instrumentacion

1. INSTRUMENTACION Y CONTROL
Medición de Temperatura
Ing. Mauricio Hernández Sarabia

2. Temperatura
• La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes
y más importantes que se efectúan en los procesos industriales por lo que
es esencial una comprensión clara de los distintos métodos de medida con
sus ventajas y desventajas , logrando así una selección óptima del sistema
más adecuado para cada tipo de aplicación .
• Algunos de los factores que definen esta selección son:
– El rango
– Exactitud y precisión
– Velocidad de respuesta
– Distancia entre el elemento de medida y el receptor
– Ambiente
– Costos y mantenimiento

3. Temperatura
• Los instrumentos comúnmente utilizados en la industria son
los siguientes:
– Termómetros de vidrio
– Termómetros bimetálicos
– Sistemas térmicos de llenado
– Termocuplas (termopares)
– Termoresistencias
– Termistores
– Pirómetros de radiación

4. Temperatura
• Los rangos medidos por los sensores estándar que ofrecen los
diferentes fabricantes están aproximadamente en:
Tipo Rango
Termómetro de vidrio - 200 a 650 ºC
Termómetros Bimetálicos -200 a 500 ºC
Sistemas de llenado -195 a 760 ºC
Termocuplas -200 a 1700 ºC
Termoresistencias -250 a 650 ºC
Termistores -195 a 450 ºC
Pirómetros de radiación -50 a 3000 ºC

5. Escalas de Temperatura
°C= (°F - 32)/1.8
°C=K - 273.15
K=(°F-32)*5/9+273.15
K=°C + 273.15
°F=(°C * 1.8) + 32
°F=(K-273.15)*9/5+32

6. Termómetros de vidrio
• El termómetro de vidrio consta de un deposito y un capilar de vidrio que
contiene generalmente Mercurio o Alcohol coloreado.
• Su principio de funcionamiento es el de expansión y contracción de
líquidos por el aumento o disminución de la temperatura.
• Se fabrican en vidrio Pyrex envejecido con longitudes desde 4” hasta 18”
y diámetros de 3/16 “ a ¼”
• Normalmente la superficie libre del liquido de medición se llena con
Nitrógeno a presión para elevar la temperatura de ebullición del liquido.

7. Termómetros de vidrio
• La característica principal de estos termómetros es su alta
precisión a bajo costo por lo que son elementos utilizados
normalmente como patrón en la calibración de instrumentos de
temperatura.
• Los termómetros de calibración se tienen de dos tipos:
– Inmersión completa: deben quedar totalmente sumergidos hasta donde
llegue el nivel libre y se lee con un pequeño telescopio
– Inmersión parcial: se sumergen hasta 3” , se deben utilizar intermitentemente
por que pierden precisión con el uso continuo.
• Los termómetros de vidrio se proveen con las siguientes
características:
– Protección de sobrerango
– Retención de lectura
• Para usos industriales, debido a su fragilidad se proveen con una
carcaza metálica que permite ver la columna de liquido.

8. Termómetros bimetálicos
• La siguiente es la formula utilizada para calcular la deflexión de
un bimetálico recto:
Donde:
D: Deflexión del extremo libre
K: Constante de la deflexión
T2: Temperatura final
T1: Temperatura inicial
L: Longitud libre del bimetal
T: espesor del bimetal

9. Termómetros bimetálicos
• Operan en el principio de
expansión o contracción de los
metales sujetos a cambios de
temperatura.
• Para su construcción se utilizan
dos metales de distintos
coeficientes de dilatación
térmica, tales como latón, acero
o monel y una aleación de ferro -
níquel.
• Se laminan conjuntamente
formando una pieza sólida que
puede ser recta, curva o como en
la mayoría de los casos , en
forma de espiral o helicoidal

10. Sistemas de Llenado (Bulbo y
Capilar)
• Un sistema térmico de llenado mide
temperatura por el cambio de volumen
o el cambio de presión de un liquido que
acompaña a un cambio de temperatura
• El sistema básico de llenado consiste en:
– Sensor
– Elemento de movimiento (Bourdon, fuelle,
diafragma)
– Tubo capilar
– Fluido de llenado

11. Sistemas de Llenado
• El sensor se coloca donde la
temperatura va a ser medida y el capilar
lo conecta al elemento receptor que se
mueve por un cambio de volumen o
presión del fluido convirtiéndose este
movimiento en una señal neumática o
eléctrica utilizada para controlar un
proceso.
Tipo Actuado por
Clase 1 Liquido
Clase 2 Vapor
Clase 3 Gas
Clase 4 Mercurio

12. TERMORESISTENCIAS
• La variación de la resistencia
eléctrica de los metales es
frecuentemente utilizada para la
medición de temperaturas.
• RTD: Detector de temperatura por
resistencia.
• RTDP: Detector de temperatura
por resistencia de Platino.
• La resistencia eléctrica aumenta
con el incremento de la
temperatura.

