PRACTICA DE LABORATORIO Nº 1 (MEDICION DE TEMPERATURA)

PRACTICA DE LABORATORIO Nº 1 (MEDICION DE TEMPERATURA)

Actualmente, la mayoría de los procesos industriales requiere de un sistema electrónico de medida. Este sistema es imprescindible debido a que permite censar las diversas variables que ocurren dentro de una planta, para luego alimentar estas a sistemas de control que tomarán actuaran de acuerdo al comportamiento de estas variables con respecto a una referencia a fin de obtener siempre una respuestas adecuada a los requerimientos del sistema. Entre estas variables podemos mencionar:

· Temperatura.

· Presión.

· Flujo.

· Velocidad.

· Posición.

· Caudal.

Para cada una de estas variables existen en el mercado sensores o transductores cuya salida se puede acondicionar de acuerdo a las necesidades del sistema general y convertirse en parámetros para utilizarse en el proceso a manera de acciones de control. Es importante destacar que estos sensores, se acondicionan, de esta forma sus salidas pueden adaptarse mediante etapas posteriores para que funcionen con diversos conversores analógicos digitales que tengan diferentes tensiones de referencia, lo que los hace bastante utilizables y prácticamente universales.

Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc. Podemos decir tambien que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro elemento. Como por ejemplo el termometro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la accion de la temperatura. Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores sensados puedan ser leídos por un humano.

La Temperatura.

La temperatura es un parámetro termodinámico del estado de un sistema que caracteriza el calor, o transferencia de energía.

Concretamente, dado un sistema en el se pueda expresar como suma de energías cinéticas de todas las partículas, y suma de energías potenciales de partículas tomadas por pares (es decir, H=T+V donde V = Σ_i V (r_ij)), entonces tendremos que se cumple 3/2 N K_BT = 1/n * Σ_i1/2 m_iv_i². Siendo K_B la constante de Boltzmann

Para medir la temperatura se utiliza el termómetro.

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el Kelvin. Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura, concretamente la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Farenheit. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado, la diferencia entre estas dos es el offset que tiene una escala con respecto de la otra.

Cuando un objeto se siente caliente, los átomos en su interior se están moviendo rápidamente en direcciones aleatorias y cuando se siente frío, los átomos se están moviendo lentamente. Nuestro cuerpo interpreta ese movimiento atómico aleatorio como lo que sentimos: frío y calor; un termómetro interpreta ese movimiento atómico en forma de grados. Los átomos están rebotando por todas partes, de forma que un átomo está a veces yendo rápido y otras veces lento. Parece que la temperatura debiera estar cambiando.

Sin embargo esto no es así, En un grupo de átomos siempre hay todo un rango de velocidades, pero si la velocidad de un átomo cambia, el promedio de todos ellos no lo hace. Cada vez que un átomo frena hay otro que acelera. Así, la temperatura describe realmente el rango de velocidades de un grupo de átomos en su conjunto. Los físicos a menudo usan una escala diferente que está directamente relacionada con la velocidad de los átomos en un gas. Esta es llamada la Escala Absoluta y un grado en esta escala es igual a un grado Centígrado, o sea 9/5 de grado Fahrenheit. La diferencia entre la escala Centígrada y la absoluta es el valor del 0.

A la escala absoluta se le conoce como escala Kelvin, se le conoce así por el hecho que su cero es el cero de congelamiento absoluto. Si bajamos la temperatura a 0 grados centígrados (273 grados kelvin), los gases aun continúan moviéndose a esa velocidad, aunque muy lento, sin embargo aun hay movimiento, si hacemos descender mas la temperatura hasta el 0 absoluto, es decir a los cero grados kelvin, que es la temperatura para el cual un gas deja de moverse, es decir se “congela”, vemos que a pesar de que esta escala es cero en la Celsius es: −273,15º C y en la Fahrenheit −459,7°F. Por eso se conoce la escala Kelvin como la absoluta porque es la única que “físicamente” representa el cero.

Según las leyes de la termodinámica el cero absoluto es un límite inalcanzable, los lugares mas fríos se encuentran en el espacio exterior, los cuales alcanzan hasta 3 grados por encima del cero absoluto. Los refrigeradores más potentes son capaces de alcanzar esas temperaturas. Inclusive se ha logrado llegar hasta una billonesima de grado por encima del valor absoluto, que es la temperatura necesaria para ver la condensación de Bose - Einstein.

En conclusión podemos decir que la temperatura es la es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia, debido a la transferencia de energía que se sucede a niveles atómicos por el movimiento aleatorio promedio de un grupo de estos.

A continuación se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos:

Sensores de temperatura: Termopar, Termistor y termoresistencia.

Termopar:

Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje siempre y cuando los metales se encuentren a temperaturas diferentes.
En electrónica, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usadas en aplicaciones de calefacción a gas.

