Sensores y Medicción de Nivel Flujo Temperatura Presión

ITCG INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. GUZMÁN INGENIERÍA ELECTRÓNICA

INSTRUMENTACION SENSORES Y MEDICIÓN (Nivel-Flujo-Temperatura-Presión)

ELABORÓ:

Jafet Orozco Tirado

MAESTRO:

Ing. Sergio Sandoval Chávez

Ciudad Guzmán Jalisco

Junio del 2003 INGENIERIA EN ELECTRÓNICA

INDICE Sensores y Medición

Nivel

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Flujo

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Temperatura

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Presion

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N I V E L CLASIFICACIÓN DE ELEMENTOS PRIMARIOS PARA MEDICIÓN DE NIVEL Instrumentos de medida directa    

Medidor de sonda (pag. 194 Creus + Apuntes) Medidor de nivel de cristal o tipo mirilla 195, 196 Creus + Apuntes) Instrumentos de flotador (pags. 196 y 297(pags. Creus194, + Apuntes) Medidor de nivel de tipo desplazamiento (pags. 205, 206, 207 Creus + Apuntes)

Instrumentos basados en la presión hidrostática Medidor manométrico (pags. 197, 198 + Apuntes) Medidor de membrana (pag 199 Creus + Apuntes) Medidor por burbujeo (pag 199, 200 Creus + Apuntes) Medidor por presión diferencial (pags 200-204 Creus + Apuntes)

   

Instrumentos basados en características eléctricas del líquido  

Medidor de nivel conductivo o resistivo (pags 208, 209 Creus + Apuntes) Medidor de capacidad (pags. 209, 210 Creus + Apuntes)

Instrumentos basados en radiación de energía   

Sistema ultrasónico de medición de nivel (Creus + Apuntes) Sistemas de medición por rayos gamma (pags. 212, 213 Creus + Apuntes) Medidor por rayo láser (pag. 213 Creus + Apuntes)

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA Regleta En un tanque abierto se puede introducir una escala graduada con objeto de tener una medición indicativa del nivel, es la forma más sencilla pero limitada a tanques abiertos y en donde la regleta se totalmente visible.

Columna de Vidrio

En este caso la indicación puede ser de un tanque cerrado o presurizado, puesto que la medición se realiza en una columna de vidrio conectada al tanque en dos puntos. Este indicador es muy usual y es común encontrarlo junto con algún instrumento transmisor de nivel, puesto que su construcción permite tener un gran contraste visual. Existen dos tipos de columna: “la transparente” y la “reflejante”, esta última se

utiliza para líquidos transparentes e incoloros, puesto que su construcción permite tener gran contraste visual.

Medidores de flotador Este tipo de instrumentos utilizan un cuerpo hueco e impermeable, el cual flota sobre la superficie del líquido variando así su posición, de acuerdo a los cambios de nivel.

Flotador y Palancas Estos medidores utilizan los movimientos del flotador para actuar un indicador (un transmisor de alcance de movimiento), por medio de palancas; por lo que su rango está limitado por la dimensión del brazo de palanca. Son muy frecuentes en aplicaciones donde se requiere un valor de nivel para accionar un interruptor.

Los instrumentos secundarios reciben una señal mecánica la que balancea y convierte una señal de transmisión. La señal mecánica puede ser balanceada por fuerza o

por movimiento, según esto el transmisor se puede catalogar como “balance de fuerza” o de “balance de movimiento”.

La señal mecánica puede ser convertida a una señal electrónica (de 4-20 mA) o bien una señal de presión de aire (3-15) por lo que los transmisores pueden ser “electrónicos” o “neumáticos”.

Flotador y cinta En este caso el flotador actúa el mecanismo indicador por medio de un cinta que se enrolla sobre un carrete cilíndrico en contra peso mantiene tensa la cinta (en algunos caso el contra peso sustituido una cuerda de Para eseste tipo depor instrumentos dereloj). flotador el rengo de medición ya no es una limitación.

Cuando las presiones en los tanques son altas el problema de las cajas de empaque se puedenfiguras. evitar, si se utiliza un subplanteamiento magnético como se muestra en las siguientes

Medidores de desplazador De acuerdo con los principios de Arquímedes, cuando un cuerpo es sumergido total o parcialmente en un fluido, aparece una fuerza ascendente de igual al peso del volumen del líquido que desplazó. Los medidores de desplazador consta de un tubo metálico cerrado de aproximadamente 2 in de diámetro y de una longitud tal que cubra el rango de nivel por

medir. Este tubo llamado “desplazador” es sumergido en el tanque (o e n

una cámara comunicada al tanque por válvulas), por lo que al variar el nivel, varia también el volumen del líquido desplazado y con esto aparece una variación en la fuerza sobre el desplazador. La fuerza es sentida por un transmisor de balance de fuerzas y puede ser convertida a una señal neumática o eléctrica.

Es posible también utilizar los desplazadotes para medir nivel de interfase entre dos líquidos de distinta densidad, sumergido totalmente el desplazador, la fuerza que recibe es F

 D2  h1 p1 h2 p2 4

Donde h1 = longitud de flotador cubierta por el líquido 1 h2 = longitud de flotador cubierta por el líquido 2 p1 = densidad del líquido 1 (conocida) p2 = densidad del líquido 2 (conocida)

La longitud de los desplazadotes sería de acuerdo con los fabricantes, pero generalmente son de 12”, 43” y 60”. Para rangos de nivel mayores de 60” el instrumento de

desplazador deja de ser recomendable y se prefieren entonces los de presión hidrostática, aunque existen desplazadotes hasta de 180”.

Una de las ventajas del desplazador sobre el flotador, se debe a que no tiene partes en movimiento. El rango de los desplazadotes es mayor que el de los sistemas de flotador y palancas. Para aplicaciones en donde el líquido es muy sucio y viscoso, los instrumentos de flotador y los de desplazador pueden presentar problemas por las adherencias que activen el desplazador o flotador. Es común hallar medidores de desplazador como instrumentos de densidad. Si el desplazador es totalmente sumergido, los cambios de la fuerza de flotación son debidos únicamente a la densidad del líquido. Esta aplicación el volumen del desplazador se puede hacer más grande si el rango de densidad es pequeño, con objeto de tener más fuerza de flotación. Debido a que la presión hidrostática depende de la densidad del fluido, en aplicaciones donde se requiere medir nivel y el líquido tiene una densidad variable, estos instrumentos no son adecuados. A menos, que se implemente una medición de densidad y se haga la corrección.

INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA a) Medidor de burbujeo Los sistemas de burbujeo o de purga continua, realizan la medición de nivel, midiendo la presión requerida para que un flujo constante de aire venza la presión hidrostática hasta salir de un conducto. Como el flujo necesario es muy pequeño, al salir el aire lo hace a manera de burbujeo de ahí el nombre del sistema. Para realizar la medición, se introduce un tubo hasta el nivel mínimo de operación, a este tubo se le comunica un suministro de aire por medio de un regulador de flujo constante. Por lo que se crea una presión en el tubo hasta que empieza el burbujeo. La presión en el tubo es igual a la presión hidrostática causada por el nivel, de manera que si se mide la presión del tubo, se tendrá una medición de nivel.

En el sistema de burbujeo no es apropiado para tanques cerrados, porque el aire que entraría aumentaría la presión y la medición sería falsa. La ventaja de este sistema es que una vez inicializado el flujo el instrumento de presión (indicador o transmisor) no esta en contacto con el fluido, por lo que es sutil en casos de fluidos corrosivos. También es útil cuando se trata de medir el nivel de cisternas o en donde no se tiene acceso lateral al recipiente. El sistema ele burbujeo no es apropiado para tanques cerrados, porque e aire que entraría aumentaría la presión y la medición sería falsa. La desventaja de este sistema es que una vez iniciado el flujo, el instrumento de presión (indicador o trasmisor) no esta en contacto con el flujo, por lo que es útil en casos de fluidos corrosivos. Es también posible utilizar los desplazad0ores para medir el nivel de interfase entre dos líquidos de distinta densidad, sumergido totalmente el desplazador, la fuerza que recibe es:  D2  h1 p1  h2 p2  F    4  Donde: hi = longitud del flotador cubierta por liquido 1 h2 = longitud del flotador cubierta por liquido 2 p1 = densidad del líquido 1 (conocida) P2 = densidad del liquido 2

b) Medidor de diafragma Otro instrumento de nivel útil cuando no hay acceso lateral, en el fondo del recipiente, es el medidor de caja de diafragma. La caja de diafragma consiste en una caja metálica separada en dos secciones por un diafragma de hule sintético firmemente sellado. Una sección de la caja está expuesta directamente al líquido en el cual está sumergida la caja, la otra sección está sellada y conectada por medio de un tubo capilar hasta instrumento de presión.

