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APUNTES DE INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD TECNICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERIA EN CIENCIAS APLICADAS IBARRA

Ing. Milton Gavilánez V. I

II

INTRODUCCION

En la actualidad ya sea la mediana o gran industria modernas, requieren de instrumentos que le suministren información relacionada con el estado de una o mas variables del proceso que se desea controlar, o supervisar, se hace por tanto indispensable el conocer el funcionamiento de los instrumentos y el rol que desempeñan en los procesos industriales. El presente trabajo se ha realizado con el objeto de presentar una ayuda didáctica para el estudiante interesado en conocer los principios fundamentales, usos y aplicaciones de instrumentos utilizados en la industria, ha sido escrito exponiendo los aspectos mas interesantes, sin hacer un estudio muy profundo o un análisis matemático riguroso de cada tema, de tal manera que cualquier lector, aun sin tener estudios previos de instrumentación industrial, pueda acceder fácilmente a los temas. En el primer módulo se desarrolla el tema relativo a errores y se dan definiciones básicas que permiten al lector introducirse en los temas tratados en el presente trabajo. En el segundo módulo se estudia el tema de medición de temperatura, se describen los diferentes métodos para su medición y se realiza un análisis comparativo de los mismos. En el tercer módulo se describen los diferentes métodos utilizados para la medición de caudal de fluidos. Se describe también algunos métodos de medición de caudal másico. En el cuarto módulo se indica los conceptos relacionados con la medición de presión y se describe los diferentes métodos para medirlo. Finalmente en el módulo quinto se estudio los diferentes métodos de medición de nivel continuo y de punto fijo.

Características del trabajo.Cada tema comienza con una fotografía que resalta algún aspecto de la industria moderna y una introducción explicativa resaltando la importancia del estudio del tema.

III

Al desarrollar el tema se ha dado particular énfasis en la presentación de diagramas, fotografías y dibujos que faciliten la explicación de los diversos temas. Al final de cada tema se plantean numerosas preguntas y problemas para reforzar el aprendizaje de los temas tratados. Finalmente al final del presente trabajo, se indican a manera de glosario las definiciones de varios términos utilizados en el desarrollo del texto, que el estudiante podrá utilizarlos para refrescar un tema o para aclarar el significado de los mismos.

AGRADECIMIENTO. A todas las personas que de una u otra manera contribuyeron a la realización del presente trabajo.

IV

A mi Esposa y mi Hijo

V

CONTENIDO

1. ERRORES Objetivos

Pág. 1 2

1.1 Definición de error

2

1.2 Tipos de Medición. 1.2.1 Comparación Directa 1.2.2 Actuación directa de un sistema físico.

2

1.3 Fuentes de error 1.3.1. El ruido en sistemas de medición. 1.3.2. Tiempo de respuesta. 1.3.3. Limitaciones de diseño. 1.3.4. Energía intercambiada por interacción. 1.3.5. Transmisión. 1.3.6. Deterioro del sistema de medición. 1.3.7. Influencia ambiental 1.3.8. Errores de observación e interpretación.

3

1.4 Clasificación de errores. 1.4.1 Errores sistemáticos. 1.4.2 Errores aleatorios. 1.5 Definiciones.

5

Preguntas y problemas

2. MEDICION DE TEMPERATURA Objetivos

6 8

9 10

2.1 Indicadores de materiales sensibles a la temperatura. 2.1.1 Indicadores tipo fusión 2.1.2 Etiquetas adhesivas indicadoras de temperatura.

10

2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

12 13 15 15 20 22

Termómetros de líquido en vidrio. Termómetro bimetálico Termómetro de presión Termopares o termocuplas Termómetros de resistencia Termistores

VI

2.8 Sensores de temperatura de estado sólido 2.9 Pirómetros de radiación. 2.10 Características de los transductores de temperatura Preguntas y problemas. 3. MEDICION DE CAUDAL Objetivos

23 23 30 31 31 33

3.1 Instrumentos de presión diferencial 3.1.1 Placa orificio 3.1.2 La Tobera 3.1.3 El tubo Venturi 3.1.4 Tubo Pitot 3.1.5 El tubo Annubar

35

3.2 Area Variable 3.2.1 Rotámetros

40

3.3 Velocidad 3.3.1 Vertederos 3.3.2 Turbinas 3.3.3 Ultrasónico.

43

3.4 Fuerza. 3.4.1 Medidor de placa.

46

3.5 Tensión Inducida. 3.5.1 Medidor Magnético.

47

3.6 Desplazamiento Positivo. 3.6.1 Medidor de disco oscilante. 3.6.2 Medidor de pistón oscilante. 3.6.3 Medidor de pistón alternativo. 3.6.4 Medidor rotativo.

48

3.7 Medidores de Inestabilidad 3.7.1 Medidor tipo torbellino. 3.7.2 Medidor tipo Vortex.

53

3.8 Medidores de Caudal Másicos. 3.8.1 Medidores Térmicos. 3.8.2 Medidor de efecto Coriolis.

54

3.9 Características de los medidores de caudal Preguntas y problemas

57 58

4. MEDICION DE PRESION

60

VII

Objetivos

62

4.1 Instrumentos de Medición directa de presión. 4.1.1 Elementos de columna de líquido. 4.1.2 Balanza de presión con líquidos. 4.1.3 Instrumentos de medición de presión tipo pistón.

