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Instrumentacin y Medidas. Trabajo Escrito Exposicin. Sensores y
Transductores de TemperaturaHincapi Tarquino, Juan Sebastin. Fabra
Escobar, Lowis Frank. Limas Duque, Luis Miguel. Universidad
Nacional de Colombia, Sede Bogot. Abstract: Con el fin los
diferentes sensores que existen en la instrumentacin para realizar
la medicin de temperatura en este trabajo se plasma la informacin
ms relevante sobre los principales mtodos de medicin de
temperatura, el principio fsico que usa, los instrumentos que se
encuentran en el mercado y las ventajas y desventajas que tienen su
uso en la industria. Palabras Clave Temperatura, Sensores de
temperatura, equilibrio trmico. Escala de temperatura.
*La temperatura no mide en forma directa ni la energa, ni el
calor trmico de una sustancia. Sino a partir de ciertas escalas se
puede obtener el grado de calor. Las variables trmicas estn
definidas segn la escala internacional de temperatura (ITS-90)
como: Kelvin (K): escala fundamental a la cual todas las
temperaturas deben referirse. Est definida como la temperatura
termodinmica del punto triple (coexistencia del estado slido,
liquido gas) del agua ocurre 273,16 K a una presin de 611,73 kPa.
Celsius (C): escala practica internacional de temperatura, el cero
es fijado al punto triple del agua, la conversin a temperatura
kelvin es: . (Ec.1) En general todos los instrumentos usan de forma
directa o indirecta el principio de la termodinmica. Entre los
principales fenmenos de medicin de temperatura encontramos:
variaciones en volumen, presin o en estado de los cuerpos. Variacin
de resistencia de un conductor, semiconductor. Intensidad de la
radiacin total emitida por el cuerpo. Otros cuantos fenmenos
utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas,
frecuencia de resonancia de un cristal, etc).
I.
INTRODUCCIN
Qu es la Temperatura? La temperatura es una propiedad de la
termodinmica que determina que equilibrio trmico de un cuerpo. En
otras palabras la temperatura describe que tan caliente se
Encuentra un sistema. dos cuerpos separados que estn en equilibrio
trmico con un tercer cuerpo, tambin estn en equilibrio trmico entre
s. Esta es la ley de la termodinmica, de la cual se obtiene se
tiene que: *indica que se puede medir la temperatura aprovechando
el equilibrio trmico de los cuerpos. *esta propiedad es
independiente del material que intervenga. Aunque aqu no se
considera el hecho de cuanto puede soportar la temperatura un
cuerpo antes de daarse, respecto al que se est midiendo. *esto dice
que si dos cuerpos separados a distintas temperaturas se ponen en
contacto entre s, se alcanzar el equilibrio trmico, y se mantendr,
cuando la temperatura sea igual en ambos cuerpos. *El hecho de que
las temperaturas sean igual no significa que las energas de los
cuerpos sean iguales. *La temperatura solo mide el grado de
calentamiento.
De este modo, explicaremos el funcionamiento y principales
caractersticas de los sensores y transductores de temperatura ms
comunes, los cuales son: Detectores de Temperatura Resistivos
(RTD), Termopares, Termistores, Termmetros y Pirmetros.
II. CONTENIDOTrabajo Escrito con fecha de entrega el da Mayo 23,
2012. Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogot. Hincapi
Tarquino, Juan Sebastin. Estudiante con cdigo 261783. Universidad
Nacional de Colombia, Sede Bogot. Fabra Escobar, Lowis Frank.
Estudiante con cdigo (). Universidad Nacional de Colombia, Sede
Bogot. Limas Duque, Luis Miguel. Estudiante con cdigo 261721
Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogot.
A. TERMMETROS DE DILATACION TERMICA Dilatacin trmica: propiedad
que experimentan los materiales al expandirse o contraerse cuando
se calientan o pierden calor (Energa trmica en energa mecnica).
Esta propiedad se mide a partir del coeficiente de dilatacin el
cual establece la
2
variacin relativa del volumen de un material al aumentar un
grado su temperatura. (Ec. 2) En materiales anisotropicos
(propiedades fsicas varan con la direccin que son examinados) esto
depende de la direccin y se habla de coeficiente de dilatacin
lineal en donde mayor coeficiente de dilatacin ms sensible a la
temperatura es [55] [56] . Tipos de termmetros de dilatacin 1.
Termmetros de lquido en vidrio: Su operacin est basada en la
expansin del lquido con el incremento de la temperatura. Las
escalas de este tipo de termmetros no son lineales, ya que mientras
el lquido absorbe calor con el incremento de la temperatura no solo
el lquido se expande, el vidrio del termmetro se expande tambin
pero con diferente coeficiente de expansin, en algunos casos el
coeficiente de dilatacin puede variar ligeramente a diferentes
temperaturas, en general la expansin o contraccin de los elementos
hace que el lquido avance por el tubo capilar [57].
Materiales que forman al termmetro: Vidrio, lquido termomtrico.
Vidrio termodinmico. No todos los vidrios son apropiados para el
trabajo termomtrico. En la actualidad se usan vidrios con muy bajo
coeficiente de dilatacin. Lquido Termomtrico. Las caractersticas
del lquido son: Ser lquido en el intervalo nominal del termmetro.
Tener un coeficiente de expansin lineal. Ser opaco o con color,
para su fcil lectura. No tener o poseer una fuerza adhesiva muy
baja. Ser qumicamente inerte con respecto a los otros materiales
del sistema. Ser qumicamente estable. No ser daino, para seguridad
en manufactura y uso. Tener un menisco bien definido, para fcil
lectura. Intervalo Tpico Liquido termomtrico C Mercurio Alcohol,
etanol Tolueno -38,+600 -80,+60 -80,+100 Coeficiente de dilatacin
C-1 0.00018 0.000112 0.00108
Tabla1. Coeficiente de dilatacin relativo para algunos lquidos
termomtricos [59] .
Realizar una medicin [60]: El Menisco: Fuerzas adhesivas y
cohesivas. Antes de realizar la medicin de la temperatura hay que
tener en cuenta que dependiendo de los materiales la curva que
forme el lquido es diferente. Cuando las fuerzas adhesivas son
mayores que las fuerzas cohesivas, el menisco tiende a ser cncavo
como en el caso de vidrio y lquidos orgnicos. Por otra parte cuando
las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el menisco es
convexo como en el caso de mercurio en vidrio.
Figura 1. Termmetro de Vidrio con lquido [58].
Ventajas: Prcticos para medir la temperatura de Facilidad de
uso. Portabilidad. Costo. Estabilidad. Amplio intervalo de
trabajo.
lquidos.
Desventajas Es frgil La presencia de fisuras lo inutiliza El
rango est limitado al estado slido y gaseoso de lquido que se
contiene. A mayor rango se pierde resolucin.
