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Technical Documents - Documentos Técnicos: Medición de temperatura

Medición de temperatura

El crédito de la invención del termómetro se atribuye a Galileo en el año 1592. Mejoras al diseño del termómetro de Galileo fueron introducidas por otros investigadores utilizando diversas escalas termométricas, todas ellas basadas en dos o más puntos fijos. No fue sino hasta el año 1700, cuando Gabriel Fahrenheit produjo termómetros repetitivos y exactos. Fahrenheit utilizó una mezcla de agua y sal. Esta fue la temperatura más baja que pudo reproducir, y la llamó “cero grados”.

Para la temperatura más alta de su escala, utilizó la temperatura del cuerpo humano y la llamó 96 grados. Esta escala de Fahrenheit ganó popularidad principalmente por la calidad y repetibilidad de los termómetros construidos por él. Cerca de 1742 Anders Celsius propuso que el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua fuesen utilizados como puntos iniciales y finales de la escala de temperatura, de esta manera el cero grado fue seleccionado como punto de fusión del hielo y 100 grados como punto de ebullición del agua. Esta escala denominada Celsius, se le dio oficialmente el nombre en el año 1948. Otras escalas de temperatura llamadas Kelvin y Rankine, introducen el concepto del cero absoluto y se utilizan como estándares en la termometría.

Temas relacionados : Medición y control industrial. Cómo seleccionar sensores de temperatura

Tipos de instrumentos para medir temperaturas

Existen diferentes sensores que se utilizan en la industria de procesos para medir la temperatura, entre los que se pueden mencionar:

  • Termómetro de bulbo (líquido, gas y vapor).
  • Termómetros bimetálicos.
  • Termopares.
  • Termómetros de resistencia.
  • Termistores.
  • Pirómetros de radiación.

La selección y especificación apropiada de un instrumento de temperatura, depende mucho del conocimiento de los diferentes tipos de sensores disponibles, de sus limitaciones y de consideraciones prácticas.

A continuación se describen los principales tipos de sensores utilizados en la industria petrolera para la medición de temperatura. En esta descripción se incluyen aspectos tales como: principio de funcionamiento, características y aplicaciones.

a. Termómetros de bulbo

Los Termómetros de Bulbo de uso industrial están diseñados para proveer una indicación o registro de la temperatura a distancia del punto de medición. El sistema generalmente está formado por un elemento sensitivo a la temperatura (Bulbo); un elemento sensitivo a los cambios de presión o volumen (Bourdon, Fuelle, Diafragma); un medio para conectar estos elementos (tubo capilar); y un mecanismo para indicar, registrar o transmitir la señal relacionada con la temperatura. La figura 1 muestra un termómetro de bulbo con un sistema para indicación local. Dependiendo del fluido que está dentro del bulbo, estos termómetros se clasifican de la siguiente manera:

  • Sistema Clase I (bulbo lleno de líquido, excluyendo mercurio).
  • Sistema Clase II (bulbo lleno de vapor).
  • Sistema Clase III (bulbo lleno de gas).
  • Sistema Clase V (bulbo lleno de mercurio).

Observación: Actualmente no está permitido el uso de Sistema Clase V en la industria petrolera por ser el mercurio altamente contaminante.

Figura 1. Elementos de un termómetro de bulbo

Los sistemas clase I y V operan bajo el principio de expansión volumétrica del líquido con la temperatura y dan una respuesta aproximadamente lineal frente a los cambios de temperatura.

Entre los líquidos utilizados se encuentran mercurio, éter, xileno y alcohol. El rango de medición oscila entre -75 °C y 650 °C y depende del líquido utilizado. La figura 2 muestra un termómetro de bulbo clase I con un sistema de compensación, la cual se requiere cuando la longitud del capilar excede los 6 u ocho metros.

Figura 2. Termómetro clase I con sistema de compensación

Los sistemas de Clase II (bulbo lleno de vapor) operan bajo el principio del cambio en la presión de vapor de un líquido volátil con la temperatura; dando una relación no lineal entre la presión de vapor y la temperatura. El rango de medición oscila entre -254 °C y 315 °C y depende del fluido utilizado. Estos sistemas a su vez se clasifican en sistemas Clase IIA, IIB, IIC, IID dependiendo de la temperatura a la cual operan. Los sistemas Clase IIA están diseñados para operar con la temperatura medida mayor que la del resto del sistema térmico. Debido a que el vapor condensa en la parte más fría, el capilar y el tubo Bourdon deben ser llenados con el líquido, figura 3 (a).

Figura 3. (a) Sistema Clase IIA, utilizado para medir temperatura mayor que la temperatura ambiente, (b) Sistema Clase IIB, utilizado para medir temperatura menor que la temperatura ambiente .

