temperatura


Medidas de Temperatura
































































































































































































































































Al igual que las medidas de presión y nivel, la medida de temperatura en una de las variables de proceso más utilizadas en los procesos industriales. Pero si es bueno indicar que las medidas de temperatura para su transmisión remota se producen como consecuencia de una serie de fenómenos que a continuación enumeramos:
  • ·         Efecto “Seebeck” (Generación de una f.e.m. por el efecto de variación de la tra. entre un bimetal o termopar).
  • ·         Efecto “Peltier” (efecto contrario al Seebeck, al generar una corriente en un bimetal, se desprende calor).
  • ·         Efecto “Thomson” (diferencia de densidad de electrones en diferentes puntos de un hilo a distinta temperatura).

Así como se utilizan diversos fenómenos, tales como:

  • ·         Variaciones en volumen o estado de cuerpos (termómetros de mercurio, gases, etc.).
  • ·         Variación de la resistencia de un conductor (termorresistencias).
  • ·         Variación de la resistencia de un semiconductor (termistores).
  • ·         F.e.m. creada en la unión de dos bimetales (termopares).
  • ·         Intensidad de radiación (pirómetros ópticos).
  • ·         Etc.

Al igual que casi todas las variables de proceso, las limitaciones de las diferentes tecnologías de medición dependen de la precisión requerida, velocidad de respuesta, condiciones del proceso, etc. A diferencia de otras mediciones, cabe mencionar que las medidas de temperatura, en general, tienen una inercia bastante más elevada que otras variables de proceso como la presión o caudal (casi instantáneas).

Otro factor importante a tener en cuenta en las medidas de temperatura es la necesidad de instalar un elemento de protección entre el sensor y el proceso, llamado termopozo, vaina o “thermowell”. Dicho elemento debe diseñarse y coordinarse de acuerdo a las especificaciones mecánicas del proyecto.

 

Indicadores locales de Temperatura (termómetros).

Los indicadores de temperatura más utilizados en la industria son los termómetros “bimetálicos”. Los termómetros bimetálicos se basan en el diferente coeficiente de dilatación existente entre dos metales diferentes y unidos. La unión mecánica de una aguja al bimetal, hace que por efecto de cambio de temperatura se desplace. La precisión suele ser del 1% y su campo de actuación es entre –200 y 500 ºC.

 Otro tipo de termómetro utilizado es el llamado de termómetro de Bulbo. Estos consisten esencialmente en un bulbo conectado por un tubo capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo varía, el volumen del gas del interior varía, enrollándose o desenrollándose la espiral moviendo la aguja en consecuencia. Además de un gas, también es posible que los bulbos contengan líquido, vapor o mercurio. Saber, que se suele compensar la temperatura por efecto de la longitud del capilar (volumen de tubo) y por variaciones de temperatura ambiente. El campo de actuación suele estar entre 150 y 500 ºC.

 

Elementos Primarios de Temperatura.

 En primer lugar cabe indicar que para la transmisión de medidas de temperatura se necesitan dos o tres equipos, que son termopozo, elemento primario y si se quiere llevar una señal de 4-20 mA, convertidor de temperatura. En este apartado hablaremos de los elementos primarios o sensores de temperatura.

Existen dos tipos de elementos primarios que son los termopares y las termorresistencias. En ambos casos, la adición de un convertidor basado en microprocesador, hace que las señales se conviertan a una forma más estandarizada (4-20 mA, hart, etc.).

  • ·         Termopares
  • ·         Termorresistencias
  • ·         ¿Termopares o termorresistencias?
  • ·         Convertidores o transmisores de temperatura
  • ·         Interruptores de temperatura o termostatos

Termopares

El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura.

Por el efecto Seebeck y una serie de leyes fundamentales, se ha llegado a la conclusión de que en el circuito correspondiente se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están perfectamente tabulados en tablas de conversión.

Existen diferentes tipos de termopares, siendo su diferencia en el tipo de bimetales utilizados y por lo tanto en la f.e.m. generadas en función de las temperaturas.

Se adjunta una tabla de termopares según la denominación, materiales y rangos de actuación. Cada uno de los anteriores tiene características particulares tales como rango, linealidad, sensibilidad, etc.