3 Medicin de columna emergente [61]: Cuando se realiza una
inmersin parcial o total existe una diferencia entre la temperatura
del bulbo y la columna emergente. Por lo cual hay que realizar una
correccin a partir de la medicin de la temperatura de la columna
emergente, entre ms largo sea el termmetro ms mediciones deben
realizarse. Correccin de columna emergente [62] La ecuacin permite
hallar el valor real de la temperatura a partir de ciertos
factores.Figura 2. Forma de Meniscos
(Ec.3) Profundidad de inmersin: La eleccin del tipo de inmersin
depende de la medicin requerida, la profundidad del fluido y el
tipo de montaje. - Termmetro de inmersin parcial Diseado para
indicar la temperatura correctamente cuando el bulbo y una porcin
especfica de la columna estn inmersos en el medio a la temperatura
que va a ser medida. - Termmetro de inmersin total Est diseado para
indicar la temperatura correctamente cuando el bulbo y toda la
columna del lquido (unos cuantos milmetros por arriba del nivel del
lquido) estn inmersos en el medio a la temperatura que va a ser
medida. - Termmetro de inmersin completa Est diseado para indicar
la temperatura correctamente cuando todo el termmetro, incluyendo
la cmara de expansin estn expuestos en el medio a la temperatura
que va a ser medida. Estos ltimos son preferibles porque no estn
influenciados por la temperatura externa.
Donde: -tc es la temperatura corregida. -ti es la temperatura
indicada. -n es la longitud de la columna emergente expresada en
grados, (temperatura indicada (ti) menos el valor donde emerge el
termmetro).La longitud no-graduada entre la marca de inmersin y la
primera graduacin de la escala deber ser evaluada en trminos de
grados de la escala y ser incluida. -ts es la Inmersin parcial:
temperatura que se especificada en segn la norma tcnica para el
diseo de esta (como la norma ASTM E1) esto tambin se da para
Inmersin total; -to es la temperatura promedio de la columna
emergente, medida con un termmetro auxiliar; y k es el coeficiente
de expansin relativa del lquido termomtrico, en el vidrio del
termmetro. Ejemplos industriales: Fantinelli 424-S [63]
Figura 3. Tipos de Inmersin.
Figura 4.
4
*Caractersticas Fsicas: -Tamao: 180x55 mm -Cubierta rectangular
de aluminio con pintura epxica y bulbo sellado. -Ventana de vidrio.
-seccin de vidrio prismtico, con la reflexin de color. -El vstago
puede ser de bronce o acero inoxidable -Conector macho. -Est
protegido contra el agua y el polvo. *Escala de medicin en Celsius
(C) *Rangos 0-80, 100, 120, 160, 250 -20- +70, +80. *Repetitividad:
1% *Se usa en gases o lquidos. Permite rotar el indicador 0-270
grados. Fantinelli 426[64]
Figura 6. Termmetro de mximos y mnimos.
(figura 19)
Termmetro de mximos y mnimos [65]. Tamao: 230x65mm Rango -40 /
+50 C Aplicaciones en meteorologa. Registra las temperaturas mximas
y mnimas, este registros se pueden borrar. 2. Termmetros de bulbo y
capilar: Principio de funcionamiento: Estos dispositivos funcionan
a partir del hecho que se tiene un volumen constante, cuando ocurre
un cambio de temperatura o bien puede cambiar el volumen de
sustancia que se contenga (no se encuentra llego) o por variacin de
presin (se encuentra lleno). . Cuando la temperatura del bulbo
cambia, el gas o liquido del bulbo se expande y la espiral tiene a
desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la
elevacin de la temperatura en el bulbo. El capilar se utiliza sobre
puntos de medicin de difcil acceso y para la transmisin de los
valores de medida a largas distancias.
Figura 5.
*Caractersticas Fsicas: -Tamao: 110x30 mm, 200x35 mm -Cubierta
de bronce con cobertura de aluminio en forma de V y bulbo sellado.
-No tiene ventana. -seccin de vidrio -El vstago puede ser de bronce
o acero inoxidable, su longitud puede variar entre 35 a150 mm.
-Conector macho. -Est protegido contra el agua y el polvo. *Escala
de medicin en Celsius (C). *Rangos. 0-80, 100, 120, 160, 250, 300,
400, 500, 600. -100- +30, +100-+650. *la resolucin puede variar de
acuerdo al rango de medicin. *Repetitividad: 1%. *Se usa en gases o
lquidos. Permite medir a mayor temperatura. Aplicaciones:
Temperatura de metales fundidos en mquinas de colado, gases de
combustin, hornos de varios tipos, aire en ductor, etc.
Figura 7. Elemento espiral sensible a presin.
Hay cuatro clases de este tipo de termmetros Clase I Termmetros
actuados por lquido: (Figura 8): Tienen un sistema de medicin lleno
de lquido y como su dilatacin es proporcional a la temperatura, la
escala de medicin resulta uniforme. Con capilares cortos hasta 5
metros y para evitar errores debidos a variaciones de la
temperatura ambiente, solo hay que compensar el elemento de
medicin, en caso de capilares ms largos, se realiza una compensacin
al volumen del tubo capilar. Generalmente los
5
lquidos que se usan son alcohol y ter. Sus rangos de medicin se
encuentran entre 150 a 500, todo esto depende del lquido que
contenga.
Figura 10. Termmetro de gas
Clase III Termmetros Actuados por gasFigura 8. Clase II
Termmetros Actuados por vapor
Estn completamente llenos de gas (Figura 10). Funcionan con la
ley de Charles que bsicamente dice que a un volumen fijo se obtiene
una variacin de la presin en forma constante a partir de variacin
de la temperatura absoluta del gas, la presin del gas aumenta
proporcionalmente y por lo tanto estos termmetros tienen escalas
lineales. La presin en el sistema depende principalmente de la
temperatura del bulbo, pero tambin de la temperatura del tubo
capilar y del elemento de medicin, siendo necesario compensar la
temperatura del ambiente en el sistema de medicin.Figura 9.
Termmetros actuados por vapor (IIA y IIB)
Clase II Termmetros Actuados por vapor: Contienen un lquido
voltil y se basan en el principio de presin de vapor. Al subir la
temperatura aumenta la presin de vapor del lquido. La escala de
medicin no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones
van aumentando hacia la parte ms alta de la escala. La presin en el
sistema depende solamente de la temperatura en el bulbo. Por
consiguiente, no hay necesidad de compensar la temperatura
ambiente. SubClases IIA: la temperatura del bulbo es mayor que la
temperatura ambiente. IIB: la temperatura del bulbo es mas baja que
la ambiente. IIC: la temperatura del bulbo superior e inferior a la
temperatura ambiente. IID: la temperatura del bulbo superior, igual
e inferior a la ambiente. Si la temperatura del bulbo es mayor que
la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medicin estn
llenos de lquido (por ejemplo los de la clase IIA (Figura 9),
siendo necesario corregir la indicacin en la diferencia de alturas
entre el bulbo y el elemento de medicin, si la temperatura del
bulbo es mas baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor
(clase IIB). La Clase IIC opera con la temperatura del bulbo
superior e inferior a la temperatura ambiente y la clase IID
trabaja con la temperatura del bulbo superior, igual e inferior a
la ambiente, empleando otro liquido no voltil para transmitir la
presin de vapor. En general tienen rangos de -40 a 400 C.
Clase V Termmetros Actuados por lquido metlico o mercurio:
Figura 11. Clase V Termmetros actuados por mercurio
Son similares a los actuados por lquido, pueden tener
compensacin en la caja o compensacin total.
(Ec.3)
6
Generalmente se usan como termmetros de registro, en casos donde
se requiera que el bulbo sea pequeo, temperaturas muy bajas, rangos
de medicin reducidos o el proceso es sensible al mercurio se usan
lquidos orgnicos.
