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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
Curso de Instrumentación Electrónica
Escuela de Ingeniería Eléctrica
Profa. Miriam Borjas Gil
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
En los procesos industriales la medida de temperatura
representa una de las variables más importantes para el
control de sus operaciones.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
La temperatura es una de las
variables
mas
comúnmente
medida
en
los
procesos
industriales y es una de las más
importantes.
La medición de esta variable esta
influenciada por el tiempo de
respuesta, siendo esta variable
una de las mas lentas.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
La temperatura es un factor de
medida engañoso debido a su
simplicidad. Se toma como un
simple número, pero en realidad es
una estructura estadística cuya
exactitud y repetitividad pueden
verse afectadas por la masa
térmica, el tiempo de medida, el
ruido eléctrico y los algoritmos de
medida.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
La temperatura es difícil de medir con exactitud aún en
circunstancias óptimas, y en las condiciones de prueba
en entornos reales es aún más difícil.
Entendiendo las ventajas y los inconvenientes de los
diversos enfoques que existen para medir la
temperatura, resultará más fácil evitar los problemas y
obtener mejores resultados.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
 Bimetálicos:
Los sensores de temperatura mecánicos mas sencillos y
utilizados son los denominados Bimetálicos.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
 Bimetálicos:
Son elementos constituidos por
dos metales con distinto coeficiente
de dilatación térmica unidos
firmemente. Cuando se produce un
cambio de temperatura, la pieza se
deforma según un arco circular
uniforme. Los metales pueden ser
latón, monel o acero, y una
aleación de ferroniquel laminados
conjuntamente.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Los sensores de temperatura, de tipo eléctrico, utilizan
diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y
entre los cuales se encuentran:
Variación de resistencia de un semiconductor (termistores)
f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares)
Variación de resistencia
resistencia)
en un conductor (sondas
de
Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo
(pirómetros de radiación).
Otros fenómenos utilizados: velocidad del sonido en un gas,
frecuencia de resonancia de un cristal, etc.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
 Termistores:
Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de
temperatura, el material de oxido metálicos es
conformado en forma que se asemejan a pequeños
bulbos o pequeños capacitores. El dispositivo
formado así se llama Termistor.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Los 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 dirección: 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.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
 Termistores:
Rt  Ro e
1 1
(  )
Tt T0
La relación resistencia del termistor y la temperatura viene
dada por la expresión anterior, donde
Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt
Ro = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de
referencia To
B = constante dentro de un intervalo moderado de
temperatura
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMISTORES
Características más comunes de los Termistores NTC (Negative Termal Coefficient)
y circuito de linealización.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMISTORES
Los 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 unión.
La corriente que circula por el termistor a través del circuito de
medida debe ser baja para garantizar que la variación de
resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los
cambios de temperaturas del proceso.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMISTORES
Ventajas del Termistor
Desventajas del Termistor
Alto rendimiento
Son exactos.
Son pequeños.
Poseen grandes coeficientes
de temperaturas.
Posee características no
lineales.
Posee rango limitado para
mediciones.
Son frágiles.
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
pequeño.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
 Termocuplas o termopares:
El termopar se basa en el efecto descubierto por Seedek en
1821, de la circulación de una corriente en un circuito formado
por dos metales diferentes cuyas uniones ( unión de medida
caliente y unión de referencia o fría ) se mantienen a distinta
temperatura.
La 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 y 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.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMOPARES
Efecto Seebeck
en un termopar.
Aparición de una
corriente
Efecto Seebeck
en un termopar
Aparición de una
diferencia
de
potencial
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMOPARES
Efecto Peltier
Fue descubierto por Jean C.A. Peltier, en 1834, y
consiste en el calentamiento o enfriamiento de una
unión entre dos metales distintos (interface
isotérmico) al pasar corriente por ella. Al invertir la
corriente, se invierte también 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 unión.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Dentro de las características del efecto Peltier tenemos:
1. El calor intercambiado por unidad de superficie de la unión es
proporcional a la corriente y no a su cuadrado, notándose aquí su
mayor diferencia con el efecto Joule.
2. El efecto Peltier es independiente del origen de la corriente. En este
caso la junturas podrían alcanzar temperaturas diferentes a las que se
pretenden medir, debido a corrientes de origen termoeléctrico.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Efecto Thompson
Descubierto por William Thompson en 1856, consiste en la absorción o
liberación de calor por parte de un conductor homogéneo 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 dirección de la corriente, liberándose calor cuando
la corriente circula del punto más caliente hacia el más frío.
TERMOPARES
Un termopar se compone de dos hilos de diferentes metales unidos
en un extremo y abiertos en el otro.
La tensión que pasa por el extremo abierto es una función tanto de
la temperatura de la unión como de los metales utilizados en los dos
hilos.
Todos los pares de metales distintos presentan esta tensión,
denominada tensión de Seebeck en honor a su descubridor.
En pequeñas gamas de temperaturas, los coeficientes de Seebeck,
de los dos hilos, son constantes y la tensión de Seebeck es, por
consiguiente, proporcional.
Pero en gamas más grandes, el propio coeficiente de Seebeck es
una función de la temperatura, convirtiendo la tensión de Seebeck
en no lineal.