Los límites de error de los termopares, según la norma ISA 96.1, son según la tabla adjunta:

Así por ejemplo, para medir 500º C con un termopar tipo K, éste puede introducir un error de +/- 3,75 ºC si es de tipo estándar. Mencionar que los termopares suelen estar encapsulados en un tubo de material apropiado al entorno donde se va a efectuar la medida, normalmente de acero inoxidable. Asimismo, la unión caliente puede estar unida al extremo de la funda de protección o aislada de la misma, para que no exista comunicación a masa o tierra de la planta.

Un concepto muy importante en la instalación de los termopares, cuya señal se quiere transmitir sin convertidor de temperatura, es la utilización del cable de extensión de termopares. Si cableamos un termopar con un cable estándar de cobre o aluminio estamos “rompiendo” la continuidad del termopar. Se debe utilizar un cable de extensión del mismo tipo que el termopar, así por ejemplo para un termopar del tipo “K”, el cable de instalación debe ser de “Cromel-Alumel”. En el caso de utilizar un convertidor, se debe utilizar el mismo concepto desde el elemento primario hasta el convertidor.

 

Termorresistencias

Si se construye una bobina de un hilo metálico y se mide su resistencia a una temperatura conocida, se puede utilizar la medida de la resistencia a otra temperatura para conocer esta temperatura, este es el fenómeno en el que se basan las termorresistencias, es por lo tanto una medida indirecta ya que no se mide directamente. Para ello se requiere un circuito de medida para inferir la temperatura partiendo de la resistencia. El circuito habitualmente utilizado es el puente de Wheatstone. En este caso es necesario compensar la resistencia de los cables que forman la línea desde la termorresistencias al sistema de medida.

Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el elemento más adecuado desde el punto de vista de precisión y estabilidad, pero también es el más caro. La sonda más utilizada es la Pt-100 (resistencia de 100 ohmios a 0 ºC).

El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grado, sin embargo tiene la desventaja de la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura. El cobre es barato y estable pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Se adjunta una tabla de termorresistencias como ejemplo.

 

Habitualmente las termorresistencias no se utilizan por encima de los 500 º C debido a las desviaciones producidas.


Termopares o Termorresistencias

En cualquier proyecto surge la eterna pregunta a la hora de especificar los elementos primarios de temperatura, ¿Qué instalamos termopares o termorresistencias?

La respuesta a esta pregunta, habitualmente la contestan las especificaciones del cliente final o unos criterios de diseño de cumplimiento. Medir la temperatura con un termopar, requiere medir además la temperatura de la junta fría, siendo ésta una fuente de posibles errores, además, se suele instalar el cable de extensión de termopares lo que suele dar un error adicional. Estos errores secundarios suelen ser más importantes que los del propio sensor.

La exactitud de una termorresistencias es mejor que la de un termopar, ya que no  requiere de una compensación de una junta fría y no requiere de cables de extensión.

 Otro factor importante es el concepto de la deriva. Los termopares son propensos a tener deriva, desviación permanente de una señal que se produce de forma muy lenta a lo largo de un cierto periodo de tiempo, producidos por la propia naturaleza de construcción.

La velocidad de respuesta es similar en ambos casos, siendo el coste del termopar más barato como equipo, aunque más caro como instalación cuando se requiere cable de compensación. El elemento primario es la punta del iceberg en cuanto al coste conjunto. Se adjunta tabla de comparación.

 

Convertidores o Transmisores de Temperatura

Estos equipos son instalados cuando se requiere una medida de 4-20 mA a la entrada del sistema receptor. Lo que hacen es convertir la señal del termopar o termorresistencias a una señal de salida del tipo 4-20 mA.

Hoy en día, los convertidores son capaces de admitir cualquier tipo de elemento primario, siendo solo necesaria una pequeña configuración y calibración. Estos equipos pueden ir instalados en la propia cabeza de conexiones del elemento primario, en un armario (raíl DIN), o con una envolvente tipo transmisor.

 

Interruptores de Temperatura o Termostatos

Las tecnologías son las mismas, con la diferencia que se les incluye un contacto eléctrico calibrado a un valor de temperatura, de tal manera que dicho contacto cambia de estado cuando el valor de la temperatura cambia.



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