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ASOCIACION ARGENTINADE CONTROL AUTOMATICO

COMISION DE CURSOS

Curso Intensivo sobre: “Mediciones Industriales:

Presión – Nivel – Caudal – Temperatura”

3 de Mayo de 2002

Temperatura

Disertante: Ing. ZOLTAN BARKASZ

AADECA ASOCIACION ARGENTINA DE CONTROL AUTOMATICO CURSO SOBRE MEDICIONES INDUSTRIALES – 3 de Mayo de 2002

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Escalas de Temperatura




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Sensores de Uso Industrial. – Cambios de volumen

. – Cambios de presión

. – Cambios de densidad

. – Cambios de viscosidad

. – Cambios de resistencia eléctrica

. – Voltaje generado en la juntura de 2 metales diferentes

. – Intensidad de radiación total emitida

. – Intensidad de radiación de banda angosta

. – Frecuencia de resonancia de un cristal

. – Variación de la susceptibilidad de una sal paramagnética en un campo magnético.




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METODOS NO – ELECTRICOS DE MEDICION:- Dilatación de metales (bi-metálicos)

- Dilatación de Fluidos (termómetros de vidrio)

- Expansión de gasesMETODOS ELECTRICOS DE MEDICION:

- Variación de resistencia de alambre- F.E.M. Por efecto de la temperatura (efecto Seebeck)

(Termocuplas)- Elementos Resistivos de Silicio - Sensores conductivos semiconductores- Sensores Integrados de temperatura- Cristales [frecuencia = f(T)]

METODOS DE MEDICION SIN CONTACTO- Termómetros infrarrojos- Pirómetros Ópticos

METODOS DE MEDICION INDUSTRIALESMETODOS DE MEDICION INDUSTRIALES




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Termómetros Bimetálicos

• 1. – los metales cambian su volumen con la temperatura (coeficiente de dilatación térmica)

• 2. – el coeficiente de dilatación no es el mismo para todos los metales




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TermocuplaPrincipios Básicos




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Leyes Empíricas de las Termocuplas

1– Ley de los Metales Intermedios




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2 – Ley de las Temperaturas Intermedias




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3– Ley de los Estados Intermedios

Si dos conductores homogéneos A y B originan una f.e.m. de valor E1 cuando sus juntas se encuentran a las temperaturas de T1 y T2, y de E2, cuando sus juntas se encuentran a las temperaturas de T2 y T3 entonces la f.e.m. que el circuito generará cuando sus juntas se encuentren a las temperaturas de T1 y T3 será

E3 = E1 + E2.




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Termómetros termoeléctricos




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compensación por software

1. - .Se lee RT y se determina la temperatura de junta fría.

2. - De la tabla de f.e.m. vs. temperatura de la termocupla del que se trate, se determina la tensión que corresponde a esa temperatura respecto a la referencia VREF, (por ejemplo 0º C).

3. - Luego al voltaje V1 leído de la junta de medición se le resta la VCcalculada en el paso anterior, para hallar VM, en base a la cual se determinará de la tabla anterior, la temperatura medida por la termocupla.




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Tipos de termocuplasa) La f.e.m. de la termocupla deberá incrementarse continuamente con el incremento de la temperatura dentro del rango en que la misma seráutilizada.b) El valor de la f.e.m. deberá ser lo suficientemente grande como para poder ser medida con razonable exactitud.c) Sus características termoeléctricas no deberán sufrir grandes alteraciones durante su uso ya sea por cambios internos de la aleación (evaporación de componentes, recristalización, etc.) o externos (contaminación, etc.).d) Deberán ser resistentes a la oxidación y corrosión en el medio y a la temperatura que son expuestas.e) Los termoelementos deberán ser homogéneos.f) La temperatura de fusión de los termoelementos que conforman la termocupla deberá ser mayor que el límite superior del rango de utilización de la misma.g) Los metales y aleaciones metálicas con los que se fabricarán los termoelementos deberán ser elaborados y obtenibles en forma reproducible y de calidad uniforme.h) El costo de la termocupla deberá ser razonablemente bajo.




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TABLA 6TIPO DE TERMOCUPLA RANGO DE TRABAJO MAX. TEMP.

ºC ºCS Platino 10% Rodio – Platino 0 a 1.550 1.700R Platino 13% Rodio – Platino 0 a 1.600 1.700K Cromel - Alumel -200 a 1.250 1.300J Hierro – Constantan -200 a 750 900T Cobre – Constantan -200 a 350 600E Cromel- Constantan -200 a 900 1.000B Pt 30% Rodio – Pt 6% Rodio 0 a 1.700 1.800




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Conversión de f.e.m. a Temperatura




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T = a0 + a1V + a2V2 + a3V3 +........+ anVn

DondeT es la temperaturaV es la f.e.m. de la termocuplaai coeficientes del polinomion orden del polinomio




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TABLA 9 – COEFICIENTES DEL POLINOMIO DE ACUERDO A N.B.S.




