Un poco de conocimiento sobre Omega

En lo que respecta a las aplicaciones de procesamiento industrial, la medición de la temperatura suele ser de suma importancia, y ello se debe a múltiples razones. Sirve, por ejemplo, como parámetro de control fundamental, ya que influye en la calidad y la consistencia de los productos fabricados, la eficiencia de los procesos y, lo que es más importante, la seguridad. Si se supervisa con precisión, garantiza que los materiales se procesen dentro de los rangos de temperaturas especificados, lo que evita defectos y garantiza la integridad del producto.

La temperatura se puede medir mediante una amplia gama de sensores, y todos ellos deducen la temperatura detectando algún cambio en una característica física. Los seis tipos con los que un ingeniero tiene más probabilidades de entrar en contacto son:

• Termopares
• Dispositivos de temperatura por resistencia
• Radiadores infrarrojos
• Dispositivos bimetálicos
• Dispositivos de expansión de líquidos
• Dispositivos de cambio de estado

The Workhorses

In the chemical process industries, the most commonly used temperature sensors are thermocouples, resistive devices, and infrared devices. There is widespread misunderstanding as to how these devices work and how they should be used.

Sondas de termopar

Consideremos primero el termopar, probablemente el más utilizado y menos comprendido de los tres. Básicamente, un termopar consiste en dos aleaciones unidas por un extremo y abiertas por el otro. La fuerza electromotriz en el extremo de salida (el extremo abierto; V1 en la imagen 1a) es una función de la temperatura T1 en el extremo cerrado. A medida que la temperatura aumenta, la fuerza electromotriz también lo hace.

A menudo, el termopar se encuentra dentro de una protección metálica o cerámica que lo protege de diversos entornos. Los termopares con revestimiento metálico también están disponibles con muchos tipos de recubrimientos externos, como el politetrafluoroetileno, para un uso sin problemas en soluciones corrosivas.

La fuerza electromotriz abierta es una función no solo de la temperatura cerrada (es decir, la temperatura en el punto de medición), sino también de la temperatura en el extremo abierto (T2 en la figura 1a). Solo manteniendo T2 a temperatura estándar se puede considerar que la fuerza electromotriz medida es una función directa de la carga en T1. El estándar industrialmente aceptado para T2 es 0 °C; por lo tanto, la mayoría de las tablas y gráficos asumen que T2 se encuentra en ese nivel. En la instrumentación industrial, la diferencia entre la temperatura real en T2 y 0 °C suele corregirse electrónicamente, dentro de la instrumentación. Este ajuste de la fuerza electromotriz se denomina corrección de unión fría o CJ.

Los cambios de temperatura en los cables entre los extremos de entrada y salida no afectan al voltaje de salida, siempre que los cables sean de aleación de termopar o un equivalente termoeléctrico (Figura 1a). Por ejemplo, si un termopar mide la temperatura en un horno y el instrumento que muestra la lectura se encuentra a cierta distancia, los cables entre ambos podrían pasar cerca de otro horno y no verse afectados por su temperatura, a menos que se caliente lo suficiente como para fundir el cable o cambiar permanentemente su comportamiento electrotérmico.

La composición de la unión en sí misma no afecta en modo alguno al funcionamiento del termopar, siempre que la temperatura T1 se mantenga constante en toda la unión y que el material de la unión sea eléctricamente conductivo (figura 1b). Del mismo modo, la lectura no se ve afectada por la inserción de aleaciones no termopares en uno o ambos cables, siempre que la temperatura en los extremos del material «espurio» sea la misma (Figura 1c).

Esta capacidad del termopar para funcionar con un metal espurio en la ruta de transmisión habilita el uso de una serie de dispositivos especializados, como los conmutadores de termopar. Mientras que los cables de transmisión en sí mismos son normalmente el equivalente termoeléctrico de la aleación del termopar, los conmutadores de termopar que funcionan correctamente deben estar fabricados con elementos de aleación de cobre chapados en oro o plata con resortes de acero adecuados para garantizar un buen contacto. Siempre que las temperaturas en las uniones de entrada y salida del conmutador sean iguales, este cambio en la composición no supone ninguna diferencia.

Es importante tener en cuenta lo que podría denominarse la ley de los termopares sucesivos. De los dos elementos que se muestran en la parte superior de la figura 1d, un termopar tiene T1 en el extremo caliente y T2 en el extremo abierto. El segundo termopar tiene su extremo caliente en T2 y su extremo abierto en T3. El nivel de fem del termopar que mide T1 es V1; el del otro termopar es V2. La suma de las dos fuerzas electromotrices, V1 más V2, es igual a la fuerza electromotriz V3 que generaría el termopar combinado que funciona entre T1 y T3. En virtud de esta ley, un termopar designado para una temperatura de referencia de extremo abierto se puede utilizar con una temperatura de extremo abierto diferente.

RTD

Un RTD típico consiste en un fino alambre de platino enrollado alrededor de un mandril y recubierto con una capa protectora. Por lo general, el mandril y el recubrimiento son de vidrio o cerámica. El promedio de la pendiente de la gráfica de resistencia frente a temperatura para el RTD se denomina a menudo valor alfa (Figura 2), donde alfa representa el coeficiente de temperatura. La pendiente de la curva para un sensor determinado depende en cierta medida de la pureza del platino que contiene.

La pendiente estándar más utilizada, correspondiente al platino de una pureza y composición determinadas. Tiene un valor de 0,00385 (suponiendo que la resistencia se mide en ohmios y la temperatura en grados Celsius). Una curva de resistencia frente a temperatura trazada con esta pendiente es lo que se denomina curva europea, ya que los RTD de esta composición se utilizaron por primera vez de forma generalizada en ese continente. Para complicar aún más el panorama, existe otra pendiente estándar, correspondiente a una composición de platino ligeramente diferente. Con un valor alfa ligeramente superior, de 0,00392, sigue lo que se conoce como curva americana.