La caja está colgante de una cadena hasta el nivel mínimo de medición. La presión hidrostática ejercida sobre el diafragma lo deforma, hasta que la presión dentro del sistema sellado se iguala a una presión hidrostática, y es transmitida por el capilar hasta el indicador de presión con escala en unidades de nivel.

Este medidor al igual que el sistema de burbujeo son apropiados para tanques abiertos. Una desventaja del medidor de campana sobre el de burbujeo, es que no requiere de suministro de aire.

c) Medidores de presión diferencial Este tipo de instrumentos so quizá los más comunes en la medición de nivel tanto para tanques abiertos, como cerrados. La presión debida a la columna hidrostática puede ser medida por instrumentos de balance, de movimiento o de balance de fuerzas, los primeros son generalmente usados cuando se requiere de una indicación local, y los de balance de fuerzas cuando es necesaria la transmisión de una señal, ya sea neumática o electrónica. Las tomas de presión diferencial se hacen: una en la parte inferior del tanque, por medio generalmente, de una conexión bridada, y la otra en la parte superior del tanque cuando se trata de recipientes a presión (cuando son atmosféricos, la toma de baja presión se ventea a la atmósfera).

La medición de nivel por medio de celdas de pr esión diferencial (“ d / p cell ”), es muy útil cuando se tienen fluidos muy viscosos, corrosivos o sucios, puesto que las partes húmedas son pocas y no tienen partes en movimiento. Comercialmente le rango de medición es de 0 – 20” H2O hasta 0 – 850” H2O en el caso de transmisores de balance de fuerza. En ciertas ocasiones es conveniente separar el transmisor del tanque, por lo cual se hacen ambas tomas de presión a través del tubo, pudiendo quedar un desnivel entre la toma tal caso es necesario considerar la “elevación del cero” de del tanque Cuando y el instrumento, medición. el tubo deenbaja presión se llena de algún líquido de sello o bien, este ajuste se le conoce como “supresión del cero”.

Span = s = p1H1 Elevación = Ele = p1h2 + p2h3 Supresión = Supr = p2h4 – Ele Rango = (-Sup) (S - Sup) Ejemplo:

Densidad relativa del líquido = 0.8 Densidad relativa del sello = 0.9 h1 = 70”, h2 = 4“, h3 = 12”, h4 =100” Span = 0.8=(70”) = 56” H2O Elevación 0.8 (4”) + 0.9 (12”) = 14” H2O Supresión = 0.9 (100) – 14 = 76” H2O Rango = -76” a -20” H2O

(El signo menos significa que la presió más alta está aplicada en el lado de baja del transmisor)

Cualquier instrumento de nivel basado en la presión hidrostática, es útil para la medición de la densidad del líquido, siempre y cuando el nivel sea constante. Otra aplicación de los instrumentos de presión hidrostática es la medición de nivel de la interfase de dos líquidos densidad, siempre y cuando una de las tomas este en uno de los líquidos y la otrade en distinta el otro líquido.

INSTRUMENTOS BASADOS EN LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL LÍQUIDO a) Electrodos de conductividad Si se desea controlar el nivel de un líquido entre puntos determinados, o bien se requiere de una alarma, se puede utilizar un medidor eléctrico de conductividad. Consta de un par de electrodos dispuestos verticalmente y separados entre si. Cuando el líquido toca ambos electrodos se establece una corriente, la cual puede actuar una alarma, un motor o un solenoide. Su costo es bajo, su mantenimiento e instalación son fáciles, pero no es aplicable para fluidos inflamables por posibles arcos eléctricos.

b) Medidores de nivel tipo capacitancia La capacitancia entre dos conductores separados por un dieléctrico depende del área efectiva entre los dos conductores, de su separación y de la constante dieléctrica. Cuando se sumergen dos electrodos en un líquido, este actúa como dieléctrico, y el área efectiva es solo la que está en contacto con el líquido. Introduciendo dos barras metálicas en un recipiente con líquido, se forma un capacitor cuya capacitancia dependerá del nivel del líquido. Por lo que si se mide el valor de la capacidad, se tendrá una medida proporcional del nivel. Con este tipo de instrumento la medición no se afecta por la densidad o por la presión. Otra característica importante del medidor por capacitancia es su fácil instalación y su poco mantenimiento. Su precio es alto, pero si las condiciones de operación son difíciles, pueden ser un instrumento recomendable. No es aplicable en líquidos que contengan burbujas en exceso.

Su precio es alto pero si las condiciones de operación son difíciles, puede ser un instrumento recomendable. No es aplicable en líquidos que contengan burbujas en exceso.

Para líquidos conductores de la electricidad, los electrodos pueden ser recubiertos por un aislante, que sirve también como anticorrosivo.

MEDIDORES POR RADIACIÓN DE ENERGÍA Medidores Ópticos Si el líquido no es transparente, se puede utilizar un emisor de luz y una foto celda receptora, para obtener una señalización de bajo o alto nivel, aprovechando la sombra producida por el líquido al alcanzar el nivel. La ventaja de éste sistema es que el instrumento no está en contacto con el liquido. Su costo es bajo y su mantenimiento es casi nulo.

Medidores Sónicos Si se requiere de una señal puntual como interrupción de una alarma o motor, se puede tener un sistema sónico muy semejante a la foto celda. Un emisor sónico es colocado frente a un receptor a al altura del recipiente donde se necesita la señal. Cuando el nivel sube y atraviesa la línea entre el emisor y el receptor, el sonido es atenuado y se produce el disparo de un relevador. Cuando se requiere de una medición continua, puede utilizarse un sistema sónico, que basa su principio en el tiempo de reflexión del sonido, cuando este es reflejado en la superficie del líquido.

El transmisor envía periódicamente un pulso de sonido hacia la superficie del líquido, éste sonido se refleja y es captado por el receptor con un tiempo de retardo proporcional al nivel, el tiempo es pues medido y convertido a una señal de transmisión eléctrica. Una desventaja es que un instrumento sensible alas condiciones de operación como presión y temperatura y también se puede ver afectado por ruidos exteriores. La desventaja principal es que puede ser usado en líquidos sucios, corrosivos, viscosos, etc. Puesto que el instrumento no está en contacto con el líquido.

Medidores de Radiación Nuclear Unosedeleslostiene, problemas de los instrumentos radiación nuclear, el desmedido temor que pero siguiendo sus normas de seguridad no existeesrazón para éste temor. Este tipo de sistemas tiene una fuente de energía nuclear (rayos gamma) con una cantidad mínima de material radioactivo tal como Cobalto -60 o Cesio- 187. La fuente es colocada por fuera del recipiente (la radiación atraviesa las paredes). En frente del transmisor se coloca un receptor de radiación (usualmente un contador Geiger), la energía que recibe se ve atenuado por el líquido interpuesto. El contador Geiger convierte la radiación en pequeños pulsos de corriente. Los cuales son amplificados y convertidos a una señal de transmisión común (4 – 40 mA).

Los sistemas de radiación son caros y peligrosos, pero si el fluido es muy difícil de manejar, su aplicación es necesaria.

FLUJO

T ip o

SENSORES Y MEDICIÓN DE CAUDAL Sistema Elemento Presión diferencial

Área variable

- Rotámetro

Equilibrio de movimientos Potenciométrico Puente de impedancias

Velocidad

- Vertedero con flotador en canales abiertos - Turbina - Sondas ultrasónicas

Potenciométrico Piezoeléctrico

Fuerza

- Placa de impacto

Equilibrio de fuerzas Galgas extensiométricas

- Medidor magnético

Convertidor Potenciométrico

Medidores volumétrico Tensión inducida

Conectados a tubo en U o a elemento de fuelle o de diafragma

Transmisor

- Placa de orificio - Tobera - Tubo ventura - Tubo pitot - Tubo anubar

Equilibrio de fuerzas Silicio difundido

- Disco giratorio - Pistón oscilante - Pistón alternativo Desplazamient - Medidor rotativo (cicloidal, birrotor, Generador o positivo transductortacométrico de impulsoso oval)

Torbellino

Oscilante Medidores de caudal másico

- Medidor de paredes deformables - Medidor de frecuencia - Medidor de termistancia - Condensador - Ultrasonidos -Válvulaoscilante

Transductor de resistencia

Transductordeimpulsos

Compensación de presión y temperatura de medidores volumétricos Térmico

-sondas Diferencia de temperaturas en dos de resistencia

Puente de Wheatstone

Momento

- Medidor axial - Medidor axial de doble turbina

Convertidor par

Fuerza de coriolisis

- Tubo de vibración

Presión diferencial

-Puente hidráulico

Equilibriodefuerzas

TEMPERATURA SENSORES Y MEDICIÓN DE TEMPERATURA La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan en cada de aplicación porelemento la precisión, por la velocidad de captación de la definidas temperatura, por tipo la distancia entre el de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlado! necesarios; es importante señalar que es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con sus ventajas y desventajas propias para lograr una selección óptima del sistema más adecuado.