62

4.2 Instrumentos de medición indirecta de presión. 4.2.1 Elementos elásticos. 4.2.2 Instrumentos eléctricos para medición de presión.

70

Preguntas y problemas 5. MEDICION DE NIVEL Objetivos

75 80 82 82

5.1 Medidores de nivel continuo. 5.1.1 De medición directa. 5.1.2 Los instrumentos de flotador. 5.1.3 Instrumentos basados en la presión hidrostática. 5.1.4 Instrumentos basados en el desplazamiento. 5.1.5 Instrumentos basados en características eléctricas. 5.1.6 El medidor ultrasónico. 5.1.7 El medidor de rayos gamma. 5.1.8 Medidor de nivel de radar. 5.1.9 Medidor de nivel de báscula.

83

5.2 Detectores de nivel de punto fijo. 5.2.1 El detector de diafragma. 5.2.2 El cono suspendido. 5.2.3 La varilla flexible. 5.2.4 El indicador por inclinación. 5.2.5 La paletas rotativas. 5.2.6 La varilla vibratoria. 5.2.7 Sensor de nivel de radiofrecuencia capacitancia. 5.2.8 Sensor de nivel piezoeléctrico. 5.2.9 Interruptor de nivel de flotador. 5.2.10 Interruptor de nivel óptico. 5.2.11 Interruptor de nivel conductivo. 5.2.12 Interruptor de nivel térmico.

97

Preguntas y problemas

108

Glosario

111

Bibliografía

VIII

1. ERRORES

Cualquiera que sea el método de medición que use, la cantidad o valor numérico asignado como resultado de una medición para describir la magnitud de la medición, diferirá en mas o en menos del valor verdadero de la cantidad. Ninguna medición por mas elaborada o precisa que sea puede eliminar completamente ésta incertidumbre. Así el valor verdadero de una cantidad física medida nunca puede ser establecido con completa exactitud. Una de las fases más importantes del arte de medir consiste en la reducción de los errores de medición a límites que pueden ser tolerados para un determinado propósito.

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1

OBJETIVOS. Al terminar ésta unidad, usted será capaz de: 1.

Dar una definición de error.

2.

Describir diferentes tipos de medición.

3.

Discutir fuentes de errores en las mediciones.

4.

Describir la influencia del ruido en los sistemas de medición.

5.

Explicar la influencia del tiempo de respuesta de un instrumento en la medición.

6.

Discutir la influencia ambiental en la precisión de las mediciones.

7.

Discutir errores de observación e interpretación.

8.

Enumerar las diferentes fuentes de errores.

9.

Distinguir errores sistemáticos y errores aleatorios.

10.

Describir varios instrumentos.

conceptos

relacionados

con

calibración

de

1.1 DEFINICION DE ERROR. Cuando realizamos una medición, el propósito fundamental es asignar a dicha medición un valor consistente en una unidad apropiadamente escogida y un valor numérico asociado, que expresará la magnitud de la cantidad física que está siendo medida. Por ejemplo, al medir una longitud, la unidad escogida podrá ser el metro y una cantidad asociada por ejemplo podría ser 50,5. La diferencia entre el valor medido y el valor verdadero es lo que se denomina error.

1.2 TIPOS DE MEDICION Cuando se está evaluando errores de medición es conveniente tomar en cuenta el método de medición utilizado. Algunos de los métodos de medición más comunes se describen a continuación.

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1.2.1 Comparación Directa Una medición puede consistir en la comparación de una cantidad que está siendo medida con un estándar de la misma naturaleza física. O por ejemplo una magnitud calibrada es ajustada por medio de magnitudes conocidas hasta que sea igual a la desconocida. 1.2.2 Actuación Directa de un Sistema Físico Se utiliza alguna propiedad de la variable que se está midiendo para que opere o actúe sobre un dispositivo de indicación y su magnitud es leída en una escala conveniente. Por ejemplo una temperatura puede ser medida por la expansión de un líquido en un tubo capilar, y su valor puede ser leído por la altura que alcanza la columna del líquido en el tubo capilar.

1.3 FUENTES DE ERROR Adicionalmente a los errores que necesariamente resultan de una calibración fallosa de un sistema de medición, existen algunas fuentes de errores adicionales, como por ejemplo: el ruido, tiempo de respuesta , limitaciones de diseño, energía ganado o perdida por interacción, transmisión, deterioro del sistema de medición, influencias del ambiente en el sistema e interpretaciones incorrectas del observador. 1.3.1. El ruido en Sistemas de Medición De manera general, podemos definir como ruido a cualquier señal no deseada, o señal que no aporta ninguna información útil. Este ruido podría originarse ya sea en el dispositivo primario o sensor utilizado para la medición, ya sea en el canal de comunicación o enlace intermedio o en el dispositivo de indicación del sistema de medición. 1.3.2. Tiempo de respuesta Especialmente cuando la señal no es constante en valor, las demoras en la respuesta del sistema resultan en una indicación errónea, Si se considera por ejemplo un termómetro de mercurio, el calor debe ser primero transferido a la pared del bulbo del termómetro y luego debe ser absorbido por el mercurio, subiendo la temperatura y expandiéndose, está claro que desde el comienzo de la medición hasta que finalmente obtenemos la lectura correcta, debe transcurrir un intervalo de tiempo. Como se observa en el gráfico a continuación la respuesta tiene un estado transitorio y un estado estable cuyo comportamiento depende de su tiempo de respuesta y del cambio en la señal medida.

