medición de la presión y la temperatura

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIALMEDICIÓN DE LAS PRINCIPALES MAGNITUDES

PRESENTES EN LA INDUSTRIA: PRESIÓN Y TEMPERATURA

Jorge Luis JaramilloPIET EET UTPL septiembre 2011

Medición de las principales magnitudes presentes en la industria

•Medición de presión•Medición de temperatura•Análisis y discusión.


•Medición de la presión.

Medición de la presión

La presión es una magnitud definida como la fuerza por unidad de área, ejercida por un fluido, un líquido, o un gas, sobre cualquier superficie.

Típicamente se realizan tres tipos de medición de presión: presión absoluta, presión relativa, y, presión diferencial.

La presión absoluta, es la presión tal y como fue definida. Representa la diferencia de presión entre el punto de medición y el vacío perfecto donde la presión es cero. La presión relativa es la diferencia de presión, entre el punto de medida y el ambiente.

La presión diferencial es la diferencia de presión entre dos puntos, uno de los cuales funciona como referencia.

Se conoce como presión atmosférica a la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro.

Se conoce como vacío a la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica

Definición de presión


Definición de presión


Unidades de presión

KPa, KiloPascalpsi, libra de fuerza por pulgada cuadrada (psia para presión absoluta, psig para presión relativa, y, asid para presión diferencial).in H2O, pulgada de agua a 4 °C

cm H20, centímetro de agua a 4 °C

in Hg, pulgada de mercurio a 0 °Cmm Hg, milímetro de mercurio a 0 °Cmbar, milibar


Principio de medición de la presión

Dado que la presión es definida como la fuerza por unidad de área, la manera más directa de medirla es aislarla sobre un área dada, en un elemento mecánico elástico. La deformación del elemento sensor por causa de la fuerza ejercida, produce desplazamientos y tensiones que pueden ser detectadas, para obtener una medida calibrada de la presión.

En la práctica, los sensores de presión contienen dos elementos. El primero, proporciona un medio para aislar la presión de dos fluidos: una que será medida y otra que se usará como referencia. El segundo, aporta una porción elástica que permite convertir la diferencia de presión en deformación del elemento sensor.


Instrumentos de medición de la presión

Los instrumentos de medición de la presión se clasifican en dos grupos:• instrumentos mecánicos• instrumentos electromecánicos • instrumentos neumáticos• Instrumentos electrónicos



Los instrumentos mecánicos son de dos tipos: • primarios de medida directa, y, • primarios elásticos

Los instrumentos mecánicos primarios de medida directa, se clasifican en:• manómetro de presión absoluta• manómetro de tubo en U• manómetro de pozo• manómetro de tubo inclinado• manómetro tipo campana

Los instrumentos primarios elásticos se clasifican en:• diafragma, • fuelle, y, • tubo de Bourdon.



Los instrumentos electromecánicos de medición de la presión, se clasifican en:• transmisores electrónicos de equilibro de fuerza• transductores de presión resistivos• transductores de presión capacitivos• transductores de presión magnéticos• transductores de presión piezoeléctricos

Los instrumentos neumáticos de medición de presión, utilizan elementos mecánicos con desplazamiento de gases.

Los instrumentos electrónicos de medición de la presión, se clasifican en:• mecánicos• medidor McLeod• térmicos• de ionización



El método de detección en los sensores de presión, esta relacionado con la búsqueda de un procedimiento que convierta la deformación del elemento sensor en una lectura de presión:

• amplificar la deformación mecánicamente, y, adosar un indicador sobre una escala graduada.

• emplear un tubo de Bourdon que actua sobre una resistencia variable (potenciómetro).

• utilizar el desplazamiento del tubo de Bourdon, para mover un núcleo magnético dentro de una bobina y variar su inductancia.

• convertir la tensión asociada a la deformación del elemento sensor piezoeléctrico en electricidad, utilizando un cristal piezoeléctrico.


Manómetros


Diafragmas

En este tipo de sensores, el dispositivo elástico es una membrana ondulada.

El fluido es dirigido de tal manera que, entre en contacto con la superficie constituida por la membrana, la cual traduce la presión de éste en un movimiento cuyo desplazamiento es proporcional a la magnitud de la presión.


Fuelles

Los sensores tipo fuelle fueron desarrollados para medir presiones muy bajas.

Estos sensores son los más exactos cuando se miden presiones entre los 0,5 y 75 psig, y, combinados con resortes apropiados, son capaces de medir presiones sobre los 1.000 psig.


