terminologia temperatura

CONTROL DE PROCESOS

Ing. Andres Morocco Apfata

Intervalo, campo, rango de medida ( Range )

Conjunto de valores de la variablemedida que están comprendidosdentro de los límites superior einferior de la capacidad de medida,de recepción o de transmisión.Se expresa por los valores extremos.

Alcance, margen ( Span )

Es la diferencia algebraica entre losvalores superior e inferior del campode medida del instrumento.

Terminología de Instrumentos

Error

Es la diferencia algebraica entre el valor leído y el valor real de la variablemedida.

VARIABLE

LEC

TU

RA

100%

100%0

RectaCarac.

Error de cero


En Exceso

En Defecto

Error de cero

Cuando la salida del instrumento se desvía en la misma cantidad, en excesoo en defecto, para todo el rango de entrada.

VARIABLE

LEC

TU

RA

100%

100%0

Error de Alcance

Error de Alcance


Cuando la salida del instrumento varía desde cero hasta un máximo encantidades proporcionales, en exceso o en defecto.

En Exceso

En Defecto

VARIABLE

LEC

TU

RA

100%

100%0

Error de Angularidad


Aparece cuando la salida del instrumento no coincide en algún punto con elrango esperado de salida. Este error puede dar salidas mayores o menoresque el valor verdadero según sea el punto considerado.

En Exceso

En Defecto

VARIABLE

LEC

TU

RA

100%

100%0


Error de Histéresis

Es la máxima diferencia existente entre dos lecturas de un mismo valorde la variable, efectuándose, una de las lecturas cuando la variable sepasea en la dirección ascendente y la otra cuando lo hace en ladirección descendente. Este error casi siempre es despreciable si esmenor que la sensibilidad del instrumento.

Ascendente

Descendente

Errores combinados

VARIABLE

LEC

TU

RA

100%

100%0

Error Combinado de Cero y Span



Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas próximasal verdadero valor de la magnitud medida.

Exactitud ( accuracy )

La exactitud se da en términos de inexactitud.

Instrumento de 0 - 100 ºC Valor Real 100º C

Valor Medido 99.98º C

Los errores que existen necesariamente al realizar la medida de una magnitud, hacenque se tenga una incertidumbre sobre el verdadero valor de la medida.

Incertidumbre (Uncertainty)

La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.

Linealidad

Es la cualidad de un instrumento de medida por la que tiende a dar lecturas muypróximas unas a otras, es decir, es el grado de dispersión de las mismas. Uninstrumento puede tener pobre exactitud, pero una gran precisión

Precisión (Precision)

Ejemplo: Un manómetro de 0-10 bar, puede tener un error de cerode 2 bar.

Valor Real = 5 bar

Valores leídos7.049, 7.05, 7.051, 7.052

Dispersión Máxima = 0.003


Linealidad


La aproximación de una curva de calibración a una línea recta especificada.

Una de las características más resaltantes de un dispositivo de medición sonlas curvas características de calibración del dispositivo. Estas permiten obteneruna relación directa punto a punto de la señal de salida en funció n de laentrada y viceversa si es necesario.Las curvas características se obtienen de la respuesta directa del sensor otransductor, por lo cual cada transductor tiene su propia curva de calibración ,en algunos casos a la curva de calibración se le llama curva de respuesta enamplitud.

Curva de Calibración


VARIABLE

ESTADO

100%0

ON

OFF

BAJANDO

SUBIENDO

BANDAMUERTA

Es el campo de valores de la variable que no hace variar la indicación o la señalde salida del instrumento, es decir que no produce respuesta.

Zona Muerta ( Dead Zone )


Es la razón entre el incremento de la señal de salida o de la lectura y elincremento de la variable que lo ocasiona, después de haber alcanzado elestado de reposo.

Sensibilidad ( Sensitivity )

Repetibilidad ( Repeatibility )

Es la capacidad de reproducción de las posiciones de la pluma o del índice ode la señal de salida del instrumento, al medir repetidamente valores idénticosde la variable en las mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido devariación, se expresa en %.