Figura 13. termmetro industrial actuado por gas. Tabla 3.
Clasificacin de termmetros de bulbo y capilar Fuente: medicin de
temperatura
Ejemplos industriales Termmetro de expansin, modelo 70 WIKA
*Caractersticas Fsicas: -Tamao: Dimetro 100, 160 y 144 mm.
-Componentes de aluminio inoxidable y plstico -Cristal de seguridad
laminado, vidrio acrlico. -bulbo de 120 x 22 x 12 mm de acero
inoxidable. -Soporta 25 bar. -capilar de mx. Grosor de 2 mm.
-Relleno de gas inerte a presin, fisiolgicamente inofensivo
-sellado total, soporta lquidos a presin. -Conector liso, girable,
tuerca *Escala de medicin en Celsius (C), Fahrenheit(F) o ambos. *
Rangos (C). -80/+40,0-60, 120, 160, 200, 250, 300, 400, 500, 600 y
700. *la resolucin puede variar de acuerdo al rango de medicin.
*error: 1% al 10%, dependiendo del rango. *Se usa en gases o
lquidos. Los termmetros de esta serie son adecuados para
aplicaciones universales en los sectores de maquinaria, ingeniera
de plantas y construccin de depsitos. Termmetros de vapor
accionados a distancia Noshok
Figura 12. termmetro industrial actuado por lquido
Caractersticas Fsicas: -Tamao: Dimetro 63, 100 y 160.
-Componentes de aluminio inoxidable y plstico -Cristal de seguridad
laminado, vidrio acrlico. -bulbo de 8 mm de acero inoxidable.
-Soporta 25 bar. -capilar de max. 10 m con grosor de 2 mm. -Medio
de llenado: Xileno o aceite de silicona -sellado total, soporta
lquidos a presin. -Conector liso, girable, tuerca *Escala de
medicin en Celsius (C), Fahrenheit(F) o ambos. *Rangos (C).
-60/+40,0-60,120 ,160 ,200 ,250 ,300 ,400. *la resolucin puede
variar de acuerdo al rango de medicin. *Repetitividad: 1%. *Se usa
en gases o lquidos. Los termmetros de esta serie pueden utilizarse
universalmente en la construccin de mquinas y en la tecnologa de
refrigeracin y climatizacin. Termmetro de dilatacin de gas. Modelo
73 WIKA
Figura 14. Termmetros actuados por vapor
-Rangos disponibles de -40 a 60 C hasta 50 a 400 C. -Disponibles
en 2, 2-1/2, 3-1/2, 4, y 4-1/2 pulgadas. -Caja de latn o acero
inoxidable, gas seco o lleno de lquido (glicerina o silicona).
-Capilar de 5 a 40 pies hecho de cobre y acero inoxidable. Las
graduaciones escala de marcacin son no lineales, por lo tanto el
mayor grado de precisin y facilidad de lectura se encuentra en la
mitad superior de la escala TM4D-88 Asturcom
7
Figura 15. Termmetros actuados por metal lquido.
Caractersticas: Termmetro a tensin de mercurio. Aro de acero,
cubierta de plstico, vidrio de seguridad. Bulbo desmontable 150 mm.
Dimetro dial de 100 mm. Incertidumbre 1%, 1.6% para tamao mas
grande. Escalas: Capilar largo 1,50 m: -40/+40, 0/100, 0/150,
0/200, 0/300 C. Capilar largo 3,00 m: -40/+40, 0/100, 0/150, 0/200,
0/300, 0/400, 0/500 C.
Figura 17. Estructura de un Termmetro Bimetlico
Aplicacin y Descripcin Los termmetros bimetlicos se utilizan en
el lugar para la medida directa de temperatura. Una amplia gama de
versiones estndares permiten una variedad de aplicaciones. reas
especiales de aplicacin: plantas industriales pesadas, tuberas y
recipientes, mquinas etc. Los dispositivos son instalados en un
termo pozo con un tornillo de ajuste. Simplemente atornille en el
termo pozo, enchufe el termmetro y sujete con el tornillo de
ajuste. Modelos Industriales. Termmetro Bimetlico Modelo Kobold
Tabla 16. Comparacin entre los diferentes termmetros de bulbo
SAMA. 3. Termmetros bimetlicos Principio de funcionamiento: El
elemento de medida del termmetro bimetlico es una hlice bimetlica
de respuesta rpida. Es fabricado a partir de dos tiras de metal
soldadas en fro con diversos coeficientes trmicos de expansin, que
se tuercen en funcin de la temperatura. El movimiento rotatorio se
transfiere con baja friccin a la punta indicadora.Figura 18.dial
termometro bimetlico
Detalles Tcnicos Presin permisible: 6 bar con aleacin de cobre
25 bar con ac. inox. Elemento de Medicin: hlice bimetlica Angulo
del dial: aproximadamente 270 Rango de aplicacin: contino corto
Precisin: 1% Indicacin de arreglo: puntero de ajuste Cuerpo: acero
inoxidable 1.4301 Conexin: abajo o centrado o atrs Tubo Protector:
aleacin de cobre Construccin de conexin: lisa, D=8 mm con collar
para tubo protector Ventana: vidrio de instrumentos Cara del dial:
aluminio Escala dual C/ F Escalamiento F
Figura 16. Unin de Bimetales.
8
Termmetro Bimetlico modelo Stewars
Figura 19. Termmetro bimetlico Figura 21. Linealidad en un rango
de temperaturas para Ni, Cu y Ag rango -200C/600C [70].
B. DETECTORES RESISTIVOS DE TEMPERATURA RTD. Los detectores de
temperatura resistivos o RTD (Resistance Temperature Detector). Son
elementos resistivos sencillos basados en la variacin de la
resistencia elctrica [1]. Presentan un comportamiento directamente
proporcional a la variacin de la temperatura (PTC) o inversamente
proporcional (NTC) y en muchos casos un comportamiento lineal.
Figura 20. Smbolo para un Detector Resistivo PTC
[2]
.
En un conductor, el nmero de electrones disponibles para la
conduccin no cambia apreciablemente con la temperatura. Pero si la
temperatura aumenta, los tomos del material empiezan a vibrar, esto
se conoce como ruido trmico, como los tomos vibran interfieren con
los electrones lo se observa en una disminucin del flujo de
electrones y se representa como un aumenta en la resistencia.
En la figura 12 se observa el comportamiento de 3 materiales
dado por la ecuacin 1.1. Se observa que el platino es el material
ms adecuado desde el punto de vista de la linealidad que permite
una mayor precisin y estabilidad pero presenta el inconveniente de
su costo. Generalmente la sonda de resistencia de platino utilizada
en la industria tiene una resistencia de 100 a 0 C. El nquel es ms
barato que el platino y posee una resistencia ms elevada con una
mayor variacin por grado, sin embargo, tiene como desventaja la
falta de linealidad en su relacin resistencia-temperatura y las
variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia segn los
lotes fabricados. El cobre tiene una variacin de resistencia
uniforme, es estable, barato, pero tiene la contra de su baja
resistividad [12]. En general las resistencias que poseen
materiales como los metales presentan coeficiente de temperatura
positivo. En algunos materiales como el carbn y el germanio, se
presentan coeficientes de temperatura de resistencia negativos. Una
forma fcil de medir temperatura a partir de la variacin de la
resistencia es usando un puente Wheatstone, el cual se obtiene una
variacin elctrica en lugar del cambio de la resistencia misma [7].