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Fig. 1 Respuesta de un sistema de medición a un cambio escalón unitario

1.3.3 Limitaciones de diseño. Un factor importante que debe ser considerado en los sistemas de medición son las limitaciones y defectos de diseño del mismo. En sistemas de medición que tienen partes móviles, es importante tomar en cuenta la fricción y la mínima fuerza que es necesaria para vencer la fricción e iniciar el movimiento. Igualmente hay que tomar en cuenta el poder de resolución, es decir la habilidad para distinguir entre lecturas cercanas. 1.3.4 Energía intercambiada por interacción. Siempre que la energía para el sistema de medición sea extraída de la media, el valor de la medición es influida en mayor o menor grado. El valor de la medición puede ser alterado por acoplamiento al sistema de medición, esto puede ocurrir en circuitos eléctricos, por ejemplo cuando existe un acoplamiento resistivo, inductivo o capacitivo, o en circuitos mecánicos, cuando existe un acoplamiento elástico o viscoso. Un ejemplo simple es la alteración en corriente que puede provoca un amperímetro en circuitos de baja resistencia.

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1.3.5 Transmisión En la transmisión de una señal desde un elemento censor hasta el sistema de procesamiento de la señal o hasta el indicador, la señal puede ser atenuada, o podría ser distorsionada por algún fenómeno de resonancia o demora de transporte, o incluso puede sufrir pérdidas, sea cualquiera el caso, el asunto es que la señal que llegue diferirá de la señal original. 1.3.6 Deterioro del Sistema de Medición Una fuente de error en los sistemas de medición, pueden constituir el deterioro físico o químico o algún otro deterioro que pueda experimentar dicho sistema, que provoca cambios en su respuesta, como por ejemplo la pérdida de magnetización en imanes permanentes, o la fatiga en resortes. 1.3.7 Influencia ambiental Un elemento ambiental que influye grandemente en la precisión y afecta la calibración de un sistema de medición es la temperatura, pues los cambios de temperatura pueden alterar por ejemplo la constante de elasticidad de un resorte, inclusive si los cambios de temperatura son grandes, puede también afectar a los componentes electrónicos del que está constituido. 1.3.8 Errores de observación e interpretación. Una fuente adicional de errores en los sistemas de medición se podría considerar a los errores de observación e interpretación. El error de paralaje producido cuando la línea de vista entre el observador y el instrumento indicador no es perpendicular a la escala del instrumento, provocará una lectura mayor o menor dependiendo de la posición del observador. La interpolación lineal de escalas, es un procedimiento simple y conveniente, pero se justifica solamente si la escala es uniforme, es común realizar éste procedimiento cuando la posición del indicador no coincide directamente con alguna división o subdivisión de la escala. Otra fuente de error producida por el observador ocurre cuando consiente o inconscientemente el observador suele “redondear” la lectura en los casos en que el puntero indicador del instrumento no coincide con una subdivisión de la escala, añadiendo o restando en algunos casos, decenas o centenas de unidad.

1.4 CLASIFICACION DE ERRORES

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En general se puede hablar de errores sistemáticos y errores aleatorios. 1.4.1. Errores Sistemáticos Son aquellos que se repiten consistentemente, éste tipo de error es difícil de evaluar. No puede ser demostrado por la sola repetición de las mediciones bajo idénticas condiciones. En la búsqueda de errores sistemáticos y en su evaluación es generalmente útil hacer cambios conocidos definidos en los parámetros de medición que están bajo control del operador y utilizar diferentes instrumentos, o si es posible utilizar diferentes métodos de medición. En ésta forma los errores que son función de uno de los parámetros controlados son cambiados en magnitud, o son alterados aquellos que son inherentes a un métodos particular. Los cambios en el tiempo de las propiedades elásticas de un resorte, o la pérdida de método particular. Los cambios en el tiempo de las propiedades elásticas de un resorte, o la pérdida de intensidad de un imán debido a golpes o envejecimiento, etc, pueden traer consigo errores sistemáticos.

1.4.2 Errores aleatorios Son aquellos que son accidentales, cuya magnitud y signo fluctúa en una manera que no se puede predecir del conocimiento o de las condiciones de medición.

1.5 DEFINICIONES Cuando se trabaja con instrumentos de medición o control de procesos industriales, se utiliza una terminología que es común tanto a fabricantes de instrumentos, como usuarios y miembros de organismos de control y regulación. A continuación se realiza una breve descripción de estos términos. Calibración Estática.Es el proceso de medición de las características estáticas de las instrumentos. Se aplica un rango de valores conocidos de entrada estática al instrumento y se registra las correspondientes salidas. Los datos obtenidos se presentan en forma gráfica o tabulados.

Rango.Está definido por los límites superior e inferior de la medición, que el instrumento puede medir. Los instrumentos están diseñados para garantizar un comportamiento adecuado dentro del rango especificado.

