Capítulo v temperatura

CURSO DE INSTRUMENTACIÓN
V TEMPERATURA
Ing. Juan Aviña Jiménez

Es la medida de la vibración de
los átomos de una substancia que
nos indica la cantidad de energía
cinética que contiene.
CONCEPTOS BÁSICOS
Temperatura
Es la cantidad de energía térmica
que contiene cualquier cuerpo o
substancia.
Calor

Las primeras mediciones que se tiene
conocimiento, fueron realizadas por Galileo
Galilei, a partir de un termoscopio,
termómetro cuyo principio de funcionamiento
es la expansión de un fluido en una escala
que se divide en “grados de calor”.
LOS INICIOS DE LA MEDICIÓN

1er Paso Elegir una propiedad termométrica
para determinar el elemento primario
adecuado al proceso.
2o Paso Definir una Escala de Temperatura
PRINCIPIO DE CONSTRUCCIÓN DE UN
TERMÓMETRO

El error estático es la diferencia entre
la lectura del sistema en comparación con
un equipo patrón ó valor verdadero. Este
error depende del tipo de sensor y del
sistema de lectura.
ERROR ESTATICO

Cuando la temperatura
está variando rápidamente en
un proceso industrial, por
ejemplo, el sistema de
medición si no es el
adecuado podría no poder
seguir la variación debido a
la inercia térmica del sensor.
T
E
M
P
E
R
A
T
U
R
A
Tiempo
Temperatura
Correcta
Temperatura
medida
ERROR DINÁMICO

El error se debe a que existe
un tiempo de respuesta para
alcanzar el valor máximo cuando
hay un cambio en la medición en
forma de escalón. El tiempo
necesario que toma para alcanzar
aproximadamente el 63 % del valor
máximo es llamado constante de
tiempo, este valor es dado por el
fabricante, y con el se puede
determinar el tiempo que tardara en
alcanzar el máximo valor.
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
Tmax.
63% de Tmax.
 (constante de tiempo)

Tiempo
ERROR POR CONSTANTE DE TIEMPO

TIPOS DE TERMÓMETROS
TERMÓMETRO DE COLUMNA DE LÍQUIDO
TERMÓMETRO BIMETALICO
TERMÓMETRO POR PRESIÓN (TIPO LLENO)
MEDICIÓN POR RESISTENCIA
MEDICIÓN POR TERMOPAR
PIROMETROS DE RADIACIÓN

TERMÓMETROS DE COLUMNA DE LÍQUIDO
•Existen diferentes líquidos que se pueden emplear y
estos determinan el rango que puede medir el
termómetro, la siguiente tabla nos muestra los mas
usados.
SUBSTANCIA RANGO DE MEDICIÓN
Mercurio -35 a 280°C
Mercurio con capilar lleno de gas -35 a 450°C
Alcohol -110 a 50°C
Tolueno -70 a 100°C
Pentano -200 a 20°C

•Clasificación de Termómetros de Vidrio:
•Inmersión Total – Son los calibrados para la lectura correcta
cuando la columna de líquido está inmersa completamente en el
fluido.
•Inmersión Parcial – Son los calibrados para la lectura correcta
cuando se requiere sumergir solo una parte del termómetro
dentro del fluido.
•Inmersión De Bulbo – Son los calibrados para la lectura
correcta cuando se requiere sumergir solo el bulbo dentro del
fluido.

Inmersión Total Inmersión Parcial Inmersión de Bulbo

Este tipo de
termómetro está basado
en la diferente dilatación
de los metales; como
diferentes metales poseen
diferentes coeficientes de
dilatación, si esos metales
en laminas de similar
grosor se unen a lo largo
de una de sus caras cundo
se calientan se curvan por
esta diferencia de
dilatación.
TERMÓMETRO BIMETÁLICO

TERMÔMETRO BIMETÁLICO
Existen diferentes formas de los bimetálicos para mejorar su
sensibilidad, los tipos son:
Plano Helicoidal
Espiral

• Medición de temperatura de tipo local.
• Elemento sensor para control de temperatura,
principalmente de tipo termostato.
• Sistema de enclavamiento para desconectar un
circuito eléctrico en casos de sobrecarga.
Aplicación

