PRINCIPIOS DE MEDICIÓN Y CONTROL Unidad 2: Medidores de temperatura

(1)

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL LISANDRO ALVARADO DECANATO DE AGRONOMÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

GUIA DIDÁCTICA

PRINCIPIOS DE MEDICIÓN Y CONTROL

Unidad 2: Medidores de temperatura

Autor

Prof. Juan Pablo Requez

(2)

Unidad 2: Medidores de Temperatura

Tabla de contenidos

Tabla de contenidos ... 2

Introducción ... 3

Objetivo General de aprendizaje: ... 5

Objetivos específicos de aprendizaje ... 5

Esquema general del contenido ... 5

Fuentes de aprendizaje ... 6

Texto Guía ... 6

Textos complementarios ... 6

Textos complementarios en inglés ... 6

Páginas Web Recomendadas ... 6

Segunda parte: Desarrollo del Aprendizaje ... 7

Conocimientos previos ... 7

Elementos primarios de temperatura ... 7

Termocuplas o termopares: ... 9

Termorresistencias ... 17

Otros elementos primarios de temperatura ... 19

Ejemplo... 22

Calibración de instrumentos de medición de temperatura: ... 25

Ejemplo de aplicación ... 29 RESUMEN ... 32 Ejercicios propuestos ... 34 Autoevaluación ... 35 Mejorando tu experiencia ... 38 Referencias: ... 38

(3)

Introducción

La medición de temperatura es una de las mediciones más comunes en la industria y además es una de las mediciones más importantes. Esto se debe a que la mayoría de los procesos de manufactura utilizan y requieren cambios de temperatura ya sea en hornos, secadores, evaporadores, pasteurizadores y otros, y existen productos de alto valor comercial que deben mantenerse a temperaturas controladas a fin de que estos no pierdan las características de calidad. Algunos ejemplos de esto son:

• En el horneado de alimentos, estos no deben quemarse a fin de que mantengan un buen sabor, buena apariencia y características nutritivas.

• En la fermentación del azucar, las bacterias que producen la fermentación requieren un medio tibio pero la temperatura no puede ascender para que estas no mueran.

• La leche contiene lactosa, y si se sobrecalienta, las proteínas y la lactosa pueden descomponerse cambiando las características de la leche, lo que hace muy importante medir cuidadosamente la temperatura durante la esterilización o pasteurización.

• El enlatado es calentado a fin de eliminar las bacterias antes de llevarlo a la venta, y si se calienta demasiado tiempo o muy poco, puede dañarse el producto en la lata o no destruirse todas las bacterias.

• En las casas se usa y controla la temperatura, en los calentadores de agua, que permiten tener agua tibia o caliente para el aseo personal, y en las neveras, equipos que son muy valiosos para la vida cotidiana, no debe permitirse que los alimentos almacenados se congelen o se calienten más alla de un valor deseado.

• Los aires acondicionados producen una vida más cómoda en ambientes cálidos y el aire frio que producen debe tener una temperatura aceptable y cómoda.

La medición de temperatura también se utiliza en la medicina, criminología, botánica, automovilismo, computación y en casi todas las ramas de elaboración de productos de consumo humano y animal. Esto hace importante el estudio de la variable de temperatura y los instrumentos usados para su medición.

(4)

Esta guía didáctica te ayudará a comprender el contenido de esta unidad de contenido. Debes ser consistente con tu trabajo, planificar tu tiempo y esforzarte para leer de manera comprensiva el texto guía y el material suministrado. No olvides que esta guía solo será beneficiosa para ti si interactúas con ella. En el cuerpo de la guía se hacen preguntas de reflexión, léelas e intenta responderlas antes de continuar. Solo así podrás internalizar todo el conocimiento posible. Recuerda que una duda es una parte del proceso de aprendizaje.

(5)

Objetivo General de aprendizaje:

Analizar las características, funcionamiento y calibración de los medidores de temperatura más utilizados a nivel agroindustrial

Objetivos especı́ficos de aprendizaje:

Comentar, utilizando ejemplos prácticos o ecuaciones matemáticas, la necesidad de conocer el valor de la temperatura para mejorar o mantener la eficiencia de una determinada etapa en un proceso industrial

Nombrar por lo menos tres elementos primarios de temperatura

Explicar, con la ayuda de un esquema, el principio físico en el cual se basa cada uno de los diferentes elementos primarios de temperatura estudiados.

Analizar las ventajas y desventajas de cada uno de los medidores de temperatura estudiados tomando en consideración el costo, la precisión y la adaptabilidad a un proceso

Esquema general del contenido

• Elementos primarios de temperatura: • Sistemas llenos de fluidos • Termómetros bimetálicos • Pirómetro óptico, de infrarrojo • Termocuplas

• Termistores

• Termómetros acústicos, termómetros de cuarzo

• Principio físico, químico o eléctrico en el cual se basan los elementos primarios de temperatura y condiciones favorables para el funcionamiento de los elementos primarios de temperatura.

