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Unidad Orientativa
(Instrumentación)
“Mediciones en Temperatura”
(2da Parte)
2 En este capitulo, veremos el sistema de medida en temperatura, y conoceremos algunos de los instrumentos
implementados para la adquisición del estado de esta variable.
Comencemos viendo los diferentes efectos producidos por la temperatura
1. Aumento de las dimensiones (Dilatación). 2. Aumento de presión o volumen constante. 3. Cambio de fem. inducida.
4. Aumento de la resistencia. 5. Aumento en radiación superficial. 6. Cambio de temperatura.
7. Cambio de estado sólido a liquido. 8. Cambio de calor
Observando cada una de las propiedades en los materiales podemos medir la temperatura observando los efectos de los cuerpos.
Todos los instrumentos de medición de temperatura cualquiera que fuese su naturaleza dan la misma lectura en cero por ciento (0%) y 100%, si se calibra adecuadamente, pero en otros puntos generalmente la lectura no corresponderá porque las propiedades de expansión de los líquidos varían, en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será totalmente satisfactoria, sin embargo es posible definir una escala de temperatura de un gas ideal como base suprema de todo trabajo científico.
Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, y la conversión mas común es de °C a °F.
Instrumentos
Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que convierten la energía térmica en otra o en un movimiento.
La diferencia ente el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la temperatura es el nivel o valor de esa energía.
Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3 tipos:
TERMOMETROS.- Transductores que convierten la temperatura en movimiento.
SISTEMAS TERMALES.- Transductores que convierten la temperatura en presión (y después en movimiento).
TERMOELECTRICOS.- Transductores que convierten la temperatura en energía eléctrica (y mediante un circuito
en movimiento)
Elementos Primarios de medición de temperatura
Termómetros a. De Alcohol
b. De Mercurio c. Bimetálico
Sistemas Termales a. Liquido (Clase I) b. Vapor (Clase II) c. Gas (Clase III) d. Mercurio (Clase IV)
Termoeléctricos a. Termopar
b. Resistencia c. Radiación d. Óptico
Termómetros
Son instrumentos que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su funcionamiento se basa en la
3 sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas, con la única exigencia que la variación de volumen sea en el
mismo sentido de la temperatura.
El termómetro de liquido en vidrio es uno de los tipos mas comunes de dispositivos de medición de temperatura y sus detalles de construcción , se muestra en la figura siguiente.
Su bulbo relativamente grande en la parte mas baja del termómetro contiene la mayor cantidad del liquido el cual se expande cuando se caliente y sube por el tubo capilar en el cual esta grabada una escala apropiada con marcas, en la parte superior del tubo capilar se coloca en case de que el margen de temperatura del termómetro se exceda de manera inadvertida. los líquidos mas usados son el alcohol y el mercurio. El alcohol tiene la ventaja de poseer un coeficiente de expansión mas alto que el del mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura debido a que tiende a hervir a temperaturas altas. El mercurio no puede usarse debajo de su punto de congelación de -38.78°F (-37.8°C). El tamaño del capilar depende del tamaño del bulbo sensor, el liquido y los márgenes de temperatura deseados para el termómetros.
Por lo general, los termómetros de mercurio en vidrio se aplican hasta 600°F (315°C); pero su alcance puede extenderse a 1000°F (338°C) llenando el espacio sobre el mercurio común gas como el nitrógeno. Esto aumenta la presión en el mercurio, eleva su punto de ebullición y permite; por lo tanto, el uso de termómetro a temperaturas mas altas.
Un método muy usado para medir la temperatura, es la cinta bimetalica se conectan juntos 2 piezas de metal con diferentes coeficientes de expansión térmica para formar el dispositivo mostrado en la figura siguiente.
Cuando la cinta se somete a cualquier temperatura mas alta a la temperatura a la cual se hizo la liga se doblara en una dirección: cuando se somete a una temperatura inferior, se dobla al otro lado. EZKIN y FRITZE dieron métodos de calculo par las cintas bimetalicas. El radio de curvatura puede calcularse como:
t =espesor combinado de la cinta ligada.
m =razón de espesores de los materiales de baja a alta expansión.
n =razón del modulo de elasticidad de los materiales de baja a alta expansión.
α αα
α 1 =coeficiente mas bajo de expansión.
α αα
α 2 =coeficiente mas alto de expansión.
T =temperatura
To =temperatura inicial de la ligadura.
Los coeficientes de expansión térmica de algunos materiales usados están en la siguiente tabla.
