Medición de Temperatura

Medición de Temperatura

16.1 Principio de las termocuplas

16.2 Tipos de termocuplas

16.3 Instalación de termocuplas

16.4 Termómetros de resistencia (RTD)

16.5 Construcción de RTD

16.6 Instalación de RTD

16.7 Thermowells (Recubridores para termocuplas, RTDs, etc)

        La temperatura, obviamente, es una medición común e importante en las industrias de procesos. Prácticamente todas las mediciones desde -250°C a 650°C pueden ser usando termocuplas o RTD. Las termocuplas son más baratas que las RTD pero no tan precisas. Los termistores, que son dispositivos semiconductores, también pueden ser usados para e rango de T° mencionado. Aunque son más sensibles que las termocuplas o RTDs, su respuesta es NO-linear, es por esto que rara vez son usadas. Sobre los 650°C, los dispositivos usados son las termocuplas (sujeto a una consideración en los materiales utilizados) y los pirómetros.

        Este capítulo considera Termocuplas y RTDs. Abarca sus principios de operación, construcción y se describen los requisitos de interconexión con suficiente detalle para permitir una adecuada especificación en sus requerimientos.

16.1 Principio de las termocuplas

        Cuando dos cables metálicos de distinta composición son unidos formando un circuito, como se muestra en la figura 16.1, y una de las uniones es calentada a una mayor temperatura que la otra, se genera una FEM y se produce un flujo de corriente. Esto es conocido como el efecto Seebeck. La FEM generada es pequeña (mV) y tiene que ser medida en un circuito abierto  ya que cualquiera corriente adicional a través de la termocupla distorsionará la medida, al afectar la orientación de las cargas. Es por esto que se usa un transductor de muy alta impedancia, como se muestra en la figura 16.2.

[pic 1]

[pic 2]

        Para un par de metales disímiles, la FEM generada dependerá de la diferencia de temperatura entre las uniones. Para medir la temperatura, es común usar la parte caliente de la unión como sensor y como medida relativa a la parte fría de la unión. Así, la temperatura de la unión fría, referida como referencia de la unión, debe ser conocida. En los laboratorios una referencia de 0°C es comúnmente lograda al derretir hielo. Sin embargo, para propósitos industriales esto no aplica, asique la temperatura de referencia es la temperatura ambiente, la cual es medida de forma independiente con un RTD.

        La FEM no es sólo una función de la diferencia de temperatura, también depende de los materiales usados. En un principio, las termocuplas pueden ser hechas a partir de cualquier par de metales disímiles. Sin embargo, en la práctica, sólo un número limitado de combinaciones de metales y aleaciones son usadas debido a su alta sensibilidad en términos de mV/°C y estabilidad química. La IEC 60584 posee valores de FEM tabulados en función de la temperatura para las termocuplas más comunes, junto a su tolerancia y precisión, tal y como se muestra en la figura 16.2.

[pic 3]

16.2 Tipos de termocuplas

        Normalmente son diferenciadas a partir de letras, las cuales son mostradas en la tabla 16.3. La tolerancia mostrada, ya sea como un porcentaje del valor verdadero o como un valor absoluto, da un indicador de la precisión en la medida otorgada por la termocuplas. En la práctica, la precisión alcanzada también depende de los errores debidos a la instalación y el procesamiento de las señales.

16.3 Instalación de termocuplas

        Un tercer metal disímil puede ser introducido en la unión sin afectar la FEM generada. De esta manera, por ejemplo, es posible unir a través de una soldadura los 2 metales disímiles en la unión caliente. Al usar Cobre como referencia en las uniones, es posible una medición más práctica de la FEM, tal y como se muestra en la figura 16.3.

[pic 4]

        Es una buena práctica para la unión de referencia ser situada lejos de cualquiera fuente que pueda producir calor. En una típica instalación que requiera múltiples termocuplas, es común que todas las uniones de referencia estén situadas en el mismo lugar y que posean un RTD en dicha zona, para fines de referencia.

        Debido a que el cable de la termocupla es delgado, es una prática común usar cables de extensión para llegar al gabinete, los cuales poseen un espesor lo suficientemente grande como para continuar el proceso del cableado. Idealmente, los cables de extensión son del mismo material que el de la termocupla.  

Sin embargo, debido a los costos, es usualmente necesario usar un cable de extensión con adecuadas propiedades compensatorias, tal y como se muestra en la figura 16.4.

[pic 5]

        Dicho cable debe poseer propiedades termoeléctricas similares a los de los metales usados en la termocupla para que la medición de la FEM no se vea distorsionada. Adicionalmente, el uso de cables compensatorios minimiza los efectos de corrosión debido a la formación de celdas electroquímicas entre los metales disímiles. Una vez que las uniones de referencia, separadas, están a la misma temperatura, las variaciones que se produzcan a lo largo del cable y las uniones no importan.

        Para proporcionar una protección tanto física como química a las termocuplas, es una práctica común usarlos en vainas (recubrimiento del cable), tal y como se muestra en la figura 16.5. Las vainas normalmente son de acero inoxidable y de hasta 6 mm de diámetro.

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[pic 7]

        Un empaque mineral, el cual es típico de la Magnesia (MgO), posee un buen aislamiento tanto térmico como eléctrico. En la práctica, esto difiere, ya que la unión caliente puede estar unida al final del interior de la vaina o bien puede estar aislada. Las practicas difieren, la junta caliente puede estar unida al extremo interior de la funda o de lo contrario estar aislada. Claramente una junta unida entrega una respuesta más rápida, pero la unión es difícil de realizar y se puede desprender. Un plástico, o bien para altas temperaturas un terminal de un bloque cerámico esmaltado, son usados de forma externa al final de la vaina. La polaridad debe estar claramente distinguida para propósitos de cableado.

Las termocumplas pueden ser usadas para medir temperaturas promedio. Supóngase que se requiere una medida promedio de 3 mediciones. Cada una puede ser medida de forma independiente y puede ser promediada. También, las 3 termocuplas pueden ser puestas en serie, como se muestra en la figura 16.6. La FEM resultante, es escalada por un factor de 3 previo al procesamiento de la señal y otorga una temperatura promedia de forma más precisa que el método anterior.[pic 8]

        De una forma similar, las termocuplas pueden ser usadas como medidores de temperatura diferencial al estar unidas directamente “de atrás a atrás”, como se muestra en la figura 16.7

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