Definición de temperatura Se definirá a la temperatura como el grado de calor o frialdad medido en una escala definida. La temperatura de un cuerpo es su intensidad de calor; o sea el calor que puede ser transferido a otro cuerpo.

Importancia de la medición y control de temperatura en los diferentes proce sos La medición de la temperatura es de vital importancia en los diferentes procesos tales como: pasteurización de la leche, tratamiento por calor de los metales, soplado de vidrio, refinamiento del petróleo, producción etc.deYatemperatura que las características los productos varían significativamente confarmacéutica, las variaciones por lo cual sedehace necesario de un buen sistema de medición y control de esta variable.

Unidades en las que se puede medir temperatura Escala en ºF. Esta escala divide los intervalos de temperatura entre el punto de fusión y el punto de ebullición del agua en 180 partes o grados. Al punto de congelación es de 32ºF y el punto de ebullición el 21.2ºF. Escala en ºC. Divide el intervalo de temperatura entre la temperatura de fusión y la temperatura de ebullición en 100 partes o grados. El punto de fusión es 0ºC y el de ebullición es de 100ºC. Escala Kelvin. Es una escala llamada absoluta, pues define al 0 absoluto. El cero absoluto es la temperatura teórica a la cual no hay movimiento molecular, y por lo tanto, calor 0, 0ºK = 273ºC. Escala Rankine. Es también una escala absoluta, pero considerando la escala Fahrenheit.

0ºR = -459.6ºF. A continuación se muestra la relación entre escalas de medición de temperatura:

ºC 

º F  32 1 .8

ºF

 1.8º C  32

 R   F  459.6

 K  C  273

Métodos de medición Los diferentes métodos de medición de temperatura se basa en los siguientes principios: Expansión de líquidos, gases, sólidos y dilatación de sólidos (sistemas termales llenos y termómetros bimetálicos). Presión de vapor líquido (sistemas termales llenos). Potencial eléctrico producido por metales diferentes en contacto. Termoelectricidad (termopares). Cambio de resistencia eléctrica (termómetro de resistencia). 

   

Termómetros de mercurio Los termómetros de mercurio consisten de un tubo de vidrio graduado con capilaridad central, un bulbo en el extremo inferior del tubo llenado con mercurio y sellado al vacío. Su funcionamiento se basa en la expansión del mercurio con el aumento de la

temperatura. Se utiliza como indicador local, en lugares donde se puedan tolerar respuestas cortas y con exactitudes del 1% de la escala. Su rango de temperatura aplicable es de –39º a 510ºC.

Termómetros de llenado de líquido Pueden llenarse de alcohol metílico o pentano, se basan en el mismo principio de los termómetros de mercurio, y los usos que se les dan son similares a estos.

Termómetros bimetálicos Este tipo de termómetros trabajan con el principio de la diferente expansión que sufren los diferentes metales al ser expuestos a la misma temperatura los termómetros bimetálicos industriales consisten de cintas de 1, 2 o más metales laminados formando una pieza de capas múltiples, generalmente de forma helicoidal. Al cambiar la temperatura estas cintas se expanden o se contraen en diferente forma, dependiendo del metal de que se trate, lo que causa que gire la espiral. Uno de los extremos del helicoide está fijo, y l otro está unido, a un puntero, el cual nos indica la temperatura, al girar dicha espiral. El rango de temperatura en el cual trabajan estos termómetros es –184ºC a 648ºC, exactitud 1% de la escala. Sus usos son similares a los termómetros anteriores, pero en trabajos más pesados.

Sistemas termales Los sistemas termales están formados por un bulbo, un tubo capilar y un Bourdon, los cuales se llenan con diferentes fluidos, según sea su aplicación.

Bulbo El bulbo es el elemento sensible del sistema termal, el cual va en contacto con el proceso. Sus dimensiones varían de acuerdo al rango de temperatura y/o a los valores estándar que el fabricante nos ofrece fabricante. Los materiales de los cuales es construido son: cobre, acero inoxidable 304, acero inoxidable 316. El siguiente cuadro sinóptico nos muestra una clasificación de algunos tipos de bulbos.

   Tipo 12 Con Brida   Bulbo tipo capilar  Tipo 14 Con unión de conexión y reducción     Tipo 15 Con unión de conexión y brida        Tipo 17 Con Brida    Tipo 25 Con unión de conexión y termopozo        Tipo 31 Con unión de conexión y reducción  Plano  De extensión flexible     Tipo 32 Con unión de conexión y brida    Tipo 28 Con unión de conexión y extensión Tipo de bulbos    termopozo cuello       De extensión rígida  Tipo 19 Con Brida    Tipo 21 Con pinza de sujección y soporte         Tipo 20 Con Brida  Pr e  formado  Bulbo tipo capilar  Tipo 40 Con unión de conexión y reducción      Tipo 50 Con unión de conexión y brida    

Fig. Termómetro tipo bulbo Capilar Es el medio de conexión entre el bulbo y el Bourdon, que comunica los cambios sentidos por la temperatura aplicada al tubo. La longitud varía según la distancia entre el

punto de medición y la localización de la caja del instrumento receptor. Teniéndose como estándar 5ft. Materiales de construcción: cobre, acero inoxidable 304, acero inoxidable 316 y acero inoxidable 321. Bourdon Es el elemento transductor a movimiento por la expansión desarrollada en el sistema por el fluido de llenado. Materiales de construcción. Cobre.

CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS TERMALES La clasificación de los sistemas termales se hace en base al principio por el que actúan y son: de tipo volumétrico y presión. CLASE 1 CLASE 2 CLASE3 CLASE 4

Volumétrico (Monolex) Presión (Ether metílico) Presión (Nitrógeno) Volumétrico (Mercurio)

Expansión de líquidos (Ducalex) Presión de vapor delíquidos (Ether etílico) (Alcohol etílico) Presióndegas

(Tolueno)

Expansión de mercurio

Tipos de compensación para sistemas termales Compensación en capilar El principio de operación de los sistemas termales llenados con líquido es la expansión del líquido de llenado con el incremento de temperatura. Como lo que se desea medir es solo la temperatura en el bulbo, es necesario corregir por las variaciones en la medición, causadas por los cambios de temperatura del capilar que resulta de ésta. Esta corrección se obtiene reduciendo el área efectiva de la sección transversal del orificio del capilar insertando un alambre de invar. Dentro de capilar. Este alambre disminuye el volumen del líquido de llenado hasta el punto en que la expansión volumétrica del mercurio con un incremento de temperatura dado será exactamente el mismo que el incremento en volumen del metal del capilar, provocado por el mismo incremento de temperatura.

Compensación en caja Existen dos tipos de compensación en caja: Se coloca una placa de un bimetal en el extremo del Bourdon.

Compensación por bimetal.

Al recibirtiende tanto aelgirar Bourdon como elybimetal un en cambio de temperatura en la caja, en el Bourdon en un sentido, el bimetal el sentido contrario, compensado esta forma se movimiento.

RTD La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las características de resistencia en función de la temperatura que son propias del elemento de detección. El elemento consiste usualmente en un arrollamiento de hilo muy fino del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica. El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado “coeficiente de temperatura de resistencia” que expresa a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La relación entre estos factores puede verse en la expresión lineal siguiente:

RT

 R0 1  t 

En la figura siguiente pueden verse las curvas de resistencia relativa de varios metales en función de la temperatura.

Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: 1. Alto coeficiente de temperatura de la resistencia, ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible. 2. Alta resistividad ' , ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad). 3. Relación lineal resistencia-temperatura. 4. Rigidez y ductilidad, lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda, a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta). 5. Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el níquel. El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su coste. En general la sonda de resistencia

de platino utilizada en la industria tiene una resistencia de 100 ohmios a 00 C. El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por grados sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad en su relación resistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su coeficiente de resistencia según los lotes fabricados. El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad.

