Termometria Y Sensores de Temperatura

 

TERMOMETRIA Y SENSORES DE TEMPERATURA

1) RESUMEN En la siguiente practica de laboratorio se menciono los conceptos de temperatura y calor y la rel relació ación n entre entre ellos. ellos.

Descri Describim bimos os los diferen diferentes tes tipos de sensor sensores es que serán serán uti utiliz lizado adoss

instrumentos de medición de temperatura en la que incluimos dispositivos de tipo analógico y magnéticos, así como las consideraciones que debemos tomar en cuenta al seleccionar un sensor  de temperatura para su utilización, sus propiedades térmicas de tiempo, instalación y calibración.

2) INTROD ODU UCCIO ION N La temperatura está relacionada con la sensación que se experimenta al tocar ciertos objetos. Es una magnitud física que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente. Dicha magnitud esta vinculada a la noción de frio (menor temperatura) y caliente (m (may ayor or te temp mper eratu atura ra). ). Tamb Tambié ién n se di dice ce la te temp mper erat atur uraa ba basá sánd ndos osee en alg algun unaa pr prop opied iedad ad termométrica, por ejemplo la expansión de un líquido, gas, la resistencia de un material conductor  la resistencia de un material conductor, conductor, la tensión electrica generada por una termocupla, termocupla, en la  practica existen muchos tipos de sensores de temperatura, que según sea su utilización pueden ser  unos mejores que otros.

.

2.1. MARCO TEORICO. cuerpos o sistemas. 2.1.1 TERMOMETR TERMOMETRIA IA. - Es la encargada de la medición de la temperatura de cuerpos Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y absolutas. A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se encuentra un objeto o cuerpo. Pero esta apreciación directa está limitada por diferentes factores. Por ello se recurre a los termómetros para medir temperaturas.

 

energía, es expresión del movimiento movimiento de las moléculas 2.1.2. CALOR . - El calor es la cantidad de energía, que tiene un cuerpo. Cuando el calor entra en un cuerpo se produce un calentamiento y cuando sale se  produce un enfriamiento, los objetos que están frio poseen algo de calor porque los átomos se encuentran en movimiento. Fuente; (Física Universitaria Novena Edición, Sears, Zemansky, Freedman y Young. Editorial Addison-Wessley Longman. Volumen 2.)

2.1.3. DIFERENCIA ENTRE TEMPERATURA Y CALOR . - Cuando calentamos un cuerpo, la temperatura se incrementa, por eso, es común pensar que Temperatura y Calor es lo mismo. Pero en realidad no es así, el calor y la temperatura en realidad se relacionan, pero son dos cosas diferentes. El calor es la energía de desplazamiento de moléculas de un elemento. La temperatura en tanto, es una medida de energía molecular.

Es decir, si nosotros le agregamos calor a un cuerpo, la temperatura aumentara, pero si disminuye el calor de ese cuerpo, la temperatura también bajara. Cuando las temperaturas son muy altas, es debido a que las moléculas están desplazándose y rotando con mucha más energía. Podemos mencionar un ejemplo: Si tenemos dos cuerpos con igual temperatura y se les pone en contacto, no existirá transferencia de energía entre ellos puesto que, la energía media de las partículas será igual. En cambio, si la temperatura de uno de los cuerpos es más alta que la del otro cuerpo, entonces existirá una transferencia de energía del cuerpo más caliente al cuerpo más frio, hasta que la temperatura de ambos se nivele. Por ello decimos que la temperatura no es energía en si, sino es una medición de ella, mientras que el calor si es energía. Fuente; (Física Universitaria Novena Edición, Sears, Zemansky, Freedman y Young. Editorial Addison-Wessley Longman. Volumen 2.)

dispositivo para detectar detectar y señalar una condición condición de cambio cambio.. 2.1.4. SENSORES. Un sensor es un dispositivo Frecuentemente una condición de cambio, se trata de la presencia o ausencia de un objeto o material

 

(detección discreta). También puede ser una cantidad capa de medirse, como un cambio de distancia, tamaño o color (detección analógica). Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y lo loss si sist stem emas as de medi medició ción n y/ y/o o co cont ntro rol, l, ta tant nto o eléc eléctr tric icos os co como mo elec electr trón ónic icos os,, util utilizá izánd ndos osee extensivamente en todo tipo de procesos industriales y no industriales para propósitos de monitoreo, medición, control y procesamiento. Fuente: (Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral SPUPV)