El alambre de platino se emplea en la mayora de trabajos de
laboratorio y en mediciones industriales de gran exactitud. Cuando
se implementa a altas temperaturas se adhieren a cermicos y se
aaden impurezas de oro o rodio [5], esto se hace con el fin de
reducir la no linealidad que se presenta a altas temperaturas.
Tambin presenta inmunidad a la contaminacin por gases, se utilizan
para medir y controlar la temperatura del convertidor cataltico en
automviles, as como la temperatura del aire de entrada al motor y
aire acondicionado. En autos tambin se utiliza un RTD en el
parachoques, el cual mide la temperatura de la va, y puede informar
de la presencia de hielo en la misma. Los alambres de nquel y cobre
son menos costosos y fciles de fabricar que los elementos de
alambre de platino, y a menudo son usados en aplicaciones
industriales de rangos bajos [8]. Los materiales que forman el
conductor de la resistencia deben poseer las siguientes
caractersticas [11]:
(Ec. 4) En la ecuacin 4 se observa la resistencia de un material
en funcin a su temperatura. R0 es la resistencia a la temperatura
de referencia (Normalmente 0 C) y T el incremento de temperatura
respecto a la de referencia. La variacin de resistencia se debe
tanto al cambio de resistividad como al cambio de dimensiones
asociado con el cambio de temperatura [6] . Es el coeficiente de
temperatura que se presenta a ciertas temperaturas dado por el
n-ensimo aumento de la temperatura. Estos elementos, en su mayora,
adoptan la forma de bobinas de alambre, generalmente hechas de
platino, nquel, aleaciones de Nquel-Cobre, y en algunos casos de
Molibdeno o Tungsteno [3] . Dado que el platino es el de uso ms
comn, se suele hablar de PRT (Platinum Resistance Thermometer)
[4].
9
1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia: De este
modo el instrumento de medida ser muy sensible. 2. Alta
resistividad: Cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura
dada tanto mayor ser la variacin por grado (mayor sensibilidad). 3.
Un amplio rango lineal resistencia-temperatura. 4. Rigidez y
ductilidad: Permite realizar los procesos de fabricacin de estirado
y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de
obtener tamaos pequeos esto permite una rapidez de respuesta mayor.
5. Estabilidad de las caractersticas durante la vida til del
material.
Figura 24. Estructura de una pelcula delgada [70].
Figura 22. Embobinado de plata con cubierta en forma de probeta
[70].
Figura 25. Detectores Resistivos de pelcula delgada. [71].
Figura 23. Detector resistivo Cubierta cermica [71].
Un elemento sensor como el de la figura 22 y 23 en forma de
probeta con embobinado se construye cubriendo un tubo pequeo de
platino o plata con material cermico, devanando el alambre de
resistencia de entre 15 y 30 m sobre el tubo cubierto (soporte),
que permite un movimiento relativo para acomodar las dilataciones
diferenciales, y cubriendo el devanado final de nuevo con material
cermico. Este pequeo ensamble se somete a altas temperaturas para
asegurar el recocido del devanado y despus se coloca en la punta de
la probeta. sta se protege con una cubierta, con lo que se tiene el
elemento sensor completo [13]. As como estos modelos para inmersin
en fluidos, existen tambin modelos para medir temperaturas
superficiales (Figura 24 y 25). Estas deben ser flexibles y con un
soporte que sea buen aislante elctrico, con configuraciones
similares a las de las galgas extensiomtricas y, al igual que
estas, pueden ser de tipo rejilla (hilo en paralelo), impresas, o
de pelcula metlica depositada [14].
En otras aplicaciones se puede usar un RTD para montaje a una
superficie slida y plana, como una resistencia de tira mica (figura
26), con el fin de medir la temperatura en placas calientes,
hornos, moldes, troqueles, barras de sellado en caliente, entre
otros. Tambin en varios edificios se utilizan RTDs para medir la
temperatura y controlar el consumo de agua caliente; medir la
temperatura de gases en la chimenea, para optimizar la combustin de
la caldera, reducir la contaminacin y formacin de holln. Tambin se
usan RTDs en la anemometra de hilo caliente para medir la velocidad
de un fluido.
Figura 26. Resistencia Tira Mica [19].
En la industria Prcticamente todos los detectores resistivos de
temperatura para aplicaciones industriales se montan en un tubo o
pozo (Figura 27) para protegerlos contra daos mecnicos y
resguardarlos de la contaminacin y una falla eventual. El uso de un
pozo o termo pozo de proteccin es imperativo a presiones superiores
a tres atmsferas. Cuando estn equipados con buje enroscado al tubo
se pueden exponer a bajas y
10
medianas presiones. Los tubos de metal ofrecen proteccin
adecuada al sensor a temperaturas de 2100 F (1148 C), aun cuando
pueden llegar a ser ligeramente porosos a temperaturas superiores a
1500 F (815.5 C) aunque no ofrecen seguridad contra la
contaminacin.
-alta repetitividad. -bajo costo en el caso del cobre y del
nquel -mayor exactitud en el caso del platino, hasta el punto que
se emplea como patrn para temperaturas entre -182,96C hasta
630,74C, adems de las ya mencionadas variacin intrnseca lineal. Los
tiempos de respuesta tienden a ser del orden de 0.5 a 5 s, o
mayores [17] [18]. Las limitaciones que impiden implementar en
algunas industrias son: -Temperaturas cercanas al punto de fusin.
Casos en la industria de la fundicin. -El auto calentamiento por
conduccin elctrica. Debido a la disipacin de energa de la corriente
que circula por la resistencia. -Cambi de resistencia debido a
deformacin mecnica. Como cables que son sometidos a fuerza de
torsin. En estos casos se pueden presentar medidas con picos o
gradientes de temperatura [9]. - Los materiales no presentan un
comportamiento lineal de forma continua (Figura 2) por lo cual
limita an ms los mrgenes de medida y los conductores que se pueden
emplear [10] .
Figura 27. Cabeza de conexin a vaina [73].
Figura 28. Partes del montaje sonda y termo pozo
[16]
.
Los pozos de proteccin se disean para uso en lquidos o gases a
altas presiones, como tuberas, plantas de potencia de vapor,
tanques presurizados, estaciones de bombeo, etc. Estos pozos son
fabricados taladrando unas barras slidas, generalmente de acero al
carbn o acero inoxidable, aunque tambin se presentan otros
materiales adecuados al fluido en el que se har la medicin como
hastelloy o monel. El sensor se monta dentro de la barra (Figura 28
y 29). Una caja de unin a prueba de agua que permita el
acoplamiento de los conductores se une en la parte alta de la
vasija o tubo, como se muestra en las figura 10[15].
Ejemplo industrial
Figura 30. Montaje de conexin Figura 29. Montaje de
conexin[72]
[74]
.
.
Sensor de temperatura RTD PT100 MBT19 (Figura 30). A continuacin
se describen las ventajas y desventajas de su implementacin en la
industria: Ventajas de los RTD: -su alta estabilidad a largo plazo
-sensibilidad diez veces mayor que la de los termopares.