Termistores Un termistorSeestrata un de componente electrónico cuya varíaque sensiblemente con la temperatura. una resistencia no lineal, ya resistencia que la corriente la atraviesa no es función lineal del voltaje. Un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) es aquel cuya resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta, y un termistor de coeficiente positivo de temperatura (PTC) es aquel cuya resistencia aumenta conforme aumenta la temperatura. La variación de temperatura puede tener dos orígenes distintos. El calentamiento es externo cuando la energía calorífica procede del ambiente en el que se encuentra la resistencia. El calentamiento es interno, y se denomina entonces autocalentamiento, cuando la fuente de calor está generada, por efecto Joule, por la propia corriente que atraviesa el termistor. Además de sus usos como medidores de temperatura en un medio externo, los termistores también tienen aplicaciones que hacen uso del calor generado internamente por el paso de la corriente. En cualquier aplicación de medida de temperatura externa, es importante eliminar el efecto del calor generado internamente por el termistor; esto se logra haciendo que la corriente que lo atraviesa sea muy pequeña, sin embargo la capacidad del termistor para cambiar su propia resistencia a medida que genera energía 2

calorífica al I R puede ser muy Por ejemplo termistor auto-calentado puede utilizarse debido para estableces tiempos de útil. retardo, protegerel componentes delicados de las sobrecorrientes, detectar la presencia o ausencia de un material térmicamente conductor, etc. En conclusión, los NTC (termistores de coeficiente negativo) funcionan por calentamiento externo y son utilizados como sensores de temperatura, mientras que los PTC (termistores de coeficiente positivo) funcionan por autocalentamiento y se emplean para proteger los componentes electrónicos de un circuito de las sobrecorrientes que aparecen en el encendido del mismo. Los termistores tienen, frente a otros componentes sensibles a las modificaciones de temperatura, las ventajas de su bajo precio, sus dimensiones reducidas, su rápida respuesta y su elevada resistencia nominal, es decir, su resistencia a 25 ºC. El coeficiente térmico de un termistor de coeficiente negativo no es constante. Este hecho significa que el cambio en resistencia por unidad de cambio en temperatura es diferente a diferentes temperaturas. La no linealidad natural de los termistores puede corregirse parcialmente conectando varios termistores sí encompuesta. una combinación serie-paralelo. El circuito resultante se denominaapareados termistorentre de red Estas redes son bastante lineales sobre un rango de temperatura bastante ancho (alrededor de 200 F), pero naturalmente son más costosos que los simples termistores. Como ya se mencionó, la relación entre la resistencia de un termistor y su temperatura no es lineal. La característica resistencia-temperatura puede expresarse, con una buena aproximación, por: Rt = R0eB/t-B/t 0

Siendo: Rt = resistencia del termistor a temperatura t. t = temperatura en grados absolutos = C + 273. R0 = resistencia del termistor a temperatura t 0. B = constante que depende del material del termistor. e = 2.718. B en realidad varía débilmente con la temperatura, y se han obtenido expresiones exactas para expresar este hecho. La ecuación anterior es suficientemente exacta para muchos casos, lo cual es una ventaja, ya que cuando el termistor se conecta en un circuito más complicado, por ejemplo un puente, las ecuaciones que resultan son muy complicadas. otros métodos más simples para obtenercurvas la resistencia de un termistor distintasHay temperaturas. Losmucho fabricantes suelen suministrar de resistencia en funcióna de la temperatura, o tablas, en las cuales la resistencia viene dada en un amplio margen de temperatura, normalmente con incrementos de 1C. Otras dos características importantes de un termistor son la constante de tiempo y la constante de disipación. La constante de tiempo se define de la forma siguiente: Si un termistor está estabilizado a una temperatura T 1, y entonces se lleva a una temperatura T2, su resistencia variará de R 1 a R2. Teóricamente el tiempo requerido para este cambio de resistencia es infinito, con lo cual este tiempo no puede emplearse. Entonces, el tiempo que se emplea es el requerido por la resistencia en variar desde el valor que tenía T 1 hasta el valor que tendrá en T 1 + 0.63 (T2 – T1). Es el mismo método empleado para definir la constante de tiempo de condensador-resistencia, en que 0.63 es aproximadamente el valor de 1 – 1/e. Se observará que la constante de tiempo es una medida de lo que tarda un termistor en indicar un cambio de 63% en la temperatura, pero no un cambio de 63% de su resistencia. La constante de tiempo de un termistor depende fundamentalmente de su tamaño. La constante de disipación es la potencia aumentarylanormalmente temperatura de un termistor una cantidad dada. También es unanecesaria función para del tamaño, se expresa en milivatios por grado centígrado. Así pues, es la potencia necesaria para aumentar la temperatura de un termistor en 1C, por encima de su temperatura.

Fig. Curvas características de termistores En la figura anterior pueden verse las curvas características de dos tipos de materiales de termistores en comparación con la del platino. Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente, tal como se indica en la figura siguiente. Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los termistores tienen características no lineales. Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten incluso intervalos de medida detérmica 1° C (span). dedel pequeño tamaño y sudetiempo de respuesta depende de la capacidad y de laSon masa termistor variando fracciones de segundo a minutos.

Fig. Curvas de estabilidad de termistores según el grado de envejecimiento. La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de unión. La corriente que circula por el termistor a través del circuito de medida debe ser baja para garantizar que la variación de resistencia del elemento sea debida exclusivamente a los cambios de temperatura del proceso. Los termistores encuentran su principal aplicación en la medición, la compensación y el control de temperatura, y como medidores de temperatura diferencial.

Termopares

Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula a través de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas.

Es decir, la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica a si mismo si se resta el calentamiento ohmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es lapuede causacalentar de la circulación de corriente el circuito el termopar. Esta corriente el termopar y afectarallacerrar precisión en laenmedida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor.

Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:

1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. 2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'. 3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones temperaturas T2 ay T1 T3.y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia.

Composición química y tipos de termopares Hay 7 tipos de termopares conocidos como E, S, T, J, K, B y R su composición química varia y a continuación te la doy en una tabla Grupo I Metales nobles platino platino 10% rodio conocido como Tipo S platino platino 13% rodio conocido como Tipo R Grupo II Metales Base cobre constantano conocido como Tipo T acero constantano conocido como Tipo J cromel alumel conocido como Tipo K cromel constantano conocido como Tipo E Cabe señalar que el termopar tipo E puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee la f.e.m mas alta por variación de temperatura y puede usarse para medir temperaturas entre -200 a +900ºc. El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condenación y puede en atmósferas oxidantes o reductora puede medir temperaturas entre -200Laa +260ºc.utilizarse El termopar tipo J, es adecuado en atmósferas con escaso oxigeno libre. oxidación del hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550ºc, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura limite de 750ºc. El termopar tipo K, se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 150ºc. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que este protegido con un tubo de protección. Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmósferas oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500ºC. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe

protegerse con un tubo cerámico estanco. El material del tubo de protección debe ser el adecuado para el proceso donde se aplique y suele ser de hierro o acero sin soldaduras, acero inoxidable, iconel, carburo de silicio, etc.

Alambres para termopar Como primer paso en el uso adecuado de termopares, debe hacerse una selección correcta de los alambres utilizados, dependiendo del proceso y las condiciones donde éstos serán empleados y que tienen variantes como temperatura, corrosión, oxidación, presión, vacío, ataque químico, etc. Algunas Empresas por su parte ofrecen una gama de alambres para termopar con una alta confiabilidad, apegados a las normas I.S.A. y ANSI-MC 96.1.1982.

ISA Tipo K: Esta calibración sin recubrimiento se utiliza para funcionamiento continuo hasta 1100°C y con protección adecuada puede utilizarse hasta 1260°C. La composición clásica de las aleaciones tipo k es la siguiente: ELEMENTO POSITIVO NEGATIVO Ni 89% 94.27% Cr 9.5 C 0.0144 0.03 Fe 0.59 0.02 Si 0.03 1.15 Mn 0.03 2.03 Al 0.01 1.26 Co 0.17 0.38 Estas aleaciones pueden tener falta de homogeneidad de tipo mecánico, las cuales en muchos casos son apreciables. Además, existen cambios químicos asociados que se presentan durante su empleo y en los cuales las diferencias f.e.m.- temperatura pueden llegar a ser molestas. Los termopares tipo k encuentran su aplicación mas útil en atmósfera neutra hasta 1260°C. Arriba de 870°C los dos elementos están expuestos a oxidación entre los termopares convencionales de termopar; metal basepor mas utilizados. Las un condiciones reductoras ejercen efectos adversos sobre éste ello debe evitarse medio ambiente que contenga hidrógeno, monóxido de carbono u otros gases fuertemente reductores. AVERIAS CORRIENTES Descomposición Verde: Se produce una oxidación preferentemente del cromo sobre el Níquel en el exterior del elemento positivo, el cual se convierte entonces en negativo. El ataque del azufre sobre el elemento negativo lo convierte en quebradizo. La "descomposición verde" no es producida por la atmósfera reductora en si, sino por la presencia de una pequeña cantidad de oxígeno de la atmósfera o del mismo alambre. En cualquier caso, el alambre de cromel está expuesto a variaciones en su energía termoeléctrica debido a que el cromo contenido en la aleación se oxida preferentemente. El efecto de la "descomposición verde" es reducir los uv por °F de salida de los pares tipo k. Tanto el efecto de fragilidad del azufre, como la descomposición verde se pueden reducir con el empleo de tubos limpios protectores libre de grasa. Cuando los tubos protectores de metal se fabriquen en el sitio, el calentamiento del tubo durante aproximadamente una hora a 820°C eliminara cualquier materia orgánica que pueda existir en el interior del mismo. Los termopares compactados, por su misma naturaleza, ayudan a reducir contaminación y debidoaunque al cemento de oxido mineral, los alambres funcionan en una esta atmósfera neutra incluso la vaina del par compactado se exponga al hidrógeno o a otro tipo de atmósfera reductora. En condiciones extremas de "descomposición verde" el par compactado puede estar provisto de un tercer alambre (hecho de Titanio) el cual se oxida preferentemente. Con esto se pretende que la pequeña cantidad de oxígeno que exista, ataque al alambre de titanio en lugar de al de cromel.