• Selección de elementos primarios de temperatura

• Indicadores y registradores de temperatura

(6)

Fuentes de aprendizaje:

Texto Guía

• Creus, Antonio. Instrumentación industrial. Editorial Marcombo. Capitulo 6.

Textos complementarios

• Doebelin, Ernest. Sistemas de medición e instrumentación. Editorial Mc-Graw Hill. Quinta edición. Capítulo 8.

• Soisson, Harold. Instrumentación Industrial. Editorial Limusa. Primera edición. Capitulos 4 y 5.

• Smith, Carlos y Corripio, Armando. Control Automático de Procesos. Editorial Limusa. Apéndice C, páginas 663 a 669.

Textos complementarios en inglés

• Dunn, William. Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control. Editorial Mc-Graw Hill. Primera edición. Capítulo VIII.

• Considine, Douglas. Process/industrial Instruments & Control Handbook. Editorial Mc-Graw Hill. Sección 4. Paginas 4.7 a 4.46

• Sinclair, Ian. Sensors and Transducers. Editorial Newnes. Capitulo 4.

Páginas Web Recomendadas

Presentaciones relacionadas a la medición de temperatura

http://www.slideshare.net/alfonso.cubillos/medicin-de-temperatura

Arian Control: ¿qué son y cómo funcionan las termocuplas?

http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf

Catálogo de Termocuplas S.A.

(7)

Segunda

parte:

Desarrollo

del

Aprendizaje

Conocimientos previos

Fundamentos de circuitos eléctricos. Conversión de temperatura

Interpolación

Balance de materia y energía

Estos contenidos son desarrollados en las asignaturas de Termodinámica y Principios de ingeniería

Física general y física aplicada

Elementos primarios de temperatura

Termómetros de vidrio: consta de un depósito de vidrio que contiene un líquido que al calentarse se expande y sube por un tubo capilar. Es muy conocido, y se usa ampliamente, con mercurio como líquido, en los laboratorios de clase y en la medición de temperatura de seres humanos y animales en medicina y veterinaria.

Pregunta de Interacción (debes meditar estas preguntas antes de continuar leyendo el texto):

¿Conoces el termómetro de vidrio? Nombra tres aplicaciones donde hayas visto que se use un termómetro de vidrio.

Termómetro Bimetálico: El basamento de los termómetros bimetálicos yace en el distinto coeficiente de dilatación térmica de dos metales diferentes, que al ser laminados conjuntamente, producen una deflexión al ser sometidos a cambios de temperatura, la cual puede medirse por la transmisión del movimiento a una aguja o eje. El elemento bimetálico contiene pocas partes móviles, y produce precisiones de hasta ±1% y su campo de medida es de -200 a 500ºC. Requiere poco mantenimiento

(8)

Figura 1: Diagrama de un termómetro bimetálico

Sistemas llenos de fluidos: los sistemas llenos de fluidos o termómetros de bulbo y capilar consisten en un bulbo conectado a un espiral a través de un capilar. Al cambiar la temperatura, el fluido se expande y la expansión hace que el espiral se desenrolle moviendo una aguja en una escala para indicar la temperatura. Se clasifican de la siguiente manera:

Clase I: Termómetros actuados por líquidos. El líquido dentro del bulbo se expande por efecto de la temperatura, siendo la dilatación proporcional a la temperatura con escala uniforme. Requiere compensación de la temperatura ambiente, que por lo general, si el capilar es hasta 5m, se realiza en la caja usando un bimetal que compense la temperatura ambiente en el espiral, este tipo corresponde a Clase IB. Cuando el capilar es más largo, se requiere compensación del volumen dentro del capilar y bulbo, y para eso se utiliza un doble espiral, con líquido en ambos espirales, pero sin conexión al bulbo. Estos equipos permiten hacer mediciones desde 150 hasta 500ºC pero su rango dependerá del líquido que se emplee, que por lo general es éter o alcohol.

Clase II: termómetros actuados por vapor. Actúa usando una interfase entre el vapor y su líquido en estado de saturación. Al incrementar la temperatura, incrementa la presión de vapor, y ésta presión de vapor es la que produce el desenrollado del espiral. La escala de medición no es uniforme. No es necesario compensar la temperatura ambiente, pues la presión del sistema depende solamente de la temperatura del equilibrio líquido vapor. Puede ser elaborado de varias maneras: el sistema térmico clase IIA contiene liquido en el capilar y el espiral, y el vapor se encuentra en el bulbo, en contacto directo con el líquido, en

(9)

el cual es necesario corregir las diferencias de nivel entre el espiral y la altura del bulbo, puesto que el líquido produce presión hidrostática. Esta configuración se utiliza para medir temperaturas mayores que la ambiental. Cuando la temperatura a medir es menor que la ambiental, se utiliza una configuración llamada clase IIB, en la cual el espiral y el capilar están llenos de vapor.

