Termopares infrarrojos IRt/c: una nueva y revolucionaria tecnología de detección de temperatura
La línea de productos IRt/c representa un avance espectacular en la tecnología de detección de temperatura. Los sensores IRt/c no necesitan alimentación, son económicos y pueden medir la temperatura superficial de los materiales sin necesidad de tocarlos. Se pueden instalar directamente en controladores de termopares convencionales, PLC, transmisores y otros dispositivos de lectura de salida.
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¿Cómo miden la temperatura?
Todos los IRt/c tienen un sistema de detección de infrarrojos patentado que recibe la energía térmica irradiada por los objetos a los que apunta el sensor y la convierte de forma pasiva en un potencial eléctrico. Se produce una señal de milivoltios, que se escala según las características deseadas del termopar.
Dado que todos los IRt/c son dispositivos con alimentación propia y dependen únicamente de la radiación infrarroja entrante para producir la señal a través de efectos termoeléctricos, la señal seguirá las reglas de la física térmica de la radiación y estará sujeta a la sin linealidad inherente al proceso.
Sin embargo, en un rango de temperaturas, la salida del IRt/c es lo suficientemente lineal como para producir una señal que puede intercambiarse directamente por una señal t/c convencional. Por ejemplo, especificar una coincidencia del 2 % con la linealidad t/c da como resultado un rango de temperatura en el que el IRt/c producirá una señal dentro del 2 % del t/c convencional que opera en ese rango. Si se especifica un 5 %, se producirá un rango algo más amplio, etc.
Cada modelo IRt/c está diseñado específicamente para un rendimiento óptimo en la región de mejor ajuste lineal con los t/c convencionales, pero se puede utilizar fuera de esos rangos simplemente realizando la calibración del dispositivo de lectura de salida de forma adecuada. La señal de salida es suave y continua en todo su rango de temperatura nominal y mantiene una repetibilidad del 1 % en todo su rango.
La Guía de selección de temperatura es un resumen del rendimiento del rango lineal de cada modelo IRt/c. El usuario selecciona el modelo y tipo de IRt/c y el rango de temperatura objetivo para la aplicación. Los ajustes normales de compensación en el dispositivo de lectura del termopar se utilizan para calibrar la instalación en cuanto a la emisividad y los efectos de fondo.
¿Qué fiabilidad tienen estos nuevos dispositivos?
En el control de la temperatura, es de interés fundamental la capacidad del dispositivo de medición para mantener su calibración en condiciones de servicio y durante un largo periodo de tiempo. El IRt/c tiene una repetibilidad nominal del 1 % (de la lectura) y no presenta cambios de calibración medibles a largo plazo, lo que lo hace muy adecuado para un control fiable de la temperatura. Estas características son inherentes al diseño y la construcción básicos de cada IRt/c.
La repetibilidad se define como la capacidad de un dispositivo de medición para reproducir su calibración en condiciones idénticas. El IRt/c es un sistema sólido, herméticamente sellado y totalmente encapsulado que no sufre cambios mecánicos ni metalúrgicos durante su funcionamiento. No hay componentes electrónicos activos ni fuente de alimentación para producir la señal, solo los efectos termoeléctricos que producen una señal de termopar. La clasificación del 1 % es un valor conservador basado en la dificultad práctica de demostrar tolerancias más estrictas en condiciones de prueba, más que en una limitación real del dispositivo.
La precisión a largo plazo se ve influida por los mismos factores que influyen en la repetibilidad: cambios mecánicos y cambios metalúrgicos. Es bien sabido que los termopares pueden cambiar su calibración con el tiempo debido a estos efectos. Los cambios mecánicos se producen porque los termopares convencionales se fabrican, por lo general, lo más pequeños y ligeros posible para mejorar el tiempo de respuesta, lo que los hace vulnerables a deformaciones que pueden alterar sus propiedades termoeléctricas. Y lo que es más importante, el termopar convencional debe funcionar a temperaturas elevadas, ya que solo mide su propia temperatura.
