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MEDICIÓN Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

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DIRECTORIO DR. JOSÉ ENRIQUE VILLA RIVERA Director General DR. EFRÉN PARADA ARIAS Secretario General DR. JOSÉ MADRID FLORES Secretario Académico ING. MANUEL QUINTERO QUINTERO Secretario de Extensión e Integración Social DR. LUIS HUMBERTO FABILA CASTILLO Secretario de Investigación y Posgrado DR. VÍCTOR MANUEL LÓPEZ LÓPEZ Secretario de Servicios Educativos DR. MARIO ALBERTO RODRÍGUEZ CASAS Secretario de Administración LIC. LUIS ANTONIO RÍOS CÁRDENAS Secretario Técnico ING. LUIS EDUARDO ZEDILLO PONCE DE LEÓN Secretario Ejecutivo de la Comisión de Operación y Fomento de Actividades Académicas ING. JESÚS ORTIZ GUTIÉRREZ Secretario Ejecutivo del Patronato de Obras e Instalaciones ING. JULIO DI-BELLA ROLDÁN Director de XE-IPN TV Canal 11 LIC. LUIS ALBERTO CORTÉS ORTIZ Abogado General LIC. ARTURO SALCIDO BELTRÁN Director de Publicaciones

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MEDICIÓN Y CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES

Gustavo Villalobos Ordaz Raúl Rico Romero Fernando Eli Ortiz Hernández Marcela Adriana Montúfar Navarro

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – México –

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Medición y control de procesos industriales Primera edición: 2006 ISBN: 970-36-0339-4 D.R. © 2006 Instituto Politécnico Nacional Dirección de Publicaciones Tresguerras 27, 06040, México, DF. Impreso en México / Printed in Mexico

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Con todo cariño a la memoria de mis padres Ignacia y Gustavo. Gustavo Villalobos Ordaz

Con cariño a mis hijos Raúl, Marco Antonio, y María Esther. A mi esposa Gary, como un regalo de amor, por su esfuerzo y dedicación. A mi mamá Aurora (Lola) como un reconocimiento a su amor y prudencia. A Martha Pohls, por toda su ayuda en la elaboración de este libro. A mi escuela esperando con esta pequeña aportación ayudar para que día con día, se engrandezca. Raúl Rico Romero

Con amor para Inés. Fernando Eli Ortiz Hernández

A mi hijo Ignacio Maximiliano con todo mi amor y cariño. Marcela Adriana Montúfar Navarro

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Contenido



Capítulo 1 DEFINICIONES Interpretación de las especificaciones.................................................................19 Rango (Range).............................................................................................................20 Rango de medición ....................................................................................................20 Alcance (Span)...........................................................................................................20 Rango con cero elevado...........................................................................................21 Rango con cero suprimido.......................................................................................21 Variabilidad del rango (Rangeability).................................................................21 Exactitud (Accuracy)................................................................................................21 Exactitud basada en el valor más alejado...........................................................22 Exactitud basada en la desviación promedio......................................................22 Exactitud basada en la desviación estándar.......................................................22 Error de medición......................................................................................................23 Error de incertidumbre............................................................................................23 Precisión......................................................................................................................24 Repetibilidad...............................................................................................................24 Reproducibilidad........................................................................................................24 Resolución...................................................................................................................25 Sensitividad (Función de transferencia) ............................................................26 Linealidad...................................................................................................................26 Histéresis.....................................................................................................................27 Banda muerta (Dead zone or dead band)..............................................................28 Corrimiento del cero................................................................................................28 Ruido.............................................................................................................................29 Términos dinámicos...................................................................................................29 Tiempo de respuesta...................................................................................................30 Términos relacionados con la energía.................................................................31 Términos relacionados con la operación............................................................32 Unidades de medición...............................................................................................32 Unidades del Sistema Internacional (SI).............................................................32 Prefijos.........................................................................................................................33 Unidades inglesas......................................................................................................34 Masa y peso..................................................................................................................35 

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Calibración.................................................................................................................35 Estándares...................................................................................................................36 Laboratorio de calibración.....................................................................................37 Estándares de laboratorio......................................................................................37 Certificados y registros de calibración...............................................................38 Resumen........................................................................................................................39

Capítulo 2 SÍMBOLOS Y DIAGRAMAS Simbología...................................................................................................................41 Identificación del lazo............................................................................................44 Instrumentos con igual identificación funcional ...........................................44 Símbolos de las señales de la instrumentación..................................................45 Empleo de los símbolos.............................................................................................45 Símbolos para diferentes variables........................................................................47 Temperatura................................................................................................................48 Presión.........................................................................................................................49 Nivel.............................................................................................................................49 Flujo..............................................................................................................................50 Elementos finales de control.................................................................................50 Símbolos varios...........................................................................................................52 Diagramas....................................................................................................................52 Diagrama de ubicación ............................................................................................54 Diagramas de lazos...................................................................................................54 Diagrama de instalación.........................................................................................55 Diagrama de alambrado...........................................................................................55 Resumen........................................................................................................................62

Capítulo 3 TEMPERATURA Temperatura................................................................................................................63 Dilatación ..................................................................................................................64 Por qué se dilatan los sólidos ...............................................................................65 Dilatación lineal......................................................................................................65 Coeficiente de dilatación lineal............................................................................65 Dilatación superficial y volumétrica...................................................................66

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Dilatación en líquidos.............................................................................................67 Comportamiento de los gases..................................................................................67 Transformación isotérmica ...................................................................................68 Transformación isobárica.......................................................................................68 Dilatación en los gases............................................................................................69 Calor............................................................................................................................69 Transmisión de calor................................................................................................70 Capacidad térmica.....................................................................................................71 Calor específico.........................................................................................................72 Estado físico cambiante (Calor de absorción)....................................................72 Escalas de temperatura............................................................................................72 Escalas de calibración ............................................................................................73 Estándares primarios y secundarios......................................................................77 Aplicación industrial de mediciones de temperatura.......................................77 Clasificación por método de detección................................................................78 Rangos .........................................................................................................................78 Detección de temperatura mediante cambios de color y forma . ...................79 Resumen........................................................................................................................83

Capítulo 3.1 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ELÉCTRICA Termopares .................................................................................................................85 Propiedades de termopares......................................................................................93 Materiales de los termopares.................................................................................94 Tablas de temperatura-milivoltaje........................................................................94 Relación voltaje-temperatura para diferentes termopares.............................95 Respuesta de diferentes termopares.......................................................................96 Conversión de temperatura a voltaje...................................................................96 Polaridad....................................................................................................................98 Alambres de extensión............................................................................................100 Fabricación................................................................................................................100 Tipos de uniones.......................................................................................................101 Termopozos................................................................................................................105 Consideraciones de diseño.....................................................................................106 Selección del termopar y del tipo de alambre...................................................107 Tamaño de alambre..................................................................................................109 Blindaje......................................................................................................................110

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Circuitos de medición.............................................................................................113 Compensación de temperatura ambiente............................................................113 Compensación con resistencias............................................................................114 Compensación con circuitos electrónicos........................................................114 Conceptos de transductores resistivos de temperatura.................................115 Efectos de la temperatura en los conductores................................................116 Coeficiente de temperatura de la resistencia...................................................116 Bulbo de resistencia RTD.......................................................................................118 Características de los materiales.......................................................................119 Construcción de un RTD.......................................................................................119 Terminales de conexión..........................................................................................120 Configuración de alambres de conexión............................................................121 Fundas y cabezas......................................................................................................121 El elemento sensor..................................................................................................122 Características .......................................................................................................123 Termopozos para los RTD......................................................................................124 Circuitos puente con RTD.....................................................................................125 Errores en la medición...........................................................................................126 Ventajas y desventajas de los RTD´s...................................................................129 Termistores ..............................................................................................................129 Tipos de termistores................................................................................................130 Características básicas de los termistores.......................................................130 Resistencia fría........................................................................................................131 Resistencia caliente................................................................................................131 Resistencia contra temperatura..........................................................................131 Voltaje contra corriente.......................................................................................132 Corriente contra tiempo.......................................................................................132 Temperatura estándar de referencia..................................................................133 Rangos de operación...............................................................................................133 Constante de tiempo................................................................................................134 Constante de disipación ( d )..................................................................................134 Sensitividad...............................................................................................................134 Coeficiente de temperatura...................................................................................134 Potencia (Máxima Pm).............................................................................................134 Fabricación................................................................................................................136 Aplicaciones.............................................................................................................138 Circuitos integrados para medición de temperatura .....................................140 Resumen......................................................................................................................144

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Capítulo 3.2 TERMÓMETROS Termómetros bimetálicos.......................................................................................145 Dilatación lineal....................................................................................................145 Termómetro de vidrio.............................................................................................150 Termómetros de sistema lleno..............................................................................152 Clasificación de los sistemas llenos...................................................................153 Sistemas llenos de líquido.....................................................................................153 Sistemas de presión de vapor.................................................................................156 Sistemas llenos de gas............................................................................................159 Clasificación de termómetros clase III..............................................................159 Sistemas llenos de mercurio..................................................................................160 Clasificación de termómetros clase V...............................................................161 Bulbos, termopozos y tubos capilares..................................................................161 Tipos de bulbos de los termómetros.....................................................................162 Características de respuesta................................................................................162 Transmisores de temperatura para sistema de bulbo.......................................163 Ventajas y desventajas............................................................................................164 Resumen......................................................................................................................165

Capítulo 3.2 PIROMETRÍA Actividad molecular y radiación electromagnética......................................167 Definición de pirometría........................................................................................169 Emisividad..................................................................................................................170 Relación energía radiante-temperatura...........................................................172 Intensidad contra longitud de onda..................................................................173 Pirómetros y longitudes de onda.........................................................................174 Pirómetros de banda angosta (Pirómetros ópticos)........................................174 Pirómetro óptico manual......................................................................................175 Usos de un pirómetro óptico.................................................................................176 Pirómetros ópticos automáticos..........................................................................177 Pirómetros de banda amplia (Pirómetros de radiación).................................178 Uso de los pirómetros de banda ancha...............................................................180 Pirómetros pasabanda............................................................................................181 Correcciones en las lecturas...............................................................................182 Resumen......................................................................................................................184

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Capítulo 4 CLASIFICACIÓN DE LAS PRESIONES Presión en líquidos..................................................................................................186 Definición de presión..............................................................................................187 Unidades de medición de presión..........................................................................187 El volumen de un líquido y su relación con la presión..................................188 Densidad y densidad relativa................................................................................188 El concepto “head” para la medición de niveles de líquidos........................190 Presión en líquidos..................................................................................................191 Presión manométrica y presión absoluta...........................................................192 Medición de presión en líquidos...........................................................................193 Medición de presión en gases................................................................................196 Modelo de un gas.....................................................................................................196 Volumen y presión de un gas.................................................................................197 Relación entre presión y temperatura de un gas..............................................197 Tipos de presión........................................................................................................198 Presión en una tubería...........................................................................................199 Resumen......................................................................................................................201

Capítulo 4.1 SENSORES DE PRESIÓN Instrumentos sensores de presión húmedos y secos..........................................203 Manómetros húmedos.............................................................................................203 Balanza de pesos muertos......................................................................................206 Manómetros secos...................................................................................................207 Sensores de tubo de bourdón.................................................................................208 Cuidados del tubo bourdón...................................................................................213 Medición de presión con diafragma....................................................................215 Medición de presión con cápsula.........................................................................216 Medición de presión con fuelle............................................................................217 Resumen......................................................................................................................219

Capítulo 4.2 TRANSDUCTORES DE PRESIÓN Transductor de presión neumático......................................................................221 Transductor de presión electrónico...................................................................224

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Transductor de presión tipo potenciométrico..................................................224 Transductor de presión mediante capacitancia variable...............................226 Transductor de presión mediante reluctancia.................................................228 Servotransductores de presión............................................................................230 Transmisor tipo medidor de esfuerzos (Strain gauge).....................................233 Transductores de presión en base al efecto piezorresistivo..........................235 Interruptor de Presión...........................................................................................237 Resumen......................................................................................................................240

Capítulo 5 MEDICIÓN DE NIVEL Nivel de líquidos en tanques abiertos y cerrados............................................241 Indicación visual de nivel con mirillas e indicadores de vidrio..................242 Medición de nivel por burbujeo............................................................................243 Sistema de caja con diafragma.............................................................................245 Transmisor de nivel de brida con diafragma....................................................245 Medición de nivel con instrumentos tipo flotador y desplazador..............250 Flotador y cable.......................................................................................................254 Medidor tipo radiactivo........................................................................................255 Transmisor de nivel por ultrasonido.................................................................256 Medidor de nivel tipo capacitivo.........................................................................259 Medición de nivel de sólidos.................................................................................262 Instrumentos para control de un punto de nivel............................................262 Interruptor tipo diafragma...................................................................................263 Interruptor de nivel tipo paleta..........................................................................264 Interruptor de nivel de cono colgante..............................................................265 Interruptor de nivel tipo celda............................................................................266 Medición continua de nivel de sólidos..............................................................266 Resumen......................................................................................................................268 BIBLIOGRAFÍA.........................................................................................................269

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INTRODUCCIÓN El mundo de la instrumentación y el control de procesos está entrando en una era de cambio total, en donde los dispositivos de medición se vuelven cada vez más rápidos mediante el manejo de señales digitales, de equipos más sofisticados, y las comunicaciones estándares se mueven al mismo ritmo y por consiguiente los principios de operación de la mayoría de la instrumentación aplicada en el control de procesos ha cambiado significativamente. Si consideramos que todo elemento primario tiene de alguna manera que interaccionar con la variable de proceso para poder registrar los cambios que en ella se realicen, entonces es necesario conocer primeramente los principios físicos, eléctricos, hidráulicos y neumáticos básicos con los cuales funcionan dichos detectores y la manera que se adecuan las señales para poder ser transmitidas y manipuladas. Este libro, que es el resultado de un exhaustivo trabajo hecho por los autores dentro del Proyecto de Investigación CGEPI 2001 0597 y con registro en CONACYT SIBEJ 20000 50 3002, tiene varios propósitos: primeramente, ver el entorno en el área de instrumentación, comenzando con algunas definiciones que se emplean en las hojas de especificaciones de equipos e instrumentos. Otra función de esta obra es describir los lineamientos que se emplean en la elaboración de diagramas y la simbología establecida, para llevar a cabo la documentación necesaria que toda planta de procesos requiere; y por último, explicar los métodos más modernos de detección de las variables en cada punto importante de la planta y el manejo adecuado de la señal para indicar, registrar o controlar, de forma tradicional o con sistemas de control por computadora, las variables de proceso. Sin embargo, ya que día con día se están liberando nuevas tecnologías, será necesario que el lector incursione en fuentes de investigación en el área de instrumentación y procesos, como lo son los temas que trata este libro, lo que le permitirá estar actualizado en el estado del arte para hacer ingeniería de diseño y de detalle con el fin de instrumentar adecuadamente plantas de proceso, o modernizar las ya existentes con nuevos y más avanzados sistemas de control que permitan a las industrias ser competitivas en el entorno de la globalización.

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Capítulo 1

Definiciones En este capítulo conocerá: • Los términos más comúnmente empleados en la medición y el control de procesos • Las unidades empleadas para especificar el valor de las variables de procesos • Algunos conceptos de calibración

Uno de los puntos principales en el mundo de la instrumentación, es la terminología que se emplea para poder conocer las especificaciones con la que los fabricantes de equipo e instrumentos diseñan, desarrollan, prueban y los calibran. Aunado a esto, los técnicos, ingenieros e individuos relacionados con el campo de control de procesos deberán de conocer esta terminología para poder comunicarse de manera adecuada y poder emplear lo mejor de la instrumentación para el control de los procesos. Por ejemplo, si especialistas en la industria petrolera establecen que la temperatura dentro de un reactor será de 500oC para asegurar la calidad del producto, entonces se deberá de conocer qué equipo emplear, en qué rango de operación y con qué exactitud y precisión deberá operar para efectuar la medición adecuada, además de otras características como los materiales de las partes en contacto con el proceso, tipo de montaje, si debe tener protección para áreas peligrosas o no y otras más que se manejan en la instrumentación. Finalmente se deberá cumplir con las especificaciones establecidas. Interpretación de las especificaciones En el control de procesos el término especificaciones se usa para describir las características de un sistema de medición o transductor que usualmente se muestra en las hojas de especificaciones de cada instrumento. Esos términos son usados por los ingenieros que diseñan el proceso para seleccionar el tipo de equipo requerido. Aunque no existe un acuerdo universal en el significado de los términos, sí se tiene un acuerdo en su interpretación. Usualmente se manejan ciertas especificaciones generales en los equipos, los términos descritos posteriormente podrán ser una guía para identificar las características de los instrumentos de control de procesos que se estén empleando. Antes de instalar cualquier equipo, asegúrese de contar con las hojas de especificaciones para seleccionarlos en función de las condiciones del proceso. 19

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Rango (Range) Las características de los instrumentos relacionadas con el rango engloban las particularidades distintivas que poseen los mismos con respecto a la banda de valores de la variable medida. A continuación se presentan las características más importantes. Rango de medición Es el espectro de valores de la variable medida comprendido entre dos límites, dentro de los cuales es recibida, transmitida, o indicada la señal. El rango de medición debe estar expresado en unidades de la variable medida, aun cuando en algunos casos también se puede especificar en función del rango de la variable recibida o transmitida. Por ejemplo: un transmisor de temperatura puede tener un rango de medición de –10oC a 50oC en función de la variable medida, un rango en la entrada de –10 a 100 milivolts equivalente al rango de temperatura, y un rango en la salida de 4 a 20 miliamperes. Al límite alto del rango de medición se le denomina rango superior (RS), mientras que al límite bajo del rango de medición se le denomina rango inferior (RI). Un instrumento no necesariamente debe ser calibrado en un rango de medición único. Por ejemplo un multímetro digital puede tener los siguientes rangos de medición seleccionados con un interruptor o perilla de selección: 0 a 2 volts, 0 a 20 volts, 0 a 200 volts y 0 a 2000 volts; en este caso se dice que el instrumento es de multirrango. Alcance (Span) El alcance del instrumento se define como el rango superior (RS) menos el rango inferior (RI). Alcance (Span) = Rango Superior (RS) – Rango Inferior (RI) Típicamente en los instrumentos multirrango también puede variar el alcance. El alcance del instrumento es un parámetro muy importante, ya que gran parte de las características del mismo están expresadas en función del alcance o del rango superior (RS). Como ejemplo, si tenemos un medidor de temperatura con un rango de 100°C a 500°C éste tendrá un alcance (Span) de 400°C. Alcance (Span) = Rango Superior (RS) – Rango Inferior (RI) = 500°C – 100°C = 400°C

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Definiciones

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Rango con cero elevado La variabilidad del rango de un instrumento, se define como la relación entre el valor máximo y el valor mínimo que se puede medir. El factor de elevación de cero (FE) se calcula de la siguiente manera: Factor de Elevación (FE) = Valor absoluto de Rango Inferior | (RI) | / Alcance (Span) Rango con cero suprimido Cuando el cero de la variable medida está por debajo del rango inferior (RI), se dice que el instrumento tiene el rango en el cero suprimido o que tiene supresión de cero. Ejemplos: 30 a 300, 100 a 500. El factor de supresión de cero (FS) se calcula como: Factor de supresión (FS) = Valor absoluto de Rango Inferior | (RI) | / Alcance (Span) La siguiente tabla muestra un ejemplo del uso de la terminología asociada al rango y al alcance, donde RI es el rango inferior y RS el superior. Rangos típicos

0 -25 0 20

100 100 100

Nombre

Rango

RI

RS

Span

Datos adicionales

---

0 a 100

0

100

100

----

Cero elevado

-25 a 100

-25

100

125

Factor de elevación = 0.25

Cero suprimido

20 a 100

20

100

80

Factor de supresión = 0.20

Variabilidad del rango (Rangeability) La variabilidad del rango de un instrumento, se define como la relación entre el valor máximo y el valor mínimo que se puede medir. Por ejemplo, un indicador de flujo que tenga una variabilidad de rango de 3:1, indica que el máximo flujo que puede medir es tres veces mayor que el rango mínimo. Normalmente la variabilidad del rango es una característica principalmente asociada a los instrumentos de medición de flujo y a las válvulas para control de flujo. Exactitud (Accuracy) Es la proximidad de concordancia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la variable medida. La exactitud es usualmente expresada como un porciento

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de incertidumbre con respecto a alguna parte de la medición. Así, un sistema para medir presión de 0 a 150 libras por pulgada cuadrada (psi por sus siglas en inglés pounds per square inches) puede ser especificado para tener una exactitud de ± 2 % a escala total (FS por sus siglas en inglés Full Scale). Esto significa que cualquier lectura puede tener una incertidumbre de ± (0.2)(150) = ± 3 psi. Si la lectura es de 49 psi entonces la presión actual se encuentra entre 46 y 52 psi. La exactitud de un instrumento de medición es su aptitud para dar respuestas próximas al valor verdadero, y su inexactitud es una fuente de error en la medición, aunque generalmente no es la única. Muchos fabricantes de instrumentos incluyen en el valor de exactitud, los errores por histéresis, banda muerta, repetibilidad y linealidad de un instrumento. Existen varias formas de estimar la exactitud de un instrumento, las cuales se explican a continuación. Exactitud basada en el valor más alejado En este caso se toma el error mayor obtenido durante el proceso de calibración del instrumento, ya sea que éste halla sido recorriendo la escala en sentido ascendente o descendente. Dicho error corresponde al valor más alejado del valor real o ideal. Exactitud = ± [Vm(valor más alejado) – Vr(valor real)] Exactitud basada en la desviación promedio En este caso se calcula la desviación promedio de todas las mediciones tomadas para una misma entrada, y se expresa como la exactitud ± d

Un instrumento tiene diferentes exactitudes en diferentes puntos del rango de medición. Para calcular la exactitud total (en todo el rango de medición) se toma entonces la desviación promedio mayor encontrada. Exactitud basada en la desviación estándar En este caso se calcula la desviación estándar del error de todas las mediciones tomadas, para lo cual se asume que el error sigue una curva de distribución normal. La fórmula utilizada para calcular la desviación estándar S, es la siguiente:

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Definiciones

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donde xi es el resultado de la iésima medición y x es la media aritmética de los n resultados considerados. El error en la medición e, puede estar expresado en unidades de la variable medida o relativos al alcance. La exactitud se calcula entonces de acuerdo a la siguiente fórmula: Xi = (ei – eprom) ei = error en la medición iésima eprom = error promedio de las mediciones Exactitud = (e – kS) Frecuentemente la exactitud total de una medición es determinada por la exactitud de cada uno de los elementos que componen el sistema. Así, si un transductor es usado con algún acondicionador de señal o un transmisor, cada elemento tendrá una relación de entrada/salida. Para determinar el peor de los casos, se deben sumar todas las exactitudes de todos los elementos. La exactitud de un transductor o de otro equipo e instrumento de medición es parte de las especificaciones que acompañan a éste. Error de medición El error es el resultado de una medición, menos el valor verdadero (el resultado de un mensurando menos el valor verdadero del mensurando) y expresa una diferencia entre el valor actual de alguna variable y el valor que debería indicar la medición de esa variable. En toda aplicación se desearía que el error fuese 0; sin embargo, todos los instrumentos modifican su comportamiento a lo largo de su vida y por tanto deben ser calibrados periódicamente. El valor de un error está determinado por la cuidadosa medición hecha con un instrumento de calibración. Por lo tanto, si un transductor indica el valor de 50 libras por pulgada cuadrada y la presión real es de 45 psi, entonces se tiene un error de 5 psi (10%) por descalibración del instrumento Error de incertidumbre Un error de incertidumbre es el valor que se determina para un instrumento y que debe ser tomado en cuenta cuando se registra la lectura de una cierta variable. La mayor parte de los términos definidos posteriormente tendrán que ver con este tipo de error. Por ejemplo: si se tiene un instrumento con una exactitud de ± 3 % de lectura instantánea en un proceso con temperatura real de 350oC, como el 3 % de 350 es 10.5, se puede tener

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una lectura de incertidumbre de 350°C - 10.5°C = 339.5°C a 350°C + 10.5°C = 360.5°C; porque éste fue el error que se determinó para este instrumento ( ± 3 %), y no habrá forma de medir la temperatura más cercana a la real que cualquiera de estos dos puntos. Precisión Muchos autores consideran sinónimos los términos exactitud y precisión, sin embargo en instrumentación se ha considerado la exactitud con la definición ya expresada “la proximidad de concordancia entre el resultado de una medición y el valor verdadero de la variable medida”; y el término precisión considera el grado de legibilidad del instrumento. Repetibilidad La repetibilidad es la proximidad de concordancia entre los resultados de mediciones sucesivas de la misma variable realizadas bajo las mismas condiciones de operación. Reproducibilidad Es la proximidad de concordancia entre los resultados de mediciones de la misma variable realizadas bajo condiciones cambiantes de medición. Corrimientos internos impredecibles e influencias externas pueden causar que un instrumento indique diferentes valores para un mismo valor de la variable, y las lecturas podrán estar dentro del valor de la exactitud del instrumento, pero diferirán una de la otra. El instrumento con mejor repetibilidad será el que sus lecturas se repitan en un mismo valor y es usualmente definida como un porcentaje de la lectura, así que si un instrumento de presión tiene una repetibilidad de ± 0.1%, que es lo común en especificaciones, indica que para un mismo valor de la variable se repetirá la lectura de tal manera que de cada 1000 lecturas sólo una será diferente, considerando el mismo procedimiento de medición, el mismo observador, el mismo instrumento de medición utilizado bajo las mismas condiciones. En la figura 1-1, se puede ver que la diferencia entre exactitud y la precisión radica en que en la primera, las lecturas pueden estar dentro del margen de error de exactitud y en la otra pueden estar dentro o fuera del margen de error de exactitud del instrumento siempre y cuando las lecturas estén dentro del margen de error de precisión establecido. Obviamente cuando las lecturas están dentro de los márgenes de error muy pequeños, tanto de exactitud como de precisión, el instrumento tendrá un mejor desempeño.