2.1.5. PRINCIPIO BASICO QUE FUNCIONA UN SENSOR . Los sensores en su mayoría tienen una salida cuya señal es electrica, y la obtención de esta última implica generalmente el uso de un transductor transd uctor primario primario y opcio opcionalme nalmente, nte, uno o más transductor transductores es secundarios secundarios.. La señal electrica  producida se acondiciona, modifica o procesa mediante circuitos electrónicos adecuados con el fin de obtener la respuesta y las características finales deseadas. Fuente; (Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral SPUPV)

3) MATER ERIIAL ALE ES.

3.1. DISPOSITIV DISPOSITIVOS OS DE MEDICIÓN DE TEMPERATU TEMPERATURA RA. Hay varios métodos de medición de temperatura que se pueden clasificar de la siguiente manera: a)

Expansión térmica de un material con un indicador visual. - Es el incremento en el volumen de un material a medida que aumenta su temperatura, por lo general, se expresa como un cambio fraccionario en las medidas por unidad de cambio de temperatura. Cuando un material es sólido, la expansión térmica se describe en términos de cambio de longitud, altura o grosor. Si el material es líquido, por lo general se describe como un cambio de volumen. Debido a que las fuerzas de unión entre átomos y moléculas varían de material a material, los coeficientes de expansión son característicos de los elementos y compuestos. Existen dos tipos de expansión térmica:



EXPANSION TERMICA LINEAL. -La expansión térmica lineal es el cambio de las dimensiones de un material debido a los cambios de temperatura. El cambio en las

 

dimensiones de un material se debe a su coeficiente de expansión térmica que se expresa como el cambio en la dimensión lineal por cambio de temperatura de grado. Fuente: (Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral SPUPV)



EXPANSION TERMICA VOLUMETRICA. - La expansión térmica del volumen es el cambio en el volumen por cambio de temperatura de grado debido al coeficiente de expansión lineal. Fuente: (Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral SPUPV)

 b)

Cambio de la resistencia eléctrica

c) Ca Cambi mbioo de cara caracte cterís rístic ticaa semi semicon condu ducto ctorr d) Gener Generador ador de vvolta oltaje je p por or m metale etaless di diferen ferentes tes e) Ca Cambi mbioo de dell ma magne gnetis tismo mo d dee un cue cuerpo rpo f) Ef Efec ecto to tter ermo moel eléc éctr tric icoo g) Cam ambi bioo d dee ccol olor or

3.2.  TIPOS DE DISPOSITIVOS SENSORES.

3.2. 3.2.1. 1. TE TERM RMOM OMET ETRO ROS. S.-- El mercurio en vidrio era, de lejos, el termómetro de lectura visual más común (si no el único). El dispositivo consistía en un pequeño tubo de vidrio graduado con un pequeño bulbo que contenía un deposito de mercurio. El coeficiente de expansión del mercurio es varias veces mayor que el coeficiente de dilatación del vidrio, de modo que a medida que aumenta la temperatura el mercurio sube el tubo dando un coste relativamente bajo y un método preciso de medición de la temperatura. El mercurio también tiene la ventaja de no humedecer el vidrio y, por lo tanto, atraviesa limpiamente el tubo de vidrio vidrio sin romperse romperse en glóbulos glóbulos o recubrir recubrir el tubo. El rango de operació operación n del termómetro de mercurio es de -35 a 450 ° C (punto de congelación de -38 ° F [-38 ° C]). La toxicidad del mercurio, la facilidad de rotura, la introducción de termómetros digitales rentables, precisos y de fácil lectura han provocado la desaparición del termómetro de

 

mercurio. Los líquidos en dispositivos de vidrio funcionan con el mismo principio que el ter termóm mómetr etro o de mercur mercurio. io. Los líq líquid uidos os uti utiliz lizado adoss tie tienen nen propie propiedad dades es similar similares es al mercurio, mercu rio, es decir, decir, alto coeficiente coeficiente de dilatación lineal, claramente claramente visible, visible, no mojante,  pero no tóxicos. El líquido en termómetros de vidrio se utiliza para reemplazar el termómetro termóm etro de mercurio mercurio y ampliar ampliar su rango de funcionam funcionamiento. iento. Estos termómetros termómetros son  precisos y con líquidos diferentes (cada tipo de líquido tiene un rango de operación limitado) puede tener un rango de operación de -70 a 330 ° C (-300 a 600 ° F). Fuente: (Dunn, W. C. (2005). Temperatura and Heat. En Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control (págs. 119-138). USA: The McGraw-Hill Companies, Inc.)

