INSTRUMENTACION INDUSTRIAL

Curso de Instrumentacin Electrnica Escuela de Ingeniera ElctricaProfa. Miriam Borjas Gil

MEDICIN DE TEMPERATURAEn los procesos industriales la medida de temperatura representa una de las variables ms importantes para el control de sus operaciones.

INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL1MEDICIN DE TEMPERATURALa temperatura es una de las variables mas comnmente medida en los procesos industriales y es una de las ms importantes.

La medicin de esta variable esta influenciada por el tiempo de respuesta, siendo esta variable una de las mas lentas.

MEDICIN DE TEMPERATURA

La temperatura es un factor de medida engaoso debido a su simplicidad. Se toma como un simple nmero, pero en realidad es una estructura estadstica cuya exactitud y repetitividad pueden verse afectadas por la masa trmica, el tiempo de medida, el ruido elctrico y los algoritmos de medida. MEDICIN DE TEMPERATURALa temperatura es difcil de medir con exactitud an en circunstancias ptimas, y en las condiciones de prueba en entornos reales es an ms difcil.

Entendiendo las ventajas y los inconvenientes de los diversos enfoques que existen para medir la temperatura, resultar ms fcil evitar los problemas y obtener mejores resultados.

MEDICIN DE TEMPERATURABimetlicos:Los sensores de temperatura mecnicos mas sencillos y utilizados son los denominados Bimetlicos.

MEDICIN DE TEMPERATURABimetlicos:

Son elementos constituidos por dos metales con distinto coeficiente de dilatacin trmica unidos firmemente. Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma segn un arco circular uniforme. Los metales pueden ser latn, monel o acero, y una aleacin de ferroniquel laminados conjuntamente. MEDICIN DE TEMPERATURALos sensores de temperatura, de tipo elctrico, utilizan diversos fenmenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales se encuentran:

Variacin de resistencia de un semiconductor (termistores)

f.e.m. creada en la unin de dos metales distintos (termopares) Variacin de resistencia en un conductor (sondas de resistencia)

Intensidad de la radiacin total emitida por el cuerpo (pirmetros de radiacin).

Otros fenmenos utilizados: velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc. MEDICIN DE TEMPERATURATermistores:Cuando se usan xidos metlicos para la medicin de temperatura, el material de oxido metlicos es conformado en forma que se asemejan a pequeos bulbos o pequeos capacitores. El dispositivo formado as se llama Termistor.

MEDICIN DE TEMPERATURALos termistores tienen coeficientes de temperatura negativos grandes que no son constantes . El cambio de resistencia por unidad de cambio de temperatura es mucho mayor que para el metal puro, pero el cambio es en la otra direccin: la resistencia disminuye a medida que se aumenta la temperatura. El hecho de que el coeficiente no sea constante significa que el cambio en la resistencia por unidad de cambio de temperatura es diferentes a diferentes temperaturas.

MEDICIN DE TEMPERATURATermistores:

La relacin resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresin anterior, dondeRt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta TtRo = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia ToB = constante dentro de un intervalo moderado de temperatura

MEDICIN DE TEMPERATURA TERMISTORES

Caractersticas ms comunes de los Termistores NTC (Negative Termal Coefficient) y circuito de linealizacin.MEDICIN DE TEMPERATURA TERMISTORESLos termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia.

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 medida debe ser baja para garantizar que la variacin de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperaturas del proceso.

MEDICIN DE TEMPERATURA TERMISTORES

Ventajas del Termistor

Alto rendimiento Son exactos.Son pequeos.Poseen grandes coeficientes de temperaturas.Desventajas del Termistor

Posee caractersticas no lineales.Posee rango limitado para mediciones.Son frgiles.Requieren fuente de poder.Son autocalentables. Los termistores son preferibles cuando la banda de temperaturas esperada es angosta, pues dan una gran respuesta a un cambio de temperatura pequeo.MEDICIN DE TEMPERATURATermocuplas o termopares:El termopar se basa en el efecto descubierto por Seedek en 1821, de la circulacin de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones ( unin de medida caliente y unin de referencia o fra ) se mantienen a distinta temperatura.

