4.3 Sensores y transductores
4.3.5 Transductores de temperatura
La temperatura es una de las variables de proceso más utilizadas. Es un dato muy significativo en toda clase de procesos termodinámicos (climatización, producción de vapor, máquinas de combustión, calentamiento de cuerpos…) y en cualquier otro tipo de proceso donde el control de la temperatura representa una medida de seguridad (protección de motores eléctricos, transformadores refrigerados por aceite, protección de rodamientos…).
Las limitaciones del sistema de medida a utilizar 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. Es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado.
Los transductores de temperatura se basan en diversos principios físicos relacionados con la temperatura, entre los cuales figuran:
• Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases). • Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).
• Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).
• Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos (termopares). • Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).
• Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal...).
En base a estos fenómenos físicos, se emplean los instrumentos siguientes: termómetros de vidrio, termómetros bimetálicos, elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor, termopares, pirómetros de radiación, termómetros de resistencia, termómetros ultrasónicos y termómetros de cristal de cuarzo. En la tabla 4.7 se muestran los diversos instrumentos de medida y su campo de aplicación.
Campo de aplicación
Tipo de instrumento o transductor Congelación del agua Ebullición del agua
Bulbo de mercurio de 0 a -50 ºC de 0 a 700 ºC Bulbo de gas de 0 a -100 ºC de 0 a 600 ºC Bulbo de vapor de 0 a -50 ºC de 0 a 300 ºC Vidrio y bimetálico de 0 a -200 ºC de 0 a 500 ºC Sonda de resistencia de níquel de 0 a -80 ºC de 0 a 300 ºC Sonda de resistencia de platino de 0 a -200 ºC de 0 a 850 ºC Sensor de germanio de -150 a -272 ºC Termistor de 0 a -75 ºC de 0 a 200 ºC Cromo-constantán 0 ºC de 0 a 980 ºC Cobre-constantán de 0 a -180 ºC de 0 a 370 ºC Hierro-constantán de 0 a -180 ºC de 0 a 760 ºC Cromo-aluminio de 0 a -180 ºC de 0 a 1.260 ºC Platino-platino / rodio de 0 a 1.750 ºC Radiación bajo campo 0 ºC de 0 a 650 ºC Radiación alto campo de 400 a 5.000 ºC Pirómetro óptico de 500 a 4.000 ºC
A continuación se expondrán los transductores para medida de temperatura más representativos de los procesos de control.
Transductor bimetálico.
Los transductores bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, de tal forma que convierten las variaciones de temperatura en variaciones de movimiento. Los materiales empleados son tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35,5 % de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices.
Un termómetro bimetálico típico contiene pocas partes móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. La precisión del instrumento es de ± 1 % y su campo de medida de -200 a +500 ºC.
Transductor de bulbo y capilar
Los transductores tipo bulbo 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 (figura
4.29).
Hay cuatro clases de este tipo de transductores: • Clase I: Transductores accionados por líquido. • Clase II: Transductores accionados por vapor. • Clase III: Transductores accionados por gas. • Clase IV: Transductores accionados por mercurio.
Los transductores accionados por líquido 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 (temperatura ambiente). Por lo tanto, para capilares cortos, hasta 5 m, sólo hay que compensar el elemento de medición para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente (clase IB). Para capilares más largos hay que compensar también el volumen del tubo capilar (clase lA). Los líquidos que se utilizan son alcohol y éter.
El campo de medición de estos instrumentos varía entre 150 hasta 500 ºC, dependiendo del tipo de líquido que se emplee.
ºC
bulbo capilar espiral instrumento indicador fuente de calor o frío Figura 4.29 : Transductor de bulbo y capilar.Los transductores accionados 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 liquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala. La presión en el sistema depende, solamente, de la temperatura en el bulbo. Por consiguiente, no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente. Si la temperatura del bulbo es mayor que la temperatura ambiente, el capilar y el elemento de medición están llenos de líquido (clase lIA), siendo necesario corregir la indicación en la diferencia de alturas entre el bulbo y el elemento de medición.
Si la temperatura del bulbo es más baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor (clase IIB).