Tubos de Bourdon

El sensor tipo tubo de Bourdon es uno de los instrumentos más antiguos para la medición de altas presiones.

El tubo de Bourdon es un tubo de paredes delgadas, curvado o torcido a lo largo, que presenta una sección transversal ovalada. El tubo está sellado en un de sus extremos, y, tiende a enrollarse o desenrollarse cuando es sometido a una presión en su interior.

Debido a que el tubo está firmemente fijado en uno de sus extremos, la otra punta del tubo traza un movimiento curvo que resulta en un cambio de la posición angular con respecto al centro. El movimiento de la punta puede ser usado para desplazar un indicador o para ser convertido en una señal eléctrica equivalente


Transductores de presión capacitivos

Son instrumentos para medir presión de alta exactitud (menos de 0,1%) y de amplio rango de medición.

Como elemento sensor, se utiliza un diafragma móvil de metal o silicio, que constituye uno de los electrodos de un condensador. El otro electrodo, estacionario, está típicamente construido a partir de una capa de metal sobre un substrato cerámico o de vidrio.

Cuando se aplica una presión, el diafragma se mueve, cambiando el espacio entre los electrodos, y, variando la capacitancia.

En el diseño capacitivo diferencial, el diafragma sensor está colocado en el medio de dos electrodos estacionarios. Al aplicarse una presión, una de las capacitancias disminuye ,mientras que la otra aumenta.


Transductores de presión capacitivos


Transductores de presión piezoresistivos

Los transductores de presión piezoresistivos son los más usados actualmente para detectar bajas presiones, y, permiten obtener elevados factores de sobrecarga.

El efecto piezoresistivo se refiere al cambia en la resistencia eléctrica que sufre un material cuando es sometido a presión o tensión.

Un sensor piezoresistivo está en contacto con un fluido hidráulico de protección, y, separado del medio por una membrana de acero inoxidable. La flexión de la membrana como resultado de la presión externa, produce un cambio en la presión del fluido hidráulico que rodea el sensor piezoresistivo. Este sensor emite una señal de presión proporcional, que se convierte en una señal de salida de corriente.


Transductores de presión piezoresistivos


Transductores de presión on microchips de silicio

Los transductores de presión a base de microchips de silicio se refieren a una clase de sensores de presión que emplean técnicas de circuitos integrados para construir elementos sensores de diafragma en un chip de silicio.

Las galgas de tensión hechas de resistencias difuminadas de silicio están típicamente integradas a diafragmas que convierten la deflexión inducida en una variación de la resistencia eléctrica.


Transductores de presión on microchips de silicio


Características de los instrumentos de medición de presión


•Medición de la temperatura.

Medición de la temperatura

Definición de temperatura

En física, la temperatura se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

La temperatura está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones.

Mientras mayor sea la energía sensible de un sistema, éste se encuentra más "caliente“, es decir, su temperatura es mayor.

La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse.



La temperatura es una propiedad física que se refiere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor.

Al contrario de otras cantidades termodinámicas, como el calor o la entropía, cuyas definiciones microscópicas son válidas muy lejos del equilibrio térmico, la temperatura al ser definida como un promedio, sólo puede ser medida en el equilibrio.

La temperatura está íntimamente relacionada con la energía interna y con la entalpía (cantidad de energía que el sistema puede intercambiar con el entorno) de un sistema: a mayor temperatura mayores serán la energía interna y la entalpía del sistema.

La temperatura es una magnitud intensiva, es decir que no depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este compuesto.



Se llama temperatura seca del aire (de un entorno) a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiación calorífica de los objetos en el ambiente, de los efectos de la humedad relativa, y, del movimiento del aire.

Se llama temperatura radiante a la temperatura media considerando el calor emitido por la radiación de los elementos del entorno.

La temperatura de bulbo húmedo o temperatura húmeda, es la temperatura medida considerando la humedad relativa y el movimiento del aire.


Unidades de temperatura

Las escalas de medición de la temperatura, se dividen fundamentalmente en dos tipos:

• relativas, y• absolutas.

Los valores que puede adoptar la temperatura, en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero.