Histéresis ( Hysteresis )

Cuando se toman los datos de calibración de un instrumento, esto se hace conlos datos de subida y los datos de bajada en la entrada), al representargráficamente los datos de la medida del transductor (variable de salida ovariable eléctrica), tendremos la representación de dos curvas de salida, unade subida y otra de bajado . Idealmente deberían ser iguales la curva, a ladiferencia entre estas dos curvas se define como la histéres is . En la figurase muestra la curva de histéresis de un sistema de medición.


Señales de Instrumentación

Eléctrica (Híbrida)• 4-20mA con señal digital modulada• HART

Neumáticas• 6 – 30 psi• 3 – 15 psi (ISA SP-50)

Eléctrica (analógica)• 0-20mA.• 4-20mA.• 1-5 VDC, 0-10VDC.

La instrumentación de procesos requiere calibración y mantenimiento periódicospara garantizar que las medidas tomadas se ajusten a los valores especificados.Si este proceso se realiza correctamente, se garantiza que la planta funcione de lamanera más eficaz y rentable posible.

Que es Calibración

La calibración es simplemente la comparación del desempeño de un instrumentocon un valor patrón de conocida exactitud.

Calibración de instrumentos de medición

Patrón

Medida materializada, instrumentos de medición, material de referencia o sistemade medición destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o unoo más valores de una magnitud para utilizarse como referencia.

Operación de contrastar un instrumento con respecto a una referencia o patrónreconocidos .

Incrementa el rendimiento de la producción.Optimiza los recursos.Garantiza que las mediciones (y probablemente también los productos) resultencompatibles con las efectuadas en cualquier parte del mundo.

Calibración de instrumentos de medición

Ventajas de una Calibración

Calibración de un Instrumento

¿Porque calibrar?El envejecimiento de los componentes, los cambios de temperatura y estrésmecanico que soportan los equipos deterioran paulatinamente su desempeño.Cuando esto sucede las mediciones pierden confiabilidad, esta realidad no puedeser eludida, pero si detectada por medio del proceso de calibración.

AjusteOperación destinada a llevar un instrumento de medición a un estado defuncionamiento adecuado para su utilización.

Calibrador de procesosMarca : FlukeModelo : 725

El calibrador de procesos multifuncional Fluke 725 esun calibrador de campo. Puede emplear las funcionesde medición y generación para comprobar y calibrarprácticamente cualquier parámetro de proceso.

El calibrador tiene las siguientes características y funciones:

Presenta una pantalla dividida:La parte superior de la pantalla sólo permite medir tensión, corriente y presión.La parte inferior de la pantalla permite medir y servir defuente de tensión, corriente, presión, temperatura (RTD ytermopares), frecuencia , ohmios y presión (utilizandomódulos de presión opcionales).

SENSORES DE TEMPERATURA

El calor es una forma de energía. Estaenergía es responsable de la vibraciónde los átomos y moléculas queconstituyen la materia. La temperaturade un cuerpo es una manifestación deesta energía, y está íntimamenterelacionada con la cantidad de calor(energía) que un cuerpo absorbe deotro.

Se dispone de dos tipos principales de sensores de temperatura de tipo industrial:los termopares (TC) y los resistores dependientes de la temperatura o RTDs.

Un sensor de temperatura es undispositivo capaz de interpretar señalesde cambio de temperatura (calor) ytransformar esta información en señaleseléctricas y enviándola a otro dispositivopara poder ser interpretada.