De esta forma el nivel de interfase permanece en el bulbo. Los sistemas Clase IIB están diseñados para operar con la temperatura medida menor que la del resto del sistema térmico. El vapor en este caso tiende a condensar en el bulbo; por lo tanto el capilar y el Bourdon no deben tener líquido. El Bulbo debe estar lleno hasta la mitad a temperatura ambiente, figura 3 (b).

Los sistemas Clase IIC están diseñados para operar a una temperatura mayor o menor que la del resto del sistema térmico. Es una combinación de los sistemas IIA y IIB. La figura 4 (a) muestra un termómetro de este tipo. Los Sistemas Clase IID están diseñados para operar a una temperatura mayor, menor o igual a la del resto del sistema térmico. El líquido volátil es confinado en el bulbo por un líquido transmisor no volátil el cual llena el capilar y el Bourdon, figura 4 (b).

Figura 4. (a) Sistema Clase IIC, (b) Sistema Clase IID

Los sistemas Clase III (bulbo lleno de gas), operan bajo el principio del cambio en la presión del gas con la temperatura. Tienen una relación no lineal ya que puede aplicarse la Ley de los Gases Ideales para relacionar la temperatura con la presión. El rango de medición depende del gas utilizado y va desde 270 °C hasta 760 °C. En la figura 5 se muestran los diferentes componentes de un termómetro de gas.

Figura 5. Termómetro de gas Clase III

Tabla 1 Características principales de los termómetros de bulbo

b. Termómetros bimetálicos

Todos los metales se dilatan cuando son calentados y la cantidad de dilatación depende de la temperatura y del coeficiente de dilatación de cada metal. Si dos láminas de metal con coeficientes de dilatación diferentes se funden la una a la otra, ocurre una distorsión al ser calentados ya que uno de los metales tratará de dilatarse más que el otro. Este es el principio de operación de los termómetros bimetálicos.

Para uso industrial como indicador de temperatura, la cinta bimetálica generalmente se dobla en forma helicoidal, un extremo del cual es fijo, de modo que al calentarse se produce un movimiento de rotación, el cual se utiliza para mover una aguja de indicación sobre una escala. La figura 6 muestra los componentes de un termómetro bimetálico. Tanto la longitud del vástago como el diámetro de la caja mostrados en la figura 6 pueden ser seleccionados de acuerdo a las necesidades de la aplicación. Según la Norma SAMA las longitudes de los vástagos van desde 2½” hasta 60”. Los rangos óptimos de medición van desde aproximadamente -50 °C hasta +425 °C.

Figura 6. Elementos de un termómetro bimetálico

c. Termopares

El termopar es uno de los sensores más comunes y simples usados para determinar la temperatura de los procesos. Básicamente, un termopar está constituido por dos metales diferentes tales como alambres de hierro y Constantan.

En 1821 T. J. Seebeck descubrió que cuando se aplica calor a la unión de dos metales diferentes, se genera una fuerza electromotriz (Fem.), la cual puede ser medida en el otro extremo de estos dos metales (conductores). Este es el principio en el cual se basa la medición de temperatura utilizando termopares, figura 7.

La “Junta de Medición” o “junta Caliente” es el extremo que se coloca en el medio cuya temperatura se quiere medir. La “junta de Referencia” o “junta Fría” es el extremo del termopar que se conecta a los terminales del instrumento de medición.

Los conductores de un termopar forman un circuito eléctrico, por el cual fluye la corriente como resultado de la Fem. generada. Esta Fem. es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos juntas. La corriente fluirá en el circuito siempre y cuando T1 sea distinto de T2.

Figura 7. Esquema de un termopar

c.1 Leyes termoeléctricas

A continuación se describen varios fenómenos que se conocen como leyes de termopares, las cuales son útiles para comprender los circuitos de los termopares:

  • Ley de Metales Intermedios: la incorporación de un metal homogéneo al circuito de un termopar no cambia la Fem. desarrollada.
  • Ley de Temperaturas Interiores: cuando las juntas de dos metales homogéneos diferentes, se mantienen a diferentes temperaturas, no es afectada por los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores.
  • Ley de Metales Interiores: en un circuito formado por dos metales homogéneos diferentes, que tienen las dos juntas a diferentes temperaturas, la Fem. desarrollada no es afectada cuando un tercer metal homogéneo se agrega al circuito, siempre y cuando las temperaturas de sus dos juntas sea la misma.

Figura 8. (a) Ley de los metales intermedios, (b) Ley de temperaturas interiores y (c) Ley de metales interiores

c.2 Conversión de voltaje a temperatura

La figura 9 muestra la relación entre el voltaje de salida versus temperatura para los termopares más comunes. Se puede observar que no se mantiene una relación lineal entre la temperatura y el voltaje. La conversión de este voltaje a temperatura se explica a continuación.