Los cambios metalúrgicos que afectan a las propiedades termoeléctricas dependen en gran medida de la temperatura, siendo insignificantes a temperatura ambiente y muy preocupantes a altas temperaturas.
El IRt/c resuelve ambos problemas gracias a su diseño y funcionamiento básico. Su sólida construcción totalmente encapsulada en una carcasa de acero inoxidable mecánicamente rígida y su funcionamiento a condiciones cercanas a la temperatura ambiente eliminan esencialmente los problemas clásicos de deriva de los termopares convencionales. Cada IRt/c se somete a un doble recocido a temperaturas superiores a 100 °C para garantizar su estabilidad a largo plazo, y se prueba 5 veces antes de su embalaje. Salvo un porcentaje muy pequeño de fallos, el IRt/c tiene una precisión de calibración a largo plazo prácticamente ilimitada.
Quick Installation Guide
Todos los sistemas de detección basados en infrarrojos deben calibrarse para las propiedades específicas de la superficie del material (por ejemplo, la cantidad de calor irradiado por la superficie objetivo, los reflejos de calor de los parámetros ambientales, etc.). Esta calibración se realiza midiendo la temperatura de la superficie objetivo con una sonda de temperatura superficial independiente y fiable. El método más fácil y rápido para calibrar con precisión estos efectos es utilizar un termómetro infrarrojo portátil OMEGA OS91 con un sistema patentado de compensación automática de la Emisividad para obtener una lectura real independientemente de la Emisividad.
Se recomienda el siguiente procedimiento:
- Instale el IRt/c lo más cerca posible del material objetivo que se va a medir.
- Conecte el IRt/c al controlador, al transmisor PLC, etc., de la forma estándar (incluido el apantallamiento). Al igual que en los t/c convencionales, el cable rojo es siempre (–).
- Lleve el proceso a la temperatura de funcionamiento normal y mida la temperatura real del material objetivo con el termómetro infrarrojo de la serie OS90.
- Ajuste la «compensación de entrada», el «cero» y la «calibración baja» en el dispositivo de lectura para que coincidan con la lectura del OS91.
Installation complete.
Configuración del IRt/c con controladores de temperatura con sintonización automática
En muchas aplicaciones, se emplean elementos calefactores para calentar un producto en un horno, un horno industrial o con chorros de aire caliente. Los dispositivos de control convencionales que utilizan termopares de contacto miden y controlan la temperatura del aire del horno, la temperatura del elemento calefactor IR o la temperatura del chorro de aire con el fin de mantener la temperatura del producto y, por lo tanto, su calidad; a menudo con resultados poco satisfactorios.
Sustituir el termopar de contacto (por ejemplo, para medir la temperatura del horno) por un IRt/c sin contacto que realice la medición directa de la temperatura del producto garantizará que se mantenga la temperatura del producto. Es necesario reajustar algunos parámetros del controlador debido a las diferencias en los tiempos de respuesta del sensor (un IRt/c es mucho más rápido) y al tiempo necesario para calentar el producto en comparación con el sensor original (más lento). Después de instalar el IRt/c y realizar la calibración de la lectura del controlador con un escáner infrarrojo OS91 (véase la Guía de instalación rápida a continuación), inicie el ciclo de autoajuste del controlador y compruebe que el control es estable y preciso. Si no se autoajusta correctamente, ajuste manualmente los coeficientes de control para lograr un control estable. Dado que es probable que la temperatura del producto cambie más lentamente que con el sensor original, comience aumentando lentamente el «D» de los coeficientes PID.
El IRt/c se puede utilizar con un cable de extensión de termopar de hasta 300 m (1000 pies).