3. 3.2. 2.2. 2. DISP DISPOS OSIT ITIV IVOS OS DE TE TEMP MPER ERAT ATUR URA A RE RESI SIST STIV IVA A RT RTD D.- Los dispos dispositiv itivos os de temperatura de resistencia (RTD) son o bien una película de metal depositada en un formador forma dor o bien resistencias resistencias bobinadas. bobinadas. Los dispositivos dispositivos se sellan a continuación continuación en un materi mat erial al compue compuesto sto vit vitroc rocerá erámic mico. o. La resist resistenc encia ia eléctr eléctrica ica de los met metale aless pur puros os es  positiva, aumentando linealmente con la temperatura. La resistencia electrica de los meta me tale less pu puro ross es po posit sitiv iva, a, au aume ment ntan ando do line lineal alme ment ntee co con n la Temp Temper erat atur ura. a. Esto Estoss dispositivos son precisos y pueden usarse para medir temperaturas de -300 a 1400 ° F (170 a 780 ° C).

El RTD comercial más conocido y manufacturado es el Pt100, el elemento platino con una resistencia estándar de 100Ώ (Ro) a una temperatura estándar de 0°C (To). Fuente: (Dunn, W. C. (2005). Temperatura and Heat. En Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control (págs. 119-138). USA: The McGraw-Hill Companies, Inc.)

3.2.3 .2.3.. TE TER RMISTO ISTOR RES.-

Los Los te term rmis isto tore ress son son un unaa clase clase de óx óxid ido o metá metálic lico o (mat (mater eria iall

semiconductor) que típicamente tiene un alto coeficiente de resistencia a la temperatura negativo, pero también puede ser positivo. Los termistores tienen una alta sensibilidad

 

que puede ser hasta un 10 por ciento de cambio por grado Celsius, convirtiéndolos en los elementos de temperatura más sensibles disponibles, pero con características muy no li line neale ales. s. Los tiem tiempo poss de respu respuest estaa tí típi pico coss son son de 0,5 a 5 s

co con n un marge margen n de

funcionamiento de -50ºC a 300ºC típicamente. Los dispositivos están disponibles con el rango de temperatura extendido a 500 ° C. Los termistores son de bajo costo y fabricados en una amplia gama de formas, tamaños y valores. Cuando esté en uso, hay que tener  cuidado para minimizar los efectos de la calefacción interna. Las caracte característ rística icass no lineales lineales

hace hace que el dispositi dispositivo vo sea difíc difícil il de usar usar como como un

dispositivo de medición preciso sin compensación, pero su sensibilidad y bajo coste lo hace útil en muchas aplicaciones. El dispositivo se utiliza normalmente en un circuito  puente y se rellena con una resistencia para reducir reducir su no linealidad. Fuente: (Dunn, W. C. (2005). Temperatura and Heat. En Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control (págs. 119-138). USA: The McGraw-Hill Companies, Inc.)

forman cuando dos dos metales disímiles se unen unen 3.2.4 .2.4.. TE TER RMOC OCU UPLA PLAS. - Las termocuplas se forman  para formar una unión. Se completa un circuito eléctrico uniendo los l os otros extremos de los metales disímiles para formar una segunda unión. Una corriente fluirá en el circuito si las dos uniones están a diferentes temperaturas. El flujo de corriente es el resultado de la dif difere erenci nciaa en la fuerza fuerza electr electromo omotri trizz desarr desarroll ollada ada en las dos dos uni unione oness debido debido a su diferencia de temperatura. En la práctica, se mide la diferencia de tensión entre las dos uniones; La diferencia en la tensión es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Tenga en cuenta que una termocupla sólo se puede utilizar para medir las diferencias de temperatura. Sin embargo, si una unión se mantiene a una temperatura de referencia, la tensión entre los termopares da una medida de la temperatura de la segunda unión. Tres efectos están asociados con los termopares. Son los siguientes:

 

a)

Indi dica ca que que el vo volt ltaj ajee pr prod oduc ucid ido o en un term termop opar ar es EFECTO EFEC TO SEEB SEEBECK  ECK . In  proporcional a la temperatura entre entre las dos uniones.

 b) .