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Definiciones

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Fig. 1-1. Diferencia entre exactitud y precisión.

Resolución La resolución de un sistema de medición se refiere al cambio mínimo detectable en la variable medida y por consiguiente contribuye a la exactitud del sistema. Por ejemplo, si un sistema medidor de presión tiene una resolución de 0.5 psi en el rango de 0 a 100 psi, significa que si la presión cambia 0.5 psi, el sistema de medición será capaz de detectar que este cambio ha ocurrido. (Si la presión cambia 0.4 psi, entonces el sistema no detectará ningún cambio.) La resolución no siempre es fácil de definir, ya que ésta depende de las condiciones de la señal y otros aspectos del sistema de medición. Por ejemplo, si un transductor convierte una fuerza a un cambio en resistencia, la resolución es determinada por los pequeños cambios de resistencia que pueden ser medidos. La resolución forma parte de la exactitud establecida, y un instrumento no puede tener más exactitud que la capacidad de resolución que le permita el sistema. Supongamos que tenemos un sistema rotatorio usando un potenciómetro de alambre como el mostrado en la figura 1-2.

Brazo giratorio

Rotación



Flecha

Resistencia

Fig. 1-2. Potenciómetro de alambre con una resolución de un grado.

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Notará que se tiene enrollado un alambre con 360 vueltas (espiras) y se requiere de un grado de rotación para que el potenciómetro se mueva de una espira a la otra. Sensitividad (Función de transferencia) Aunque la resolución y la sensitividad de un transductor o sistema de medición están muy relacionados, normalmente la sensitividad es la que se menciona en las hojas de especificaciones de los instrumentos. La función de transferencia se relaciona con una parte específica de un sistema, así como en todo el sistema de medición o control. La función de transferencia es la relación de salida/entrada de un sistema lineal y también se podría considerar el término de ganancia. Un ejemplo de sensitividad sería el considerar un transductor que convierte temperatura a resistencia. La relación salida/entrada (función de transferencia) indica qué tanto cambio de resistencia se tiene con respecto a la temperatura. Si el dispositivo se especificó con una resistencia de 500 ohms a 20°C, su sensitividad es de 25 ohms/°C; entonces se puede conocer el valor de la resistencia a cualquier temperatura, como el de la temperatura a cualquier valor de resistencia. Si la temperatura aumenta de 20oC a 25°C, se tendrá un nuevo valor de resistencia, que será 500 ohms más 25 ohms/°C, ya que la resistencia aumenta 125 ohms por grado Celsius (oC), de tal manera que finalmente se tendrá un valor de resistencia de 625 ohms. Linealidad La aproximación más cercana de una curva de calibración, a una línea recta previamente establecida, es lo que se conoce como linealidad Como una especificación de desempeño en un instrumento, la linealidad debe ser expresada como linealidad independiente, linealidad basada en un extremo o linealidad basada en cero. Cuando se expresa simplemente como linealidad, se supone que se refiere a la linealidad independiente. En la figura 1-3, se muestra un ejemplo de respuesta lineal que relaciona la resistencia con la temperatura. Observe que la relación entre la temperatura y la resistencia se puede graficar como una línea recta. En estos casos, la sensitividad (función de transferencia) es específicamente la pendiente de la línea (mientras más inclinada es la línea, más sensible es el dispositivo). La curva A podría corresponder a un transductor como el que se mencionó anteriormente, y la curva B representa el instrumento con el cual fue comparada. Podemos observar que la curva A, aunque no se apega a los valores del instrumento con el que se comparó, tiene una respuesta que se considera lineal.

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Definiciones

R E S I S T E N C I A

27

6 5 B 4 3 2

0

A

4

8 Temperatura

12

16

Fig. 1-3. Ejemplos de funciones de transferencia lineales.

Como en una respuesta no lineal no se puede relacionar la salida y la entrada, con una ecuación lineal, se toma la parte donde la curva sea lo más lineal posible y se busca su función de transferencia. Histéresis En un proceso de operación o calibración, cuando se le aplica señal (entrada) a un equipo o instrumento, su respuesta (salida) tiende a ser de manera continua y repetitiva, independientemente de si el valor de la variable ha estado aumentando o disminuyendo. Cuando por la característica del elemento o por la fatiga del mismo, la respuesta no es la misma si el valor de la variable va en aumento o en disminución, este fenómeno es llamado histéresis. La figura 1-4 inciso A representa un instrumento sin histéresis para el cual una relación de presión dada, produce una corriente con una función de transferencia; se observa que a 0 psi (libras por pulgada cuadrada) se tiene una corriente de 4 mA (miliamperes) y a 100 psi se tiene 20 mA. Como se puede observar la entrada es de 0-100 psi y la salida de 4-20 mA. En consecuencia, para cada punto de presión le corresponde un valor proporcional en corriente, por ejemplo: si la presión aumenta de 0 a 50 psi, la corriente aumenta de 4 a 12 mA, o si la presión disminuye de 100 a 50 psi, la corriente disminuye de 20 a 12 mA.

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En la figura 1-4 (B) se tiene un instrumento con histéresis. Se puede observar que la respuesta en la relación presión-corriente, depende de si la presión ha estado por arriba o por debajo de la lectura actual. En este caso, las corrientes y presiones en los extremos son siempre 0-100 psi y 4-20 mA, pero en los puntos intermedios, la corriente depende si la presión está aumentando o disminuyendo. En consecuencia, para 50 psi la corriente será 12 mA si el valor de la presión está aumentando partiendo de 0 psi. Pero si la presión está disminuyendo desde 100 psi, entonces al valor en 50 psi le corresponderá una salida de 14 mA. Esta condición es expresada a menudo como un porcentaje de incertidumbre de lectura en las especificaciones del transductor y es un componente de la exactitud especificada por el fabricante del instrumento.

20

20

16 C O R 12 R I E 8 N T E 4

C O R R I E N T E

A

20

40

60

80

16 12

100

PRESION

8

B

4

20

40

60

80

100

PRESION

Fig. 1-4. La histéresis relaciona la entrada del instrumento con su salida.

Banda muerta (Dead zone or dead band) Es el rango de valores de la variable de entrada en donde no se logra cambiar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, que la salida no responde a la entrada. Viene dado en porciento del alcance (Span). La causa directa de la banda muerta, es la fricción o juego entre las piezas del instrumento. El término de sensitividad es frecuentemente empleado para representar la banda muerta. Corrimiento del cero La lectura en cero suele cambiar por razones asociadas al uso de un instrumento o por el envejecimiento que las etapas amplificadoras sufren generando corrimientos de la señal en el tiempo (como, por ejemplo, la línea base de un cromatograma). Los instrumentos deben especificar su tolerancia al corrimiento del cero y además, los procedimientos y

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Definiciones

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periodicidad en que deben efectuarse recalibraciones. Un caso muy típico es el cero de la escala de pH, donde la concentración molar de iones hidrógeno H+ es igual a la de iones hidroxilo OH- con un valor de pH igual a 7.00 y que se debe recalibrar frecuentemente. Ruido Es cualquier perturbación eléctrica o señal accidental no deseada que modifica la transmisión, indicación o registro de los datos deseados. Términos dinámicos Constante de tiempo. Este concepto es conocido también como retraso en la transmisión o tiempo muerto y es el tiempo que tarda el instrumento en alcanzar el 63% del cambio total de la variable. Para entender este fenómeno se considerará la ecuación en el tiempo para un sistema de primer orden, en la cual la constante de tiempo es parte de los componentes físicos del sistema, pudiendo ser una resistencia (R) y un capacitor (C), que en este caso definen la constante de tiempo.

C(t) = ( 1 – e -t/RC) u ( t ) La constante de tiempo representa el tiempo transcurrido desde el instante en que se aplica la excitación hasta que la respuesta alcanza el 63% de su valor final. Si se tiene un cambio repentino en la variable de entrada como se muestra en la figura 1-5, en donde la entrada es la presión y la salida es un voltaje, se observa que en 3 segundos, la salida del transductor ha alcanzado los 2.52 volts. Como la salida varía de 0 a 4 volts, para un cambio total de 4 V, el 63% es 2.52 V. Así pues, una medición de 2.52 V representa 63% del cambio esperado.

Fig. 1-5. Respuesta de la constante de tiempo de un sistema.

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Por lo tanto, la constante de tiempo de este transductor es de 3 segundos. Se considera que cuando la salida alcanza el 63% de la señal de excitación (entrada) se dice que se tiene una constante de tiempo, para este caso dos constantes de tiempo serían 6 segundos y así sucesivamente. Para describir este efecto, necesitamos asignar algún valor a RC para definir la respuesta en el tiempo de un sistema de medición. Así pues, la curva A en la figura 1-6 muestra la respuesta en el tiempo de un transductor A con una constante de tiempo diferente al de las curvas B y C. PSI

6 5

200

V O L T S

4

A

3 B

2 100

C

1

0

4

8

12

16

Tiempo Fig. 1-6. Diferentes constantes de tiempo.

Estas curvas difieren obviamente en la velocidad de respuesta ante un cambio de entrada de la variable medida. La constante de tiempo es utilizada para cambiar la velocidad de respuesta del sistema en el tiempo, y esta velocidad de respuesta depende de los componentes empleados en la construcción del mismo. Mientras más grande sea la constante de tiempo, más lenta será la respuesta del sistema (pendiente menos inclinada) y mientras más pequeña sea la constante de tiempo, más rápida será la respuesta del sistema (pendiente más inclinada). La constante de tiempo es otro aspecto importante dentro de las especificaciones de un transductor o equipo. Tiempo de respuesta La medición de cualquier variable de proceso puede implicar una demora, (debida a fenómenos de equilibrio, transporte, etc.) que debe ser definida adecuadamente. Si la medición tiene una cinética más lenta que la de la propia variable, habrá que disponer de sistemas de predicción del valor en lugar de descansar sólo sobre la medición instrumental.

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Definiciones

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Se puede entender mejor el tiempo de respuesta de un transductor, si se considera el tiempo que puede tardar en responder el sistema (retardo por transporte) y la constante de tiempo del mismo. Para comprender este concepto, considérese que la variable medida cambia súbitamente de valor. Por ejemplo, en la figura 1-7 se muestra que la presión que se está midiendo de pronto cambia de 0 a 200 psi. No es posible esperar que el sistema de medición responda a la misma velocidad a la que la presión cambió. Así pues, se debe esperar un cierto tiempo (tiempo muerto L), más un tiempo de subida (T), para obtener una respuesta aproximada de salida a esa variación. El tiempo de respuesta usualmente se establece entre un 90, 95 o 99 % del escalón.

Fig. 1-7. Respuesta en tiempo de un sistema, a una entrada tipo escalón.

Términos relacionados con la energía

Suministro de presión: A los instrumentos neumáticos como transmisores o controladores, se les suministra aire a la presión de 20 psi.

Suministro de voltaje: es la señal eléctrica suministrada a las terminales de los instrumentos electrónicos. Los voltajes típicos son los siguientes:

117 volts ± 10%, 60 Hertz 24 volts de corriente directa ± 10%

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Términos relacionados con la operación Son las condiciones de operación tales como: temperatura ambiente, humedad, presión ambiente, vibraciones, etc. a las cuales está sujeto un instrumento. En los equipos e instrumentos electrónicos la hoja de especificaciones indican la humedad, temperatura y vibración que resiste el instrumento, y que el fabricante determina en base a pruebas especiales, lo que permite conocer los rangos de operación entre los cuales el equipo operará sin que sus componentes mecánicas y electrónicas se vean afectadas. Algunos equipos funcionan en rangos mayores que otros, debido a que los equipos de campo están fabricados para que soporten condiciones extremas del medio ambiente y los equipos de tablero o de laboratorio no lo requieren. Unidades de medición Debe haber un entendimiento común sobre las unidades que se usarán en las mediciones de variables. Por ejemplo, si se quiere hablar de distancia, entonces se debe acordar en la definición de una unidad de distancia estándar y expresar todas las distancias en términos de esta unidad. En el presente, existe cierta confusión en todas partes del mundo sobre ciertas unidades de medición. Esto se debe a que en los Estados Unidos aún no se generaliza el uso del Sistema Internacional de Unidades SI. Aún cuando la mayoría de los demás países usan las unidades del SI, los Estados Unidos utiliza el sistema inglés. Sin embargo, es necesario que una persona con orientación técnica, conozca ambos sistemas de unidades para lograr una buena comunicación. Aunque en las industrias de control de procesos esta conversión parece estar sucediendo más rápido que en muchas otras áreas, es especialmente importante familiarizarse con ambos sistemas. Unidades del Sistema Internacional (SI) Las unidades más comúnmente utilizadas en el mundo técnico fueron desarrolladas a través de un acuerdo internacional por lo cual se le conoce como el Système International d´Unites, y se abrevia SI. Este sistema utiliza las siguientes definiciones fundamentales como base: 1. Longitud metro (m) 2. Masa kilogramo(kg) 3. Tiempo segundo (s) 4. Corriente eléctrica ampere (A) 5. Temperatura kelvin (K) 6. Ángulo, plano radian (rad)

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Definiciones



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7. Ángulo, sólido steradian (sr) 8. Luminosidad candela (cd)

Las abreviaturas para las unidades listadas anteriormente se muestran entre paréntesis. Todas las demás cantidades (incluyendo la fuerza, la energía y el potencial eléctrico), se definen en términos de estas unidades. Así pues, para la energía se utiliza el Joule (J) que es equivalente a un kilogramo por metro cuadrado por segundo cuadrado (1kg x 1m2/s2). Las unidades del SI se resumen en la tabla 1-1. Se debe estar familiarizado con estas unidades y desarrollar un concepto de la magnitud de cada unidad en función de la experiencia diaria. Así pues, si alguien requiere levantar 233 kg, sabrá de inmediato si se trata de una masa pesada o ligera. Prefijos Las unidades del SI se emplean con multiplicadores (prefijos) para facilitar la expresión de números muy grandes o muy pequeños. Estos multiplicadores tienen nombres y abreviaturas estandarizadas que se emplean rutinariamente, en la tabla 1-2 se muestran los prefijos estándar. Tabla 1-1. Unidades del SI e inglesas Cantidad

Unidad del SI

Unidad inglesa Multiplique la inglesa para obtener SI

Longitud

metro

pie

0.3048

Tiempo

segundo

segundo

1

Masa

kilogramo

libra

0.4536

Corriente

ampere

ampere

1

Temperatura

kelvin

rankine

5/9

celsius

fahrenheit

5/9 (ºF -32)

Ángulo

radian

radian

1

Luminosidad

candela

candela

1

Fuerza

candela

libra

4.448

Energía

joule

pie-libra

1.356

Presión

pascal

psi

6896.6

Volumen

metro cúbico

galón

0.00379

Tabla 1-2. Prefijos métricos

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Número

Potencia de 10

Nombre

Abreviatura

1000000000000

12

Tera

T

1000000000

9

Giga

G

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1000000

6

Mega

M

1000

3

Kilo

K

1

0

-

-

0.001

-3

Mili

m

0.000001

-6

Micro

m

0.000000001

-9

Nano

n

0.000000000001

-12

Pico

P

Una presión de 20,000,000 pascales (Pa) puede ser escrita 20x 1,000,000 Pa. También podemos utilizar el prefijo para un millón, el cual es mega (M) y escribir 20 MPa. De manera similar, podemos describir una distancia de 0.00025 metros (m) como 0.25 x 0.001 m, o, utilizando el prefijo para 0.001 que es mili (mm), escribiéndolo como 0.25 mm. Observe que estos prefijos pueden ser escritos como potencias de 10 en notación científica. En este caso, un nuevo prefijo es definido por cada cambio de 3 en la potencia de diez. Si se quisiera reescribir un número como 2.31 x 10-5 amperes (A), entonces se debe desplazar el punto decimal hasta que la potencia corresponda a uno de los prefijos: 23.1 x 10-6 A o 23.1 mA. En este caso el término micro (m) significa 10-6 o una millonésima de ampere. Unidades inglesas Dado que en los Estados Unidos aún se utiliza el sistema inglés de unidades para la mayoría de la comunicación comercial y parte de la industrial, se debe ser capaz de convertir de un conjunto de unidades a otro. Tomando como referencia nuevamente a la tabla 1-1, ésta enlista algunas de las unidades inglesas más comunes, el equivalente del SI, y los factores de multiplicación utilizados para convertir de un sistema a otro. Una pulgada equivale a 2.54 cm (centímetros) y hay 30.48 cm por pie. No existe equivalente inglés para la corriente eléctrica, la luminosidad y muchas otras unidades por lo que las unidades del SI son utilizadas en estos casos. Se pueden emplear estos factores de conversión para relacionar las magnitudes del SI con las del sistema inglés. Los siguientes ejemplos ilustran el uso de la información contenida en la tabla. 1. Convertir una fuerza de 4.5 libras (lb) a Newtons (N). Según la tabla el factor es 4.448, de modo que la fuerza es

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Definiciones

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2. Convertir una distancia de 3.14 metros (m) a pies (ft). Observamos que el factor de multiplicación para convertir de pies a metros es de 0.3048, así que debemos dividir para convertir de metros a pies

3. Convertir una presión de 140 psi a kPa (kilopascales). 1 psi = 6896.6 Pa o 6.8966 kPa. Por lo tanto 140 psi x 6.8966 kPa/1 psi = 965.5 kPa. La misma conversión se puede realizar de otra forma:



Así pues,

Masa y peso Existe cierta confusión en el uso de la unidad métrica de masa (kg) y fuerza inglesa (lb). En el sistema inglés se expresa el peso de un objeto a través de la fuerza (en libras) con la que la Tierra atrae al objeto. En consecuencia, si alguien pesa 180 lb, esto significa que la Tierra ejerce una fuerza de atracción sobre esa persona de 180 lb. La fuerza de atracción de la Tierra sobre un objeto es proporcional a la masa del objeto; así, tanto esta fuerza o la masa por sí sola puede ser utilizada para describir el peso. En el sistema internacional (SI), el peso se expresa por la masa en kilogramos, en lugar de hacerlo con la fuerza de atracción en Newton. El factor de conversión es tal, que un objeto de 1 kg será atraído con una fuerza de 9.8 N o 2.2 libras. Así, si alguien pesa 180 lb, su peso en kilogramos es

Por otra parte, una masa de 233 kg pesará

Calibración Una buena comunicación de conceptos técnicos requiere de una definición consistente de los términos y las unidades usadas para las variables que son medidas. El último elemento requerido para una buena comunicación es que se pueda confiar plenamente en los instrumentos de medición que están utilizando.

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Medición y control de procesos industriales

Por ejemplo, si se quiere medir una temperatura con una exactitud de 1°C, entonces se debe adquirir un instrumento con especificaciones que digan que la medición puede realizarse con una exactitud de ± 1°C o mejor. Sin embargo, conforme pasa el tiempo es natural esperar que el uso y otros factores disminuirán la exactitud del instrumento; y aún si ésta no disminuye, ¿cómo saber si el instrumento retiene las mismas especificaciones que cuando era nuevo? En muchas operaciones industriales, los instrumentos de medición deben ser confiables de modo que provean la exactitud estipulada por el diseño original para asegurar un producto satisfactorio. Esta confianza se logra haciendo pruebas periódicas y ajustando el instrumento para verificar su desempeño. A este tipo de mantenimiento se le llama calibración. Estándares Antes de que la calibración pueda ser realizada, se debe contar con ciertos valores precisos conocidos de cantidades medidas para compararlos contra las mediciones realizadas con el instrumento que se desea calibrar. Así pues, para un instrumento que se utiliza para medir presión con exactitud de 0.01 psi se debe tener, para comparar, una fuente de presión de la cual esté seguro que provea presión en este rango u otro rango mejor. Sólo entonces se podrá decidir si el instrumento funciona satisfactoriamente. La tabla 1-3 enlista estándares para corriente, presión, tiempo y flujo. Tabla 1-3. Estándares de calibración Magnitud

Estándar

Voltaje

Celda estándar, fuente de alta precisión.

Corriente

Estándares de voltaje y estándares de resistencia o fuente de corriente de precisión.

Presión

Calibración de presión con alta exactitud en la medición.

Tiempo (Frecuencia)

WWV o contador de precisión de frecuencia con cristal.

Temperatura

Ambiente con temperatura controlada con medición exacta (RTD)

Flujo

Sistema de flujo controlado con exactitud en la medición.

Una cantidad conocida y sumamente exacta utilizada para calibrar instrumentos de medición es conocida como estándar. Una alternativa para un estándar es otro instrumento de medición capaz de medir con la misma o mayor exactitud que el instrumento que se desea calibrar. Aun así, este instrumento debe ser calibrado periódicamente para asegurar su confiabilidad.

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Definiciones

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El conjunto de estándares (patrones) con los cuales la calibración final debe realizarse son desarrollados entre otros organismos, por la Oficina Nacional de Estándares de los Estados Unidos (NBS por sus siglas en inglés). Si un complejo industrial está interesado en realizar una medición de masa, se puede instalar en la planta un laboratorio de calibración donde los instrumentos de medición de masa sean calibrados periódicamente, utilizando algunos estándares propios. Aunque esto es válido, periódicamente el laboratorio debe enviar sus propios estándares e incluso su equipo, a un laboratorio con las características de la NBS para corroborar la calibración. En este sentido, la compañía puede solicitar un seguimiento (trazabilidad) a sus procesos de calibración por parte de un organismo certificado. Laboratorio de calibración Cualquier operación industrial relacionada con la calidad en la manufactura puede tener su propio laboratorio de calibración o usar los servicios de un laboratorio de calibración comercial certificado; en cualquier caso, el equipo de medición utilizado en la operación crítica de los procesos se lleva a los laboratorios de calibración con cierta periodicidad El laboratorio de calibración sirve en todas las fases de la operación industrial desde la fabricación hasta la investigación y las funciones de desarrollo. En todos los casos, es necesario tener plena confianza en la exactitud de las mediciones, para asegurar que se está elaborando un producto satisfactorio, además de tener la confianza en el desarrollo e investigación de los productos. Estándares de laboratorio Normalmente un laboratorio de calibración típico calibra los equipos que son críticos en los procesos de producción de una compañía. En la tabla 1- 3 se mencionan algunos parámetros comunes que son utilizados en la industria y que requieren operaciones de calibración. En cada caso, el laboratorio en particular debe mantener estándares locales que puedan ser supervisados por la dependencia correspondiente de cada país. Es muy importante para todo el personal, el cooperar con la operación de calibración, aún cuando esto parezca interferir con el desarrollo del trabajo de la planta. El efectuar una mala calibración de los instrumentos se reflejará en la calidad del producto.

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Medición y control de procesos industriales

Certificados y registros de calibración En la mayoría de los casos, cuando la calidad del producto es crítica el equipo es calibrado y posteriormente certificado por el laboratorio de calibración, éste es sellado de modo que no se puedan hacer ajustes sin romper este sello. Esto se hace para que quienes operen los instrumentos, estén seguros que el equipo está calibrado cuando se efectúan mediciones del proceso. En muchos casos los sellos tienen una nota de “calibración requerida” seguida de una fecha para indicar cuándo debe ser regresado el equipo al laboratorio para ser recalibrado. Estas fechas deben ser respetadas, y el equipo debe ser regresado en la fecha que se indica. En los laboratorios de calibración se mantienen registros del equipo que es crítico, de modo que el historial de la calibración del equipo pueda ser consultado en el momento que se requiera. Esto puede ser sumamente importante para identificar alguna falla o algún funcionamiento fuera de especificaciones del proceso de manufactura.

