Post on 15-Dec-2015
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Docente: Marcelo Rojo González
Instrumentación industrial
Medición de “Temperatura”
Contenido
• Introducción
• Repaso de conceptos:
– Calor
– Temperatura
– Calor especifico
– Inercia térmica
• Elementos primarios para la medición de temperatura
Docente: Marcelo Rojo González
Introducción
Para poder seleccionar apropiadamente un instrumento de medición, esrequisito “indispensable” estudiar en “detalle” las características del procesosobre el cual se desea utilizar, con el propósito de reconocer “todos” losparámetros bajos los cuales deberá trabajar el instrumento, de manera dedimensionarlo adecuadamente, y así asegurar su funcionamiento confiable yseguro.
Ahora, cuando nos referimos a los parámetros del instrumento, no solodebemos pensar en los parámetros que son propios de la variable a medir,sino que también, debemos considerar otros factores, como por ejemplo, lascondiciones ambientales bajo las cuales el instrumento será instalado, asícomo también, de las normativas vigentes que apliquen sobre en el cualtrabajaremos.
Ya una vez conocida “todas” las características del proceso, y definido susrangos de operación, ya estamos en condiciones de comenzar a definir elinstrumento a utilizar, a partir del estudio de las fichas técnicas de losinstrumentos que se encuentran disponibles en el mercado, los cuales debenser compatibles con las condiciones antes citadas, como también delpresupuesto disponible para la implementación del proyecto.
Docente: Marcelo Rojo González
Calor y Temperatura
Muchos creen que el calor y temperatura son lo mismo, pero están muyequivocados, ambos términos son muy diferentes aunque tienen una relaciónmuy estrecha entre si.
Primero definamos que es el calor según la física:
Es la energía que se traspasa de un sistema a otro o de un cuerpo a otro,
es una transferencia vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras
partículas.
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Es importante tener en cuenta que los
cuerpos no tienen calor, sino energía
interna. Cuando una parte de esta
energía se transfiere de un sistema o
cuerpo hacia otro que se halla a distinta
temperatura, se habla de calor.
Calor y Temperatura
Ahora definamos que es la temperatura según la física:
La temperatura es una magnitud física que refleja la cantidad de calor, ya sea
de un cuerpo, de un objeto o del ambiente.
Por lo que la principal diferencia entre el calor y temperatura es que el calor es
la transferencia de energía de un cuerpo a otro y la temperatura es la unidad
que refleja la cantidad de calor.
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Por ejemplo:
Si hacemos hervir agua en dos
recipientes de diferente tamaño, la
temperatura alcanzada es la misma para
los dos, 100° C, pero el que tiene más
agua posee mayor cantidad de calor.
Calor especifico
El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de
calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema
termodinámico para elevar su temperatura en una unidad. En general, el valor
del calor específico depende del valor de la temperatura inicial del cuerpo.
Se le representa con la letra ”c” (minúscula).
Así tenemos: c = Q / (m+ (Tf-Ti)
Donde:
c : Calor especifico
Q: Calor añadido
M: masa
Tf: Tº final
Ti: Tº Inicial
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Calor especifico
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Inercia térmica
Propiedad que indica la cantidad de calor que puede conservar un cuerpo y la
velocidad con que la cede o absorbe del entorno. Depende de la masa, del
calor específico de sus materiales y del coeficiente de conductividad térmica de
éstos.
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El efecto de inercia térmica, se
puede apreciar claramente, en
un control de temperatura del
tipo ON-OFF.
Tipos de sensores para Temperatura
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– Termopar
• Tipo K
• Tipo E
• Tipo J
• Tipo N
• Tipo B
• Tipo R
• Tipo S
– RTD
• PT100
• PT1000
– Termistor
• NTC
• PTC
– Bimetal
Sensores termopar = Termocupla
Un termopar Es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos
que produce un voltaje (efecto Seebeck), 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 denominado "punto frío" o unión fría o de
referencia.
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En Instrumentación industrial, los
termopares son ampliamente usados
como sensores de temperatura. Son
económicos, intercambiables, tienen
conectores estándar y son capaces
de medir un amplio rango de
temperaturas. Su principal limitación
es la exactitud ya que los errores del
sistema inferiores a un grado Celsius
son difíciles de obtener.
Tipos de Termopares (Termocuplas)
Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel):con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y enuna variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200º C a +1.372ºC y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.
Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos ygracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en elámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.
Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menospopular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan eluso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturassuperiores a 760º C ya que una abrupta transformación magnética causa unadescalibración permanente. Tienen un rango de -40º C a +750º C y unasensibilidad de ~52 µV/° C. Es afectado por la corrosión.
Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones dealta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidaciónde altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y Sque son más caros.
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Tipos de Termopares (Termocuplas)
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300º C).
Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altastemperaturas superiores a 1.800º C. Los tipo B presentan el mismo resultado a0º C y 42º C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso atemperaturas por encima de 50º C.
Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición detemperaturas de hasta 1.300º C. Su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevadoprecio quitan su atractivo.
Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hastalos 1.300º C, pero su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio loconvierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a suelevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del puntode fusión del oro (1064,43° C).
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Formatos constructivos de termopares
Los termopares ó termocuplas pueden presentar tres formas de construcción:
A) Aterrizada; Construcción especial para lograr una mayor fidelidad de respuesta.
B) Aislada; Construcción normal de los termopares.
C) Expuesta; Construcción especial que ofrece la máxima velocidad y fidelidad de respuesta
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Muestra de curvas de respuesta de algunos termopares
Sensores del tipo RTD
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Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el
efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que,
ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica
que presentan. Este aumento viene expresado como:
RTD del tipo Pt100 y Pt1000.
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Un tipo de RTD son las Pt100 o Pt1000. Estos sensores deben su nombre al
hecho de estar fabricados de platino (PT) y presentar una resistencia de
100ohms o 1000ohms respectivamente a 0ºC. Son dispositivos muy lineales
en un gran rango de temperaturas, por lo que suele expresarse su variación
como:.
Donde Tª0 es una temperatura de referencia y R0 es la resistencia a esa
temperatura.
Tolerancias comerciales según norma IEC 751:1995 :
Pt100 Clase A ±0,15 ºC [ 0 ºC] ±0,06 Ω [ 0 ºC]
Pt100 Clase B ±0,30 ºC [ 0 ºC] ±0,12 Ω [ 0 ºC]
Conexiones de las Pt100 ó Pt1000
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2 Hilos (2 Wires)
Es el modo más sencillo de conexión (“pero el menos recomendado”).
En esta caso las resistencias de los cables Rc1 y Rc2, que unen la Pt100 al
instrumento, se suman provocando un error inevitable.
El lector medirá R(t)+Rc1+Rc2, en vez de sólo R(t).
La recomendación en estos
casos, es usar un cable lo
más grueso posible, para
disminuir la resistencia de
Rc1 y Rc2.
Conexiones de las Pt100 ó Pt1000
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3 Hilos (3 Wires)
Es el modo de conexión más utilizado y resuelve bastante bien el problema
del error generado por los cables.
El único requisito es que los tres cables, tengan la misma resistencia eléctrica,
pues el sistema de medición (casi siempre), se basa en el puente de
Wheatstone. Por supuesto el medidor de temperatura debe ser para este tipo
de conexión.
Conexiones de las Pt100 ó Pt1000
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4 Hilos (4 Wires)
El modo de conexión en 4 hilos, es el más preciso de todos, los cuatro cables
pueden ser distintos (diferente resistencia), pero el instrumento lector es más
costoso.
Por los cables 1 y 4, se hace
circular una corriente eléctrica
conocida, lo cual provoca una
caída de voltaje V en R(t). Los
cables 2 y 3 están conectados a
un voltímetro de alta impedancia,
por lo cual por estos cables no
circula corriente, la caída de
tensión en Rc2 y Rc3 es cero, con
lo cual se obtiene el valor de
resistencia a partir de V/I.
Puente de Wheatstone
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Un puente de Wheatstone es un instrumento eléctrico de medida inventado
por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles
Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas
mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por
cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la
resistencia bajo medida.
Rx es la resistencia cuyo valor queremos
determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de
valores conocidos, además la resistencia R2 es
ajustable. Si la relación de las dos resistencias
del brazo conocido (R1/R2) es igual a la
relación de las dos del brazo desconocido
(Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios
será nulo y por tanto no circulará corriente
alguna entre esos dos puntos C y B.
Termistor
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Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia
eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermally
sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existen dos
clases de termistores: NTC y PTC.
Termistor NTC
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Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia
variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura.
Son resistencias de coeficiente de temperatura negativa, constituidas por un
cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir,
su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.
Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc,
cobalto, etc.
La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:
Termistor PTC
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Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia
variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la
temperatura.
Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones:
Limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la
protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores
eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos
en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.
El termistor PTC pierde sus propiedades y
puede comportarse eventualmente de una
forma similar al termistor NTC si la temperatura
llega a ser demasiado alta.
Termistor PTC
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Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia
variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la
temperatura.
Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones:
Limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la
protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores
eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos
en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.
El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente
de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado
alta.
Bimetales
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Consiste en dos láminas de metal unidas, con diferente coeficiente de
dilatación térmico. Cuando la temperatura cambia, la lámina cambia de forma
actuando sobre unos contactos que cierran un circuito eléctrico.
Pueden ser normalmente abiertos o normalmente cerrados, cambiando su
estado cuando la temperatura alcanza el nivel para el que son preparados.
Bimetal manual
Son los que requieren intervención
humana para regresar a su estado inicial,
como los termostatos de seguridad que
realizan una función en caso de que la
temperatura alcance niveles peligrosos.
Bimetal automático
Regresan a su estado inicial sin
necesidad de intervención humana.