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• Alejandro Martin Cantoral

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MEDICIÓN DE TEMPERATURA

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Temperatura La temperatura es el grado de agitación térmica de las moléculas.

Pirometría: Medición de altas temperaturas, en el rango en que se manifiestan los efectos de radiación térmica. Criometría: Medición de bajas temperaturas, en general cercanas al cero absoluto.

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Escalas de temperatura

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Escalas de temperatura

Punto de ebullición del agua: 100°C, 373°K, 212°F, 671°R Punto de fusión del agua: 0°C, 273°K, 32°F, 491°R 4

Medición de temperatura  Termómetros de dilatación -de vidrio - de bulbo , de bulbo y capilar -bimetálico  Termómetros sensibles a la resistencia

-De resistencia metálica (RTD) -termistores  Termopares: J, K,R,S,T,B  Métodos sin contacto -pirómetros ópticos -pirómetros de radiación total -pirómetros de dos colores 5

Termómetros de dilatación Termómetro de vidrio

Indican la temperatura como diferencia entre el coeficiente de dilatación del vidrio y del líquido empleado. Líquidos utilizados

• Tolueno(-80 a 100°C) • Mercurio(-35 a 750°C) • Alcohol y otros Exactitud • Común 0.5 a 3% • Patrón 0.1 a 0.5%

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Termómetros de dilatación Termómetros de bulbo

 La variación de temperatura produce la expansión o contracción del fluido

lo que deforma el recinto que lo contiene.  La deformación es apreciada por un

muelle Bourdon y transmitida a un indicador o transmisor.  Rango: -40°C a 425°C

 Exactitud: 1% 7

Termómetros de dilatación Termómetros de bulbo y capilar

Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la

temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desarrollarse

moviendo la aguja sobre la escala par indicar la elevación de la temperatura del bulbo.

Termómetros de dilatación Termómetro actuado por vapor Contienen un liquido volátil y se basan en el principio de presión de vapor. Son ideales para obtener indicaciones de temperatura a distancia como paneles y cuartos de control.

Termómetros de dilatación Termómetro bimetálico

 constan de 2 láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por sus extremos.

 Muy usados como termostatos  Cuando por efecto de la temperatura se dilatan, se deforman produciéndose un desplazamiento mecánico cuya fuerza se emplea para mover una aguja indicadora o activar un mecanismo de control Rango: -40 a 500°C • Precisión: 1% 10

Termómetros de dilatación 3. Termómetro bimetálico

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Termómetros de dilatación 3. Termómetro bimetálico

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3. Termómetro bimetálico: ejemplo de aplicación

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Termómetros de dilatación

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Sensor de temperatura resistivo (RTD)

 Son detectores termométricos de resistencia, usados para medir

la temperatura al correlacionar la resistencia del elemento RTD con la temperatura.  Este principio proporciona una forma muy precisa de medir

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Sensor de temperatura resistivo (RTD) El RTD consisten en un tramo de alambre delgado enrollado alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio. El elemento es normalmente muy frágil.

Las sondas de platino se construyen con hilos de 25 µm de diámetro 16

Sensor de temperatura resistivo (RTD)

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Sensor de temperatura resistivo (RTD)

Pt100  Es un RTD fabricado de platino, el cual tiene una resistencia de 100 Ohmios a una temperatura de 0°C

 La relación aproximada entre la resistencia R y la temperatura T del pt100 es:

R =100(1+aT) Donde

α = 0.00385 °C-1 (curva europea) α = 0.00392 °C-1 (curva americana) 18

Sensor de temperatura resistivo (RTD)

Pt100 Caracteristicas  Rango: -200°C a 500°C  Exactitud: 0.2%

 Sensibilidad (pt100): 0.392 Ohmios/°C  Se utiliza el conductor 18AWG para las conexiones. La resistencia de este cable es 0.0193 Ω/m

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Sensor de temperatura resistivo (RTD)

Pt100 Con termopozo

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Sensor de temperatura resistivo (RTD) Ventajas:  Buena estabilidad y repetibilidad.  Muy buena precisión.  Más lineal que la termocupla..

Limitaciones:  Costosa  Menos robusta que las termocuplas en ambientes de altas temperaturas y vibración.  Pequeño cambio de resistencia.  Presenta errores por autocalentamiento.  Rango de temperatura limitado.

Características:  Rango de medición –200 a 500°C  Exactitud: 0.2%

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Sensor de temperatura resistivo TERMISTORES Son

dispositivos

fabricados

de

materiales

semiconductores

cuya

resistencia cambia con la variación de la temperatura. Se fabrican con óxidos de diferentes metales como níquel, cobalto, cobre, titanio, manganeso, etc.

Se tienen dos tipos de termistores PTC: coeficiente de temperatura positivo NTC: coeficiente de temperatura negativo

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Termistor PTC Es una resistencia variable cuyo valor de resistencia aumenta conforme aumenta la temperatura.