Material Coeficiente de expansión térmica x °C
Modulo de elasticidad PSI lb/plg2 GN/m2
Invar Latón amarillo
Monel -400 Inconel -702 Acero inox. -3/6
1.7x10-6
2.02x10-5
1.35x10-5
1.25x10-5
1.6x10-5
21.4x106
14x106
26x106
31.5x106
28x106
147
96.5
179
217
4
Especifiquemos un poco más los tipos de Termómetros
Todos sabemos que para medir la temperatura del aire se usan los termómetros. Sin embargo existen varios tipos de estos aparatos… conozcamos algunos de ellos según su naturaleza…
Termómetros de líquido en tubo de vidrio
Es el más común de todos. Los líquidos que se utilizan más frecuentemente son el mercurio y el alcohol etílico. El mercurio no se puede emplear como líquido termométrico más que por encima de los -36º C, por que su punto de congelación se encuentra precisamente a esta temperatura. Para temperaturas muy bajas, el alcohol etílico puro 100/100, da resultados satisfactorios.
Estos termómetros están constituidos por un depósito de vidrio, esférico o cilíndrico, que se prolonga por un tubo capilar también de vidrio, cerrado por el otro extremo. Por el calor, el líquido encerrado en el depósito se expande y asciende por el tubo de vidrio. La temperatura se lee gracias a una escala graduada cuyo valor corresponde al extremo de la columna del líquido cuando ésta se para.
Termómetros de líquido en envoltura metálica
El órgano sensible de este termómetro es, realmente, un manómetro calibrado para indicar temperaturas. Este tipo de instrumento se utiliza a menudo como termómetros en los motores de los automóviles.
Algunos termógrafos también están basados en este principio. En este caso la pluma indicadora tiene en su extremo un dispositivo con tinta que se desplaza sobre un diagrama arrollado en un cilindro que gira a velocidad constante.
Termómetros de par termoeléctrico
Un termopar se compone de dos hilos de metales diferentes soldados en sus extremos. Cuando las temperaturas de cada soldadura son diferentes, se origina una fuerza electromotriz que es función de esa diferencia de temperatura, la cual viene indicada por un voltímetro calibrado.
Los termómetros de par termoeléctrico se utilizan mucho como piranómetros, es decir, como instrumentos para medir temperaturas muy elevadas y también en ciertas aplicaciones se usan para medir temperaturas
extraordinariamente bajas
Termómetros bimetálicos
El órgano sensible llamado lámina bimetálica está formado por dos láminas metálicas escogidas entre metales que tengan sus coeficientes de dilatación lo mas dispares posibles, y están soldados una contra la otra, a lo largo de toda su longitud. Cuando la temperatura varía, una de las láminas se dilata más que la otra, obligando a todo el conjunto a curvarse sobre la lámina más corta.
Las láminas bimetálicas pueden inicialmente estar enrolladas en espiral. En este caso la lámina interior esta hecha del metal que se dilata más. De esta forma, cuando la temperatura aumenta la espiral se desenrolla. El movimiento se amplifica mediante un sistema de palancas sujetas a la extremidad de la espiral y que termina en una aguja que indica la temperatura.
Este principio se usa generalmente en los termógrafos para obtener un registro continuo de la temperatura.
Termómetros de resistencia de platino
El principio en que se basa el funcionamiento de este termómetro es la variación de resistencia de un hilo de platino en función de la temperatura. Una pila proporciona la corriente eléctrica y un aparato de medida permite traducir las variaciones de resistencia en indicaciones de temperaturas. También se puede construir este tipo de
instrumentos de forma que proporcionen un registro continuo de la temperatura. El termómetro de resistencia de platino es uno de los aparatos más precisos que permite medir una gran gama de temperaturas.
Termistancias
La conductividad de ciertas sustancias químicas varía notablemente con la temperatura; su resistencia eléctrica disminuye cuando la temperatura aumenta. Esta propiedad es la que se aprovecha para construir los termómetros de termistancias.
Tienen la ventaja de que son robustos y de pequeñas dimensiones y por esta razón se utilizan como termómetros en los radiosondas. La resistencia del circuito eléctrico varía a medida que la temperatura cambia con la altitud y estas variaciones modulan las señales radioeléctricas transmitidas a un receptor que se encuentra en la superficie
terrestre. Estas señales se registran a su vez sobre un diagrama y permite determinar la temperatura del aire a diferentes niveles, hasta una altitud de 30 Km aproximadamente.
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Positivo Tipo Negativo
Cobre
Hierro
Cromel
Cromel
Platino +13% Radio
Platino +10% Radio
T
J
E
K
R
S
Constantán
Constantán
Constantán
Alumel
Platino
Platino
La clasificación por tipos a sido elaborado por la SAMA y adoptado por la ISA.
Cobre - Constantán (T)
Se utiliza para medir temperaturas entre los -18.5°C a 379°C y son de un precio bajo y ofrecen resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. Pueden ser usados en atmósferas reductoras y oxidantes.
Hierro - Constantán (J)
Se aplican normalmente para temperaturas, que van de -15°C a 750°C, dependiendo de su calibre. Son recomendables para usarse en atmósferas donde existe deficiencia de oxigeno libre. Son recomendables
ampliamente en atmósferas reductoras. Como tienen un precio relativamente bajo son muy ampliamente usados para la medición de temperaturas dentro de su rango recomendado.
Cromel - Constantán (E)
Se emplean primordialmente en atmósferas oxidantes.
