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• Eduardo Rangel Diaz

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TEMPERATURA

Las señales eléctricas estándar manejadas son: mA.C.D., 0-5 V.C.D. y 0-10 V.C.D. Así por ejemplo, desea medir una temperatura de 0-700oC, la señal mA. corresponderá a 0oC. y la señal de 20 corresponderá a 700oC.

4-20 si se de 4 mA.

La razón básica de la señal estándar es utilizar solamente un solo tipo de controlador universal que se aplique a cualquier variable de proceso. En algunos casos, el elemento primario de medición y el transmisor vienen en un solo instrumento, como es el caso de los transmisores de presión.

El controlador Su función es fijar la variable controlada en un valor deseado, conocido como punto de ajuste o “set point”, mediante la manipulación de su salida o variable manipulada a través de un actuador que interactúa directamente en el proceso. Este controlador en su entrada y salida maneja señales eléctricas estándar.

La temperatura es la variable física más comúnmente medida en procesos industriales. La temperatura es una cantidad intensiva, es decir, si se unen dos cuerpos a la misma temperatura, la temperatura final es la misma, no el doble. La temperatura permite conocer el nivel térmico de un cuerpo. Su medida se basa en la ley fundamental de la termodinámica: cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, los tres están a la misma temperatura.

Existe equilibrio térmico entre dos cuerpos en contacto cuando no se transfieren calor el uno al otro. La medida de temperatura presupone un intercambio de calor entre el cuerpo a medir y el transductor, hasta alcanzar el equilibrio térmico. Por este motivo, hay que tener presente que el hecho de hacer una medida implica un cambio de la magnitud a medir y por tanto un error implícito en la medida.

ESCALAS DE TEMPERATURAS Y RELACIONES

Transferencia de calor: es el intercambio de energía calorífica. Se puede realizar por uno o varios medios

La temperatura es una cantidad intensiva. La temperatura permite conocer el nivel térmico de un cuerpo. Su medida se basa en la ley fundamental de la termodinámica: cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, los tres están a la misma temperatura. La medida de temperatura presupone un intercambio de calor entre el cuerpo a medir y el transductor, hasta alcanzar el equilibrio térmico. Por este motivo, hay que tener presente que el hecho de hacer una medida implica un cambio de la magnitud a medir y por tanto un error implícito en la medida.

Uso de la medición de temperatura La detección, medición y control de temperatura en procesos industriales es deseada en los siguientes casos: • En operaciones que involucran transferencia de calor, como los intercambiadores de calor, hornos, evaporadores o calderas. • Control de reacciones químicas sensibles a la temperatura. • Operación de equipos, como torres de destilación, tanques de almacenamiento, torres de enfriamiento, mezcladores, etc. • Monitoreo del funcionamiento de equipo rotatorio, para prevenir calentamiento, como turbinas, compresores, bombas y motores en general. • Control de temperatura de productos y límites de planta.

Los instrumentos de temperatura se basan en diversos fenómenos que son influidos por la temperatura permitiendo clasificarlos en los siguientes: POR EFECTOS MECÁNICOS. La medición se basa en un cambio de dimensión mecánica al cambio de temperatura termómetros de vidrio, bimetálicos, de bulbo.

TERMÓMETRO DE VIDRIO: Indican la T como diferencia entre el coeficiente de dilatación del vidrio y del líquido empleado. Los más comunes son: Mercurio: (-37º C, 315ºC), Mercurio con gas inerte (N2): (-37ºC, 510ºC), Alcohol: hasta -62ºC. Precisión 1% del rango.

LIQUIDO Mercurio Amalgama de Merculio – Talio Mercurio y capilar lleno de gas Pentano Alcohol Tolueno

DESDE oC HASTA oC - 35 +280 -55 +ND -35 +450 -200 -110 -70

+20 +50 +100

TERMÓMETRO DE BULBO: La variación de T 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: (-40ºC a +425ºC). Precisión: 1% TERMÓMETRO BIMETÁLICO: Constan de dos láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por sus extremos. Muy usados como termostatos. Cuando por efecto de la T se dilatan, se deforman produciéndose un desplazamiento mecánico cuya fuerza se emplea para mover una aguja indicadora o activar un mecanismo de control. Rango: 0 a 500ºC. Precisión: 1%