Termistor NTC Es una resistencia variable cuyo valor de resistencia disminuye conforme aumenta la temperatura.

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Ventajas de un termistor  alta sensibilidad  alta precisión (+/-0.02°C)  pequeño tamaño  bajo tiempo de respuesta( baja inercia térmica)  estabilidad y repetibilidad a largo plazo

Desventajas de un termistor  No lineales

 Limitado rango de utilización(-40°C a 150°C) 24

TERMOPARES (TERMOCUPLAS)

Es el sensor de temperatura más utilizado en la industria. Está

formada por dos alambres de distinto material unidos en un extremo soldados generalmente. Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño del orden de los mV el cual aumenta con la temperatura.

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Efecto Seebeck: fem → f ( T ) Tiene este nombre debido a que el científico Seebeck realizó el descubrimiento en el año de 1821, este principio dice: “si se sueldan 2 metales diferentes, cuyos extremos están a

distintas temperaturas, aparece una fuerza electromotriz”.

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Termocupla J La termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantan (aleación de cobre y níquel) Al colocar la unión de estos metales a 750°C, debe

aparecer en los extremos 42.2 mV

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Termocupla J  Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección ) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac,

Aluminio).  Puede ser usado expuesto o aislado.  Para una larga vida y limpieza de este, se recomienda usar un tubo protector.  La máxima temperatura de operación recomendada es de 760° C (1400° F). 28

Características del Termopar Tipo J • Termoelemento positivo: Fe 99,5% • Termoelemento negativo: Cu 55%, Ni45% • Rango: -180 a 750 °C • F.E.M. producida: -8 mV a 42.2 mV.

• Exactitud: 0.5 % • Adecuado en atmósferas con escaso oxigeno libre. 29

Termocupla K La termocupla "tipo K" está hecha con un alambre de Cromel (Ni 90% y Cr 9% y otro de Alumel (aleación de Ni, Al, Mn y Fe) Al colocar la unión de estos metales a

1372°C, debe aparecer en los extremos 54.8 mV

Las termocupla K se usan en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos. 30

Características del Termopar Tipo K • Calibración sin recubrimiento hasta 1100ºC. • Con recubrimiento hasta 1372ºC. • Termoelemento positivo: Ni 90%, Cr 10%

• Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2% • Rango: -180 a 1372°C • F.E.M. producida: -6 mV a 54.8 mV • Exactitud: 1% 31

Termocuplas R, S, T y B  Las

termocuplas

R,

S

y

B

se

usan

casi

exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero).  Las termocupla tipo T eran usadas hace algún tiempo en

la

industria

de

alimentos,

pero

han

sido

desplazadas en esta aplicación por los Pt100. 32

Curvas características de los termopares La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal es función 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 a que temperatura corresponde este voltaje.

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Conexión de Termocuplas

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Conexión de Termocuplas

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TERMOCUPLAS Ventajas:     

Simple.

Robusta. Bajo costo. Gran variedad Amplios rangos de temperatura

Limitaciones:    

No lineal. Bajo nivel de salida en mV Requiere referencia Menos estable

Características:  Rango de medición –200 a 1800°C  Exactitud: +/- 4°C 36

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LAS TERMOCUPLAS

 Rango de Temperaturas a cubrir.  Ser químicamente resistentes.  Ser mecánicamente robustos.  Producir salida eléctrica mensurable, y estable.  Tener la exactitud y precisión requeridas.  Responder con la velocidad necesaria

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Termopozo

Un “thermowell” o pozo térmico, constituye un sistema de montaje o protección para sensores de temperatura de tipo RTD, termopar o termistor. 38

Termopozo En la mayoría de las aplicaciones de medición

de

temperatura

no

es

recomendable exponer el elemento

sensor al proceso. La utilización de un termopozo, a pesar que introduce retardos

en

recomendable

la

medición,

para

proteger

es al

elemento sensor de la corrosión, erosión y altas presiones además de permitir

su

remoción

o

cambio

mientras la planta o el proceso está en operación.

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Lectura de temperatura superficial

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MEDICIÓN SIN CONTACTO

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Pirómetros infrarrojos  Todos los cuerpos emiten ondas electromagnéticas o radiación dependiendo de la temperatura a la que se encuentran  La energía radiada y su longitud de onda están de acuerdo a la temperatura  Por lo que se puede medir la temperatura del cuerpo sin contacto con él.  Basan su funcionamiento en la emisividad de los cuerpos

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Pirómetros fotoelectricos Los detectores fotoeléctricos o cuánticos (quantum)Poseen un

detector fotoeléctrico, es mucho más rápido que un sensor térmico, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico. campo de trabajo entre 35°C y 1200°C.

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GRACIAS

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