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Alcance (Span).Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del rango del instrumento. Sensitividad.Es el cambio en la señal de salida relacionado con el cambio en la señal de entrada en un punto de operación. Resolución.Es el menor cambio en la señal de entrada que producirá un cambio detectable en la señal de salida en su punto de operación. Cero.El cero de un instrumento, se refiere a un valor seleccionado. La salida de un instrumento se ajusta para leer cero a un punto predeterminado del rango de medición,. Por ejemplo un termómetro de grados centígrados está ajustado para indicar cero en el punto de congelamiento del agua. Precisión.Es la máxima diferencia entre la variable medida y su calor verdadero. generalmente se expresa como un porcentaje del valor de plena escala de la salida del instrumento. Linearidad.Describe la máxima desviación de la salida de un instrumento con respecto de una línea recta especificada a través de los datos calibración. La mayoría de instrumentos se diseña para que su salida sea una función lineal de su entrada. Histéresis.Es la diferencia máxima que se observa en los calores indicados por el instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la variable recorre toda la escala en los dos sentidos ascendente y descendente. Se expresa en tanto por ciento del alcance de la medida. Zona muerta.Es el campo de valores de la variable de entrada que no hace variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir que no produce su respuesta. Se expresa generalmente en tanto por ciento del alcance.

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PREGUNTAS Y PROBLEMAS. 1. Defina error. 2. Indique la diferencia entre medición por comparación directa y medición por actuación directa de un sistema físico. 3. De una definición de ruido. 4. Que es el estado estable y el estado transitorio en la respuesta de un sistema de medición? 5. Por que se debería tener en cuenta el tiempo de respuesta de un sistema de medición? 6. Como afecta la fricción de partes móviles en los instrumentos de medición. 7. Describa la influencia del deterioro del sistema de medición en la precisión de la medición. 8. Indique como puede variar la señal de medición al ser transmitida desde el elemento sensor hasta el sistema de procesamiento de la señal. 9. Por que se debe tener en cuenta la energía de interacción entre el sistema de medición y el medio? 10. Que es el error de paralaje? 11. Se justifica realizar una interpolación lineal de una escala que no es lineal?. Por que?. 12. Que es un error sistemático?. 13. Que es error aleatorio.

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2. MEDICION DE TEMPERATURA

La medida de temperatura es una de las más comunes e importantes dentro del campo industrial. Cada sistema de medición tendrá sus limitaciones propias, relacionadas con precisión, velocidad de respuesta, distancia entre el elemento de medida y el aparato de control o indicación, etc. Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura como: a) Variación en volumen o en estado de los cuerpos (sólido, líquido y gases). b) Variación de la resistencia de un conductor. c) Variación de la resistencia de un semiconductor. d) F.e.m. producida en la unión de dos metales distintos. e) Intensidad de radiación emitida por un cuerpo. f) Otros fenómenos utilizados fundamentalmente en laboratorio.

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OBJETIVOS. Al terminar ésta unidad, usted será capaz de: 1. Describir el funcionamiento de indicadores de temperatura que utilizan materiales sensibles a la temperatura. 2. Dar una descripción detallada del funcionamiento de los termómetros de líquido en vidrio. 3. Explicar el funcionamiento de un termómetro bimetálico. 4. Describir el funcionamiento de un termómetro de presión. 5. Conocer el principio de funcionamiento de un termopar 6. Enumerar los diferentes tipos de termopares existentes y su rango de aplicación. 7. Describir el funcionamiento de un RTD. 8. Enumerar los diferentes tipos de RTD y sus características. 9. Dar una descripción detallada de lo que son los termistores, sus características y aplicaciones. 10. Describir diferentes instrumentos de medición de temperatura en función de la radiación. 11. Comparar los diferentes sistemas de medición de temperatura. 12. Enumerar ventajas y desventajas de los diferentes métodos de medición de temperatura. 13. Describir en forma detallada los rangos y precisión de diferentes elementos utilizados en la medición de temperatura. 14. Distinguir el método mas adecuado para medición de temperatura en un proceso determinado. 15. Indicar características comparativas entre los diferentes sistemas de medición de temperatura.

2.1 INDICADORES DE MATERIALES SENSIBLES A LA TEMPERATURA Apuntes de Instrumentación Industrial

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2.1.1 Indicadores tipo fusión.Están generalmente disponibles en la forma de crayones y pinturas, se ofrecen en un número de rangos precalibrados y sistemáticamente espaciados hasta 2500 ºF, con una precisión de + 1%. Hay dos tipos disponibles, de cambio de fase y de cambio de color. En los de cambio de fase una marca seca es evidencia de que la temperatura a la que está calibrado el elemento todavía no ha sido alcanzada, en el momento que se ha alcanzado la temperatura el elemento se funde cambiando su estado de sólido a líquido. Los materiales de cambio de color son menos fáciles de interpretar. Las pinturas son baratas y fáciles de aplicar. La principal desventaja de las pinturas y crayones es que requieren de interpretación visual y son de efecto irreversible.

Fig. 1 Indicadores de materiales sensibles a la temperatura. 2.1.2 Etiquetas adhesivas indicadoras de temperatura Consiste esencialmente en uno o más discos pequeños sensibles a la temperatura, los cuales cambian de color al alcanzar una temperatura predeterminada. Apuntes de Instrumentación Industrial

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Fig. 2 Etiquetas indicadoras de temperatura.