El voltaje generado por un termopar no puede medirse directamente, ya que primero debe conectarse un voltímetro al termopar, y los cables del voltímetro crean ellos mismos un nuevo circuito termoeléctrico (termopar). Considere un voltímetro conectado a un termopar cobre- Constantan (Tipo T), como se muestra en la figura 10. Lo que se quiere es que el voltímetro indique solamente el voltaje V1, que es el voltaje de salida de la Junta J1; pero al conectar el voltímetro al termopar, se formaron dos juntas metálicas adicionales J2 y J3.

Debido a que J3 es una junta cobre-cobre, no se crea una Fem. en esta junta (\/3 = 0); pero J2 es una junta cobre-Constantan, la cual desarrolla una Fem. (V2) en oposición a V1. La lectura resultante en el voltímetro será la diferencia de temperaturas entre J1 y J2. Por lo tanto, la temperatura de J1 no puede conseguirse a menos que primero conozcamos la temperatura de J2.

Un medio para determinar la temperatura de J es el de colocar la junta J2 en un baño de hielo como se muestra en la figura 10.11, haciendo que su temperatura sea 0°C y estableciendo J como la “Junta de Referencia”. Ahora, la lectura del voltímetro será:

Sumando el voltaje de la junta de referencia se ha referido la lectura V a 0°C. El punto de hielo o punto de referencia a 0 °C es utilizado por el National Bureau of Standards (NBS) como el punto de referencia fundamental para sus tablas de termopares. De este modo, se pueden utilizar las tablas NBS y convertir directamente el voltaje V a la temperatura Tj1.

Casi en la totalidad de los casos la medición del voltaje generado por un termopar, se realiza a una temperatura Tref diferente a la de la temperatura de referencia de 0 °C. En este caso, al voltaje leído en el voltímetro habrá que sumarle el voltaje que generaría un termopar similar desde la Tref hasta la temperatura de referencia de 0 °C. De este modo se “traslada” la junta de referencia desde Tref hasta Tref = 0 °C, pudiéndose entonces utilizar las tablas NBS de termopares, las cuales como se dijo anteriormente están basadas en Tref = 0 °C

Figura 9. Relación de voltaje contra temperatura para los termopares mas comunes

No siempre es posible mantener la junta de referencia a la temperatura deseada; pero si la temperatura de la junta de referencia se mide o se conoce, entonces es posible aplicar correcciones a la Fem. obtenida. Para asegurar una lectura precisa, muchas termopares son instaladas con instrumentos que proveen compensación automática de la junta de referencia. En muchos instrumentos, esto se realiza haciendo pasar corriente a través de una resistencia sensible a la temperatura, la cual mide las variaciones en la temperatura de referencia y automáticamente provee la Fem. necesaria para la compensación.

Figura 10. Utilización de un voltímetro para medir la Fem. en un termopar

Figura  11. Junta de referencia externa

c.3 Tipos de termopares

La tabla 2 muestra los tipos de termopares comúnmente más utilizados en la industria de procesos. El rango indicado en la tabla se refiere al rango recomendable. Es decir, el rango sobre el cual existe una relación aproximadamente lineal entre la temperatura y la Fem. generada. Los materiales constituyentes de cada tipo de termopar también se indican en la tabla 2. Los cables de los termopares han sido codificados con colores para evitar errores en las conexiones. La tabla 2 muestra la codificación de colores para cables de termopares recomendados por la Instrument Society of América (ISA) (ANSI C96-1 -1964). El cable negativo siempre es de color rojo. Otra forma de clasificar los termopares es según el tipo de junta. La junta de un termopar, figura 12 puede ser:

  • Expuesta (a)
  • Sin aterrar (b)
  • Aterrada (c)

Figura 12. Tipos de juntas de un termopar

Tabla 2. Tipos de termopares

  • Junta Expuesta: un termopar con junta expuesta es aquel en la cual la junta de medición está expuesta al medio cuya temperatura se quiere medir. Este tipo de junta es recomendable para medir temperaturas de gases no corrosivos, donde se requiere una respuesta rápida. La junta se extiende fuera de la protección metálica para dar una respuesta rápida. La protección metálica se sella en el punto donde se extiende la junta, para evitar la penetración de humedad o gas que puedan producir error.
  • Junta sin aterrar: un termopar con junta sin aterrar es aquel en la cual la junta de medición está aislada eléctricamente de la protección metálica. Esto es recomendable cuando se mide temperatura en áreas donde existe ruido eléctrico. El protector metálico debe estar aterrado eléctricamente.
  • Junta Aterrada: la junta aterrada combina las ventajas de un tiempo de respuesta excelente con la protección que le brinda un protector sellado. Este tipo de junta se recomienda para medición de temperaturas de gases y líquidos y para aplicaciones de alta presión. La junta de un termopar aterrada está soldada al protector metálico, permitiendo una respuesta más rápida que en el caso de la junta sin aterrar.

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