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Definiciones

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Resumen Las características de un transductor o sistema de medición están descritas en las hojas de especificaciones proporcionadas por el fabricante de los instrumentos. Los términos usados incluyen: error, precisión, exactitud, resolución, función de transferencia, sensibilidad, grado de linealidad de la función de transferencia, histéresis, tiempo de respuesta y constante de tiempo. Tanto las unidades del Sistema Internacional de Unidades SI, como las del sistema inglés, se utilizan para describir longitud, masa, tiempo, corriente eléctrica, temperatura, ángulo sólido y plano y luminosidad. Las unidades del SI se utilizan junto con multiplicadores para facilitar la expresión de números muy grandes o muy pequeños. Para el sistema inglés no existe un arreglo similar lo que obliga a hacer conversiones de un sistema a otro. Es necesario realizar pruebas periódicas así como los ajustes de los instrumentos (calibración) para verificar su operación. Deben existir estándares disponibles contra los cuales se pueda comparar el instrumento que se quiera calibrar. Los estándares son valores conocidos (patrones) muy exactos usados para la calibración de instrumentos de medición. Las operaciones de calibración son comúnmente realizadas en laboratorios de calibración. Las operaciones industriales relacionadas con el control de calidad se valen de los servicios de los laboratorios de calibración.

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Capítulo 2

Símbolos y diagramas En este capítulo conocerá: • La simbología de las principales variables de un proceso • Los diagramas de lazos de control

Como en todas las ciencias, es importante la estandarización de las partes y el todo de un proceso, cuyo propósito es establecer de manera uniforme la designación de los instrumentos y sistemas usados en la medición y control de variables. En el área de instrumentación se ha desarrollado el tema de símbolos y diagramas buscando tener la descripción de los sistemas de control de una planta o proceso de manera estandarizada. Los símbolos y diagramas son usados en el control de procesos para indicar la aplicación en el proceso, el tipo de señales empleadas, la secuencia de componentes interconectados, y de alguna manera, la instrumentación empleada. En América, la Sociedad de Instrumentistas de América (ISA por sus siglas en inglés de Instruments Society of America) publica normas para símbolos, términos y diagramas que son generalmente reconocidos y adoptados por la industria en general. Simbología El símbolo más empleado en todo diagrama de instrumentos, es un círculo el cual contiene una combinación de letras y números que definen el tipo de variable, el instrumento que actúa con ésta y el número de lazo. En la figura 2-1 se muestra la simbología empleada para diferentes aplicaciones con el fin de definir un instrumento dentro de un diagrama de instrumentos. Como se mencionó anteriormente, para poder identificar la variable de proceso se creó el manejo de letras y números que nos permiten conocer el tipo de la variable, el instrumento con el cual se registra, indica o manipula la variable y el número de identificación de la misma, de esta manera se puede asociar fácilmente el tipo de medición que se efectúa en el proceso.

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Medición y control de procesos industriales

Los dispositivos que se encuentren ocultos (por ejemplo atrás de un panel), pueden simbolizarse de la misma forma, pero con una línea punteada. Fig. 2-1. Simbología para elementos de control.

En los diagramas, los números de identificación se colocan dentro de círculos, las letras están en la mitad superior mientras que los números del lazo de control están en la mitad inferior. Las líneas dibujadas en el centro de los círculos tienen diferentes significados: una línea continua indica un instrumento montado en el panel de control y una línea punteada indica que está atrás del tablero de control. Un círculo sin línea en el centro indica que está montado de manera local, en el campo, o dicho de otra manera, junto al equipo de proceso. Es obvio que todo instrumento debe tener una etiqueta como identificación, la cual debe tener la misma nomenclatura que en el diagrama de instrumentos. En la figura 2-2 se mencionan las letras y su significado: considerando las letras de la primera columna, se tiene que: la letra F significara flujo, la T Temperatura, la L (level) Nivel, etc. La combinación de la primera columna y el resto de ellas dará como

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Símbolos y diagramas

resultado una combinación de funciones que indicará cómo se está manipulando la variable. Si se emplea la primera letra combinada con el modificador, esto puede indicar, si se emplea la letra D que es una lectura diferencial, o que se está totalizando si se emplea la letra Q; y así sucesivamente. Con un poco de práctica se podrán conocer las posibles combinaciones que se requieran para poder identificar la instrumentación de un diagrama o para diseñarlo. Primera letra Variable de proceso Modificador

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Letras posteriores Lectura

A

Análisis

Alarma

B

Quemador de flama

Como se prefiera

C

Conductividad

D

Densidad o peso específico

E

Voltaje (fem)

F

Flujo (caudal)

G

Como se prefiera

H

Manual

I

Corriente eléctrica

J

Potencia

K

Tiempo

L

Nivel

M

Humedad

N

Como se prefiera

Como se prefiera

O

Como se prefiera

Orificio, restricción

P

Presión o vacio

Punto de conexión

Q

Cantidad

R

Radiactividad

S

Velocidad o frecuencia

T

Temperatura

Salida

Modificador

Como se prefiera

Como se prefiera

Controlador Diferencial Elemento primario Relación Vidrio Alto Indicador Muestrear Controlador Luz piloto

Bajo o alto Medio Como se prefiera

Como se prefiera

Integrador, totalizador Registrador Seguridad

Interruptor Transmisor

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Medición y control de procesos industriales

U

Multivariable

Multifunción

Multifunción

V

Viscosidad

W

Peso o fuerza

X

No clasificada

Eje x

Y

Como se prefiera

Eje y

Relevador

Z

Posición

Eje z

Elemento final de control

Multifunción

Válvula Pozo No clasificada

No clasificada

No clasificada

Fig. 2-2. Letras de identificación del instrumento.

Identificación del lazo En la figura 2-3 se muestra cómo se dibuja normalmente en los diagramas un símbolo de un instrumento, en el que se indica el tipo de variable, cómo se manipula y el número que ocupa dentro del proceso. Letra primera columna

T

RC

Letra del resto de las columnas

123 Número de lazo de control Fig. 2-3. Letras y números utilizados en las etiquetas.

Así, el TRC 123 (Temperature Recorder Controler por sus siglas en inglés) mostrado en la figura 2-3 identifica un controlador registrador de temperatura correspondiente al lazo de temperatura 123. (Conforme a la norma, en la identificación de instrumentos, las letras se colocan con las siglas de las abreviaturas en inglés de las funciones aun cuando la ingeniería y la aplicación se realicen en un país de habla hispana.) Instrumentos con igual identificación funcional Por ejemplo, si un registrador de temperatura recibe señales de dos transmisores de flujo separados, la etiqueta de un transmisor se podría leer TT 123A (transmisor de

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temperatura por sus siglas en inglés de Temperature Transmitter que en este caso coincide con las siglas en español) y la otra se podría identificar por TT 132B. En la tabla 2-1 se presentan algunos ejemplos de la aplicación de estas normas. EJEMPLOS TIT-101

Transmisor e indicador de temperatura. (Temp. Indicating Xmitter)

TE-101

Elemento de temperatura del TIT-101 (p. Ej. RTD). (Temp. Element)

TW-101

Termopozo del sensor de temperatura del TIT-101. (Termowell)

FQI-143

Transmisor, indicador y totalizador del flujo.

DPT-097

Transmisor de presión diferencial. (Diferential pressure transmitter)

PT-089

Transmisor de presión. (Pressure transmitter)

LSL-122

Interruptor de bajo nivel. (Level switch low)

LSH-122

Interruptor de alto nivel. (Level switch high) Tabla 2-1. Ejemplos de aplicación de identificación de instrumentos.

Símbolos de las señales de la instrumentación Las señales de instrumentación utilizadas en el control de procesos son usualmente de los siguientes tipos: conexión a proceso, electrónica (eléctrica), neumática, hidráulica, capilar, sónica o indicando radioactividad. Cada señal tiene un símbolo diferente y los símbolos son mostrados en la figura 2-4 Conexión a proceso o alimentación Señal eléctrica Señal neumática Señal hidráulica Capilar (sistema térmico)

L L L L X

X

X

X

Señal electromagnética sónica o radiactiva Unión o conexión interna Fig. 2-4. Simbología de las líneas de conexión de instrumentos.

Empleo de los símbolos En la figura 2-5 se ilustra un diagrama que muestra la instrumentación de un proceso de un intercambiador de calor, en el cual se manipulan las variables de flujo de vapor, flujo de agua, nivel y temperatura.

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En dicho proceso se está calentando un líquido que entra por la parte superior del diagrama y se registra el flujo de entrada a través del grupo de instrumentos rotulados con el número 200, la temperatura se controla dejando pasar más o menos líquido al tanque, además de registrarla y accionar alarmas en caso de baja temperatura, por medio de los instrumentos involucrados con el número 201; así mismo el nivel es controlado dentro del intercambiador a través de la instrumentación número 202, de tal manera que el recipiente no llegue a estar vacío y finalmente mediante la instrumentación 203 se registra el flujo y la presión del vapor, con el que es calentado el líquido en el recipiente. En el diagrama se muestran los elementos primarios de medición (sensores de flujo, temperatura y presión), los equipos de control y monitoreo (controladores, indicadores y registradores) y los elementos finales de control (válvulas). Note que se utilizan: lazos de control, indicación y registro de las variables únicamente. Así mismo se está indicando el tipo de conexión entre cada instrumento y el proceso (toma directa o mediante tubos capilares) y entre instrumentos (señales eléctricas y neumáticas). Referente a la ubicación de los instrumentos, si revisamos la figura 2-1, los que están montados en el panel de control son: FR-200, FR-202, PR-202 y TRC-201, mientras que los que están montados en campo son todos los demás. Así mismo, los equipos que manejan señales neumáticas son: las salidas de TRC-201, FT-202, PT-202, LIC-203 y las válvulas TV201 y LV-202, los de señales eléctricas son: FT-200 con FR-200 y TS-201 con TAL-201 y los de señales por medio de tubo capilar son: el TIC-201 (la entrada). El poder reconocer la manera en que se manejan las señales en el proceso y cómo se logra la identificación de los lazos, será parte de una constante manipulación de este tipo de diagramas. Sin embargo es importante recalcar que un elemento primario (sensor) debe estar en contacto directo con la variable de proceso, mientras que los elementos finales de control (válvulas) como su nombre lo indica, estarán al final del lazo haciendo que la variable cambie conforme el proceso lo requiera. Considerando esto, el lazo de temperatura estará formado por TE-201 (elemento primario), TRC-201 (controlador-indicador) y TV-201 (elemento final de control). Respecto a los elementos que lo conforman, este tipo de diagramas proporciona cierta información adicional, en este caso los elementos primarios, según su simbología, representan: medidor de turbina el FE-200, mientras el FE-202 es una placa de orificio con bisel; en la figura 2-9 se ilustran más símbolos de sensores de flujo. En los lazos de temperatura (TRC-201) y nivel (LIC-203), el elemento final de control es una válvula. Las letras justo debajo de los símbolos de las válvulas, indican que éstas abren (FO por su siglas en inglés Fail Open) o cierran (FC por su siglas en inglés Fail Close) si el diafragma se rompe, o la señal de aire falla.

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Símbolos y diagramas

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Entrada del fluido al proceso (agua fría)

FR 200 FE 200 TAL 201

FT2 200

FT 202

FR 200

PR 202

TV 201 TRC 201

FO

TS 201

PT 202 FE 202

TE 201

TW 201

Vapor Intercambiador de calor del proceso

LIC 203

Salida de vapor LV 203

Salida de exceso de agua Fig. 2-5. Símbolos de instrumentos en un proceso.

Fig 2-5 Símbolos de instrumentos en significa un proceso El segundo círculo unido al TRC (TS 201) que se utiliza un interruptor para activar un TAL (alarma por baja temperatura por sus siglas en inglés Temperature Alarm Low), la cual también está localizada en el panel de control. Símbolos para diferentes variables Los símbolos han sido divididos, obviamente, en función del tipo de variable que se desee representar, a continuación se presentan las variables más empleadas en el control de procesos. Por supuesto aquí no se presenta toda la simbología; sin embargo, si se dominan estos símbolos, el resto será muy fácil de manejar.

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Temperatura Usualmente en la medición de temperatura se emplean termopozos para proteger el elemento sensor del ataque químico o de otro tipo de las sustancias del proceso, de esta manera se logra alargar la vida útil de los sensores. Los materiales normalmente empleados en los termopozos son acero inoxidable y cerámica, con una longitud de inserción de 250 a 475 mm (10 a 12 pulgadas). En la figura 2-6, los TW (termopozos por sus siglas en inglés Termo Well) son incluidos dentro de los elementos primarios. Por ejemplo, el TR-4 (temperature recorder por sus siglas en inglés) indica que es un registrador de temperatura que está conectado a la tubería del proceso con un termopozo. El empleo de termopozos puede provocar que las lecturas tengan un retardo en la respuesta de la medición, si el elemento sensor no queda perfectamente pegado en el fondo del termopozo.

Tubo de proceso

Conexión de termopozo

Tubo de proceso

Tubo de proceso

Elemento de temperatura sin termopozo

Tubo de proceso

Elemento de temperatura con termopozo

Tubo de proceso x x

Tubo de proceso

Registrador local con termopar o resistencia Indicador de temperatura de Termómetro de vidrio o bimetálico con termopar tipo capilar con termopozo

Horno

Transmisor indicador y sistema de llenado térmico

Horno

Transmisor indicador y sistema de llenado térmico

Fig. 2-6. Elementos primarios para control de temperatura.

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Presión Así como en temperatura se usan los termopozos, en presión se utilizan los diafragmas para aislar el elemento primario (sensor) del proceso, tratando con esto de evitar que los productos agresivos puedan dañar el sensor. Un lado del diafragma tiene contacto directo con los productos del proceso y del otro lado se llena con un líquido llamado sello químico. En la figura 2-7 se muestran las aplicaciones más comunes en la medición de presión en instrumentación de procesos. Tubo de proceso

Montado en el proceso

Montado directamente en el instrumento

Indicador de presión conectado directamente

Indicador de presión conectado mediante diafragma con sello químico

Tubo de proceso Tanque Indicador conectado directamente

Transmisor indicador de presión con medidor de esfuerzos (Strain-Gauge)

Flujo

Utilizando sifón para vapor

Transmisor conectado del lado de baja presión del transmisor de flujo

Tubo de proceso

Fig. 2-7. Elementos primarios para control de presión.

Nivel En esta variable la consideración que debe hacerse notar, es la diferencia entre los transmisores de presión y los de presión diferencial (∆P). El LT-4 (transmisor de nivel por sus siglas en inglés de Level Transmitter) debe ser conectado a un tanque abierto porque la presión atmosférica que actúa sobre la superficie del líquido, actúa también sobre la otra conexión del transmisor que está venteado a la atmósfera. El LT-5, tiene una conexión de tipo diferencial que generalmente se conecta a un recipiente cerrado

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o presionado, el cuerpo del transmisor se dibuja pegado al tanque para indicar la toma de alta presión; la línea conectada a la parte superior del tanque indica la toma de baja presión y esto se hace para compensar la presión sobre la superficie del líquido, de esta manera se estará midiendo únicamente la presión que se genera por la columna del líquido. En la figura 2-8 se muestran los símbolos de los instrumentos primarios para medición de nivel.

Tanque

LG 1

LT 4

Tanque

Transmisor de nivel con una conexión LE 22

Tanque

LT 5

Transmisor de nivel de presión diferencial ( P)

Tanque Transmisor de nivel tipo radiactivo o sónico con sensor integral

Indicador de nivel con dos conexiones Tanque

Tubo de burbujeo o con transmisor

LT 6

Transmisor ( P) de nivel conectado el lado de alta (lado de baja venteado)

LT 8

LR 7

LI 3

Tanque

Manómetro de vidrio montado externamente

Manómetro de vidrio montado localmente Tanque

LG 2

Tanque

LI 9

Tanque

Indicador de nivel de tipo flotador

Fig. 2-8. Elementos primarios de control de nivel.

Flujo En la variable de flujo, se tiene una gran variedad de símbolos, los que se asemejan a los mecanismos físicos de los medidores de flujo, por ejemplo el FE 9 (Flow Element) es un medidor de tipo propela, en cuyo caso este dispositivo físicamente, tiene una propela mediante la cual se efectúa la medición del flujo. Ver figura 2-9. Elementos finales de control El elemento que actúa sobre el proceso para producir una acción de tal manera que se obtenga el valor deseado de la variable (producto) en los lazos de control, recibe el nombre de elemento final, en esta sección se muestran las válvulas que son los elementos finales de control más comúnmente usados. Para accionar la válvula existen diferentes tipos de actuadores: neumáticos, hidráulicos, eléctricos; los cuales pueden ser utilizados con cualquiera de los cuerpos de las válvulas, aquí mostrados. Ver figura 2-10.

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FE 2

FE 5

FT 3

Placa de orificio con bisel

Placa de orificio con vena contracta y transmisor diferencial

FE 6

Tubo venturi

Placa de orificio con accesorios de cambio rápido

Tubo pitotventuri

X

FE

FE 7

FE 7

FE 9

FE 10

Vertedero

Canal

Medidor de turbina o propela

Medidor de flujo electromagnético con transmisor

FE 12

M FE 13

Medidor de flujo ultrasónico con transmisor

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FE 15

FE 14

Medidor de objetivo (target)

Medidor indicador totalizador de desplazamiento positivo

M FE 16

Sensor vortex

FE 16

Tobera

FE 18

Medidor de flujo sónico “dopler” o “transición de tiempo”

FE 19

Transmisor de flujo magnético

Fig. 2-9. Elementos primarios para control de flujo.

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Fig. 2-10. Elementos finales de control.

Símbolos varios La figura 2-11 muestra otros símbolos frecuentemente utilizados en los diagramas de instrumentación; como se puede ver, se maneja simbología de señales digitales, así como funciones básicas de suma, resta, multiplicación y división; es importante familiarizarse con ellos para poder identificarlos en los diagramas. Diagramas Usualmente para mostrar un proceso, se utilizan varios diagramas, el general que es un DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) y en detalle un diagrama de ubicación física, uno de lazo, uno de instalación mecánica y uno de instalación eléctrica. DTI Diagrama de Tuberías e Instrumentación (P & ID por sus siglas en inglés Pipe & Instrumentation Diagram), o DPI (Diagrama de Proceso e Instrumentos), es la base de cualquier diseño de procesos y consiste en un diagrama que puede medir más de 12

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Fig. 2-11. Símbolos adicionales.

metros, dado que en este tipo de dibujo se muestran los recipientes, bombas, tuberías y todos los componentes del proceso. La distribución de la instrumentación dentro de un diagrama DTI refleja el conocimiento del diseñador en la operación del proceso, ya que éste determina rangos, tipos y posición de cada equipo para que el proceso se lleve a cabo adecuadamente. En este tipo de diagrama se representa todo tipo de instrumentos como son: indicadores, registradores, controladores que van a medir las variables en todos los equipos como: recipientes, bombas, separadores, compresores, etc. Un DTI bien detallado facilita el conocimiento sobre cómo se controla o cómo está instrumentado el proceso. Las líneas en un DTI representan la tubería que se requiere para operar el proceso y es a la vez un “diagrama de rutas” porque indica los caminos que toman los diferentes fluidos del proceso. También se indican las dimensiones de los tubos, y las condiciones de operación de bombas, compresores y demás equipos relacionados.

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Medición y control de procesos industriales

Un DTI se considera una guía completa para las operaciones, ya que muestra el proceso completo y le permite al personal técnico, instrumentista o mecánico, visualizar rápidamente todos los sistemas de control. Así, a pesar de su tamaño, que es muy grande, el DTI es una herramienta valiosa en el conocimiento del proceso. Diagrama de ubicación Los diagramas de ubicación, muestran con detalle la posición de la instrumentación y equipo instalado en el proceso. La figura 2-12 es una vista simplificada de una planta piloto de hidrodesulfuración. Este diagrama es en realidad un plano que muestra las principales partes del equipo como: calefactores, recipientes, cabezales de vapor y bombas, así como los instrumentos utilizados en el sistema. Debajo de cada círculo, está una notación indicando la altura a la cual el equipo o instrumento deberá ser instalado. Puesto que un diagrama de ubicación da una posición definida para cada uno de los instrumentos y equipos, es especialmente útil para el personal que instala el equipo, y también para el mecánico o técnico que no está familiarizado con el área. El resto de la información, como son la tubería de suministro de aire al instrumento y el resto de las conexiones, se pueden obtener de los diagramas que muestran las principales vías de las señales.

Fig. 2-12. Dibujo típico de localización de instrumentos y equipos. ( ALT – m significa altura en metros)

Diagramas de lazos Para el técnico o instrumentista de mantenimiento, los diagramas de lazos de control son probablemente los más importantes. En la figura 2-13 se muestra un diagrama de

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un lazo de flujo con un transmisor diferencial electrónico, conectado a una placa de orificio. Mediante las especificaciones, el instrumentista podrá verificar los rangos y tipos de instrumentos con que cuenta cada lazo, pudiendo corroborar si los equipos están adecuadamente posicionados y calibrados; de esta manera se podrán evitar errores del proceso por equipo mal calibrado o mal instalado. Placa de orificio (FE 101) B=0.565 Barreno=57.8 mm No biselado 2438 mm 6 ft

Campo Blindaje

+

--

TB-6

610 mm 2 ft

Tierra común

+

--

FR 101

Valvula triple

Transmisor (FT 101) Calibrado 0-2540 mm de H²O Rango de 0-100” H²O Salida de 4-20 mA

Registrador de flujo Entrada a 4-20 mA Gráfica1-10 raíz cuadrada Gráfica X100=m³/h 4400 GPM

Fig. 2-13. Diagrama de un lazo de control (fuente tpc training).

Diagrama de instalación La figura 2-14 muestra un dibujo de instalación de un transmisor de presión diferencial para medición de flujo con salida electrónica. Éste muestra detalladamente el tipo de conexiones mecánicas requeridas para instalar los instrumentos, define también los tamaños, tipos de conexiones, tipos de roscado y la clase de material con que deben estar fabricados. El diagrama es altamente útil para el personal mecánico encargado de la instalación y alambrado, debiéndose seguir las especificaciones marcadas en los diagramas para el correcto funcionamiento del equipo y del proceso. Diagrama de alambrado En todo diagrama de alambrado eléctrico, se deben definir detalladamente todas las conexiones entre los instrumentos de campo y los de tablero. Estas conexiones deben ser cuidadosamente identificadas para evitar que se cometa el error de conectarlas equivocadamente.

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Fig. 2-14. Diagrama de instalación.

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Normalmente todos los alambres se conectan a una tira terminal y no debe haber alambres conectados directamente entre un instrumento y otro; el tenerlos conectados e identificados en una tira terminal, permite poder desconectar cualquier cable sin alterar la señal de los demás. Algunas de las claves importantes para poder realizar un diagrama de alambrado adecuado, son: 1. Hacer un diagrama con el menor número posible de líneas. 2. En el cableado, las tiras terminales así como alambres, deberán estar identificados en los alambres, la identificación será en ambos extremos de cada alambre. 3. En los instrumentos la identificación puede ser dividida en dos clasificaciones: los instrumentos en el frente del panel (registradores, controladores, indicadores, etc.), se pueden identificar con un número y los de atrás del panel (extractores de raíz cuadrada, interruptores de alarmas) se pueden identificar con una letra. Aunque en muchos casos no se siguen estos puntos, entre más detalladas e identificadas se tengan las conexiones y la instrumentación en el diagrama del proceso, será más fácil para el personal técnico o instrumentista de mantenimiento, identificar y reparar las fallas en los instrumentos. En la figura 2-15 se puede observar el grado de detalle que se ha empleado en este diagrama ya que los cuadros indican que los alambres van a un instrumento en el panel frontal, los círculos indican que van a un instrumento atrás del panel frontal y los hexágonos indican que van hacia una tira terminal. Así mismo, los cuadros y los círculos con numeración y letras de la tablilla de conexiones, indican la terminal del equipo al que se debe conectar el cable. Por ejemplo: en la tablilla 1 la terminal 1, se tiene un cuadro con numeración 1-9 lo cual indica que el cable está conectado al equipo 1 terminal 9. Con un poco de práctica se estará rápidamente familiarizando con este tipo de diagramas. En las figuras 2-16, 2-17 y 2-18 se muestran diagramas eléctricos menos detallados de lazos de dos y cuatro hilos, que son empleados en el campo de la instrumentación. Una parte importante en el cableado de los lazos son las señales que se manejan, en la instrumentación se emplean las conexiones tipo serie en donde todos los instrumentos quedan conectados en serie y es llamada arreglo de dos hilos, en esta conexión la corriente fluye a través de todos los instrumentos que componen el lazo como se muestra en la figura 2-16, es importante señalar que la polaridad de las conexiones se debe respetar y si se rompe o se desconecta un cable, el lazo no funcionará.