Cromel - Alumel (K)
El rango de temperatura recomendado es desde los 280°C a 580°C de acuerdo con el calibre del alambre usado. Este tipo de termopares presta un servicio optimo en atmósferas oxidantes aunque también se puede usar en atmósferas reductoras o alternativamente oxidantes o reductoras o siempre y cuando se use un tubo de protección apropiado y ventilado.
Platino - Radio (R y S)
Si se cuenta con una protección adecuada sirven para la medición de temperaturas hasta de 1650°C en atmósferas oxidantes. Estos termopares se contaminan con facilidad cuando se usan en cualquier otra atmósfera por lo que deben ser tomadas algunas precauciones en el caso de usarse en estas condiciones, mediante tubos de protección adecuados. Los vapores metálicos, el hidrogeno y los silicones son veneno para este tipo de termopares.
Sus precios, comparando con los demás termopares discutidos son mas altos y si fem. pequeños por lo que la aplicación de este tipo de termopares esta restringida a altas temperaturas.
Tungsteno - Tungsteno y Renio
Este tipo de termopares es recomendado para las mismas temperatura, que los de tungsteno - renio. La diferencia esta en que provee 3 veces potencia termoeléctrica 1650°C.
Termómetros infrarrojos
La radiación infrarroja es una parte de la luz solar y puede descomponerse reflejándose a través de un prisma. Esta radiación posee energía. A principios del siglo XX, los científicos Planck, Stefan, Boltz- mann, Wien y Kirchhoff definían las actividades del espectro electromagnético y establecían equipa- raciones para describir la energía infrarroja.
Esto hace posible definir la energía en relación con curvas de emisión de un cuerpo negro. Los objetos con una temperatura por encima del punto cero absoluto irradian energía. La cantidad de energía crece de manera proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.
6 el mismo factor de emisión en todas las longitudes de onda. Un cuerpo no gris es un objeto cuyo factor de emisión cambia con la longitud de onda, por ejemplo el aluminio. Como norma general se considera que el factor de emisión es igual al factor de absorción.
Para superficies brillantes, el factor de emisión puede ser ajustado en los termómetros infrarrojos de modo manual o automático, para así corregir los errores en la medición. En la mayoría de las aplicaciones esto es muy sencillo de realizar. Para los casos en los que el factor de emisión no es constante, se puede resolver el problema midiendo en dos o más longitudes de onda.
Los termómetros infrarrojos se fabrican con muchas configuraciones, diferenciándose por sus componentes óptico o electrónico, por su tecnología, tamaño y carcasa. Todos tienen en común la cadena de transformación de señales, en cuyo comienzo se encuentra una señal IR y en cuyo final hay una señal de salida electrónica. Esta cadena de medición genérica comienza con un sistema óptico de lentes y / o conductores de ondas de luz, filtros y el detector. Este termómetro mide la temperatura en una superficie, y de forma segura y precisa de los objetos calientes o
difíciles de acceso.
Termómetros de líquido en tubo de vidrio
Termómetros de líquido en envoltura metálica
Termómetros de par termoeléctrico
Imágenes varias de algunos tipos de termometros
Termómetros bimetálicos Termistancias Termómetros infrarrojos
EL Interferómetro
EL Interferómetro es un instrumento que emplea la interferencia de ondas de luz para la medida ultra precisa de longitudes de onda de la luz misma, de distancias pequeñas y de determinados fenómenos ópticos.
Existen muchos tipos de interferómetros, pero en todos ellos hay dos haces de luz que recorren dos trayectorias ópticas distintas determinadas por un sistema de espejos y placas que finalmente se unen para formar franjas de interferencia.
Para medir la longitud de onda de una luz monocromática se utiliza un interferómetro dispuesto de tal forma que un espejo situado en la trayectoria de uno de los haces de luz puede desplazarse una distancia pequeña "que puede medirse con precisión" y varía así la trayectoria óptica del haz. Cuando se desplaza el espejo una distancia igual a la mitad de la longitud de onda de la luz, se produce un ciclo completo de cambios en las franjas de interferencia. La longitud de onda se calcula midiendo el número de ciclos que tienen lugar cuando se mueve el espejo una distancia determinada.
El interferómetro de Michelson, inventado por Albert Abraham Michelson es un interferómetro que permite medir distancias con una precisión muy alta. Su funcionamiento se basa en la división de un haz coherente de luz en dos haces para que recorran caminos diferentes y luego converjan nuevamente en un punto. De esta forma se obtiene lo que se denomina la figura de interferencia que permitirá medir pequeñas variaciones en cada uno de los caminos seguidos por los haces. Este interferómetro fue usado por Michelson junto con Edward Morley para probar la no existencia del éter, en el que se denominó experimento de Michelson-Morley.
Principio de funcionamiento.
7 detector. El segundo rayo atraviesa el divisor de haz, se refleja en el espejo (derecha) luego es reflejado en el semi espejo hacia abajo y llega al detector.