Figura 2: Sistemas térmicos CLASE IIA y CLASE IIB

Clase III: Termómetros actuados por gas. Estos termómetros están completamente llenos de gas, y por lo general, su escala es lineal puesto que al incrementarse la temperatura, la presión incrementa linealmente a través de la ecuación de gas ideal. Es necesario correcciones para compensar la temperatura ambiente.

Clase IV: Termómetros actuados por mercurio, cuyo funcionamiento es exactamente igual que los actuados por líquido, pero tienen otra clasificación por la frecuencia de uso de estos equipos sobre los anteriores

Termocuplas o termopares:

El termopar (también llamado termocupla) se basa en el efecto Seebeck, en el cual una corriente circula en un circuito formado por dos metales diferentes que han sido unidos en un extremo (llamado unión caliente) y mantenidos separados en el otro (llamado unión fría, aunque no hay unión) y se mantienen a diferente temperatura. La unión caliente también se llama unión de medición y la unión fría también se conoce como unión de referencia.

(10)

Figura 3: Algunas configuraciones de construcción de termocuplas La circulación de corriente en una termocupla obedece a dos efectos: 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 temperatura. Ambos efectos justifican que al cerrar el circuito de la termocupla, circule corriente a través de esta, que puede ocasionar que la termocupla se caliente, y por lo tanto afectar la medición.

(11)

Hay varias leyes que rigen el comportamiento de las termocuplas:

1. Ley del circuito homogéneo: En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.

2. Ley de los metales intermedios: Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura A hasta un punto de soldadura B, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo A y B

3. Ley de las temperaturas sucesivas: La fem generada por un termopar con sus uniones a la temperatura T1 y T3 es la suma de las fem del termopar con uniones a T1 y T2 con el de uniones T2 a T3

Figura 5: Ley de las temperaturas sucesivas

Existen muchos tipos de termocuplas. En los tiempos actuales, se ha hallado mejorías en el diseño de termocuplas, a través de la selección minuciosa y científica de las aleaciones adecuadas para generar mayor potencial o voltaje en una termocupla mientras produzca una mayor resistencia a las condiciones del proceso. Un resumen de los tipos de termocuplas y sus características puede encontrarse en la tabla 1, a continuación.

(12)

Unidad 2: Medidores de Temperatura Tabla 1: Tipos de termocuplas comunes

Tipo Material Rango de temperaturas Usos Observaciones E Cromel y Constantán -200 a 900º C Vacíos y atmósferas inertes o medianamente reductora u oxidante

Posee la f.e.m. más alta por cambio de temperatura J Hierro y Constantán -200 a 550º C atmósfera con escaso oxigeno libre El hierro se oxida rápidamente a temperaturas mas altas que 550º C y por lo tanto es necesario incrementar el radio del alambre de hierro para temperaturas mas altas T cobre y constantán -200 a 260º C atmósferas reductoras y oxidantes Resistente a la corrosión atmósférica y a la condensación

K Cromel y alumel 500 a 1200º C atmósferas oxidantes B, R, S Platino-Rodio platino en diferentes proporciones dependiendo del tipo -200 hasta 1500º C altas temperaturas, atmósferas oxidantes

Cromel (10% cromo 90% Niquel) constantán (45% niquel y 55% cobre) alumel( 2%Mn, 1%Si, 95%Ni, 2% Al)

Algunas veces suelen protegerse las termocuplas con vainas de protección, que debe ser el adecuado para el proceso, que por lo general es de hierro, acero, acero inoxidable, cerámica, carburo de silicio. En la figura 6 se puede observar una termocupla con una vaina protectora.

Preguntas de Interacción (debes meditar esta preguntas antes de continuar leyendo el texto):

¿De donde proviene el voltaje de la medición de una termocupla? ¿Por qué se han diseñado diferentes tipos de termocuplas?

(13)

Figura 6: Diagrama de una termocupla, mostrando la vaina protectora Los temopares son susceptibles al ruido industrial debido a que los voltajes que suministran son pequeños y pueden ser alterados por las interacciones electromagnéticas y eléctricas que pueden afectar su medición. La medición del voltaje se realiza con un circuito galvanométrico o un circuito potenciométrico.

(14)

El circuito galvanométrico se basa en la desviación de una bobina móvil situada entre los polos de un imán permanente al pasar a través de ésta una corriente del elemento primario. El paso de esta corriente produce un campo magnético que se opone al del imán y la bobina gira hasta que el par magnético correspondiente es equilibrado por el par de tensión del muelle. Algunas características del circuito deben ser

1. Buen estado de los rodamientos

2. Los resortes de suspensión deben poseer una histéresis elástica mínima.

3. Las variaciones de temperatura pueden afectar la resistencia eléctrica del circuito formado por la bobina y los resortes, por lo cual se debe usar una resistencia con coeficiente de resistencia negativo.