Con un cable de extensión de termopar de par trenzado blindado, se puede montar un IRt/c a una distancia de hasta 300 metros (1000 pies) del dispositivo de lectura de salida, incluso en un medio ambiente con mucho ruido eléctrico. Se realizó una prueba de demostración con una bobina de 300 m (1000 pies) de cable de extensión de par trenzado blindado, con 30 m (100 pies) desenrollados, conectado un IRt/c a un (respuesta de 100 ms) a un Ordenador. Como generador de ruido, se instaló un transformador de 60 Hz y 10 000 voltios y un generador de chispas para que produjera chispas a menos de 15 cm (6 pulgadas) del cable.
Los resultados de la prueba mostraron un ruido inferior a 0,1 °C en cualquier posición relativa del cable, la chispa y el transformador. Las extraordinarias características de supresión de ruido diseñadas en el IRt/c permiten ubicarlo a distancias muy largas, sin necesidad de un transmisor. La carcasa del IRt/c está aislada eléctricamente de los cables de señal y está conectada a la toma de tierra blindada del cable alargador. Para largas distancias, se debe utilizar un cable alargador blindado trenzado y la toma de tierra debe estar conectada a una buena toma de tierra eléctrica.
Los IRt/c son intrínsecamente seguros cuando se utilizan con barreras.
«Los aparatos de campo que tengan características de almacenamiento o generación de energía de < 1,2 V, 0,1 A, 25 mW o 25 microJ se considerarán aparatos simples (sin almacenamiento de energía). Estos dispositivos de uso general pueden utilizarse en lugares peligrosos (clasificados) sin necesidad de aprobación adicional cuando se conectan a un circuito certificado como intrínsecamente seguro ». – Cita de R. Stahl, Inc. Manual completo del producto sobre barreras de seguridad intrínseca y relés repetidores. Ejemplos de aparatos intrínsecamente seguros sin almacenamiento de energía son:
- Termopares
- RTD
- LED
- Contactos de conmutador seco
- Conmutadores de proximidad inductivos NAMUR
- Dispositivos y resistencias de galgas extensométricas no inductivas
El IRt/c entra en la categoría de termopares, ya que genera su señal convirtiendo la energía térmica radiada en una señal eléctrica mediante el efecto Seebeck, la fuerza motriz básica de los termopares. Al igual que todos los termopares, no requiere fuente de alimentación de CC estable y genera señales que se miden en milivoltios de voltaje, microamperios de corriente y nanovatios de potencia. Los IRt/c tienen una pequeña capacitancia, pero con un microfaradio, el almacenamiento de energía se mide en nanojulios y es mil veces inferior al criterio de 25 microjulios.
Por consiguiente, el IRt/c cumple los requisitos para ser considerado un aparato simple para su uso en lugares peligrosos y, con la barrera adecuada, cumple los requisitos para ser considerado intrínsecamente seguro.
Los IRt/c son intrínsecamente seguros cuando se utilizan con barreras
Notas de aplicación de IRt/c
IRt/c supervisa la temperatura de los neumáticos para mejorar el rendimiento en carrera.
La temperatura de los neumáticos es un factor crítico en las carreras automovilísticas por dos razones: la temperatura de los neumáticos afecta directamente a su adherencia y a sus características de desgaste; y los patrones de temperatura de los neumáticos proporcionan información valiosa sobre la configuración y el rendimiento de la suspensión. Por ejemplo, una carga excesiva en un neumático causada por una suspensión desajustada hará que ese neumático se caliente considerablemente más que los demás.
El IRt/c es un dispositivo de medición ideal para laadquisición de datos a bordo, debido a su pequeño tamaño, robustez y bajo coste. Se puede conectar a sistemas de lectura de termopares estándar. La instalación debe incluir la conexión del blindaje a una toma de tierra adecuada para evitar interferencias del entorno eléctricamente hostil de un automóvil de carreras. La instalación mecánica debe prestar atención a los patrones de flujo de aire para minimizar la acumulación de suciedad en la lente. Se recomiendan los modelos OS36-2 u OS36-5 debido a su campo de visión más estrecho, lo que permite colocarlos más lejos.
