proporcional a la temperatura de ambiente
( Ta ) en el punto del empalme.
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Tipos de termocuplas
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Identificación de termocuplas
• el primer conductor siempre es el positivo y los colores se aplicarán
tanto a los conductores como a los cables.
• En los casos en los que los conductores en las termocuplas no
estén identificados por color se podrán identificar de la siguiente
forma:
• Tipo J: El conductor positivo es magnético.
• Tipo T y U: El conductor positivo es color cobre.
• Tipo K: El conductor negativo es magnético.
• Tipo S y R: El conductor negativo es más
maleable que el positivo.
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Zonas con riesgo de explosión: Se distinguen tres tipos de zona de riesgo de explosión
• Zona 0 : la atmósfera es permanentemente explosiva
• Zona 1 : la atmósfera es ocasionalmente explosiva en servicio normal
• Zona 2 :la atmósfera puede ser explosiva ocasionalmente
Medidas en atmósferas explosivas y protecciones EEx d, EEx e, EEx i
Grupo de productos
• I Metano, grisú
• IIA Acetona - metano industrial - acetato de etilo - metanol, butano - propano - hexano -
amoníaco - óxido de carbono pentano - heptano - iso-octano - decano - benceno, xileno,
ciclohexano, etilol - metilcetona - acetato de metilo - acetato de n- propilo - acetato de n-
butilo, acetato de amilo - clorometileno, butanol y nitrito de etilo
• IIB Etileno, butadieno, eter dietílico, óxido de etilenoy gas de horno de coc
• IIC Hidrógeno, bisulfuro de carbono, acetileno y Nitrato de etilo
Clase de temperatura
• La temperatura máxima de la superficie
de la carcasa debe ser siempre inferior a
la temperatura máxima de autoignición de
la atmósfera que la rodea. Así, es preciso
evitar los puentes térmicos con la
carcasa. La clase de temperatura
corresponde a la temperatura máxima
que deberá soportar la misma.
Cables compensados
• los cables compensados se fabrican con aleaciones de materiales
especiales pero con las mismas características termoeléctricas de las
termocuplas con las que deban trabajar , esto siempre dentro de un
limitado rango de temperatura ambiente, y que será el ambiente donde
estarán tendidos.
• Se los designa con un código de tres letras como se ve a continuación:
• Primera letra: termocupla con la que trabaja
• Segunda letra:
• X: mismo material que la termocupla ( idéntica aleación )
• C: material especial
• Tercera letra: muchas aleaciones compensadas se designan con una
tercera.
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Cables compensados
La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission)
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Código Colores
ANSI: The American National Standards Institute – DIN: Deutsches Institut für Normung (Instituto Alemán de Normalización)
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Medición termocuplasComo medir
temperatura con
un voltímetro
1- Medir con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla por ej V.
2- Medir la temperatura de ambiente Ta (temperatura del contacto de
las puntas del voltímetro con los cables de la termocupla). Ver en una
tabla de termocuplas que voltaje corresponde a la temperatura.
Procedimiento
exacto
3- Hacer la suma de los 2 voltajes obtenidos: Vab(T) = V + Vab(Ta)
ver en la tabla a que temperatura corresponde. Esta será la
temperatura real a la que está sometida la termocupla.
Por ejemplo:
Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.
Si la temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C, entonces en
la tabla esto corresponde a 1.277 mV.
Luego Vab(T) = 10.84 + 1.277 = 12.117mV, esto según al tabla
corresponde a 224°C
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Procedimiento
aproximado pero
simple
Medición termocuplas1- Medir con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla.
2- Ahora ver en una tabla de termocuplas a que temperatura
corresponde el voltaje.
3- Sumarle a esta temperatura encontrada en la tabla, la
temperatura ambiente (temperatura del contacto de las puntas
del voltímetro con los cables de la termocupla) para hacer la
compensación de cero.
Por ejemplo:
Se mide en una termocupla J un voltaje de 10.84 mV.
En la tabla de termocupla J se encuentra que para 10.84 mV, lo
mas aproximado es 10.832 mV que corresponden a 201 °C .
Si la temperatura de ambiente en los contactos es 25 °C aprox.,
entonces la temperatura medida es 226°C ( 25°C + 201°C )
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Problema medición termocupla con multímetro
No podemos medir el voltaje de Seebeck directamente porque debemos primero
conectar un voltímetro a la termocupla y este crea un nuevo circuito termoeléctrico
Una forma de determinar la temperatura
J2 es físicamente poner la unión en un
baño de hielo, forzando su temperatura
a ser 0°C y estableciendo J2 como una
unión de referencia.
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Ejercicio 1: Medición Termocupla
1. Identificar el tipo de termocupla.
2. Medir la Temperatura Ambiente
3. Medir con el voltímetro el voltaje que entrega la termocupla.
4. Ahora ver en la tabla de termocuplas a que temperaturacorresponde el voltaje.
5. Sumarle a esta temperatura encontrada en la tabla, latemperatura ambiente (temperatura del contacto de laspuntas del voltímetro con los cables de la termocupla) parahacer la compensación de cero.