EFECTO PELTIER . Indica que, si una corriente fluye a través de un termopar,

una unión se calienta (saca energía) y la otra unión se enfría (absorbe energía). c)

EFECTO DE THOMPSON. Indica que cuando una corriente fluye en un conductor  a lo largo del cual hay una diferencia de temperatura, se produce o se absorbe calor, dependiendo de la dirección de la corriente y de la variación de temperatura.

En la práctica, la tensión de Seebeck es la suma de las fuerzas electromotrices generadas  por los efectos de Peltier y Thompson. Los dispositivos utilizados son pirómetros que uti utiliz lizan an ter termop mopare aress o dispos dispositiv itivos os de compar comparaci ación ón de colore colores. s. Los pir piróme ómetro tross son dispositivos que miden la temperatura mediante la detección del calor irradiado desde un cuerpo caliente a través de una lente fija que enfoca la energía térmica en una termopila; Este es un dispositivo sin contacto. Las temperaturas del horno, por ejemplo, se miden normalmente a través de un pequeño agujero en la pared del horno. La distancia desde la fuente hasta el pirómetro puede fijarse y la radiación debe llenar el campo de visión del sensor.

semicondu nducto ctores res tie tienen nen una serie serie de paráme parámetro tross que 3.2. 3.2.5. 5. SE SEMI MICO COND NDUC UCTO TORE RES S.- Los semico varían linealmente con la temperatura. Normalmente, la tensión de referencia de un diodo zener o las variaciones de la tensión de unión se utilizan para la detección de temperatura. Los sensor sensores es de temper temperatu atura ra semico semicondu nducto ctores res tie tienen nen un rango rango de fun funcio cionam namien iento to limitado de -50 a 150 ° C, pero son muy lineales con precisiones de ± 1 ° C o superiores. Otras ventajas son que la electrónica se puede integrar en el mismo dado que el sensor  que proporciona una alta sensibilidad, una fácil interconexión con los sistemas de control y hacer posibles diferentes configuraciones de salida digital. La constante de tiempo térmico varía de 1 a 5 s, la disipación interna también puede causar una compensación de

 

hasta has ta 0,5 ° C. Los dispos dispositiv itivos os semico semicondu nducto ctores res tambié también n son robust robustos os con buena buena lo long ngev evid idad ad y son son ba bara rato tos. s. Por Por esta estass razo razone nes, s, el senso sensorr se semi mico cond nduc ucto torr se util utiliz izaa amplia amp liamen mente te en muchas muchas aplica aplicacio ciones nes,, incluy incluyend endo o la sustitu sustitución ción del mercur mercurio io en el termómetro de vidrio.

3.2.6. RESUMEN

DE

LAS

CARACTERÍSTICAS

DE

LOS

SENSORES

DE

TEMPERATURA En la Tabl Tablaa 1 da a co cono noce cerr la lass ca cara racte cterí rísti stica cass ma mass resal resalta tant ntes es de los los se sens nsor ores es de temperatura mostrados en el laboratorio.

Tabla 1. Características de los Sensores de Temperatura Fuente: Traduc Tra duccio cion n

Tipo

Linealidad

Ventajas

Desventajas

Medida local o co como mo in inte terr rrup upto tor  r  On/Off.

de

Tabla 8.8 (D (Dun unn, n, W. C. (2005). Temperatura and He Heaat. En Fundamentals of In Ind dustr tria iall Instrumentation and Process Control

Bimetálico

Buena

Bajo costo, robusto y rango amplio.

Resistencia

Muy Buena

Estable, rango Re Resp spu ues esta ta le lent nta, a, amplio, y preciso.  baja sensibilidad,

Termistor

Pobre

Bajo costo, pequeño, alta alta se sens nsib ibil ilid idad ad y respuesta rápida

Termocupla

Buena

Bajo costo, robusto y con un muy amplio

Semiconductor

Excelente

4) CON ONC CLUS USIO ION NES

rango. Bajo costo, sensible y fácil de interconectar 

caro, auto cale calen nta tam mie ient nto o y rango limitado. Rango no lineal y auto calentamiento. Baja sensibilidad y necesita referencia. Auto calentamiento, bajo rango de respuesta y fuente de alimentación

 

-

Los Los sensor sensores es de tipo tipo eléct eléctri rico co son sin sin duda duda los que mas mas extens extensió ión n tienen tienen hoy hoy en la medición de la temperatura, siendo su utilización en diferentes campos de la industria, refrigeración y control control ambiental. ambiental.