IRt/c Medición de la humedad relativa.
Los IRt/c se pueden utilizar para medir la humedad relativa real en muchas situaciones donde hay una fuente conveniente de agua y aire en movimiento, y la miden de forma precisa y fiable.
Un IRt/c apuntado a una superficie porosa húmeda con aire ambiente soplando a través de la superficie húmeda, puede medir realmente lo que se denomina temperatura de «bulbo húmedo» para esa zona ambiental. (Más precisamente, la temperatura de bulbo húmedo es la temperatura de equilibrio de la interfaz aire-agua cuando se evapora una película de agua. Cuando el aire se mueve sobre una superficie húmeda, el agua se enfría por evaporación hasta alcanzar la temperatura del bulbo húmedo, y entonces el enfriamiento se detiene, independientemente de la cantidad de aire que se mueva sobre la superficie. La temperatura a la que se detiene el enfriamiento es la temperatura del bulbo húmedo).
El IRt/c mide directamente la temperatura de la interfaz aire-agua en una superficie. La calidad del agua o del material absorbente no afecta a la lectura, ya que el IRt/c puede ver directamente la interfaz aire-agua, y la temperatura de equilibrio del bulbo húmedo no se ve afectada de forma significativa por las impurezas.
El método de mayor precisión consiste en emplear un IRt/c conectado de forma diferencial con un termopar convencional para medir la cantidad «depresión del bulbo húmedo». La disposición del par diferencial garantiza una alta precisión, ya que la HR es una función fuerte de la depresión del bulbo húmedo y una función débil de la temperatura del bulbo seco. Se pueden utilizar tablas psicrométricas estándar, gráficos y algoritmos de software con los datos para obtener la humedad relativa precisa para sus mediciones de parámetros ambientales.
Control de la temperatura de los rodillos de la banda
Los termopares infrarrojos IRt/c se han convertido rápidamente en los sensores preferidos para supervisar y controlar tanto la temperatura de la banda como la de los rodillos. Consejos para medir con precisión la temperatura de los rodillos:
- Rodillos metálicos sin recubrimiento o cromados – Los rodillos metálicos brillantes y sin recubrimiento dificultan que cualquier sensor infrarrojo detecte correctamente la temperatura real (el sensor detectará demasiados reflejos ambientales). La solución al problema es muy sencilla: pintar una pequeña franja negra en un extremo no utilizado del rodillo. Apunte el sensor IRt/c hacia la franja de pintura negra. De este modo, medirá la temperatura de forma precisa y fiable, independientemente de los cambios en las condiciones de la superficie del resto del rodillo.
Si hay muy poco espacio en el borde del rodillo, acerque el sensor y pinte una franja negra muy pequeña. El tamaño mínimo del punto del IRt/c es de 8 mm (pulgadas) y el del OS36-2 es de 4 mm (pulgadas) cuando el sensor se acerca a la superficie. - Rodillos metálicos mates: los rodillos metálicos mates pueden proporcionar una señal fiable. Sin embargo, es mejor realizar una prueba para comprobar la fiabilidad de la superficie, ya que las propiedades emisivas de la superficie pueden variar debido a la suciedad, la humedad, la limpieza, etc. En caso de duda, lo mejor es pintar una raya para eliminar estas variaciones.
- Rodillos con superficie no metálica – Estos proporcionarán una señal IR fiable en cualquier punto al que se dirija el IRt/c. No es requerido pintar ninguna franja.
Control de los procesos de termoformado y moldeado al vacío
Para el moldeado de plásticos, una excelente combinación de método de calentamiento y control es el calor radiante con un IRt/c para el control. Funcionan extraordinariamente bien juntos, ya que tanto el calentamiento como la medición se producen justo en la superficie, donde se encuentra el plástico. La lectura del IRt/c no se ve afectada por los reflejos del calentador, ya que la respuesta espectral de la lente IRt/c de 6-14 micras filtra las longitudes de onda más cortas de la energía del calentador radiante.