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Tabla de Voltajes Termocupla J y KTERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Guía Selección Termocuplas
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• De -200 hasta + 450ºC: termoresistencia Pt100 según EN 60.751
• De -20 hasta + 700ºC: termopar Fe-CuNi “J” según EN 60.584-1
• De 0 hasta +1100ºC: termopar NiCr-Ni “K” según EN 60.584-1
• Sin particularidades
• Atmósfera explosiva
Seguridad intrínseca “i”: EEx ia IIC T6
Seguridad aumentada “e”: EEx e II T6
Cubierta antideflagrante “d”: EEx d IIC T6
2. Atmósfera del medio ambiente
1. Temperatura a medir
• Para la medida en un líquido o en un gas
bajo presión, montaje de un termopozo o
una vaina soldada que permita extraer el
elemento sensible sin necesidad de
interrumpir el proceso.
3. Estanqueidad
• Por medio de racord atornillado o con
brida (recomendado si la presión es
elevada o la temperatura superior a
200ºC)
4. Fijación
Está vinculado a la masa del termopozo y al
ajuste del elemento sensor dentro del mismo.
Se preferirá un termopozo con la punta
reducida y equipado de un sensor ajustado o
a una vaina sin protector.
5. Tiempo de repuesta
Termoresistencia Pt100: clase A según EN 60.751
Termopar Fe-CuNi “J”: clase 2 según EN 60.584-2
Termopar NiCr-Ni “K”: clase 1 según EN 60.584-2
7. Clase de precisión
12 veces el diámetro exterior del termopozo
a fin de evitar la pérdida de calor a través de
las piezas metálicas.
8. Inmersión
9. Termopozos - Vainas - Protectores
Material standard: AISI 316L
Selección Termocuplas
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
o Bulbo
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
Termopozo o
Selección TermocuplasExisten una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de
las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas són del tipo J
ó del tipo K.
Las termocuplas tipo J se usan
principalmente en la industria del plástico,
goma (extrusión e inyección ) y fundición
de metales a bajas temperaturas.
La termocupla K se usa típicamente en
fundición y hornos a temperaturas menores
de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y
hornos de tratamientos térmicos.
Las termocuplas R, S, B se usan casi
exclusivamente en la industria siderúrgica
(fundición de acero)
las tipo T eran usadas hace algún tiempo en
la industria de alimentos, pero hán sido
desplazadas en esta aplicación por las Pt100
TERMOCUPLAS Ing. John Jairo Piñeros
TEMPERATURA
RTD o PT100
1. Termoresistencias (RTD)
2. Características RTD
3. Tolerancias RTD
4. Conexión RTD
5. Transmisores y Controladores
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
TermoresistenciasLa variación de la resistencia eléctrica de los metales es frecuentemente utilizada
para la medición de temperaturas.
La resistencia eléctrica aumenta con el crecimiento de la temperatura y entonces
hablamos de coeficiente de temperatura positivo PTC (Positive Temperature
Coeficient), esto por ejemplo con las termorresistencias de platino.
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Características RTD
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Características RTD
Existen 3 modos de conexión para las Pt100, cada uno de ellos requiere un
instrumento lector distinto.
El objetivo es determinar exactamente la resistencia eléctrica R(t) del elemento
sensor de platino sin que influya en la lectura la resistencia de los cables Rc.
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Tolerancias RTD
Máxima DESVIACIÓN permitida de la resistencia nominal
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Tipos de Conexión
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Tipos de Conexión: 2 Hilos
El modo más sencillo de conexión (pero menos
recomendado) es con solo dos cables.
En este caso las resistencias de los cables Rc1
y Rc2 que unen la Pt100 al instrumento se
suman generando un error inevitable.
El lector medirá el total R(t)+Rc1+Rc2 en vez de
R(t).
Lo único que se puede hacer es usar cable lo
más grueso posible para disminuir la resistencia
de Rc1 y Rc2 y así disminuir el error en la
lectura.
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Tipos de Conexión: 2 Hilos
Ejemplo:
si la temperatura es 90°C, entonces R(t) = 134.7 ohms, pero si el
cable Rc1 tiene 1.3 ohms y el Rc2 tiene 1.2 ohms entonces la
resistencia medida será 134.7+1.3+1.2 = 137.2 ohms y la lectura del
instrumento será 96 °C.
Un cable común razonablemente grueso sería uno de diámetro
equivalente a 18 AWG. La resistencia de este cable es 0.0193 ohms
por metro.
Por ejemplo si se usa este cable para medir una resistencia a 15
metros de distancia, la resistencia total de los cables será
15*2*0.0193 = 0.579 ohms lo que inducirá un error de 1.5°C en la
lectura.
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Tipos de Conexión: 3 y 4 HilosEl modo de conexión de 3 hilos es el más común y resuelve bastante
bien el problema de error generado por los cables.
El único requisito es que los tres
cables tengan la misma resistencia
eléctrica pues el sistema de
medición se basa (casi siempre) en
el "puente de Wheatstone".
