MEDICIÓN DE TEMPERATURA

La medida de la temperatura es una de las más comunes y de las más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos están afectados por ella. La temperatura se utiliza, frecuentemente, para inferir el valor de otras variables del proceso, permite definir los conceptos de energía, masa, presión, vibración, desgaste, fricción, etc., y define el comportamiento de muchas reacciones químicas típicas de la naturaleza, o realizadas dentro de un laboratorio para mostrar una característica propia del proceso.

Desde el punto de vista industrial, la temperatura tiene que ver con los alimentos, su producción, almacenamiento y vida útil, con la agricultura, la generación de energía, la metalurgia y todos los materiales existentes hasta ahora, la medicina, la farmacéutica, la informática, el medio ambiente, en general con todos los campos de la ciencia. 

Existen diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y que son utilizados para medirla:

a)      Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases).

b)      Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia).

c)      Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).

d)      La f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares).

e)      Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).

f)       Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.).

De este modo, se emplean los siguientes instrumentos:

§  Termómetros de vidrio,

§  Termómetros bimetálicos,

§  Elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor,

§  Termómetros de resistencia,

§  Termopares,

§  Pirómetros de radiación,

§  Termómetros ultrasónicos y termómetros de cristal de cuarzo.

PRINCIPIOS OPERATIVOS Y USO INDUSTRIAL

TERMÓMETRO DE VIDRIO

El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que con_ ene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse, se expande y sube en el tubo capilar.

Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

Mercurio	-35 °C hasta +280 °C
Mercurio (tubo capilar lleno de gas)	-35 °C hasta +450 °C
Pentano	-200 °C hasta +20 °C
Alcohol	-110 °C hasta +50 °C
Tolueno	-70 °C hasta +100 °C

TERMÓMETRO BIMETÁLICO

Los termómetros bimetálicos se fundamentan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35,5% de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices

Un termómetro bimetálico _ pico con_ ene pocas parte móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes, y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento.

El uso de termómetros bimetálicos es admisible para servicio continuo de 0 °C a 400 °C. Para indicación local se usan, preferiblemente, los termómetros bimetálicos de esfera orientable. De este modo, el operario puede leer la temperatura a distancia desde niveles distintos, al de la instalación. La exactitud del instrumento es de ± 1% y su campo de medida es de -200 °C a +500 °C.

TERMÓMETROS DE BULBO Y CAPILAR

Los termómetros tipo bulbo y capilar consisten, esencialmente, en un bulbo conectado 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.

Hay cuatro clases de este tipo de termómetros:

v  Clase I. Termómetros actuados por líquido

v  Clase II. Termómetros actuados por vapor

v  Clase III. Termómetros actuados por gas

v Clase IV. Termómetros actuados por mercurio

LOS TERMÓMETROS ACTUADOS POR LÍQUIDO (CLASE I)

Tienen el sistema de medición lleno de líquido y, como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. Con capilares cortos de hasta 5 m, y para evitar errores debidos a variaciones de la temperatura ambiente, sólo hay que compensar el elemento de medición (figura 6.4a). En capilares más largos, hay que compensar también el volumen del tubo capilar (figura 6.4b). La presión dentro del bulbo y el tubo capilar debe ser mayor que la presión de vapor del líquido para evitar la formación de burbujas de vapor. Se u_ liza como liquido un hidrocarburo inerte, el xileno (C8H10) y otros líquidos. El campo de medición de temperaturas varía entre -75 °C y 300 °C, dependiendo del tipo de líquido que se emplee.

LOS TERMÓMETROS ACTUADOS POR VAPOR (CLASE II)

Se basan en el principio de presión de vapor. Contienen un líquido volátil cuya interface se encuentra en el bulbo. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala, donde hay mayor sensibilidad. La presión en el sistema solamente depende de la temperatura en el bulbo, por lo que no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente.

Dependiendo de la temperatura, los líquidos que se utilizan son cloruro de metilo, anhídrido sulfuroso, butano, propano, hexano, éter metílico, cloruro de etilo, éter etílico, alcohol etílico y cloro benceno.

