mediciÓn de la variable temperatura. 1ra parte

Gerencia en Mantenimiento.Instrumentación y Control. Medición de la Variable Temperatura.

MEDICIÓN DE LA VARIABLE TEMPERATURA.

La temperatura es una de las variables de mayor importancia en los procesos industriales, por medio de ella se dan numerosos procesos químicos en los que predomina la energía calorífica como agente catalizador, o simplemente como agente modificador de algunas propiedades físicas de gases y líquidos.

1. Definición de Temperatura.La temperatura se define como la cantidad de calor expresada en grados

que contiene un cuerpo. Es decir, la temperatura mide o nos da la idea del grado de calor de un cuerpo, siendo el calor una de las formas de presentarse la energía.

2. Escalas de Temperatura.La invención del termómetro se atribuye a Galileo en el año de 1592.

Mejoras al diseño del mismo fueron introducidas por otros investigadores utilizando diversas escalas termométricas. En 1700 Gabriel Farenheit produjo termómetros repetitivos y exactos y cerca de 1742 Anders Celsius propuso el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como puntos iniciales y finales de la escala de temperatura. Otras escalas como la de Kelvin y Rankine introducen el concepto de cero absoluto y se utilizan como estándares en aplicaciones científicas y de ingeniería respectivamente.

Existen varias escalas de temperatura conocidas a nivel internacional. La 7ª Conferencia General de Pesas y Medidas adoptó una escala internacional de temperaturas. Su objetivo era proporcionar una escala práctica de temperaturas que fuera fácil y exactamente reproducible, y que ofreciera con la máxima aproximación las temperaturas termodinámicas. Esta escala fue revisada en 1948, en 1960 y en 1968. Se la conoce como la escala práctica internacional de temperaturas de 1968 (IPTS-68).

1564-1642 Galileo Galilei

1714-1720Gabriel Fahrenheit

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1701-1744Andrés Celsius


Las escalas de temperatura fija, son un valor determinado para los valores de referencia en los puntos de congelación y ebullición del agua y del cero absoluto. A partir de esos valores, cada escala es dividida en su correspondiente gama de valores.

Para la escala Fahrenheit, los puntos de fusión y ebullición del agua son 32º y 212º K respectivamente. Para la escala Kelvin, tiene un cero absoluto de equivalente a -273,2 ºC y los puntos de fusión y ebullición del agua son 273,16ºK y 373,16º K respectivamente. Para la escala Ranking, tiene un cero absoluto equivalente de -459,9ºF y un valor asignado de 491,69ºR para el punto de fusión y 671,9ºR para el punto de ebullición del agua.

Cero Absoluto

Punto de Fusión H2O

Punto de Ebullición H2O

Escala

0º 273,16º 373,16º Kelvin (ºK)

-273,16º 0º 100º Celcius (ºC)

-459,9º 32º 212º Fahrenheit (ºF)

0º 491,69º 671,9º Rankine (ºR)

Relación entre las Escalas de Temperaturas.

3. Instrumentos de Medición de Temperatura.La medida de temperatura constituye una de las mediciones más

comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Existen diferentes sensores que se utilizan en la industria de procesos para medir la temperatura. La selección y especificación apropiada de un instrumento de medición de temperatura depende mucho del conocimiento de los diferentes tipos de sensores disponibles, de sus limitaciones y de sus consideraciones prácticas.

Termómetros de Vidrio.Es el más conocido de los instrumentos de medición de temperatura.

Consta de un depósito de vidrio que puede contener mercurio, pentano, alcohol o tolueno y una escala. El más común es el de mercurio.

Su principio de funcionamiento se basa, en el que el mercurio al calentarse se expande y sube por medio de un tubo capilar. La altura alcanzada por el mercurio es proporcional a la temperatura a la cual el termómetro fue expuesto y se lee sobre una escala.

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Termómetro de Vidrio.

Los márgenes de trabajo dependen del fluido que se encuentre dentro del termómetro:

Rango de

medición del Termómetro de vidrio según el fluido de trabajo

La principal limitación de estos termómetros es que para un campo de medida grande de temperatura, el termómetro también tendría que serlo y por ser de vidrio se puede romper fácilmente.

Termómetros Bimetálicos.

Fluido Rango de Operación

Mercurio -35º hasta +280ºC

Mercurio (tubo capilar lleno de gas)

-35º hasta +450ºC

Pentano -200º hasta +20ºC

Alcohol -110º hasta +50ºC

Tolueno -70º hasta +100ºC

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Son los instrumentos de medición de temperatura, más utilizados debido a su bajo costo y buen grado de precisión.

Está conformado por el elemento bimetálico, un eje, un cojinete, el puntero, la escala y la cubierta de protección. El elemento bimetálico puede ser recto, curvo, en forma helicoidal o en espiral.