ISA Tipo J & Y

El tipo de calibración J es el más popular y ampliamente empleado de todas las combinaciones de metal base. Las designaciones del tipo Y e tipo J se acomodan a la tabla de referencias dados por la N.B.S.R.P. 1080 Y circular 561 NBS. El tipo Y es utilizado casi exclusivamente por organismos militares. El tipo J representa un comprobado juego de valores a los que la mayoría de fabricantes de alambres de hierro pueden adoptarse. El margen de temperaturas usual para el tipo J es de -190°C 760°C. La temperatura máxima es de 980°C en tomas intermitentes. La energía termoeléctrica del hierro constantan es de unos 27 MV por °F a 32°F y aumenta hasta aproximadamente 36 MV por °F a 1,400°F. Esta energía es siempre mayor que en los termopares de tipo K. El bajo costo de este termopar ha sido un factor decisivo de su popularidad. La composición media típica de las aleaciones de los tipos J e Y es la siguiente: ELEMENTO POSITIVO NEGATIVO C 0.02-0.11% Como se necesite Mn 0.03-0.43 trazas P 0.005-0.080 ----- S 0.016-0.031 ----- Cu 0.018-0.120 45% SI 0.01-0.02 Como se necesite Ni 0.011-0.044 55% Cr 0.01-0.025 ----- Sr 0.01-0.01 ----- Fe Equilibrio trazas Se ha tratado de relacionar el análisis del hierro con la forma y la magnitud de una curva pero no se ha obtenido buen resultado, el único logro es que el contenido de carbón parece controlar la magnitud de la curva y que el manganeso controla su forma. La tabla de composición anterior muestra la tolerancia. Los márgenes y la vida de los termopares tipo J se pueden extender mediante el uso de pares comprimidos. Puesto que los tubos protectores de metal se utilizan normalmente con termopares convencionales de cal. 8 y 14 deben estar libres de impurezas contaminantes, tales como aceites, grasas y lubricantes de maquinas. El termopar de tipo J se puede usar también en temperaturas de nivel subcero en donde tiene una salida de MV por °F, ligeramente mayor que el tipo T. Su precisión a estas temperaturas es comparable con el tipo T. Los termopares de los tipos J e Y pueden aplicarse en atmósferas atmósferas tanto oxidantesnitrógeno como reductoras; Sin embargo, hierro puede ser atacado por de amoníaco, e hidrógeno. El alambreel de constantan se oxidará a las temperaturas mas elevadas en la misma proporción que el hierro aproximadamente.

ISA Tipo T El termopar de cobre-constantan ha sido utilizado durante mucho tiempo y todavía es solicitado en el margen de temperaturas desde subcero hasta 371°C. El rango que suele utilizarse es entre-190°C y 300°C pudiendo llegar hasta un máximo de 400°C en forma intermitente. La energía termoeléctrica del par cobre-constantan es de aproximadamente 21 uv por °F a 32°F y de 34 uv por °F a 700°F. La alta energía termoeléctrica en los niveles criogénicos, que varía entre 10 y 15 uv por °F es un factor muy significativo para su uso en dichos niveles. Este par de elementos forman el termopar de metal base de uso común más homogéneo y uniforme. La f.e.m. térmica del constantan con respecto al platino es una buena indicación de la homogeneidad del termopar de cobre-constantan. Esta exactitud y estabilidad sonenmuy para temperaturas diferenciales las fases Líquida Vapor en los casos queútiles la uniformidad y la posibilidad deentre reproducción sean dey mucha importancia. El factor que limita la máxima temperatura de empleo del cobre es la oxidación a temperaturas arriba de 371°C. Es extremadamente resistente a la corrosión en condiciones atmosféricas normales. Se puede decir que el cobre no es atacado prácticamente por la mayoría de las soluciones oxidantes. En cambio, si es atacado por soluciones alcalinas aireadas y su empleo debe ser evitado en donde estén presentes

amoníaco, peróxido de hidrógeno, azufre fundido, sulfuro de hidrógeno y anhídrido sulfuroso con un RH de 65% o mayor.

ISA Tipo E La energía termoeléctrica del termopar de cromel-constantan es de 32 uv por °F a 32°F y aumenta hasta aproximadamente 43 uv por °F a 1,600 °F. El Alambre de cromel es el mismo usado en la calibración tipo K. El constatan es el mismo del tipo T. El tipo E ha crecido en popularidad debido a que proporciona una f.e.m. por °F comparable a la del tipo J pero su utilización se extiende hasta 870°C para conseguir una vida máxima en funcionamiento.

ISA Tipo S, R y B Los pares de calibración S se utilizan para medidas de temperatura industrial y como patrones primarios. Su intervalo de temperaturas es generalmente de 980°C a 1480°C. Como patrón el termopar de platino con 10% de Rodio tipo S define la Escala Internacional Práctica de Temperaturas desde 1166.9°F (Punto de Fusión del antimonio) a1945.4 °F (Punto de Fusión de oro). La energía termoeléctrica de un par de tipo S es de 3.1 uv por °F a 32°F aumentando hasta aproximadamente 6.5 uv por °F entre 1800°F y 2700°F. El termopar tipo R con 13% Rh ha logrado gran aceptación en las aplicaciones industriales de alta temperatura debido a su elevado poder termoeléctrico entre 1800°F y 2700°F que va desde 7.3 a 7.7 uv por °F. El termopar tipo B con platino 6% Rh y Platino 30% Rh cada alambre no tiene un elevado poder termoeléctrico como el del tipo R sin embargo es utilizado en la industria para temperaturas mas elevadas que ambos ya que con la aleación de Pt-Rh se logra que su temperatura de fusión se eleve y por lo tanto puede emplearse hasta 3100°F (1704). El margen de temperaturas paraó calibraciones S ytemperaturas R puede serde hasta 3000°F (1648°C) en servicio no-continuo intermitente. Las tres calibraciones S, R y B tienen una excelente resistencia a la oxidación. Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno atacarán al termopar. Hacia los límites superiores de la temperatura de volatilización del rodio se producirá un desplazamiento en la calibración. Otro contaminador que afecta a la calibración atacando al par es el sílice. El sílice se encuentra en todos los tubos de carburo de silicio, tubos y aisladores de silimanita, que son los mas comúnmente usados con esta clase de pares por su economía; Sin embargo, para evitar el ataque de atmósferas reductoras y contaminación del Sílice en el extremo mas alto de la gama de temperaturas, deben utilizarse tubos protectores de Alúminia recristalizada y vitrificada entre el 97 y 99% de Alumina Pura. Se recomienda utilizar aisladores de una sola pieza con suficiente "espacio para respiración" Ejemplo: Para Alambre de 0.020" Agujeros de 0.040" a 0.062.

Fig. Ilustración de las curvas características f.e.m./temperatura de los termopares.

Pirómetro fotoeléctrico El pirómetro fotoeléctrico, al tener un detector fotoeléctrico, es mucho más rápido que los sensores térmicos, pero debe mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico. La señal de salida depende de la temperatura instantánea del volumen del detector, por lo que evita los retardos inherentes al aumento de la temperatura de la masa del detector que existen en los otros modelos de pirómetros. El detector genera una tensión proporcional al cubo de la temperatura V = K T'.