• Intervalo de temperatura de trabajo
El intervalo de medición va desde los – 100 °C a los
1000 °C
• Precisión de la medición
Precisión del orden de 0,5 a 1% de la escala completa
en termómetros de alta calidad, en el uso como
protección la precisión es del 2 al 5%

TERMÓMETROS DE PRESIÓN
Estos termómetros se basan en el
principio de la expansión de un líquido al
someterse al calor pero al estar confinado
esta expansión se transforma en un
incremento de presión por eso se les
denomina sistemas tipo lleno donde un tubo
de Bourdón ó diafragma son los que miden
esta presión proporcional a la temperatura.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN

Clasificación
Los Termómetros de presión se clasifican en:
•Clase I - Sistemas llenos con líquidos (excluyendo el mercurio)
•Clase II - Sistemas con vapor
•Clase III - Sistemas llenos de gas
•Clase IV - Sistemas llenos con mercurio

En todos los sistemas se tienen las
siguientes causas de error:
• Inmersión incorrecta
• Cambios de la presión barométrica
• Cambios de la temperatura ambiente

Los sistemas de esta clase son los que
contienen líquidos no metálicos, al estar
totalmente llenos, al calentarse el bulbo y no
poder expandirse el líquido incrementa su presión
y esta es medida por el Bourdón, dando una
medición lineal, la medición depende de la
temperatura en el bulbo, en el capilar y en el tubo
de Bourdón, la variación de temperatura en el
capilar o Bourdón provoca error en la medición
por lo que hay que hacer correcciones.
TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE I

TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE I

contienen líquidos altamente volátiles que son
contenidos en el sistema, su naturaleza de vapor
hace que la respuesta no sea lineal ya que se tiene
compresibilidad en ellos, pero su uso esta dirigido a
rangos de temperaturas bajas, donde los líquidos
se congelarían, existen 4 variantes que son: IIa
sistema lleno de líquido bulbo con vapor, IIb
sistema lleno de vapor, IIc sistema llenado
parcialmente con líquido y su vapor y el IId lleno de
un líquido no volátil y el bulbo con gas.
TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE II

TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE II
Clase II a Clase II b Clase II c Clase II d

contienen gas su aplicación es en la medición de
temperaturas bajas donde los líquidos ya no
pueden usarse debido a que se congelarían, su
medición es lineal si se esta dentro del rango de
medición su afectación por variaciones en la
temperatura ambiente o en el trayecto del capilar
son pequeñas por lo que no es necesaria la
compensación.
TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE III

TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE III

contienen mercurio y su aplicación es en la
medición de temperaturas altas donde los líquidos
normales se evaporan y ya no pueden usarse
debido a que su respuesta sería no lineal, esta
clase es la más precisa pero es afectada por
variaciones en la temperatura ambiente o en el
trayecto del capilar por lo que se recomienda la
compensación.
TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE IV

TERMÓMETRO DE PRESIÓN CLASE IV

Los sistemas tipo lleno clase I y clase IV se
ven afectados por la temperatura ambiente y por la
temperatura en la trayectoria del capilar es por ello
que se requiere compensar estas variaciones por lo
que se puede tener la compensación parcial, (solo
en el equipo) o completa donde se compensa o
contrarresta las variaciones en toda la trayectoria
del capilar, logrando con ello mejores mediciones.
TERMÓMETRO DE PRESIÓN COMPENSACIÓN

TERMÓMETRO DE PRESIÓN COMPENSACIÓN
Sin
Compensación
Compensación
Parcial
Compensación
Completa

• Los termómetros de resistencia son
considerados sensores de alta precisión y
óptima repetitibilidad de lectura.
• El metal usado en el elemento sensor es
normalmente confeccionado de Platino con el
más alto grado de pureza y encapsulados en
bulbos de cerámica o vidrio.
TERMÓMETROS DE RESISTENCIA ELÉCTRICA

• Actualmente los RTD’s de Platino más usadas son:
• PT-100
• PT-200,
• PT-500,
La que se usa en forma frecuente industrialmente es
la PT-100. El significado del nombre es las letras del
símbolo químico del metal y el número indica la
resistencia a 0 °C el rango de este RTD va de -200 a 650
C, conforme a la norma ASTM E1137 ó de -200 a 850 °
según la norma DIN IEC 751.