Como escalas relativas de temperatura, se incluyen:• escala Celsius• escala Fahrenheit• escala Réaumur• escala Leiden• escala Newton (en desuso)• escala Roemer (en desuso)• escala Delisle (en desuso)



Las escalas absolutas de temperatura, permiten determinar la temperatura de un cuerpo en forma independiente de las propiedades del mismo. Se incluyen:

• escala Kelvin (SI)• escala Rankine (en desuso)


Instrumentos para la medición de temperatura

Los transductores de temperatura más comunes son: • tubos capilares• bandas bimetálicas • termopares • detectores de temperatura resistivos (RTD) • termistores • sensores de semiconductor • pirómetros de radiación


Instrumentos para la medición de temperatura: tubos capilares

Los termómetros de vidrio poseen un tubo capilar de vidrio, el cual contiene un fluido, cuyo cuerpo se dilata por acción de calor, expandiéndose a través del tubo capilar graduado, para medir la temperatura en las unidades señaladas por el termómetro.

Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

• mercurio: desde -35 °C hasta 280 °C

• pentano: desde -200 °C hasta 20 °C

• alcohol: desde -110 °C hasta 50 °C

• tolueno: desde -70 °C hasta 100 °C


Instrumentos para la medición de temperatura: bandas bimetálicas

Las bandas bimetálicas se aplican en el rango de -2.3 °C y 285 °C. Una banda bimetálica se construye de la unión de dos cintas de metales diferentes.

Debido a que los metales fueron seleccionados con diferentes coeficientes de expansión térmica, el calentamiento de la banda origina una mayor expansión longitudinal en una de las cintas. Como las cintas están soldadas a lo largo de toda su extensión, toda la banda se doblará en la dirección del metal que se expande menos, proporcionalmente al cambio de temperatura.

Con un extremo de la banda sujeto firmemente, y, el otro libre, la magnitud del doblamiento se puede emplear para indicar el cambio de temperatura, uniendo un transductor de posición al extremo libre.

Las bandas bimetálicas también pueden ser empleados como interruptores.


Instrumentos para la medición de temperatura: termopares

Un termopar (termocupla) es un circuito formado por dos cables de distinto metal, unidos en ambos extremos, que de acuerdo a la teoría del gradiente, desarrolla un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas entre las dos uniones, denominadas juntura de medición y juntura de referencia.


Instrumentos para la medición de temperatura: termopares

Los termopares están clasificados de acuerdo a ANSI (American National Standards Institute), tomando en cuenta la respuesta de voltaje versus la temperatura, el desempeño en el medio ambiente, y, la vida útil.


Instrumentos para la medición de temperatura: RTD

En los metales puros, la relación entre la resistencia eléctrica y la temperatura es lineal:

En dónde:

R 0, es la resistencia a la temperatura de referencia T0

ΔT, es la desviación de temperatura respecto a T0 (ΔT = T − T0)

α , es el coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 °C

Para un valor α lo suficientemente grande y constante con la temperatura, se puede construir un instrumento que permita medir la temperatura a través de la cuantificación de la corriente eléctrica que circula por un circuito. Los instrumentos diseñados para este fin, reciben el nombre de detectores resistivos de temperatura o RTD (Resistive Temperature Detector).



Los RTD se construyen como una bobina de alambre delgado (cobre, níquel, o, platino) sobre un bastidor de soporte, o, depositando una película delgada de platino sobre un substrato de cerámica.



Para detectar los cambios de resistencia de los RTD, se emplean puentes de Wheatstone, en los que el RTD ocupa el brazo de la resistencia a determinar.

Los RTD se aplican en diversas actividades industriales, y, los rangos de temperatura que puede medir dependen del material utilizado:

• Platino: -200 a 650 ºC • Cobre : -100 a 260 ºC • Níquel: -100 a 205 ºC • Película de platino: -50 a 550 °C



Ventajas • comportamiento lineal en amplio rango de operación • amplio rango de temperatura• aplicación para altas temperaturas • fácil de intercambiar (estándar) • buena estabilidad a altas temperatura • alta relación señal a ruido• buena exactitud • permite grandes distancias entre el sensor y el equipo de medición

Desventajas • la magnitud de la corriente debe ser inferior a 5 mA, para no causar un

aumento de temperatura en el RTD • baja sensibilidad • alto costo • afectado por choques y vibraciones


Instrumentos para la medición de temperatura: termistor

Un termistor es un sensor resistivo de temperatura, construido sobre un semiconductor (thermally sensitive resistor), y, que utiliza el efecto del cambio del número de portadores en función de la temperatura.

Existen dos tipos de termistores:• NTC (Negative Temperature Coefficient), coeficiente de temperatura negativo• PTC (Positive Temperature Coefficient), coeficiente de temperatura positivo

En un NTC, el aumento de temperatura trae consigo el aumento de los portadores en el semiconductor, y, la reducción de la resistencia.