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Cables de extensión y de compensación




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a) Se deberá asegurar que ambos puntos de conexión entre los cables de extensión (o de compensación) y la termocupla se encuentran a la misma temperatura. Si esta condición no se cumple, la f.e.m. resultante en el circuito termoeléctrico será función de T1, T0 y de las temperaturas de los puntos de conexión de los cables.

b) Se deberá evitar invertir la polaridad al conectar el cable de extensión o de compensación con la termocupla. Aún cuando los puntos de conexión se encuentren a la misma temperatura T2, el hecho de conectar al revés el cable de extensión o de compensación va a implicar conectar en oposición a la termocuplados termocuplas iguales en serie sometidas a la temperatura T2.




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TABLA 10 – CODIGOS DE COLORES DE CABLES DE COMPENSACION




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La termocupla como sensor de temperatura

a) La f.e.m. que se genera en la misma sea función de las temperaturas a la que están expuestas las juntas de medición y de referencia e independiente del perfil de temperatura.

b) Cada tipo de termocupla tenga una bien definida relación f.e.m. -temperatura. Cualquier desviación de la f.e.m. considerada con respecto a esta relación deberá ser considerada como un error.




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– Llave en serie




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– Filtro analógico




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Blindaje contra ruidos de modo común




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Otras causas de Falla

1. - Pobre conexión de la juntura2. - Impedancia de “Shunt”3. - Acción Galvánica4. - “Shunt” Térmico




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Normas de estandarización de termocuplas




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Auto-calentamiento:W

Dt = -----------CRm x A

donde W es la potencia disipada por el elemento resistivoA área de disipación del mismoCRm es el coeficiente de transmisión del calor entre la

resistencia y el medioDt es lo que se denomina auto-calentamiento y dependerá

fuertemente del estado en que se encuentra el medio dentro del cual el termómetro está sumergido.

WDt = ----- = Ka W

Ca

Ca = CRm x A




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Velocidad de respuesta:




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Medición de la Resistencia

R100 - R0a = -------------

100 R0

DIN 43.760 de α = 0,00385 Ω/ºCΩ.




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0,38 ΩΩΩΩεεεε = ------------- x 100 = 1,3% o 1º C.

28,875 ΩΩΩΩ




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R1 x (RTD + RB) = (R2 + RA) x R4




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La norma DIN 43760

Rt = R0 (1 + At + Bt2) para t > 0º Co

Rt = R0 [1 + At + Bt2 + C (t - l00) t3] para t < 0º Cpara Pt 100, a = 0,00385

Rt = 100 ΩΩΩΩ (1 + 3,90802 x 10-3 x t - 0,580l95 x 10-6 x t2)desde 0º C hasta 850º C

Rt = I00 ΩΩΩΩ [1 + 3,90802 x 10-3 x t - 0,580l95 x 10-6 x t2 –- 4,27350 x 10-12 x (t - 100)3]

desde -200º C hasta 0º CPara un termómetro de Ni en el rango de -60º C hasta 180º C

Rt = 100 + 0,5485 x t + 0,665 x 10-3 x t2 + 2,805 x 10-9 x t4




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– TERMISTOR




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I = A + B x ln R + C x (ln R)3

Tdonde

T es la temperatura en grados KelvinR es el valor de la resistencia del termistorA, B, y C son constantes cuyo valor hay que determinar

para cada elemento




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BT = −−−−−−− − C

ln R − A




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Transductores Integrados




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– TERMÓMETROS DE RADIACIÓN

Ley de Kirchhoff

Wa = We

dondeWa es la energía absorbidaWe es la energía emitida




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Ley de Stefan – Boltzmann

W = e s T4donde

W es la energía irradiadae es la constante de emisividad del cuerpos es la constante de Stefan,

s = 0,567 x 10-7 ( J / m2 ºK4 seg.)




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Ley de desplazamiento de Wien

lmáx = 2,898 x 103 (m ºK) / T

dondelmáx es la longitud de onda correspondiente a la

máxima densidad de energía irradiada




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Ecuación de Planck

Wl = εεεεl 8p c h l-5 (ech/lkT - 1)-1donde

Wl es la energía emitida a la longitud de onda lεl es la emisividad de la superficie a la longitud de onda

lc es la velocidad de la luz (2,99793 x 108 m/seg.)h constante de Planck (6,6252 x 10-34 J seg.)l longitud de ondak constante de Boltzmann (1,3804 x 10-23 J/ ºK)




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e = WGB / WBB

“cuerpo negro” : tl = rl = 0

tl + rl + al = 1

el = al

εl = 1 − rl




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Emisividad en la Medición por medio de IR

1. – Los sensores de radiación infrarroja soninsensibles al color

2. – Si el objeto a medir es reflectante a la vista, (superficie pulida, tipo espejo), la radiación medida será no solo la emitida, sino la suma de esta más la reflejada por dicha superficie.