Normalmente, el bulbo de resistencia es
montado en una funda de acero inoxidable,
totalmente rellena con óxido de magnesio, de
tal manera que haga una conducción térmica
óptima y proteja al bulbo con relación a
golpes mecánicos. Un aislamiento eléctrico
entre el bulbo y la funda obedece a misma
norma ASTM E 1137.
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Para pequeñas variaciones de la
temperatura a ser medidas es válida la ecuación:
RT = Ro[1 + (T-To)]
Dónde:
• Ro es la resistencia a 0 C,
• RT es la resistencia a la temperatura T
•  es el coeficiente de temperatura del metal
• To es la temperatura inicial (0 °C)

• La lectura de la resistencia se lee directamente con un
medidor de resistencia, de preferencia digital.
• Los principales metales usados para las termo
resistencias son el Platino (Pt) el níquel (Ni); la familia
más conocida es la de Pt100; este número indica que el
RTD tiene 100  a 0 C. También los semiconductores
pueden ser usados como sensores de temperatura: y
pueden ser de dos tipos PTC (coeficiente de temperatura
positivo) y NTC (coeficiente de temperatura negativo la
característica es que su respuesta no es lineal y su rango
de medición es reducido.

INTRODUCCIÓN
 Ampliamente usados como sensores de temperatura.
 Son económicos.
 Intercambiables.
 Tienen conectores estándar
 Capaces de medir un amplio rango de temperaturas.
 Limitación en la exactitud (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
 Efecto Seebeck:
Un termopar es un circuito formado por dos metales
distintos que produce un voltaje que es función de la diferencia de
temperatura entre uno de los extremos denominado "punto
caliente" y el otro denominado "punto frío".
Termopar del tipo K

FUNCIONAMIENTO
Uniones de termopares con soldadura de estaño gracias
a la ley de los metales intermedios.
No es posible conectar un voltímetro al termopar para
medir este voltaje:
 La conexión a las guías del voltímetro hará una segunda
unión no deseada.
 Compensación de unión fría (CUF).

FUNCIONAMIENTO
 La temperatura de la unión fría:
 Generalmente detectada por un termistor de precisión;
comparación; temperatura verdadera en el extremo del
termopar.
 Ocasionalmente en la CUF se usa un sensor de
temperatura semiconductor.
 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
 Energía generada por un termopar es una función no
lineal de la temperatura.
 Aproximar por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden
dependiendo del tipo de termopar).
 Los métodos analógicos son usados en medidores de
bajo costo.

TIPO K
 Bajo costo y en una variedad de sondas.
 Calibración sin recubrimiento hasta 1100ºC.
 Con recubrimiento hasta 1260ºC.
 Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
 Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%
 F.E.M. producida: -6,458 mV/ºC a 48,838 mV/ºC
 Pueden tener falta de homogeneidad de tipo mecánico.
 Existen cambios químicos asociados que se presentan
durante su empleo (descalibración).

TIPO K
 Descomposición Verde: oxidación preferentemente del
cromo sobre el Níquel en el exterior del elemento positivo,
el cual se convierte entonces en negativo. Esto reduce la
sensibilidad.
 El ataque del azufre sobre el elemento negativo lo convierte
en quebradizo.
 Tanto el efecto de fragilidad del azufre, como la
descomposición verde se pueden reducir con el empleo de
tubos limpios protectores libre de grasa.
 En los termopares compactados, debido al cemento de
oxido mineral, los alambres funcionan en una atmósfera
neutra incluso aunque la vaina del par compactado se
exponga al hidrógeno o a otro tipo de atmósfera reductora.

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 (evitarse hidrógeno, monóxido de carbono u
otros gases fuertemente reductores).

TIPO E
 Ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito
criogénico gracias a su sensibilidad.
 Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%
 Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%
 F.E.M. producida: -9,835 mV/ºC a 76,373 mV/ºC (la mayor).
 Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o
medianamente oxidante o reductora.

