2.5 transductores de temperatura

8/7/2019 2.5 transductores de temperatura

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INTRODUCCIN

Ampliamente usados como sensores de temperatura.

Son econmicos.

Intercambiables.

Tienen conectores estndar

Capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Limitacin en la exactitud (errores del sistema inferiores

a un grado centgrado son difciles de obtener).

El grupo de termopares conectados en serie recibe elnombre de termopila. Tanto los termopares como lastermopilas son muy usadas en aplicaciones de calefaccin agas.

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FUNCIONAMIENTO

Efecto Seebeck:

Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que

produce un voltaje que es funcin de la diferencia de temperatura

entre uno de los extremos denominado "punto caliente" y el otro

denominado "punto fro".

Termopar del tipo K

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http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Termopar_tipo_K_%28diagrama_simple%29-LMB.png


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FUNCIONAMIENTO

Uniones de termopares con soldadura de estao gracias a la ley

de los metales intermedios.

No es posible conectar un voltmetro al termopar paramedir este voltaje:

La conexin a las guas del voltmetro har una segunda

unin no deseada.

Compensacin de unin fra (CUF).

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FUNCIONAMIENTO

La temperatura de la unin fra:

Generalmente detectada por un termistor de precisin;

comparacin; temperatura verdadera en el extremo del

termopar.

Ocasionalmente en la CUF se usa un sensor de

temperatura semiconductor.

Cualquier error en la medicin de la temperatura de la uninfra terminar en el error de la temperatura medida en el

extremo del termopar.

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Termocupla

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Factores a considerar al momento deescoger la termocupla

Rango de Medicin (T mnima y mxima)

Medio a Medir (slido, lquido y gaseoso)

Caractersticas fsicas (dimensiones) Sistema de Fijacin y/o

Terminacin

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Rango de Medicin

Generalmente, se cumple que a mayor temperatura, mayor dimetro de alambre.

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Metales Base

COBRE: Es el conductor positivo de la combinacin Cobre-Constantano. Cobre puro libre de oxgeno.

FIERRO: Es el conductor positivo de la combinacin Fierro-Constantano. Fierro puro con un total mximo de 0.01 % deimpurezas.

CONSTANTANO: Es el conductor negativo de lascombinaciones Cobre-Constantano, Fierro-Constantano,Cromel-Constantano. Aleacin con aproximadamente 45%Nquel y 55% Cobre, con adiciones menores de Manganeso ySilicio.

CROMEL: Es el conductor positivo de las combinaciones

Cromel-Alumel y Cromel-Constantano. Aleacin de Nquel conaproximadamente 10% de Cromo y adiciones de Aluminio yotros elementos hasta aproximadamente 2%.

ALUMEL: Es el conductor negativo de la combinacin Cromel-Alumel. Aleacin de Nquel con aproximadamente 3%

Manganeso y 2% Aluminio.

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Metales Preciosos PLATINO: Es el conductor negativo de las calibraciones S y R.

Platino fsicamente puro. PLATINO 10% RODIO: Es el conductor positivo de la

calibracin S. Aleacin de Platino fsicamente puro con 10%Rodio.

PLATINO 13% RODIO: Es el conductor positivo de lacalibracin R. Aleacin de Platino fsicamente puro con 13%Rodio.

PLATINO 30% RODIO: Es el conductor positivo de lacalibracin B. Aleacin de Platino fsicamente puro con 30%Rodio.

PLATINO 6% RODIO: Es el conductor negativo de la calibracinB. Aleacin de Platino fsicamente puro con 6% de Rodio.

Para fabricar Termopares industriales, estos materiales seutilizan normalmente en forma de alambres, en calibres de 8

a 30 AWG.

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Caractersticas Fsicas

Dimetro: Depende de: Temperatura a medir

Largo

Posicin de Trabajo

Horizontal Vertical

Oblicua

Largo: el extremo de medicin (junta caliente) debeestar en una zona clave segn el proceso, y elextremo opuesto (junta fra) en lo posible atemperatura ambiente

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TIPOS DE TERMOCUPLAS

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TIPO K

Bajo costo y en una variedad de sondas.

Calibracin sin recubrimiento hasta 1100C.

Con recubrimiento hasta 1260C. Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%

Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%

F.E.M. producida: -6,458 mV/C a 48,838 mV/C

Pueden tener falta de homogeneidad de tipo mecnico.

Existen cambios qumicos asociados que se presentan durantesu empleo (descalibracin).