Caractersticas[4]: Cubierta de Acero inoxidable. Sensor de
temperatura intercambiable.PT100-PT1000. Rango de
operacin:-20/+125C MAX:-50/200C. Salida 4-20mA. Aislante 500
VDC.
11
El MBT19 est particularmente adaptado para medir la temperatura
de cualquier fluido hasta a 150 C. Por ejemplo, se utiliza para el
seguimiento y la seguridad de los motores marinos y fijas, en la
refrigeracin y lubricacin fluidos. Ventajas - Menor tiempo de
respuesta. - DIN 43650, con posibilidad de orientacin de 360 . -
Alfiler de oro que permiten una ptima calidad de la medicin en el
tiempo. - El elemento de medicin es fcilmente intercambiable, bajo
la tuerca ajustable. - Resistencia a altas temperaturas ambientales
y para ambientes salinos como el mar. - Resistente a las
vibraciones. B. TERMOCUPLAS O TERMOPARES Un termopar es un
dispositivo formado por dos metales dismiles unidos en dos puntos,
llamadas Unin de medida o unin caliente, y unin de referencia o
unin fra [20]. El funcionamiento de un termopar, as como el de
varios sensores termoelctricos, est basado en dos efectos
reversibles: el Efecto Seebeck y el Efecto Peltier. El efecto
Seebeck se da cuando dos metales dismiles estn en contacto, se
genera un voltaje cuando ste es funcin de la temperatura. [21]. En
un circuito de dos metales distintos homogneos A y B, con dos
uniones a diferente temperatura, aparece una corriente elctrica, es
decir, hay una conversin de energa trmica a energa elctrica, o
bien, si se abre el circuito, hay una fuerza termo-electromotriz
(F.T.E.M.) que depende de los metales y de la diferencia de
temperaturas entre las dos uniones [22]. La relacin entre la FTEM
EAB, y la diferencia de temperatura entre las uniones T, define el
coeficiente de Seebeck, SAB [23]:
composicin y de la temperatura de la unin. Esta dependencia
resulta ser adems lineal, y viene descrita por el coeficiente de
Peltier, AB, que por tener dimensiones de tensin se llama a veces
tensin Peltier. Se define como el calor generado en la unin entre A
y B por unidad de corriente (de carga positiva) que circula de B a
A
Para una unin a temperatura absoluta T, se demuestra que:
En el efecto Peltier el calor intercambiado por unidad de
superficie de la unin es proporcional a la corriente. Es tambin
independiente del origen de la corriente, que puede ser incluso de
origen termoelctrico. En este caso las uniones alcanzan una
temperatura distinta a la del ambiente, lo que puede ser una fuente
de errores [24], por lo que durante la medicin debe hacerse mnimo
su valor. Como vemos, el efecto Peltier es el efecto contrario al
efecto Seebeck, razn por la cual, el efecto en conjunto se suele
llamar Efecto Peltier-Seebeck [25]. Los termopares constituyen
circuitos completos en los que hay este tipo de uniones.
Compensacin de Unin Fra La compensacin de unin fra (CUF) es una
tcnica empleada para compensar la dependencia con la temperatura
ambiente inherente en la realizacin de la medida. Dicha compensacin
permite la realizacin de una medida absoluta de la temperatura de
un cuerpo o fluido. En ella, ocasionalmente se utiliza un sensor de
temperatura semiconductor. La temperatura de la unin fra
generalmente es detectada por un termistor de precisin, lo cual
medir la temperatura verdadera del extremo del temopar y ser la
temperatura de referencia. Cualquier error en la medicin de la
temperatura de la unin fra terminar en el error de la temperatura
medida en el otro extremo del termopar [26]. La seleccin de los
alambres para termopares se hace de forma que tengan una
resistencia adecuada a la corrosin, a la oxidacin, a la reduccin y
a la cristalizacin, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta,
que sean estables, de bajo coste y de baja resistencia elctrica y
que la relacin entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que el
aumento de sta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la
temperatura [27]. La figura 6 se puede utilizar como gua en la
seleccin de termopares, segn su aplicacin.
donde SA y SB son, respectivamente, la potencia termoelctrica
absoluta de cada uno de los metales, A y B. En general, S AB no es
constante sino que depende de T, y suele crecer al aumentar T [24].
Es importante notar que mientras la corriente que circula por el
circuito depende de la resistencia de los conductores, en cambio la
FTEM no depende de la resistividad, la seccin, la distribucin o
gradientes de temperatura. Depende nicamente de la diferencia de
temperatura entre las uniones y de la naturaleza de los metales.
Esta fuerza electromotriz se debe al efecto Peltier y al Efecto
Thompson. El efecto Peltier, descubierto por Jean Charles Athanase
Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una
unin entre dos metales distintos al pasar corriente por ella. Al
invertir el sentido de la corriente, se invierte tambin el sentido
del flujo de calor. Es decir, si una unin antes se calentaba, al
cambiar el sentido de la corriente se enfra, y viceversa. Este
efecto es reversible e independiente del contacto, es decir, de la
forma y dimensin de los conductores. Depende solo de su
12
Figura 32. Termopar industrial con vaina. Figura 31. Seleccin de
Termopares
Los termopares tienen muchas ventajas y son los sensores ms
frecuentes para la medida de temperatura. Por una parte tienen un
alcance de medida grande, no solo en su conjunto, que va desde,
aproximadamente, -270 C hasta 3000 C, sino tambin en cada modelo
particular. Por otra parte tienen una buena estabilidad a largo
plazo y elevada fiabilidad. Adems, para temperaturas bajas tienen
mayor exactitud que las RTD, y por su pequeo tamao permiten tener
velocidades de respuesta rpidas, del orden de los milisegundos.
Poseen tambin robustez, simplicidad y flexibilidad de utilizacin, y
se dispone de modelos de bajo costo que son suficientes para gran
variedad de aplicaciones. Dado que no necesitan excitacin no tienen
los problemas de auto calentamiento que si poseen los RTD, en
particular al medir la temperatura de los gases. Adems permiten el
uso de hilos de conexin largos (hilos de extensin) [28] . Entre las
desventajas de uso de un termopar se encuentran su baja
sensibilidad (generalmente de 50 V/C, o menos), a pesar de que la
exactitud es mayor que la de los RTD, en general no es mejor que
0.5 C, adems de que, como hemos visto, necesitan de una temperatura
de referencia (generalmente 0 C) [29] . Disposicin Fsica. En las
uniones del termopar interesa tener caractersticas como
resistividad elevada para tener una resistencia alta sin requerir
mucha masa, lo cual implicara alta capacidad calorfica y respuesta
lenta; coeficiente de temperatura dbil en la resistividad;
resistencia a la oxidacin a altas temperaturas, pues deben tolerar
la atmsfera donde estarn presentes, y un alto comportamiento
lineal. Para lograr las propiedades descritas se utilizan
aleaciones especiales como Cromel (Nquel/Cromo), Constantn (Cobre
55%/Nquel 45%), o [30] Alumel (Nquel/Aluminio/Manganeso/Silicio) .
La proteccin frente al ambiente se logra mediante una vaina,
normalmente de acero inoxidable, tal como se indica en las figuras
7 y 8. La velocidad de respuesta y la robustez de la sonda se vern
afectadas por el espesor de la vaina.