La velocidad de respuesta es de 1 a 10 segundos. El campo de medición de temperaturas varía entre -40 °C y 300 °C, dependiendo del tipo de líquido que se emplee.

LOS TERMÓMETROS ACTUADOS POR GAS (CLASE III)

Están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta prácticamente de forma proporcional y, por lo tanto, estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende, principalmente, de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición.

La constante de tiempo de los termómetros de gas es de 1 a 4 segundos. Se utiliza como gas el nitrógeno, que es inerte y barato. A bajas temperaturas se emplea el helio. El campo de medición de temperaturas varía entre -80 °C y 600 °C.

LOS TERMÓMETROS ACTUADOS POR MERCURIO (CLASE IV)

Son similares a los termómetros actuados por líquido (clase l) y se caracterizan por su rápida respuesta, exactitud y potencia de actuación. La presión interna del mercurio varía de 28 bar a bajas temperaturas hasta 80 bar a altas temperaturas, lo que elimina los errores de diferencia de altura entre el bulbo y el tubo Bourdon. El campo de medición de temperaturas varía entre -40 °C y 650 °C. Pueden tener compensación en la caja y compensación total.

TERMÓMETROS DE RESISTENCIA

La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de la variación de resistencia en función de la temperatura, que es propia del elemento de detección.

El elemento consiste, usualmente, en un arrollamiento de hilo muy _ no del conductor adecuado bobinado entre capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o de cerámica.

El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado "coeficiente de temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada, la variación de la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura.

La relación entre estos factores puede verse en la siguiente expresión lineal:

En la que:

R0 = resistencia en ohmios a 0 °C

Rt = resistencia en ohmios a t °C

&= coeficiente de temperatura de la resistencia cuyo valor entre 0 °C y 100 °C es de

0,003850 Ώ / (Ώ/ °C) en la Escala Práctica de Temperaturas Internacional (IPTS-68)

TERMISTORES

Los termistores son semiconductores electrónicos con un coeficiente de temperatura de resistencia negativo de valor elevado, por lo que presentan unas variaciones rápidas, y extremadamente grandes, para los cambios, relativamente pequeños, en la temperatura. Los termistores se fabrican con óxidos de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre, magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos.

Los termistores también se denominan NTC (coeficiente de temperatura negativo) existiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura (PTC - (coeficiente de temperatura positivo).

La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura viene dada por la expresión.

En la que:

Rt = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt

R0 = resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T0

β= constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas

SENSORES DE TEMPERATURA DE SEMICONDUCTOR

El sensor de temperatura de semiconductor dispone de funciones de transferencia que son proporcionales a la temperatura en °K, °C o °F. En la mayor parte de las aplicaciones, la señal de salida alimenta un comparador o un convertidor A/D para convertir los datos de temperatura a un formato digital.

Otras aplicaciones de interés en el mundo industrial:

v  Sensor de temperatura de dos hilos. Se caracteriza porque los dos hilos se encargan de la alimentación y de la señal de temperatura. La señal de salida es una tensión de c.c. con una impedancia de 100 kΏ o mayor, mientras que la alimentación es de c.a.

v  Transmisor de corriente de 4-20 mA c.c.

v  Convertidores multicanal de temperatura a señal digital.

v  Convertidores de temperatura a frecuencia.

Estos sensores tienen la ventaja de ser pequeños, exactos y baratos, de modo que se prevé que aumenten, en el futuro, sus aplicaciones en la industria.

DIAGRAMA DE INSTALACIÓN DE UN PROCESO INDUSTRIAL

DIAGRAMA DE FLUJO DE PRODUCCIÓN DE LA LECHE EN POLVO

F-217 Tanque de Almacenamiento

L-216 bomba impulsora de Leche

H-214 Separador de crema

E-212 Pasteurizador con vapor de agua

V-210 Evaporador de presión reducida

V-211 Secador 9pray con circulación de aire caliente

H-213 Ciclón

F-215 Empaquetadora de leche en polvo

       Medidor de temperatura

CLASIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS O INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN.

Termómetro

El termómetro es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente desde que se empezaron a fabricar los termómetros electrónicos digitales.