La clase IIC opera con la temperatura del bulbo superior e inferior a la temperatura ambiente y la clase lID trabaja con la temperatura del bulbo superior, igual e inferior a la ambiente, empleando otro líquido no volátil para transmitir la presión del vapor.
Los transductores accionados por gas están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta proporcionalmente y, por lo tanto, estos transductores 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, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición.
Los transductores accionados por mercurio (clase IV) son similares a los transductores accionados por líquidos (clase I). Pueden tener compensación en la caja y compensación total.
Transductores resistivos.
Estos termómetros de resistencia, en su mayoría, están constituidos por alambre metálico. La resistencia de los metales aumenta con la temperatura de una forma casi lineal. Para dicha relación lineal se cumple que:
(
)
Rt =R0⋅ + ⋅1 α θ (4.3.5.1)
donde Rt es la resistencia de una longitud de cable a temperatura θ ºC y R0 su resistencia a 0 ºC. Se llama α
al coeficiente de resistencia a la temperatura, medido en ºC-1, y depende del metal utilizado. La figura 4.30 muestra las curvas de resistencia-temperatura para tres metales utilizados comúnmente.
El platino se utiliza generalmente para termómetros de resistencia. Este metal tiene una relación resistencia- temperatura muy lineal, posee un buen grado de repetibilidad, puede utilizarse con un amplio rango de temperaturas (entre -200 ºC y +850 ºC) y, puesto que es relativamente inerte, puede ser uti lizado en un gran número de entornos sin deterioro. Es, sin embargo, más caro que muchos otros metales, pero las ventajas señaladas tienden a prevalecer sobre el factor coste. El coeficiente de resistencia a la temperatura α está próximo a 3,9·10-3 ºC-1.
El níquel y el cobre son alternativas más baratas, pero también más propensas a interferencias con el entorno y no pueden utilizarse para una gama tan amplia de temperaturas. El níquel tiene un coeficiente de resistencia a la temperatura próximo a 6,7·10-3 ºC-1 y un rango de temperaturas que está entre -80 ºC y +300 ºC. El cobre tiene un coeficiente de resistencia a la temperatura de 3,8·10-3 ºC-1 y un rango de -200 ºC a +250 ºC. temperatura ºC 1 1,5 2 2,5 3 200 400 600 800 1000 cobre níquel platino
Figura 4.30 : Curvas resistencia-temperatura para el platino, níquel y
Una relación más exacta entre resistencia y temperatura para metales que tienen en cuenta la no linealidad es:
(
)
Rt =R0⋅ + ⋅ +1 α θ β θ⋅ 2+ ⋅γ θ3 (4.3.5.2)
donde α, β y γ son coeficientes de resistencia a la temperatura, con la condición de que α > β > γ. Para el platino α está próximo a 3,9·10-3 ºC-1, β a -5,9·10-3 ºC-2 y γ es generalmente tan pequeño que puede despreciarse.
Sea cual sea el metal utilizado, el elemento de resistencia consta, generalmente, de un cable de resistencia enrollado sobre un tubo revestido de cerámica, estando a su vez revestido también de cerámica y montado en un tubo protector. El resultado es una sonda para inmersión en el medio cuya temperatura se desea medir. El tiempo de respuesta es bastante lento, a menudo del orden de unos pocos segundos, a causa del escaso contacto térmico que hay entre la bobina y el medio cuya temperatura se está midiendo. La presencia del tubo protector aumenta inevitablemente el tiempo de respuesta.
Termistores.
Los termistores son pequeñas piezas de material hechas de mezcla de óxidos metálicos, tales como los de cromo, cobalto, hierro, manganeso y níquel. El material puede adoptar diferentes formas, tales como perlas, discos y varillas (figura 4.31).
La resistencia de los termistores disminuye generalmente con un aumento de temperatura y es altamente no lineal aunque hay algunos casos en los que aumenta la resistencia con un incremento de temperatura. La
figura 4.32 muestra una gráfica típica. El cambio en la resistencia por grado incrementado en la temperatura
es considerablemente más amplio que el que ocurre con los metales.
La gráfica resistencia-temperatura para un termistor es altamente no lineal y se describe por la relación exponencial:
perla varilla
disco
Figura 4.31 : Diferentes aspectos de termistores.
temperatura ºC resistencia KΩ 0 5 10 15 20 25 50 75 100 125
Rt = ⋅K e β
θ (4.3.5.3)
donde Rt es la resistencia a la temperatura θ ºC, siendo K y β valores constantes.