UNIDADES DE TEMPERATURA

Conversión de Fahrenheit a Centígrados

Conversión de Centígrados a Fahrenheit:

Interpolación de Señales de Instrumentación

Interpolación es un proceso matemático que nos ayuda a calcular la señalde instrumentación, dados el rango de proceso y la variable de proceso

Este proceso consiste en calcular la señal de instrumentación que corresponde proporcionalmente a la variable de proceso

cesoiabledeprocesorangodepro

ontrumentaciseñaldeinsontrumentacirangodeins

cesorangodepro

ontrumentacirangodeins

var−−=

Ejemplo:El Rango de Proceso es de 0 –100 psi y la variable de proceso (input) está en 61.43 psi. ¿Cuál es la señal de instrumentación (output) en este caso? (Recordar que el rango de instrumentación es de 4 – 20 mA)

Termocuplas

Sensores de Temperatura

El voltaje que aparece en los extremos de la unión, conocido como voltaje Seebeckaumenta con la temperatura. Este voltaje es diferente para diferentes combinacionesde los metales (y/o aleaciones).

Una termocupla consiste de un par deconductores de diferentes metales oaleaciones (termopar otermoelementos); uno de los extremos,la junta de medición está colocado en ellugar donde se ha de medir latemperatura.

En 1821, Thomas Seebeck realizó el siguiente experimento. Unió por ambosextremos dos conductores de naturaleza diferente y sometió a calentamientouno de ellos, descubriendo la presencia de un flujo de corriente continua por elcircuito termoeléctrico. Este efecto fue posteriormente denominado “EfectoSebeck”, en honor a su descubridor

Termocuplas

Termopar del tipo K

Principales combinaciones de metales y/o aleaciones que se utilizan para construir termopares de uso comercial.

Tabla de valores termopar tipo J

Tabla de valores termopar tipo K

Medición practica de temperatura utilizando termocuplas

Por lo tanto, para poder conocer la FEMgenerada en la unión J1, necesitamosconocer la FEM de las uniones J2 y J3.

La medición con termocupla presenta la grandificultad de que cada unión galvánica generauna nueva FEM.

Unión de referencia a cero grados centígrados

Medición practica de temperatura utilizando termocuplas

Métodos de compensación

La medición con termocupla requiere la compensación de la unión de referencia.

Por la Ley de los Metales Intermedios esta segunda conexión es equivalente a laprimera.

Ley de los Metales Intermedios: un tercer metal insertado entre dos metalesdiferentes no tendrá ningún efecto sobre la diferencia de potencial de salida, siempreque las dos uniones formadas por el metal adicional se encuentren a la mismatemperatura

Métodos de compensación

CÁPSULASUsualmente un termopar se instala dentro de una cápsula de material cerámico y ésta a su vez dentro de otra vaina o protector de acero de alto grado que la protege de atmósferas corrosivas o contra impactos u otro tipo de acciones mecánicas del medio. En la figura podemos observar el aspecto de una vaina de acero 316, provista de un conector NPT de ½”

Muchos fabricantesproporcionan un blindajemetálico para el cable,también fabricado conacero 316 helicoidal.

Termopar provisto devaina o protectorcerámico dotados concajas de conexión.

Código de colores para termoparesLa identificación del tipo de termopares es posible gracias a un código de coloresnormalizado para Europa y Estados Unidos. Se muestra el código de colores europeo y elcódigo IEC americano proporcionado por RS Components.

TRANSMISORES DE TEMPERATURA PARA TERMOPARES

Los transmisores de temperatura fabricadospara termopares, son amplificadores deinstrumentación especialmente diseñados paraamplificar pequeñas tensiones generadas pordiferentes tipos de termopar, dentro de undeterminado rango de temperatura.Generalmente son dispositivos “2-wire”, esdecir instrumentos del tipo 2-hilos, que comoes de esperarse, facilitan enormemente elcableado.

La mayoría de los transmisores de temperaturarequieren ser calibrados, por lo tantodispondrán de un par de potenciómetros parael ajuste del cero (zero) y del alcance (span).Para realizar la calibración, es necesario uninstrumento conocido como calibrador, quegenerará tensiones muy pequeñas a partir deun valor digital de temperatura, simulando asíla tensión generada por el termopar.