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Fig. 2-15. Diagrama de alambrado. (Fuente TCP training)

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Instrumento de tablero

Salida 4-20 ma





Fuente de alimentación 24-26 volts

[



250 Ω

1-5 volts



Transmisor





Fig. 2-16. Lazo de dos hilos con señal de 4-20 mA.

En la figura 2-17 se muestra un diagrama de 2 hilos con un transmisor de presión diferencial conectado con un indicador y alimentados con una fuente de 26 volts de corriente directa. Transmisor de presión diferencial

G

4 - 20 mA

G

L1

L2

..

Alimentación de C.A

TP

TP

11

10

9

8

7

9

5

3

1

4

G

2

Tierra física

Sistema de tierra

Fig. 2-17. Lazos de 2 hilos con Transmisor de Presión Diferencial e Indicador (fuente Fisher & Porter)

Fig. 2-17. Lazo de 2 hilos con transmisor de presión diferencial e indicador (fuente Fisher & Porter).

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En la figura 2-18 se muestra un diagrama de 4 hilos con un transmisor de presión diferencial conectado con un registrador, aquí la alimentación es independiente en cada equipo, el transmisor sólo envía la señal de 4-20 mA sin que se tenga un lazo de corriente entre todos los equipos.

Transmisor de presión diferencial

Alimentación de C.A.

Transmisor de dos hilos G

4-20 mA Fuente de alimentación de 24-26 volts

Alimentación de 24 volts del registrador

G L1 L2

Alimentación de C. A.

TP

TP

11

10

9

8

7

9

5

3

1

4

G

2

Volts

250 Tierra física Alimentación del motor de la carta

Sistema de tierra

Fig. 2-18. Lazo de 4 hilos con transmisor de presión diferencial y un registrador. (Fuente Fisher & Porter)

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Finalmente se presenta una tabla con algunas funciones empleadas en controladores, equipos de cómputo, convertidores y relevadores. Número

Función

Símbolo

Ecuación matemática

1

Suma

∑

M = X1 +X2+...+Xn

2

Promedio

∑ /n

M = X1+ X2+... Xn/n

3

Diferencia

∆

M = X1- X2

4

Proporcional

KoP

M = KX

5

Integral

∫

M = 1/ Ti ∫ x dt

6

Derivativa

d /dt

M = TD dx/dt

7

Multiplicación

X

M = X1X2

8

División

/

M = X1/X2

9

Extacción de raíz

n√

M= n√ x

10

Exponencial

Xn

M = Xn

11

Mayor

>

M= X1 PARA X1 > X2

12

Menor

<

M= X1 PARA X1 < X 2

Fig. 2-17. Tabla de funciones lógicas.

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Resumen En el manejo de simbología es necesaria una guía mediante la cual se pueda hacer la identificación de la variable del proceso y la posición de la instrumentación, esta guía podrá incluir los siguientes conceptos: A) Símbolo con etiqueta para definir la función en el proceso y la localización del instrumento. B) Símbolos para identificar las señales del control que se manejan en los procesos como son: neumáticas, hidráulicas, capilares, electrónicas, sónicas o radiactivas. C) Símbolos para representar los dispositivos de control y los elementos primarios y finales que gobiernan las variables del proceso como son: temperatura, presión, nivel, y flujo. Para el manejo de diagramas se utilizarán diferentes tipos de dibujos en sistemas de control de procesos. A) El DTI (diagrama de tubería e instrumentación) que es la parte principal para el diseño de procesos. B) Diagramas de localización para indicar la posición de los instrumentos y equipos instalados. C) Diagramas de instalación mecánica para proporcionar detalles de partes y posiciones de los instrumentos. D) Diagramas de lazos de control con especificaciones de la instrumentación para calibración y localización de fallas. E) Diagramas eléctricos (cableado) de lazos de control.

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Capítulo 3

Temperatura En este capítulo conocerá: • Los principios de temperatura y sus escalas • Tipos de termómetros • Instrumentos eléctricos de medición • Pirómetros ópticos

La temperatura es una variable de gran importancia en la industria, ésta es empleada para detectar los cambios del estado físico (fases), que tienen las sustancias que intervienen en un proceso. Este cambio se logra mediante la aplicación o pérdida de calor y se mide, registra y principalmente se controla para obtener un óptimo resultado en los productos de un proceso. Los cambios en la variable, dependerán de la forma física de los componentes que intervienen en la planta o proceso, así como de las sustancias que se manejen. La temperatura es una indicación de qué tanta (mayor o menor) agitación tienen las moléculas o átomos que constituyen un cuerpo, en palabras llanas pero no correctas, es qué tan caliente o qué tan fría se encuentra una sustancia. La importancia relativa en el control de esta variable, dependerá del tipo de aplicación que se está manejando, ya que no será lo mismo, el control de la temperatura de un refrigerador que el de una planta nuclear. Una parte importante de este capítulo será el tratar los principios de temperatura, así como los principios de operación de sensores y características de los instrumentos para la medición de la temperatura. Temperatura Una manera simple de determinar la temperatura de un cuerpo es mediante el sentido del tacto, conociendo qué parte es la más caliente y cuál es la más fría, es decir, podemos reconocer cuál tiene la temperatura más elevada. En otras palabras, la temperatura de un cuerpo, es una propiedad que se relaciona con el hecho de que un cuerpo esté “más caliente” o “más frío” y determina su capacidad para absorber o transferir calor de su alrededor. El equilibrio térmico se caracteriza por la uniformidad en la temperatura de los cuerpos transcurrido un cierto tiempo. 63

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En la naturaleza las sustancias se presentan en tres fases o estados físicos diferentes, denominadas: fase sólida, fase líquida, fase gaseosa; en la figura 3-1 se pueden ver los cambios de fase y su denominación.

Fig. 3-1. Denominaciones que tienen los cambios de un estado a otro.

La presión y la temperatura a las que son sometidas las sustancias determinan la fase en que se encuentran; cuando se cambia de una fase a otra se dice que hubo un cambio de fase o cambio de estado físico. Dilatación Sabemos que las dimensiones de los cuerpos aumentan cuando se eleva su temperatura. Salvo algunas excepciones, todos los cuerpos, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, se dilatan cuando aumenta su temperatura. La figura 3-2 muestra un experimento sencillo que ilustra la dilatación de un sólido a la temperatura ambiente, la esfera metálica A puede pasar con pequeña holgura por el anillo B. Al calentar únicamente la esfera, se puede ver que ya no pasa por el anillo debido a la elevación de su temperatura, la esfera se dilató. Si se espera a que su temperatura vuelva a su valor original, la esfera se contraerá y volverá a pasar por el anillo.

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Temperatura

B

X

A

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A

B Esfera no dilatada pasa por el anillo

Gas

Esfera dilatada no pasa por el anillo

Fig. 3-2. Efecto de dilatación.

Por qué se dilatan los sólidos Si analizamos la estructura interna de un sólido, podremos entender por qué se produce la dilatación. Los átomos que constituyen la sustancia sólida se encuentran distribuidos ordenadamente, lo que origina una estructura llamada red cristalina del sólido. La unión de tales átomos se logra por medio de fuerzas eléctricas que actúan como si hubiera pequeños resortes que unen un átomo con otro. Esos átomos están en constante vibración respecto de una posición media de equilibrio. Cuando aumenta la temperatura del sólido se produce un incremento en la agitación de sus átomos haciéndolos que vibren y se alejen de la posición de equilibrio. Por otra parte, la fuerza que se mantiene entre los átomos actúa como si el “resorte” fuera más resistente a la compresión que a la tensión. En consecuencia, la distancia media entre los átomos se vuelve mayor lo que ocasiona la dilatación del sólido. Dilatación lineal Al tomar una barra de cierta temperatura y calentarla se producirá un aumento en todas sus dimensiones lineales, o sea, aumentará su longitud, su altura, su anchura, o la dimensión de cualquier otra línea que imaginemos trazada en la barra. Coeficiente de dilatación lineal Si se considera una barra con cierta longitud y elevamos su temperatura, su longitud aumenta, entonces una variación produce una dilatación en la longitud de la barra de

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tal manera que se puede concluir que la dilatación (∆L) depende de la longitud inicial Lo y del aumento de la temperatura (∆T). Por lo tanto si la dilatación es proporcional a la longitud inicial y al incremento en la temperatura, tenemos que: ∆L = α Lo ∆t despejando α = ∆L / Lo ∆t En donde la constante de proporcionalidad α se le denomina coeficiente de dilatación lineal. Dilatación superficial y volumétrica Cuando se trata la dilatación superficial o sea el aumento del área de un objeto producido por el aumento de temperatura, se observan las mismas leyes de dilatación lineal. Si consideramos una placa con una área inicial a temperatura elevada, el área se modifica al sufrir una dilatación superficial, de tal manera que considerando lo anterior tenemos que: ∆A = Ao ∆t o bien ∆A = β Ao ∆t Entonces el coeficiente de proporcionalidad β se denomina coeficiente de dilatación superficial. Su valor depende del material con que esté hecha la pieza. Se puede considerar que β =2 α y que la dilatación volumétrica o sea la variación de volumen de un cuerpo con respecto a la temperatura es: ∆V = γ Vo ∆t El coeficiente se denomina coeficiente de dilatación volumétrica y se demuestra que para un material determinado γ = 3α. Como ejemplo de este efecto se tiene: los incrementos de tamaño en placas agujeradas, dilatación en estructuras, dilatación de recipientes de vidrio, etc. Un hecho importante, relativo a la dilatación, es que influye en la densidad (ρ).

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ρ = m/v

donde m = masa v = volumen

en base a la ecuación, tenemos que si la temperatura de un cuerpo aumenta, su volumen también aumenta y como su masa no varía, su densidad disminuye. Si se observan los hechos que se producen a nuestro alrededor, es posible que se identifiquen algunos en los cuales la dilatación desempeña un papel importante. Dilatación en líquidos Los líquidos se dilatan obedeciendo las mismas leyes que los sólidos, sólo se debe considerar que como no tienen forma propia sino que tienen la forma del recipiente que los contiene, el estudio de las dilataciones lineales y superficiales no son importantes. Lo que interesa en general es el conocimiento de su dilatación volumétrica. Debido a eso en los líquidos únicamente se tabulan los coeficientes de dilatación volumétrica. En la tabla 3-1 se muestra el coeficiente de dilatación volumétrica de algunas sustancias. Coeficiente de dilatación volumétrica Sustancia

γ (ºC)

Alcohol etílico

0.75 x 10-3

Disulfuro de carbono

1.2 x 10-3

Glicerina

0.5 x 10-3

Mercurio

0.18 x 10-3

Petróleo

0.9 x 10-3

Tabla 3-1. Coeficiente de dilatación volumétrica de algunas sustancias.

Comportamiento de los gases Al analizar el comportamiento de los gases, podemos observar que adicionalmente a la temperatura los gases también son afectados en mayor medida por la presión. En un sólido o en un líquido solamente grandes cambios de presión pueden afectar considerablemente su dimensiones, por lo tanto esta influencia de la presión se puede considerar despreciable en sólidos y líquidos. Sin embargo, al analizar el comportamiento de un gas interesa saber qué cambios de presión pueden producir cambios considerables en su volumen y temperatura, este comportamiento puede expresarse mediante relaciones matemáticas sencillas entre la presión “p” su volumen “V” y su temperatura “T”; una vez que se definen estos valores queda definido su estado. El gas puede sufrir ciertas transformaciones que se mencionan a continuación.

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Transformación isotérmica En la figura 3-3 se muestra un gas que es sometido a una transformación mediante la presión, en la cual la temperatura se mantiene constante. Se dice entonces que el gas ha experimentado una transformación isotérmica (del griego isos = igual + termos = temperatura). En donde el volumen y la presión cambiaron, manteniéndose constante la temperatura y la masa del gas.

Fig. 3-3. Transformación isotérmica, en donde la presión sobre el gas (aire) aumenta, su volumen disminuye y la temperatura permanece constante.

Transformación isobárica Si tenemos una cierta masa de gas encerrada en un tubo con una presión sobre el gas equivalente a la presión atmosférica, más la presión de una columna de mercurio y calentamos dicho gas dejando que éste se expanda libremente como se muestra en la figura 3-4, la columna ejercida por el mercurio y la presión atmosférica no cambiarán. A una transformación como ésta en donde la presión permanece constante se le llama transformación isobárica (del griego isos = igual + baros = presión).

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Presión atmosférica

Aire

Mercurio

Aire

Gas

Fig. 3-4. Transformación isobárica, en donde su volumen aumenta y la presión sobre el gas permanece constante.

Dilatación los gases isobárica, en donde su volumen aumenta y la presión Fig. 3-4en Transformaciòn sobrede el cobre gas permanece Si tenemos dos cuerpos, uno y otro deconstante aluminio y los sometemos a un incremento de temperatura, éstos sufrirán un incremento en su volumen pero al final presentarán diferentes volúmenes. Esto es debido a que los dos materiales tiene diferente coeficiente de dilatación; esto ocurre generalmente en sustancias en estado sólido o líquido. Si se hace lo mismo con dos gases diferentes, se puede observar que el volumen final es el mismo, o sea que ambos tienen el mismo coeficiente de dilatación volumétrico. Como el volumen de una cierta masa gaseosa, a presión constante, varía con la temperatura, es claro que la densidad del gas (ρ = m/V) tendrá distintos valores para diferentes temperaturas. Calor La energía que se transmite de un cuerpo a otro, debido a una diferencia de temperaturas, es llamada calor. En realidad lo que un sistema material posee es energía interna

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y entre mayor sea su temperatura, mayor será la energía interna. Una vez establecido que el calor es una forma de energía es obvio que una cantidad de calor deba medirse en unidades energéticas. La unidad de medición de calor es el Joule (J). En la práctica se emplea la unidad que recibe el nombre de caloría (cal), que por definición es la cantidad de calor necesaria para elevar 1g (gramo) de agua un 1oC (grado Celsius) y la relación entre estas dos unidades es: 1 cal = 4.18 joules Otra unidad tradicional de medición del calor es el BTU (unidades termales británicas por sus siglas en inglés British Thermal Units). Un BTU es la cantidad de energía térmica requerida para elevar la temperatura de una libra de agua 1oF. Diferentes sustancias (por ejemplo agua y aluminio) requieren de diferentes cantidades de calor para un cambio de temperatura. Una libra de agua requiere 1 BTU para cambiar 1oF. Una libra de aluminio requiere solamente 0.22 BTU para cambiar 1oF. Aunque el agua y el aluminio alcanzan la misma temperatura, la energía térmica requerida, es diferente para hacer cambiar a cada uno de ellos. Recapitulando, puede decirse que aplicando calor a un cuerpo se incrementa su energía térmica, resultando un ascenso en su temperatura. Transmisión de calor Conducción. Si se sostiene una barra metálica por uno de los extremos, y el otro extremo se calienta con una flama, los átomos o moléculas del extremo calentado, adquieren una mayor energía de agitación. Parte de esta energía se transfiere a las partículas adyacentes y entonces la temperatura de esta región también se calienta. Este proceso continúa a lo largo de la barra y después de cierto tiempo, el otro extremo percibirá una elevación de temperatura; por lo tanto, hubo una transmisión de calor a lo largo de la barra, que continúa mientras exista una diferencia de temperatura entre ambos extremos. Esta transmisión se debe a la agitación de los átomos de la barra, que se transfiere de un átomo a otro, sin que estas partículas sufran ninguna traslación en el interior del cuerpo. Este proceso de transmisión de calor se denomina la conducción térmica. La mayor parte del calor que se transfiere a través de los cuerpos sólidos, es transmitida de un punto a otro por conducción. Dependiendo de la constitución atómica de una sustancia, la agitación térmica podrá trasmitirse de un átomo a otro con mayor o menor facilidad, haciendo que tal sustancia sea buena o mala conductora del calor. Así por ejemplo, los metales son conductores térmicos, mientras que otras sustancias, como el unicel, corcho, porcelana, madera, aire, hielo, lana, papel, etc., son aislantes térmicos, es decir, malos conductores del calor.

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Convección. Cuando un recipiente con agua es colocado sobre una flama, el agua del fondo recibe calor por conducción. Con el calentamiento, el volumen de esta capa aumenta, y por lo tanto su densidad disminuye, haciendo que esta agua se desplace hacia la parte superior del recipiente y que el agua más fría y más densa, se mueva hacia el fondo. El proceso continúa con una circulación continua de masas de agua más caliente moviéndose hacia arriba, y de masas de agua más fría moviéndose hacia abajo, movimientos que se denominan corrientes de convección. Así, el calor que se transmite por conducción a las capas inferiores, se va distribuyendo por convección a toda la masa del líquido, mediante el movimiento de traslación del propio líquido. La transferencia de calor en los líquidos y gases puede efectuarse por conducción, pero la mayor parte del calor que se transmite a través de los fluidos se debe al proceso de convección. Radiación. Si se coloca un foco eléctrico en el interior de una campana de vidrio al vacío, y se pone un termómetro en el exterior de ésta, el termómetro indicará una elevación de temperatura, mostrando que existe una transmisión de calor a través del vacío que hay entre el cuerpo caliente y el exterior. Evidentemente, esta transmisión no pudo haberse efectuado por conducción ni por convección, pues estos procesos sólo pueden ocurrir cuando hay un medio material a través del cual se pueda transferir el calor. En este caso, la transmisión de calor se llevó a cabo mediante otro proceso, denominado radiación térmica. El calor que nos llega del Sol se debe a este mismo proceso, ya que entre el Sol y la Tierra existe un vacío. Todos los cuerpos calientes emiten radiaciones térmicas que pueden ser absorbidas por algún otro cuerpo, provocando en él un aumento de temperatura. Estas radiaciones, así como las ondas de radio, la luz, los rayos X, etc., son ondas electromagnéticas capaces de propagarse en el vacío. De manera general, el calor que recibe una persona cuando está cerca de un cuerpo caliente, llega hasta ella por los tres procesos: conducción, convección y radiación. Cuanto mayor sea la temperatura del cuerpo caliente, tanto mayor será la cantidad de calor transmitida por radiación, como sucede cuando uno se halla cerca de un horno o una fogata. Capacidad térmica Cuanto mayor sea la capacidad térmica (C) de un cuerpo, mayor cantidad de calor debemos proporcionarle, para producir un incremento en su temperatura C = ∆Q / ∆T

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Calor específico El calor específico (c) está definido como la relación entre la capacidad térmica y la masa de un cuerpo o sustancia c=C/m en otras palabras, es el calor requerido para incrementar la temperatura de un determinado volumen de una sustancia 1oC. Estado físico cambiante (Calor de absorción) Como se mencionó en un principio existen diferentes estados físicos en la materia y estos estados pueden cambiar ocasionando que una sustancia cambie su estado, los diferentes estados son: vaporización, condensación, solidificación, fusión, sublimación. Llamados también algunos de ellos como calor latente. Por ejemplo: La cantidad de calor necesaria para cambiar a una sustancia al punto de ebullición, es llamado calor latente de evaporación. La cantidad de calor necesaria para cambiar una sustancia de sólido a líquido es llamado calor latente de fusión. Obviamente los valores de calor de fusión y del calor de vaporización varía para diferentes sustancias como se puede observar en la tabla 3-2. Calor latente de varias sustancias Sustancia

Temperatura fusión (0C)

Calor latente de fusión cal/mol

Temperatura de ebullición (0C)

Calor de vaporización cal/mol

Aluminio

660

2550

2057

61020

Oro

1063

3030

2966

81880

Mercurio

-38.9

557

361

13980

Nitrógeno

-210

172

-195.8

1336

Oxígeno

-218.9

106

-183.0

1629

Plata

960.5

2700

2212

60720

Tabla 3-2, Constantes relacionadas con la temperatura de algunas sustancias.

Escalas de temperatura Escalas Celsius y Fahrenheit. Las escalas de temperatura están basadas sobre puntos de referencia fijos, tales como el punto de ebullición y congelación del agua. Son cuatro las escalas de temperatura usadas ampliamente hoy en día: la escala Celsius (centígrados), la Fahrenheit, la Kelvin y la Rankin. Estas escalas están basadas en el hecho en el cual el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua, ocurre a cierta

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temperatura, a la presión de una atmósfera al nivel del mar que es igual a 760 mm Hg (milímetros de mercurio), 10.13 x 104 Pa (pascales) ó 14.7 PSI. En la escala Celsius el punto de fusión del hielo es de 0o y el punto de ebullición de 100o. Mientras que en la escala Fahrenheit los valores son 32o y 212o. Por lo tanto, para la escala Celsius, el intervalo en este rango es de 100 divisiones de un grado cada división, mientras que en la escala Fahrenheit es de 180 divisiones de un grado cada intervalo. Como ambas escalas son lineales, se puede fácilmente convertir de una escala a otra, usando la siguiente ecuación:

Escalas Kelvin y Rankin. En muchos cálculos de ingeniería y en investigaciones científicas es importante basar la temperatura en el cero absoluto porque es el límite inferior para la temperatura de un cuerpo y corresponde a –273oC. Esta es la temperatura hipotética en la cual una sustancia no tendría energía térmica, los valores de sus rangos inferior y superior corresponden a –273.16oC ó –459,69oF. Las escalas que usan el cero absoluto como sus puntos de referencia, son las escalas Kelvin para el SI y Rankin para el sistema inglés y son llamadas también escalas absolutas. La escala Kelvin también tiene 1000 divisiones entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua, como la escala Celsius, por lo tanto se puede convertir de Celsius (oC) a Kelvin (oK) usando la siguiente ecuación: o K = oC + 273 La escala Rankin, tiene 1800 divisiones entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua, como la escala Fahrenheit, de tal manera que también se puede convertir de Fahrenheit (oF) a Rankin (oR) usando la siguiente ecuación: R = oF + 459.69

o

En la figura 3-5 se muestran las cuatro escalas de temperatura que son usadas en la industria y la equivalencia de una escala a otra, si emplean las ecuaciones las conversiones son relativamente sencillas. Escalas de calibración Como se mencionó anteriormente, una sustancia puede estar en su forma sólida, líquida o gaseosa, dependiendo de la temperatura y presión que se ejerza sobre ella.

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Mediante pruebas de laboratorio se puede determinar el estado que guarda cada sustancia en función de la temperatura (t) y la presión (p), en la gráfica de la figura 3-6 se muestran los valores de “t” y “p” correspondientes a cada uno de estos estados. Kelvin

Fahrenheit

Celsius

Punto 373

273

ebullición

de 212

100

de

Punto 0

624

congelamiento 32

Cero 0

Rankin

491

absoluto -273

-459

0

Fig. 3-5. Rangos de cuatro escalas de temperatura.

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Fig. 3-6. Diagrama de fases con respecto a la presión y la temperatura.

El diagrama se divide en tres regiones: Sólida (S), Líquida (L) y Gaseosa (V), dependiendo de la temperatura y presión, la sustancia se encontrará en fase sólida, líquida o gaseosa, lo único que se necesita saber son los valores de t y p. Por ejemplo: si el punto se localiza en la región S, la sustancia se encuentra en fase sólida, si se localiza en L está en fase líquida y si está en V está en fase gaseosa. Suponiendo que se tiene una sustancia con una presión y una temperatura correspondiente al punto A, de la figura 3-6, en este punto la sustancia se encuentra en fase sólida, si mantenemos la presión constante y aumentamos la temperatura, ésta pasará a la fase líquida (fusión), en fase líquida se tienen dos formas de pasar a la fase gaseosa (evaporación) continuar aumentando la temperatura o bajar la presión, de esta manera se logra cambiar de fase a dicha sustancia. Como una última observación, la forma de cambiar una sustancia de fase sólida a fase gaseosa sin pasar por la fase líquida, fenómeno llamado sublimación, sería aumentando su temperatura, pero su presión deberá de estar por abajo del valor para el punto triple. Las líneas OT, TM y TN, representan los puntos de equilibrio entre fases, si los valores de temperatura y presión (punto) caen sobre cualquiera de estas líneas, esto indica que

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la sustancia se encuentra en ambas fases, las cuales pueden ser sólido/líquida, sólido/gaseosa o líquida/gaseosa, lo que indica que la sustancia se encuentra en dos fases. Sin embargo existe un punto en donde los valores de presión y temperatura permiten que las tres fases se logren y este es el punto T, en donde la sustancia se encuentra de manera sólida, líquida y gaseosa, a este punto se le denomina punto triple. El agua, por ejemplo, a una presión de 4.6 mm de mercurio y una temperatura de 0.01oC se puede encontrar al mismo tiempo, en sus fases líquida, sólida y gaseosa por lo tanto estos valores corresponden a su punto triple. Para tener de una forma estandarizada el valor de estos puntos y asegurar de esta manera una exacta medición de la temperatura, se ha adoptado en la industria, la escala internacional práctica de temperatura cuyas siglas son IPTS (International Practical Temperature Scale). La IPTS cumple con funciones que son necesarias para asegurar la estandarización en la medición de temperatura. En la tabla 3-3 se muestran los valores estándares de ciertas substancias para diferentes puntos como son: • El punto de ebullición. • El punto de congelación. • El punto triple de temperatura de varias sustancias. Puntos fijos de temperatura primaria y secundaria Sustancia

Punto de ebullicion (oC)

Punto de fusion (oC)

Punto triple (oC)

Punto fijo secundario (oC)

Agua

100.00

0

0.01

Aluminio

2056

660

660.37(FP)

Antimonio

1380

630.5

630.74(FP)

Azufre

444.6

120

444.67(BP)

Hidrógeno

−252.7

259.1

Neón

−245.9

−248.67

Oxígeno

−182.96

−218.4

Oro

2600

1063

Plata

1950

960.5

Plomo

1650

327.5

Zinc

907

419.4

−259.34 −218.79

+327.50(FP)

Tabla 3-3. Puntos fijos de temperatura de algunas sustancias.