Partes de un Termómetro Bimetálico.

Su principio de funcionamiento se basa en la expansión desigual que sufren los metales al aplicársele calor, es decir, al exponer la tira bimetalica a una temperatura determinada, uno de los metales se expandirá más que otro y como un extremo del elemento se encuentra fijo, el otro se moverá, transmitiendo este movimiento a un eje, el cual a su vez lo transmitirá a un puntero que indicará sobre una escala graduada el valor de la temperatura a la cual fue expuesta el elemento bimetálico.

Este tipo de termómetros tiene pocas partes móviles y no existen mecanismos con engranajes que exijan mantenimiento. La precisión del instrumento es de ± 1% y rango de – 200 a + 500º C.

Termómetros de Sistemas Llenos. Se utilizan cuando se quiere indicar el valor de la temperatura a cierta

distancia del punto donde se encuentra el elemento de medición. El sistema generalmente está formado por un elemento sensible a los cambios de temperatura (bulbo), un elemento sensible a los cambios de presión o volumen (Bourdon, fuelle, diafragma), un medio para conectar estos elementos (tubo

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Extremo FijoBulbo

Bulbo

Eje de Rotación

Extremo libre unido al eje de rotación


capilar) y un mecanismo para indicar, registrar o transmitir la señal relacionada con la temperatura.

El principio de funcionamiento consiste en que cuando la temperatura en el bulbo aumenta, el líquido, vapor o gas contenido en él se expande, y por ser el volumen del sistema constante, la presión aumenta, lo cual trae como consecuencia que el resorte o bourdon que en él se encuentra tienda a desenrollarse moviendo el puntero sobre una escala graduada para indicar el valor de la temperatura a la cual se encuentra el bulbo.

Termómetros de Sistemas Llenos.

Dependiendo del fluido que está dentro del bulbo, los termómetros de bulbo se clasifican de la siguiente manera:

• Sistema Clase I: Termómetros actuados por Líquido, excluyendo el mercurio).Operan bajo el principio de expansión volumétrica del líquido con la

temperatura y dan una respuesta aproximadamente lineal frente a los cambios en la misma. Como la dilatación del líquido es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. Los termómetros actuados por líquido se clasifican a su vez en sistemas de clase IA que presentan el tubo capilar largo mayor a 5 m y la clase IB que se caracterizan por emplear tubos capilares cortos, menores a 5m.

Cuando se emplean termómetros de clase IB resulta necesario compensar el elemento de medición para evitar errores debido a las variaciones de temperatura en el ambiente; mientras que para la clase IA es

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Bourdon

CapilarBulbo


necesario compensar el elemento de medición y el tubo capilar. El rango de medición oscila entre –75°C y 650 °C y los fluidos de trabajo que se utilizan son el éter y xileno.

Compensación de Termómetros tipo Bulbo.

• Sistema Clase II (bulbo lleno de vapor).Operan bajo el principio de cambio en la presión del vapor de un líquido

volátil con la temperatura. Al subir la temperatura, aumenta la presión de vapor del líquido. La relación de variación de la presión del vapor con la temperatura no es lineal y depende del fluido utilizado.

La presión del sistema, depende solamente de la temperatura en la parte donde hay líquido en equilibrio con su vapor, es decir en el bulbo. Por consiguiente no hay necesidad de compensar.

Estos sistemas a su vez se subclasifican de la siguiente manera:Clase IIA: Están diseñados para operar con la temperatura medida (en el bulbo) superior a la del resto del sistema térmico (ambiente).El capilar y el elemento de medición están llenos de líquidos.

Clase IIB: Están diseñados para operar con la temperatura medida menor que la del resto del sistema térmico. El sistema esta lleno de vapor.

Clase IIC: Están diseñados para operar a una temperatura mayor o menor que la del resto del sistema térmico. Es una combinación de los sistemas IIA y IIB.

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Sistema de Clase IB. Compensación en la caja.

Sistema de Clase IA. Compensación en el Tubo Capilar y la caja.

Extremo cerrado

Espiral de compensación

Espiral de medida

Tubo capilar

Espiral Bimetal


Clase IID: Están diseñados para operar a una temperatura mayor, menor o igual a la del resto del sistema térmico. Emplean otro líquido no volátil el cual llena el capilar y el Bourdon para transmitir la presión de vapor.

Clasificación de los termómetros de Clase II

EL sistema puede contener alcohol, éter tolueno, y su rango de medición va entre -30ºC hasta 35ºC, con una longitud del capilar y de hasta 9m.

