Sensando Temperatura: conociendo mas detalles

30 Abril 2010

 

La temperatura es una variable, que a diferencia de otras, debe ser medida en términos de los efectos indirectos que tiene sobre las propiedades físicas de los materiales o en los cambios producidos en circuitos eléctricos (voltaje o resistencia).

Cambios como estos, deben relacionarse con fenómenos reproducibles en laboratorio, tales como los puntos de ebullición y congelación del agua. Los puntos de calibración en laboratorios son a menudo basados en las temperaturas en las cuales existe un equilibrio líquido - vapor de sustancias puras, como oxígeno, agua, sulfuro, plata y oro.

 

Medidores locales: Los Termómetros

 

Sobre un periodo de años, por lo menos cinco escalas de temperaturas diferentes se han usado en la medición de esta variable. Las dos más comúnmente usadas, Fahrenreit y Centígrada, usan alcances (span) arbitrarios de 180°F y 100°C respectivamente para los puntos de ebullición y congelación del agua. Otras dos escalas (RankSne y Keiwin) que tienen como referencia el cero absoluto.

 

Desde un punto de vista histórico, el primer dispositivo práctico para medir temperatura fue el termómetro de vidrio, es por eso que empezaremos por él para examinar las diversas formas que existen para medir temperatura.

 

Termómetros de Vidrios Las sustancias minerales se contraen o expanden una cierta cantidad por cada grado de cambio de temperatura. Este es el principio de la expansión térmica. Cuando se aplica calor a un termómetro de vidrio que contiene por ejemplo mercurio, éste se expande más que el bulbo de vidrio que lo contiene. La diferencia en expansión, obliga al mercurio a subir por un tubo capilar en forma uniforme con respecto al cambio de temperatura, de modo tal que con calibrar el tubo con una determinada escala, se tendrá una lectura directa de la temperatura. Los termómetros con mercurio se pueden usar desde 33°F a +800°C. Sin embargo, para temperaturas muy bajas se utilizan termómetros que contienen alcohol (-300°C a +600°C).

 

Termómetros Bimetálicos: La operación de estos dispositivos se basa en el principio de que los metales diferentes tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. Si dos aleaciones metálicas diferentes son soldadas formando un espiral se tiene el elemento bimetálico. Cuando este conjunto es calentado, tiende a desarrollarse debido a la diferente expansión térmica de cada aleación. Si se conecta un puntero al espiral por medio de un eje, el puntero se moverá e indicará la temperatura sobre una escala circular calibrada.

 

Termometros Bimetalicos

 

Sistemas térmicos de llenado

 

Uno de ¡os sistemas más antiguos para medir temperatura se basa en el uso de termómetros actuados por presión, que utiliza sistemas "de llenado" (sistemas llenos con líquido, gas o vapor) que responden a las variaciones de temperatura. Todos los fluidos, sean líquidos, vapores o gases, se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados.

 

Este fenómeno se utiliza para expandir un elemento de presión, usualmente un tubo de Bourdon el cual transmite el movimiento a un indicador o asociados a otros elementos para transmitir o registrar. Son básicamente sistemas sencillos y robustos que sin embargo han ido desapareciendo dejando su lugar a otros tipos de formas de medición que veremos a continuación.

 

 

Métodos eléctricos para medir temperatura

 

Existen varias formas de obtener una señal eléctrica que represente a la temperatura medida. Dentro de éstas podemos señalar a los sistemas de medición que emplean termocuplas, RTD y otros.

 

- Las mas famosas: Las Termocuplas

 

La termocupia es una de los más simples y^ comunes métodos usados para determinar la temperatura de procesos. Cuando se requiere una indicación remota o cuando se necesita displayar la temperatura de varios puntos, este método es el más apropiado. En 1821 TJ. Seebeck descubrió que cuando se aplicaba calor a la unión de dos metales distintos, se generaba una fuerza electromotriz, la cual puede ser medida en otra juntura (fría) de estos dos metales (conductores); estos conductores forman un circuito eléctrico y la corriente circula como consecuencia de la f.e.m. generada. Esto es válido siempre y cuando las temperaturas en las dos uniones sean distintas.

 

 

Figura

 

 

Para una determinada combinación de materiales, el voltaje de salida (en milivoltios) varía en proporción directa a la diferencia de temperatura entre dichas uniones o junturas. Para que la medida corresponda a la temperatura real, la juntura fría (físicamente localizada a la entrada del instrumento receptor) debe mantenerse constante, comúnmente referida a cero grados centígrados. Para lograr han aparecido en el tiempo varios métodos, siendo actualmente utilizada la electrónica para tal fin.  La juntura de medición (unión caliente) desde luego, estará ubicada en el lugar en donde se requiere medir temperatura.

 

Fig 3 - Efecto Seebeck

 

 

Para temperaturas moderadas (hasta alrededor de 260 °C), combinaciones de hierro y cobre, hierro y constantán (aleación de cobre y níquel) son usadas frecuentemente. A altas temperaturas (hasta alrededor de 1640 °C), los hilos son fabricados de platino o aleación de platino y rodio.