4. Es necesario compensar las variaciones de temperatura de la unión fría, para ello se usa una espiral bimetálica.

(15)

El circuito potenciométrico consta de una fuente de tensión constante V que alimenta a los dos brazos de un circuito con corrientes I1 e I2. El termopar se conecta a E y a través del miliamperímetro, se conecta a R. La posición del cursor en R indica la temperatura del proceso cuando no pasa corriente por el miliamperímetro, es decir, cuando C y E están a la misma tensión.

Figura 8: Circuito Potenciométrico Utilización de tablas de termocuplas:

Las termocuplas son instrumentos muy utilizados, y su comportamiento ha sido estudiado ampliamente. Se conoce la relación entre el voltaje y la temperatura para muchas termocuplas, y es posible encontrar en la bibliografía tablas para determinar, conociendo una temperatura el voltaje que produce esa termocupla en las condiciones de fabricación. De igual manera, conociendo un voltaje puede determinarse la temperatura. Consultando la tabla es fácil hacer la verificación de la calibración de una termocupla.

(16)

Para poder determinar la señal de salida de alguna termocupla, tomemos por ejemplo la tipo K, en milivoltios (mV), a la temperatura deseada, es necesario buscar en la tabla de termocupla tipo K el valor que corresponde. Obsérvese la tabla 2. Por ejemplo, cuando la temperatura es de 0°C, el voltaje es de 0 mV como se ve en la tabla. Si la temperatura es de 300°C, el voltaje correspondiente es de 12.207 mV.

Si la temperatura fuera de 17°C, el voltaje sería de 0.677mV, ¿puedes decir por qué?

Para buscar una temperatura, se buscan las decenas en la columna de la extrema izquierda y las unidades en la fila superior. El número 17 se compone de 10 y 7, 10 en la columna izquierda y 7 en la columna superior. El punto de cruce es de 0.677mV.

En los anexos se encuentra disponible una tabla de termocuplas. Recuerda revisarla para que te acostumbres a ella.

Pregunta de Interacción (debes meditar esta preguntas antes de continuar leyendo el texto):

Basado en el análisis anterior, cuando la temperatura es de 315°C, ¿cuál sería el voltaje?

Ventajas de la utilización de termocuplas:

No presentan calentamiento interno, es decir, el paso de corriente no las calienta, por lo que no perturban la medición con la corriente

Son relativamente económicas

Útiles en sistemas donde el sensor es sometido a vibraciones ya que su fabricación se hace con dos hilos que son flexibles.

Resistentes, dependiendo del tipo, a muchos tipos de atmósferas corrosivas.

Desventajas de la utilización de termocuplas:

Suministran voltaje muy bajo susceptible a ruido e interferencia eléctrica.

(17)

Termorresistencias

También conocido como termómetro de resistencia, consiste en una sonda de resistencia cuyas características resistivas dependen de la temperatura del proceso y la relación entre la resistencia y la temperatura tiene una relación característica para el elemento de medición. Consiste generalmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica.

Diagrama de una termorresistencia

La característica principal del material es el coeficiente de temperatura de

resistencia que expresa los cambios de resistencia en función de los cambios

de temperatura para el material. Cuando la relación es lineal, tiene la siguiente forma: ) 1 ( 0 T R R_t = +α

Y el valor de α depende de cada sustancia. Por lo general la expresión no puede considerarse lineal y es, entonces, un polinomio de cuarto grado para la temperatura, de la siguiente forma

) ) 100 ( 1 ( 2 3 0 AT BT C T T R Rt = + + + − si T está entre -200 y 0ºC ) 1 ( 2 0 AT BT R Rt = + + si T está entre 0 y 850ºC

Los materiales utilizados para elaborar la termorresistencia deben poseer las siguientes características:

- Alto coeficiente de temperatura de resistencia a fin de mayor sensibilidad

- Alta resistividad a fin de mayor sensibilidad

(18)

- Rigidez y ductilidad para realizar los procesos de fabricación de la termorresistencia y lograr obtener tamaños pequeños a fin de conseguir una respuesta rápida.

- Estabilidad de las características durante la vida útil

Por lo general, el material más adecuado para la elaboración de termorresistencias es el platino pero tiene como inconveniente que es muy costoso. El níquel suele utilizarse, pero tiene como desventaja la falta de linealidad de su comportamiento. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato pero tiene muy baja resistividad. La variación de resistencia es medida en el puente de wheatstone en montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro hilos.

Ventajas de la utilización de las termorresistencias:

Útiles en aplicaciones de bajas temperaturas (-100 a 200 °C). precisiones de una décima de grado.