A diferencia de los RTD, la relación entre la resistencia y la temperatura de un termistor NTC es hiperbólica:

En dónde:RT , es la resistencia del termistor NTC a la temperatura T (K)

R 0, es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia T0 (K)

B, es la temperatura característica del material, entre 2000 K y 5000 K


Instrumentos para la medición de temperatura: termistor

En un PTC, el aumento de temperatura trae consigo la disminución de los portadores en el semiconductor, y, el aumento de la resistencia.


Instrumentos para la medición de temperatura: sensores de semiconductores

En la industria, existen muchos dispositivos basados en la sensibilidad térmica de los semiconductores.

Los tres tipos más comunes son:• resistencias semiconductoras volumétricas• diodos, y• circuitos integrados.

Las resistencias semiconductoras volumétricas, son dispositivos semiconductores sencillos que:

• varían su resistencia con un coeficiente positivo de temperatura de 0,7% por °C.

• trabajan en un rango de temperaturas de -65 °C y 200 °C• son razonablemente lineales (±0.5%).• tienen el aspecto de resistencias de ¼ W y su resistencia nominal va

desde 10 Ω hasta 10 K Ω, con tolerancias de 1% a 20%. • son dispositivos de bajo costo• Su principal desventaja se debe a los efectos del propio

calentamiento.



En los diodos semiconductores, el principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de juntura del diodo y la temperatura del mismo.

Para los diodos de Si, este factor de proporcionalidad es de -2.2 mV/°C. El rango de temperaturas de este sensor es de -40 °C hasta 15 °C. Son muy utilizados por su bajo costo, linealidad, y, rápida respuesta.

La principal desventaja, pasa porque dos diodos del mismo tipo pueden tener diferentes valores iníciales de voltaje de juntura, por lo que es necesario la inclusión de circuitos de calibración.



En general, los transductores de temperatura basados en circuitos integrados son altamente lineales, y, su porcentaje de error puede llegar a ser de hasta 0.05% (según el rango de temperatura).

Estos sensores se agrupan en cuatro categorías principales:

• salida de voltaje (LM35 (°C) y LM34 (°K) de National Semiconductor),

• salida de corriente (AD590 de Analog Devices),• salida de resistencia (fabricados por Phillips y

Siemens), y,• salida digital (LM56 y LM75)


Instrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

El pirómetro es un instrumento capaz de medir la temperatura de un cuerpo sin necesidad de estar en contacto con él.

El término pirómetro, se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 °C.

El principio de funcionamiento del pirómetro se basa en que cualquier objeto, con una temperatura superior a los 0 K, emite radiación térmica. Esta radiación es captada y evaluada por el pirómetro.

Analizaremos tres tipos de pirómetros:• pirómetros de radiación • pirómetros ópticos• pirómetros de radiación total



Los pirómetros de radiación se basan en la ley de Stefan - Boltzman, que propone que intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del mismo:

En dónde:W, es la potencia emitida o flujo radiante por unidad de áreaS, es la constante de Stefan - Boltzman (5.67 10-8 W / m2 K4)T, es la temperatura absoluta del cuerpo.

En la industria, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las radiaciones ultravioletas (0.1μ) hasta las radiaciones infrarrojas (12μ), pasando por la radiación visible que ocupa un intervalo entre la longitud de onda para el violeta (0.45 μ) y la longitud de onda para el rojo (0.7 μ).



Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700ºC. A esas temperaturas, los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible, para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia.

El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura, desde el rojo obscuro al amarillo, y, llega casi al blanco a unos 1 300º C.

Los pirómetros ópticos utilizan el método de comparación como base de operación, contrastando la radiación emitida por la fuente (objeto cuya temperatura se mide) con la radiación emitida por un objeto de referencia.

La radiación del objeto de referencia, se varía a través de dos métodos:• variando la corriente eléctrica que circula a través del filamento de una

lámpara• ajustando ópticamente la radiación emitida por la fuente desconocida,

con el uso de filtros polarizantes u otros dispositivos absorbentes.



Los pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700ºC. A esas temperaturas, los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible, para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia.



Los pirómetros de radiación total, están formado por una lente de pyrex, sílice, o, fluoruro de calcio, que concentra la radiación del objeto caliente en una pila termoeléctrica formada por varios termopares del tipo Pt - Pt - Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie.

La radiación total emitida por la fuente, incide directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e.m. que proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente y la unión frío. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de la temperatura ambiente, se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro. .

DISCUSIÓN Y ANÁLISIS

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