TRANSMISORES DE TEMPERATURA PARA TERMOPARES

Resistance Temperature Detector (RTD)

Las RTD´s son sensores de temperaturabasados en la variación que experimentala resistencia de los metales con latemperatura. Siendo esta variaciónaproximadamente lineal con latemperatura.

Al calentarse un metal habrá una mayor agitación térmica, dispersándose más loselectrones y reduciéndose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayortemperatura, mayor agitación, y mayor resistencia.

Resistance Temperature Detector (RTD)Uno de los metales más usado para este tipo de detector es el platino, encontrándoseen segundo lugar el níquel. Los valores óhmicos nominales a 0ºC varían tal como semuestra:

La relación entre resistencia y temperatura viene dada por la relación:

RT = R0[1 + At + Bt2 + C(t – 100)3]

La expresión lineal aproximada viene dada por la ecuación:

RT = R0 (1 + α∆T)donde α recibe el nombre de coeficiente detemperatura y tiene un valor para la resistenciade platino α = 0.00385.

En el caso de una RTD Pt 100 cuyo valorresistivo es 100 ohms a 0ºC, el coeficiente semodifica a 0.385 ohms/ºC y constituye lapendiente de una línea recta que constituye elmodelo matemático del RTD Pt-100.

Resistance Temperature Detector (RTD)Una RTD consiste de una bobina de alambre delgado de cobre, niquelo platino que se encuentra fija a un soporte adecuado; muchas vecesencapsulado bajo una cubierta de vidrio o cerámica.

PT100 TEMPERATURE / RESISTANCE TABLE

Que valor mostraria una Pt-100 cuando esta sensando unatemperatura de 75 ºC.

Puente de MediciónEl método más empleado para medir pequeños cambios de resistenciaconsiste de dos divisores de tensión en paralelo, uno de los cualescontiene el transductor de temperatura. Si se diseña de forma que enreposo ambos divisores den la misma tensión (Vs = 0 V), sólo hará faltamedir la diferencia de tensión entre las salidas para obtener una señal quedependerá de la variable a medir. Esta estructura se conoce como Puentede Wheatstone, la cual, además de esta propiedad fundamental, permiteaumentar la sensibilidad del sistema a base de situar diversos sensores enlos brazos pertinentes.

Puente de Medición

La forma tradicional de medir la variación de resistencia de la sonda, esincorporando esta a un puente de Wheastone, dispuestos en montajedenominados de 2, 3 y 4 hilos.

Se excita el puente con un voltaje, y el voltaje que pasa por el puente esproporcional a la resistencia de la RTD.

Existen tres tipos de termoresistencias, de acuerdo a su construcción ycableado:- de dos hilos- de tres hilos- de cuatro hilos

Calcular el valor de la tensión de salida del puente correspondiente a una temperatura de 100 grados centígrados en la termorresistencia.

Esta técnica de medición trae consigo el gran inconveniente de que loscables presentan una resistencia propia por metro lineal, que para grandeslongitudes constituye un error notable en la medición.

Medición a 2 hilos

Se tiene un PT100 que mide 137,5 ohms en los extremos de sus cables deconexión. Se sabe que cada cable tiene 5 ohms de resistencia. Calcular aque temperatura aproximada se encuentra el PT100.

Para compensar este error, se introdujo el puente compensado de 3 hilos.Este tipo elimina el efecto introducido por la resistencia de los cablessiempre y cuando la resistencia de los cables sean iguales, el efecto desus impedancias se anulará mutuamente por encontrarse en ramasopuestas del puente, en tanto que el cable de “sensado” no generarácaidas de tensión significativas, pues la corriente que circula por el es muypoco significativa.

Medición a 3 hilos

En la practica estas resistencias son prácticamente iguales, pues loscables usados están en una misma manguera, son de igualescaracterísticas y tienen la misma longitud.