PAR BIMETÁLICO Aluminio – Invar

TEMPERATURA MÁX. DE USO oC 250

Niquel – Cuarzo

600

Bronce – Invar

600

Niquel Cromo - Porcelana

1000

POR EFECTOS ELÉCTRICOS. Miden la temperatura mediante un cambio de resistencia eléctrica (RTD, termistores), un cambio de tensión (circuitos integrados) o un cambio de fuerza electromotriz generada (termopares) con dependencia de la temperatura TERMÓMETRO DE RESISTENCIA METÁLICA: Un RTD (resistance temperature detector) es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Su símbolo es el siguiente, en el que se indica una variación lineal con coeficiente de temperatura positivo

El fundamento de la RTD es la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Materiales:

- El platino es el metal que ofrece un margen lineal más amplio con una sensibilidad aceptable y una elevada precisión y exactitud. La sonda más común es la Pt100. Un Pt100 es un sensor de temperatura. Consiste en un alambre de platino que a 0 °C tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica.

- El níquel presenta una baja linealidad, pero ofrece un coeficiente de temperatura elevado, lo que implica una sensibilidad más alta. Por otro lado es mucho más económico que el platino. - El cobre es el metal que presenta unas características menos relevantes pero también es el más económico de los transductores de temperatura resistivos empleados. La siguiente tabla muestra diferentes características de los transductores mencionados:

Los sensores RTD suelen ir asociados a montajes eléctricos tipo Puente de Wheatstone, que responden a la variación de la resistencia eléctrica por efecto de la temperatura para originar una señal analógica de 4-20 mA que es la que se utiliza en el sistema de control correspondiente como señal de medida. El RTD es un dispositivo más lineal que la termocupla, pero aún así requiere que se ajuste la curva.

Es un alambre fino embobinado en un núcleo de mica, vidrio u otro material, protegido por una cubierta, relleno de óxido de magnesio o óxido de aluminio

TERMISTORES: Son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como las RTD, sino en semiconductores. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor (Resistor térmicamente sensible). Existen dos tipos de termistor: NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo, esto es, su resistencia decrece con la temperatura. Esto permite detectar cambios minuto a minuto en la temperatura que no podrían ser observados con un RTD o con una termocupla. PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo. A diferencia de los RTD los termistores tienen mayor resistencia y mayor sensibilidad

Como el RTD, el termistor es también un resistor sensible a la temperatura. Mientras que la termocupla es el transductor de temperatura más versátil, la palabra que mejor describe al termistor es “sensibilidad”. El termistor exhibe por lejos el mayor parámetro de cambio con la temperatura.

El precio que pagamos por esta sensibilidad incrementada es una pérdida de linealidad. El termistor es un dispositivo extremadamente no-lineal y es altamente dependiente de los parámetros del proceso. Consecuentemente, los fabricantes no han extendido curvas estandarizadas; esto es: no existen Standards para los termistores como sí hay para RTD y termocupla.

TERMOPARES: Una termocupla (también llamado termopar) es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck).

TIPO DE TERMOPAR E J K R S

T

METALES

Chromel (+) Constantan (-) Hierro (+) Constantan (-) Chromel (+) Alumel (-) Platino (+) Platino (-) Platino (+) Platino (-) Cobre (+) Constantan (-)

COLOR DEL AISLANTE Morado Rojo Blanco Rojo Amarillo Rojo Negro Rojo Negro Rojo Azul Rojo

Cromel - Constantán (E)

Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Esta termocupla posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura. Cobre - Constantán (T) Tiene una elevada resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y oxidantes.

Hierro - Constantán (J) Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son recomendables ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente bajo son muy usadas para la medición de temperaturas dentro de su rango recomendado. Cromel - Alumel (K)

Este tipo de termopares presta un servicio óptimo en atmósferas oxidantes aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o reductoras, siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado.

Platino - Radio (R y S) Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas muy altas en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados. Los vapores metálicos, el hidrogeno y los silicones son veneno para este tipo de termopares. Sus precios, comparando con los demás termopares discutidos son más altos y su f.e.m. son pequeñas por lo que la aplicación de este tipo de termopares esta restringida a altas temperaturas.

