os l - cátedras facultad de ciencias exactas y
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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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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
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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 VISUALES DE TEMPERATURA
Hay rótulos (autoadhesivos)con pigmentos que cambian de color enforma reversible o irreversible paraindicación de niveles de temperaturas
Indicador irreversible
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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