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Todos los puntos mostrados se encuentran a una presión atmosférica estándar, además, la IPTS especifica los métodos e instrumentos utilizados para determinar los puntos mostrados en esta tabla. Por ejemplo, para los rangos entre –259.34oC (punto triple del hidrógeno) y 630.5oC (punto de congelación del antimonio) se utiliza un termómetro de resistencia de platino. Para los rangos entre 630.5oC y 1063oC (punto de fusión del oro), se usa un termopar platino 10% radio-platino, y para temperaturas arriba de 1063oC, se usa un pirómetro óptico. Estándares primarios y secundarios Una forma de tener la seguridad de lograr mediciones de temperatura adecuadas, es manteniendo calibrados los instrumentos que se emplean en las mediciones. Esto se logra mediante una buena capacitación del personal, así como la adquisición de equipo adecuado. Normalmente los equipos que se emplean en la medición de temperatura son: termómetros de resistencia de platino (RTD por sus siglas en inglés de Resistence Temperature Detector), termopares de platino-rodio y pirómetros ópticos. La inversión requerida para mantener este equipo adecuadamente calibrado es regularmente alto, por tal motivo estos equipos se mandan calibrar periódicamente en laboratorios dedicados a la calibración de equipo de medición, entre los laboratorios que existen, se encuentra la oficina nacional de estándares (NBS) en los Estados Unidos. En México se cuenta con varios laboratorios certificados en los cuales se tienen los patrones necesarios para una adecuada calibración. Los instrumentos empleados en laboratorios certificados son llamados patrones primarios los cuales son sumamente costosos y es muy caro mantenerlos en condiciones adecuadas, pero el equipo que es calibrado con estos aparatos puede servir perfectamente como patrón y éstos son llamados patrones secundarios, los que a su vez, pueden servir para calibrar el resto del equipo empleado en una empresa. Aplicación industrial de mediciones de temperatura Las aplicaciones de medición y control de temperatura pueden ser de lo más variado que se pueda imaginar, ya que van desde casas, oficinas, producción de plástico, medicinas, herramientas hasta plantas químicas, alimenticias, nucleoeléctricas, hidroeléctricas y explotación y refinación de petróleo, etc. La temperatura es probablemente la variable más medida y controlada. En general, la medición de la temperatura es usada básicamente para un propósito, lograr que el valor de la variable llegue al valor deseado, lo que significa que independientemente

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de la aplicación de que se trate, se tenga la seguridad de alcanzar la temperatura deseada. Para lograr esto, se tendrán una serie de premisas para consolidar este objetivo, las cuales podrán ser: 1. Tener entradas continuas a un control manual o automático, lo que ayudará en el monitoreo y control de la variable. 2. Registrar la información para conocer la tendencia o registro histórico. Clasificación por método de detección Los sensores de temperatura, generalmente se clasifican por el método de detección mediante el cual funcionan. Como se hizo notar en la transmisión de calor, se tiene la conducción, convección y la radiación, que en este caso actúan sobre el instrumento, de tal manera que los termómetros se emplean en la conducción y convección de calor, mientras que los pirómetros se emplean en la medición de la radiación del calor del cuerpo e indican la temperatura medida. En términos generales, si el instrumento está en contacto directo con la variable, es llamado termómetro y si el instrumento es localizado a cierta distancia de la variable, es llamado pirómetro. A continuación se mencionan los principios de operación más comúnmente utilizados por los elementos detectores de cambios en la temperatura de un proceso: presión de un fluido que cambia su volumen con los cambios de temperatura, dos metales que cambian su longitud llamados elementos bimetálicos, termopares, resistivos y los que detectan la radiación: • Cambios en la densidad: termómetro con líquido encapsulado de vidrio. • Cambios en longitud o volumen: elementos bimetálicos, sistemas llenos. • Generación de voltaje en la unión de dos metales: termopares. • Cambios en la resistencia eléctrica de los metales: termómetros de resistencia, termistores y medidores de esfuerzo. • Radiación producida por una sustancia: pirómetros. Rangos En la actualidad existe una amplia variedad de instrumentos para la medición de temperatura, la mayoría de las mediciones de uso doméstico e industriales se encuentran

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dentro de los rangos de –100oC a +1649oC (–150oF a +3000oF). Sin embargo, la ingeniería está avanzando continuamente ampliando estos rangos y estudiando nuevos principios de medición y mejorando los ya existentes, para satisfacer las necesidades de la industria. Como es de comprenderse uno de los datos importantes para el uso de este tipo de sensores es el rango de temperatura en el cual trabaja, ya que de esta característica, dependerá su empleo en las diferentes aplicaciones que se presenten, en la figura 3-7, se tiene una tabla comparativa de los tipos de sensores que existen y los rangos a los cuales trabajan. Rangos de temperatura (°C) -600 -400

Termómetro de cuarzo Termómetro bimetálico Termopar Termómetro de líquido en vidrio Sistema termal Termómetro de resistencia Pirómetro de radiación Pirómetro óptico

0

400

800

1200

1600 1900

-50 a 300 -130 a 540 -185 a 1620 -200 a 620 -240 a 540 -270 a 650 315 a 4200 1110 a 1760

Fig. 3-7. Rangos de temperatura de diferentes medidores. (Fuente TPC training)

El rango de un instrumento es sólo uno de los factores que deben de tomarse en cuenta para un problema de medición de temperatura. Otros factores que se deben considerar para una adecuada selección son: La sensibilidad, exactitud, velocidad de respuesta, vida útil esperada, costo, disponibilidad, resistencia a la corrosión y a la vibración, etc. Detección de temperatura mediante cambios de color y forma Adicionalmente se cuenta con otros tipos de sensores en los cuales dada su facilidad de uso y su bajo costo, además de que no requieren equipo adicional, son utilizados para la detección de temperatura. Estos indicadores de color están disponibles en forma de

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etiquetas adhesivas, crayón o de pintura y se muestran en la figura 3-8. Cuando cambia la temperatura, estos dispositivos cambian de color o se derriten o endurecen. Como ya se mencionó, los indicadores de color son económicos y pueden adquirirse en varios tipos y rangos que van de 52oC a 1371oC (100 a 2500oF). Se utilizan en la medición de temperatura de calderas, en pequeños hornos, en procesos de esterilización donde se desea asegurar que la temperatura mínima necesaria sea alcanzada.

Fig. 3-8. Indicadores de cambio de color y de fusión (fuente omega).

Los cambios de color en las etiquetas son dependientes de la temperatura y el tiempo, y este cambio no es reversible, las pinturas, así como los crayones, funcionan exactamente de la misma manera y se muestran en la figura 3-9. La exactitud en su gran mayoría es de ± 1% y sus tiempos de respuesta en algunos como los crayones y los líquidos son tan pequeños como: 0.001 segundos. El modo de empleo para las etiquetas, es adhiriéndolas al objeto al cual se desea medir la temperatura y el círculo o círculos irán indicando el valor al cual se encuentra la temperatura del objeto.

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Fig. 3-10. Empleo de etiqueta adhesiva para medir temperatura en una tubería (fuente omega).

Fig. 3-9. Vista de pinturas y crayones (fuente omega).

Así mismo, los crayones y pinturas se utilizan como un gis, marcando la superficie en la cual se desea conocer la temperatura. Cuando la superficie alcanza una temperatura específica, la marca se funde poniéndose suave, de esta manera se pueden trazar varias líneas con diferentes valores, para conocer un rango de temperatura. Fig. 3-11. Detección de temperatura en un circuito impreso, mediante etiquetas de uno y varios puntos (fuente omega).

Además de las etiquetas, pinturas y crayones, también son usados los indicadores de cristal líquido, éstos cambian de color a temperaturas específicas, presentando una mejor característica que es la de regresar a su estado original. Los indicadores de cristal líquido son autoadheribles, no son tóxicos y se manejan en rangos de 0oC a 60oC (32 a 140oF). Cuando la temperatura se incrementa, los indicadores de cristal líquido cambian de color indicando el valor de la temperatura.

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Los conos pirométricos, también llamados conos de Seger, son usados en la industria de la cerámica para dar una indicación al operador de las condiciones que se tienen dentro del horno. A diferencia de los crayones y pinturas, los conos no se funden a una temperatura específica, sino que se suavizan con ésta. En la práctica se emplean en los hornos varios conos de diferente sensibilidad a la temperatura y así cada uno se deformará a diferentes valores. Estos conos están normalmente inclinados unos 8° respecto a la posición vertical.

Forma original

Parcialmente fundido

Forma final

Fig. 3-12. Efecto de calentamiento en un cono pirométrico.

Cuando la temperatura se incrementa, el cono se suaviza y cae como se puede ver en la figura 3-12, en ese momento el operador tiene una indicación visual de las condiciones del horno. Existen aproximadamente 60 conos diferentes disponibles para cubrir rangos desde 538 a 1982°C (1000 a 3600°F).

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Resumen Se ha visto que la cantidad de calor aplicada a un cuerpo o sustancia da como resultado que las moléculas en éste se agiten produciendo una temperatura, así mismo, este calor suministrado hace que las sustancias cambien de estado, logrando obtenerse los diferentes estados físicos de la materia, como son el sólido, líquido y gaseoso. Así mismo estos cuerpos o sustancias presentan diferentes comportamientos en sus volúmenes (se dilatan), dependiendo del calor aplicado y pueden transmitir su energía mediante los efectos de conducción, convección y radiación. Los estados de la materia no se obtienen únicamente por cambios en la temperatura, sino que también se obtienen por cambios en la presión. Esta energía puede ser medida mediante dispositivos de temperatura, graduados con diferentes escalas dependiendo de la aplicación que se tenga. Buscando que las mediciones sean homogéneas en todas las aplicaciones, se crearon puntos de medición estándares, los cuales se obtienen en laboratorios con equipo especializado, logrando con esto, que los instrumentos empleados para la medición de temperatura puedan ser calibrados con patrones. Esto finalmente dará como resultado, que las mediciones que se efectúan, en la investigación y producción, sean lo más correctas posibles, logrando que los productos que se obtengan, sean de una calidad óptima. Dentro de la detección de temperatura, los sensores forman la parte sustantiva en dicha medición y su clasificación depende del principio de operación. Su selección dependerá de los rangos con que operen, además de factores como: la sensibilidad, exactitud, velocidad de respuesta, vida útil esperada, costo, disponibilidad, resistencia a la corrosión y la vibración, etc. Adicionalmente se cuenta con otros tipos de sensores en los cuales dada su facilidad de uso pues no requieren equipo adicional y se pueden colocar en espacios reducidos, y su bajo costo, son utilizados para la medición de temperatura. Estos indicadores cambian de color y se funden, y están disponibles en forma de etiquetas adhesivas, crayones y pinturas.

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Capítulo 3.1

instrumentos de medición eléctrica En esta sección conocerá los sensores de temperatura: • Termopares • De resistencia • Termistores • Circuitos integrados

Una de las necesidades de medición de temperatura se ha superado mediante el uso de sensores, que dadas sus características hacen posible que se puedan emplear en indicadores y circuitos electrónicos. Tal es el caso de dispositivos cuya salida se manifiesta con cambios de resistencia y voltaje. El termopar, que tal vez sea el más empleado en la industria debido a sus buenas características y bajo costo, es un dispositivo que actúa produciendo un voltaje, en función de una diferencia de temperatura (∆T) entre sus extremos. Otros detectores como el de resistencia-temperatura (RTD por sus siglas en inglés Resistance Temperature Detector), el termistor y el transistor, se basan en cambios de su resistencia eléctrica debida a la variación de temperatura. Los RTD’s incrementan su resistencia al elevarse la temperatura, y están fabricados de metales puros o aleaciones específicas. Los termistores, así como los transistores, son dispositivos de estado sólido que responden de la misma manera sólo que mucho más rápido. A diferencia de los RTD̒s, la resistencia de un termistor disminuye en respuesta a los incrementos de temperatura. El uso del transistor ha proliferado grandemente, aunque su aplicación es básicamente en equipo doméstico, de laboratorio y de tablero, más que en el área de procesos industriales. Termopares

Efectos termoeléctricos Cuando dos metales diferentes son unidos en sus extremos, como se muestra en la figura 3-13, y éstos se mantienen a diferentes temperaturas, se establece una corriente que 85

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fluye en el circuito termoeléctrico. Thomas Seebeck descubrió este fenómeno en 1821 al notar que la circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados: el efecto Peltier, el cual establece que una corriente que fluye a través de la unión de dos metales diferentes, absorbe o libera calor en función de la dirección que tenga la corriente; y el efecto Thompson el cual establece que en una sección de un metal conductor homogéneo se libera o se absorbe calor cuando existe una circulación de corriente y se tiene un incremento de temperatura; a este fenómeno se le llama efecto Seebeck. Metal A

Metal A

Metal B

Fig. 3-13. Circuito cerrado con dos metales de diferente material.

Si el circuito se abre en el centro, se tendrá un circuito de voltaje (voltaje Seebeck), en eAB en la figura 3-14 y es posible medir ese voltaje eAB en milivolts que genera el circuito en sus extremos en función de la temperatura en las uniones y de la composición de los dos metales.

Fig. 3-14. Circuito de voltaje con dos metales de diferente material.

Si los cambios de temperatura son pequeños, el voltaje Seebeck, será directamente proporcional a la temperatura.

∆ eAB = a ∆T donde a es la constante de proporcionalidad (constante Seebeck)

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Instrumentos de medición eléctrica

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La fuerza electromotriz (fem) de este circuito, obedece a dos efectos termoeléctricos combinados llamados el efecto Peltier, que dice que la corriente que circula en la unión de dos metales diferentes, causa que se libere o se absorba calor, en función de la dirección de la corriente en el circuito. Así mismo si un gradiente de temperatura existe a lo largo de cualquiera de ellos o en ambos materiales, la fem en la unión puede tener una ligera alteración extra. Esto es llamado el efecto Thomson. Hay entonces tres fem’s presentes en un circuito termoeléctrico. La fem Seebeck causada por la unión de metales diferentes, la fem Peltier causada por la unión de metales diferentes, la cual resulta de un gradiente de temperatura en los materiales. La fem Seebeck es de principal interés aquí y ésta es dependiente de la temperatura en la unión. Si la fem generada en la unión de dos metales diferentes es cuidadosamente medida como una función de la temperatura, entonces tal unión puede ser utilizada para la medición de la temperatura. El principal problema se presenta cuando se intenta medir este potencial (voltaje Seebeck), pues al conectar el termopar al dispositivo de medición, se estará generando otra fem en la unión del termopar con las terminales del instrumento y dependerá de la temperatura en la conexión y se deberán tomar ciertas precauciones para evitar la suma de este potencial. En la figura 3-15 se observa qué pasa si se desea leer el voltaje en un termopar tipo T. Si se quisiera leer sólo el voltaje V intentando medir la salida en la unión J1 se crearían dos uniones metálicas extras J2 y J3; debido a que la unión J3 es cobre-cobre, ésta no crea ningún volatje fem (V3 = 0), pero la unión J2 que es cobre-constantán creará un voltaje adicional fem (V2) opuesto a V1, por lo tanto la lectura V resultante será proporcional a la diferencia de temperaturas entre J1 y J2, lo cual quiere decir que no podemos encontrar la temperatura J1 a menos que primero encontremos la temperatura J2

Fig. 3-15. Circuitos equivalentes en una medición con un voltmetro.

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Una forma de determinar el valor de la temperatura de J2, es poniendo esta unión dentro de un baño de hielo como se muestra en la figura 3-16, forzando su temperatura a 0oC y estableciendo a J2 como una “unión de referencia” (punta fría); en la unión J3, como ya se dijo, ambas terminales (volmetro/termopar) son de cobre, por lo tanto, no crean ningún voltaje adicional a la lectura, siendo esta proporcional únicamente a la diferencia de temperaturas entre J1 y J2 Cu

Cu

Cu

V

Vi Cu

Cu

J1

C

Cu

Volmetro

Vi

J1

V2 J2 T = 0 oC

Fig. 3-16. Arreglo con unión de refencia a 0oC.

La lectura del volmetro será: V = V1-V2 = a (t J1 - t J2) Si especificamos a TJ1 en grados centígrados tenemos: TJ1 (oC) + 273.15 = tJ1 Entonces esto nos lleva a: V = V1 - V2 = a (TJ1 + 273.15) - (TJ2 + 273.15) = a (TJ1 - TJ2) = a (TJ1 - 0) V = a TJ1 En el análisis matemático realizado, se debe enfatizar que el voltaje de salida de la unión de refencia no es de cero volts, sino que es una función de la temperatura absoluta. Sumando el voltaje que se genera en la unión de referencia a cero grados Celsius, se tiene que la lectura de la unión de medición tiene como base cero grados y esto hace que este método sea muy exacto debido a que la temperatura en el hielo puede ser controlada con mucha precisión, el punto de fusión del hielo es usado por la oficina nacional

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de estándares de los Estados Unidos de Norteamérica (NBS por sus siglas en inglés de National Bureau of Standars), como un punto de referencia fundamental para las tablas de termopares, por lo que, si vemos las tablas directamente podemos convertir lecturas de voltaje a temperatura. El termopar cobre-constantán mostrado en la figura 3-16 es un ejemplo único ya que un alambre del termopar, es del mismo material (cobre) que las terminales del voltmetro. Pero si usáramos un termopar de hierro-constantán (tipo J), en lugar de uno de cobre-constantán, el alambre de hierro (figura 3-17) incrementaría el número de uniones de diferentes metales dentro del circuito, ya que las terminales del voltmetro que son de cobre quedarían conectadas con las del termopar que son hierroconstantán. J3 Fe Cu J1

V C

Cu Fe Voltímetro

J2

J4

Baño de hielo

Fig. 3-17. Unión de referencia con hierro-constantán.

Si ambas terminales del voltmetro no estuvieran a la misma temperatura, se tendría un error, por lo tanto, para tener mediciones exactas se deberá colocar un bloque isotérmico (terminal homogénea) como se muestra en la figura 3-18. La terminal isotérmica está aislada eléctricamente, pero es buena conductora de calor y sirve para mantener las uniones J3 y J4 a la misma temperatura. Las temperaturas en el bloque son despreciables debido a que las dos uniones cobre-hierro actúan de manera opuesta de tal manera que seguimos teniendo que: V = a(T1 -Tref) = (V1 - Vref) j

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Fig. 3-18. Instalación de terminal isotérmica.

Si reemplazamos el baño de hielo con otro bloque isotérmico, como se muestra en la figura 3-19 el nuevo bloque estará a la temperatura de referencia Tref y en la consideración de que J3 y J4 están a la misma temperatura de referencia, se puede decir que se tienen las mismas condiciones; V = a (T1 - T ref) Este circuito tiene mayores inconvenientes porque se ha formado otro termopar más (J3); tratando de reducir las conexiones tendríamos que eliminar al alambre extra de hierro en el lado negativo, en el de la unión de cobre-hierro-constantán, de esta manera podemos unir los dos bloques isotérmicos y la salida no se modifica. CU

Fe

Alta

J1

J3 Baja

CU FE

J4

C

JREF

Bloque isotérmico a Tref

Fig. 3-19. Reemplazo del baño de hielo con terminal isotérmica.

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Instrumentos de medición eléctrica

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Si examinamos la ley de los metales intermedios en la figura 3-20, para eliminar la unión extra, podemos decir que esta ley empírica establece que si un tercer material, en este caso el hierro, es insertado entre dos metales diferentes en una unión de termopar, éste no causará ningún efecto sobre el voltaje de salida, siempre y cuando las uniones formadas por el metal extra y las uniones del termopar, estén a la misma temperatura.

Fig. 3-20. Ley de los metales intermedios.

Como conclusión se tiene que es completamente eliminada la necesidad de un alambre de hierro del lado de la terminal negativa. Nuevamente se tiene el mismo resultado en el voltaje de salida, y las uniones J3 y J4 sustituyen el baño de hielo tomando el valor de la unión de referencia como se puede ver en el circuito equivalente de la figura 3-21. CU

Fe

V

J3 J1 C

CU

J4

T ref

fig. 3-21. Circuito equivalente.

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Se puede proceder a un siguiente paso lógico que será medir la temperatura del bloque isotérmico (unión de referencia), y usar esta información para conocer la temperatura desconocida de J1. Un termistor cuya resistencia RT está en función de la temperatura como el de la figura 3-22, proporciona una forma de medir la temperatura absoluta de la unión de referencia. Se supone que las uniones J3 y J4 y el termistor están a la misma temperatura debido al diseño del bloque isotérmico. Usando un multímetro digital se pueden tener dos condiciones: 1. Medir RT para encontrar Tref y convertir Tref a su voltaje equivalente. 2. Medir V, sumarle Vref para encontrar V1 y convertir V1 a la temperatura tJ1.

Fig. 3-22. Unión de referencia sin baño de hielo.

El estar detectando la temperatura del bloque, es una manera de conocer la temperatura ambiente, ya que si deseamos conocer la temperatura en un proceso, se debe considerar la temperatura ambiente más la temperatura en el proceso como se muestra en la figura 3-23. Es importante enfatizar que un termopar sólo genera voltaje, con diferencias de temperatura entre la unión de referencia (unión fría) y la de medición (unión caliente), si la temperatura es la misma entre los dos extremos, el termopar no genera ningún voltaje. Si se mide el voltaje del termopar con un medidor que no tenga compensador de temperatura ambiente, se deberá añadir el voltaje correspondiente a esta temperatura pues de lo contrario se tendrá un error en medición equivalente al valor de la temperatura ambiente.

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Metal a

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Metal a

Unión de referencia

Unión de medición

Metal b Milivolts

Proceso

Temperatura Temperatura ambiente 30°

200°

Temperatura total=200º+30º=230 0°

Fig. 3-23. Medición de la temperatura del proceso considerando la temperatura ambiente.

En la actualidad existen dos maneras de efectuar la compensación de temperatura ambiente en los equipos de medición, una es a través de circuitería y la otra a través de programación. En los medidores modernos, llamados transmisores inteligentes, los cuales emplean microprocesadores, es posible hacer esta compensación, debido a que se puede lograr mediante un software de una computadora o equipo, compensando los efectos de los cambios de temperatura ambiente en la unión de referencia. En los medidores antiguos se compensaba primeramente con bimetálicos y posteriormente con circuitería (ver compensación de temperatura). El sensor de temperatura sobre el bloque isotérmico de la figura 3-22 puede ser un dispositivo que tenga una característica proporcional a la temperatura: un RTD, un transmisor o un circuito integrado. Aun cuando el RTD o el termistor son dispositivos que miden temperatura sin necesidad de compensación, tienen la limitación de un rango de temperatura bajo, por tanto el termopar, aun cuando requiere compensación en la junta de referencia cubre un rango más amplio de temperatura. Propiedades de termopares Debido a su versatilidad, el termopar es tal vez el único método práctico industrial para la medición de temperaturas entre 500 y 1500oC. Los termómetros de sistema lleno no

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Medición y control de procesos industriales

se diseñan para esas temperaturas, y el termómetro de resistencia debe tener un diseño especial para esos rangos. En temperaturas menores a 500oC se emplea también el termopar aunque su costo sea mayor con el fin de tener un solo tipo de equipo en la planta. Una de las ventajas del termopar es que su volataje de salida se puede transmitir fácilmente a grandes distancias hasta el punto de lectura. Otra es que el termopar se puede fabricar en forma rápida en casi cualquier taller de instrumentos. El termopar por sí mismo es relativamente barato. Materiales de los termopares En la tabla 3-4 se pueden observar los tipos de termopares que existen en el mercado y sus polaridades, así como el rango en que operan cada uno de ellos. Tipo

Elemento positivo

Elemento negativo

Rangos usuales de temperatura F

o

C

o

B

Platino 30% rodio

Platino 6% rodio

1600 – 3100

870 – 1700

E

Cromel

Constantán

32 – 1600

0 – 870

J

Hierro

Constantán

32 – 1400

0 – 760

K

Cromel

Alumel

32 – 2300

0 – 1260

R

Platino 13% rodio

Platino

32 – 2700

0 – 1480

S

Platino 10% rodio

Platino

32 – 2700

0 – 1480

T

Cobre

Constantán

-300 – 700

-180 – 370

Tabla 3-4. Polaridad de termopares.

