INSTRUMENTACIÓN

Nombre:

Andrés Jinéz

Paralelo:

4TD

Docente:Ing. Raúl Baldeón

Fecha:

Viernes 04 de junio del 2015

QUITO-ECUADOR

Resumen

(Creus)

1. Capítulo 6MEDIDA DE TEMPREATURA

Temperatura: Magnitud física que indica la intensidad de calor o frío de un cuerpo.Calor: Es la transferencia de energía que se da entre cuerpos por una diferencia de temperatura. Este tipo de medida constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicación por la precisión, por la velocidad de captación de la temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios.Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran:

a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos b) Variación de resistencia de un conductor c) Variación de resistencia de un semiconductor d) f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo f) Otros fenómenos utilizados en laboratorio

Instrumentos de temperatura con sus intervalos de medida

De este modo se emplean los siguientes instrumentos:

1.1. Termómetro de vidrioConsta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar.Los márgenes de trabajo de los fluidos utilizados son:

Mercurio -35 hasta +280 ºCMercurio (tubo capilar lleno de gas) -35 hasta +450 ºCPentano -200 hasta +20ºCAlcohol -110 hasta 50ºCTolueno -70 hasta +100ºC

1.2. Termómetro bimetálico Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.La precisión del instrumento es de ± 1 % y su campo de medida de - 200 a + 500º C.

1.3. Termómetro de bulbo y capilar Consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.Existen tres tipos:- Clase I, Termómetro actuados por líquidos: Tienen

el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. El volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición.

- Clase II, Termómetros actuados por vapor: Contienen un líquido volátil y se basan en el principio de presión de vapor. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala.

- Clase III, Termómetros actuados por gas: Están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta proporcionalmente y por lo tanto estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende principalmente de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición.

- Clase IV, Termómetros actuados por mercurio: Son similares a los termómetros actuados por líquidos. Pueden tener compensación en la caja y compensación total

1.4. Termómetros de resistencias

Depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura.Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características:1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia.2. Alta resistividad 3. Relación lineal de resistencia- temperatura4. Rigidez y ductibilidad5. Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Características de sondas de resistencia

La variación de resistencia de las sondas es medida con un puente de Wheatstone dispuesto en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos.

En el montaje de dos hilos la sonda de resistencia se conecta a uno de los brazos del puente y se varía Ra hasta que se anula la desviación del galvanómetro. En este instante, se cumple la ecuación:

R 1R 3

=R 2X

El montaje de tres hilos es el más utilizado en la práctica. En este circuito la sonda está conectada mediante tres hilos al puente. De este modo, la medida no es afectada por la longitud de los conductores ni por la temperatura, ya que ésta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente. Su ecuación es:

R1

R3+Ka= R 2

X+Kb El montaje de cuatro hilos se utiliza para obtener la mayor precisión posible en la

medida, como es el caso de calibración de patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de modo tal que la sonda pase de un brazo del puente al adyacente.

1.5. Termistores Son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas y extremadamente grandes

para los cambios relativamente pequeños en la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados.La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión:

Rt = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta TtR0 = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia Toβ = Constante dentro de un intervalo moderado de temperaturasEn la siguiente ilustración, pueden verse las curvas características de dos tipos de materiales de termistores en comparación con la del platino.

Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición, la compensación y el control de temperatura, y como medidores de temperatura diferencial.

1.6. Termopares 1.6.1. Leyes, curvas y tablas características, tubos de protección y su selección El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck, de la circulación de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones (unión de medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura. Esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados:- El efecto Peltier: Que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos

metales distintos cuando una corriente circula a través de la unión.- El efecto Thomson: Que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una

corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.

Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:1. Ley del circuito homogéneo.2. Ley de los metales intermedios.3. Ley de las temperaturas sucesivas.

Termopar tipo E, de cromel-constantán puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m. más alta por variación de temperatura, y puede usarse para las temperaturas entre - 200 a +900ºC.

El termopar tipo T, de cobre-constantán, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condensación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductoras. Se prefiere generalmente para las medidas de temperatura entre - 200 a +260ºC.