TERMOPOZO Los termopozos son vainas o fundas hechas de un material térmico conductivo que sirve para separar el elemento sensor del medio de medición. Un termopozo es recomendado especialmente para medir sustancias. Además un termopozo protege al sensor contra la medición de sustancias agresivas y permite al sensor que sea fácilmente reemplazado.

Un termopozo es un dispositivo de protección de los elementos primarios de medición de temperatura que evita que estos se dañen por la acción de fluidos corrosivos, altas velocidades y presiones. Además provee la facilidad de cambio del instrumento de medición sin necesidad de suspender o parar el proceso. Los termopozos pueden ser seleccionados en varios tipos, dependiendo de la necesidad de aplicación y pueden ser roscados, bridados, soldables, etc.

Es muy importante que el termopar no toque la pared del termopozo.

Instalación del termopozo

MATERIAL DE TERMOPOZOS Hierro Fundido - Dulce y Acero. Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas oxido - reductoras. Hierro – Cromo. Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, puede usarse en ambiente con azufre. Hierro Cromo – Níquel. Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre. Acero Inoxidable 304-316. Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco. Existen termopozos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con PVC, Tantalio para resistir la corrosión y otros factores. El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.

Transductor

Termocupla

RTD

Termistor

Circuito sensor integrado

Ventajas (+) Auto-alimentado Simple, versátil Bajo costo Gran variedad de formas Muy amplio rango de temperaturas

El más estable El más preciso Más lineal que la termocupla

Desventajas (-) No-lineal Bajo voltaje Requiere referencia El menos estable El menos sensible Alto costo Lento Requiere fuente de corriente Poco cambio en la resistencia Medida con puente (4 cables)

Alta salida Rápido El más sensible Medición con dos cables

No-lineal Rango de temperaturas limitado Frágil Requiere fuente de corriente Auto-calentamiento

El más lineal La salida más alta Bajo costo Trabajo < 250°C

Requiere fuente de alimentación Lento Auto-calentamiento Configuraciones limitadas

POR RADIACIÓN. Miden la temperatura mediante la intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación). Métodos sin contacto • Pirómetros ópticos • Pirómetros de radiación total • Pirómetros de dos colores La resistividad de los metales tiene una dependencia marcada con la temperatura.

LM35, PT100, NTC Y PTC, TERMOCUPLA, IC AD590

TRANSMISOR DE TEMPERATURA Rosemount® 644

Los transmisores de temperatura transmiten una temperatura medida como una señal analógica de 0/4–20 mA a un receptor. Puede llevar las señales recogidas en los procesos de la Planta, hacia un cuarto de control... Existen dos métodos, que han sido tradicionalmente usados para enviar las mediciones de temperatura hacia los sistemas de supervisión y control: 1. Usando solamente cables de extensión para transportar las señales de bajo nivel (Ω o mV) generadas por las RTD o termopares instalados en el proceso 2. El otro, es el uso de Transmisores instalados en conjunto con el sensor. El transmisor amplifica y acondiciona la señal del sensor y la transmite sobre un par de hilos trenzados hasta la sala de control. Usar cableado directo hacia los equipos de control parecería ser mas rápido y menos costoso; sin embargo los transmisores ofrecen las siguientes ventajas:

1. Reducción de costos de cableado: Los cables para extender la señal cuestan tres veces más que el de cobre común, que es el que normalmente se usa para transmitir la señal de 4-20 mA del transmisor de temperatura. Usando cables menos costosos, los transmisores pueden pagarse por si mismos. Mientras más larga la ruta de cables, más importantes serán los potenciales ahorros; además, los trasmisores pueden ser instalados usando el mismo cable instalado ya sea para RTD`s o Termocuplas

2. Protección de señales del ruido de la Planta: El ruido y las radiofrecuencias interfieren en las señales bajas, emitidas por los sensores, dando lecturas erróneas y muchas veces los cables se comportan como antenas atrayendo estas señales. Mientras que un transmisor de temperatura diseñado apropiadamente puede, efectivamente cancelar los efectos del ruido RFI entrante, al convertir la señal de bajo nivel del sensor a una señal análoga de alto nivel, típicamente 4-20mA. y puede efectivamente soportar largas distancias desde el campo, pasando a través del ruido de la planta, hasta el cuarto de control.