3. – Si el objeto es transparente, (se puede ver a través de ella), habrá que seleccionar un filtro IR (por ejemplo, el vidrio es opaco a la longitud de onda de 5 m).




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Principio de Medición




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BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA -Béla G. Lipták, Instrument Engineers Handbook. Chilton -Douglas M. Considine y S.D. Ross, Handbook of Applied Instrumentation. Mc. Graw Hill -Omega Engineering Inc., The Pressure, Strain and Force Handbook, Omega Engineering, Inc. -Omega Engineering Inc., The Flow and Level Handbook, Omega Engineering, Inc. -Sydenham, Peter H., Transducers in Measurement and Control, Adam Hilger -R.W. Miller, Flow Measurement Engineering Handbook. Mc Graw Hill -L.K. Spink, Principles and Practice of Flow Meter Engineering The Foxboro Co. -Dr. Roger B. Dowdell, Flow its Measurement and Control in Science and Industry. I.S.A. -David W. Spitzer, Industrial Flow Measurement. I.S.A. -Dr. R.A. Furness, The Effect of Installation on the Performance of Flowmeters -Gabor Vass, Magmeter Basics, Fisher & Porter Co. - ISO Standard 5167, Measurements of Fluid Flow by Means of Orifice Plates, Nozzles, and Venturi Tubes in Circular Cross-Section Conduits Running Full, ISO 5167-1980(E), Geneva, 1980 - ISO Standard 2186, Fluid Flow in Closed Circuits – Connections for Pressure Signal Transmissions between Primary and Secondary Elements, ISO 2186-1973, Geneva, 1973 - ISO Standard R541, Measurement of Fluid Flow by Means of Orifice Plates and Nozzles, ISO, Geneva, 1967 - ISO Standard R781, Measurement of Fluid Flow by Means of Venturi, ISO, Geneva, 1968 - ANSI (MFC), Differencial Producers Used for the Measurement of Fluid Flow in Pipes, (Orifice, Nozzle, Nozzle Venturi, Venturi), draft 3e, New York, July 1982. - ANSI/API 2530, Orifice Metering of Natural Gas, catalog no. XQ0178, American Gas Association, Arlington,Va.,1978 - ASME, Fluid Meters, 6th. ed., ASME, New York, 1971.

- ASME, "The ASME-ISO Orifice Equations", Mech. Eng., vol. 103, no. 7, 1981 -Richtmyer, F. K. – Kennard, E. H. – Lauritsen, T., Introduction to Modern Physics, Mc Graw Hill -Omega Engineering Inc., The Temperature Handbook, Omega Engineering, Inc. -Suguer, Roberto – Weisz, Juan Pedro – Maceri, Hector A., Medición de Temperatura, A.A.D.E.C.A. – Comisión de Cursos. -Navesnik, Rolando, Medición de Temperatura mediante Sensores de Contacto, A.A.D.E.C.A. – Comisión de Cursos. -Harris, Forest K., Electrical Measurements, John Wiley & Sons -Kinnard, Isaac F., Medidas Eléctricas y sus Aplicaciones, Ediciones Técnicas Marcombo -Omega Engineering Inc., Thermocouple Reference Tables, Based on the ITS-90, Omega Engineering, Inc. -Minco Products, Inc., Bulletin TS – 102(J), =Temperature Sensors & Instruments, Minco Products, Inc. -Heraeus, Ceramic Wire Wound Resistance Temperature Detectors (PRTDs), Heraeus Electro-Nite - ITS – 90 (International Temperature Scale of 1990), Comité Consultatif de Thermométrie (CCT), Comité International des Poids et Mesures (CIPM) - N.I.S.T Monograph 175, Revised to ITS – 90, National Institute of Standards and Technology. - A.N.S.I., MC – 96, American National Standards Institute - A.S.T.M., E230, American Society for Testing Materials - DIN 43710, Deutsches Institut für Normung - DIN 43760, Deutsches Institut für Normung - DIN EN 60 584, Deutsches Institut für Normung - DIN EN 60 751, Deutsches Institut für Normung - BS – 4937, British Standards - NF E – 18 – 001, Norme Française - JIS C 1602, Japanese Industry Standards - IEC 584, International Electrotechnical Commission

NOTA: varias de las obras citadas se encuentran en la BIBLIOTECA AADECA . La misma puede ser consultada en el horario de 10 a 17 horas, de

lunes a viernes, en nuestra Sede, Av. Callao 220 piso 7.Ud puede consultar el catálogo de nuestras existencias en biblioteca, en el web site de AADECA: www.aadeca.org.

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