El termopar tipo J, de hierro-constantán, es adecuado en atmósferas con escaso oxígeno libre. La oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550ºC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura límite de 7500 C.

El termopar tipo K, de cromel-alumel, se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 12500 C. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que esté protegido con un tubo de protección.

Los termopares tipo R, S Y E de Pt-Pt/Rh se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo hasta 1500° C. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco.

Características de Termopares

Designación de los termoelementos y su composición química

El termopar es susceptible al ruido eléctrico industrial debido a que durante su funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50 m V y se encuentra en un entorno donde las grandes máquinas eléctricas pueden crear cientos de milivoltios en el cable de conexión. Por otro lado, el termopar, trabajando como una antena, puede recoger radiación electromagnética de radio, TV y microondas. De aquí que se requiera que los cables de conexión estén torcidos y dentro de una funda metálica que se pone a tierra, que la unión de medida esté puesta a tierra, y que el amplificador tenga una buena relación señal/ruido.

Guía para selección de tubos y vainas de protección.

1.6.2. Circuito galvanométrico

Se basa en la desviación de una bobina móvil situada entre dos polos de un imán permanente al pasar a su través la corriente del elemento primario. El paso de esta corriente produce un campo magnético que se opone al del imán permanente. En la construcción del galvanómetro tienen importancia los siguientes puntos:

1. El buen estado de los rodamientos de zafiro, para que el par de fricción sea el menor posible.

2. Los resortes de suspensión del galvanómetro deben poseer una histéresis elástica mínima para que el error de histéresis del instrumento se mantenga bajo.

3. Las variaciones de temperatura pueden influir en la resistencia eléctrica del circuito y para anularlas se utiliza una resistencia de coeficiente de temperatura negativo (NTC).

4. Cuando el elemento de actuación es un termopar, es necesario compensar las variaciones de temperatura en la unión fría, y para ello se emplea una espiral bimetálica.

5. En el caso de los pirómetros de radiación, el instrumento dispone también de un reóstato de calibración, para ajustarlo al coeficiente de emisión del cuerpo enfocado.

1.6.3. Circuito potenciométrico

Consta de una fuente de tensión constante V que alimenta los dos brazos del circuito con corrientes I1 e I2, este método es poco práctico, y se incorpora al circuito un dispositivo de autoequilibrio que sustituye al miliamperímetro por un amplificador. El circuito autoequilibrado consta de los siguientes elementos:1. Transductor formado por un convertidor y un transformador de entrada, que convierte

la señal de error de corriente continua a corriente pulsatoria, apta para ser amplificada.2. Amplificador de tensión 3. Amplificador de potencia, proporciona una señal con potencia suficiente para actuar

sobre el motor.4. El motor de equilibrio, que es un motor de inducción reversible y mueve el cursor del

reóstato, y actúa mientras exista una señal de desequilibrio entre la f.e.m. del termopar y la posición del cursor del reóstato.

Estos circuitos son afectados por las corrientes parásitas alternas. Algunas de las causas de la aparición de corrientes parásitas en el instrumento son:

Instalación paralela de los hilos de medida y de los cables de alimentación de un transformador.

Señal de corriente alterna del secundario del transformador de alimentación del instrumento que ha sido mal rectificada sin un buen filtraje.

Contacto mecánico o acoplamiento de la punta del termopar con la vaina que por algún defecto está a una tensión mayor que la de masa.

Cables de compensación de gran longitud que por su inductancia y capacidad propias son más susceptibles de captar corrientes parásitas.

1.6.4. Comparación entre circuitos galvanométricos y potenciométricos En esta tabla se puede ver una comparación entre los circuitos galvanométricos y potenciométricos para la medida de temperaturas mediante termopar.

1.6.5. Verificación de instrumento y de un termoparDos casos pueden presentarse en la medida de temperaturas con termopares: la comprobación de un instrumento galvanométrico o potenciométrico y la verificación de la f.e.m. de un termopar.

a) Comprobación de un instrumento galvanométrico o potenciométrico con compensación de temperatura ambiente.