-

Los Los termis termisto tore ress del tipo tipo RTD son mucho mucho más econ económ ómic icos os y son son más sensib sensible les. s. Est Estaa sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy adecuado  para mediciones precisas de temperatura, utilizándose ampliamente en las aplicaciones de control de procesos.

-

Las ter termoc mocupl uplas as son los sensor sensores es de tempera temperatur turaa eléctri eléctricos cos más ut utiliz ilizado adoss en la industri industriaa  por su bajo costo, tiene la capacidad para medir temperaturas ligeramente mas altas, así también tiene mejor estabilidad y resistencia.

5) CUE UEST STIO IONA NARI RIO. O.

5.1. Principio Básico de Funcionamiento de un Sensor. - La mayoría de los sensores de temper tem peratu atura ra funcio funcionan nan al aprove aprovecha charr una caract caracterí erístic sticaa física física de alguno algunoss mat materi eriale aless conductores y semiconductores, estos materiales son capaces de hacer variar la resistencia electrica en función con la temperatura ambiental, es por este principio que se describe el funcionamiento de un sensor de temperatura de cualquier tipo.

5.2. Cuanto mercurio existe en un termómetro. – Un termómetro de mercurio es un tipo de termómetro que generalmente es utilizado para medir temperaturas del material del cual queremos saber a que temperatura se encuentra, la cantidad de mercurio existente en un termómetro clínico es de 1 gramo.

5.3.   Propiedad del mercurio para construir un termómetro . – Para llaa construcci construcción ón de los los ter termóm mómetr etros os de mercur mercurio io se basa basa en la dil dilata atació ción n de los líquidos líquidos con la temper temperatu atura ra

 

(dilatación térmica volumétrica) que hace que ocupe longitudes diferentes del tubo de vidrio en el que esta encerrado.

produccion de electricidad electricidad a partir del del contacto entre entre dos metales 5.4.   Efecto Seebek ..-- Es la produccion diferentes, dos semiconductors, o un metal y un semiconductor, que se hallen en un mismo circuito, debido ala diferencia de temperatura entre ellos. Si conectamos dos conductores diferentes entre si, la diferencia de temperatura entre ellos genera una diferencia de potencial en el punto de contacto, lo que origina una corriente electrica en los conductors que forman el circuito.

5.5. ¿Cuándo el comportamiento de los electrones es idéntico al comportamiento de un gas? Los electron electrones es

de un cuerpo cuerpo siempr siempree están están en movimien movimiento to colisio colisionan nando do con rapide rapidezz y

rellenando todo el espacio. Cuanto más caliente esta este cuerpo más rápido se mueve y por  ende tiene más energía. Es así que los electrones de un gas también se encuentran en movimiento constante, cuanto más caliente está el gas, más rápido se mueve y también tendrá más energía.

6) BI BIBL BLIO IOGR GRA AFI FIA A.

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Du Dun nn, W. C. (2 (200 005) 5).. Tempe empera ratu tura ra and He Heat at.. En Fund Fundamen amenta tals ls of

Indu Indust strrial ial

Inst Instru rume ment ntat atio ion n an and d Proc Process ess Cont Contro roll (pág (págs. s. 11 1199-13 138) 8).. USA: USA: The The Mc McGr Graw aw-H -Hil illl Companies, Inc. -

Sear, Zemansky, Zemansky, Freedman Freedman y Young Young (29). (29). Física Unive Universitar rsitaria ia Novena Novena Edición, Edición, Editorial Editorial Addison-Wessley Longman. Volumen 2.

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Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral SPUPV

 

7) ANEXOS.

 Figura 1. Sensor del Termómetro ana analógico lógico   SPUPV)

Fuente: ( Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral

 

Figura 2. Termómetro Digital  

Fuente: ( Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral

SPUPV)

Figura 3. Sensor Termopar (Termocupla)   SPUPV)

Fuente: ( Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral

 

Figura 4.  

Termistores NTC

Fuente: ( Instrumentación electrónica. Sensores (I) / José María Ferrero Corral

SPUPV)

Figura 5.  

Termistores NTC