La circulacin de corriente obedece a dos efectos termoelctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberacin o absorcin de calor en la unin de dos metales distintos cuando una corriente circula a travs de la unin y el efecto Thomson que consiste en la liberacin o absorcin de calor cuando una corriente circula a travs de un metal homogneo en el que existe un gradiente de temperaturas.

MEDICIN DE TEMPERATURA TERMOPARES

Efecto Seebeck en un termopar. Aparicin de una corrienteEfecto Seebeck en un termopar Aparicin de una diferencia de potencialMEDICIN DE TEMPERATURA TERMOPARESEfecto PeltierFue descubierto por Jean C.A. Peltier, en 1834, y consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unin entre dos metales distintos (interface isotrmico) al pasar corriente por ella. Al invertir la corriente, se invierte tambin el sentido del flujo del calor.Este efecto es reversible e independiente de las dimensiones del conductor. Depende solo del tipo de metal y de la temperatura de la unin.

MEDICIN DE TEMPERATURA

Dentro de las caractersticas del efecto Peltier tenemos:

El calor intercambiado por unidad de superficie de la unin es proporcional a la corriente y no a su cuadrado, notndose aqu su mayor diferencia con el efecto Joule.

El efecto Peltier es independiente del origen de la corriente. En este caso la junturas podran alcanzar temperaturas diferentes a las que se pretenden medir, debido a corrientes de origen termoelctrico.

MEDICIN DE TEMPERATURAEfecto Thompson

Descubierto por William Thompson en 1856, consiste en la absorcin o liberacin de calor por parte de un conductor homogneo sometido a un gradiente de temperatura por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia de signo al cambiar la direccin de la corriente, liberndose calor cuando la corriente circula del punto ms caliente hacia el ms fro.

TERMOPARESUn termopar se compone de dos hilos de diferentes metales unidos en un extremo y abiertos en el otro. La tensin que pasa por el extremo abierto es una funcin tanto de la temperatura de la unin como de los metales utilizados en los dos hilos. Todos los pares de metales distintos presentan esta tensin, denominada tensin de Seebeck en honor a su descubridor.

En pequeas gamas de temperaturas, los coeficientes de Seebeck, de los dos hilos, son constantes y la tensin de Seebeck es, por consiguiente, proporcional. Pero en gamas ms grandes, el propio coeficiente de Seebeck es una funcin de la temperatura, convirtiendo la tensin de Seebeck en no lineal. Como consecuencia, las tensiones del termopar tambin tienden a ser no lineales. MEDICIN DE TEMPERATURA

Los termopares se utilizan extensamente, ya que ofrecen una gama de temperaturas mucho ms amplia y una construccin ms robusta que otros tipos. No precisan alimentacin de ningn tipo y su reducido precio los convierte en una opcin muy atractiva para grandes sistemas de adquisicin de datos.

TERMOPARESMEDICIN DE TEMPERATURAMateriales de un termopar:

Tipo J unin hierro-constantan,-40C a 750C

Tipo K unin cromel-alumell, -40C a 950C. Tipo E unin cromel-constantan -40C a 800C

Tipo T unin cobre-constantan -40C a 350C TERMOPARESMEDICIN DE TEMPERATURA

TERMOPARESMEDICIN DE TEMPERATURA

TERMOPARESMEDICIN DE TEMPERATURAVentajas:

Pueden ser usados para medir altas temperaturas.Reaccionan rpidamente por variaciones en la temperatura a medir.Generan su propia tensin.Son de bajo costo.Rango de temperatura amplia.Sus medidas son confiables an cuando sus alambres estn gastados.

Desventajas:

Baja sensibilidad y exactitud.Necesitan unin de referencia.El ruido genera errores No lineales

MEDICIN DE TEMPERATURASon detectores de Temperatura basados en la variacin de una resistencia elctrica; suelen designarse con las reglas, RTD (Resistance Temperature Detector) o PRT (Platinium Resistance Thermometer) cuando el material empleado en su fabricacin es el Pt. SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)

MEDICIN DE TEMPERATURALa medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las caractersticas de resistencia en funcin de la temperatura que son propias del elemento de deteccin. SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)

MEDICIN DE TEMPERATURAEl elemento de deteccin 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 cermica.