Otros materiales comunes en la elaboracin de vainas de
recubrimiento son Acero inoxidable 304 o 316, Hierro negro, Carburo
de silicio, Cermica silma, Cermica aluminia pura, Tefln, Inconel
600 y 625, Incoloy 800 o Hasteloy. El recubrimiento puede tener
conexiones a proceso roscadas NPT milimtricas (como en la figura 9)
o bridadas [31].
Figura 33. Varios tipos de tubos de proteccin y vainas para
Termopares.
13
vaco o atmsfera inerte o medianamente oxidante o reductora [34]
. 3. Tipo J Constituido en su termoelemento positivo por un 99.5%
de Hierro, mientras que en el negativo est hecho de una aleacin de
Cobre (55%) y Nquel (45%). Produce una f.e.m. de entre -8,096 mV/C
y 42,919 mV/C., con un rango de trabajo que abarca de los -270 C a
los 1200 C y tiene una sensibilidad de 55 V/ C. El termopar de tipo
J es verstil, de bajo coste y utilizacin generalizada, se puede
emplear en atmsferas oxidantes y reductoras, inertes o en vaco. A
temperaturas mayores de 542 C, el ndice de oxidacin del hierro
aumenta con gran rapidez, por lo que, entre los 542 y 871 C se
recomienda usar alambre ms grueso. Se acostumbra a alojar el
termopar en cubiertas o fundas de proteccin. Tampoco es
recomendable usarlo en temperaturas bajo cero por esta misma razn.
4. Tipo T Su elemento positivo est totalmente compuesto de cobre,
mientras que el negativo, al igual que en los tipos E y J, est
hecho de Cobre y Niquel. Produce una f.e.m. de entre -6,258 mV/C y
20,872 mV/C; posee tambin una sensibilidad aproximada de 55 V/C, su
rango de operacin es de entre los -185 hasta 300 C. Posee una
respuesta similar al Termopar Tipo J, la cual es reproducible con
un alto grado de precisin durante un tiempo considerable. Tienen
una muy alta resistencia a la corrosin por humedad atmosfrica o
condensacin lo que permite su utilizacin en atmsferas oxidantes o
reductoras. Tambin se aplica en la medicin de temperaturas bajo 0 C
y tienen mediciones de precisin dentro de un lmite no superior a
los 250 C Para estos termopares se debe evitar atmsferas en donde
estn presentes amonaco, perxido de hidrgeno, azufre fundido,
sulfuro de hidrgeno y anhdrido sulfuroso con un RH de 65% o mayor.
Y su temperatura mxima debe ser limitada a entre 350 y 371 C,
debido a la violenta oxidacin del cobre a partir de los 400 C. 5.
Tipo N Su elemento positivo est compuesto una aleacin de Niquel,
Cromo y Silicio, mientras que el negativo, est hecho de Niquel,
Silicio y magnesio. Produce una f.e.m. de entre -4,345 mV/C y
47,513 mV/C; posee tambin alta estabilidad, una resistencia a la
oxidacin a altas temperaturas, a diferencia de los termopares de
tipos B, R y S, no necesita platino como termoelemento. 6. Tipo S
El termopar de tipo S, en su elemento positivo est compuesto por
una aleacin de Platino (90%) y Rodio (10%), mientras que el
negativo, est compuesto de platino en su totalidad. Produce una
f.e.m. de entre -0,236 mV/C y 18,693 mV/C; posee tambin una
sensibilidad aproximada de 10 V/C, su rango de operacin alcanza los
1500 C, aunque en algunos casos contina transmitiendo datos hasta
antes de alcanzar los 1700 C y destruirse. Posee una excelente
resistencia a la oxidacin y
Figura 34. Esquema de una conexin a proceso roscada NPT.
Algunas de las aplicaciones ms comunes son por ejemplo para la
medicin de la temperatura de algunos tejidos en la industria
textil, o la medicin de temperatura en procesos de fermentacin en
la industria alimenticia. Tipos de Termopares. 1. Tipo K Los
termopares de tipo K son ideales para utilizar en atmsferas
oxidantes en las que se tiene un exceso de oxigeno libre y en
hornos de tratamientos trmicos, por ejemplo. El conductor denotado
como positivo en el dispositivo est elaborado de Cromel, una
aleacin de Nquel (90%) y Cromo (10%), y el negativo generalmente
est hecho de Alumel, aleacin de Nquel (95%), Manganeso (2%),
Silicio (1%) y Aluminio (2%). La f.e.m. producida por este termopar
est en el rango desde los -6,458 mV/C hasta los 48,838 mV/C [32].
Su sensibilidad es de aproximadamente 41 V/C. Debido al alto
contenido de Nquel en su elaboracin, este termopar es muy
resistente a la oxidacin y a la corrosin. Tiene un rango de
temperatura contnuo, con calibracin y sin recubrimiento que llega
hasta alrededor de los 1100 C, mientras que con recubrimiento puede
alcanzar los 1260 C. Entre sus limitaciones est la reduccin de
sensibilidad a causa de la llamada descomposicin verde, que es la
oxidacin del cromo, generalmente, sobre el nquel en el exterior del
elemento positivo, el cual se convertir entonces en el negativo.
Tambin el contacto del elemento negativo con el azufre vuelve
quebradizo el material. Estos dos efectos se pueden minimizar con
el empleo de tubos limpios protectores, libres de grasa. Este
termopar se recomienda mantenerlo a temperaturas de trabajo de
entre 500 y 1150 C para su ptimo funcionamiento, adems de que no
debe ser utilizado en atmsferas fuertemente reductoras ni
sulfurosas sin la proteccin adecuada. (hidrgeno, monxido de
carbono, entre otros) [33]. 2. Tipo E Este termopar est
constituido, en su elemento positivo por Cromel, y en el negativo,
por una aleacin de Cobre (55%) y Nquel (45%). Produce una f.e.m.
desde -9,835 mV/C a 76,373 mV/C; tienen una sensibilidad de 68 V/
C. El termopar tipo E no es magntico, es ideal para el uso en bajas
temperaturas, en especial en el mbito criognico; y tambin puede
usarse en
14
alta estabilidad. Entre sus aplicaciones comunes se encuentran
la Calibracin universal del punto de fusin del oro (1064,43 C), y
patrones primarios en medidas de temperatura industrial. Como
desventajas podemos ver su bajsima sensibilidad y resolucin, alto
costo, adems de la inestabilidad de su respuesta en temperaturas
bajo cero. Alrededor de los 1200 C se empiezan a presentar ligeras
alteraciones en la lectura, y por encima de los 1400 C se presentan
granulaciones en la superficie del material, los cuales hacen que
se vuelva quebradizo. Su uso se debe evitar n atmsferas con gases
reductores como el hidrgeno, y nunca se deben insertar en tubos de
proteccin metlicos, nicamente en tubos cermicos. 7. Tipo B El
termopar de tipo B, est compuesto en su termoelemento positivo por
una aleacin de Platino (70,4%) y Rodio (29,6%), al igual que el
negativo, pero en una concentracin diferente: Platino (93,9%) y
Rodio (6,1%). Produce una f.e.m. de entre 0 mV/C y 13,820 mV/C;
posee tambin una sensibilidad aproximada de 10 V/C. Debido a la
respuesta Voltaje-Temperatura (Curva caracterstica) presenta el
mismo resultado a 0 C t 42 C, lo que limita su rango mnimo a 50 C.