En la figura 6.28 puede verse la sensibilidad espectral de cuatro detectores fotoeléctricos. Para amplificar la señal, el instrumento interrumpe la misma mediante un disco ranurado a varios cientos de hertz, con lo que se obtiene una señal de c.a. que puede ser amplificada con un amplificador de c.a. de alta ganancia (figura 6.29) En aplicaciones de la industria del vidrio, tales como la medición de la temperatura de las gotas de vidrio en su caída, el instrumento indicaría picos de temperatura y para disminuir la curva de onda en diente de sierra obtenida se utiliza un integrador electrónico que las reduce prácticamente a una línea casi recta. Un instrumento de este tipo trabaja con longitudes de onda de 4,8 a 5,6 micras, que dan una mínima interferencia con el vapor de agua, dióxido de carbono y la luz solar, en el intervalo de 35fotoeléctrico - 540' C condeuna tiempo de 0,2 de a 0,5 segundos. con detector usoconstante general de tiene un campo trabajo de 35l instrumento a 1200' C, pudiendo enfocar desde 1 m hasta el infinito, posee una constante de tiempo de 2, 20 o 200 ms y una señal de salida de 10 mV. El perfeccionamiento de estos instrumentos ha conducido a las cámaras infrarrojas que utilizan un detector fotoeléctrico de In Sb (indio antimonio) y que exploran la superficie del objeto con un espejo plano oscilante alrededor de un eje horizontal y un prisma rotativo que gira alrededor de un eje vertical. El aparato produce una imagen de 16 cuadros / segundo y 100 líneas / cuadro con tonalidades de gris que representan la distribución de temperatura del cuerpo.

Fig. Energía relativa en función de la longitud de onda de cuatro detectores fotoeléctricos. Pirómetros de radiación Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan-BoItzmann, que dice que la intensidad de energía radiante por la superficie un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potenciaemitida de la temperatura absoluta de del cuerpo, es decir, W= KT4. En la figura 6.25 se representa el gráfico de la energía radiante de un cuerpo a varias temperaturas en función de la longitud de onda. Desde el punto de vista de medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde 0,1 mieras para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras para las radiaciones infrarrojas.

Fig. Gráfico de la energía radiante de un cuerpo En la gráfica anterior puede observarse que la radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0,45 mieras para el valor violeta hasta 0,70 mieras para el rojo. Los pirómetros de radiación miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en función de su radiación. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en función de la radiación luminosa que éste emite, se denominan pirómetros ópticos de radiación parcial o pirómetros ópticos y los que miden la temperatura captando toda o una gran parte de la radiación emitida por el cuerpo, se llaman pirómetros de radiación total.

Pirómetros ópticos Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: a) de corriente variable en la lámpara y b) de corriente constante en la lámpara con variación del brillo de la imagen de la fuente. Los pirómetros ópticos automáticos son parecidos a los de radiación infrarrojos que se estudian más adelante y consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiación del objeto y la de una lámpara estándar que inciden en un fototubo multiplicador. Éste envía una señal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua que convenientemente acondicionada modifica la corriente de

alimentación de la lámpara estándar hasta que coinciden en brillo la radiación del objeto y la de la lámpara. En este momento, la intensidad de corriente que pasa por la lámpara es función de la temperatura.

Fig. Pirómetros ópticos.

La tabla siguiente muestra los coeficientes de emisión monocromáticos de metales y cuerpos corrientes a 0,65 micras y para distintas temperaturas.

En algunos modelos, el acondicionamiento de señal se realiza con un microprocesador, lo que permite alcanzar una precisión de ± 0,5 % en la lectura, con la posibilidad adicional de trabajar en modo continuo o de integrar picos o valles de la radiación, en el caso del paso de objetos delante del pirómetro. Un juego de lentes parecido al de una cámara fotográfica permite efectuar la lectura de objetos tan pequeños como de 0 0,4 mm. El coeficiente de emisión de energía radiante (medida de la característica relativa del cuerpo para emitir energía radiante) depende mucho del estado de la superficie del cuerpo emisor; para un metal como el cobre pasa de 0,10 a 0,85 si el metal perfectamente pulido se recubre bruscamente con una capa de óxido, y lo mismo sucede con un baño metálico líquido. En la tabla de la página anterior se indican los valores de los coeficientes de emisión.

El pirómetro dirigido sobre una superficie incandescente no nos dará su temperatura verdadera si la superficie no es perfectamente negra, es decir, que absorba absolutamente todas las radiaciones y no refleje ninguna. En los casos generales es preciso hacer una corrección de la temperatura leída (temperatura de brillo S) para tener en cuenta el valor de absorción (o de emisión E) de la superficie. Las correcciones pertinentes vienen indicadas en la tabla siguiente. Esta tabla nos indica la corrección a añadir a la temperatura de brillo S leída en un pirómetro monocromático, para obtener la temperatura verdadera

Pirómetros de radiación total El pirómetro de radiación total (fig. 27) está formado por una lente de pyrex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la energía radiante, y, además muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro, aumentado así sus propiedades de absorción de energía, y proporcionando la f.e.m. máxima.

Fig. 27 Pirómetro de radiación total.

PRESION SENSORES Y MEDICION DE PRESION Los instrumentos en los procesos hidráulicos y neumáticos En los procesos industriales, existen distintas variables que se deben controlar y medir y estoyhace necesario que seLaestudien medición de presión medición de flujo. presiónalgunos es una conceptos fuerza porelementales unidad de sobre superficie y se puede expresar en unidades tales como kg/cm 2, libras/pulg2, bar, atmósferas y N/m 2 (pascal), el valor de presión puede ser absoluta o diferencial. Para medir la presión, se requiere de sensores de presión, este tipo de sensores es de los más útiles para aplicaciones industriales, debido a que la presión se puede convertir para determinar el nivel de un líquido en un tanque o la temperatura, además de medir la cantidad de fuerza que actúa sobre un objeto. La presión se puede usar para determinar el nivel de un fluido de un tanque o recipiente, convirtiendo la cantidad de altura de presión en la altura de una columna del líquido. La presión se puede usar también para determinar la temperatura, haciendo uso de tablas de conversión, debido a que hay una relación directa entre la temperatura y la presión de los gases confinados. La presión se puede usar también para medir flujo, calculando la caída de presión a través de una placa de orificio, esto significa que se puede ver un sensor de presión en una amplia variedad de aplicaciones de sensores, pero la tarea básica de operación de sensor de presión es la necesaria para detectar fallas y reparar a todos esos tipos de sensores. Antes de estudiar teoría de losestudiar distintosla presión. tipos deLa sensores, es importante comprender los latérminos queoperación son usadosdepara presión se define como la fuerza aplicad a un área, se puede definir matemáticamente como que, la presión es igual a la fuerza por unidad de área, es decir, es igual: P

F A

Las unidades de presión pueden ser kg/cm2, o bien, en el sistema inglés, lb/plg2. Para la medición de presión hay tres escalas: 1. La escala de presión relativa 2. La escala de presión absoluta 3. La escala de vacío La diferencia entre la escala de presión relativa y la escala de presión absoluta es la localización del punto del cero; en la escala de presión absoluta, el punto de cero está a la presión atmosférica, sobre la escala de presión absoluta el punto de cero esta en el cero absoluto del punto de presión. La escala de vacío tiene su cero a la presión atmosférica y su máximo punto al punto de presión del cero absoluto, por lo tanto, la escala de vacío se usa para indicar presión negativa relativa. La medición de presión atmosférica es esencial para el establecimiento de la escala de presión relativa y la escala de vacío. La presión atmosférica es la presión ejercida por el aire que rodea la tierra, esta presión varía con la altitud dado que el aire cercano a la tierra

es comprimido por el aire que está arriba. Al nivel del mar la presión es de 14.7lb (plg 2, a 1500m de elevación la presión atmosférica es de 12.2 lb/plg 2 y a 3000m de elevación de 9.7 lb/plg2).

Fig. 1 Clases de presión.

Barómetro

El instrumento para medir la presión barométrica es el barómetro, el barómetro más simple consiste de un tubo de vidrio largo que está sellado en un extremo y se llena con mercurio, se invierte y se coloca en un recipiente en un recipiente con mercurio, el mercurio en el tubo deja un vacío sobre el mismo. La altura del mercurio en el tubo sobre el nivel del mercurio en el recipiente indica la presión atmosférica en pulgadas de mercurio. Las mediciones de presión se pueden hacer desde valores muy bajos considerados como un vacío, hasta miles de toneladas por unidad de área. En la siguiente figura, se da una idea de los tipos de medidores y rangos de presión en donde se aplican.