No se descompone gradualmente entregando lecturas erróneas, si no que normalmente se abre, con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediatamente la falla del sensor y da aviso.

Puede ser colocada a cierta distancia del medidor sin mayor problema (hasta unos 30 metros) utilizando cable de cobre convencional para hacer la extensión.

Desventajas de su utilización:

Costosas, ya que por lo general están elaboradas de materiales caros como el platino

Presentan autorrecalentamiento, es decir, el paso continuo de corriente para medir la resistencia hace que la resistencia eléctrica se caliente, como sucede en las planchas, bombillos incandescentes, calentadores y otros (aunque en menor medida, por supuesto)

En general no se debe montar una termorresistencia en lugares sometidos amucha vibración pues es probable que se fracture, ya que su elaboración hace hilos que son compactados formando una estructura rígida que es sensible a quebrarse (lo que no es deseable por el costo asociado y porque el dispositivo queda inservible).

(19)

Pregunta de Interacción (debes meditar esta preguntas antes de continuar leyendo el texto):

Compara las ventajas y desventajas de las termocuplas y las termorresistencias y haz un cuadro. ¿Cual es recomendable para el uso en un objeto con mucha vibración?

Otros elementos primarios de temperatura

Pirómetros: se basan en la ley de stefan-Boltzmann que dice que la intensidad de energía radiante emitida por una superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente con la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo. Los pirómetros de radiación miden la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación, estos instrumentos se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial si miden la intensidad de la radiación luminosa que emiten, o pirómetros de radiación total si miden la totalidad de la radiación emitida por el cuerpo A continuación se comentan varios tipos de pirómetros:

- Pirómetros Ópticos: se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: a) de corriente variable en la lampara, o b) de corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la fuente. Los pirómetros ópticos automáticos y consisten en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación de una lámpara estandar y la radiación del objeto sobre un fototubo multiplicador. Este fototubo envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentación de la lámpara estandar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y de la lámpara. En este momento, la corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura. Las mediciones dependen del coeficiente de emisión de la sustancia. - Pirómetros Infrarrojos: Este equipo capta la radiación espectral del

infrarrojo, y puede medir temperaturas de hasta 700º C y puede suplir al óptico que trabaja eficazmente para temperaturas superiores a los 700º C. El lente filtra la radiación infrarroja emitida por el objeto y la concentra en un sensor de temperatura. Debe considerarse el coeficiente de emisión del cuerpo.

(20)

- Pirómetro fotoeléctrico: El sensor fotoeléctrico es más sensible y rápido pues funciona por el principio fotoeléctrico, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico. La señal de salida depende de la temperatura instantánea del volumen del detector. El detector genera una tensión proporcional al cubo de su temperatura. - Pirómetro de radiación total: utiliza un lente de pirex que concentra la

radiación del objeto caliente en una termopila compuesta de varios termopares tipo R, S o B de pequeñas dimensiones, en serie. La radiación es enfocada incidiendo en las uniones calientes de los termopares, que han sido ennegrecidas para que se comporten como cuerpos negros, y generando asi fem máxima.

Pirómetro de Radiación

Termistores: los termistores son sensores con un coeficiente de resistencia térmico negativo y un valor elevado de resistencia en KΩ. Para un aumento dado de temperatura corresponde una disminución de la resistencia y viceversa. La resistencia del termistor es únicamente función de la temperatura absoluta, y puede representarse por la siguiente ecuación:

        − =_e T To T R T R 1 1 0) ( ) ( β

(21)

El valor de β depende de la sustancia y se determina experimentalmente. Por lo general, los termistores se fabrican de una mezcla de óxidos de manganeso, níquel, cobalto, hierro y uranio. Los termistores se conectan a puentes de wheatstone convencionales o cualquier otro equipo para medir resistencias. Los cables que van del termistor al instrumento de medida de resistencia pueden ser largos, siempre y cuando la resistencia de los cables sea muy inferior a la resistencia del termistor. Debe garantizarse que el termistor no se recaliente por efectos eléctricos, debiendo usarse corrientes pequeñas para la determinación de la resistencia.

Diagrama de un termistor típico

Termómetros Acústicos: son termómetros usados para medir temperaturas muy bajas, del orden de los 2 a 20 K, está basado en la determinación de la velocidad del sonido en el gas helio, que es casi proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura.