Tablas de temperatura-milivoltaje Para convertir la lectura en milivolts del voltímetro a su temperatura correspondiente, se pueden consultar tablas como la 3-5. Estas tablas están disponibles con los fabricantes de termopares y enlistan las temperaturas específicas que corresponden a una serie de lecturas de voltaje. Debido al empleo de medidores electrónicos ya no es necesaria la consulta de la tablas pues éstos dan la lectura directa en grados. Mediante este tipo de tablas, se puede conocer el milivoltaje que se genera a determinadas temperaturas, por ejemplo, de la tabla 3-5, si deseáramos conocer el milivoltaje equivalente de la temperatura de 770oC, se busca en la columna de los extremos derecho o izquierdo el valor 700 (centenas o millares) y en la fila de los extremos inferior o superior se busca el valor de 70 (decenas), en forma de eje coordenado, encontrando de esta manera el valor de milivolts que es de 7.020 mv.

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Instrumentos de medición eléctrica

Termopar tipo S Tabla temperatura vs fem Temperatures (oC) (PTS 1968) o

Unión de refencia a 0oC Reference Junction 0oC

C

0

10

20

30

40

50

60

0

0.000

0.053

0.103

0.150

0.194

0.236

70

80

90

100

o

C

Thermoelectric voltage in absoluts milivolts 0

0

0.000

0.055

0.113

0.173

0.235

0.299

0.365

0.432

0.502

0.573

0.645

0

100

0.845

0.719

0.795

0.972

0.950

1.029

1.109

1.190

1.273

1.356

1.440

100

200

1.440

1.625

1.611

1.698

1.785

1.673

1.967

2.361

2.141

2.232

2.323

200

300

2.323

2.414

2.506

2.599

2.692

2.786

2.880

2.974

3.069

3.164

3.260

300

400

3.260

3.356

3.452

3.540

3.645

3.743

3.840

3.938

4.036

4.135

4.234

400

500

4.234

4.333

4.432

4.532

4.632

4.732

4.832

4.933

5.034

5.138

5.237

500

600

5.237

5.339

5.442

5.544

5.648

5.751

5.855

5.660

6.064

6.169

6.274

600

700

6.214

6.380

6.486

6.592

6.699

6.805

6.913

7.020

7.128

7.236

7.345

700

800

7.345

7.454

7.563

7.672

7.782

7.802

8.003

8.114

8.225

8.336

8.448

800

900

8.448

8.560

8.673

8.786

8.899

9.012

9.126

9.240

9.355

9.470

9.585

900

1000

9.586

9.700

9.816

9.932

10.013

10.165

10.282

10.400

10.517

10.635

10.754

1 000

1 100

10.754

10.872

10.991

11.110

11.229

11.348

11.467

11.587

11.707

11.827

11.947

1 100

1 200

11.947

12.067

12.188

12.308

12.429

12.550

12.671

12.792

12.913

13.034

13.155

1 200

1 300

13.155

13.276

13.997

13.519

13.640

13.761

13.863

14.004

14.125

14.247

14.368

1 300

1 400

14.368

14.489

14.610

14.731

14.852

14.973

15.094

15.215

16.336

15.456

16.576

1 400

1 500

15.576

15.697

15.817

15.937

16.057

16.176

16.296

16.415

16.534

16.653

16.771

1 500

1 600

16.771

16.890

17.008

17.125

17.243

17.360

17.477

17.594

17.711

17.826

17.942

1 600

1 700

17.942

18.056

18.170

18.282

18.394

18.504

18.612

C

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

o

1 700 o

C

Tabla 3-5. Voltaje en función de la temperatura de termopar tipo S.

Relación voltaje-temperatura para diferentes termopares Es muy común expresar la fem termoeléctrica en términos del potencial generado con una unión de referencia de 32oF (0oC); en la tabla 3-6 se muestra un resumen de las características de salida de los termopares más comunes. Las señales de voltaje que se generan en un termopar son del orden de mV (milésinas de volt). Tabla 3-6. Basada sobre una unión de referencia a 32oF

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Temperatura en oF

Cobreconstantán

Chromelconstantán

Hierroconstantán

Chromelalumel

-250

-4.747

-6.40 mv

-6.71

-4.96 mv

Platino 10% radio

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Medición y control de procesos industriales

Temperatura en oF

Cobreconstantán

-200

-4.111

-150

-3.380

-100

-2.559

-50

-1.654

0

-0.670

50

0.389

100

1.517

150

2.711

200

3.967

250

5.280

300

6.647

350

8.064

400

9.525

450

11.030

500

Chromelconstantán

Hierroconstantán

Chromelalumel

-5.76

-4.29

-4.68

-3.52

-3.49

-2.65

-2.22

-1.70

-0.89

-0.68

0.50

0.40

1.94

1.52

0.212 mv

3.41

2.66

0.401

4.91

3.82

0.595

6.421

4.97

0.800

7.94

6.09

1.017

9.48

7.20

1.242

11.03

8.31

1.474

17.97

12.57

9.43

1.712

12.575

22.2

14.12

10.51

1.956

600

15.773

26.65

17.18

12.86

2.458

700

19.100

31.09

20.26

15.18

2.977

800

40.06

23.32

17.53

3.506

1 000

49.04

29.25

22.26

4.596

1 200

62.30

36.01

26.98

5.726

1 500

70.90

33.93

7.498

1 700

38.43

8.732

2000

44.91

10.662

-3.94 -1.02 2.27 5.87 9.71 13.75

Platino 10% radio

Respuesta de diferentes termopares Los datos de la tabla 3-4 son mostrados en la gráfica de la figura 3-24 y se puede apreciar la relación de la temperatura y la correspondiente fuerza electromotriz fem (efm por sus siglas en inglés) en milivolts para seis tipos de termopares, se nota también que los termopares R, S y B generan poco milivoltaje en comparación con los termopares E, J y k. Conversión de temperatura a voltaje El voltaje de salida E de un circuito de termopar es usualmente escrito de la siguiente forma: E = AT + ½ BT2 + ⅓ CT3

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Instrumentos de medición eléctrica

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donde T es la temperatura en oC y el voltaje E está con referencia a una temperatura de 0oC. Las constantes A, B y C son dependientes del material del termopar. La sensitividad o potencia termoeléctrica de un termopar está dada por: S = dE = A + BT + CT2 dt

Fig. 3-24. Curva de temperatura-milivolts para los termopares más comunes.

La tabla 3-7 da el valor aproximado de la sensitividad de varios metales referidos al platino a 0oC

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Bismuto

-72

Plata

6.5

Constantán

-35

Cobre

6.5

Níquel

-15

Oro

6.5

Potasio

-9

Tugsteno

7.5

Sodio

-2

Cadmio

7.5

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Medición y control de procesos industriales

Platino

0

Hierro

18.5

Mercurio

0.6

Nicromel

25

Carbón

3

Antimonio

47

Aluminio

3.5

Germanio

300

Plomo

4

Silicio

440

Tantalum

4.5

Telurio

500

Rodio

6

Selenio

900

Tabla 3-7. Sensitividad termoeléctrica S = dE/dT referidos al platino en mVoC.

Polaridad Una característica importante en un termopar es su polaridad, la cual debe ser respetada cuando se va a conectar al sensor en un instrumento de medición. Aunque no es riesgoso el intervenir la polaridad, puede causar descontrol ya que las indicaciones se ven alteradas. En la tabla 3-8 se muestran las polaridades de diferentes termopares y su rango de operación. Tipo

Elemento positivo

Elemento negativo Rangos de usuales de temperatura F

o

C

o

B

Platino 30% rodio

Platino 6% rodio

1 600 – 3 100

870 – 1 700

E

Cromel original

Constantán

32 – 1 600

0 – 870

J

Hierro

Constantán

32 – 1 400

0 – 760

K

Cromel original

Alumel original

32 – 2 300

0 – 1 260

R

Platino 13% rodio

Platino

32 – 2 700

0 – 1 480

S

Platino 10% rodio

Platino

32 – 2 700

0 – 1 480

T

Cobre

Constantán

-300 – 370

-180 – 370

Tabla 3-8. Tipos de termopares y su polaridad.

En todos los termopares es posible reconocer la polaridad a través de los colores del forro que los cubre. Un termopar consta de un forro externo que cubre los dos alambres y uno interno que cubre el alambre individualmente. El forro externo indica el tipo de termopar y el interno la polaridad. En la versión americana, el color rojo siempre es el negativo. Los forros externos como ya se mencionó determinan el tipo de termopar, por ejemplo el termopar K tiene forro amarillo y el J tiene forro negro, etcétera. En la figura 3-25 se puede apreciar esta característica, y se puede ver que los forros varían de la versión americana a la de los otros países, por lo que si los termopares son

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adquiridos en otro país se debe consultar la tabla de colores. Mediante la tabla 3-7 y los colores en el termopar se podrá conocer el material de que está hecho el alambre, además de poder identificar su polaridad.

Fig. 3-25 Normas del color de forros de termopar de diferentes países.

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Alambres de extensión Los alambres de extensión son utilizados para conectar el termopar con el voltmetro. En algunas aplicaciones, ambas uniones están separadas por varias decenas de metros. Hay dos clases de alambres de extensión para aplicaciones de termopares: el primer tipo de alambre de termopar es esencialmente del mismo alambre que forma el termopar, y se recomienda para los hierro-constantán y cobre-constantán. El segundo tipo, el alambre de compensación, está fabricado de cobre o una aleación níquel-cobre. Es usado principalmente en termopares de platino para reducir el costo. Las características del alambre de conexión deben ser similares a los alambres utilizados en los termopares, pues de otra manera, los voltajes generados en las conexiones serían suficientemente grandes para afectar la exactitud del instrumento. Los forros de alambres de extensión así como los termopares, permiten la identificación del tipo de termopar de que se trate, estos forros son fabricados de diferentes materiales como: polyvinil, fibra de vidrio, teflón, asbesto, etcétera, en la figura 3-26 se muestran algunos de éstos.

Fig. 3-26. Diferentes forros de alambre de extensión.

Fabricación La figura 3-27 muestra un diagrama de un termopar típico. Los conductores de la unión de medición son encapsulados dentro de una funda de metal rígido que proteje al termopar. La unión de medición es formada en el extremo del termopar, como se muestra en el diagrama. El óxido de magnesio rodea los alambres que forman el termopar contra vibraciones que podrían dañar los finos alambres y tiene una función adicional, aumenta la transferencia de calor entre la unión de medición y el medio que rodea al termopar. Esto asegura que

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la unión de medición siga los cambios rápidos de temperatura del medio. Este termopar particular es usado normalmente con un pozoprotector llamado termopozo (tw por sus siglas en inglés de termotowell). Los conductores de la unión de medición se conectan a los alambres de extensión en el extremo del termopozo.

Fig. 3-27. Diagrama de construcción de un termopar y puntas.

Tipos de uniones Al fabricar el termopar este puede ser soldado o torcido, en la figura 3-27 lado B, se pueden ver tres tipos de uniones soldadas: expuesto, no aterrizado y aterrizado. El tipo expuesto es recomendado en mediciones de temperatura en gases no corrosivos, estáticos o en movimiento, donde se requiere un tiempo de respuesta rápido. El tipo no aterrizado, es recomendado para hacer mediciones en medios ambientes corrosivos, en donde se desea tener el termopar electrónicamente aislado del blindaje de la funda. Los termopares soldados son físicamente aislados de la funda, con polvos de óxido de magnesio. El tipo aterrizado, es recomendado para medir líquidos o gases corrosivos estáticos o en movimiento y en aplicaciones de alta presión. En un termopar aterrizado, la unión

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está soldada a la funda lo que permite un tiempo de respuesta mayor que en uno no aterrizado. Los termopares rara vez se usan con alambres no recubiertos excepto en la unión de detección. El recubrimiento de los alambres puede consistir desde barniz resistente al calor, hule resistente al calor, tejido de algodón, tejido de asbesto, tejido de fibra de vidrio, asbesto impregnado con silicio, tejido de teflón y vidrio, hasta tubos o perlas de cerámica, alúmina u óxido de molibdeno. También se emplean combinaciones del recubrimiento del alambre, en ocasiones individualmente o cubriendo los dos alambres, con el mismo forro protector. En la figura 3-28 se ilustran los diferentes tubos protectores de cerámica que se colocan a los alambres del termopar, los cuales le dan resistencia mecánica y evitan que se pongan en contacto, lo que ocasionaría un corto circuito.

Fig. 3-28. Diferentes tipos de tubos aislantes de cerámica.

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Cuando la aplicación del termopar requiere la medición de temperaturas en atmósferas corrosivas u otros tipos de atmósferas que sean perjudiciales para los metales del termopar, se acostumbra emplear una funda como protector del termopar, del lado de la unión de medición (unión caliente). Esas fundas protectoras se construyen de una gran variedad de materiales y dependen del uso que se les va a dar, las cubiertas se pueden construir de hierro forjado cubierto con una aleación, hierro fundido, acero sin costuras, acero inoxidable, níquel, inconel, carburo de silicio unido con cerámica o algún otro tipo de material que prolongue el tiempo de vida y la precisión del termopar. Por lo general en procesos donde se tienen altas presiones, las fundas protectoras son barras sólidas de metal perforadas o se construyen soldando un tubo, un tapón y una cabeza hexagonal, como se muestra en la figura 3-29.

Fig. 3-29. Termopar con funda y terminal de conexiones.

Por lo regular los termopares que requieren el uso de tubos o cubiertas protectoras se construyen como un conjunto como se muestra en la figura 3-29 lado A. En la figura 3-29 lado B se muestra el corte transversal de un sensor de termopar, en donde se observa la funda y su ternimal de conexiones. En la figura 3-30, se observa la cabeza que protege la conexión del termopar, con los alambres de extensión que van hacia el instrumento de medición, esta caja de conexiones es fabricada normalmente de hierro fundido o aluminio.

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Fig. 3-30. Cabezas o cajas de conexiones de termopar.

La sensibilidad de un termopar se puede incrementar reduciendo la masa de la unión de medición. Un método para lograr esa reducción de masa es soldar a tope los dos alambres del termopar. Cuando la soldadura a tope no tiene la resistencia mecánica adecuada por el tipo de aplicación, entonces se tuercen los dos alambres; por lo general se utilizan tres vueltas de alambre y para algunas aplicaciones se requieren hasta cinco vueltas. Es necesaria una soldadura fuerte y limpia para obtener una unión sólida con el fin de efectuar mediciones precisas y reproductibles. El termopar responde también a un cambio de temperatura con mayor rapidez cuando su tubo o funda protectora es de diámetro pequeño y las paredes son lo más delgado posible. Los diámetros y espesores de paredes gruesas provocan un tiempo de respuesta lento.

Fig. 3-31. Diferentes tipos de termopares.

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En la figura 3-31 se muestran diferentes tipos de termopares que se emplean dependiendo el tiempo de aplicación que se tenga en la industria o en laboratorio. Termopozos Los termopozos son los elementos que proveen la máxima protección a los sensores de temperatura contra la presión, la temperatura y la fatiga generada por la velocidad de fluido; y también aíslan al proceso de tal manera que cuando se desee cambiar o dar mantenimiento al termopar, éste puede ser retirado sin afectar la operación del proceso. Como se puede ver en la figura 3-32, el termopar está constituido por varias partes, una de las cuales es el termopozo, el cual es adicional a la funda de protección del termopar.

Fig. 3-32. Diferentes partes que conforman un arreglo de termopar con termopozo.

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En la figura 3-33 se muestran diferentes tipos de termopozos, además se tienen que tomar en cuenta ciertos parámetros para la correcta selección del termopozo según la aplicación: • Tipo de construcción (recto, cónico, escalonado). • Materiales. • Tipo de conexión (roscado, con brida, soldado, e inserción). • Larfo de inserción. • Velocidad del fluido.

Fig. 3-33. Diferentes tipos de termopozos.

Consideraciones de diseño No existe termopar ideal para una aplicación en particular. Algunos de los factores que intervienen en el diseño de termopares se verán a continuación.

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Selección del termopar y del tipo de alambre Los factores determinantes para seleccionar el termopar adecuado en su orden usual son: temperatura a ser medida (ver tabla 3-4), compatibilidad con la atmósfera que rodea al termopar (ver tabla 3-7), costo, voltaje de salida (fem) oC en la temperatura de operación (ver figura 3-24) y la linealidad. Para algunas aplicaciones, los factores serán ordenados en forma diferente. Para una relación lineal fem-temperatura en el rango de 0 a 30oC deberá ser escogido un termopat tipo K, aunque en muchas aplicaciones los tipos T y J serán seleccionados preferentemente. Si se va a instalar un termopar en un medio ambiente corrosivo, se deberá escoger uno resistente a la corrosión, o colocarlo en un termopozo con atmósfera reductora, siempre y cuando la atmósfera del proceso sea altamente oxidante. Los termopares se fabrican en varias configuraciones. Para bajas temperaturas, es suficiente tener el ambiente aislado con hule o plástico. Para más altas temperaturas, el aislamiento se lleva a cabo por medio de perlas o tubos de cerámica. Si el alambre es capaz de deteriorar los alambres, se adapta un tubo ya sea de cerámica o de metal para proteger al termopar. No obstante que los termopares son dispositivos aparentemente simples, sus características son frecuentemente mal medidas. Si el alambre entre la unión de referencia y la unión de medición es química y metalúrgicamente homogéneo, no habrá cambio en el voltaje de salida aunque exista un gradiente de temperatura sobre el conductor (efecto Thompson). Si se tienen diferencias químicas y/o metalúrgicas, pero no existe un gradiente de temperatura sobre el conductor, la medición no afectará. Un termopar puede ser preciso cuando está nuevo pero no puede permanecer así. El medio puede cambiar su composición química o su estructura metalúrgica. Si tales cambios ocurren donde existe un gradiente de temperatura, la señal de salida se verá afectada. La magnitud del cambio puede no ser detectada fácilmente. Si se quita de una instalación un termopar que sea no-homogéneo y se coloca en un horno controlado donde la temperatura sea diferente de la anterior, no se podrán predecir los resultados de calibración. Si la sección no homogénea está completamente incluida en una zona isotérmica del horno de calibración, no existirá error. De otra forma, si la sección no homogénea se localiza en un área donde el gradiente de temperatura no es el mismo que el de la zona de trabajo se producirá un error diferente del que tenía en servicio. Por estas razones los termopares de deben checar en el lugar de trabajo, insertando un termopar secundario de alta calidad

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Es también importante que el tipo de termopar sea escogido de tal manera que sea compatible con las condiciones del ambiente en particular. Casi todas las combinaciones de termopar son afectadas por las atmósferas reductoras; el uso exitoso de termopares en dichos ambientes requiere una protección adecuada. Donde las condiciones sean severas, se pueden usar satisfactoriamente tipos compactos de cerámica con un tubo protector adicional (termopozo). En algunos ambientes como atmósferas con alto contenido de hidrógeno, donde no se puede lograr protección satisfactoria al termopar, se pueden usar pirómetros de radiación. Según el cuidado con que se instalen y protejan los termopares, éstos se deterioran y necesitarán cambiarse periódicamente. Puesto que no es práctico reemplazar el circuito completo del termopar, la instalación se hace en dos secciones, una sección reemplazable y otra permanentemente aislada como se aprecia en la figura 3-34. Esta última está expuesta a menos cambios de temperatura bruscos y puede ser hecha de pares de alambre que igualen la curva específica del termopar. Este par de alambres llamado “alambres de extensión”, extiende la unión de referencia del circuito del termopar desde el punto donde termina el termopar de alta calidad, a un punto donde la temperatura es conocida o se pueden compensar sus variaciones (el medidor). Cualquier diferencia en la composición química de los alambres, produce una diferencia en las terminales del par de extensión, y por esta razón las cabezas de termopares se diseñan para mantener las terminales isotérmicamente, colocándolas juntas y usualmente cubriéndolas.

Fig. 3-34. Circuito completo del termopar.

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Tamaño de alambre Si los termopares son usados sin los tubos protectores, el tamaño del alambre es un compromiso entre velocidad de respuesta, resistencia mecánica y tiempo de vida. Alambres de diámetros pequeños responden más rápidamente a cambios de temperatura y conducen menos calor desde la unión medida, esto es un factor de importancia cuando sólo una corta parte del termopar se puede introducir al proceso. En la figura 3-35 se muestra hasta qué temperaturas se puede medir con diferentes calibres de termopar.

Fig. 3-35. Tipos de termopares y calibres.

La corrosión altera más rápidamente la calibración de alambres delgados y su fem es más facilmente afectada por no homogeneidades causadas por la deformación y el doblarse (enchuecarse) debido al trabajo en frío. El tiempo de respuesta será más rápida en termopares delgados que en gruesos. En termopozos y fundas, el error por conducción y la velocidad de respuesta es menos importante que para seleccionar el tamaño del alambre, pero se tendrán que considerar los espesores de los termopozos para que éste no retarde la respuesta de la señal.

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Las condiciones del medio ambiente influirían también sobre el desempeño de los termopares. En la tabla 3-9 se muestra el comportamiento de los termopares en diferentes atmósferas. Tipo de termopar

Influencia de temperatura y atmósferas gaseosas*

B, R, S

1. Resistencia a la atmósfera oxidante: muy buena. 2. Resistencia a la atmósfera reductora: pobre. 3. El platino se corroe fácilmente arriba de 100oC, deberá ser usado en tubo de cerámica protector, nunca en tubo metálico.

K

1. Resistencia a la atmósfera oxidante: de buena a muy buena. 2. Resistencia a la atmósfera reductora: pobre. 3. Es afectado por el azufre, gas reductor o sulfuros: SO2 y H2S.

J

1. Las atmósferas oxidante y reductora tienen un pequeño efecto sobre su exactitud. Se usa ampliamente y su mejor aplicación es en atmósfera seca. 2. Resistencia a la oxidación: buena hasta de 400oC pero pobre arriba de 700oC. 3. Resistencia a atmósfera reductora: buena hasta 400oC.

T

1. Resistencia a la corrosión en atmósferas húmedas. 2. Resistencia a la atmósfera oxidante: buena. 3. Resistencia a la atmósfera reductora: buena. 4. Requiere protección cuando hay vapores de ácidos.

E

1. El cromel es atacado por atmósferas sulfurosas. 2. Resistencia a la oxidación: buena. 3. Resistencia a la atmósfera reductora: pobre.

* Una atmósfera oxidante actúa primeramente oxidando directamente el componente de un termopar de base-metal. Una atmósfera reductora (CO, H2) sobre los tipos B, R y S actúa reduciendo parcialmente el refractario con el cual los alambres del termopar están en contacto seguido por el ataque hacia el termopar por el producto reductor, que frecuentemente es silicón Tabla 3-9. Influencia del medio ambiente en los termopares.

Blindaje El blindaje es una técnica de protección para reducir la interferencia de fuentes de ruido que se producen en los equipos de medición electrónicos que tiene arreglo en modo común. Supongamos que un alambre de termopar ha sido instalado en la misma tubería que en una línea de energía de 220 volts de corriente alterna, como se muestra en la figura 3-36. La cercanía entre las líneas de energía y las líneas del termopar, permite que se induzca una señal en ambos alambres del termopar. Esta señal crea un problema, ya

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que se forma un circuito capacitivo-resistivo entre el termopar y los cables de corriente alterna, a través de los cuales circula corriente que va hacia la terminal negativa del medidor, el cual crea un circuito entre su terminal negativa y tierra (chasis), mediante una capacitancía parásita (Ver figura 3-36 inciso A). Capacitancias distribuidas

Línea de 220v AC

Resistencias distribuidas

Sin blindaje

A

Medidor

Blindaje Con blindaje

B

Medidor

Fig. 3-36. Conexiones de termopares con y sin blindaje.