El tiempo de respuesta de un termistor depende de la cantidad de material termistor presente. Un pequeño termistor de perla puede tener un tiempo de respuesta del orden de 0,5 segundos, mientras que en termistores más grandes de varilla podría ser del orden de 10 segundos.
Para los termistores que muestran una disminución de resistencia con un aumento de temperatura, si se utilizan en circuitos eléctricos de muy baja tensión, se produce una pequeña corriente y la potencia disipada no es suficiente para elevar la temperatura del termistor sobre la de su entorno. Sin embargo, con tensiones más altas, la corriente puede ser bastante grande para que la potencia generada sea suficiente y eleve la temperatura del termistor sobre la de su entorno. Este incremento de temperatura logra una disminución adicional de la resistencia del termistor, lo que supone un aumento extra de corriente. Este efecto continúa hasta que la disipación del calor del termistor iguala la energía que se le ha suministrado. Este efecto de autocalentamiento es, generalmente, del orden de 0,15 ºC para cada milivatio de potencia suministrada.
Termopares.
Si dos metales diferentes se unen, se produce una diferencia de potencial a lo largo de la unión. Esta diferencia de potencial depende de los metales utilizados y de la temperatura de la unión. Un termopar es un circuito completo que implica dos de dichas uniones (figura 4.33). Si ambas uniones estána la misma temperatura, no hay fuerza electromotriz neta. Pero si hay una diferencia de temperatura entre las dos uniones, entonces, existe una fuerza electromotriz que se llama fuerza electromotriz termoeléctrica (E). El valor de esta f.e.m. depende de los dos metales en cuestión y de las temperaturas de ambas uniones. Habitualmente, una unión se mantiene a 0 ºC, teniendo entonces:
E=a1⋅ +θ a2⋅θ2+a3⋅θ3+L (4.3.5.4)
donde a1, a2, a3..., son constantes y θ la temperatura. Hay una relación no lineal entre la fuerza electromotriz
y la temperatura, pero para muchos pares de metales, los términos a2, a3..., son lo suficientemente pequeños
como para ser ignorados existiendo entonces una relación razonablemente lineal.
Un circuito de termopar puede tener otros metales en el circuito y éstos no tendrán efecto en la fuerza electromotriz termoeléctrica, con tal de que todas sus uniones estén a la misma temperatura. Así, por ejemplo, un voltímetro puede ser introducido en el circuito.
Los termopares más comúnmente utilizados aparecen en la tabla 4.8 con los rangos de temperaturas de uso más generalizados y sus sensibilidades típicas. A estos termopares más usados se les da letras de referencia.
Tipo Materiales Rango en ºC Sensibilidad en µµv/ºC
E Cromo-constantán de 0 a 980 ºC 63 J Hierro-constantán de -180 a 760 ºC 53 L Cromo-aluminio de -180 a 1.260 ºC 41 R Platino-platino / rodio 13 % de 0 a 1.750 ºC 8 T Cobre-constantán de -180 a 370 ºC 43 Tabla 4.8: Termopares. fuente de calor o frío metal A metal B f.e.m. circulación de corriente
Los termopares de metal base E, J, L y T son relativamente baratos pero se deterioran con el tiempo. Tienen exactitudes que, típicamente, están entre ± 1 y 3 %. Los termopares de metal noble, es decir, los de tipo R, son más caros, pero más estables y de vida más larga. Tienen exactitudes del orden de ± 1 % o menos.
Los termopares están generalmente montados en un manguito para darles protección mecánica y química. El tipo de manguito utilizado depende de las temperaturas a las que se usa el termopar. En algunos casos el manguito es encapsulado con un mineral que sea buen conductor de calor y buen aislante eléctrico. El tiempo de respuesta de un termopar sin manguito es muy rápido. Con un manguito grande puede aumentar en unos pocos segundos. En algunos casos, un grupo de termopares se conectan en serie, de modo que haya, quizá, diez o más uniones calientes captando la temperatura. Las fuerzas electromotrices producidas por cada uno son acumuladas. Esta disposición se conoce como termopila.