2.2 TERMOMETROS DE LIQUIDO EN VIDRIO Consta de un depósito de vidrio que contiene un líquido que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar. Se hacen comúnmente de dos tipos: de inmersión total y de inmersión parcial. Los fluidos empleados son: Mercurio ..................................................... –35 hasta + 280º C Pentano ..................................................... –200 hasta + 20º C Alcohol ...................................................... –110 hasta + 50º C Tolueno ..................................................... –70 hasta + 100º C

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Fig.3 Termómetro de mercurio en vidrio.

2.3

TERMOMETRO BIMETALICO

Se basa en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, Monel o Acero y una aleación de Ferroniquel o Invar., laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices. Un cambio de temperatura produce una diferente dilatación que si no se impide, hace que las tiras formen un arco circular. Uno de los elementos se hace por lo general de Invar, que es un acero al Níquel con un coeficiente de expansión de casi cero y el otro elemento originalmente se empleó latón aunque en la actualidad se emplean una variedad de aleaciones. En algunos casos los detalles sobre materiales y procesos para unirlos se considera secretos industriales. La

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precisión de los elementos bimetálicos varía mucho, dependiendo de los requisitos de la aplicación. Los elementos bimetálicos se los fabrica de diferentes formas según la aplicación, así por ejemplo existen elementos bimetálicos de viga volada, en forma de “U”, en espiral, en forma de hélice y hélice doble e incluso las hay de forma redonda.

Fig. 4 Diferentes tipos de elementos bimetálicos. Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, no hay engranajes que exijan mantenimiento. La precisión del instrumento es de +- 1% y su campo de medida de -200 a +500º C. Fig. 5 Termómetro bimetálico.

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2.4 TERMOMETROS DE PRESION Consiste esencialmente de un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo, moviendo la aguja sobre la escala. Los termómetros actuados por líquido tienen un sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. El volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición (temperatura ambiente). Para capilares cortos, solo hay que compensar el elemento de medición para evitar errores debido variaciones de la temperatura ambiente, en capilares largos se compensa también el volumen del tubo del capilar. Los líquidos que se utilizan son el alcohol y el éter, y dependiendo del líquido empleado el campo de medición varía entre 150 hasta 500º C. Los termómetros actuados por gas están completamente llenos de gas, al subir la temperatura, la presión del gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto tendrá escalas lineales. La presión del sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo, pero también depende de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición.

2.5 TERMOPARES O TERMOCUPLAS Su función se basa en el efecto descubierto por Seebeck en 1821, sobre la circulación de corriente en un circuito formado por dos metales diferentes, cuyas uniones se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente se debe a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto PELTIER que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales distintos cuando circula corriente a través de la unión, u el efecto THOMPSON que consiste en la liberación o absorción de calor cuando circula una corriente a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperatura.

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METAL A UNION DE MEDIDA O UNION CALIENTE

UNION DE REFERENCIA O UNION FRIA

METAL B

Fig. 6 TERMOPAR

El comportamiento de los termopares está determinado por tres leyes fundamentales: a) Ley del circuito homogéneo.- En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. b) Ley de los metales intermedios.- Si en un circuito de varios conductores, la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A a otro punto B. La suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que sise pusiera en contacto directo A y B. c) Ley de las temperaturas sucesivas.- La f.e.m. generada por un temporador con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de las f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2, con la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

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Fig. 7 VARIOS TIPOS DE TERMOCUPLAS Y SUS RANGOS DE Aplicación El termopar tipo T de cobre-constantán tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación, pueden utilizar en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere para medidas entre –200º C a +260º C. El termopar tipo J de hierro-constantán es adecuado para atmósferas con escaso oxígeno libre, pueden medir temperaturas de hasta +750º C. El termopar tipo K de cromelalumel se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas entre +500º C y +1000º C. Los termopares tipo S de Platino –Platino /Rodio se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500º C. Normalmente los termopares can dentro de un tubo de protección adecuado para el proceso donde se aplica a éstos tubos se les conoce con el nombre de termopozos. Cuando el termopar está instalado a una distancia larga del medidor, se lo conecta por medio de cables especiales, llamados “cables de extensión de termocupla”, que son conductores con propiedades eléctricas similares a las del termopar pero son más económicos. Es necesario proveer de un circuito de compensación para minimizar las variaciones de temperatura de la unión de referencia.

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Fig. 8 Existe una gran variedad de termopozos tanto en forma como en el material del cual están fabricados, dependiendo del ambiente donde van éstos a ser utilizados.