 

Diferentes tipos de termocuplas

 

A las termocuplas se les designa comúnmente con una letra. Así por ejemplo, una termocupla tipo J es de hierro / constantán (la barra de separación es para indicar los materiales de cada hilo) y una de tipo K es de cromel / alumel (el cromel es una aleación de cromo y níquel y el alumel es de aluminio y níquel).

 

Figura 5 Termopozo (cortesía de Ómega)

 

 

Existen varias combinaciones usadas en la fabricación de termocuplas y la selección adecuada de estos sensores depende de su rango de utilización, salida en mV /°C y los errores máximos en la medición, además de las características mecánicas deseadas. Las termocuplas no siempre están en contacto directo con el proceso. A menudo se emplean elementos protectores que a la vez permiten remover una termocupla sin interrumpir el proceso. Tal es el caso de los termopozos.

 

 

Los no menos famosos, los RTD's


Estos dispositivos cuyas siglas en inglés significan detectores resistivos de temperatura, han sido usados durante años y aún son muy populares en la actualidad. Se basan;en el aumento de resistencia de un hilo conductor con el incremento de la temperatura. La magnitud de este cambio con respecto al cambio de temperatura en él, se llama "coeficiente térmico de resistencia" del material conductor.

 

Para la mayoría de metales puros, este es constante sobre cierto rango de temperatura. Por ejemplo, el coeficiente del platino (a )es 0.00392 ohm / (ohm) (°C) sobre un rango de 0°C a 100°C, teniendo una resistencia de 100 ohmios para una temperatura de 0°C, por lo que recibe el nombre de Pt -100. Para la mayoría de conductores, el coeficiente mencionado (a) es positivo. Comúnmente los materiales empleados incluyen platino, níquel, cobre, níquel - hierro y tungsteno. Entre todos ellos, el platino es el más usado debido a su característica lineal sobre la mayor parte de su rango; también el níquel, por su gran coeficiente de resistencia, aunque no tiene una característica lineal. Para el Pt -100, se puede utilizar la siguiente fórmula: para obtener la respuesta aproximada del sensor para una temperatura dada:

 

R = 100 (1 + a T)

 

Debido al diámetro tan pequeño del hilo utilizado en estos RTD (0.05 mm), su construcción incluye blindajes protectores contra choques mecánicos. A menudo las sondas de resistencia se fabrican con tres o cuatro hilos de salida con fines de eliminar los efectos de cambio de resistencia en los hilos de extensión por cambios de la temperatura ambiente. Los circuitos de medición comunes emplean puentes de Wheatstone.

 

 

 

Otros mas, termistores

 

Son semiconductores hechos de carbón, germanio, silicio y mezclas de ciertos óxidos metálicos, que exhiben coeficientes de temperaturas elevadas, usualmente negativos (NTC). Su característica es no lineal y exhiben los cambios más grandes en rangos de temperatura criogénicos por debajo de 100°K. Su resistencia es una función de temperatura absoluta. Las precisiones de estos dispositivos varían con el rango de temperatura. Por ejemplo, un sensor de germanio puede tener una variación de + 0.005°K sobre un rango criogénico de 1.5° a 5°K y de ± 0.1°K sobre un rango de 40° a 100°K. Esto incluso puede variar con el tiempo de uso del sensor.

 

Adicionalmente, al uso de los termistores como dispositivos de temperatura, se usan en regulación de voltaje, control de nivel de potencia, compensación de otros sensores de temperatura, control de temperatura y como detectores en analizadores.

 

 

 

Sensores de estado solido

 

Son pequeños transductores que convierten una entrada de temperatura en una corriente de salida; proporcional a ella. Son especialmente utilizados en aplicaciones dentro del rango de -55°C a 150°C en donde se requieren gran confiabilidad, linealidad y exactitud. Una de las aplicaciones más importantes es en la compensación de la juntura fría para sistemas de medición con termocupla.

 

 

Los Pirómetros, sin contacto con el proceso

 

Son dispositivos que miden temperatura por encima del rango aplicable a las termocuplas, a pesar: que ciertas aleaciones, permiten a estas últimas llegar a 3000°C aunque durante breves periodos. Algunos pirómetros pueden ser usados para medir temperaturas tan bajas como 0°C y tan altas como 5000°C con gran precisión.

 

Los pirómetros se clasifican en dos grupos; los denominados pirómetros de radiación total y los llamados pirómetros de radiación parcial. La pirometría de radiación usa la propiedad de la radiación térmica que es emitida por todos los materiales (excepto gases inertes) a una temperatura de cero absoluto. Es particularmente interesante debido a la no necesidad de contacto directo con el material cuya temperatura se quiere medir.

 

Los pirómetros de radiación más empleados actualmente son los infrarrojos que por la tecnología digital que poseen los hacen cada vez más versátiles que sus predecesores, permitiendo por ejemplo automáticamente hacer compensación; por variaciones de la temperatura ambiente, ajuste de emisividad, etc.

 

 

 

Figura 6 Pirómeíro de Radiación

 

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado Ingeniero Electrónico especializado en Control, Automatizacion e Instrumentacion Industrial. Experimentado en el desarrollo, ejecución y gestión de proyectos asi como en la Operacion de sistemas automaticos.

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