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Descomposicin Verde: oxidacin preferentemente del cromosobre el Nquel en el exterior del elemento positivo, el cual seconvierte entonces en negativo. Esto reduce la sensibilidad.

El ataque del azufre sobre el elemento negativo lo convierteen quebradizo.

Tanto el efecto de fragilidad del azufre, como ladescomposicin verde se pueden reducir con el empleo detubos limpios protectores libre de grasa.

En los termopares compactados, debido al cemento de oxidomineral, los alambres funcionan en una atmsfera neutra

incluso aunque la vaina del par compactado se exponga alhidrgeno o a otro tipo de atmsfera reductora.

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TIPO K

Se recomienda en atmsferas oxidantes y a temperaturas de

trabajo entre 500 y 150C.

No debe ser utilizado en atmsferas reductoras ni sulfurosas a

menos que este protegido con un tubo de proteccin (evitarse

hidrgeno, monxido de carbono u otros gases fuertemente

reductores).

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TIPO E

Ideales para el uso en bajas temperaturas, en el mbito

criognico gracias a su sensibilidad.

Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%

Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%

F.E.M. producida: -9,835 mV/C a 76,373 mV/C (la mayor).

Puede usarse en vaco o en atmsfera inerte o medianamente

oxidante o reductora.

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TIPO J

Es el mas popular y ampliamente empleado de todas las

combinaciones de metal base debido a su bajo coste.

Termoelemento positivo: Fe99,5%

Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%

Rango limitado. Son ideales para usar en viejos equipos que

no aceptan el uso de termopares ms modernos.

F.E.M. producida: -8,096 mV/C a 42,919 mV/C.

Adecuado en atmsferas con escaso oxigeno libre. laoxidacin de el hilo de hierro aumenta rpidamente por

encima de 550C, siendo necesario un mayor dimetro del

hilo hasta una temperatura limite de 750C.

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TIPO T

Termoelemento positivo: Cu 100%

Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%


Temperatura mxima limitada por la oxidacin del cobre por

encima de 371C. Se debe evitar atmsferas en donde estn presentes

amonaco, perxido de hidrgeno, azufre fundido, sulfuro dehidrgeno y anhdrido sulfuroso con un RH de 65% o mayor.

El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la corrosin

por humedad atmosfrica o condenacin y puede utilizarse enatmsferas oxidantes o reductora.

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TIPO N

Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%

Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%


Adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a suelevada estabilidad y resistencia a la oxidacin de altas

temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos

B, R y S que son ms caros.

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TIPO S

Los pares de calibracin S se utilizan para medidas detemperatura industrial y como patrones primarios.

Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%

Termoelemento negativo: Pt100%

F.E.M. producida: -0,236 mV/C a 18,693 mV/C. Ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300

C, pero su baja sensibilidad y su elevado precio lo conviertenen un instrumento no adecuado para el uso general.

Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la

calibracin universal del punto de fusin del oro (1064,43 C). Excelente resistencia a la oxidacin.

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TIPO S

Nunca deben insertarse directamente en tubos de proteccinmetlicos, pero s en tubos con proteccin de cermica.Fabricado con almina (Al2O3) de alto contenido de pureza.

Para temperaturas superiores a 1500C se utilizan tubos deproteccin de platino.

Inestabilidad en la respuesta del sensor temperaturasinferiores a 0C.

Por encima de 1400C ocurre crecimiento de granulacionesque los dejan quebradizos.

Las atmsferas con gases reductores como el hidrgenoatacarn al termopar.

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TIPO R

Gran aceptacin en las aplicaciones industriales de altatemperatura debido a su elevado poder termoelctrico enestas condiciones.

Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%.

Termoelemento negativo: Pt100%.


Adecuados para la medicin de temperaturas de hasta 1.300C. Su baja sensibilidad (10 V/C) y su elevado precio quitan

su atractivo. Excelente resistencia a la oxidacin.


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TIPO B

Utilizado en la industria para temperaturas mas elevadas queambos ya que con la aleacin de Pt-Rh se logra que sutemperatura de fusin se eleve y por lo tanto puedeemplearse hasta temperaturas mayores.

Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%.

Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%. Adecuados para la medicin de altas temperaturas superiores

a 1.800 C.

F.E.M. producida: 0,000 mV/C a 13,820 mV/C.

Presentan el mismo resultado a 0 C y 42 C.

Excelente resistencia a la oxidacin.


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TIPO S,R y B

Otro contaminador que afecta a la calibracin atacando al pares el slice.