Fig. 9 Dos tipos de termopozos existentes en el mercado. El voltaje generado por un termopar depende como se indicó anteriormente de la diferencia de temperatura entre las dos junturas, La temperatura de una juntura es la de la variable medida; sin embargo, esta medida no tiene valor si no se sabe la

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temperatura de la otra unión. Para una lectura verdadera, la juntura de referencia, o unión fría, debe estar a 0ºC. Sin embargo no es práctico proveer un baño de hielo en el campo o piso de la planta. Por esto, es preferible utilizar la compensación de unión fría. Se mide la verdadera temperatura de la unión de lectura del termopar. La corrección se hace agregando un voltaje correspondiente a la diferencia entre la temperatura de referencia verdadera y 0ºC o corrigiendo la salida del instrumento por la cantidad correspondiente. Este método funciona ya que no es sino la aplicación de la ley de las temperaturas intermedias. Otra ley que se aplica a los termopares es la ley de los metales intermedios, según la cual, si existen varias junturas de termopar de diferentes metales, conectadas en serie y todas a la misma temperatura, no se genera un voltaje adicional. De este modo, es posible conectar el termopar a un instrumento de medición, hecho de diferentes materiales a condición de que todos esté a la misma temperatura. Según la ley de metales intermedios, el metal que se utiliza para los alambre de extensión para los termopares no debe afectar la medida. Sin embargo, en la práctica se observa que los termopares tipo J y T deben tener alambres de extensión del mismo material, lo cual minimiza los efectos de las variaciones en la temperatura de los alambres principales a medida que pasan por la diferentes áreas. Cuando se adquieren termocuplas, cono termopozo, se puede escoger entre tres configuraciones diferentes: a) Con la juntura no unida a tierra. La unión de la termocupla está totalmente aislada del termopozo, con el aislamiento sellado contra la penetración de líquidos o gases, excelente para aplicaciones donde ruido de carácter eléctrico podría afectar la lectura y para cambios de temperatura rápidos frecuentes. b) Con la juntura expuesta. El aislamiento no está sellado contra la penetración de líquidos o gases, se recomienda donde se desea respuesta rápida y donde no existen ambientes corrosivos. La longitud de la unión caliente expuesta es nominalmente igual al diámetro exterior del termopozo. c) Con la juntura unida a tierra. El extremo de la termocupla es unido firmemente al termopozo. Recomendando en presencia de líquidos, humedad, gas o altas presiones. La unión de medida es protegida de condiciones corrosivas o abrasivas.

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Para seleccionar una termocupla se deberá seguir los siguientes pasos: 1) Delimitar el rango de temperatura de trabajo (límite superior e inferior de las mediciones) 2) Medio ambiente. 3) Tomar en cuenta como influye el ambiente de medida en el tipo de termocupla. Previo a la instalación se deberá verificar lo siguiente: a) Rango correcto de temperatura b) Idoneidad del termopozo o material de la termocupla según el medio. c) Juntura adecuada. d) Resistencia a la abrasión. e) Resistencia a la vibración. f) Inmersión.

4) Tiempo de respuesta. 5) Existencia de orificios predeterminados en el sitio de instalación. 6) El alambre de termocupla y el de extensión sirven para conectar el sensor a la instrumentación. El aislamiento del alambre se escoge de acuerdo al ambiente involucrado. Tabla 1. Designación de alambres de extensión y límites de error standard. TIPO ISA TX JX KX SX

ALAMBRE DE EXTENSION CobreConstantan HierroConstantan CromelAlumel CobreAleación CuNi

CODIGO DE RANGO COLOR EN ºF. +(azul) -(rojo) +(blanco) -(rojo) +(amarillo) -(rojo) +(negro) -(rojo)

-75 + 200

LIMITES DE ERROR + 11/2º F

0 + 400

+4

ºF

75 + 400

+4

ºF

75 + 400

+ 10 º F

USADO CON CobreConstantan HierroConstantan Cromel-Alumel Platino RodioPlatino

2.6 TERMOMETROS DE RESISTENCIA La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia dependen de las características RESISTENCIA-TEMPERATURA propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino de platino o níquel, bobinado entre capas de material aislante, es protegido por un revestimiento de vidrio o cerámica, encapsulado y situado dentro de un tubo protector de acero, acero inoxidable, etc. La resistencia eléctrica del material que forma el censor, está caracterizada por la siguiente relación: Rt = Ro(1 + α t) Apuntes de Instrumentación Industrial

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DONDE:

α= COEFICIENTE DE TEMPERATURA T = TEMPERATURA EN º C Rt = RESISTENCIA EN OHMIOS A t ºC. Ro = RESISTENCIA EN OHMIOS A 0ºC.

El platino es el material mas adecuado por su precisión y estabilidad, pero es muy caro. El níquel es mas barato que el platino pero su característica resistenciatemperatura no es lineal, y su coeficiente de temperatura experimenta variaciones. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene baja resistividad. Las longitudes que pueden haber entre la sonda y el panel donde esté el instrumento de indicación o control añaden una cierta resistencia al circuito de medición, por lo que para que la medida no sea afectada por las longitudes de los conductores. Se utiliza el montaje a tres hilos o a cuatro hilos, el montaje a tres hilos es le mas utilizado en la práctica, a continuación se observa los tipos de ensamblaje mas comunes.

Fig. 10 diferentes tipos de ensamblaje

Metal

Resisti vidad µΩ/cm

Platino Níquel

9,83 6,38

Cobre

1,56

α 1/°C

Rango útil °C

Φ min, de hilo mm

Costo Relativo

Resistencia A 0°C

Precisión °C

0,00392 0,0063 a 0.0066 0,00425

-200 a 950 -150 a 300

0.05 0.05

Alto Medio

25,100,300 100

0,01 0,50

-200 a 120

0.05

Bajo

10

0,10

Tabla 2.- CARACTERÍSTICAS DE SONDAS DE RESISTENCIA

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Los materiales utilizados para fábricas RTD’s deben tener las siguientes características: -Valores altos de resistividad. -Permitir formar bobinas con facilidad. -Disponibilidad en estado puro. -Característica lineal de la curva resistencia-temperatura. -Característica de estabilidad y derivas a largo plazo. -Resistencia a la contaminación y atraque químico. 2.7.