El espacio entre el semi espejo y cada uno de los espejos se denomina brazo del interferómetro. Usualmente uno de estos brazos permanecerá inalterado durante un experimento, mientras que en el otro se colocarán las muestras a estudiar.
Hasta el observador llegan dos haces, que poseen una diferencia de fase dependiendo fundamentalmente de la diferencia de camino óptico entre ambos rayos. Esta diferencia de camino óptico puede depender de la posición de los espejos o de la colocación de diferentes materiales en cada uno de los brazos del interferómetro. Esta diferencia de camino hará que ambas ondas puedan sumarse constructivamente o destructivamente, dependiendo de si la diferencia es un número entero de longitudes de onda (0, 1, 2,...) o un número entero más un medio (0,5; 1,5; 2,5; etc.) respectivamente.
En general se emplean lentes para ensanchar el haz y que sea fácilmente detectable por un fotodiodo o proyectando la imagen en una pantalla. De esta forma el observador ve una serie de anillos, y al desplazar uno de los espejos notará que estos anillos comienzan a moverse. En esta forma se puede explicar la conservación de la energía, ya que la intensidad se distribuirá en regiones oscuras y regiones luminosas, sin alterar la cantidad total de energía.
Aplicaciones.
Generalmente cuando se monta un Michelson se observa una figura de interferencia inicial, de la que no se puede determinar cuál es la diferencia de camino, porque si se observa una suma constructiva sólo se puede inferir que la diferencia es múltiple de la longitud de onda. Por esto el interferómetro se usa para medir pequeños
desplazamientos; una vez que se tiene una figura de interferencia inicial, al cambiar la posición de uno de los
espejos se verá que las franjas de interferencia se mueven. Si tomamos un punto de referencia, por cada franja que lo atraviese habremos movido el espejo una distancia equivalente a una longitud de onda (menor al micrómetro.) Cuando se conoce la longitud de onda de la luz empleada, pueden medirse distancias pequeñas en la trayectoria óptica analizando las interferencias producidas. Esta técnica se emplea para medir el contorno de la superficie de los espejos de los telescopios. Los índices de refracción de una sustancia también pueden medirse con el
interferómetro, y se calculan a partir del desplazamiento en las franjas de interferencia causado por el retraso del haz. El principio del interferómetro también se emplea para medir el diámetro de estrellas grandes relativamente cercanas, como por ejemplo Betelgeuse. Como los interferómetros modernos pueden medir ángulos
extremadamente pequeños, se emplean "también en este caso en estrellas gigantes cercanas" para obtener imágenes de variaciones del brillo en la superficie de dichas estrellas.
El principio del interferómetro se ha extendido a otras longitudes de onda, y en la actualidad está generalizado su uso en radioastronomía.
Fotómetro
Principio de Funcionamiento.
El color de cada objeto que vemos está determinado por un proceso de absorción y emisión de la radiación electromagnética (luz) de sus moléculas. El análisis fotométrico está basado en el principio de que muchas
sustancias reaccionan unas con otras y forman un color que puede indicar la concentración de la sustancia a medir. Cuando una sustancia se expone a un haz de luz de intensidad I0 una parte de la radiación es absorbida por las moléculas de la sustancia, y se emite una radiación de intensidad I más baja que I0.
La cantidad de radiación absorbida la da la Ley de Lambert-Beer:
A = log I0 / I
La absorción también se da porA = el c d
Donde el = coeficiente de extinción molar de la sustancia a una longitud de onda l c = concentración molar de la sustancia.
d = distancia óptica que la luz viaja a través de la muestra.
Por lo tanto, la concentración "c" puede calcularse por el color de la sustancia determinado la radiación emitida I, ya que los demás factores se conocen.
8 Un LED (Diodo Emisor de Luz) monocromático emite una radiación a una única longitud de onda, facilitando al sistema la intensidad I0. Dado que una sustancia absorbe el color complementario de aquel que emite (por ejemplo, una sustancia parece amarilla porque absorbe luz azul), algunos fotómetros usan un LEDs que emiten la longitud de onda apropiada para medir la muestra.
La distancia óptica se mide por la dimensión de la cubeta que contiene la muestra. La célula fotoeléctrica recoge la radiación I emitida por la muestra y la convierte en corriente eléctrica, produciendo un potencial en el rango mV. El microprocesador usa este potencial para convertir el valor de entrada en la unidad de medición deseada y mostrarla en la pantalla VCL. De hecho, la preparación de la solución a medir tiene lugar bajo condiciones conocidas, que se programan en el microprocesador del medidor en forma de curva de calibración. Esta curva se usa como referencia para cada medición. Entonces es posible dosificar concentraciones desconocidas de la muestra y provocar una reacción colorimétrica, y de esta forma obtener el mV correspondiente a la intensidad I emitida (el color de la muestra). Por medio de la curva de calibración, se puede determinar la concentración de la muestra que corresponde al valor mV
COMO CALIBRAR EN TEMPERATURA
Si bien este es una unidad introductoria, voy a tratar de abarcar todo lo que mas pueda, para hacer de este ejemplar, una buena guía orientativa para los futuros instrumentistas, osea, ustedes.