Termómetro de Cuarzo: mide la frecuencia de un oscilador de cuarzo en contacto con el cuerpo cuya temperatura quiere medirse, mediante un contador que utiliza como reloj de referencia la señal de un oscilador a temperatura controlada

(22)

Ejemplo

Se tiene el siguiente proceso, con su lazo abierto de medición de temperatura con las siguientes características de proceso:

Rango de temperatura: 0 a 300 ºC

Sensor de temperatura (TE): Termocupla tipo K Transmisor de temperatura (TT): Electrónico Indicador de temperatura (TI): Electrónico

Calcular, para una temperatura de 228 ºC en el proceso: 1. Salida de termopar ó termocupla

2. Salida del transmisor 3. Temperatura indicada

Solución

1. Calculo de la salida del termocupla tipo K

Es necesario buscar en la tabla de termocupla tipo K los valores de mV para el rango establecido de temperatura del proceso, es decir de 0 a 300 ºC y además, buscar en la tabla de termocupla el voltaje para 228°C que es la temperatura actual del proceso.

Entrada T (ºC) Salida V (mV)

0 0

228 9.260

(23)

Unidad 2: Medidores de Temperatura Fragmento de la tabla de termocupla tipo K

La señal de salida de la termocupla tipo K, es 9,260 milivoltios

2. Calculo de la salida del transmisor

Para determinar la señal electrónica de salida del transmisor en miliamperes (mA), se debe realizar una interpolación entre el los rango de milivoltios de entrada y el rango para la señal electrónica.

Entrada V (mV) Salida I (mA)

X 0 4 Y X2 9,260 Y2 X3 12,207 20 Y3 Interpolación 2 3 3 2 3 3 Y Y Y Y X X X X − − = − − Y2 = 16,137

(24)

3. Temperatura Indicada

Para determinar la temperatura final indicada, se debe realizar una interpolación entre el los rango de la señal electrónica de salida del transmisor, en miliamperes (mA), y la temperaturas del rango de operación.

Entrada I (mA) Salida T (ºC)

4 0

16,137 Y2

20 300

Interpolación Y2 = 227.568

(25)

Calibración de instrumentos de medición de temperatura:

Como se indicó previamente, es posible usar las tablas de termocuplas para determinar la calibración de los instrumentos en un lazo abierto de control. Esto se explicará con un ejemplo.

A continuación se muestra el lazo abierto para un proceso de medición de temperatura, el cual consta de una termocupla tipo J, un transmisor neumático y un indicador neumático. El rango del proceso es de 150 a 400 ºF y se desea determinar cuál equipo está descalibrado, ya que se conocen las salidas de cada instrumento, tal como se indica.

1. Sensor de temperatura

Para determinar si el sensor de temperatura se encuentra descalibrado o no, es necesario calcular la señal de salida de la termocupla utilizada, en este caso la tipo J. Para ello se deben buscar en la tabla de termocupla tipo J los valores de milivoltios para el rango de temperatura de operación el cual es de 150 - 400 ºF. Como las tablas de termocupla están expresadas en grados Celsius (ºC) se hace necesaria la transformación de las temperaturas a esta unidad.

Transformación de las unidades de temperatura

8 , 1 32 ) (º ) (ºC =T F − T 150 ºF = 65,56 ºC 400 ºF = 204,44 ºC 212 ºF = 100 ºC

(26)

Unidad 2: Medidores de Temperatura Fragmento de la tabla de termocupla tipo J

Como los valores de temperatura en ºC, no se encuentran exactos en la tabla, se deben interpolar en cada caso para conseguir los milivoltios a esa temperatura. Temperatura milivoltios 65 3,381 65,56 Y2 66 3,435 Interpolación: Y2 = 3,41124 Temperatura milivoltios 204 10,999 204,44 Y2 205 11,054 Interpolación: Y2 = 11,0232

Para la temperatura de 100°C, el valor puede conseguirse directamente en la tabla y vale 5,268mV. Con esto conseguimos la tabla de operación de la termocupla.

Entrada T (ºC) Salida V (mV)

65,56 3,411

100 5,268

(27)

Se puede observar que el valor de salida esperado por nuestro análisis teórico de la termocupla es exactamente el mismo valor que se está midiendo en el proceso, por lo tanto es fácil de decir que la termocupla está funcionando correctamente.

2. Transmisor de Temperatura

Para determinar si el transmisor de temperatura se encuentra descalibrado o no, es necesario calcular la señal de salida del mismo y compararla con la indicada en el lazo de control. Para determinar la señal de salida del transmisor, se debe realizar una interpolación entre el voltaje de entrada (con la señal del proceso actual) y el rango para la señal neumática.

Entrada V (mV) Salida P (psi)

3,411 3

5,268 Y2

11,0232 15

Interpolación Y2= 5,93

Salida teórica 5,93 psi Salida real 9 psi

Véase que la salida obtenida por el análisis teórico es de 5.93psi pero en la realidad está saliendo un valor diferente, eso nos lleva a decir que el transmisor de temperatura está descalibrado o dañado

3. Indicador de Temperatura

Se realiza una interpolación entre el los rango de la señal neumática de entrada al indicador del transmisor, en psi, y la temperaturas del rango de operación. Igualmente con la señal del proceso real, que es la que, en efecto, está llegando al transmisor. El transmisor no puede responder a una entrada que no recibe, por lo tanto debe hacerse el cálculo con el valor que está recibiendo, que es de 9 psi.