Para eliminar este problema en la figura 3-36 inciso B, se conecta la funda (aterrizada) directamente hacia la protección (tierra de chasis), desviando la señal y evitando con esto que la señal entre al medidor por la entrada negativa, como cuando el blindaje no es conectado a la tierra del chasis como ocurriría con un circuito no blindado. La protección del medidor es especialmente usada para evitar voltajes ruidosos creados cuando la unión del termopar está en contacto directo con una fuente de ruido. Adicionalmente, el acoplamiento magnético y electrostático se reduce utilizando cable de par trenzado, reduciendo al mínimo la longitud de los hilos conductores y manteniéndolo alejado de campos magnéticos y eléctricos intensos. En la figura 3-37 se desea medir la temperatura en el centro de un recipiente metálico que está siendo calentado mediante una resistencia eléctrica, el voltaje en el centro del baño es de 120 volts raíz cuadrática media (RMS por sus siglas en inglés Root Mean Square), la cual genera ruido que es recogido por el termopar.

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Fig. 3-37. Termopar en un ambiente con ruido eléctrico.

La manera de evitar este problena se muestra en la figura 3-38 inciso B, en donde el termopar es aterrizado y el blindaje o la funda es conectado a la tierra física del instrumento. De la misma manera que en el ejemplo anterior, aquí se crea un circuito en el que la señal circula a través del alambre del termopar cuando no está blindado como se ve en la figura 3-38 inciso A, y ésta entra por la terminal negativa del medidor recibiendo toda la perturbación que genera la fuente de ruido. La manera de evitar el ruido, es creando una trayectoria alterna a los lazos de tierra que se formen, y que aun cuando la señal de ruido circula a través del termopar, no entre al medidor, sino que se vaya a tierra como se ilustra en la figura 3-38 inciso B.

Fig. 3-38. Circuitos blindados y no blindados para termopares.

Por último, pero no por ello menos importante, se necesita instrumentación capaz de realizar medidas de bajo nivel de voltaje, y totalmente limpias de ruido para evitar que se altere la exactitud de las medidas de temperatura.

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Circuitos de medición Si consideramos que la temperatura de referencia (Tref) es una de las dos cantidades que necesitamos conocer para calcular una temperatura (T1), la otra es el voltaje V, que medimos con el sistema de adquisición de datos (o voltímetro). Aplicando la fórmula: V = (T1 - Tref) podemos calcular tensiones equivalentes para la temperatura de referencia y la total y a continuación restar para determinar el valor de T1. Los voltímetros y los sistemas de adquisición de datos que efectúan medidas con termopares se encargan de realizar el cálculo y dan directamente el valor de la temperatura que se quiere medir. Una condición para efectuar la medición será conocer el valor de Tref, o mantener la temperatura a 0oC en esta unión, lo cual en algunas aplicaciones sobre todo las de laboratorio es posible lograrlo, pero en campo sería imposible mantener esta condición, por tal motivo se detecta la temperatura en la unión de referencia con un RTD, un termistor o un circuito integrado como se mencionó en un principio. Esta alternativa permite conocer la temperatura en la union de referencia, la cual se añadirá al valor que tenga la unión de medición, conociendo de esta manera la temperatura que se tiene en la planta o proceso. A este procedimiento se le llama compensación de temperatura ambiente. Compensación de temperatura ambiente La compensación por cambios en temperatura de la unión de referencia es un punto que debe tomarse muy en cuenta, ya que de no hacerlo las lecturas que se estén midiendo tendrán errores en porcentajes bastante considerables sobre todo si se está midiendo a baja temperatura. En el laboratorio, por ejemplo, se puede mantener constante a 0oC la temperatura de referencia, sumergiéndola en un baño de agua con hielo. Sin embargo en un proceso industrial, no puede esperarse mantener una temperatura constante de esta manera, en este caso, se deben compensar estos cambios de temperatura para obtener lecturas exactas. Para tal efecto se diseñan circuitos electrónicos compensadores, los cuales pueden desarrollarse con resistencias, termistores, diodos o con circuitos integrados más elaborados los cuales se fabrican especialmente para este propósito. Este procedimiento permite una compensación por circuitería (hardware), aunque existe una compensación por programación (software), la cual es una alternativa complementaria en la solución del problema.

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Compensación con resistencias Aunque este arreglo no es muy moderno, existen muchos equipos de tipo galvanométrico en los cuales se lleva a cabo este tipo de compensación. La forma de operación consiste en que al medir la temperatura a través del termopar, éste genera un voltaje y en consecuencia una corriente que circula por la bobina del galvanómetro produciendo una indicación. Para compensar ese arreglo se usan resistencias con curvas de temperatura-resistencia que se asemejan a la curva del termopar. La figura 3-39 muestra cómo son conectadas las resistencias en el circuito, las cuales quedan en un arreglo serie-paralelo con el galvanómetro; mediante esta configuración las variaciones de temperatura ambiente serán detectadas y la lectura no se ve afectada.

Fig. 3-39. Resistencias para compensar cambios de temperatura en la unión de referencia.

Este arreglo presenta inconvenientes ya que si la longitud del termopar cambia, se tendrá que recalibrar el instrumento debido a que estará cambiando la resistencia total del circuito y en consecuencia su corriente, por lo tanto habrá cambios en las lecturas. Compensación con circuitos electrónicos La filosofía de operación para un circuito electrónico, será la de compensar el voltaje que genera la unión de referencia, sumándole un voltaje al circuito, mediante una batería, ver figura 3-40 lado A. Lo que sería equivalente a tener la unión de referencia a 0oC, ver la figura 3-40 lado B. El voltaje de compensación “e”, estará en función de la temperatura detectada por la resistencia Rt, como se ve en la figura 3-40 lado C. Estos circuitos están comercialmente disponibles, y son usados en voltímetros para una amplia variedad de termopares. El voltaje V, está ahora referido a 0oC y las lecturas pueden

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ser convertidas directamente a temperatura, empleando las tablas de la NBS (Oficina Nacional de Estándares), aunque la mayoría de los equipos modernos permiten tener las lecturas, ya sea en milivolts o en oC o oF.

Fig. 3-40. Circuito electrónico compensador en la unión fría.

A este tipo de circuito se le llama referencia de punta fría electrónico. En los equipos electrónicos de tipo potenciométrico que emplean este tipo de compensación, no les afecta la longitud del termopar ya que la entrada del instrumento prácticamente no consume corriente.

Fig. 3-41. Termopar conectado a un medidor digital.

En la figura 3-41 se muestra un termopar conectado a un medidor de tipo digital el cual despliega la medición en grados Fahrenheit o centígrados, y que por diseño ya cuenta con compensación de temperatura ambiente. Conceptos de transductores resistivos de temperatura Los transductores eléctricos de temperatura tipo resistivo, se caracterizan porque son afectados por la temperatura según el sensor que se utilice, entre los cuales figuran:

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• Variación de resistencia en un conductor (sondas de resistencia) • Variación de resistencia de un semiconductor (termistores) Efectos de la temperatura en los conductores Cuando un conductor es afectado por la temperatura, la corriente que circula por éste se modifica, de tal manera que una corriente que fluye a través de un conductor de cobre cambia hasta en un 30%, cuando se tienen incrementos de temperatura entre 25ºC y 100ºC. Esta dependencia en temperatura es expresada por la siguiente ecuación: Rt2= Rt1 (1+a( t2-t1)) Donde a es el coeficiente de temperatura del material (ohms/ohms/oC) t1 es la temperatura baja en grados Celsius, t2 es la temperatura alta en grados Celsius, Rt1 es la resistencia del material a la temperatura t1 en ohms Rt2 es la resistencia del material a la temperatura t2 en ohms Coeficiente de temperatura de la resistencia El término a (alfa) en la ecuación anterior revela el cambio al cual la resistencia del material cambiará en respuesta a un cambio de temperatura y es definido como el coeficiente de temperatura de la resistencia del material. Si vemos en tablas el valor del alambre de cobre, mostrará que es de 0.004 lo cual significa que la resistencia cambia 0.004 ohms por ohm por grado centígrado. Otra manera de establecer esta variación es en por ciento por grado, en el caso del alambre de cobre sería 0.4% /oC. En ambos ejemplos la resistencia aumenta con la temperatura, lo cual significa que el coeficiente es positivo. Este comportamiento es característico de metales puros, sin embargo algunos otros materiales como los no metálicos, los semiconductores y aislantes tienen un coeficiente de temperatura negativo (la resistencia disminuye con la temperatura), por ejemplo el carbón que tiene una a(alfa) igual a –0.003. En ciertas aleaciones metálicas se tienen coeficientes de temperatura prácticamente iguales a cero (la manganina 0.0044442; constantán 0.44442; nicromel 0.00017), y a ciertos

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voltajes o temperaturas, muestran un coeficiente de temperatura negativo. En conductores y resistencias se pueden obtener los más bajos coeficientes de temperatura, siendo cero el coeficiente de temperatura ideal. Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura positivo bastante constante. El coeficiente de resistencia de temperatura, generalmente llamado “coeficiente de temperatura” es la relación de un cambio de resistencia debido a cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente es constante, significa que el factor de proporcionalidad entre la resistencia y la temperatura es constante y que la resistencia y la temperatura se graficarán en una línea recta. Cuando se usa un alambre de metal puro para la medición de temperatura, se le refiere como detector resistivo de temperatura, o RTD (por las siglas en ingles de Resistive Temperature Detector). Cuando se usan óxidos metálicos para la medición de temperatura, el material de óxido metálico es conformado en forma que se asemejan a pequeños bulbos o pequeños capacitores. El dispositivo formado así se llama termistor. Los termistores tienen coeficientes de temperatura negativos grandes que no son constantes y la resistencia disminuye a medida que se aumenta la temperatura. El hecho de que el coeficiente no sea constante significa que el cambio en la resistencia por unidad de cambio de temperatura es diferente a diferentes temperaturas. La no linealidad de los termistores los hace poco apropiados para la medición de temperatura a través de rangos muy amplios. Sin embargo, dan una buena respuesta en la medición de temperaturas en rangos pequeños. Como regla general, los termistores son empleados cuando la banda de temperaturas es angosta, mientras que se prefiere a los RTD cuando la banda de temperatura es amplia. En la práctica cuando se tienen equipos electrónicos de alta exactitud, que se ven afectados por la temperatura, éstos sufren cambios de resistencia en sus componentes, los cuales son indeseables, y para eliminarlos, se elaboran arreglos de resistencias en serie o en paralelo, los cuales tienen coeficientes de temperatura iguales pero invertidos (uno positivo y uno negativo), que permiten que estas variaciones no afecten los resultados en la medición o control de las variables en los procesos. En los laboratorios se cuenta con resistencias de precisión cuyo coeficiente de temperatura está expresado en partes por millón en lugar de un valor en ohms o en porcentaje, por ejemplo ± 10 ppm-oC.

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Bulbo de resistencia RTD Los RTD (por sus siglas en inglés de Resistence Temperature Detector), también llamados termómetros de resistencia, están basados en la propiedad de ciertos metales, en los cuales su resistencia cambia con variaciones de temperatura. Los termómetros de resistencia son en principio bobinas de alambre enrolladas dentro o alrededor de soportes de material aislante capaz de soportar la temperatura. La selección del metal en este tipo de aplicaciones depende de varios factores como son: la pureza del material, su maleabilidad, la habilidad a seguir cambios rápidos de temperatura, repetibilidad, autocalentamiento, linealidad y su alto coeficiente de temperatura. En la actualidad, los metales más comúnmente empleados son: el platino, níquel, tungsteno, y cobre, aunque ocasionalmente también se emplea: iridio, rodio, plata, y hierro con tántalo. En la figura 3-42 se muestra la gráfica que relaciona resistencia eléctrica con respecto a la temperatura, para el platino, el cobre y el níquel, los elementos de este grupo deben tener una resistencia de 100 ohms a 0oC, con una tolerancia de ± 0.1 ohms.

Fig. 3-42 Curvas eléctricas resistencia-temperatura para tres elementos RTD.

Considerando los valores de la gráfica, se puede observar que a 0oC el valor de los tres RTD‘s es de cerca de 100 Ω(ohms), y para otras temperaturas los valores cambian según la característica de respuesta de cada material, por ejemplo, para 200oC la resistencia del platino es de 175 Ω, la del cobre es de 186 Ω y la del níquel es de 250 Ω.

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El cambio de resistencia que ocurre con un cambio de temperatura se define como coeficiente de temperatura, y usualmente es expresado como un porciento por grado de temperatura o en ohms/ohms x oC. Por ejemplo el coeficiente de temperatura del cobre es de 0.004 lo cual significa que su resistencia cambia 0.004 ohms por ohm por oC. Características de los materiales El platino presenta la característica de encontrarse casi puro en la naturaleza y de poderse fabricar en alambres muy delgados. Además presenta un alto punto de fusión, es resistente a la oxidación y siendo un metal noble, es químicamente estable. No es volatilizable a temperaturas hasta de 1 000oC y es muy lineal en todo su rango de operación. Sus inconvenientes son: que puede ser contaminado por gases en atmósferas reductoras, y puede actuar como catalizador con ciertos hidrocarburos, por lo tanto los transductores de platino son usualmente encapsulados. Sus rangos de operación: de –185 a 600oC (–300 a 1110oF) y en aplicaciones criogénicas de –185 a –260o (–300 a –436oF). El níquel también puede encontrarse casi puro en la naturaleza, y genera los cambios más grandes de resistencia que cualquier metal, entre los 0 y los 100oC (32 y 212oF), pero su sensitividad decrece alrededor de los 290oC (554oF) y su respuesta es no lineal. Una aleación de 70% de níquel y 30% de hierro, llamada balco, tiene relativamente un alto coeficiente de temperatura. Cuando se emplea un circuito puente apropiado, la salida en voltaje aumenta considerablemente, en temperaturas alrededor de 93oC (200oF). Así como el platino, el tungsteno y el iridio, también tienen un alto punto de fusión, lo que permite que se puedan emplear en temperaturas hasta de 982oC (1800oF). Tienen una respuesta más lineal y una mayor resistencia al estiramiento (10 veces mayor que el platino), lo que permite fabricar alambres muy delgados con valores de resistencia altos. Estos materiales también resisten la radiación nuclear. El cobre, es fácilmente refinado y fabricado en alambre uniforme, absorbe el calor uniformemente, pero rápidamente se oxida y pierde su pureza, lo cual hace que sea el menos empleado. Construcción de un RTD El material de la resistencia en un RTD, debe ser puro y capaz de ser estirado hasta convertirlo en finos alambres para que puedan ser fácilmente construidos los elementos de la resistencia que usualmente son largos, doblados en espiral y colocados dentro de un contenedor metálico. La figura 3-43 muestra la construcción típica de un RTD, el cual consta de: una terminal de conexiones, unos alambres de conexión, el elemento de

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medición, un soporte de aislamiento, una funda metálica, y un aislante de porcelana para evitar que se mueva, que además previene de un corto circuito entre el alambre y su contenedor.

Fig. 3-43 Construcción de un RTD típico.

Terminales de conexión A continuación se describirán las partes más importantes del arreglo. La terminal de conexiones puede ser de tipo conector en la cabeza de conexión, de tipo de desconexión rápida (enchufar), o de alambres de conexión, en la figura 3-44 se muestran algunas terminales de este tipo.

Fig. 3-44. Tipo de conexiones de las terminales de un RTD.

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Configuración de alambres de conexión La configuración de los alambres de conexión, que se presentan en las hojas de especificación son de dos, tres y cuatro hilos, y se debe saber qué configuración es compatible con la aplicación que se va a emplear. Negro

Negro

Negro

Negro

Negro

Rojo

Rojo

Rojo

Negro

Rojo

Rojo Rojo

Negro

Fig. 3-45 Configuraciones de 2, 3 y 4 hilos.

En la figura 3-45 se presentan las tres configuraciones básicas y una variante de la de cuatro hilos. Regularmente se coloca un alambre en cada extremo del RTD, pero hay disponibles, en 2, 3 y 4 alambres, cada tipo tiene aproximadamente la misma construcción. Fundas y cabezas La funda es un tubo cerrado, que contiene el elemento sensor y sus alambres, ésta inmoviliza al elemento sensor protegiéndolo en contra de la humedad y el medio ambiente, y protegiendo también los alambres. La funda puede ser fabricada de acero inoxidable, inconel, o de aleación de níquelacero-cromo, que presenta buena resistencia a la corrosión. En la figura 3-46 se muestran las fundas con cabeza, la cual puede ser fabricada de acero inoxidable 340, hierro fundido o aluminio.

Fig. 3-46. Fundas y cabezas de un RTD.

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El elemento sensor El elemento sensor puede ser del tipo embobinado en cerámica o vidrio, como se muestra en la figura 3-47 o de tipo de película. El RTD estándar es fabricado de platino al 99.99% de pureza (fuente omega), y es embobinado sobre un núcleo de cerámica o de vidrio sellado herméticamente formando una cápsula. El alambre de platino es seleccionado para cubrir los rangos de precisión requerida en la termometría. Su alta resistencia a la contaminación y estabilidad mecánica y eléctrica, permite una intercambiabilidad de elementos sin que se vea afectado su desempeño con corrimientos nulos y ningún error con el envejecimiento. Los elementos disponibles se fabrican con respecto a estándares, conforme la norma europea que es, a = 0.00385 ohms/ohm/oC (fuente omega), y con respecto a la norma americana que es, a = 0.00392 ohms/ ohms/oC (fuente omega).

Fig. 3-47 Elementos sensores embobinados en cerámica y vidrio (fuente omega).

Los elementos sensores miniatura de película TFD (por sus siglas en ingles Thin Film Detector), son fabricados de platino, que es depositado sobre un sustrato y posteriormente es encapsulado. En la figura 3-48 lado A, se muestra un detector tipo plano y en la figura 3-48 lado B se puede ver otro detector en donde su tamaño es igual o menor

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a un termistor. Este tipo de elemento es fabricado con técnicas similares a los circuitos electrónicos de alta integración miniaturizados que combinan la precisión de un RTD y el rápido tiempo de respuesta de un termopar.

Fig. 3-48. Detectores miniatura de película delgada (TFD). (Fuente omega)

Características Dentro de las características de un RTD tenemos los siguientes puntos importantes: Exactitud. La mayoría de los RTD‘s industriales caen en un rango de exactitud de ± 0.1 a ± 0.5%. Estabilidad. Es la capacidad de un termómetro para mantener y reproducir sus características de resistencia-temperatura específicas, por largos periodos dentro de su rango de operación. El grado de estabilidad es expresado en términos de corrimiento, el cual es definido como cambios indeseables en la resistencia durante un determinado periodo. Un ejemplo sería: un corrimiento de 0.05 Ω después de 10,000 horas de operación a 1000oF. Repetibilidad. Es la propiedad (habilidad) del termómetro a repetir lecturas, en temperaturas seleccionadas, dentro del rango de operación del mismo. Tiempo de respuesta. Como ya se había mencionado en el capítulo de definiciones, el tiempo de respuesta de un termómetro será el tiempo que tarda en alcanzar el 63% del

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valor final de la variable. Como un ejemplo en la figura 3-49 se puede ver la respuesta de un RTD de respuesta rápida contra un RTD de tipo embobinado.

Fig. 3-49. Tiempo de respuesta en elementos RTD.

Auto-calentamiento. Al conectar el RTD en un circuito puente, a través de éste circulará una cierta cantidad de corriente, la cual puede provocar que el sensor modifique su valor de resistencia en base al calor que él mismo produce. La unidad asociada al error por auto-calentamiento es miliwatts por grado centígrado ( mW/oC ). Resistencia de aislamiento. Es la resistencia que debe existir entre el elemento sensor y cualquier otro subensamble del termómetro (funda, termopozo, terminales y cabeza de conexiones), ésta debe de ser infinita en condiciones ideales de operación. Las razones por las que pueda bajar este valor de resistencia pueden ser: fallas en la fabricación, deformación mecánica, humedad y fugas del medio conductor. Sus unidades son los omhs. Resistencia a la vibración. Es la capacidad (habilidad) del termómetro a resistir golpes y vibraciones sin que se alteren sus características de operación. Termopozos para los RTD Al igual que los termopares, en ocasiones cuando las aplicaciones lo requieren, se pueden emplear termopozos de protección para el RTD. La figura 3-50 muestra un RTD, con su termopozo, el cual evita que éste se ponga en contacto con los líquidos o gases que se miden en un proceso, protegiéndolo de posibles daños.

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Fig. 3-50. RTD con termopozo protector.

Como ya se mencionó anteriormente, los termopozos generalmente se fabrican de acero al carbón, acero inoxidable, inconel, acero fundido o teflón, y son usados para temperaturas hasta de 11 000oC. Los de cerámica se utilizan para temperaturas mayores. La cabeza en un termopozo protege las conexiones que van del RTD al circuito puente, y contiene una terminal de conexiones. La cabeza consta de una base y tapa con cuerda de 50 hilos, un empaque resistente al calor y a la humedad; el conjunto evita que se introduzcan vapores al RTD y generalmente está construido conforme a la norma para ser utilizado en áreas a prueba de explosión. Debido al tipo de conexión que pueda tener el RTD, la tira terminal debe ser capaz de manejar cuatro conductores, y la cabeza deberá ser a prueba de explosión cuando así se requiera. Sin embargo si el sistema es intrínsecamente seguro puede no requerirse la condición antes citada. Circuitos puente con RTD Mediante la ayuda de circuitería adicional, los RTD´s funcionan como transductores eléctricos, convirtiendo los cambios de temperatura en señales de voltaje, mediante cambios de resistencia; para efectuar la conexión eléctrica del RTD al instrumento de medición, se emplean tres métodos que son conocidos como circuitos de dos, tres y cuatro hilos o alambres conductores. Un circuito puente de Wheatstone, como el mostrado en la figura 3-51 A, es un arreglo de cuatro resistencias que en condiciones iniciales tienen el mismo valor, y se genera un cambio de voltaje al detectarse cambios en el valor de alguna de las resistencias. Normalmente en este tipo de arreglo, tres resistencias permanecen fijas y la cuarta es una resistencia variable y el RTD es la resistencia variable del circuito puente.

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Como ya se dijo, en condiciones iniciales los valores de la resistencia son iguales, por lo tanto las corrientes en los dos brazos del circuito son iguales, y la caída de voltaje en los puntos a y b, es la misma, por lo tanto no se detecta voltaje de salida. Si el RTD es calentado, el valor de su resistencia cambia, provocando un desbalance de corriente en el brazo en donde está conectado, cambiando la caída de voltaje del punto negativo (—) y como consecuencia creando una variación de voltaje a la salida, de esta manera se registrarán los cambios de voltaje en función de la temperatura. 700 100 400

100 Ω 100 Ω 100 V

200 200

100 Ω

V sal

RT

0

100

6 A

0

-6

B Salida del puente (V)

Fig. 3-51 Circuito puente con RTD y gráfica de RTD vs voltaje de salida.

Se podría relacionar también el voltaje de salida del circuito con la resistencia, colocando una segunda escala, como se muestra en la gráfica, de la figura 3-51 lado B, así se podrá conocer el voltaje de salida del circuito puente, además de determinar la resistencia y la temperatura en la medición. Errores en la medición Cuando se conecta un RTD a un circuito puente, normalmente éste se encuentra alejado una cierta distancia. En la figura 3-52 el RTD (Rt), está conectado al circuito puente, con dos alambres adicionales. En el circuito mostrado en esta misma figura, la resistencia de los alambres (a y b) que conectan el puente con el RTD forman parte del brazo sensor y sus valores de resistencia se suma a éste. Suponiendo que estos alambres fueran de cobre de calibre # 16 AWG y de 250 pies de longitud, cada alambre tendría una resistencia aproximada de 1Ω.

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Si la resistencia de brazo Rt fuera de 139Ω, incluyendo los dos alambres de conexión, y se considerara este valor para una temperatura de 1 000oC, la lectura sería errónea, ya que se está incluyendo la resistencia de los cables de conexión, los cuales no son parte de la resistencia del sensor. En el arreglo de la figura 3-52, los cables alteraron con 2Ω (1.4%) a esta lectura, por lo tanto esto significa que la resistencia del RTD sería realmente de sólo 137Ω y que la temperatura real sería de 98.56oC.

R2 R1

Alimentación

V sal b

R3

a RT

Fig. 3-52. Los alambres de conexión al circuito puente proporcionan una mayor resistencia.