• Sistema Clase III (bulbo lleno de gas).Operan bajo el principio del cambio en la presión del gas con la

temperatura. Tienen una relación lineal, ya que puede aplicársele la ley de los gases ideales para relacionar la temperatura con la presión. El rango de medición depende del gas utilizado y va desde –270°C hasta +760°C.

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Sistema de clase IIA Sistema de clase IIB

Sistema de clase IIC Sistema de clase IID


Generalmente se emplea como gas el nitrógeno y su campo de medición en este caso es de -140º a 450ºC. Los tubos pueden tener una longitud de hasta 70 m.

Termómetro de Clase III

• Sistemas Clase IVSon similares a los actuados por líquido, pueden tener compensación en

la caja y compensación total.

Termopares.Son los medidores más importantes y los más utilizados debido a su

buen rendimiento al usarse tanto para temperaturas bajas como altas. Se utilizan cuando se necesita enviar la información de la medida a sitios remotos. Constan principalmente de dos metales distintos, unidos en un extremo, un voltímetro y una escala graduada.

Termopar

Su principio de funcionamiento consiste en que al poner en contacto dos metales distintos y se calienta la junta de unión, se originará una diferencia de

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potencial entre los extremos libres, proporcional a la temperatura existente en la punta y se convierte en unidades de temperatura por medio del voltímetro.

Existen diferentes termopares que dependen del tipo de metal utilizado y del intervalo de temperatura que se desea medir. Usualmente los termopares son utilizados según sus características de la siguiente manera:

Termopar tipo E (cromel – constatán): Puede usarse en vacío o en una atmosfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura, y puede usarse para temperaturas de -200ºC a 900ºC.

Termopar tipo T (cobre-constatán): tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes. Están restringidos a bajas temperaturas. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre -200 a 260 ºC.

Termopar tipo J (hierro-constatán): es adecuado para atmósferas con escaso oxigeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550 ºC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura limite de 750 ºC.

Termopar tipo K (cromel-alumel): se recomienda en atmósferas de oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 50 y 1500 ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que este protegido con un tubo de protección

Termopares tipo R, S, Pt-Pt Rh: se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500 ºC. Si la atmósfera no es oxidante, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico.

Características de los Termopares.

Tipo de Termopar

Intervalo de medición

Limite de error Aplicación

E: Cromel-Constatán

-40º a 800ºC-40º a 900ºC-200º a 40ºC

±1.5ºC ó ±0.4%±2.5ºC ó ±0.75%±2.5ºC ó ±1.5%

Indicación y control de temperatura en los hornos

industriales.

T: cobre- constatán

-40ºC a 350ºC-40ºC a 350ºC-200ºC a 40ºC

±0.5ºC ±0.4%±1ºC ó 0.75%±1ºC ó 1.5%

Indicación y control de temperatura en las estufas

industriales.

J: Hierro- constatán

-40ºC a 750ºC-40ºC a 750ºC

±1.5ºC ó 0.4%±2.5ºC ó 0.75%


industriales.

K: Cromel-alumel.

-40ºC a 1000ºC-40ºC a 1200ºC-200ºC a 40ºC

±1.5ºC ó 0.4%±2.5ºC ó 0.75%±2.5ºC ó ±1.5%


industriales.R:Platino-

Platino.Rodio0ºC a 1600ºC ±1ºC Cuando se requiere de gran

exactitud a altas temperaturas

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S: Platino- Platino Rodio

0ºC a 1600ºC ±1.5ºC ó ±0.25%se usan como patrones de

calibración.

El deterioro de los termopares a altas temperaturas no se pude evitar, mientras mayores sean las temperaturas y más desfavorables las condiciones de operación, más rápido será el deterioro. El daño causado por los gases oxidantes o reductores al alambre ocasiona la caída de la fuerza electromotriz, resultando una lectura errónea del instrumento.

Por esos es recomendable revisar frecuentemente los termopares, sobre todo si se desea obtener una medición exacta. Normalmente se usan los termopares del tipo “K” en una atmósfera oxidante y los del tipo “J” en una atmósfera reductora.

Clasificación de los termopares según el tipo de junta.

La junta de un termopar pude ser expuesta, sin aterrar, y aterrada.

Junta Expuesta: Un termopar con junta expuesta es aquel en el cual la junta de medición está expuesta al medio cuya temperatura se quiere medir Es tipo de junta es recomendable para medir temperatura de gases no corrosivos, donde se quiere una respuesta rápida. La junta se extiende fuera de la protección metálica para dar una respuesta rápida. La protección metálica se sella en el punto donde se extiende la junta, para evitar la penetración de humedad o gas que puedan producir error.

Junta sin Aterrar: Un termopar con junta sin aterrar es aquella en la cual la junta de medición está aislada eléctricamente de la protección metálica. Esto es recomendable cundo se mide temperatura en área donde existe ruido eléctrico. El protector metálico debe estar aterrado eléctricamente.