13. TERMORESISTENCIAS
• Para poder utilizar este efecto en la medición de temperatura,
además la resistencia eléctrica debe variar de manera
reproducible en función de la temperatura, por lo que las
características del metal no deben modificarse durante el
tiempo de empleo de ese metal como sensor, para no
introducir errores en la medición

14. TERMORESISTENCIAS
• Un RTD se fabrica para tener un valor Ro nominal a una
temperatura dada (p. e 100 ohms a 0ºC).
• Al medir su resistencia a una temperatura desconocida y al
compararla con Ro (valor al que debo ajustar el resistor de
referencia), puede conocerse el dR.
• Como la característica R=f(T) también es conocida, el cambio
de temperatura dT desde el punto inicial será conocida.

15. TERMORESISTENCIAS
• Materiales usados como RTD's:
• Cobre.
• Balco (aleación de hierro-níquel).
• Níquel.
• Tungsteno.
• Iridio.
• Platino.
• Debido a su baja resistividad, el oro y la
plata no son usados como RTD’s. El
tungsteno posee una alta resistividad, pero
se reserva para usos a muy alta
temperatura, al ser muy quebradizo y difícil
de maquinar.

16. TERMORESISTENCIAS
• El platino se estableció como el material
resistivo más apropiado en la
instrumentación industrial, por sus
características físicas y eléctricas.
• Estas ventajas incluyen
– Alta resistencia química a la oxidación y
corrosión.
– Relativa facilidad para procesarlo como
alambre. (Dúctil)
– Posibilidad de producirlo con altos grados
de pureza.
– Buena reproducibilidad de sus
características eléctricas.
RTD Referencia
PT100 100 Ω 0 °C
PT1000 1000 Ω 0 °C

17. TERMORESISTENCIAS
• Estas propiedades están
definidas en la norma IEC 751 de
manera de asegurar
universalmente su
reproducibilidad y repetibilidad.
• Esta norma establece las
relaciones entre:
– valores de resistencia eléctrica,
temperatura con sus respectivas
tolerancias.
– Define los rangos de temperatura
para cada caso.

18. Termoresistencias

19. TERMORESISTENCIAS
• Los cálculos analíticos distinguen dos rangos
– -200 a 0 °C
– 0 a 850 °C.
• El rango de -200 a 0 °C está definido por el siguiente polinomio de tercer orden:
𝑹𝑻 = 𝑹𝟎 𝟏 + 𝑨𝑻 + 𝑩𝑻𝟐
+ 𝑪 𝑻 − 𝟏𝟎𝟎 𝑻𝟑
• El segundo polinomio se aplica al rango de 0 a 850 °C:
𝑹𝑻 = 𝑹𝒐 𝟏 + 𝑨𝑻 + 𝑩𝑻𝟐
• Los coeficientes tienen los siguientes valores:
A= 3.9083 . 10 - 3 °C-1
B= - 5.775 . 10 - 7 °C-2
C= - 4.183 . 10 -12 °C-3

20. Termocuplas
• Una termocupla o termopar consiste en
un par de conductores, de metales
diferentes , unidos por ambos de sus
extremos.
• Se basa en el efecto descubierto por
Seebeck en 1821, de la circulación de
corriente en un circuito formado por dos
metales diferentes cuyas uniones se
encuentran a diferentes temperaturas

21. Efecto Seebeck
• Seebeck descubrió que una corriente eléctrica fluía en un
circuito cerrado de dos metales distintos cuando una de
las uniones era calentada. La magnitud y dirección de la
corriente son función de la diferencia de temperatura de
las uniones y de las propiedades térmicas de los metales
usados en el circuito

22. Termopar - Termocupla

23. Termocuplas
La ANSI/ISA ha designado
por letras 7 tipos de
termocuplas, que son:
Composición Tipo
Rango de
Temperatura
ºC
FEM
mV
Pt-Rh 6% - Pt-Rh 30% B 0 a 1820 0 a 13.814
Pt / Pt – Rh 13% R -50 a 1768 -0.226 a 21.108
Pt / Pt-Rh 10% S -50 a 1768 -0.236 a 18.698
Fe - Constantan J - 210 a 760 -8.096 a 42.922
Chromel - Alumel K - 270 a 1372 -6.458 a 54.875
Cu - Constantan T -270 a 400 -6,258 a 20.869
Chromel - Constantan E -270 a 1000 -9.835 a 76.358
Nicrosil - Nisil N -270 a 1300 -4,345 a 47,512