El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado "coeficiente de temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada, la variacin de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)

MEDICIN DE TEMPERATURALa relacin entre estos factores puede verse en la expresin lineal siguiente:

Rt = Ro (1 + a t)

En la que:Ro = Resistencia en ohmios a 0C.Rt = Resistencia en ohmios t C.a = Coeficiente de temperatura de la resistencia. SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)

MEDICIN DE TEMPERATURAEl detector de temperatura de resistencia (RTD) se basa en el principio segn el cual la resistencia de todos los metales depende de la temperatura. La eleccin del platino en los RTD de la mxima calidad, permite realizar medidas ms exactas y estables hasta una temperatura de aproximadamente 500 C.Los RTD ms econmicos utilizan nquel o aleaciones de nquel, pero no son tan estables ni lineales como los que emplean platino. SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)

MEDICIN DE TEMPERATURA SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)

Tabla con los diferentes materiales de construccion de las RTD y sus rangos de temperaturas.

MEDICIN DE TEMPERATURA SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD) La grfica muestra la respuesta de la resistencia de la RTD con la temperatura y la comparacin respecto a un termopar tipo S.

MEDICIN DE TEMPERATURA En cuanto a las desventajas, el platino encarece los RTD, y otro inconveniente es el autocalentamiento.

Para medir la resistencia hay que aplicar una corriente, que, por supuesto, produce una cantidad de calor que distorsiona los resultados de la medida.

Una tercera desventaja, que afecta al uso de este dispositivo para medir la temperatura, es la resistencia de los RTD. Al ser tan baja, la resistencia de los hilos conductores que conectan el RTD puede provocar errores importantes. SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)

MEDICIN DE TEMPERATURALa piroelectricidad es el cambio en la polarizacin de un material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenmenos se observa en materiales dielctricos que contienen polarizaciones espontneas producidas por dipolos orientados.

SENSORES PIROELCTRICOS

MEDICIN DE TEMPERATURALos Polmeros son materiales artificiales o sintticos que constituyen una rama especial de la qumica orgnica. Se pueden encontrar en el mercado gran variedad de productos funcionales y econmicos fabricados con Polmeros. El monmero (en un polmero) es una molcula individual de hidrocarburo, como por ejemplo el etileno (C2H4). Los polmeros son molculas de cadena larga formadas por muchos monmeros unidos entre s. El polmero comercial mas comn es el polietileno.

SENSORES PIROELCTRICOS

MEDICIN DE TEMPERATURAMuchos Polmeros importantes (como el Polietileno) son simplemente compuestos de Carbono e Hidrgeno. Otros tienen oxigeno (los acrlicos), nitrgeno (los Nilones), fluor (plsticos fluorados), o silicio (las siliconas)El efecto Piroelctrico se aplica para la deteccin de radiacin trmica a temperatura ambiente. Para esto se utilizan 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. SENSORES PIROELCTRICOS

MEDICIN DE TEMPERATURA

SENSORES PIROELCTRICOS Principio de funcionamiento de un sensor piro elctricoMEDICIN DE TEMPERATURAPirmetro de radiacin:

Los pirmetros de radiacin se fundamentan en la ley de Stefan Boltzman, estableciendo que la intensidad de la energa radiante por unidad de superficie emitida por un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta(kelvin) del cuerpo. Es decir W = E . T*4, donde W= energa radiante, E= energa por unidad de superficie(j/s),T*4= temperatura a la cuarta potencia (temperatura absoluta kelvin).

MEDICIN DE TEMPERATURALos sensores piro elctricos cuentan con una respuesta ms rpida que los termopares, emplendose incluso para la deteccin de pulsos de radiacin de picosegundos y con energas desde los nanojulios hasta julios. Las aplicaciones ms comunes de estos sensores son:

Pirmetros (medida de temperatura a distancia en hornos, de vidrio o metal fundido)

Deteccin de prdidas de calor en oficinas, residencias o edificios. Medidas de potencia generadas por una fuente de radiacin.

Analizadores de IR (radiaciones infrarrojas) Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiacin

Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para deteccin de intrusos y de presencia en sistemas de encendido automtico de iluminacin o calefaccin de viviendas, apertura de puertas, etc.

GRACIAS POR SU ATENCION

Bibliografa:Instrumentacin industrial A.CREUS