El método de 4 hilos es el más preciso de
todos, los 4 cables pueden ser distintos
(distinta resistencia) pero el instrumento
lector es más costoso.
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Ejemplo: selección PT100Seleccionar sensor de temperatura para instalar en el proceso con el
fin de remplazar el siguiente medidor:
Medidor a remplazar
• Proceso: Pasteurizador Leche
• Producto: Alimenticio
• Temp. Min - Max: 0 - 100 °C
• Tubería: Acero inoxidable
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
• Diámetro Tubería: 1”
• Long tubo: 40 cm
• Sin Contacto directo con fluido
• Control del Proceso: PLC
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Ejemplo: selección PT100
• PT100 3 hilos en Acero Inox con Largo bulbo 100mm y diametro de 6mm, Conex
proceso 1/4 plg NPT, con cabezal en aluminio.
• Transmisor de 4-20mA
• Termopozo cnx 1/4"
Ejemplo 2
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Tabla termoresistenciasEn primer lugar mediremos la resistencia de los hilos de la sonda
Pt100, midiendo la resistencia entre los dos cables rojos de la sonda
RTD – PT100 Ing. John Jairo Piñeros
Montaje en tubería
MONTAJE Ing. John Jairo Piñeros
La parte sensible debe ser
posicionada en el eje del flujo
Transmisores• Cuando se hacen mediciones de temperatura, hay dos métodos tradicionales
para obtener lecturas del proceso con un indicador, controlador o sistema de
supervisión y control.
• Un método es utilizar el cable de conexión directo desde el sensor hasta el
indicador o sistema, para llevar la señal (bajo nivel de señal ohm o mV)
generada por una termorresistencia (RTD – Pt100) o una termocupla.
• El otro método es instalar transmisores en el sensor de temperatura o cerca
de él. Los transmisores amplifican y acondicionan la señal del sensor de
temperatura y la transmiten por medio de un par de conductores hasta el
indicador o la sala de control.
TRANSMISORES Ing. John Jairo Piñeros
Transmisores
TRANSMISORES Ing. John Jairo Piñeros
TransmisoresTRANSMISORES Ing. John Jairo Piñeros
Montaje y Medición Lazo Control
TRANSMISORES Ing. John Jairo Piñeros
Ventajas Transmisores
• Reducción de costo de cableado
• El cableado directo de sensores de temperatura a un sistema de supervisión
y control necesita del uso de cables de conexión de tres o cuatro hilos si se
trata de termorresistencias y de cables compensados/extensión si se utilizan
termocuplas.
• Los cables compensados o de extensión, cuestan tres veces más que los
cables comunes de cobre usados para la transmisión de la señal de
temperatura en 4-20 mA desde un transmisor.
TRANSMISORES Ing. John Jairo Piñeros
Usando transmisores de temperatura se
puede mejorar la exactitud de la medición.
Los sistemas de control como DCS o PLC
realizan las lecturas sobre el rango
completo (muy amplio) de un sensor.
Es sabido que la medición en un rango
más estrecho produce lecturas más
exactas. Los transmisores pueden ser
calibrados en cualquier rango (a veces
muy estrecho) dentro del amplio rango de
temperatura del sensor.
Estas mediciones son más exactas que las
que pueden realizase con cableado
directo.
Ventajas Transmisores
TRANSMISORES Ing. John Jairo Piñeros
El controlador
Dispositivo que emite una señal correctiva,
después de comparar la variable controlada
con el valor deseado.
Un controlador es de acción directa cuando
al aumentar la variable medida, aumenta la
señal correctiva y viceversa.
Un controlador es de acción inversa cuando
al aumentar la variable medida, disminuye la
señal correctiva y viceversa.
CONTROLADOR Ing. John Jairo Piñeros
Parámetros básicos de un controlador• Entrada: tipo de sensor (J, K o Pt100)
• SV o SP: Valor de referencia
• Histéresis: Rango de medida o banda muerta
• Unidades: Unidades de medida (°C o °F)
• Tipo de Control: PID, PI, On/Off
CONTROLADOR Ing. John Jairo Piñeros
Pasos para Implementar un Lazo de
Control
• Escoger la acción del Elemento final de control teniendo en cuenta las
condiciones de seguridad
• Determinar las acciones de los elementos del lazo de control con excepción
del controlador.
• Determinar la acción del controlador, teniendo en cuenta que el signo de
éste, se opone al producto de los signos de los demás elementos que
conforman el lazo de control.
• Implementar un control manual para el caso de mantenimiento y reparación.
CONTROLADOR Ing. John Jairo Piñeros
RTD Vs Termocupla
CONTROLADOR Ing. John Jairo Piñeros
Ejercicio 3: Control de temperatura
• Realizar el siguiente Montaje y parametrizar el controlador de acuerdo al
sensor y los siguientes parámetros:
• SP = 70°C +/-1°C
• Tipo termocupla: Configurar el tipo suministrado por el instructor.
• Funcionamiento: Heat (caliente)
• Alarma: se debe producir una alarma a los 75°C
CONTROLADOR Ing. John Jairo Piñeros