24. Termocuplas

25. Propiedades Físicas

26. Termocupla Tipo B
• Mide temperaturas ligeramente mas
altas que los tipo S o R.
• Tiene mayor estabilidad , mayor fuerza
mecánica y pueden ser utilizadas sin
compensación en la unión de
referencia para fluctuaciones normales
de temperatura ambiente.
• Tienen buen desempeño en
atmosferas oxidantes o inertes hasta
temperaturas de 1700 ºC
• Salida baja de voltaje
• No se pueden utilizar en atmosferas
reductoras , con presencia de H2 o CO,
o con vapores metálicos (Pb, Zn) o no
metálicos (As, F, S).
• No se recomienda utilizarlas con
Termopozos
• Generalmente mas costosas que las
tipos J,K,N,T,E
VENTAJAS DESVENTAJAS

27. Termocupla Tipo R
• Pueden utilizarse continuamente en
atmosferas oxidantes o inertes hasta
1480 ºC
• Salda mas alta de voltaje que la tipo B
• Similares condiciones a la tipo B
• No son estables en vacio
• No deben usarse en atmosferas
reductoras ni en las que contienen
vapores metálicos u óxidos fácilmente
reducidos a menos que tengan un
termo pozo no metálico
• Costo similar a la tipo B
• Mas costosas que las tipos E,N,K,J,T
VENTAJAS DESVENTAJAS

28. Termocupla Tipo S
• Es tipo estándar internacional para
determinar temperaturas entre los
puntos de congelación del Antimonio
(630,74 ºC) y el Oro (1064,43 ºC)
• Pueden utilizarse continuamente en
atmosferas oxidantes o inertes hasta
1480 ºC
• Tiene las mismas limitaciones que las
tipo B y R
• Son menos estables que las tipo B
cuando se usan en vacio
• Costo similar a las tipo B y R
• Mas costosas que las tipo N,J,K,T,E
VENTAJAS DESVENTAJAS

29. Termocupla Tipo J
• Son muy utilizadas en la industria
• Trabajan satisfactoriamente en
atmosferas oxidantes, reductoras e
inertes a temperaturas menores de
540 ºC
• Buen desempeño en vacio hasta 760
ºC
• Bajo costo
• Pueden ser utilizadas en hornos
directamente hasta 760 ºC
• No deben ser usadas en atmosferas
sulfurosas por encima de 540 ºC
• No se recomiendan a temperaturas
bajo cero
VENAJAS DESVENTAJAS

30. Termocupla Tipo K
• Tiene mayor rango de temperatura
que la tipo J
• Utilizadas para aplicaciones de alta
temperatura ,1300 ºC
• Pueden ser utilizadas continuamente
en atmosferas oxidantes e inertes
hasta 1260 ºC
• No deben usarse en
atmosferas reductoras,
sulfurosas ni en vacio.
• Mas costosas que las tipo J
VENTAJAS DESVENTAJAS

31. Termocupla Tipo T
• Buen desempeño en usos con vacio y
atmosferas oxidantes , reductoras e
inertes en temperaturas inferiores a
316 ºC
• Alta resistencia a la corrosión
• Buena sensibilidad y bajo costo
• Frecuentemente utilizadas en
aplicaciones Criogénicas (bajas
temperaturas)
• Limite de aplicación bajo en
temperatura (320 ºC), debido a que el
Cu se oxida rápidamente por encima
de esta temperatura
• Mayor costo generalmente que las tipo
J
VENTAJAS DESVENTAJAS

32. Termocupla Tipo E
• Mayor salida de voltaje de todas los tipos
de termocuplas
• Buena sensibilidad. Detecta pequeños
cambios de temperatura
• Buen desempeño a bajas temperaturas
• Excelente resistencia a la corrosión, puede
ser utilizada en atmosferas oxidantes e
inertes y parcialmente buen desempeño
en atmosferas húmedas
• Bajo costo
• No debe ser utilizada en atmosferas
reductoras
VENTAJAS DESVENTAJAS

33. Termocupla Tipo N
• Uso universal
• Bajo costo
• Mas resistente a la corrosión y
oxidación que la tipo K
• Buena estabilidad a altas temperaturas
• Amplio rango de trabajo
• Relativamente nueva en el mercado
VENTAJAS DESVENTAJAS

34. Exactitud

35. Termopar - Termocupla
Tipo Elemento
J
Puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda
en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas (el termoelemento JP se
vuelve quebradizo). Encima de 540°C el hierro se oxida rápidamente. No se
recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500°C.
K
Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la
oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en
temperaturas abajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y
sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una
difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del
termopar. Este último efecto se llama “green - root”.
E
Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en
atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a
menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante
conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.