Unidades de presión Presión en % de toda la escala

Barómetro cubeta 0.1 - 3 m cda

Medida Directa Elásticos

Tubo en u

0.2 - 1.2 m cda

Tubo inclinado

0.01 - 1.2 m cda

Toro pendular

0.5 - 10 m cca

Manómetro campana

0.005 - 1 m cca

0.5 – 1% 0.5 – 1%

Temperatura máxima de servicio

Ambiente

6 bar 10 bar

90ºC

100 – 600 bar Atmosférica 6000 bar 2500 bar 5000 bar 2 bar

0.5 - 6000 m cda Tubo Bourdon Espira

0.5 - 2500 m cda

Helicoidal

0.5 - 5000 m cda

Diafragma

50 mm cda - 2 bar

Fuelle

100 mm cda – 2 bar

Presión absoluta

6 – 760 mm – g abs

Sello volumétrico 3 – 600 bar

Presión estática máxima

Atmosférica 500 bar 1% 0.5 – 1%

Ambiente 400ºC

Tubo bourdon El llamado tubo de Bourdon consiste por lo general de un tubo de sección ovalada enrollado en el interior de un arco de circunferencia, un extremo está fijo al enchufe y el otro a un cuadrante móvil o sector el cual se enlaza con un piñón a la aguja indicadora. El

extremo del enchufe del tubo está abierto para admitir el fluido y el otro extremo está cerrado. Al aumentar la presión del fluido en el tubo, se tiende a enderezar en el interior y, entonces, mueve una palanca que a su vez acciona el piñón y la aguja. La presión de esta medición depende del material del cual está hecho el tubo y el tratamiento de calor que se le dé.

Fig. Elemento típico de un tubo de bourdon.

Elementos helicoidales Una variación del tubo de Bourdon, son los elementos helicoidales que actúan por presión, elementos son con similares Bourdon convencional, excepto que está arrolladoestos en forma de espiral cuatroalo tubo cincodevueltas o espiras. Esto incrementa considerablemente el recorrido de la punta y forma una unidad compacta fácilmente construida e instalada en un registrador de presión.

Elementos de espiral Los elementos de medición tipo espiral, son una segunda modificación del elemento de Bourdon, se usa ampliamente en mediciones industriales de presión Están constituidos por un tubo de pared delgada que está aplanado en sus lados opuestos para producir en forma aproximada una sección elíptica, el tubo se forma entonces dentro del espiral y cuando la presión se aplica al extremo abierto, el tubo tiende a desenrollarse.

Este tipo de medidores se usa en rangos amplios de 10-4000 16/plg 2. la espiral se conecta directamente a la pluma o eje de la aguja por medio de una unión que reduce la fricción a un mínimo y elimina la inercia o pérdida de movimiento e incrementa la precisión.

Fig. Ilustración de un elemento típico de espiral plana

Manómetros El dispositivo más simple pera la medición de presión de líquidos o gases es el sencilla es el tubo U que consiste en un tubo de vidrio en forma de U y con una escala marcada en pulgadas o centímetros. Sobre la escala aparece el cero en el centro, el fluido que va dentro del tubo normalmente es mercurio, aunque también puede ser agua. El líquido se vacía en el tubo hasta que alcanza la maraca de cero, con ambas columnas abiertas hacia la atmósfera, el nivel del fluido permanece en cero. Cuando

manómetro, la forma más

una líneaa de presión conecta a una se columna de manómetro, el fluidoenenlalaaltura columna se va forzado bajar y en se la otra columna eleva, midiendo la diferencia de fluido en las dos columnas, se expresa la presión en cm. o pulgadas del fluido. Hay otros dos tipos de manómetros que son el tubo inclinado y el tubo de cubeta. En el tubo inclinado la columna de columna de medición de manómetro está a un ángulo con respecto con la vertical, el ángulo sirve para expandir la escala del instrumento y mejorar la lectura, generalmente se aplica para mediciones de baja presión y, entonces, el agua se usa como líquido. En el manómetro de tipo cubeta, la columna es un gran recipiente de fluido donde se aplica la presión, debido a este diseño, la presión se puede medir simplemente refiriendo al nivel de fluido en el tubo vertical.

Fig. a) Manómetro de tubo en U; b) Manómetro de cubeta Los manómetros requieren dos lecturas para obtener la lectura del líquido desplazado y que representa la presión. En forma de ecuación, esto se expresa en la forma siguiente: P  Kd ( h1 h2 )

Donde: P = presión del sistema d = densidad de líquido K = constante de proporcionalidad para efectuar correcciones para unidades y factores (cuando es necesario) h1 = altura del líquido del brazo conectado a P1 h2 = altura del líquido del brazo conectado a P2

Elementos de Presión Hay una serie de dispositivos mecánicos, los cuales están diseñados para ampliar su forma para cuando se aplica la presión a ellos, estos dispositivos “elemento de presión de deformación elástica” y cada elemento en particular responde a un rango de presión distinta. En la figura siguiente se muestran varios instrumentos de presión y sus diferentes campos de aplicación.

Fig. 2 Instrumentos de presión y campo de aplicación.

Para fines de mantenimiento es necesario identificar las partes principales de un medidor de presión tipo industrial con elemento Bourdon.

Fig. Ilustración de un tubo de bourdon

Medidas de presión Unidades y clases de presión La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como Pascal, bar, Atmósferas, Kg cm2 y PSI (libras por plg2). En el sistema internacional (SI) está normalizada en Pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas 13 y 14 que tuvieron lugar en Paris en octubre de 1967 y 1971, y según

Recomendación Internacional número 17, ratifica la III Conferencia General de la Organización de Metrología Legal. El Pascal es 1Nw m 2, siendo el Nw la fuerza aplica a un cuerpo de masa 1Kg, le comunica una aceleración de 1m/s2. Como el Pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilo-Pascal (1 kPa = 10 -2 Bar), el mega-Pascal (1 MPa = 10 Bar) y el giga-Pascal (1 Gpa = 10000 Bar). En la industria se utiliza también el Bar (1 Bar = 105 Pa = 1.02 Kg/cm2) y el Kg/cm2, si bien esta ultima unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido se emplea cada vez con menos frecuencia. La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. La presión absoluta se mide con relación al cero absoluto de presión. La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, la presión es próxima a 760mm (29.9plgs) de mercurio absolutos o 14.7 psia (lb plg2 absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmósfera estándar. La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición. Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída, si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas. La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones. El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente menos la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmósfera. Viene expresada en mm columna de Hg, mm columnas de Agua o pulg. de columna de Agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío.

Las tablas siguientes muestran algunas conversiones de unidades de presión:

Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos.

Elementos mecánicos

Se dividen en: 1º elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (barómetro cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana), y 2ª elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contiene. Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle. El tubo Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la precisión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. Laempíricamente ley de deformación tubo Bourdon es bastante compleja y hatubos. sido determinada a través del numerosas observaciones y ensayos en varios El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel. El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores. El diafragma consiste en una o varias cápsulas circulares conectadas rígidamente entre si por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada cápsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relación lineal en un intervalo de medida lo más amplio posible con un mínimo de histéresis y de desviación permanente en el cer o del instrumento. El material del diafragma es normalmente aleación de níquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones. El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con desplazamiento considerable. Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación ninguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de comprensión. Se emplean para pequeñas presiones. Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacío absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuo metro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna sería de 710mm, con una presión atmosférica de 760mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775mm el vacuo metro indicaría: 710 + 15 = 725mm con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a 50 + de 15 =presiones 65mm esde decir, a un 30% más depueden la deseada. En la medida fluidos corrosivos emplearse elementos primarios elásticos con materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es más económico utilizar un fluido de sello cuando el fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Tal ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor (figura a).

Se emplean asimismo sellos volumétricos de diafragma y de fuelle (figura b y c) que contiene un liquido incomprensible para la transmisión de la presión.

En la siguiente tabla pueden verse las características de los elementos mecánicos descritos:

Campo de medida Barómetro cubeta Tubo en U Tubo inclinado Toro pendular Manómetro campana Tubo Bourdon Espiral Helicoidal Diafragma Fuelle Presión absoluta Sello volumétrico

0.1-3mcda 0.2-1.2mcda 0.01-1.2 m cda 0.5-10 m cda .005-1 m cda 0.5-6000bar 0.5-2500 bar 0.5-5000 bar 50mm cda-2 bar 100mm cda-2 bar 6-760mmHgabs. 3-600bar

Presión en % de toda la escala 0.5-1% 0.5-1%

Temperatura máxima de servicio Ambiente

Presión estática máxima 6bar 10bar 100-600 bar

90ºC

1% 0.5-1%

Ambiente 400ºC

Atmosférica 6000bar 2500 bar 5000 bar bar 2 Atmosférica 600bar

Elementos neumáticos Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumáticos estudiados en el capitulo anterior cuyo elemento de medida es de presión 2 adecuado al campo de medida correspondiente. Es obvio que, por un transmisor de 0-20 kg/cm utilizará un transmisor de equilibrio de fuerzas de ejemplo, tubo Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio de movimientos con elemento de fuelle.