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%
 Rango limitado. Son ideales para usar en viejos equipos
que no aceptan el uso de termopares más modernos.
 F.E.M. producida: -8,096 mV/ºC a 42,919 mV/ºC.
 Adecuado en atmósferas con escaso oxigeno libre. la
oxidación de el hilo de hierro aumenta rápidamente por
encima de 550ºC, siendo necesario un mayor diámetro del
hilo hasta una temperatura limite de 750ºC.

TIPO T
 Termoelemento positivo: Cu 100%
 Temperatura máxima limitada por la oxidación del cobre por
encima de 371ºC.
 Se debe evitar atmósferas en donde estén presentes
amoníaco, peróxido de hidrógeno, azufre fundido, sulfuro de
hidrógeno y anhídrido sulfuroso con un RH de 65% o
mayor.
 El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la
corrosión por humedad atmosférica o condenación y puede
utilizarse en atmósferas oxidantes o reductora.

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 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.

TIPO S
 Los pares de calibración S se utilizan para medidas de
temperatura industrial y como patrones primarios.
 Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%
 Termoelemento negativo: Pt100%
 Ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los
1.300 ºC, pero su baja sensibilidad 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).
 Excelente resistencia a la oxidación.

TIPO S
 Nunca deben insertarse directamente en tubos de
protección metálicos, pero sí en tubos con protección de
cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido
de pureza.
 Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de
protección de platino.
 Inestabilidad en la respuesta del sensor temperaturas
inferiores a 0ºC.
 Por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones
que los dejan quebradizos.
 Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno
atacarán al termopar.

TIPO R
 Gran aceptación en las aplicaciones industriales de alta
temperatura debido a su elevado poder termoeléctrico en
estas condiciones.
 Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%.
 Termoelemento negativo: Pt100%.
 Adecuados para la medición de temperaturas de hasta
1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado
precio quitan su atractivo.

TIPO B
 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 temperaturas mayores.
 Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%.
Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%.
 Adecuados para la medición de altas temperaturas
superiores a 1.800 ºC.
 F.E.M. producida: 0,000 mV/ºC a 13,820 mV/ºC.
 Presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC.

TIPO S,R Y B
 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.
 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
Alúmina recristalizada y vitrificada entre el 97 y 99% de
Alúmina Pura.
 Se recomienda utilizar aisladores de una sola pieza con
suficiente "espacio para respiración.

TIPOS DE TERMOPARES
 Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmosferas
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...

PROBLEMAS DE CONEXIÓN
 Son la causa de la mayoría de los errores de medición.
 Se debe usar el tipo correcto del cable de extensión.
 Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho
del material termopar correcto y su polaridad debe ser la
adecuada.
 Se utilizan normas como la I.S.A. y ANSI-MC 96.1-.1982
para clasificar el alambre del termopar.

RESISTENCIA
 Cables delgados:
 Para minimizar la desviación térmica y mejorar los
tiempos de respuesta.
 Alta resistencia.
 Sensible al ruido.
 Errores debido a la resistencia del instrumento de
medición.
 Se recomienda medir la resistencia del termopar antes
de utilizarlo.

DESCALIBRACIÓN
 Difusión de partículas atmosféricas en el metal a los
extremos de la temperatura de operación.
 Impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el
cable del termopar.

RUIDO
 La salida de un termopar es una pequeña señal.
 Se puede minimizar el ruido al retorcer los cables para
asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido.
 En ambiente extremadamente ruidoso es necesario
considerar usar un cable de extensión protegido.

OBSERVACIÓNES
 Las conexiones entre el cable de compensación, el termopar y el
instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de
compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación
debe evitar el paso próximo por fuentes de calor (aparece el efecto
Thompson).
 Si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones
térmicas de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento
en la calibración de el instrumento .
 El termopar es susceptible al ruido eléctrico industrial debido a que
durante su funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50 mV y se
encuentra en un entorno donde las grandes maquinas eléctricas pueden
crear cientos de milivoltios en el cable de conexión.
 El termopar trabajando como una antena puede recoger radiación
electromagnética de radio televisión y microondas . de aquí que se
requiera que los cables de conexión estén torcidos y dentro de una
funda metálica que se pone a tierra , que la unión de medida este
puesta a tierra y que el amplificador tenga una buena relación
señal/ruido.