El IRt/c puede montarse entre calentadores cerámicos, o en la cubierta o reflector del calentador radiante, de modo que pueda ver entre los elementos. Seleccione el modelo IRt/c estándar, OS36-2 u OS36-5, dependiendo del Campo de visión necesario para ver más allá de los elementos hasta la superficie pintada. Se debe tener cuidado al montar el IRt/c de manera que su temperatura se mantenga por debajo de 93 °C (200 °F) y mantener la lente limpia. El OS36-2 es el modelo preferido para esta aplicación debido a su pequeño tamaño físico con purga de aire incorporada. Puede utilizarse en temperaturas de hasta 121 °C (250 °F) cuando se utiliza el sistema de purga de aire. Su campo de visión más estrecho permite una mayor libertad de posicionamiento y, por lo tanto, una mayor flexibilidad en la instalación. Para campos de visión aún más estrechos, utilice el OS36-5 con su campo de visualización de 5:1.
Los IRt/c controlan el precalentamiento de las placas de circuito impreso durante la soldadura por ola
Una excelente solución al problema del control adecuado del calentador para el precalentamiento de placas de circuito impreso es un IRt/c. Funcionan extraordinariamente bien juntos, ya que tanto el calentamiento como la medición se producen justo en la superficie, donde debe fluir la soldadura. La lectura del IRt/c no se ve afectada por los reflejos del calentador, ya que la respuesta espectral de la lente IRt/c de 6-14 micras filtra cualquier longitud de onda más corta de la energía del calentador radiante.
Para esta aplicación, el IRt/c puede montarse de forma idéntica al moldeo al vacío/termoformado (arriba).
Control del calentador por inducción
El proceso de calentamiento por inducción se puede controlar fácilmente mediante la temperatura de la pieza, medida por un termopar infrarrojo sin contacto IRt/c. Hay varios aspectos que se deben tener en cuenta en una instalación.
- El efecto del campo en el IRt/c: dado que la señal de medición está aislada eléctricamente de la carcasa, el IRt/c funcionará incluso en un campo muy fuerte. El cable de blindaje debe conectarse a una toma de tierra de señal adecuada. Si se produce un calentamiento excesivo debido al campo, considere la posibilidad de utilizar el kit de camisa de refrigeración opcional, con la misma fuente de agua que se utiliza para refrigerar la bobina.
- El campo de visión: el método preferido es ver la pieza entre las vueltas de la bobina o desde el extremo. Seleccione el modelo IRt/c que mejor se adapte a los requisitos.
- Temperatura de la pieza: los modelos OS36-2 y OS36-5 pueden utilizarse para alcanzar temperaturas de 1100 °C (2000 °F) y tienen rangos lineales de hasta 260 °C (500 °F). .
Monitorización de la temperatura del asfalto
Las propiedades del asfalto son especialmente sensibles a la temperatura, y es importante que el asfalto se aplique a la temperatura correcta para que cumpla con sus especificaciones. Por consiguiente, la monitorización de la temperatura es un requisito habitual, pero los termopares que se utilizan normalmente tienen graves problemas de rotura debido a la elevada abrasividad del material, y deben sustituirse constantemente, lo que supone un alto coste y una interrupción de la producción.
El IRt/c resuelve este problema directamente, ya que la temperatura se supervisa sin contacto. Se puede utilizar el controlador de termopares normal; simplemente hay que calibrar la desviación si es necesario. Se recomiendan los modelos OS36-2 y OS36-5 debido a su purga de aire incorporada, que mantendrá la lente limpia al evitar que los vapores se condensen en ella. El OS36-2 se puede montar en la tolva para ver el asfalto a través de un pequeño orificio, mientras que el OS36-5 se puede montar a cierta distancia debido a su estrecho campo de visión de 5:1.
Reproducido con permiso de Exergen Corp.
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