Posee una excelente resistencia a la oxidacin y alta estabilidad, y
son adecuados para la medicin de temperaturas por encima de los
1800 C. Como desventajas, adems de su bajsima sensibilidad y
resolucin, y alto costo, se debe evitar su uso en atmsferas con
gases reductores, al igual que en el termopar de tipo S. 8. Tipo R
El termopar de tipo R, est compuesto en la totalidad de su
termoelemento positivo por Platino (70,4%) y Rodio (29,6%),
mientras que en el negativo, por una aleacin Platino (77%) Rodio
(13%). La f.e.m. producida por este termopar abarca un rango de
entre -0 mV/C y 13,820 mV/C; posee tambin una sensibilidad
aproximada de 10 V/C. Presenta caractersticas, aplicaciones y
limitaciones similares a las de los termopares de tipo B y S. Los
termopares tipo B, R, y S, son afectados a la hora de calibracin
por el Slice. Deben utilizarse tubos protectores de Alumina
recristalizada y vitrificada entre el 97 y 99% de Alumina Pura en
el extremo ms alto del rango de trabajo de temperatura, para evitar
la alteracin por parte de atmsferas reductoras y contaminacin del
Slice. Tambin se recomienda utilizar aisladores de una sola pieza
con suficiente espacio para respiracin. 9. Termopares Compactados
[34]. Estos son termopares con aislamiento mineral. Es un termopar
convencional montado con un tubo de proteccin donde todo el
conjunto es trefilado. En este proceso los termoelementos quedan
aislados entre s mediante un polvillo compacto de Mg2O de 99,4% y
protegidos por una vaina metlica. Esto produce un blindaje muy
bueno, y flexible, lo que proporciona ciertas ventajas. Por
ejemplo, se puede realizar cualquier doblez hasta su mismo dimetro
exterior sin que pierda ninguna
de sus propiedades. Estn diseados para trabajar en rangos de
-200 C hasta 1150 C con presiones de 3500 kg/cm2 (50000 PSI).
Tambin son muy resistentes a las vibraciones y a atmsferas
corrosivas, tienen un tiempo de respuesta muy rpido, facilita la
fabricacin de termopares sencillos, dobles, triples o con un
alambre extra de titanio que funciona como atrapador de oxgeno, as
como la fabricacin de termopares multipunto. Fue desarrollado con
la necesidad de un termopar con un tiempo de respuesta mucho menor
que el de un termopar convencional. Para estos se encuentra una
gran variedad de cubiertas metlicas, como en Acero inoxidable 304,
310, 316, Inconel 600, Incoloy 800 y Hastelloy. Los termopares
compactados tiene una amplia gama de aplicaciones, entre las que se
encuentran su utilizacin en Plantas termoelctricas, petroqumicas,
Reactores, Hornos industriales, Plantas criognicas, Maquinas
extrusoras de plstico, Hornos industriales, Plantas de fibras
sintticas (Polister, Nylon), Hornos de secado y pintura, Procesos
industriales en general.
Figura 35. Termopares Compactados de diversos Calibres [35].
Precauciones y Parmetros de Consideracin [36]. Dentro de los
parmetros a considerar a la hora de emplear termopares, los ms
importantes son: Resistencia o Se emplean Cables delgados como
conexiones en el termopar para minimizar la desviacin trmica y los
tiempos de respuesta o Alta Resistencia Se recomienda medir la
resistencia del termopar antes de utilizarlo Sensible al ruido.
Errores debido a la resistencia del instrumento de medicin.
Descalibracin. o Impurezas y los qumicos del aislante difundindose
en el cable del termopar o Difusin de partculas atmosfricas en el
metal a los extremos de la temperatura de operacin Ruido o Se puede
minimizar el ruido al retorcer los cables o En ambiente con ruido
extremo es necesario considerar usar un cable de extensin protegido
Las conexiones entre el cable de compensacin, el termopar y el
instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de
compensacin
15 El termopar trabajando como una antena puede recoger radiacin
electromagntica de radio televisin y microondas C. TERMISTORES El
trmino termistor es una castellanizacin del ingls thermistor,
formado a partir de los vocablos thermally sensitive resistor. A
veces se emplea el vocablo termistancia por analoga con el francs
thermistance [37]. Los termistores, o resistores trmicos, son
dispositivos que se comportan como resistencias con un coeficiente
de temperatura y resistencia alto y, generalmente, negativo [38].
Varan con respecto a la temperatura y, a diferencia de los RTD, los
termistores estn basados en semiconductores [39]. Este coeficiente
de temperatura de resistencia de valor elevado hace que se
presenten variaciones rpidas y extremadamente grandes para los
cambios relativamente pequeos en la temperatura [40]. Los
termistores se pueden dividir segn su coeficiente de temperatura,
ya que no todos los termistores presentan coeficiente negativo: NTC
(Negative Temperature Coefficient) y PTC (Positive Temperature
Coefficient). Generalmente los Termistores tienen coeficiente
negativo, y solo cuando el dopado es muy intenso, el semiconductor
adquiere propiedades metlicas con coeficiente de temperatura
positivo [41]. El fundamento de los termistores est en la
dependencia de la resistencia de los semiconductores con la
temperatura, debida a la variacin con sta del nmero de portadores.
Al aumentar la temperatura, lo hace tambin el nmero de portadores,
reducindose la resistencia, y de ah que la mayora de los
termistores presenten coeficiente de temperatura negativo [42].
Esta dependencia vara con la presencia de impurezas, y si el dopado
es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metlicas con
coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un margen de
temperaturas limitado. Para las NTC, en un margen de temperaturas
reducido (50 C), la dependencia se puede considerar de tipo
exponencial de la forma [42]
Figura 40. Variacin de la resistencia de diversos termistores en
relacin con la temperatura. (Dependencia Real entre RT y T)
[Documentacin Thermomtrics]
Disposicin Fsica y Caractersticas. Los termistores usualmente se
fabrican con xidos de nquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre,
magnesio, titanio y otros metales, y estn encapsulados [43]. Su
rango de resistencia va de 0.5 a 75 y estn disponibles en una
amplia variedad de formas y tamaos, siendo las ms populares las
sondas y las cuentas con dimetros de entre 0.15 y 1.25 mm [44]
[45]. Para un termistor tpico, en el margen de 0 a 50C, el error
cometido al emplear un modelo de dos parmetros es del orden de 0.3
C. Con tres parmetros se logran errores de tan solo 0.01 C en un
margen de 100 C [46]. Hay que sealar que para obtener una buena
estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos
adecuadamente, tal como se indica en la figura 12. Los termistores
se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros
circuitos de medida de resistencia.
dnde: Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt RO
= resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia TO
= constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas El
parmetro es la temperatura caracterstica del material, y tiene
valores de entre 2000 K y 5000 K, pero vara con la temperatura,
aumentando a medida que sta aumenta.Figura 41. Curvas de
estabilidad de termistores segn el grado de envejecimiento.