3. Reduce costos de hardware y almacenamiento: Usando solo cables, es necesario utilizar indicadores y controladores, que sean compatibles con los sensores; siendo muy costosos en su mayoría, mientras que es muy fácil y económico encontrar indicadores con entrada de 4-20mA 4. Se adapta al mejor sensor para la aplicación Cuando se usa la estrategia del transmisor inteligente de temperatura, simplemente se puede cambiar el sensor y reconfigurar el transmisor para adaptarlo. El cableado de par trenzado del lazo y las tarjetas de entrada de 4-20mA existentes, no tienen que ser tocadas. Debido a que nunca se sabe el tipo de sensor que se terminará usando, hay que asegurarse de seleccionar un transmisor universal que pueda configurarse para aceptar todos rangos de temperatura y los tipos de sensores comúnmente usados.

5. Mejora la precisión y la estabilidad: El uso de los transmisores puede mejorar sustancialmente la precisión de la medición. Es bien sabido, que medir sobre un rango estrecho produce mediciones mas precisas. Los transmisores pueden ser calibrados para trabajar en función de un sensor en particular, en cualquier rango dentro de las capacidades generales del mismo; siendo la precisión mas alta que la del cable directo. Además para mejorar la precisión de la medición, los transmisores pueden ser adaptados para responder a dos puntos de data dentro del cero seleccionado y el rango de medición del span. Esta ventaja permite monitorear un rango completo. 6. Simplifica la ingeniería y previene los errores de cableado: En lugar de los números hilos conductores del sensor y combinaciones de tarjetas de entrada de DCS/PLC, los dibujos y diseños de ingeniería solo necesitarán mostrar un par de cable trenzado y un tipo de tarjeta de entrada (4-20mA). Este solo par trenzado y sistema único de tarjeta de entrada, significan que el mantenimiento se simplifica ampliamente y las oportunidades de errores de cableado de los lazos son virtualmente eliminados.

7. Facilita futuras actualizaciones: Con el tiempo aparecen cambios o nuevas exigencias en un proceso, como los rangos, mayor precisión, mayor estabilidad, etc. Al utilizar trasmisores se simplifican estos cambios minimizando estos costos y facilitando las tareas de cambios en los sensores. 8. Menor tiempo de mantenimiento y costos: Los transmisores no son solo universales con respecto al rango y tipo de entrada; ellos también incorporan poderosos diagnósticos a los sensores, que ahorran considerable tiempo y dinero. Ciertos trasmisores de temperatura son capaces de diagnosticar daños en los hilos del sensor, ayudando a llevar un seguimiento de la operación del sensor, si un hilo conductor se daña o deja de enviar señal, el transmisor envía una señal por encima o por debajo de la escala, para advertir de la falla del sensor y de otras condiciones no deseadas. Los mensajes de falla específicos, eliminan el trabajo de remover el sensor, o revisar todos los hilos conductores para diagnosticar el problema.

Generales Los sensores eléctricos de temperatura tales como las termorresistencias (RTD) y los pares termoeléctricos producen señales de nivel bajo proporcionales a la temperatura detectada. El modelo 644 convierte la señal de nivel bajo del sensor en una señal estándar de 4-20 mA de CC que es relativamente insensible a la longitud del conductor y al ruido eléctrico. Esta señal se transmite después a la sala de control por medio de dos hilos.

El transmisor de temperatura Rosemount 644 de montaje por cabezal acepta las siguientes características: Acepta 1 entrada de una amplia variedad de tipos de sensor (termorresistencia de 2, 3 y 4 hilos, termopar, mV y ohmios) Un transmisor compacto con electrónica completamente encapsulada en silicona protectora y alojada en una carcasa de plástico asegurando una fiabilidad del transmisor a largo plazo

Efectos de la temperatura El transmisor funcionará dentro de las especificaciones para temperaturas ambientales entre –40 y 85 °C (–40 y 185 °F). El calor procedente del proceso se transfiere del termopozo a la carcasa del transmisor. Si la temperatura esperada del proceso se aproxima o es superior a los límites de las especificaciones, considerar el uso de un aislante térmico adicional, una boquilla de extensión o una configuración de montaje remoto para aislar el transmisor con respecto al proceso.