USO DE TERMO POZOS
 En lo referente a los termo pozos de protección depende de
el proceso industrial es el tipo de vaina que se va a usar por
ejemplo en el proceso de fabricación de el cemento en la
salida de los altos hornos se usa una vaina de iconel o
hierro o también pirómetros de radiación.
 Proceso de fabricación de la cerámica en los hornos se
utilizan protecciones cerámicos o pirómetros de radiación.
 Proceso de exaltación y vítreo se usan termo pozos de
iconel o hierro.
 Fabricación de alimentos y procesos petroquímicos el acero
inoxidable como vaina.
 En procesos de fabricación que excedan los 1000ºc a veces
se usa carburo de silicio.

AISLAMIENTO
 Mostacillas
 Configuración más simple.
 Termoelementos acomodados en aisladores de cerámica
que usualmente son denominados mostacillas.
 Producidas con oxido de magnesio (Mg2O) 66,7% con
alta conductividad térmica y alta resistencia de
aislamiento.

AISLAMIENTO
 Termopar con aislamiento mineral
 Desarrollado para aplicaciones en el sector nuclear.
 Extendido a los demás sectores del proceso productivo.
 Necesidad de un termopar con un tiempo de respuesta
menor que el que se obtenía con el termopar
convencional.
 Termopar convencional montado con un tubo de
protección donde todo el conjunto es trefilado. En este
proceso los termoelementos quedan aislados entre sí
mediante un polvillo compacto de Mg2O y protegidos por
una vaina metálica (originalmente el tubo de protección).

PROS Y CONTRAS
 PROS
 Bajo costo.
 No hay piezas móviles, menos probabilidad de
romperse.
 Amplia gama de temperaturas.
 Tiempo de reacción razonablemente corto.
 Capacidad de repetición y exactitud razonables.
 CONTRA
 La sensibilidad es baja, generalmente 50 µV/°C o
menos.
 Generalmente la exactitud no es mejor que 0,5 °C.
 Requiere una temperatura de referencia, generalmente
la del hielo (0°C).

PIRÓMETRO ÓPTICO Y DE RADIACIÓN
 Rangos de medición de temperaturas superiores al de
cualquier otro instrumento.
 No requieren conexión física con el medio
 En el pirómetro óptico se compara el brillo de un
filamento de una lámpara calibrada con el del objeto
caliente.
 En el pirómetro de radiación se mide la energía neta
irradiada por el objeto
 Poseen respuesta rápida y su exactitud es excelente.

PIRÓMETRO ÓPTICO Y DE RADIACIÓN
 Pueden utilizarse para:
 Medir temperaturas que están por encima de las que
pueden medir las termocuplas o termo resistencias.
 Medir temperaturas donde la atmósfera o las
condiciones impidan el uso de otro método.
 Medir temperaturas de objetos que se mueven.
 Medir temperaturas de objetos que no son accesibles.
 Medir temperaturas de objetos que serías dañados si se
les conecta un elemento primario.
 Medir temperaturas promedio de superficies muy
grandes.

DIAGRAMA DE UN PIRÓMETRO DE RADIACIÓN
VISIBLE

PIRÓMETROS DE RADIACIÓN
 Todos los objetos a temperatura por encima del cero
absoluto emiten radiación electromagnética en función de
la temperatura.
 La cantidad de radiación electromagnética depende de la
temperatura del cuerpo. A mayor temperatura, más intensa
es la radiación

PIRÓMETROS DE RADIACIÓN
OPERACIÓN
 El sistema óptico del termómetro de radiación recolecta
parte de la radiación proveniente de una muestra de la
superficie y la dirige al detector. El cual la convierte en una
señal eléctrica.
 El circuito electrónico convierte la señal eléctrica a una
correspondiente a la temperatura de la superficie.

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