TERMISTORES

Los termistores son dispositivos fabricados de un semiconductor sólido con un alto coeficiente de temperatura de resistencia el cual presenta una característica voltaje-corriente lineal, siempre que se mantenga constante la temperatura. Para obtener una buena estabilidad en los termistores, es necesario envejecerlos adecuadamente. En intervalos amplios de temperatura, tienen características no lineales. Debido a su alto coeficiente de temperatura, poseen una mayor sensibilidad, que las sondas de resistencia, permitiendo incluso intervalos de medida de 1º C. Son de tamaño pequeño y su tiempo de respuesta dependen de la capacidad térmica y de su masa pudiendo variar entre fracciones de segundo hasta minutos. El coeficiente de temperatura puede ser negativo o positivo.

Fig. 11 Diversas formas de termistores

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La corriente que el circuito de medición obligue a pasar por el termistor debe ser baja para garantizar que la variación de la resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso. Cualquier dispositivo censor de temperatura basado en resistencia eléctrica puede ser afectado por autocalentamiento. Para medir la resistencia del dispositivo, se hace pasar corriente a través del él, lo cual sube su temperatura. En la mayoría de los casos la corriente es mantenida a un valor bajo para minimizar los efectos de calentamiento, pero existen algunas aplicaciones en las cuales el efecto es usado a propósito, por ejemplo un termistor puede ser usado como indicador de nivel alimentándolo corriente suficiente para provocar un cambio suficiente en su resistencia cuando es expuesto al aire. Si éste es inmerso luego en un líquido, su temperatura y su resistencia cambiará.

2.8 SENSORES DE TEMPERATURA ESTADO SÓLIDO (IC)

DE

Los traductores de temperatura de circuito integrado, constituyen uno de los más lineales de los transductores de temperatura existentes, existen configuraciones con salida a voltaje o a corriente. Generalmente éstos dispositivos son usados para compensación por hardware en los dispositivos indicadores o controladores de temperatura. Son de tamaño pequeño y por lo tanto ideales para utilizarlos en circuitos impresos de computadoras o disipadores de calor. No necesitan de circuitos para linearización, amplificación o compensación de unión fría.

2.9 PIROMETROS DE RADIACIÓN. Basan su funcionamiento en la ley de STEFAN-BOLTZMAN, que dice que la emitancia integral de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde o,1 micras (ultravioletas) hasta 12 micras (infrarrojo). La pirometría infrarroja mide la temperatura de un objeto sin tocarlo, esto lo hace útil cuando el objeto a ser medido está muy lejos, moviéndose, o es delicado tocarle o muy caliente para tocarlo, etc., los pirómetros de radiación miden a distancia la temperatura de un cuerpo en función de su energía irradiada. Como se observa en la figura 13 la forma de espectro radiado varía con la temperatura del objeto emisor, con el pico moviéndose hacia las longitudes de onda corta conforme la temperatura se incrementa. Los instrumentos que miden la temperatura en función de la energía luminosa que el cuerpo emite se denominan

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pirómetros ópticos o de radiación parcial y los que miden la temperatura captando todo o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total. El factor de emisión de energía radiante depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor. Un pirómetro dirigido hacia una superficie incandescente no dará su temperatura verdadera si la superficie no corresponde a la de un cuerpo negro. En los casos generales es preciso hacer una corrección de la temperatura leída para tomar en cuenta el coeficiente de absorción de la superficie.

Fig. 12 PIROMETRO OPTICO.

Los pirómetros ópticos manuales (fig. 12) se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al comparar visualmente con la imagen del objeto enfocado. Los pirómetros ópticos automáticos y los de radiación infrarroja consisten en un disco rotativo que modula defasada la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un tubo fotomultiplicador, éste encía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que luego de ser acondicionada modifica la corriente a través de la lámpara que es función de la temperatura medida. Si bien es un método de medición sin contacto, tiene varias desventajas, requiere de un operador humano, trabaja con objetos lo suficientemente calientes como para emitir luz visible, esto restringe su rango a temperaturas en el rango desde 760º C hasta 3500º C. Los termómetros modernos IIR, en cambio utilizan los detectores electrónicos y funcionan sobre longitudes de onda tanto visibles como invisibles al ojo. El resultado es que son capaces de medir las temperaturas de –40 a 4000º C.

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Fig. 13 La radiación predominante está en la región IR Lo que es crítico para la precisión de éste tipo de medidores es la emisividad de la superficie a medir. Las ecuaciones tradicionales que relacionan la radiación a la temperatura, suponen un radiador de cuerpo negro perfecto. Sin embargo, como todos sabemos, los objetos en el mundo real se comportan de manera distinta y además su alejamiento de las condiciones de cuerpo negro (emisividad), pueden cariar con la longitud de onda, la temperatura y la superficie a medir, que incluye su composición química, aspereza, oxidación, etc. Por eso es imprescindible conocer o tener alguna forma de medir la emisividad del material a medir. Existen tres clases principales de termómetros de radiación:

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Fig. 14 Transductor basado en microcomputador.