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Junta Aterrada: La junta aterrada combina las ventajas de un tiempo de respuesta excelente con la protección que le brinda un protector sellado. Este tipo de junta se recomienda para medición de temperatura de gases y líquidos, y para aplicaciones de alta presión. La junta de un termopar aterrada está soldada al protector metálico, permitiendo una respuesta más rápida que en el caso de la junta sin aterrar.

4. Mantenimiento de Instrumentos de Medición de Temperatura.El mantenimiento de los instrumentos de medición de temperatura se

encuentra limitado, dependiendo la posibilidad de su aplicación o no, de la configuración física del mismo en base al principio que lo rige, factor determinante en su fabricación.

Lo anteriormente descrito es un factor decisivo, ya que un termómetro de vidrio con mercurio, no puede recibir mantenimiento alguno, si no más bien reemplazo. De igual modo, existen diversos dispositivos de medición de temperatura que son sellados y no permiten su mantenibilidad, o bien poseen un período de vida útil limitado, de tal forma que su deterioro conlleva a su reemplazo inmediato; o bien por que su mantenimiento tal vez no se justifique por su bajo costo, como sería el caso de un termistor.

Pero no todos los instrumentos de medición de temperatura no atienden a este hecho, existen algunos de ellos que contemplan el reemplazo de algunos de sus componentes cuando los mismos presentan deterioro, como es el caso de los pirómetros ópticos.

El período de mantenimiento de aquellos instrumentos concebidos con tal ventaja, no depende del instrumento, si no tanto del proceso en cuestión en el que se encuentre involucrado, como de los períodos de mantenimientos planificados para las instalaciones en las que encuentren, por ejemplo un paro de planta.

La manera de determinar si un determinado instrumento, se encuentra en buenas condiciones o si requiere de su reemplazo total o de algunos de sus componentes (de ser factible), es bien sea llevando el mismo físicamente al laboratorio o taller de mantenimiento de instrumentos, o extrayéndolo en campo, y posteriormente realizarle una limpieza general, para luego simular la entrada de temperatura en un instrumento portátil (puede ser fijo en un

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laboratorio) conocido como simulador/calibrador, el cual dará una entrada de temperatura, pudiéndose establecer una comparación de la entrada de la variable medida con el valor o rango deseado.

Logrando así establecer si dicho instrumento se encuentra descalibrado o fuera de su rango de trabajo. De encontrarse descalibrado o fuera de su rango de trabajo, se reemplazaran (de ser factible) aquellos componentes involucrados con la medición de la temperatura (ejemplo: sensor óptico o infrarrojo); de no ser posible se deberá reemplazar el instrumento por otro. Una vez reemplazo aquellos componentes deteriorados, se procede a la calibración del instrumento y nueva colocación en el proceso al cual pertenece.

Muchas corporaciones están emprendiendo cambios en sus procesos industriales, los dispositivos de control juegan hoy en día un papel muy importante en el control de estos procesos, siempre que su selección sea la más adecuada para los procesos industriales. Actualmente, existe Tecnología de la Información como Herramienta de Diagnóstico de Fallos de los instrumentos.

5. Costos de Instrumentos de Medición de Temperatura.El costo de los instrumentos de medición de temperatura varían tanto

con el fabricante, como con el requerimiento específico en un determinado proceso industrial en cuestión, y las condiciones presentes en el mismo.

Esta variación es tal, que dentro de un mismo grupo de instrumentos, existe un amplio rango de precios atendiendo al diseño, exactitud, precisión, sensibilidad, entre otros factores.

A continuación los rangos de costo actual (año 2009) de algunos instrumentos de medición de temperatura:

INSTRUMENTO COSTO

TERMÓMETROS DE VIDRIO 10$ - 150$

TERMOCOUPLAS 48$ - 585 $

RTD 90$ - 350$

TERMISTOR 15$ - 165$

PIRÓMETRO OPTICO 2.175$ - 8.495 $

SENSOR INDUSTRIAL INFRAROJO 1190$

PIRÓMETRO DE RADIACIÓN 1.175$ - 6.495 $

TERMOCOUPLE SIMULATOR 330$ - 440$

CALIBRADOR TERMOCOUPLA, RTD, VOLTAJE RESISTENCIA

1620$ - 2925$

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TERMÓMETRO BIMETÁLICORANGO DESDE -30 A 970ºC

42$

TERMÓMETRO DE BULBO CAPILARRANGO DESDE -30 A 970ºC

42$

Fuente: Instituto Ecuatoriano de Normalización Laboratorios de Pruebas de Calibración.

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