Elementos electromecánicos Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El

elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico. Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos: Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas Resistivos Magnéticos     

Capacitivos Extensiométricos Piezoeléctricos

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas Para cada valor de la presión, la barra adopta una posición determinada excitándose un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia, un transformador diferencial o bien un detector fotoeléctrico. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa así un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de presiones del proceso. El detector de posición de inductancia y el transformador diferencial han sido ya estudiados anteriormente. En el transmisor de equilibro de fuerzas con detector fotoeléctrico la barra rígida tiene en su extremo una ventanilla ranurada que interrumpe total o parcialmente un rayo de luz que incide en una célula fotoeléctrica de dos elementos. Esta célula forma parte de un circuito de puente de Wheatstone autoequilibrado y, por tanto, cualquier variación de presión que cambie la barra de posición, moverá la ventana ranurada y desequilibrará el puente. La señal diferencial que se produce en los dos elementos de la célula es amplificada y excita un servomotor. Éste, al girar, atornilla una varilla roscada la cal comprime un resorte de realimentación que a su vez aprieta la barra de equilibro de fuerzas con una fuerza tal que compensa la fuerza desarrollada por el elemento de presión. De este modo, el sistema se estabiliza en una nueva posición de equilibrio. Este transmisor dispone de un controlador óptico-mecánico acoplado al servomotor que señala los valores de presión en una pantalla exterior. Los transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibro, poseen realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto en la señal de salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones y su estabilidad en el tiempo es de media a pobre. Su intervalo de medida corresponde al del elemento mecánico que utilizan y su precisión es del orden de 0.5-1%.

Transductores resistivos Constituyen, sin duda, uno de los transmisores eléctricos más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o cápsula) que varía la resistencia óhmica de un potenciómetro en función de la presión. El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal o no de resistencia. Existen varios tipos de potenciómetros según sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálica y de plástico moldeado. Un transductor resistivo representativo consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de presión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la

presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos. Los transductores resistivos son simples y su señal de salida es bastante potente como para proporcionar una corriente de salida suficiente para el funcionamiento de los instrumentos de indicación sin necesidad de amplificación. Sin embargo, son insensibles a pequeños movimientos del contacto del cursor, muy sensibles a vibraciones y presentan una estabilidad pobre en el tiempo.

Transductores magnéticos Se clasifican en dos grupos el principio de funcionamiento: Transductores de según inductancia variable (figura siguiente) en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de ésta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.

El devanado de la bobina se alimenta con una corriente alterna y la f.e.m. de autoinducción generada se opone a la f.e.m. de alimentación, de tal modo que al ir penetrando el núcleo móvil dentro de la bobina la corriente presente en el circuito se va reduciendo por aumentar la f.e.m. de autoinducción. El transformador diferencial estudiado en los transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas es también un transductor de inductancia variable, si bien, en lugar de considerar una sola bobina con un núcleo móvil, se trata de tres bobinas en las que la bobina central o primaria es alimentada con una corriente alterna y el flujo magnético generado induce tensiones en las otras dos bobinas, con la particularidad de que si el núcleo está en el centro, las dos tensiones son iguales y opuestas y se desplaza a la derecha o a la izquierda, las tensiones son distintas. Es decir, que el transformador diferencial es más bien un aparato de relación de inductancias. Los transductores de inductancia variable tiene las siguientes ventajas: no producen rozamiento en la medición, tiene una respuesta lineal, son pequeños y de construcción robusta y no precisan ajustes críticos en el montaje. Su precisión es del orden de  1 %.

Los transductores de reluctancia variable consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varia la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esa variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.

Fig. Transductor de reluctancia variable El movimiento e la armadura es pequeño (del orden de un grado como máximo en armaduras giratorias) sin contacto alguno con las partes fijas, por lo cual no existen rozamientos eliminándose la histéresis mecánica típica de otros instrumentos. Los transductores de reluctancia variable presentan una alta sensibilidad a las vibraciones, una estabilidad media en el tiempo y son sensibles a la temperatura. Su presión es del orden de  0.5 %. Ambos tipos de transductores posicionan el núcleo o la armadura móviles con un elemento de presión (tubo Bourdon, espiral...) y utilizan circuitos eléctricos bobinados de puente de inductancia de corriente alterna.

Transductores capacitivos Se basan en sus la variación se produce en siguiente). un condensador al desplazarse una de placas pordela capacidad aplicación que de presión (figura La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tiene dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden comparase en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salidas es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de c.a. a los que están acoplados. Su intervalo de medida es relativamente amplio, entre 0.05-5 a 0.5-600 bar y su precisión es del orden de  0.2 a 0.5 %.

Fig. Transductor capacitivo.

Galgas extensiométricas (strain gage) Se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a una tensión mecánica por la acción de una presión. Existen dos tipos de galgas extensiométricas: galgas cementadas formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja base de cerámicas, papel o plástico, y galgas sin cementar en las que los hilos de resistencia descansan entre un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial. En ambos tipos de galgas, la aplicación de presión estira o comprime los hilos según sea la disposición que el fabricante haya adoptado, modificado pues la resistencia de los mismos.

Fig.G algacementada.

Fig.Galgasincementar.

La galga forma parte de un puente de Wheatstone y cuando está sin tensión tiene una resistencia eléctrica determinada. Se aplica al circuito una tensión, nominal tal que la pequeña corriente que circula por la resistencia crea una caída de tensión en la misma y el puente se equilibra para estas condiciones. Cualquier variación de presión que mueva el diafragma del transductor cambia la resistencia de la galga y desequilibra el puente. El intervalo de medida de estos transductores varia de 0-0.6 a 0-10000 bar y su precisión es del orden de  0.5 %.

Fig. Puente de Wheatstone para galga extenciométrica

Una innovación de la galga extensométrica la constituyen los transductores de presión de silicio difuminado. Consisten en un elemento de silicio situado de una cámara conteniendo silicona que está en contacto con el proceso a través dedentro un diafragma flexible. El sensor está fabricado a partir de un monocristal de silicio en cuyo seno se difunde boro para formar varios puentes de Wheatstone constituyendo así una galga extensométrica auto-contenida. El espesor del sensor determina la medida del instrumento. El sensor con su puente de Wheatstone incorporado forma parte del circuito de la figura siguiente.

Transductor de presión de silicio difundido Cuando no hay presión, las tensiones E1 y E2 son iguales y, al aplicar la presión del proceso Rb y R c disminuyen su resistencia y Ra y R d la aumentan dando lugar a caídas de tensión distintas y a una diferencia entre E 1 y E2. Esta diferencia se aplica a un amplificador diferencial de alta ganancia que controla un regulador de corriente variable. Un margen de corriente continua de 3 a 9 mA con 1 mA del puente produce una señal de salida de 4 a 20 mA c.c. Esta corriente circula a través de la resistencia de realimentación fb y produce una caída de tensión que equilibra el puente. Como esta caída es R proporcional a Rfb esta resistencia fija el intervalo de medida (span) del transductor. El cero del instrumento se varia intercalando resistencias filas en el brazo izquierdo del puente (cero basto) y un potenciómetro en el brazo derecho (cero fino). El intervalo de medida de los transductores de silicio difundido varía de 0-2 a 0-600 bar, con una precisión del orden de 0.2%. Las galgas extensiométricas pueden alimentarse con c.c. o c.a. Tienen una respuesta frecuencial excelente y pueden utilizarse en medidas estáticas y dinámicas. Presentan una compensación de temperatura relativamente fácil y generalmente no son influidas por campos magnéticos. Con excepción de las galgas de silicio difundido poseen las siguientes desventajas: Señal de salida débil, pequeño movimiento de la galga, alta sensibilidad a vibraciones y estabilidad dudosa a lo largo del tiempo de funcionamiento. La galga de silicio difundido tiene la ventaja adicional de estar en contacto directo con el proceso sin mecanismos intermedios de medición de la presión pudiendo así trabajar correctamente aunque el fluido se deposite parcialmente sobre el diafragma del elemento ya que mide directamente la presión del fluido y no la fuerza que este hace sobre el

diafragma. Transductores piezoeléctricos Los elementos piezoeléctricos son materiales cristalinos que, al deformarse físicamente por la acción de una presión, generan una señal eléctrica. Dos materiales típicos en los transductores piezoeléctricos son el cuarzo y el titanato de bario, capaces de

soportar temperaturas del orden de 150º C en servicio continuo y de 230º C en servicio intermitente.

Fig. Transductor piezoeléctrico Son elementos ligeros, de pequeño tamaño y de construcción robusta. Su señal de respuesta a una variación de presión es lineal y son adecuados para medidas dinámicas, al ser capaces de respuestas frecuenciales de hasta un millón de ciclos por segundo. Tienen la desventaja de ser sensibles a los cambios en la temperatura y de experimentar deriva en cero y precisar ajuste de impedancias en caso de fuerte choque. Así mismo, su señal de salida es relativamente débil por lo que precisan de amplificadores y acondicionadores de señal que pueden introducir errores en la medición.