El pirómetro de radiación total (banda ancha) está formado por una lente de pirex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares o detectores fotoeléctricos de estado sólido, que general una señal de corriente muy débil que luego es procesada convenientemente. La termopila está formada por varios termopares de Pt-PtRd de pequeñas dimensiones y montados en serie, poseen una baja velocidad de respuesta. Los detectores fotoeléctricos responden con mayor velocidad, éstos termómetros miden el espectro entero de la energía emitida por el material a medir. Son bastante sencillos, pero fácilmente engañados por el humo u otros agentes que oscurecen entre el sensor y el material a medir. Es importante corregir la emisividad; en general, mientras más baja es la emisividad mayor es el error. El pirómetro de longitud de onda única (monocromático), mide la intensidad de radiación en una longitud de onda, o en un rango mas estrecho de longitudes de onda. Proporciona una precisión aceptable cuando se sabe que la emisividad está alrededor del 10%. La longitud de onda de operación se elige a partir del material a medir. El pirómetro de dos ondas (doble espectro), mide la intensidad en dos longitudes de onda simultáneamente y calcula la temperatura midiendo la relación de las dos intensidades en dos longitudes de onda, son prácticos en los casos en que la emisividad es baja, es difícil de medir o es variable, son particularmente usados en ambientes donde existen polvo, vapor o partículas en la atmósfera. Este termómetro de radiación mide la temperatura en la base de dos o más longitudes de onda discretas, el uso de dos colores visibles distintos, típicamente el rojo y el verde ha sido por mucho tiempo muy popular, aunque recientemente su uso inicial se ha ampliado a la utilización de longitudes de onda del infrarrojo. La ventaja de este sistema de medición es que las lecturas de temperatura son grandemente independientes de las fluctuaciones de emisividad y/o contaminación en el medio. La técnica es generalmente usada para temperaturas sobre la

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incandescencia (700º C), aunque son posibles también temperaturas menores hasta los 200º C.

Fig. 15 Se toma en cuenta la emisividad y la atmósfera

A diferencia de los medidores de temperatura por contacto y su relativamente baja velocidad de respuesta, los medidores de temperatura basados en la energía infrarroja emitida por el objetivo, tienen respuestas rápidas y son comúnmente utilizados para medir objetivos móviles e intermitentes, objetivos en vacío u objetivos que están inaccesibles, ya sea por estar localizados en ambientes hostiles, por limitaciones geométricas o peligros. La radiación infrarroja fue descubierta en 1666 por Sir Isaac Newton, cuando separó la energía electromagnética de la luz solar, pasando luz blanca a través de un prisma de vidrio, que descompuso el rayo en los colores del arco iris. En 1800, Sir William Herschel dio el siguiente paso, midiendo la energía relativa de cada color. El también descubrió la energía mas allá del rango visible. Por los años 1900, Plank, Stefan, Boltzman, Wien y posteriormente Kirchhoff, definieron la actividad del espectro electromagnético y desarrollaron datos cuantitativos y ecuaciones para identificar la energía IR (infrarroja).

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Fig. 16 Pirómetro portátil Otros métodos de medida están destinados usualmente a medidas de laboratorio, ya que utilizan instrumentos y técnica muy elaboradas. Un termómetro ultrasónico puede medir temperaturas de 2 a 20 ºK con una gran precisión. Su funcionamiento está basado en la determinación de la velocidad del sonido en el helio, que resulta ser casi proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. El termómetro de cristal de cuarzo convierte directamente la temperatura en frecuencia y su relación es mucha más lineal que en la sonda de resistencia de platino. Algunas sales paramagnéticas como el sulfato amónico-férrico tienen la propiedad de cambiar su estado de energía bajo la acción de un fuerte campo magnético. Manteniendo como variable única la susceptibilidad magnética de la sal es posible medir temperaturas inferiores a 1ºK (procesos criogénicos). Un elemento parecido al termistor es el sensor de germanio con cuatro hilos, dos para la corriente de alimentación y los otros dos para detectar la caída de tensión

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debida a la resistencia interna que varía con la temperatura del cristal. El sensor es capaz de medir temperatura entre 1,5 a 10 ºK, su escala no es lineal y se utiliza en procesos criogénicos sobre las sales paramagnéticas. La pirometría acústica mide la temperatura promedio a lo largo de una línea dentro de un volumen de gas, es usado principalmente para medir temperatura de gas dentro de hornos y calderos. La pirometria acústica toma ventaja del hecho de que la velocidad del sonido es un gas es una función de la característica del gas en si mismo y de su temperatura. A continuación se indica un cuadro con los diferentes elementos de medición de temperatura, indicando su rango típico de aplicación, precisión así como también sus ventajas y desventajas, la utilización de uno u otro elemento en una aplicación específica, dependerá de la precisión deseada, características del medio, precio, etc.

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2.10

CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSDUCTORES DE TEMPERATURA.

Elemento Térmico

Rango º C 28-500

Precisión +- 1%

Ventajas Económico

Bimetal RTD Níquel

50-500