En este caso interesará simular con un potenciómetro la f.e.m. conveniente para que el instrumento marque varias divisiones en la escala, y colocar sobre la caja un termómetro de mercurio que nos dé la temperatura ambiente.b) Verificación de la f.e.m. de un termopar. El potenciómetro está conectado a los bornes del termopar y se dispone de un instrumento patrón (conectado a un termopar patrón), que mide la temperatura real t del proceso.

1.7. Pirómetros de radiación Se fundan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante (en J /s por unidad de área) emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo, es decir, W = Et4.

Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0,1 micra para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas.Puede observarse que la radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0,45 micras para el valor violeta hasta 0,70 micras para el rojo. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que éste emite, se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total.

1.7.1. Pirómetros ópticos Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos:

De corriente variable en la lámpara De corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la imagen de la fuente

Los pirómetros ópticos automáticos consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un fototubo multiplicador. Éste envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara estándar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara. Algunos modelos tienen una precisión de ± 0,5 %. Un juego de lentes parecido al de una cámara fotográfica permite efectuar la lectura de objetos tan pequeños como de 0,4 mm.

1.7.2. Pirómetros de infrarrojosCapta la radiación espectral del infrarrojo, invisible alojo humano, y puede medir temperaturas menores de 700 ºC, supliendo al pirómetro óptico que sólo puede trabajar eficazmente a temperaturas superiores a 700 ºC, donde la radiación visible emitida es significativa.

1.7.3. Pirómetro fotoeléctrico El pirómetro fotoeléctrico, al tener un detector fotoeléctrico, es mucho más rápido que los sensores térmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico. La señal de salida depende de la temperatura instantánea del volumen del detector, por lo que evita los retardos inherentes al aumento de la temperatura de la masa del detector que existen en los otros modelos de pirómetros.El detector genera una tensión proporcional al cubo de la temperatura V=KT3

1.7.4. Pirómetros de radiación total El pirómetro de radiación total está formado por una lente de pyrex, sílice o fiuoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente y la unión fría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente.El pirómetro puede disponer de los siguientes accesorios: Lente posterior para enfocar correctamente la radiación en la termopila.

Dispositivo de refrigeración por aire que protege la lente contra un calentamiento excesivo y, al mismo tiempo, la mantiene limpia de los gases o vapores que pueden estar en contacto con el tubo de mira.

- Dispositivo de refrigeración por agua: Este accesorio impide que el cuerpo del pirómetro se caliente excesivamente por conducción a lo largo del tubo de mira, o por radiación de otras fuentes.

- Dispositivo automático de seguridad: Para aislar la lente del proceso y proteger el pirómetro en el caso de que una llama lo alcance directamente.

- Tubos de mira con extremo abierto: Se utiliza para proteger la lente, o bien para impedir la llegada de radiaciones de otras fuentes extrañas a las que se está apuntando.

- Tubos de mira con extremo cerrado: Se emplean en hornos con atmósfera a presión, o con gases particularmente agresivos y en las medidas de temperatura de metales fundidos en los que el tubo de mira debe estar sumergido.

Los tubos pueden ser:

Algunos aspectos de la aplicación de los pirómetros de radiación:- Cuerpo opaco: Emite a una temperatura dada una cantidad de energía de radiación que

depende del material y de la forma de la superficie. La medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante recibe el nombre de coeficiente de emisión o emisividad.

- Cuerpo negro: Posee una emisividad igual a la unidad y emite la máxima energía radiante. Los cuerpos cuyo coeficiente de emisión es menor que la unidad se conocen como cuerpos opacos. Si la emisividad del cuerpo es conocida, el instrumento receptor lleva acoplado un pequeño reóstato de ajuste que permite ajustar directamente la lectura a la temperatura exacta del cuerpo caliente.

Coeficientes de emisión de sustancias diversas

La determinación de las temperaturas verdaderas con un pirómetro de radiación puede efectuarse aplicando uno de los dos métodos siguientes:

- Corrección empleando las tablas de coeficientes de emisión.

- Corrección empleando las tablas de coeficientes de emisión, la fórmula f.e.m. equivalente

= f.e.m. observada/emisividad, y la tabla de f.e.m.