Como consecuencia, las tensiones del termopar también tienden a
ser no lineales.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMOPARES
Los termopares se utilizan
extensamente,
ya
que
ofrecen una gama de
temperaturas mucho más
amplia y una construcción
más robusta que otros
tipos.
No precisan alimentación
de ningún tipo y su reducido
precio los convierte en una
opción muy atractiva para
grandes
sistemas
de
adquisición de datos.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
 Materiales de un termopar:
Tipo ”J” unión hierro-constantan,-40°C a 750°C
Tipo “K unión cromel-alumell, -40°C a 950°C.
Tipo “E” unión cromel-constantan -40°C a 800°C
Tipo “T” unión cobre-constantan -40°C a 350°C
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMOPARES
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMOPARES
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
TERMOPARES
Ventajas:
Pueden ser usados para medir altas temperaturas.
Reaccionan rápidamente por variaciones en la temperatura a medir.
Generan su propia tensión.
Son de bajo costo.
Rango de temperatura amplia.
Sus medidas son confiables aún cuando sus alambres estén
gastados.
Desventajas:
Baja sensibilidad y exactitud.
Necesitan unión de referencia.
El ruido genera errores
No lineales
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
Son detectores de Temperatura
basados en la variación de una
resistencia eléctrica; suelen designarse
con las reglas, RTD (Resistance
Temperature
Detector)
o
PRT
(Platinium Resistance Thermometer)
cuando el material empleado en su
fabricación es el Pt.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
La medida de temperatura
utilizando
sondas
de
resistencia depende de las
características
de
resistencia en función de la
temperatura que son propias
del elemento de detección.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
El elemento de detección 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.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
La relación entre estos factores puede verse en la
expresión lineal siguiente:
Rt = Ro (1 + a t)
En la que:
Ro = Resistencia en ohmios a 0°C.
Rt = Resistencia en ohmios t °C.
a = Coeficiente de temperatura de la resistencia.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
El detector de temperatura de resistencia (RTD) se
basa en el principio según el cual la resistencia de
todos los metales depende de la temperatura.
La elección del platino en los RTD de la máxima
calidad, permite realizar medidas más exactas y
estables hasta una temperatura de aproximadamente
500 ºC.
Los RTD más económicos utilizan níquel o
aleaciones de níquel, pero no son tan estables ni
lineales como los que emplean platino.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
Tabla con los diferentes materiales de construccion de las RTD y sus rangos de temperaturas.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
La gráfica muestra la respuesta de la resistencia de la RTD con la temperatura y la
comparación respecto a un termopar tipo S.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SONDAS DE RESISTENCIAS (RTD)
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.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SENSORES PIROELÉCTRICOS
 La
piroelectricidad es el
cambio en la polarización
de un material sometido a
cambios de temperatura.
Este tipo de fenómenos se
observa
en
materiales
dieléctricos que contienen
polarizaciones espontáneas
producidas por dipolos
orientados.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SENSORES PIROELÉCTRICOS
 Los Polímeros son materiales artificiales o sintéticos
que constituyen una rama especial de la química
orgánica. Se pueden encontrar en el mercado gran
variedad de productos funcionales y económicos
fabricados con Polímeros.
 El monómero (en un polímero) es una molécula
individual de hidrocarburo, como por ejemplo el
etileno (C2H4).
 Los polímeros son moléculas de cadena larga
formadas por muchos monómeros unidos entre sí.
 El polímero comercial mas común es el polietileno.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SENSORES PIROELÉCTRICOS
 Muchos Polímeros importantes (como el Polietileno) son simplemente
compuestos de Carbono e Hidrógeno.
 Otros tienen oxigeno (los acrílicos), nitrógeno (los Náilones), fluor
(plásticos fluorados), o silicio (las siliconas)
 El efecto Piroeléctrico se aplica para la detección de radiación térmica
a temperatura ambiente.
esto se utilizan dos electrodos metálicos en dirección
perpendicular a la de polarización, formándose un condensador que
actúa como sensor térmico.
 Para
 Cuando el detector absorbe radiación cambia su temperatura y con ella
su polarización, produciendo una carga superficial en las placas del
condensador.
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
SENSORES PIROELÉCTRICOS
Principio de funcionamiento de un sensor piro eléctrico
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
 Pirómetro de radiación:
Los
pirómetros
de
radiación
se
fundamentan en la ley de Stefan
Boltzman, estableciendo que la intensidad
de la energía 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= energía radiante,
E= energía por unidad de superficie(j/s),
T*4= temperatura a la cuarta potencia
(temperatura absoluta kelvin).
MEDICIÓN DE TEMPERATURA
Los sensores piro eléctricos cuentan con una respuesta más rápida
que los termopares, empleándose incluso para la detección de pulsos
de radiación de picosegundos y con energías desde los nanojulios
hasta julios. Las aplicaciones más comunes de estos sensores son:
 Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, de vidrio o
metal fundido)
 Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios.
Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación.
 Analizadores de IR (radiaciones infrarrojas) Detectores de CO2 y otros
gases que absorben radiación
 Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para detección de
intrusos y de presencia en sistemas de encendido automático de
iluminación o calefacción de viviendas, apertura de puertas, etc.
GRACIAS POR SU ATENCION
Bibliografía:
Instrumentación industrial
A.CREUS