36. Termopar - Termocupla
Tipo Elemento
T
Puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre
puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre
se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original
N
Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior
a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura
máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el
efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas. El gráfico de abajo muestra el desvío de
temperaturas que sufre el termopar tipo N en comparación al tipo K en una atmósfera oxidable a temperatura de
1000ºC.
B
Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente
se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A
temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña

37. Criterios de selección de termocuplas
• Rango de Temperaturas a cubrir.
• Ser químicamente resistentes.
• Ser mecánicamente robustos.
• Producir una salida eléctrica mensurable, y estable.
• Tener la exactitud y precisión requeridas.
• Responder con la velocidad necesaria
• Ser lo mas económicas posibles.

38. Consideraciones en la aplicación
de las termocuplas
• La transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la
lectura.
• Si se necesita o no que estén aislados eléctricamente de masa.
• Presión , Vibraciones, Areas Clasificadas, Cableados, Sistema de
Control con el que se deberá compatibilizar la medición.

39. Versiones industriales
• Para proteger el RTD o TC se usa un
termoposo
 Material
 Longitud
 Tipo de ajuste
 Vibraciones

40. Versiones industriales

41. RTD vs Termocupla
RTD Termocupla
Exactitud +/- 0.1°C +/- 1°C
Estabilidad < 0.1% / 5 años 1°C año
Sensibilidad Moderada Bajo
Linealidad Mejor Moderada
Rango -200°C a 850°C -190°C a 1821°C
Respuesta Lenta Rápida
Costo Costosas La mitad del RTD

42. RTD vs Termocupla
• Para medir temperaturas normales, detectores de temperatura
por resistencia (RTD´s) o termocuplas son la solución mas
eficiente y económica
• Ambos desempeñan mediciones de contacto
• Ellos son Muy durables
• Rigidos
• Rangos de medición grande
• Se usan en combinación con un acondicionador de señal

43. Termopozos
• Se utilizan para protección de RTD’s y termocuplas
• Se protegen los sensores contra atmosferas corrosivas,
abrasivas, sólidos suspendidos…
• Existen diferentes formas de termopozos dependiendo del
material y del tipo de protección

44. Termopozos

45. Pirómetro de radiación

46. Pirómetro de radiación
Los pirómetros son dispositivos que miden la
temperatura a través de la energía irradiada por el
cuerpo
En aplicaciones industriales y de investigación es
necesario a menudo medir la temperatura de un objeto
desde una cierta distancia sin hacer contacto; por
ejemplo, cuando el objeto está en movimiento, como en
una línea de montaje; cuando está muy caliente, como
dentro de un horno o cuando es inaccesible.
Todos los objetos a temperatura por encima del cero
absoluto emiten radiación electromagnética en función
de la temperatura. La cantidad de radiación
electromagnética depende de la temperatura del cuerpo,
a mayor temperatura mas intensa es la radiación

47. Pirómetro de radiación
El sistema óptico del termómetro de radiación recolecta parte de la radiación
proveniente de una muestra de la superficie y la dirige al detector. El cual la convierte
en una señal eléctrica. El circuito electrónico convierte la señal eléctrica a una
correspondiente a la temperatura de la superficie.

48. Pirómetro de radiación

49. Termografía por infrarrojos

50. Termografía por infrarrojos

51. • Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su
resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre
proviene de Thermally sensitive resistor (Resistor sensible a la
temperatura).
• Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.
¿QUE ES UN TERMISTOR?

52. • (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la
temperatura, es decir se calienta extremadamente . Son resistencias de coeficiente de temperatura negativa,
constituidas por un cuerpo semiconductor. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc,
cobalto, étc.
• La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:
, donde A y B son constantes que dependen del termistor.
• La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las
corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar
incrementos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la
característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.
• Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia
consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor
NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora
nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden
aumentos de intensidad.
TERMISTORES NTC

53. • Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable
cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la temperatura.
• Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de
corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el
recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en
indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como
resistores de compensación.
• El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de
una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.
• Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un
determinado margen de temperaturas.
• Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm,
pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC
provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La
característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de
transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.
TERMISTORES PTC

54. Algunas Diferencias
RTD Termistor Termopar
Ventajas Más estable.
Más preciso.
Más lineal que
los Termopares.
Alto rendimiento
Rápido
Medida de dos
hilos
Autoalimentado
Robusto
Económico
Amplia variedad
de formas físicas
Amplia gama de
temperaturas
Desventajas
Caro.
Lento.
Precisa fuente de
alimentación.
Pequeño cambio
de resistencia.
Medida de 4 hilos
Autocalentable
No lineal.
Rango de
Temperaturas
limitado.
Frágil.
Precisa fuente de
alimentación.
Autocalentable
No lineal
Baja tensión
Precisa referencia
El menos estable
El menos sensible

55. Campo de Medida de los
Instrumentos de Temperatura

56. Rangos de Aplicación