Servicio Nacional de Adiestramiento en Trabajo Industrial.

Tema : Medida de Temperatura

Curso : Tecnología

Nombre : Javier Suarez Soto

Especialidad : Electrónico Industrial

Semestre/Ciclo : “V”

Tutor: Ángel dueñas

Correo Electrónico : 627409@senati.com

Arequipa-Puno

1. Medidas de temperatura

Las medidas de temperatura son una de las mediciones

mas comunes y mas importantes que se ejecutan en los

procesos industriales.Las limitaciones del sistema de

medida quedan definidas en cada tipo de aplicación

por la precision y la velocidad de captacion de la

temperatura.

2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS INSTRUMENTOSEMPLEADOS

2.1 Termómetro bimetálico:Este termómetro funciona bajo el principio de que lassustancias tienden a dilatarse con la temperatura, así una variación de temperatura T2-T1, produce una variación en la longitud. Este termómetro aprovecha la diferencia producida en su largo entre los 2

metales componentes de este, los cuales producen un momento torsor que a su vez es proporcional al cambiode temperatura, indicándola en un marcador.

El marcador esta medido en la unidad de Celsius, tiene una división de escala de cada 2 grados Celsius, así se puede decir que este instrumento tiene un error aproximado de más menos 0,5º C. En lo que respecta a su velocidad de respuesta para entregar el valor a medir, este termómetro es el más lento (en comparación con el termómetro de mercurio yel termocupla),Los termómetros bimetálicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o invar. Este contiene pocas partes móviles, solo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o de la hélice y el propio elemento bimetálico.

2.2 Termómetro de mercurio:Instrumento empleado para medir la temperatura. El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.

Este funciona bajo las características de dilatación del mercurio debido a la acción del calor. El mercurio está contenido en una ampolla que se encuentra en la parte inferior del termómetro, así siel mercurio se dilata, este asciende por un tubo de

vidrio, que esta graduado en grados Celsius. El rangoútil de este tipo de termómetro es entre los -10º a 260º Celsius. El error instrumental que presenta es de más menos 1º Celsius.

2.3 Termocupla:Este termómetro funciona según la teoría que dice quecuando 2 metales distintos se juntan, nace un voltajeque depende de la temperatura de la unión de los metales empleados.Como se hace con los instrumentos medidores de voltaje, el voltaje medido será casi proporcional a las diferencias de las temperaturas de ambas uniones.

Como todo instrumento este termómetro presenta un cierto error, que por catálogo indicaba que era de más menos 1,1º C entre los 0º y 260º C. También teníasu cierto rango de medición que dependía de 2 tipos, uno era el tipo K que era entre los -200 y los 1370º C (el cual fue utilizado en esta oportunidad) y el tipo J que iba entre los -200 y los 760º C.

2.4 TERMOMETRO DE VIDRIO:

El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene mercurio y al calentarse se expande y sube en el cubo capilar y los márgenes de los fluidos empleados son:

2.5 TERMOMETRO DE BULBO Y CAPILAR:

Los termómetros de tipo bulbo consisten en un bulboconectado por un capilar a una espiral .Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.

3.LOS PIROMETROS

La palabra pirómetro se deriva de la palabra griega Pyros, que significa “Fuego” y Metronque significa “Medida”. La teoría de los pirómetros se basa en el hecho de que todos los cuerpos arriba del cero absoluto de temperatura irradian energía, de lo cual parten para medir la temperatura de los cuerpos.La radiación es un modo de propagación de la energía a través del vacío, de forma análoga a la luz. Cuandohablamos de la radiación de los cuerpos nos referimosa la emisión continua de energía desde la superficie de dichos cuerpos, esta energía es radiante y es transportada por las ondas electromagnéticas que viajan en el vacío a una velocidad de 3x108 m/s. La radiación electromagnética se extiende a través un ancho rango de frecuencias, como se ilustra en la siguiente figura:

3.1 Tipos de Pirómetros

Existen 3 tipos de pirómetros: los de radiación, los infrarrojos y los ópticos. El primero acepta un muestreo controlado de la radiación total y mediante determinación del efecto calorífico del muestreo obtenido, un sensor térmico como una termopila (grupode termopares conectados en serie) determina le medición de temperatura. El pirómetro óptico usa el

ojo humano como el medio de detección estimando el cambio en el ancho de banda de radiación visual con temperatura. Finalmente el infrarrojo maneja un principio similar que al de radiación total, solo quelas mediciones se restringen al segmento infrarrojo. Ninguno de los 3 necesita contacto directo con el objeto a analizar ni una distancia particular. En este trabajo solo se hablará sobre los 2 primeros tipos, por radiación y ópticos.

3.2 Pirómetros ÓpticosLos pirómetros ópticos se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con elque brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1 300º C. Este tipo de pirómetros utilizan un método de comparación como base de operación. En general, una temperatura de referencia es proporcionada en forma de un filamento de lámpara eléctricamente calentada, y la medición detemperatura es obtenida comparando de manera óptica la radiación visual del filamento contra la de la

fuente de calor a medir. En principio, la radiación de una de las fuentes, como la ve el observador, es ajustada hasta coincidir con la radiación de la otra fuente. Existen dos métodos: 1) La corriente a travésdel filamento es controlada eléctricamente mediante un ajuste de resistencia, o 2) la radiación aceptada por el pirómetro de la fuente desconocida es ajustadaópticamente mediante algún aparato absorbente como unfiltro polarizante. En ambos casos el ajuste es requerido para la lectura de la temperatura.La siguiente figura ilustra de forma esquemática la estructura de un pirómetro de intensidad variable.