Mas que nada, en esta sección, me propuse desarrollar los principales puntos a tomar en cuenta para realizar una calibración en temperatura de tipo industrial, incluyendo los equipos necesarios para llevarla a cabo.
El método de calibración que trataremos es el de comparación, que es el método más usado en la industria. De manera general podemos decir que este método consiste en comparar –como su nombre lo dice– las lecturas del termómetro bajo prueba contra las lecturas de un termómetro patrón cuando ambos están inmersos en un mismo medio a la misma temperatura.
Sepan ustedes disculparme, por la gran cantidad de temas que obvie, pero a la hora de tratar de darles una base que les sea realmente útil, trate de ir al grano con los puntos mas importantes sobre este tema.
CALIBRACIÓN.
De acuerdo con la normatividad vigente NMX-Z-055-1997-IMCN, Calibración se define como un conjunto de operaciones que establecen, en condiciones especificadas, la relación entre los valores de las magnitudes indicadas por un instrumento de medición o un sistema de medición, o los valores representados por una medida
materializada o un material de referencia, y los valores correspondientes de la magnitud realizada por los patrones. Lo primero que nos debemos preguntar es porqué realizar una calibración. Se podrán dar muchas respuestas, desde el requisito para cumplir con ciertas normas hasta el hecho de evaluar la incertidumbre del equipo que usamos. Pero en un sentido práctico, la calibración en la industria se realiza para tener confianza en el equipo que estamos usando, con lo cual sabremos que no afectará la calidad de nuestro producto o servicio.
EQUIPO.
El equipo necesario que se ocupa normalmente para realizar una calibración es el siguiente: • Termómetro de referencia.
• Indicador para el termómetro de referencia. • Indicador para el termómetro bajo prueba. • Fuente de temperatura.
9 El termómetro de referencia será el que nos indique el valor “real” de temperatura que tiene la fuente de calor. Éste puede ser de varios tipos y la decisión de cual es el adecuado dependerá en buena medida del intervalo de
temperatura y de su incertidumbre. Enseguida enumeramos los distintos tipos de termómetros de referencia y sus principales características.
Termómetro de resistencia de platino patrón.
Este termómetro es el más usado como termómetro de referencia, en inglés se le conoce como SPRT (Standard Platinum Resistance Thermometer) y sus principales características son las siguientes:
• Intervalo de uso de –200°C hasta 1000°C. • Versiones de 0,25; 2,5; 25,5 y 100 W . • Muy estable y exacto.
• Incertidumbres desde 0,001°C hasta 0,01°C. • Caro y frágil.
Termómetro de resistencia de platino.
Secondary Standard Temperature Sensors - También conocido como PRT (Platinum Resistance Thermometer) o
en ocasiones como RTD (Resistance Temperature Detector), cabe aclarar que este último término es genérico, ya que el SPRT y el termistor también son RTD's.
El PRT es muy similar al SPRT, sus características son: • Intervalo de uso de –200°C a 660°C.
• Normalmente de 100 W . • Estable y exacto.
• Incertidumbres desde 0,01°C hasta 0,025°C. • No tan caro y un poco menos frágil que el SPRT.
Termistor.
Thermistor Temperature Sensors - El termistor es muy usado como termómetro de referencia a temperaturas cercanas a la ambiente, esto debido a que su intervalo de temperatura no es muy amplio. El termistor tiene las siguientes características:
• Intervalo de –20°C a 150°C. • Versión de 10 k W
• Muy estable y exacto.
• Incertidumbres desde 0,002°C hasta 0,01°C. • No es ni tan caro ni tan frágil como el SPRT.
Termopar.
Gold Platinum Thermocouple - De los termómetros de referencia es el menos exacto, sin embargo su intervalo de temperatura es bastante amplio, por esta razón es prácticamente la única opción para altas temperaturas. El termopar se caracteriza por lo siguiente:
• Intervalo de 0°C a 1450°C. • Hecho de metales nobles. • Menos estable y exacto.
• Incertidumbres típicas de 0,05°C a 0,5°C.
Normalmente no es tan caro ni tan frágil como el SPRT.
Indicadores.
Black Stack Thermometer Readout - Los indicadores, en ocasiones llamados monitores, puentes termométricos o incluso mal llamados termómetros digitales, son aquellos que sirven para medir la resistencia o la tensión eléctrica del termómetro de referencia. Recomendamos que como indicador no se piense en un multímetro digital, que aunque los hay muy exactos, no tienen las características para medir de manera eficiente un RTD o termopar. Como indicador se debe usar uno pensado para propósitos de calibración en temperatura, a continuación hablaremos de los distintos tipos de indicadores.
Indicadores para RTD's.