(28)

Entrada P (psi) Salida T (ºC)

3 65,56 9 Y2 15 204,44 Interpolación Y2 = 135 32 ) (º 8 . 1 ) (ºF = ×T C + T 275 ) (ºF = T Salida teórica 275 ºF Salida real 275 ºF

Se puede observar que el valor de salida esperado por nuestro análisis teórico del indicador es exactamente el mismo valor que se está midiendo en el proceso, por lo tanto es fácil de decir que el indicador está funcionando correctamente.

(29)

Ejemplo de aplicación

Agua líquida entra en una cámara de mezclado como la que se muestra en el diagrama. La información de las temperaturas es medida con distintas termocuplas. Uno de los flujos de entrada es de 0.5Kg/s y su temperatura es medida con una termocupla tipo T y el voltaje producido es de 3.357mV, mientras que el otro flujo de entrada es desconocido pero su temperatura es medida con una termocupla tipo K produciendo un voltaje de 0.798mV. La temperatura del flujo de salida es medida con una termocupla tipo K que produce 1.693mV. Determine todos los flujos másicos y temperaturas del proceso.

Solución

Primero se etiqueta el diagrama de proceso como se muestra (usando las etiquetas m1, m2 y m3)

(30)

Para determinar las temperaturas del proceso nos dirigimos a las tablas de termocuplas, buscando las termocuplas indicadas en el enunciado con su respectivo voltaje. De la siguiente manera:

Siendo

T1 = 80 ºC

T2 = 20 ºC

T3 = 42 ºC

Para determinar todos los flujos másicos se debe hacer un balance de materia y de energía. Como se muestra a continuación:

1. Balance de Materia:

Usando las etiquetas asignadas se tiene entonces: m1 + m2 = m3

2. Balance de Energía:

. .

Debido a que las sustancias se encuentran en fase líquida y todas son la misma sustancia (agua) es posible cambiar las entalpías en la ecuación anterior por temperaturas resultando un balance de energía simplificado

. .

Lo que se escribe entonces, usando las etiquetas asignadas: m1 . T1 + m2 . T2 = m3 . T3 Flujo Tipo de Termocupla Voltaje (mV) Temperatura (ºC) m1 T 3, 357 80 m2 K 0,798 20 m3 K 1,693 42

(31)

Unidad 2: Medidores de Temperatura 3. sistema de ecuaciones

Como tenemos dos incógnitas lo resolvemos por sistema de ecuaciones (Método de reducción)

m1 + m2 = m3

m1 . T1 + m2 . T2 = m3 . T3

Se sustituye los valores (no se colocarán las unidades) m3 - m2 = 0,5

42m3 - 20m2 = 80*0,5

Resolviendo simultáneamente el sistema de ecuaciones m2 = 0, 86 Kg/s

(32)

RESUMEN

La temperatura es una de las variables más importantes en la producción agroindustrial pues ella determina la duración de los alimentos, la velocidad del crecimiento bacteriano, la letalidad de un proceso de conservación y el mantenimiento o variación de las características organolépticas de los productos. El conocimiento de la temperatura permite saber la velocidad a la que se cocina un producto o si, por el contrario, el producto corre el riesgo de quemarse, así como determina la velocidad de producción de vapor en una caldera, la capacidad de funcionamiento de una planta termoeléctrica, la eficiencia de un sistema de refrigeración entre otros.

Los elementos de medición de temperatura son muchos, entre los cuales destacan:

Termómetro de vidrio Termómetro bimetálico

Sistemas de medición de temperatura llenos de fluidos Termocuplas o termopares Termorresistencias Pirómetros Termistores Termómetros acústicos Termómetros de cuarzo

Las termocuplas son instrumentos de gran importancia en la industria y funcionan por la generación de un voltaje muy pequeño debido a la diferencia de temperatura de sus terminales compuestos de alambres diferentes. Se elaboran de distintos materiales y se protegen con vainas. El circuito galvanométrico y el circuito potenciométrico es utilizado para convertir la medición en una señal estándar. Son instrumentos sensibles a la interacción electromagnética y son muy recomendados para procesos con vibración.

(33)

Las termorresistencias son instrumentos de gran importancia a nivel industrial y relacionan la temperatura con la resistencia eléctrica. Son instrumentos que tienen poca interacción electromagnética pero tienen la dificultad de que se autorecalientan afectando así a la medida de la temperatura

(34)

Ejercicios propuestos

1) el siguiente proceso, con su lazo abierto de medición de temperatura

Características del proceso: Rango 32-212 0F

TE: termocupla tipo J TT: transmisor electrónico TI: Indicador electrónico

Calcular, para una temperatura de 128 0F en el proceso : Salida de termopar

Salida del transmisor Temperatura indicada

2) A continuación se muestra el lazo abierto para un proceso de medición de temperatura, el cual consta de una termocupla tipo K, un transmisor electrónico y un indicador electrónico. El rango del proceso es de 20 a 230

0_{C y se desea determinar cuál equipo está descalibrado, ya que se}

conocen las salidas de cada instrumento, tal como se indica.

proceso _TE _TT _TI

830C

3.39mV 16mA

830C

(35)

Autoevaluación

Llegó el momento de medir cuanto has aprendido.