Funcionamiento:

En 1822 el físico estoniano Thomas Seebeck descubrió accidentalmente que la unión entre dos metales genera un voltaje que es función de la temperatura. Los termopares funcionan bajo este principio, el llamado efecto Seebeck. Si bien casi cualquier par de metales pueden ser usados para crear un termopar, se usa un cierto número debido a que producen voltajes predecibles y amplios gradientes de temperatura.
El diagrama inferior muestra un termopar del tipo K, que es el más popular:

El termopar de tipo K producirá 12,2mV a 300ºC. Desafortunadamente no es posible conectar un voltímetro al termopar para medir este voltaje porque la conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión no deseada. Para realizar mediciones precisas se debe compensar al usar una técnica conocida como compensación de unión fría (CUF).
La ley de los metales intermedios dice que un tercer metal introducido entre dos metales distintos de una unión de termopar no tendrá efecto siempre y cuando las dos uniones estén a la misma temperatura. Esta ley es importante en la construcción de uniones de termopares. Es posible hacer una unión termopar al estañar dos metales, ya que la estañadura no afectará la sensibilidad. En la práctica, las uniones termopares se realizan con soldaduras de los dos metales (por lo general con una carga capacitiva) ya que esto asegura que el desempeño no esté limitado al punto de fusión de una estañadura.

Por lo general, la temperatura de la unión fría es detectada por un termistor de precisión en buen contacto con los conectores de salida del instrumento de medición. Esta segunda lectura de temperatura, junto con la lectura del termopar es usada por el instrumento de medición para calcular la temperatura verdadera en el extremo del termopar. Para aplicaciones menos críticas, la CUF es usada por un sensor de temperatura semiconductor. Al combinar la señal de este semiconductor con la señal del termopar, la lectura correcta puede ser obtenida sin la necesidad o esfuerzo de registrar dos temperaturas. La comprensión de la compensación de unión fría es importante; cualquier error en la medición de la temperatura de la unión fría terminará en el error de la temperatura medida en el extremo del termopar.

Linealización:

Además de lidiar con la CUF, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar es una función no lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos análogos de linealización son usados en medidores termopares de bajo costo.

Modalidades de termopares:

Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etc.

A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares.

Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y confiabilidad en las lecturas.

Tipos de termopares:

· Tipo K (Cromo (Ni-Cr) / Aluminio (aleación de Ni-Al)): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.200 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox.

· Tipo E (Cromo / Constantan (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

· Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC.

· Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).

· Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje.

· Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.600 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado quitan su atractivo.

· Tipo S (Hierro / Constantán): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.600 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).

· Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 ºC a 0 ºC. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán.

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar...

Precauciones y consideraciones al usar termopares:

La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta.

Problemas de conexión:

La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada.

Resistencia de la guía:

Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm. tendrá una resistencia de cerca de 15 ohms por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

Descalibración:

La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda.

Ruido:

La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es propenso a absorber ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej: cerca de un gran motor), es necesario considerar usar un cable de extensión protegido. Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian.

Voltaje en Modo Común:

Aunque las señales del termopar son muy pequeñas, voltajes mucho más grandes pueden existir en el output del instrumento de medición. Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido, y también al usar termopares aislados.

Termistor:

Un termistor es una resistencia eléctrica que varía su valor en función de la temperatura. Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.

Termistor NTC:

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.

Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, étc.

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:

, donde A y B son constantes que dependen del termistor.

La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I²) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.

Termistor PTC:

Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura.

Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.

El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.

Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.

Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.

Termoresistencias:

Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que, ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que presentan. Este aumento viene expresado como:

donde:

R es la resistencia a una temperatura de TºC

R₀ es la resistencia a 0ºC

T es la temperatura

Este efecto suele aproximarse a un sistema de primer o segundo orden para facilitar los cálculos. Los sensores RTD suelen ir asociados a montajes eléctricos tipo Puente de Wheatstone, que responden a la variación de la resistencia eléctrica por efecto de la temperatura para originar una señal analógica de 4-20 mA que es la que se utiliza en el sistema de control correspondiente como señal de medida.

Pt100:

Un tipo de RTD son las Pt100. Estos sensores deben su nombre al hecho de estar fabricados de platino (Pt) y presentar una resistencia de 100ohms a 0ºC. Son dispositivos muy lineales en un gran rango de temperaturas, por lo que suele expresarse su variación como:...

Donde Tª₀ es una temperatura de referencia y R₀ es la resistencia a esa temperatura.

Otros dispositivos similares son los Pt1000, con una resistencia de 1000ohms a 0ºC.

Rangos de temperatura correspondientes a los métodos más comunes de medición:

Sistema	Rango en ºC
Termocupla	-200 a 2800
Sistemas de dilatación (capilares o bimetálicos )	-195 a 760
Termorresistencias	-250 a 850
Termistores	195 a 450
Pirómetros de radiación	-40 a 4000