10 Los indicadores se encargan de medir la resistencia del sensor y desplegar su lectura normalmente en unidades de °C, °F o K (Kelvin).
El método usado para medir la resistencia del RTD es el método de 4 hilos, con este método se evita que la resistencia de los cables sea tomada en cuenta en la medición. Además en un buen indicador debe de existir inversión de corriente, esto es para eliminar las fem's térmicas (milivolts) que se generan en las uniones. En el siguiente esquema se muestra este método.
La selección del indicador dependerá en primer lugar del termómetro de referencia a usar y se debe cuidar que cumpla con el intervalo de resistencia a medir como sigue:
• 25 W SPRTs de » 4.5 to 84.5 W (-200 °C to 660 °C) • 100 W PRTs de » 18 to 340 W (-200 °C to 660 °C) • 10k W thermistors de » 30 k to 750 W (0 °C to 100 °C)
Es importante que el indicador no aplique demasiada corriente al RTD, ya que esto podría provocar
autocalentamiento, lo cual a su vez provocaría errores en la calibración. Se recomienda que la corriente usada para los SPRTs y PRTs sea de 1 mA, mientras que para los termistores se recomienda que sea de 10 µ A.
Lo siguiente que hay que tomar en cuenta es la exactitud del equipo, se debe conocer de preferencia la exactitud del indicador en unidades de temperatura, pero si el fabricante no provee tal exactitud, entonces se debe analizar cual será la exactitud en unidades de temperatura a distintas temperaturas. En el siguiente ejemplo calcularemos la exactitud del indicador en °C a partir de su exactitud en resistencia.
Indicadores para termopares.
1529 - Los indicadores para termopares deben tener las siguientes características: • Muy buena exactitud en mediciones de baja tensión eléctrica (mV).
• Ruido eléctrico bajo.
• Se requiere de compensación de unión fría (puede ser por medio del punto de hielo externo) • En caso de usar switches, deben ser de baja fem térmica.
Al igual que en los RTD's, vamos a dar un ejemplo para poder calcular la exactitud en °C de un indicador cuya exactitud está expresada en función de la tensión eléctrica.
Fuentes de temperatura.
Existen principalmente dos tipos de fuentes de temperatura para calibración industrial, los baños líquidos y los calibradores de bloque seco, en cualquier caso lo que se busca de ellos es lo siguiente:
• Estabilidad y Uniformidad acorde con la incertidumbre deseada (Se recomienda una relación 10:1) • Intervalo de temperatura apropiado al intervalo deseado de calibración.
• Suficiente profundidad para la inmersión de los termómetros.
Bloques secos.
High Accuracy Dry-Well Calibrators - Los bloques secos son usados principalmente para la calibración de RTDs y termopares, no se recomienda su uso para calibración de termómetros de líquido en vidrio. En ocasiones, si la incertidumbre requerida lo permite, se puede evitar el uso del termómetro de referencia externo y emplear únicamente el sensor interno del bloque cuya lectura aparece en el display, por supuesto que se debe consultar la exactitud del mismo antes de emplearlo. Otra ventaja de los bloques secos es el hecho de que alcanzan
temperaturas más altas que los baños líquidos. A continuación ennumeramos las principales características de los bloques.
• Exactitud moderada • Diámetro de huecos fijos • Profundidad de inmersión fija • Secos y limpios
• Portátiles
• Cambios de temperatura rápidos • Sensor de referencia interno
• Intervalo de temperatura normalmente amplio
11 Los baños líquidos se usan normalmente para calibraciones de alta exactitud, para calibración de termómetros de líquido en vidrio e incluso para termómetros cuyas formas geométricas sean un poco caprichosas. Por su alta estabilidad y uniformidad son la opción perfecta en calibraciones donde se requiere de una incertidumbre baja. Actualmente existe una gran variedad de baños que permiten incluso que algunos de ellos sean portátiles (microbaños) o aquellos que ocupan poco espacio y son semi-portátiles (baños compactos). La siguiente lista muestra las principales características de los baños líquidos.
• Alta exactitud
• Adaptable a distintos diámetros y profundidad de inmersión de termómetros • Normalmente no son portátiles
• Cambios de temperatura lentos
• Requiere de termómetro de referencia externo • Es crítica la selección del fluído
• Intervalo de temperatura de uso restringido
PROCEDIMIENTO DE CALIBRACIÓN.
Para realizar una calibración de tipo industrial los pasos a seguir son los siguientes:
• Conocer el intervalo a calibrar deseado. Es necesario que se corrobore que nuestro equipo es capaz de cubrir el intervalo de calibración del instrumento bajo prueba (UUT por sus siglas en inglés).
• Analizar incertidumbres. Se recomienda que la incertidumbre total del equipo de referencia (termómetro de referencia, indicador y fuente de temperatura) tenga una relación de 4:1 contra la exactitud del instrumento bajo prueba.
• Definir puntos de medición. Dividir de manera equidistante en temperatura el intervalo de calibración en al menos 5 puntos de medición cubriendo la mayor parte de dicho intervalo.