Los termómetros iniciales que se fabricaron se basaban en el principio de la dilatación, por lo que se prefiere el uso de materiales con un coeficiente de dilatación alto de modo que, al aumentar la temperatura, la dilatación del material sea fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio encerrado en un tubo de cristal que incorporaba una escala graduada.

Tipos de termómetros

v  Termómetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado que contiene un líquido, generalmente mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se visualiza en una escala graduada que por lo general está dada en grados Celsius. El termómetro de mercurio fue inventado por Fahrenheit en el año 1714.

v  Termómetro de lámina bimetálica: Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo.

v  Termómetro de gas: Pueden ser a presión constante o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros.

v  Termómetro de resistencia: consiste en un alambre de algún metal (como el platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando cambia la temperatura.

v  Termistor: Se detecta la temperatura con base a un termistor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Un ejemplo son los termómetros que hacen uso de integrados como el LM35 (el cual contiene un termistor). Las pequeñas variaciones de tensión entregadas por el integrado son acopladas para su posterior procesamiento por algún conversor analógico-digital para convertir el valor de la tensión a un número binario. Posteriormente se despliega la temperatura en un visualizador.

Termopar

Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.

Tipos de termopares

v  Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200º C a +1.372º C y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.

v  Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C.

v  Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760º C ya que una abrupta transformación magnética causa una des calibración permanente. Tienen un rango de -40º C a +750º C y una sensibilidad de ~52 µV/° C. Es afectado por la corrosión.

v  Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es 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.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300º C).

Pirómetro

Un pirómetro, también llamado pirómetro óptico, es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados Celsius. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados Celsius hasta +4000 grados Celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

Tipos de pirómetro

v  Pirómetros ópticos de desaparición de filamento: El sistema óptico del pirómetro restringe el ancho de onda de 0,65 a 0,66 micras (zona roja del espectro) y dispone de filtros para reducir la intensidad de la radiación recibida, permitiendo la medida de un amplio margen de temperaturas. Sin embargo, sólo puede medirse la temperatura  de objetos incandescentes o en fusión.

v  Pirómetro de infrarrojos: El pirómetro de infrarrojos capta la radiación espectral del infrarrojo, invisible al ojo humano, y puede medir temperaturas menores de 700 °C, supliendo al pirómetro óptico que sólo puede trabajar, eficazmente, a temperaturas superiores a 700 °C, donde la radiación visible emitida es significativa. Las temperaturas medidas abarcan desde valores inferiores a 0 °C hasta 4.000 °C.

v  Pirómetro fotoeléctrico: Los detectores fotoeléctricos o cuánticos (quantum) consisten en materiales semiconductores cristalinos, tales como el indio antimonio (InSb), el silicio (Si), el sulfuro de plomo (PbS) y el sulfuro de cadmio (CdS), que responden a los fotones de radiación del cuerpo que se enfoca liberando cargas eléctricas a través de mecanismos de fotoelectricidad, fotoconducción o fotovoltaico. Responden a diferentes partes del espectro, de modo que muestran una gran selectividad en las ondas en que operan y su detectividad espectral es 1 millón de veces mayor que la de los detectores térmicos. Estos Semiconductores poseen una excelente relación señal ruido, de modo que operando en longitudes de onda corta, y bandas estrechas, permiten medidas precisas de bajas temperaturas.

v  Pirómetro de dos colores: El pirómetro de relación, o de dos colores, se basa en que la relación entre las radiaciones emitidas, en dos bandas estrechas del espectro, es función de la temperatura y de la relación entre emisividades del cuerpo correspondientes a las dos bandas. El instrumento dispone de un selector de relación de emisividades y, de este modo, si la relación seleccionada es la correcta, el aparato puede indicar la temperatura real del objeto con una gran exactitud. Su empleo es excelente en los llamados cuerpos grises, es decir, aquellos cuyo coeficiente de emisión es constante para todas las longitudes de onda.

v  Pirómetro de radiación total: El pirómetro de radiación total capta una banda amplia de radiación y está formado por una lente de pírex, sílice o fluoruro de calcio que concentra la radiación del objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación está enfocada, incidiendo directamente en las uniones calientes de los termopares. Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeñas variaciones de la 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 proporcionando la máxima f.e.m.