instrumentacion industrial

1. MEDIDA DE LA TEMPERATURA
TEMA 6

2. INTRODUCCIÓN
 La temperatura es una de la medida más comunes
en la industria. Las limitaciones del sistema de
medida quedan definidos en cada tipo de aplicación
por la precisión, la velocidad de captación, por la
distancia entre el elemento de medida y el aparato
receptor y por el tipo de instrumento indicador.
 Es importante señalar que es esencial una
comprensión clara de los distintos métodos de
medida con sus ventajas y desventajas para lograr
una selección óptima del sistema más adecuado.

3. INTRODUCCIÓN
 Los instrumentos de temperatura utilizan diversos
fenómenos que son influidos por la temperatura y entre
los cuales figuran.
a) variaciones en volumen o en estado de los cuerpos
(sólidos, líquidos o gases).
b) variación de resistencia de un conductor (sondas de
resistencia);
e) variación de resistencia de un semiconductor
(termistores).
d) 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).

4. INTRODUCCIÓN

5. TERMÓMETRO DE VIDRIO
 Consta de un Depósito de Vidrio que contiene
mercurio que al calentarse se expande y sube en el
tubo capilar.
 Los márgenes de trabajo de fluidos empleados son:

6. TERMÓMETRO BIMETÁLICO
 Se fundan en distinto coeficiente de dilatación de
dos metales diferentes, como el latón, monel o acero
y una aleación de ferroníquel o invar.
 Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas,
formando espirales o hélices.

7. TERMÓMETRO DE BULBO O 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 termómetro:
I. Termómetros Actuados por Líquidos
II. Termómetros Actuados por Vapor
III. Termómetros Actuados por Gas
IV. Termómetros Actuados por Mercurio

8. TERMÓMETRO DE BULBO O CAPILAR
 Termómetros Actuados por Líquidos:
Tienen el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es
proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme.
El volumen del líquido depende principalmente de la temperatura del
bulbo, de la del capilar y de la del elemento de medición

9. TERMÓMETRO DE BULBO O CAPILAR
 Termómetros Actuados por Vapor:
Contienen un líquido volátil y se basan en el principio de presión de
vapor. 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. La
presión en el sistema depende solamente de la temperatura en el
bulbo.

10. TERMÓMETRO DE BULBO O CAPILAR
 Termómetros Actuados por Vapor:
La clase ne, opera con la temperatura del bulbo superior e inferior a la
temperatura ambiente, Y la clase lID trabaja con la temperatura del
bulbo superior, igual e inferior a la ambiente, empleando otro líquido
no volátil para transmitir la presión de vapor.

11. TERMÓMETRO DE BULBO O CAPILAR
 Termómetros Actuados por Gas:
Están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la
presión de gas aumenta proporcionalmente 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.
 Termómetros Actuados por Mercurio:
Los termómetros actuados por mercurio (clase IV) son similares a los
termómetros actuados por líquidos (clase 1). Pueden tener
compensación en la caja y compensación total.

12. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 La medida de temperatura utilizando sondas de
resistencia depende de las características de
resistencia en función de la temperatura que son
propias del elemento de detección.
 El elemento consiste usualmente en un
arrollamiento de hilo muy fino 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.

13. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 La relación entre los factores puede verse en la
expresión
 Si la relación resistencia-temperatura no es lineal

14. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 La relación entre los factores puede verse en la
expresión

15. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 La relación entre los factores puede verse en la
expresión
El platino es el material más adecuado desde el punto de vista de precisión y de
estabilidad pero presenta el inconveniente de su coste.
El níquel es más barato que el platino y posee una resistencia más elevada con una
mayor variación por grado, sin embargo, tiene como desventaja la falta de linealidad
en su relación resistencia-temperatura y las variaciones que experimenta su
coeficiente de resistencia según los lotes fabricados.
El cobre tiene una variación de resistencia uniforme, es estable y barato, pero tiene
el inconveniente de su baja resistividad.

16. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 La variación de resistencia de los sondas es medida
con un puente de Wheatstone dispuestos en dos
montajes denominados de dos hilos, de tres hilos,
de cuatro hilos.

17. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 En el montaje de dos hilos la sonda de resistencia se
conecta a uno de los brazos del puente y se varía Ra
hasta que se anula la desviación del galvanómetro. En
este instante, se cumple la ecuación

18. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 El montaje de tres la sonda está conectada mediante
tres hilos al puente. De este modo, la medida no es
afectada por la longitud de los conductores ni por la
temperatura, ya que ésta influye a la vez en dos brazos
adyacentes del puente, siendo la única condición que la
resistencia de los hilos a y b sea exactamente la misma.

19. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 El instrumento de bobinas cruzadas dispone de una
resistencia de calibración que equivale a la resistencia
de medida. De este modo, por ambas· bobinas pasa la
misma corriente. Al elevarse la temperatura de la sonda
crece su resistencia, desequilibrando el instrumento y
señalando el índice un nuevo valor proporcional al
aumento de temperatura de la sonda.

20. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 El montaje de cuatro hilos se utiliza para obtener la
mayor precisión posible en la medida, como es el caso
de calibración de patrones de resistencia en laboratorio.

21. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 La medición automática de la resistencia y por lo tanto
de la temperatura se lleva a cabo mediante instrumentos
auto equilibrados que utilizan un circuito de puente de
Wheatstone

22. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 Otros instrumentos utilizan un puente de capacidades
con un condensador variable cuya posición está
calibrada en función de la temperatura alimentándose el
circuito con la tensión alterna estabilizada de un
oscilador.

23. TERMÓMETROS DE RESISTENCIA
 Otro instrumento es el indicador galvanométrico de puente de
resistencias. Su ajuste se realiza colocando el interruptor en la
posición STD para incluir la resistencia X en el circuito puente, y
ajustando el reóstato RH hasta que el indicador señala la lectura
más baja de la escala. Seguidamente se pasa el interruptor a la
posición de conexión de la sonda pudiendo ya leerse directamente
la temperatura.

24. TERMISTORES
 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.
La relación entre la resistencia del termistor y la temperatura
viene dada por la expresión:

25. TERMISTORES
 TERMISTORES
Hay que señalar que para obtener una buena estabilidad en
los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente, tal
como se indica en la figura.

26. TERMOPAR
 TERMOPAR
El termopar se basa en el efecto descubierto por Seebeck
en 1821, de la circulación de una corriente en un circuito
formado por dos metales diferentes cuyas uniones se
mantienen a distinta temperatura.
Esta circulación de corriente obedece a dos efectos
termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca
la liberación o absorción de calor en la unión de dos
metales distintos cuando una corriente circula a través de
la unión y el efecto Thomson que consiste en la liberación
o absorción de calor cuando una corriente circula a través
de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de
temperaturas.

27. TERMOPAR
 EFECTO PELTIER
En una cruz térmica formada por la unión en su centro de dos
metales distintos se hace pasar una corriente en uno u otro
sentido con el interruptor K2 abierto. Después de cada paso de
corriente se abre K1 y se cierra K2 leyendo en el galvanómetro
la f.e.m. creada, que es proporcional a la temperatura
alcanzada por la cruz térmica en cada caso.

28. TERMOPAR
 EFECTO THOMSON
Formado por una barra metálica MN, con un termopar
diferencial AB aislado y una bobina H para calentamiento
eléctrico centrada con relación a AB.

29. TERMOPAR
 LAS TRES LEYES FUNDAMENTALES
1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico
homogéneo no puede sostenerse la circulación de una
corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.
2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios
conductores la temperatura es uniforme desde un punto de
soldadura A a otro punto B, la suma algebraica de todas las
fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los
conductores metálicos intermedios y es la misma que si se
pusieran en contacto directo A y B.
3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un
termopar con sus uniones a las temperaturas T 1 y T3 es la
suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T
1 y T2 Y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a
las temperaturas T2 y T3 .

30. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS ÓPTICOS
Los pirómetros ópticos manuales se basan en la desaparición
del filamento de una lámpara al compararlo visualmente con la
imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos tipos: a) de
corriente variable en la lámpara y b) de corriente constante en la
lámpara con variación del brillo de la imagen de la fuente

31. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS ÓPTICOS

32. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS INFRARROJOS
El pirómetro de infrarrojos capta la radiación espectral del
infrarrojo, invisible alojo 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.

33. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS INFRARROJOS

34. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS INFRARROJOS

35. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS INFRARROJOS

36. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS FOTOELÉCTRICO
El pirómetro fotoeléctrico, al tener un detector fotoeléctrico,
es mucho más rápido que los sensores térmicos, pero debe
mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante
nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico.
La señal de salida depende de la temperatura instantánea
del volumen del detector, por lo que evita los retardos
inherentes al aumento de la temperatura de la masa del
detector que existen en los otros modelos de pirómetros.
El detector genera una tensión proporcional al cubo de la
temperatura

37. PIRÓMETROS
 PIRÓMETROS FOTOELÉCTRICO
El pirómetro fotoeléctrico, al tener un detector fotoeléctrico,
es mucho más rápido que los sensores térmicos, pero debe
mantenerse refrigerado a muy baja temperatura mediante
nitrógeno líquido para reducir el nivel de ruido eléctrico.
La señal de salida depende de la temperatura instantánea
del volumen del detector, por lo que evita los retardos
inherentes al aumento de la temperatura de la masa del
detector que existen en los otros modelos de pirómetros.
El detector genera una tensión proporcional al cubo de la
temperatura

38. PIRÓMETROS
 APLICACIONES