• Llevar a cabo las mediciones. Se programa la fuente de temperatura a cada uno de los distintos puntos de medición, una vez que la fuente de temperatura es estable se toman lecturas del termómetro de referencia y del termómetro o termómetros a calibrar. Se recomienda que se tomen varias lecturas en cada punto con lo que se mejora la incertidumbre.
• Realizar cálculos. Una vez tomadas las mediciones se llevan a cabo los promedios de las lecturas en cada punto, se calcula la incertidumbre de cada punto de medición y se determina en su caso, si el termómetro a calibrar se encuentra dentro de las especificaciones del fabricante o su norma correspondiente.
• Elaborar informe de calibración. En el informe de calibración quedan plasmados los resultados finales de la calibración.
A continuación mencionaremos algunas particularidades de la calibración dependiendo del instrumento bajo prueba.
RTDs.
Si el equipo a calibrar son PRTs o termistores se debe usar un indicador adecuado, si el equipo a calibrar usa su propio indicador, se debe usar ese indicador para que de esa forma se considere el sistema de medición completo. Al calibrar RTDs se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones:
• Insertar el instrumento(s) bajo prueba en la fuente de temperatura lo más cercano posible al termómetro de referencia.
• En caso de que sean varios los termómetros a calibrar, colocarlos en forma circular con la referencia al centro. • Tener la suficiente inmersión de los termómetros, se recomienda la siguiente fórmula: 30 X diámetro del sensor + longitud del sensor.
• Usar la configuración de 2, 3 ó 4 hilos de acuerdo con el tipo de sensor.
• Si el RTD no cuenta con indicador propio usar tablas para definir la temperatura. Las más comunes son DIN, IEC-751 o ASTM 1137.
12 Al igual que con los RTD, si el termopar a calibrar tiene indicador propio se debe procurar usar éste para evaluar el sistema completo.
Las consideraciones en cuanto a la calibración del termopar son muy similares que las de los RTD, algunas consideraciones especiales son:
• Se debe llevar a cabo la compensación de unión fría, ya sea que el indicador la haga o que se realice externamente con el punto de hielo.
• En caso de no contar con indicador usar tablas de termopares de acuerdo con su tipo. • La colocación e inmersión de los termopares siguen la misma regla que los RTDs.
Termómetros de líquido en vidrio
.Los termómetros de líquido en vidrio se deben calibrar de manera similar a los RTDs y termopares, por supuesto en éstos la medición es directa. Se deben considerar tres puntos principalmente:
• Se deben de calibrar considerando las tolerancias dadas principalmente por las normas ASTM. • Se debe tener cuidado con la interpolación.
• Se debe cuidar la inmersión del termómetro de acuerdo con su tipo.
Al momento de interpolar, se debe procurar tener la vista perpendicular al termómetro a la altura del menisco de la columna. La interpolación será en fracciones de 1/4, 1/5 ó 1/10 de la escala mínima. Se recomienda el uso de lupa o algún otro método para mejor estimación de la lectura.
La inmersión del termómetro será como sigue de acuerdo con su tipo:
• Inmersión completa. El termómetro es inmerso completamente en el fluído a ser medido.
• Inmersión total. Todo el líquido termométrico (mercurio por ejemplo) debe estar inmerso en el líquido a ser medido.
• Inmersión parcial. El termómetro es inmerso a una profundidad fija, existe una marca sobre la escala.
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Ahora seamos más específicos en la Calibración de Termopares…
Frecuentemente se tiene que seleccionar un determinado tipo de termopar que seleccionar un determinado tipo de termopar de acuerdo con las necesidades de medición y control de temperatura. La selección, por supuesto, esta basada en varios factores, tales como el rango de temperatura de operación, exactitud requerida, respuesta térmica elevada de fem. y el medio ambiente en que el termopar va a ser instalado.
LIMITE DE TEMPERATURAS PARA TERMOPAR
Tipo de Termopar Temperatura Temperatura Máxima
Mínima CAL CAL CAL CAL CAL
Tipo T, Cobre - Constantán
Tipo J, Fierro - Constantán
Tipo E, Cromel - Constantán
Tipo K, Cromel- Alumel
Tipo R y S, Platino-Platino 13% o 10% Radio
Platino 30% (Radio 6% - Platino)
Iridio 40%, 60% Radio - Iridio
Tungsteno - Renio
13
Tungsteno - Tungsteno (26% Renio) -17 2310
Cables de Extensión
El cable de extensión esta constituido generalmente de 2 conductores y esta provisto con una clase de aislante de acuerdo con las condiciones de servicio particulares. Evidentemente en lugar de los cables de extensión que podrían usar los mismos alambres de los cuales consisten los termopares, sin embargo, no seria económico hacerlo ya que por ejemplo:
En el caso de los termopares platino - platino radio el costo de los mismos es elevado por lo cual se usan otros metales para construir los cables de extensión que tienen propiedades termoeléctricas iguales o semejantes al de los termopares originales su objetivo; es extender el termopar hasta la junta de referencia del instrumento.