En muchos procesos las condiciones de trabajo son repetitivas; de este modo aunque se desconozcan la emisividad o se presenten radiaciones parásitas o el cuerpo sea transparente se controlará el proceso en condiciones idénticas, es decir, a iguales indicaciones del instrumento.

Aplicación de los pirómetros de radiación

El modelo pirómetro de relación, o de dos colores, que divide la radiación del objeto en dos haces medidos por dos células fotoeléctricas de silicio similares, una de ellas dispone de un filtro que sólo deja pasar la radiación de longitud de onda más corta (0,65 micras) y la otra en la zona de 0,9 micras. La relación entre las dos corrientes de salida de la célula es una medida de la temperatura del objeto. Su empleo es excelente en los llamados cuerpos grises, es decir, aquellos cuyo coeficiente de emisión es constante para todas las longitudes de onda. Por otro lado, este pirómetro permite medir a través de atmósfera de humos, vapor y polvo ya que, por su principio de funcionamiento, la lectura es teóricamente independiente de la absorción de la atmósfera intermedia.Otros métodos de medida de temperatura utilizan instrumentos y técnicas muy elaboradas.

Sensor de temperaturas de fibra óptica: Consiste en una fibra óptica que conduce la radiación captada por un cristal de óxido de aluminio que actúa como un cuerpo negro. La fibra óptica, con una longitud máxima de 100 m, tiene una lente en su extremo que enfoca la radiación sobre un detector (diodo fotoeléctrico de silicio) que mediante un amplificador genera una corriente proporcional a la intensidad de la radiación.

Un termómetro ultrasónico: Puede medir temperaturas dentro del intervalo de 2-20 K con una gran precisión. Su funcionamiento está basado en la determinación de la velocidad del sonido en el gas helio. Esta velocidad es casi proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta.

El termómetro de cristal de cuarzo: Mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo en contacto con el cuerpo cuya temperatura desea medirse, mediante un contador que utiliza como reloj de referencia la señal de un oscilador a temperatura controlada. Su margen de trabajo es de -80 a +250° C. y su precisión es muy elevada de ± 0,075° C.

1.8. Velocidad de respuesta a los instrumentos de temperaturaLa constante de tiempo de un instrumento es el tiempo necesario para que alcance el 63,2 % de la variación total de temperatura que experimenta. Es decir, si un instrumento cuya sonda o elemento primario pasa de un recinto de 70° C a otro de 270° C puede alcanzar el 63,2 % de la diferencia 270-70 = 200° C en 0,1 segundo; este tiempo será la constante de tiempo de la medida con el instrumento.

La constante de tiempo de un sistema de bulbo y capilar dependerá de la longitud y del diámetro interno del tubo capilar y del volumen del elemento receptor.

- Los termómetros de bulbo y capilar rellenos de mercurio y de líquido tienen una respuesta muy rápida por la incompresibilidad del fluido que los llena.

- Los termómetros de gas y de vapor tienen un retardo más acusado a causa de la compresibilidad del fluido interno.

Los elementos primarios eléctricos, sondas de resistencia, termistores, termopares y pirómetros de radiación se caracterizan porque el tiempo de respuesta depende únicamente del intercambio térmico entre el fluido y el elemento, ya que la corriente eléctrica circula por los cables de conexión a la velocidad de la luz, directamente al receptor.

En la sonda de resistencia: La masa a calentar está formada por una bobina de hilo arrollada en un núcleo y embebida en una cápsula rígida.

Los termistores: Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta varía de fracciones de segundo a minutos, de acuerdo con su capacidad térmica dada por el tamaño y forma del elemento sensible.

Termopar: Dos hilos soldados en un extremo constituyen la masa a calentar, la que depende de la galga o diámetro de los hilos y de la forma de la soldadura, hilo torcido o soldado a tope.

El pirómetro de radiación: Responde rápidamente a los cambios en la temperatura por dos razones principales: la captación de energía radiante es prácticamente instantánea y la masa de la termopila es muy pequeña.

Instalación de una vaina o tubo de protección

2. BIBLIOGRAFÍA

- ANTONIO CREUS, Instrumentación Industrial, novena edición Alfaomega Grupo Editor, México. Noviembre 2011