Aunque el error de medición fuera eliminado calibrando el instrumento, debido a los cambios de la temperatura ambiente puede inducirse un error, ya que el coeficiente de temperatura del alambre de cobre cambia su resistencia casi un 40% a 100oC, o sea de 2 a 2.8Ω. Este cambio causará un error de casi 2oC en la medida de temperatura del circuito puente. Si analizamos esto, mediante las ecuaciones que se tiene en el arreglo del puente, tenemos de la figura 3-52, que: R1 + R3 = R2 + a + b + Rt Si consideramos que R1 = R2 Entonces: R3 = a + b + Rt --------------------(1)

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De la ecuación (1) se puede ver cómo se adicionan los valores de los alambres de extensión a y b. Este error se puede compensar mediante el uso de alambres extras que se conectan al circuito puente y pueden quedar arreglos de 3 y hasta 4 alambres, como los mostrados en la figura 3-53. En el circuito de tres alambres, figura 3-53 lado A, los alambres L1 y L2 están en brazos opuestos, y esto cancela su efecto sobre el puente. Observe que el cable L3, está en serie con el voltaje de entrada y no actúa desbalanceando el puente. Este circuito es mucho más exacto que un puente de dos alambres. Si consideramos nuevamente las ecuaciones de este arreglo tendríamos: R1 + L1 + Rt + L3 = R2 + R3 + L2 + L3 Si tenemos que R1 = R2

y Entonces

R t = R3

L1 = L2 (conductores de igual resistencia) ------------------------------(2)

Se puede usar un circuito de puente con 4 alambres como el de la figura 3-53 lado B, cuando se requiera una mayor exactitud. El siguiente ejemplo dará cierta idea de las exactitudes relativas de los tres circuitos del puente.

Fig. 3-53. Esquemático de circuitos puente con 3 y 4 brazos extras.

Si en el circuito puente de dos alambres, como el mostrado en la figura 3-53, se tuviera un error 30oC para una cierta lectura dada, al emplear un arreglo tres alambres bajo las mismas condiciones se tendría únicamente un error 0.20oC y para uno de cuatro alam-

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bres el error sólo sería de 0.040oC. Esta disminución del error indicaría qué tan bien se está corrigiendo la medición con cada uno de estos circuitos. Ventajas y desventajas de los RTD´s Ventajas. Los RTDs son muy exactos. De hecho, en el rango de temperatura de –259 a 631oC. La IPTS (International Practical Temperature Scale) especifica un RTD de platino como instrumento primario de medición de temperatura. En reactores nucleares de potencia, los RTDs miden temperaturas con exactitudes de ± 0.150oC. Los RTDs de grado laboratorio son aún más sensitivos. Sus ventajas más obvias son: pequeño tamaño, respuesta rápida y muy buena exactitud. Desventajas. Los RTDs son caros y complejos. Requieren de un circuito de puente, un suministro de energía y un instrumento para medición del voltaje de salida, para trabajar correctamente. Otros problemas que se presentan, es debido a los flujos de corriente a través del RTD mientras éste está conectado en el circuito de puente. Esta corriente causa que el elemento se caliente (autocalentamiento). En ciertas aplicaciones, el autocalentamiento del RTD disminuye su exactitud significativamente. Termistores El termistor es un dispositivo semiconductor el cual tiene un coeficiente de temperatura negativa en contraste con el coeficiente positivo que presentan la mayoría de los metales. Además, la resistencia sigue una variación exponencial con la temperatura en vez de una relación polinomial. Por lo tanto, el termistor tiene una ecuación: R = Ro e B(1/T – 1/To) Donde Ro es la resistencia a la temperatura de referencia Ro y b es una constante determinada experimentalmente. El valor numérico de b varía entre 3500 y 4600°K, dependiendo del material del termistor y la temperatura. La resistividad de tres termistores es comparada con la del platino, lo cual es presentado en la figura 3-54.

10 8 10 6 R E S I S T E N C I A O H M C M

10 4 10 2 10 0 10 -2 10 -4 10 -6

Fig. 3-54. Curvas de respuesta comparativas de termistores y platino.

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10

100

200

400

500

Temperatura en oC

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Los termistores son otro tipo de termómetros de resistencia (palabra procedente del inglés thermistor, contracción de thermally sensitive resistor), y consiste en resistencias variables con respecto a la temperatura, pero no están basados en conductores como las RTD, sino en semiconductores. Algunas de las sustancias empleadas son el óxido de cobalto, magnesio, manganeso, níquel o uranio, en la figura 3-55 se muestran los símbolos del termistor. En un termistor, si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature Coefficient), mientras que si es positivo, se denominan PTC. Termistor

T

Elemento calefactor

T

A

B

Fig. 3-55. Símbolos del termistor.

Tipos de termistores Los termistores se encuentran catalogados en dos tipos, los directamente calentados y los indirectamente calentados. El tipo directamente calentado es llamado algunas veces auto calentado, diagrama A de la figura 3-55, ya que el calor que recibe es de la temperatura ambiente a la que está expuesto, o de la propia que genera al paso de la corriente por el termistor o ambas. En el tipo indirectamente calentado, diagrama B de la figura 3-55, el calentamiento es producido principalmente por un elemento calefactor de tipo eléctrico, como un filamento de alambre o por estar montado en un disipador de calor, en este caso los efectos de la temperatura ambiente son mínimos, o prácticamente nulos ya que el calefactor y el termistor se encuentran contenidos en una cápsula al vacío. La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad diez veces mayor que las metálicas y disminuye su resistencia al aumentar la temperatura. Características básicas de los termistores El termistor tiene varias características básicas que son de interés, entre éstas se incluyen la resistencia fría, la resistencia caliente, la resistencia contra temperatura, voltaje contra corriente y corriente contra tiempo.

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Resistencia fría Debido a su sensitividad a la temperatura, la resistencia de un termistor depende de si, está frío o caliente. El término resistencia fría denota que la resistencia se mide a una temperatura ambiente, por ejemplo a 25oC, condiciones en las cuales la corriente que pasa por el termistor, no causa ningún autocalentamiento apreciable. En esta temperatura el termistor tiene un valor de resistencia el cual es llamado valor de resistencia fría, por ejemplo 150 ohms. El término resistencia fría en algunos casos es despreciado porque en algunas aplicaciones el termistor puede ser llevado a temperaturas menores que la ambiente, aunque el término de resistencia fría tiene un apelativo, que es aceptado técnicamente, el cual es resistencia a cero potencia. Resistencia caliente La resistencia caliente es lo opuesto a la resistencia fría y es el valor de resistencia que tiene el termistor cuando es calentado por algún elemento calefactor, aunque parte de este calor sea resultado de la corriente que fluye a través del termistor. En termistores con coeficiente de temperatura negativo, el valor de resistencia caliente es menor que el valor de resistencia fría y en termistores de coeficiente de temperatura positivo, el valor de la resistencia caliente es mayor que el valor de la resistencia fría. Resistencia contra temperatura

Resistencia en OHMs - CM

Es la respuesta del termistor a cambios en la temperatura. Como se estableció en un principio, la resistencia de un termistor de coeficiente de temperatura negativo, disminuye cuando la temperatura aumenta, como se muestra en la figura 3-56. Esta acción corresponde a un termistor de tipo 10 M NTC y se nota que en la curva la resistencia disminuye aproximadamente 1M de 90 a 1 resultado de un cambio en la 100 K temperatura de 0 a 100oC. Asimismo 10 K la no linealidad de la curva es casi en toda su longitud. 1K

100 10 1 -100

0

100

200

Temperatura en o C

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300

Fig. 3-56 Curva de temperatura-resistencia.

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Voltaje contra corriente De particular interés es la curva de voltaje-corriente de un termistor, en la figura 3-57, se muestra esta característica, al inicio de la curva, el voltaje se incrementa grandemente hasta llegar a E2, mientras que la corriente que fluye por el termistor permanece casi constante en un cierto nivel I1, el voltaje se incrementará hasta este valor dependiendo del tipo y del tamaño del termistor. Después del punto I1, la corriente se incrementa y el voltaje empieza a disminuir hasta llegar al nivel E1 en el cual la corriente alcanza su máximo nivel permitido I2. Este decremento de voltaje es en respuesta a un incremento en la corriente, esto indica una región de resistencia negativa entre los puntos E2-I1 y E1-I2, el valor de la resistencia entre cero y el punto E2 es positiva. La presencia de tal pendiente en las características de conducción sugiere el uso del termistor como un dispositivo activo simple, empleado en osciladores, amplificadores e interruptores.

DC volts

E2

E1

0

11

DC miliamperes

12

Fig. 3-57. Curva de voltaje vs corriente.

Aunque este efecto se conoce desde hace más de veinticinco años, nunca ha sido explotado comercialmente debido a su limitación para aplicaciones de baja frecuencia, como un resultado del efecto de la temperatura. En algunos circuitos con termistores, la región de resistencia negativa debe ser evitada ya que ésta puede causar inestabilidad. Corriente contra tiempo Un retardo térmico aparece en los termistores cuando le aplicamos un voltaje, la corriente que circula a través de éste no alcanza su valor instantáneamente, sino hasta un tiempo después, esto es debido a un efecto acumulativo, cuando el voltaje es aplicado en un termistor NTC, la resistencia fría limita la corriente a un valor relativamente bajo, pero después de cierto tiempo, esta corriente causa un calentamiento interno que hace disminuir la resistencia del termistor, lo cual permite que aumente la corriente que está circulando.

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El incremento de corriente hace que la resistencia disminuya aún más, causando que la corriente continúe aumentando hasta alcanzar un máximo (limitada por el voltaje y la resistencia externa del circuito).

Corriente en miliamperes

La figura 3-58 ilustra esta acción, la curva tiene forma en “s”, aquí suponemos que la temperatura ambiente es razonablemente constante y que el calentamiento en el termistor es debido a la presencia de corriente a través de éste.

0 0

Tiempo en segundos Fig. 3-58. Curva corriente vs tiempo.

La variación de corriente contra tiempo como respuesta a un escalón de voltaje aplicado al termistor, es usualmente especificada para una temperatura ambiente de 25oC. Esta característica de respuesta dependerá del tipo y del tamaño, así como del voltaje aplicado y de las resistencias del circuito, y se pueden tener tiempos de respuesta desde unos cuantos milisegundos hasta varios minutos. Otras características que se manejan son las eléctricas entre las cuales pueden destacar: Temperatura estándar de referencia Es la temperatura en la cual se tiene el valor de resistencia de cero potencia, considerada comúnmente como 25oC. Rangos de operación Es rango de temperatura en el cual el termistor puede operar con seguridad: de –200oC a 650oC (máximo).

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Constante de tiempo Es el tiempo que tarda en alcanzar el 63.2% del valor final de temperatura, y maneja rangos entre 0.025 segundos a 450 segundos. Constante de disipación ( d ) La constante de disipación es la relación entre un cambio en la potencia de disipación (dPd) y un cambio en la temperatura del cuerpo del termistor (dTb); esto es d = dPd/ dTb. La constante de disipación se especifica para una temperatura ambiente normalmente de 25oC y algunas veces para un medio ambiente en particular (por ejemplo aire estacionario, aire en movimiento, agua estacionaria, agua en movimiento, o aceite en las mismas condiciones). La constante es expresada en miliwatts por oC y puede tener valores que van de 0.01 a 860 mW/oC. Sensitividad Es el cambio de resistencia por unidad de temperatura, para un rango específico, y se establece como un porciento de cambio, en la resistencia por grado Celsius o Fahrenheit o en milivolts por grado. Los valores van de 0.69%/oC a 3.5%/oC. Coeficiente de temperatura El coeficiente de temperatura de la resistencia es la relación que muestra el cambio que tiene la resistencia a cero potencia con respecto a incrementos de temperatura. Esta resistencia normalmente es especificada para una determinada temperatura (por ejemplo 25oC) y está expresada en porciento por grados Celsius (%/oC) o en ohms/ohms/grado Celsius (Ω/Ω/oC). Dicho coeficiente está dado por a = (dRT/dT)/RT, y éste será negativo para termistores de tipo NTC y positivo para PTC, siendo sus valores de 0.7%/oC a 5.7%/oC. Potencia (Máxima Pm) Es la máxima potencia en estado estacionario que puede ser manejada por un termistor de manera segura y sin deteriorarse o degradarse en sus características determinadas dentro de su rango de máxima potencia. Sus valores pueden ir de 0.25 watts a 1.5 watts. Con respecto a las curvas de corriente–voltaje, se pueden ver ciertas características importantes: Para bajas corrientes el voltaje del termistor es prácticamente proporcional a la corriente, porque el autocalentamiento en el termistor es muy pequeño, lo que se muestra en

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la figura 3-59. Cuando aumenta la corriente, el termistor sufre un autocalentamiento apreciable (punto A de la curva) y alcanza una temperatura por encima de la del ambiente reduciéndose su resistencia, y por lo tanto, la caída de tensión a través de éste. La potencia disponible en el circuito determina el punto en el que se alcanza el régimen estacionario. El punto E, corresponde a la corriente máxima no peligrosa. Al aumentar la temperatura, la curva se desplaza hacia abajo.

Fig. 3-59. Curva voltaje vs corriente en estado estacionario.

En la zona de autocalentamiento, el termistor es sensible a cualquier efecto que altera su disipación de calor. Esto permite el empleo en mediciones de caudal de conductividad calorífica. Si la velocidad de extracción de calor es fija, el termistor es sensible a la potencia eléctrica de entrada y entonces se puede aplicar al control de nivel de tensión o de potencia. En el termistor se observa que el autocalentamiento está sometido a una constante de tiempo que supone un retardo, entre la tensión aplicada y el instante en que se alcanza el valor de corriente estacionario. Esta característica se aprovecha en los circuitos de retardo y para la supresión de transitorios. Por su alta sensibilidad, los termistores permiten obtener alta resolución en función de la temperatura. Dada su alta resistividad, pueden tener una masa muy pequeña, lo que

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les confiere una velocidad de respuesta rápida y permite emplear conductores largos para su conexión. El costo normalmente es muy bajo. En la tabla 3-10 que proporcionan los fabricantes de instrumentos, se pueden ver las características que presenta un termistor. Parámetro

Rangos

Margen de temperatura

-100 C a 450oC (en ciertos tipos)

Resistencia a 25oC

0.5Ω a 100MΩ (±5% a 10%) 1.0KΩ a 10MΩ es lo habitual

b

2000K a 5500K

o

→125oC

Temperatura máxima

300oC habitual en régimen permamente 600oC habitual en régimen permanente

Coeficiente de disipación

1mW /oK en aire en reposo

Constante de tiempo térmica

1ms a 22 s

Potencia disipable

1mW a 1W

Tabla 3-10. Características de un termistor.

Fabricación Los termistores NTC se fabrican a base de mezclar y sinterizar óxidos con metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre. El proceso se realiza en una atmósfera controlada dándoles la forma y tamaño deseados. La proporción de óxidos determina la resistencia y el coeficiente de temperatura. Los termistores se fabrican por sintetización del semiconductor en polvo, lo que permite preparar resistencias del valor más adecuado y de tamaño reducido, del orden de milímetros. En general tienen una tolerancia del 10% de su valor nominal. Para altas temperaturas (mayores a 1000 °C) se emplean óxidos de itrio y circonio. Las PTC de conmutación están basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación, hay modelos con rango entre –100 y 350°C; las PTC de medida están basadas en silicio dopado. La principal característica de este tipo de resistencias es que tienen una sensibilidad del orden de 10 veces mayor que las metálicas y aumentan su resistencia al disminuir la temperatura. Estos semiconductores están constituidos por óxidos metálicos, tales como óxido de magnesio (MgO), óxido de aluminio y magnesio (MgAlO), óxido de manganeso (MnO), óxido de fierro (FeO), óxido de cobre (CoO), óxido de níquel (NiO), óxido de zinc y titanio (ZnTiO).

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Fig. 3-60. Distintas formas de los termistores NTC.

Como ya se mencionó, este procedimiento de preparación, junto a sus características eléctricas, hace de los termistores elementos que pueden realizar la medida de temperaturas en una región muy reducida, casi puntual, y además debido a que su calor específico es pequeño, ofrecen una velocidad de respuesta muy elevada. La estabilidad de un termistor depende de su preparación y de las condiciones de utilización. El rango de utilización de los termistores se extiende hasta temperaturas cercanas a la del helio líquido pero sólo puede subir hasta unos 650 °C. Hay que tener en cuenta que la temperatura de fusión-licuación de estos materiales es bastante baja en comparación con la de los metales. Las formas en que se presentan las NTC son múltiples como se puede ver en la figura 3-60, y cada una de ellas está orientada a un grupo concreto de aplicaciones. Las de “gota”, “escama” y “perla” se prefieren para aplicaciones de medida de temperatura, mientras que las de “disco”, “arandela” y “varilla” son aptas para la compensación y control de temperatura y para aplicaciones con autocalentamiento.

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Medición y control de procesos industriales

Fig. 3-61. Diferentes tipos de termistores con fundas.

Aunque en el mercado es posible conseguir termistores como los mostrados en la figura 3-60, muchas veces es necesario contar con sensores que estén protegidos con una funda para ser empleados en aplicaciones de ambientes agresivos como se muestran en la figura 3-61. Aplicaciones Las aplicaciones de los termistores se pueden dividir entre las que están basadas en un calentamiento externo del termistor, y las que se basan en calentarlo mediante el propio circuito de medida. Entre estas últimas se encuentran las aplicaciones en medidas de caudal, nivel y vacío y el análisis de la composición de gases, todos ellos son casos en los que varía la conductividad térmica del medio alrededor del termistor, también se usan en el control automático de volumen y potencia, la creación de retardos de tiempo y la supresión de transitorios.

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Instrumentos de medición eléctrica

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Fig. 3-62. Termómetro electrónico con dos termistores.

El empleo de termistores en lugar de termopares o RTD`s en la medición de temperatura muchas veces es ventajoso ya que se pueden emplear dos sensores, de los cuales uno de ellos mide la temperatura del proceso, y la otra se mantiene a una temperatura de referencia. En la figura 3-62 se muestra un arreglo de este tipo, en donde se emplea un circuito puente cuyos dos de sus brazos son los termistores. En este tipo de circuito es conveniente que los termistores sean pariados (iguales), para un mejor funcionamiento. En la figura 3-63 se tiene un medidor de flujo ya sea líquido o gas en donde también se emplea un circuito puente y en donde dos de sus brazos son termistores. Uno de ellos midiendo directamente el caudal y el otro en una pequeña cámara de referencia, en este caso, la medición dependerá del cambio en la disipación, debido al autocalentamiento en el termistor R2, que está en función de la velocidad de flujo del líquido o gas que esté circulando en la tubería. Otra de las aplicaciones de los termistores ha sido como compensadores de la temperatura en aplicaciones con termopares y en circuitos electrónicos, aunque dada su poca linealidad, no permite hacer estas compensaciones en rangos muy amplios. De cualquier manera, es una buena alternativa ya que tiene un buen tiempo de respuesta y un bajo costo, aunque los circuitos integrados lo vienen desplazando hoy en día.

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Medición y control de procesos industriales

Fig. 3-63. Aplicación de termistores en la medición de flujo.

Circuitos integrados para medición de temperatura La innovación más reciente en la termometría ha sido el diseño de transductores de temperatura con circuitos integrados; éstos se encuentran disponibles tanto en configuraciones de salida en voltaje, como en corriente. Ambos entregan una salida que es linealmente proporcional a la temperatura absoluta. Los rangos que se manejan son: 1mA/oK y 10 mV/oK. Estos dispositivos proporcionan una forma conveniente de producir señales analógicas de voltaje en función de la temperatura. Excepto por el hecho de que entregan una salida lineal, estos dispositivos comparten las mismas desventajas de los demás, como son; autocalentamiento, fragilidad, además de requerir de una alimentación externa. En la figura 3-64 se muestra el AD590 de omega, un sensor de temperatura de estado sólido y su circuito integrado, cuya característica es la de convertir temperaturas de entradas, en corrientes proporcionales a la señal de salida, su rango de operación es de –55

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a 150oC y se emplea en medición y control de temperatura donde se requiera de circuitos de estado sólido con una buena confiabilidad, linealidad y exactitud. El AD590 permite medir temperaturas mínimas, promedio y diferenciales, además de poderse usar como compensador de unión fría en termopares y aplicaciones de control de temperatura. Su tamaño pequeño y su rápida respuesta lo hacen ideal en aplicaciones donde se tiene poco espacio como son tarjetas para PC`s o disipadores de calor. No requiere de linealización, ni de compensación de temperatura ambiente.

Fig. 3-64. Circuito integrado AD590 y arreglos de alambrado (fuente omega).

Otro circuito empleado en la medición de temperatura es el LM 335A o LM 35DZ fabricados por National Semiconductor, El sensor LM 35DZ mostrado en la figura 3-65 tiene la apariencia de un circuito integrado de tres terminales, y proporciona un voltaje de salida que varía linealmente con la temperatura a razón de 10 mV/oC. El rango de temperaturas en la cual opera es de 0oC hasta 100oC, con una tensión de alimentación de entre 4 y 30 volts de corriente directa; y una corriente de 90 mA, cuando se alimenta con 5 volts de corriente directa, la precisión es de 0.9oC.

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Medición y control de procesos industriales

Fig. 3-65. Sensores de temperatura tipo circuito integrado.

El LM 335 A es un sensor de precisión que funciona como un diodo zener, este circuito proporciona un voltaje directamente proporcional a la temperatura absoluta, con un factor de 0.10 mV/oC. Su rango de temperatura es de –40oC hasta 100oC, tiene una precisión de 1oC, a 5 volts de corriente directa, y consume una corriente de 400 mA. El voltaje de salida es de 0 volts cuando la temperatura es de 0oK y cuando hay una temperatura de 0oC da un voltaje de salida de 2.73 volts. El sensor LM35DZ se usa frecuentemente en la medición de temperatura ambiente. Normalmente la señal que genera este sensor es enviada a un circuito convertidor analógico-digital el cual convierte la señal de voltaje en una señal digital (pulsos), para su posterior tratamiento mediante un programa en una PC o mediante algún microcontrolador. El convertidor A/D (Analógico/Digital), normalmente empleado es un circuito que maneja una longitud de palabra de ocho bits (resolución), proporcionando un valor binario de 0000 0000 para una señal mínima de voltaje, y 1111 1111 para una máxima señal de voltaje de entrada. Si la temperatura que mide el sensor es de 0oC a 100oC, el sensor genera una salida entre 0 y 5 volts respectivamente, lo cual significa que por cada grado centígrado se tiene 0.05 volts de variación. De tal manera que si se midiera una temperatura de 50oC, el voltaje en la salida del sensor sería de 0.05 * 50 = 2.5V, para lo cual el convertidor A/D daría un valor binario de 1000 0000. Considerando que el convertidor

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con sus ocho bits puede tener una combinación hasta de 256 códigos distintos, esto significará que para cada incremento binario se tiene una variación de 5/256 = 0,0195312 volts. Aunque estos circuitos tienen un buen desempeño, están limitados a cubrir únicamente aplicaciones en el rango bajo del espectro de temperatura.

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Medición y control de procesos industriales

Resumen Con tantos transductores, ¿con cuál nos quedamos? Ningún transductor es el mejor en todas las situaciones de medida, por lo que tenemos que saber cuándo debe utilizarse cada uno de ellos. Como se puede ver en el siguiente cuadro, se están comparando los cuatro tipos de transductores de temperatura más utilizados y los factores que deben tomarse en cuenta.

Termopar Termopar Termopar Termopar

(Voltaje) V (Voltaje) V (Voltaje) VV (Voltaje)

RTD RTD RTD RTD

Termistor Termistor Termistor Termistor

Sensor Sensor Sensor ICde ICIC Sensor dedeICde

(Resistencia) R (Resistencia) R (Resistencia)R R (Resistencia) R (Resistencia) R (Resistencia)V V oVI(Voltaje o V I(Voltaje o I(Voltaje o corriente) o corriente) o corriente) RR (Resistencia) (Resistencia) o I(Voltaje o corriente)

Temperatura Temperatura Temperatura T Temperatura Temperatura Temperatura T Temperatura Temperatura Temperatura T Temperatura Temperatura Temperatura Temperatura T T TTemperatura T T TTemperatura T T TTemperatura TT T T

Ventajas

Autoalineamiento

Más estable

Salida alta

Más lineal

Simple

Más exacto

Rápido

Robusto

Más lineal que los termopares

Medición en dos hilos

Valores altos en su salida

No lineal

Caro

No lineal

Bajo voltaje

Requiere fuente de alimentación

Rango de temperatura limitado

Cambios pequeños de resistencia

Frágil

Económico

Económico

Amplia variedad de formas físicas Amplia gama de temperaturas Desventajas

Requiere referencia Mínima estabilidad Menos sensible

Baja resistencia absoluta Autocalentable

Requiere fuente de alimentación Autocalentable

Limitado a