Verdadero y Falso: A continuación se muestran algunas aseveraciones. Debes decir si son verdaderas o falsas (no pueden ser ambas a la vez):

1) La característica esencial de las termorresistencias es la posibilidad de relacionar la temperatura con un valor de resistencia eléctrica.

a. Verdadero b. Falso

2) Es una ventaja para la medición de tempertatura usando termorresistencias que ellas presenten recalentamiento interno.

3) Para medir temperatura en un proceso donde el sensor debe colocarse a grandes distancias con respecto al transmisor, es más recomendable el uso de una termocupla.

4) Para medir temperatura en un proceso donde el sensor esta rodeado de muchos otros equipos eléctricos y electrónicos es más recomendable el uso de una termocupla

5) Para medir temperaturas en un proceso con muchas vibraciones como en los motores de los vehículos o en otros motores como compresores, bombas, etc., es recomendable el uso de una termocupla.

(36)

Desarrollo: A continuación se te pide desarrollar unos conceptos o el análisis de algunas ideas. No consultes el texto mientras lo desarrollas, ¡recuerda que estas midiendo tu progreso!

1) Mencione y explique brevemente 3 ventajas y 3 desventajas de las termorresistencias para la medición de temperatura en procesos industriales

2) Mencione 4 tipos diferentes de medidores de temperatura y describa brevemente en que consiste el funcionamiento de cada uno de ellos

3) Diga cuál es el principio de funcionamiento de los termómetros bimetálicos.

(37)

Unidad 2: Medidores de Temperatura Respuestas de la autoevaluación:

Verdadero-Falso

1) Verdadero. La termorresistencia es una resistencia que cambia su magnitud con la temperatura.

2) Falso. El recalentamiento o autorrecalentamiento es una desventaja muy desfavorable, porque una resistencia eléctrica tiende a calentarse con el paso de corriente hasta que la resistencia depende de su propio calentamiento y no de la temperatura del medio que se desea medir 3) Falso. Las Termorresistencias son mejores para largas distancias

porque el parámetro de resistencia eléctrica es menos afectado por las distancias que el voltaje.

4) Falso. Las termocuplas son sensibles a la interferencia electromagnética, lo que perturba las mediciones realizadas con ella 5) Verdadero. Las termocuplas, por su construcción de dos hilos, son

resistentes a la vibración. Desarrollo.

1) Para esta pregunta, consulta la sección de Termorresistencias, allí encontrarás las ventajas y desventajas de su utilización.

2) Para una respuesta a esta pregunta, revisa la sección de elementos primarios de temperatura, la sección de termocuplas, termorresistencias y la sección de otros elementos primarios de temperatura. Se discutió el funcionamiento de

a. Termometro de vidrio b. Termómetro bimetálico c. Termómetros llenos de fluido d. Termocuplas e. Termorresistencias f. Pirómetros g. Termómetros acústicos h. Termómetros de cuarzo i. Termistores

3) El principio de funcionamiento de los termómetros bimetálicos yace en el distinto coeficiente de dilatación térmica de dos metales diferentes, que al ser laminados conjuntamente, producen una deflexión al ser sometidos a cambios de temperatura, la cual puede medirse por la transmisión del movimiento a una aguja o eje.

(38)

Mejorando tu experiencia

¡Interactúa con el facilitador!. Si no lo haces, te puedes sentir aislado Lee comprensivamente.

Planifica tu tiempo.

Responde las preguntas propuestas.

Consulta otras fuentes de contenido, no te limites a esta guía didáctica.

Referencias:

Creus, Antonio. Instrumentación industrial. Editorial Marcombo. Capitulo 6.

Doebelin, Ernest. Sistemas de medición e instrumentación. Editorial Mc-Graw Hill. Quinta edición. Capítulo 8.

Soisson, Harold. Instrumentación Industrial. Editorial Limusa. Primera edición. Capitulo 4 y 5.

Smith, Carlos y Corripio, Armando. Control Automático de Procesos. Editorial Limusa. Apéndice C, páginas 663 a 669.

Dunn, William. Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control. Editorial Mc-Graw Hill. Primera edición. Capítulo VIII. Considine, Douglas. Process/industrial Instruments & Control Handbook. Editorial Mc-Graw Hill. Sección 4. Paginas 4.7 a 4.46