Medición a 4 hilosOtra manera de medir los elementos del tipo Pt-100 es usar un circuito de4 hilos con el metodo de voltaje y corriente. Aquí el detector se excita poruna fuente constante de corriente y se mide el voltaje que pasa por eldetector con un amplificador de gran impedancia de entrada. Si la fuentede corriente es perfecta y la impedancia de entrada del medidor de voltajeinfinita, no se introduce ningún error por la resistencia de los cablesincluso si estas resistencias no son iguales.

Cableado interno Pt100

Los sistemas de 3 hilos se han utilizado de manera general paratodas las aplicaciones, pudiéndose considerar el sistema másestándar que existe para medir Pt-100, reservándose el sistemade 4 hilos para aplicaciones de muy alta precisión o sistemas delaboratorio.

UTILIZACION DE LOS SISTEMAS DE 3 Y 4 HILOS

En caso de transmisores montados en la cabeza del sensor, sepuede usar siempre el sistema de tres hilos pues la longitud y laresistencia de los cables de interconexión entre el elementosensor y el transmisor es idéntica por lo que no introducimosningún error debido a la resistencia de los mismos.

En caso de instrumentos que se monten separados del sensor, yen los que se necesite muy alta precisión es aconsejable usarsistemas a 4 hilos o sistemas a tres hilos inteligentes.

Los termopozos correctos reducirán la posibilidad de daño alinstrumento de temperatura que puede causarse por la presión,corrosión, velocidad del fluido, flujo abrasivo, etc. Además esteinstrumento nos permite retirar el sensor para reemplazo omantenimiento sin cerrar o detener el proceso

Termopozos (Thermowells )

Un “thermowell” o pozo térmico,constituye un sistema de montaje oprotección para sensores detemperatura de tipo RTD, termopar otermistor, de alguna atmósferacorrosiva o perjudicial y losmateriales más comunes son enacero inoxidable 304 y 316 y tubosde inconel 600, se pueden fabricarrectos, cónicos, escalonados conconexión a proceso ó bridados.

Andrés Morocco A.

Son elementos de instrumentación, cuya entrada esdirectamente una termocupla o una RTD y su salida es unaseñal estandarizada (1-10V, 1-5V, 0-20mA, 4-20mA) o unprotocolo de comunicación industrial.

TRANSMISORES

TRANSMISORES DE TEMPERATURA PARA RTD

1. Mezcla de óxidos en polvo comprimidos2 y 3. Electrodos de contacto4 y 5. Terminales de conexión6. Cápsula o recubrimiento epóxico

Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en

función de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.

TERMISTORES

Termistores NTC y PTC

Termistor NTC

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo

valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de

coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo

coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy

rápidamente con la temperatura.

Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc.

Donde A y B son constantes que dependen del

termistor.

La relación entre la resistencia y la temperatura no

es lineal sino exponencial:

Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient)

Es una resistencia variable cuyo valor se ve

aumentado a medida que aumenta la temperatura.

Aplicaciones: restringidas a un determinado

margen de temperaturas: limitación de corriente,

sensor de temperatura, desmagnetización y para la

protección contra el recalentamiento de equipos

tales como motores eléctricos, en indicadores de

nivel, para provocar retardos en circuitos, como

termostatos, y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades y puede

comportarse eventualmente de una forma similar

al termistor NTC si la temperatura llega a ser

demasiado alta.

Termistores NTC y PTC

Pirómetros

• Pirómetros

Los pirómetros son aparatos idóneos para realizar mediciones de precisión de temperaturassin contacto. Gracias a su mecanismo óptico, estos pirómetros son una herramienta segurapara medir temperaturas con precisión. Los pirómetros infrarrojos están especialmenteindicados para aplicaciones en las que no se pueden utilizar los sensores convencionales. Estees el caso de objetos en movimiento o lugares de medición donde se requiere unamedición sin contacto debido a posibles contaminaciones u otras influencias negativas.

terminologia temperatura

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