Tipo de Termopar Cable de Extensión
Positivo Negativo
J JX Cobre Constantán
T TX Hierro Constantán
KX Cromel Alumel
K VX Cobre Constantán
WX Hierro
R, S SX Cobre Aleación especial de Cobre - Níquel
Termoposo
Es muy importante que el termopar no toque la pared del termoposo.
CRITERIOS QUE SE DEBEN TOMAR PARA LA ELECCION DEL TERMOPOSO
• Que sea resistente a la temperatura.
• Acción de gases oxidantes y reductores.
• Que contengan una conductividad térmica muy alta para hacer una transferencia de energía rápida.
• Resistente a los cambios bruscos de temperatura.
• Resistente a los esfuerzos mecánicos.
• Resistente a la corrosión de vapores ácidos.
MATERIAL DE TERMOPOSOS
Hierro Fundido - Dulce y Acero
Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas oxido - reductoras.
Hierro - Cromo
Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, también se puede usar con ambiente con azufre.
Hierro Cromo - Níquel
Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre.
Acero Inoxidable 304-316
Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco.
Existen termoposos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con PVC, Tantalio para resistir la corrosión y otros factores.
El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.
Tipo de Termopar Cable de extensión Polo Positivo Polo Sensitivo Envoltura Exterior
T TX AZUL ROJO AZUL
J JX BLANCO ROJO NEGRO
F FX AMARILLO ROJO AMARILLO
K KX CAFÉ ROJO ROJO
W WX VERDE ROJO BLANCO
14 Termoposo Roscado
Termoposo Bridado
Termoposo Van Stone
Escalas de temperatura
aplicables
Exactitud aproximada
Respuesta
Dispositivo °F °C °F °C transitorios Costo Notas
Termómetro de liquido
en vidrio
a. Alcohol -90 a 150 -70 a 65 ± 1 ± 0.5 Mala Bajo Usados como termómetros
baratos para temperaturas bajas.
b. Mercurio -35 a 600 -40 a 300 ± 0.5 ± 0.25 Mala Variable Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C
que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
c. Mercurio lleno con gas -35 a 1000 -40 a 550 ± 0.5 ± 0.25 Mala Variable Exactitud de ± 0.1°F (0.05°C
que puede obtenerse con termómetros calibrados especialmente.
Termómetro de
expansión de fluido
a. Liquido o gas -150 a 1000 -100 a 550 ± 2 ± 1 Mala Bajo Ampliamente usados en las
mediciones industriales de temperatura.
b. Presión de vapor 20 a 400 -4 a 200 ± 2 ± 1 Mala Bajo
Cinta bimetálica -100 a 1000 -70 a 550 ± 0.5 ± 0.25 Mala Bajo Ampliamente usados como
dispositivos simples de medición de temperatura
Termómetro de resistencia eléctrica
-300 a 1800 -180 a
1000
± 0.005 ± 0.0025 De regular
a bueno
Caro El mas exacto de todos los
métodos
15
compensadores de temperatura; las cuentas termistores pueden obtenerse en tamaños muy pequeños.
Termopar
Cobre - Constantán
-300 a 650 -180 a 350 ± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo
Termopar
Hierro - Constantán
-300 a 1200 -180 a 650 ± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo Superior en atmósferas
reductoras
Termopar
Cromel - Alumel
-300 a 2200 -180 a
1200
± 0.5 ± 0.25 Buena Bajo Resistente a la oxidación a
temperaturas altas
Termopar
Platino - Platino con 10% de sodio
0 a 3000 -15 a 1650 ± 0.5 ± 0.25 Buena Alto Salida baja; el mas resistente a
la oxidación a temperaturas altas
Pirómetro óptico 1200 más 650 más ± 20 ± 10 Mala Medio Ampliamente usado en medición
de temperaturas en hornos industriales.
Pirómetros de radiación 0 más -15 más ± 0.5 °C bajos
alcances, 2.5 a 10°C a alta
Buena
Medio a alto
Aplicaciones en aumento como resultado de los nuevos dispositivos de alta precisión que están en continuo desarrollo
Fuentes
• http://www.mitecnologico.com/Main/TiposDeInstrumentosDeMedicion
• http://fain.uncoma.edu.ar/electrotecnia/carreras/electronica/electrotecnia/otros/laboratorio1.pdfhtt
p://www.esimez.ipn.mx/controlvii/DIAGRAMASrev4.PDF
• http://campusvirtual.frsf.utn.edu.ar/aead/01/07/02/instrumentos_mediciones_electricas.pdf
http://www.practiciencia.com.ar/ctierrayesp/tierra/atmosfera/atmosfera/troposfera/fenomclim/inst meteo/higrometro/index.html
• http://foro.meteored.com/index.php/topic,20730.0.html
• http://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/instrumento-de-temperatura/principio-funcionamiento-termometro.htm