En uso, el pirómetro es puesto en dirección de la fuente u objeto a analizar a una distancia adecuada para que la lente del pirómetro enfoque la fuente en el plano del filamento. La ventanilla de enfoque es

ajustada de tal forma que el filamento y la fuente aparezcan uno puesto sobre otro. En general, el filamento aparecerá más caliente que la fuente o más frío que ella como se muestra en la figura 4. Ajustando la corriente en la batería, el filamento debe de hacerse desparecer como se ejemplifica en la figura 4c. La corriente medida en el indicador conectado a la lámpara y a la batería es usado para asignar la temperatura de la fuente.Un filtro rojo es generalmente usado para obtener aproximadamente condiciones monocromáticas, y el filtro de absorción es utilizado para que el filamento opere a una intensidad reducida y así prolongar su vida.

3.3 Pirómetros de radiaciónLos pirómetros de radiación se emplean para medir temperaturas mayores de 550°C hasta un poco más de 1600°C captando toda o gran parte de la radiación emitida pro el cuerpo a analizar. Este tipo de pirómetros se fundamenta en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negroaumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir, W = KT4, donde

W (potencia emitida)= Flujo radiante por unidad de área.K =Constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es 5.6710-8 W / m2 K4).T =Temperatura en KelvinLa figura 5 muestra, de forma simplificada, la forma de operación de un pirómetro de radiación. La parte esencial del dispositivo consiste en una especie de lente de pirex sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en un termopila formada por varios termopares de pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación está enfocada incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa los hace muy sensibles a pequeñas variaciones de energía radiante y además muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a la radiación está ennegrecida para comportarse como un cuerpo negro, aumentando así sus propiedades de absorción de energía y propiciando la fuerza electromotriz máxima.

La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente (radiación procedente del objeto enfocado) y la uniónfría. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura del ambiente.La compensación de esta se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro y colocada en su interior de modo que su temperatura es siempre igual a la del cuerpo de éste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la resistencia de la

bobina de níquel, lo que compensa la pérdida de f.e.m. de la termopila que acompaña el calentamiento del cuerpo del instrumento. Esta compensación se utiliza en temperaturas ambientes mínimas a 120°C, a mayor temperatura se emplean dispositivos de refrigeración.El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo. El espejo cóncavo es a veces preferido como medidor para enfocar por dos razones: La imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para unasola longitud de onda. Las lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.

4. VELOCIDAD DE RESPUESTA DE INSRTRUMENTOS DE TEMPERATURA:

La constante de tiempo de un instrumento es el tiemponecesario para que alcance el 63,2 % de la variación total de temperatura que experimenta. Es decir, si un

instrumento cuya sonda o elemento primario pasa de unrecinto de 70º C a otro de 270º C puede alcanzar el 63,2 % de la diferencia 270 – 70 = 200º C en 0,1 segundos; este tiempo será la constante de tiempo de la medida con el instrumento.

La constante de tiempo de un sistema de bulbo y capilar dependerá de la longitud y del diámetro interno del tubo capilar y del volumen del elemento receptor. Los termómetro de bulbo y capilar rellenos de mercurio y de líquido tienen una respuesta muy rápida por la incomprensibilidad del fluido que los llena; en cambio los termómetro de gas y de vapor tienen un retardo más acusado a causa de la comprensibilidad del flujo interno.

Los elementos primarios eléctricos, sondas de resistencia, termistores, termopares y pirómetros de radiación se caracterizan porque el tiempo de respuesta depende únicamente del intercambio térmico entre el fluido y el elemento, ya que la corriente eléctrica circula por los cables de conexión a la velocidad de la luz, directamente al receptor.

En la sonda de resistencia, la masa a calentar está formada por una bobina de hilo arrollada en un núcleoy embebida en una cápsula rígida.

Los termistores son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta varía de fracciones de segundo a minutos, de acuerdo con su capacidad térmica dada por el tamaño y la forma del elemento sensible.

En el termopar, dos hilos soldados en un extremo constituyen la masa a calentar, la que depende de la galga o diámetro de los hilos y de la forma de la soldadura, hilo torcido a tope.

El pirómetro de radiación responde rápidamente a los cambios en la temperatura por dos razones principales: la captación de energía radiante es prácticamente instantánea y la masa de la termopilia es muy pequeña.

Los elementos de temperatura están normalmente inmersos en vainas termométricas o en tubos de protección para tener así una protección mecánica o bien estar aislados del fluido cuya temperatura miden. La vaina se emplea para altas temperaturas y presiones y el espesor de sus paredes es mayor que elde los tubos de protección, por lo cual, lógicamente,su velocidad de respuesta será menor que el de éstos.Por otro lado, las vainas o tubos deben tener un diámetro interior en el cual ajusten perfectamente los elementos; de este modo se consigue que la transmisión térmica se realice casi exclusivamente por conducción a través de las paredes sin que existaun volumen apreciable de aire que dé lugar a una transmisión intermedia por convección. Hay que señalar que cuando las temperaturas de trabajo son relativamente bajas puede introducirse en el extremo interior de la vaina o del tubo una grasa especial dealta conducción calorífica o bien aceite, que colaboran eficazmente en la obtención de una respuesta muy rápida del sistema.