El slice se encuentra en todos los tubos de carburo de silicio,tubos y aisladores de silimanita, que son los mascomnmente usados con esta clase de pares por su economa.

Para evitar el ataque de atmsferas reductoras ycontaminacin del Slice en el extremo mas alto de la gama detemperaturas, deben utilizarse tubos protectores de Alminiarecristalizada y vitrificada entre el 97 y 99% de Alumina Pura.

Se recomienda utilizar aisladores de una sola pieza con

suficiente "espacio para respiracin.

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TIPOS DE TERMOPARES

Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmosferas

oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500c. Si la

atmsfera es reductora, el termopar debe protegerse con un

tubo cermico estanco.

El material del tubo de proteccin 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...

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CALIBRACINS

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PROBLEMAS DE CONEXIN

Son la causa de la mayora de los errores de medicin.

Se debe usar el tipo correcto del cable de extensin.

Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hechodel material termopar correcto y su polaridad debe ser laadecuada.

Se utilizan normas como la I.S.A. y ANSI-MC 96.1-.1982 paraclasificar el alambre del termopar.

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RESISTENCIA

Cables delgados:

Para minimizar la desviacin trmica y mejorar los tiempos

de respuesta.

Alta resistencia.

Sensible al ruido.

Errores debido a la resistencia del instrumento de

medicin.

Se recomienda medir la resistncia del termopar antes deutilizarlo.

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DESCALIBRACIN

Difusin de partculas atmosfricas en el metal a los extremos

de la temperatura de operacin.

Impurezas y los qumicos del aislante difundindose en el

cable del termopar.

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RUIDO

La salida de un termopar es una pequea seal.

Se puede minimizar el ruido al retorcer los cables paraasegurarse que ambos recogen la misma seal de ruido.

En ambiente extremadamente ruidoso es necesario

considerar usar un cable de extensin protegido.

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OBSERVACINES

Las conexiones entre el cable de compensacin, el termopar y elinstrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable decompensacin, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalacindebe evitar el paso prximo por fuentes de calor (aparece el efectoThompson).

Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones trmicas

de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en lacalibracin de el instrumento .

El termopar es susceptible al ruido elctrico industrial debido a quedurante su funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50 mV y seencuentra en un entorno donde las grandes maquinas elctricas puedencrear cientos de milivoltios en el cable de conexin.

El termopar trabajando como una antena puede recoger radiacinelectromagntica de radio televisin y microondas . de aqu que serequiera que los cables de conexin estn torcidos y dentro de una fundametlica que se pone a tierra , que la unin de medida este puesta a tierray que el amplificador tenga una buena relacin seal/ruido.

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USO DE VAINAS

En lo referente a la vainas de proteccin depende de elproceso industrial es el tipo de vaina que se va a usar porejemplo en el proceso de fabricacin de el cemento en lasalida de los altos hornos se usa una vaina de iconel o hierro otambin pirometros de radiacin.

Proceso de fabricacin de la cermica en los hornos se utilizanprotecciones cermicos o pirometros de radiacin.

Proceso de exaltacin y vtreo se usan vainas de iconel ohierro.

Fabricacin de alimentos y procesos petroqumicos el acero

inoxidable como vaina. En procesos de fabricacin que excedan los 1000c a veces se

usa carburo de silicio.

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AISLAMIENTO

Mostacillas

Configuracin ms simple.

Termoelementos acomodados en aisladores de cermica

que usualmente son denominados mostacillas.

Producidas con oxido de magnesio (Mg2O) 66,7% con alta

conductividad trmica y alta resistencia de aislamiento.

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Termopar con aislamiento mineral

Desarrollado para aplicaciones en el sector nuclear.

Extendido a los dems sectores del proceso productivo.

Necesidad de un termopar con un tiempo de respuesta

menor que el que se obtena con el termoparconvencional.

Termopar convencional montado con un tubo deproteccin donde todo el conjunto es trefilado. En esteproceso los termoelementos quedan aislados entre smediante un polvillo compacto de Mg2O y protegidos poruna vaina metlica (originalmente el tubo de proteccin).

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PROS Y CONTRAS

PROS Bajo costo.

No hay piezas mviles, menos probabilidad de romperse.

Amplia gama de temperaturas.

Tiempo de reaccin razonablemente corto. Capacidad de repeticin y exactitud razonables.

CONTRA

La sensibilidad es baja, generalmente 50 V/C o menos.

Generalmente la exactitud no es mejor que 0,5 C. Requiere una temperatura de referencia, generalmente la

del hielo (0C).

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