La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede
ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia
comparada con la de los cables de unin. La corriente que circula
por el termistor a travs del circuito de
16
medida debe ser baja para garantizar que la variacin de
resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de
temperatura del proceso [47]. Aplicaciones Los termistores
encuentran su principal aplicacin en la medicin, la compensacin y
el control de temperatura, y como medidores de temperatura
diferencial [48]. Para algunas aplicaciones interesa ms la relacin
entre la tensin en los bornes del termistor y la corriente a travs
de l. En la figura 42 se presenta la caracterstica V=f(I) para un
modelo concreto.
En otras aplicaciones la caracterstica que interesa es la que
describe la evolucin de la corriente en el termistor a lo largo del
tiempo despus de aplicarla. Se puede ver en las curvas de
comportamiento del termistor, que el auto calentamiento est
sometido a una constante de tiempo que supone un retardo entre la
tensin aplicada y el instante en que se alcanza el valor de
corriente estacionario. Esta caracterstica se aprovecha en los
circuitos de retardo y para la supresin de transitorios [52]. Su
principal punto en contra es que en intervalos amplios de
temperatura, los termistores tienen caractersticas no lineales [53]
[54] .
E. SENSORES Y TERMMETROS PIROELCTRICOS Un termmetro piroelctrico
es un instrumento empleado para determinar los cambios de
temperatura. El efecto piro elctrico es anlogo al piezoelctrico,
pero en lugar de aparicin de cargas elctricas cuando se deforma un
material, aqu se trata de la aparicin de cargas superficiales por
un cambio de polarizacin espontnea en una direccin determinada
cuando el material experimenta un cambio de temperatura. Si el
cambio de temperatura, Delta T, es uniforme en toda la materia, el
efecto piro elctrico se describe mediante el coeficiente piro
elctrico , que es un vector de la forma Donde es la polarizacin
espontnea. Este efecto se aplica sobre todo a la deteccin de
radiacin trmica a temperatura ambiente (tabla XX). Para ello se
disponen dos electrodos metlicos en direccin perpendicular a la de
polarizacin, formndose un condensador que acta como sensor trmico.
Cuando el detector absorbe radiacin cambia su temperatura y con
ella su polarizacin, produciendo una carga superficial en las
placas del condensador. Si el rea donde incide la radiacin es A y
el grosor del detector b, es suficientemente pequeo para poder
suponer que los gradientes de temperatura en l son despreciables,
la carga inducida ser
Figura 42.Caracterstica tensin-corriente para un termistor en
aire quieto a 25 C [Documentacin Siemens, adaptada] [49].
Para corrientes bajas la tensin en bornes del termistor es
prcticamente proporcional a la corriente porque el
autocalentamiento del termistor es muy pequeo. Cuadno aumenta la
corriente el termistor sufre un autoclanetamiento apreciable y
alcanza una temperatura por encima de la del ambiente, reducindose
su resistencia y, por lo tanto, la cada de tensin a su travs. La
potencia disponible en el circuito determina el punto en el que se
alcanza el rgimen estacionario. El punto E en la grfica corresponde
a la corriente mxima no peligrosa. Al aumentar la temperatura
ambiente la curva se desplaza hacia abajo [50].
Principales Ventajas y Desventajas. Los termistores son de
pequeo tamao y su tiempo de respuesta depende de la capacidad
trmica y de la masa del termistor variando de 0,5 a 10 segundos.
Adems, al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor
sensibilidad que los termmetros de resistencia y permiten incluso
intervalos de medida de 1C (span) [51]. En la zona de
autocalentamiento, el termistor es sensible a cualquier efecto que
altere el ritmo de disipacin de calor. Esto permite aplicarlo a las
medidas de caudal, nivel, conductividad calorfica (vaco,
composicin,..). Si la velocidad de extraccin de calor es fija, el
termistor es sensible a la potencia elctrica de entrada, y se puede
aplicar al control de nivel de tensin o potencia.
Esta es la expresin de la ley del desplazamiento de Wien (quien
la obtuvo antes de que se conociera la ley de plack). Indica que el
mximo se produce a una longitud de onda tanto menor cuando mas
elevada sea la temperatura. El cuerpo humano, por ejemplo, supuesta
su superficie a 300K, tiene el mximo de emisin a 9,6 um (zona del
infrarrojo medio). En cambio el sol, a 6000 K, tiene su emisin
mxima a 483 nm (Azul) [66] [67].
17
[4] Palls Areny, Ramn. SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEAL. 4
Edicin. Ed. Marcombo-Boixareu Editores. Pp.68. [5] Bolton, William.
MECATRNICA. Sistemas de control Electrnico en Ingeniera Mecnica y
Elctrica. 2 Edicin. Ed. Alfaomega. 1996. Pp. 43. [6] Palls Areny,
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Marcombo-Boixareu Editores. Pp.68. [7 - 8] Cooper,
William-Helfrick, Albert. INSTRUMENTACIN ELECTRNICA MODERNA Y
TCNICAS DE MEDICIN. Pp. 358. [9 10] Palls Areny, Ramn. SENSORES Y
ACONDICIONADORES DE SEAL. 4 Edicin. Ed. Marcombo-Boixareu Editores.
Pp.69 70. [11 12] Creus Sol, Antonio. INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL.
Pp. 228. [13] Cooper, William-Helfrick, Albert. INSTRUMENTACIN
ELECTRNICA MODERNA Y TCNICAS DE MEDICIN. Pp. 360. [14] Palls Areny,
Ramn. SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEAL. 4 Edicin. Ed.
Marcombo-Boixareu Editores. Pp.71. [15] Cooper, William-Helfrick,
Albert. INSTRUMENTACIN ELECTRNICA MODERNA Y TCNICAS DE MEDICIN. Pp.
360.
Figura 43.Flujo de energa por unidad de rea emitido por el
cuerpo negro a distintas temperaturas y para distintas longitudes
de onda (ley de Planck). La lnea a trazos pasa a travs de los
mximos (ley de Wien).
Ventajas [68] -por el tamao y sensibilidad de temperatura, su
respuesta es ms rpida que la de otros detectores trmicos como
termopares y termistores. -No necesita alcanzar el equilibrio
trmico con la fuente de radiacin. Aplicaciones [69] El efecto piro
elctrico en sensores es la deteccin de radiacin trmica a
temperatura ambiente. Siendo aplicado a pirmetros y radimetros.
[16] Creus Sol, Antonio. INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL. Pp. 232.
[17] Palls Areny, Ramn. SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEAL. 4
Edicin. Ed. Marcombo-Boixareu Editores. Pp.70. [18] Bolton,
William. MECATRNICA. Sistemas de control Electrnico en Ingeniera
Mecnica y Elctrica. 2 Edicin. Ed. Alfaomega. 1996. Pp. 43. [19]
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Sol, Antonio. INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL. Pp. 238. [21 24] Palls
Areny, Ramn. SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEAL. 4 Edicin. Ed.
Marcombo-Boixareu Editores. Pp. 276 278. [25] Efecto
Peltier-Seebeck. Wikipedia, La enciclopedia libre. [Online].
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[26] Termopares. [Online]. Disponible en:
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SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEAL. 4 Edicin. Ed.
Marcombo-Boixareu Editores. Pp. 274 275. [30] Creus Sol, Antonio.
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de C.V. - The Best Sensors. [Online]. Disponible en:
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Figura 26. Configuracin De un detector Piroelctrico.
[32] Termopares. [Online]. Disponible en:
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