Si no se especifica el valor alfa de un RTD determinado, suele ser 0,00385. Sin embargo, es prudente asegurarse de ello, especialmente si las temperaturas que se van a medir son altas. Este punto se destaca en la figura 2, que muestra las curvas europea y americana para el RTD más utilizado, es decir, el que presenta una resistencia de 100 ohmios a 0 °C.

Termistores

La relación entre la resistencia y la temperatura de un termistor es negativa y muy no lineal. Esto supone un grave problema para los ingenieros que deben diseñar sus propios circuitos. Sin embargo, la dificultad puede aliviarse utilizando termistores en pares emparejados, de manera que las no linealidades se compensen entre sí. Además, los proveedores ofrecen medidores de panel y controladores que realizan la compensación interna de la falta de linealidad de los termistores.

Los termistores suelen tener una designación de acuerdo con su resistencia a 25 °C. La más común de estas clasificaciones es 2252 ohmios; entre las otras se encuentran 5000 y 10 000 ohmios. Si no se especifica lo contrario, la mayoría de los instrumentos aceptarán el Termistor 2252.

Sensores infrarrojos

Estos miden la cantidad de radiación emitida por una superficie. La energía electromagnética se irradia desde toda la materia, independientemente de su temperatura. En muchas situaciones de proceso, la energía se encuentra en la región infrarroja. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la cantidad de radiación infrarroja y su frecuencia media.

Los diferentes materiales irradian con diferentes niveles de eficiencia. Esta eficiencia se cuantifica como emisividad, un número decimal o porcentaje que oscila entre 0 y 1 o entre 0 % y 100 %. La mayoría de los materiales orgánicos, incluida la piel, son muy eficientes y suelen presentar emisividades de 0,95. Por otro lado, la mayoría de los metales pulidos tienden a ser radiadores ineficientes a temperatura ambiente, con una emisividad o eficiencia que a menudo es del 20 % o menos.

Para funcionar correctamente, un dispositivo de medición por infrarrojos debe tener en cuenta la emisividad de la superficie que se está midiendo. A menudo, esto se puede consultar en una tabla de referencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las tablas no pueden tener en cuenta condiciones localizadas como la oxidación y la rugosidad de la superficie. Una forma práctica de medir la temperatura con infrarrojos cuando se desconoce el nivel de emisividad es «forzar» la emisividad a un nivel conocido, cubriendo la superficie con cinta adhesiva (emisividad del 95 %) o con una pintura altamente emisiva.

Es posible que parte de la entrada del sensor consista en energía que no es emitida por el equipo o material cuya superficie se está midiendo, sino que es reflejada por esa superficie desde otros equipos o materiales. La emisividad se refiere a la energía que irradia una superficie, mientras que la «reflexión» se refiere a la energía reflejada desde otra fuente. La emisividad de un material opaco es un indicador inverso de su reflectividad: las sustancias que son buenas emisoras no reflejan mucha energía incidente y, por lo tanto, no suponen un gran problema para el sensor a la hora de determinar las temperaturas superficiales. Por el contrario, cuando se realiza una medición de una superficie objetivo con solo, por ejemplo, un 20 % de emisividad, gran parte de la energía que llega desde algo como un horno cercano a otra temperatura. En resumen, hay que tener cuidado con los objetivos reflejados calientes y espurios.

Un dispositivo infrarrojo es como una cámara y, por lo tanto, cubre un determinado campo de visión. Por ejemplo, puede ser capaz de «ver» un cono visual de 1 grado o un cono de 100 grados. Al medir una superficie, asegúrese de que esta ocupe completamente el campo de visión. Si la superficie objetivo no ocupa inicialmente el campo de visión, acérquese o utilice un instrumento con un campo de visión más estrecho. O simplemente tenga en cuenta la temperatura del fondo al leer el instrumento.

Guías de selección

Los RTD son más estables que los termopares. Por otro lado, como clase, su rango de temperatura no es tan amplio: los RTD funcionan entre -250 y 850 °C (-418 y 1562 °F), mientras que los termopares funcionan entre -270 y 2300 °C (-457 y 4172 °F). Los termistores tienen un rango más restrictivo, ya que se utilizan comúnmente entre -40 y 150 °C (-40 y 302 °F), pero ofrecen una alta precisión en ese rango.

Los termistores y los RTD comparten una limitación muy importante: son dispositivos resistivos y, por lo tanto, funcionan haciendo pasar una corriente a través de un sensor. Aunque por lo general solo se emplea una corriente muy pequeña, esta genera una cierta cantidad de calor y, por lo tanto, puede alterar la lectura de la temperatura. Este autocalentamiento en los sensores resistivos puede ser significativo cuando se trata de un fluido en reposo, ya que hay menos disipación del calor generado. Este problema no se plantea con los termopares, que son esencialmente dispositivos de corriente cero.

Los sensores infrarrojos, aunque son relativamente caros, son adecuados cuando las temperaturas son extremadamente altas. Están disponibles para temperaturas de hasta 3000 °C (5400 °F), lo que supera con creces el rango de los termopares u otros dispositivos de contacto.

El enfoque infrarrojo también es atractivo cuando no se desea entrar en contacto con la superficie cuya temperatura se va a medir. De este modo, se pueden monitorizar superficies frágiles o húmedas, como las superficies pintadas que salen de un horno de secado. Las sustancias químicamente reactivas o con ruido eléctrico son candidatas ideales para la medición por infrarrojos. Este método también es ventajoso para medir la temperatura de superficies muy grandes, como paredes, que requerirían una gran cantidad de termopares o RTD para su medición.

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