Configuración estándar A menos que se especifique lo contrario, el transmisor operará de la siguiente manera:

El transmisor 644 se puede configurar en línea o fuera de línea usando un comunicador de campo HART

El protocolo HART, es un protocolo abierto de uso común en los sistemas de control, que se emplea para la configuración remota y supervisión de datos con instrumentos de campo. El protocolo HART (Transductor remoto direccionable en red) es un estándar ampliamente aceptado para comunicación con instrumentación mejorada digitalmente dentro de las industrias de procesos.

Durante la configuración en línea, el transmisor se conecta a un comunicador de campo. Los datos se introducen en el registro funcional del comunicador y se envían directamente al transmisor.

Instalación del indicador LCD El indicador LCD ofrece indicación local de la salida del transmisor, así como mensajes de diagnóstico abreviados que controlan la operación del transmisor. Los transmisores pedidos con indicador LCD son enviados con el indicador instalado. Que incluye: Conjunto del indicador LCD (incluye el indicador LCD, separador del indicador y dos tornillos) Tapa del indicador con junta tórica en su lugar

Usar el siguiente procedimiento para instalar el medidor. 1. Si el transmisor se instala en un lazo, asegurar el lazo y desconectar la alimentación. Si el transmisor se instala en una carcasa, extraer la tapa de la carcasa. 2. Decidir la orientación del indicador (el indicador puede girarse en incrementos de 90°). Para cambiar la orientación del medidor, extraer los tornillos localizados por encima y por debajo de la pantalla. Levantar el medidor del separador del medidor. Girar la parte superior del indicador y volver a introducirlo en la ubicación que proporcione la visión deseada. 3. Acoplar el medidor al separador del medidor usando los tornillos. Si el medidor se gira 90° de su posición original será necesario extraer los tornillos de sus orificios originales y reinsertarlos en los orificios adyacentes para tornillos.

4. Alinear el conector con el casquillo de clavijas y empujar el indicador dentro del transmisor hasta que se ajuste en su lugar. 5. Poner la tapa del indicador. La tapa debe estar completamente encajada para cumplir con los requisitos de equipo antideflagrante. 6. Usar un comunicador de campo, la herramienta de software para configurar el indicador para obtener la visualización deseada.

Alimentación al transmisor 1. Se necesita una fuente de alimentación externa para hacer funcionar el transmisor. Con carga de 250 ohmios, se requiere una fuente de alimentación de 18,1 V CC. 2. Quitar la tapa de la carcasa (si corresponde). 3. Conectar el conductor de alimentación positivo al terminal “+”. Conectar el conductor de alimentación negativo al terminal “–”. 4. Apretar los tornillos de los terminales. Al apretar los cables del sensor y los de alimentación, el par de fuerzas máximo es de 0,73 Nm (6.5 in.-lbs). 5. Volver a acoplar y apretar la tapa (si corresponde). 6. Aplicar alimentación (12 – 42 VCC).

Diagramas de conexiones del sensor Rosemount 644

La comunicación HART requiere una resistencia del lazo entre 250 y 1.100 ohmios. Los terminales de alimentación del transmisor tienen una especificación de 42,4 V CC. No comunicarse con el transmisor cuando la alimentación sea inferior a 12 V CC en los terminales del transmisor.

Precisión del transmisor Rosemount

Efecto de la temperatura ambiente

El cambio en la temperatura ambiente toma como punto de referencia la temperatura de calibración del transmisor, 20 °C (68 °F) de fábrica. Ejemplo de precisión

Cuando se usa una entrada del sensor Pt 100 (α = 0,00385) con un rango de 0 a 100 oC. Span 100 Precisión digital = ± 0,15 oC Precisión D/A = ± 0,03 % de 100 oC o ± 0,03 oC Precisión total = ± 0,18 oC

Para efectos de temperatura Cuando se usa una entrada del sensor Pt 100 (α = 0,00385) con un rango de 0 a 100 oC a una temperatura de 30 oC Efectos de la temperatura digital: 0,003 oC x (30 – 20) = 0,03 oC Efectos D/A: (0,001 % de 100) x (30 – 20) = 0,01 oC Error del peor caso: Precisión digital + Precisión D/A + Efectos de la temperatura digital + Efectos D/A = (0,15 + 0,03 + 0,03 + 0,01) oC = 0,22 oC

Error total probable: 0,16 oC

0,152 + 0,032 + 0,032 + 0,012 =