Esta presentación resume los principales momentos en la medición de la presión y la temperatura, como parte del grupo de las principales magnitudes presentes en la industria. Este material se utiliza para el curso de instrumentación en UTPL, semestre septiembre 2011.

1. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIALMEDICIÓN DE LAS PRINCIPALES MAGNITUDES PRESENTES EN LA INDUSTRIA: PRESIÓN Y TEMPERATURA Jorge Luis Jaramillo PIET EET UTPL septiembre 2011

3. Medición de temperatura

5. Medición de la presión Definición de presión

6. Medición de la presión KPa, KiloPascal psi, libra de fuerza por pulgada cuadrada (psia para presión absoluta, psig para presión relativa, y, asid para presión diferencial). in H2O, pulgada de agua a 4 °C cm H20, centímetro de agua a 4 °C in Hg, pulgada de mercurio a 0 °C mm Hg, milímetro de mercurio a 0 °C mbar, milibar Unidades de presión

7. Medición de la presión Dado que la presión es definida como la fuerza por unidad de área, la manera más directa de medirla es aislarla sobre un área dada, en un elemento mecánico elástico. La deformación del elemento sensor por causa de la fuerza ejercida, produce desplazamientos y tensiones que pueden ser detectadas, para obtener una medida calibrada de la presión. En la práctica, los sensores de presión contienen dos elementos. El primero, proporciona un medio para aislar la presión de dos fluidos: una que será medida y otra que se usará como referencia. El segundo, aporta una porción elástica que permite convertir la diferencia de presión en deformación del elemento sensor. Principio de medición de la presión

9. instrumentos electromecánicos

10. instrumentos neumáticos

11. Instrumentos electrónicosInstrumentos de medición de la presión

14. manómetro de tubo en U

15. manómetro de pozo

16. manómetro de tubo inclinado

18. fuelle, y,

19. tubo de Bourdon. Instrumentos de medición de la presión

21. transductores de presión resistivos

22. transductores de presión capacitivos

23. transductores de presión magnéticos

25. medidor McLeod

26. térmicos

27. de ionizaciónInstrumentos de medición de la presión

29. emplear un tubo de Bourdon que actua sobre una resistencia variable (potenciómetro).

30. utilizar el desplazamiento del tubo de Bourdon, para mover un núcleo magnético dentro de una bobina y variar su inductancia.

31. convertir la tensión asociada a la deformación del elemento sensor piezoeléctrico en electricidad, utilizando un cristal piezoeléctrico. Instrumentos de medición de la presión

32. Medición de la presión Manómetros

33. Medición de la presión En este tipo de sensores, el dispositivo elástico es una membrana ondulada. El fluido es dirigido de tal manera que, entre en contacto con la superficie constituida por la membrana, la cual traduce la presión de éste en un movimiento cuyo desplazamiento es proporcional a la magnitud de la presión. Diafragmas

34. Medición de la presión Los sensores tipo fuelle fueron desarrollados para medir presiones muy bajas. Estos sensores son los más exactos cuando se miden presiones entre los 0,5 y 75 psig, y, combinados con resortes apropiados, son capaces de medir presiones sobre los 1.000 psig. Fuelles

35. Medición de la presión El sensor tipo tubo de Bourdon es uno de los instrumentos más antiguos para la medición de altas presiones. El tubo de Bourdon es un tubo de paredes delgadas, curvado o torcido a lo largo, que presenta una sección transversal ovalada. El tubo está sellado en un de sus extremos, y, tiende a enrollarse o desenrollarse cuando es sometido a una presión en su interior. Debido a que el tubo está firmemente fijado en uno de sus extremos, la otra punta del tubo traza un movimiento curvo que resulta en un cambio de la posición angular con respecto al centro. El movimiento de la punta puede ser usado para desplazar un indicador o para ser convertido en una señal eléctrica equivalente Tubos de Bourdon

36. Medición de la presión Son instrumentos para medir presión de alta exactitud (menos de 0,1%) y de amplio rango de medición. Como elemento sensor, se utiliza un diafragma móvil de metal o silicio, que constituye uno de los electrodos de un condensador. El otro electrodo, estacionario, está típicamente construido a partir de una capa de metal sobre un substrato cerámico o de vidrio. Cuando se aplica una presión, el diafragma se mueve, cambiando el espacio entre los electrodos, y, variando la capacitancia. En el diseño capacitivo diferencial, el diafragma sensor está colocado en el medio de dos electrodos estacionarios. Al aplicarse una presión, una de las capacitancias disminuye ,mientras que la otra aumenta. Transductores de presión capacitivos

37. Medición de la presión Transductores de presión capacitivos

38. Medición de la presión Los transductores de presión piezoresistivosson los más usados actualmente para detectar bajas presiones, y, permiten obtener elevados factores de sobrecarga. El efecto piezoresistivo se refiere al cambia en la resistencia eléctrica que sufre un material cuando es sometido a presión o tensión. Un sensor piezoresistivo está en contacto con un fluido hidráulico de protección, y, separado del medio por una membrana de acero inoxidable. La flexión de la membrana como resultado de la presión externa, produce un cambio en la presión del fluido hidráulico que rodea el sensor piezoresistivo. Este sensor emite una señal de presión proporcional, que se convierte en una señal de salida de corriente. Transductores de presión piezoresistivos

39. Medición de la presión Transductores de presión piezoresistivos

40. Medición de la presión Los transductores de presión a base de microchips de silicio se refieren a una clase de sensores de presión que emplean técnicas de circuitos integrados para construir elementos sensores de diafragma en un chip de silicio. Las galgas de tensión hechas de resistencias difuminadas de silicio están típicamente integradas a diafragmas que convierten la deflexión inducida en una variación de la resistencia eléctrica. Transductores de presión onmicrochips de silicio

41. Medición de la presión Transductores de presión on microchips de silicio

42. Medición de la presión Características de los instrumentos de medición de presión

43. Medición de la presión Características de los instrumentos de medición de presión

45. Medición de la temperatura La temperatura es una propiedad física que se refiere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor. Al contrario de otras cantidades termodinámicas, como el calor o la entropía, cuyas definiciones microscópicas son válidas muy lejos del equilibrio térmico, la temperatura al ser definida como un promedio, sólo puede ser medida en el equilibrio. La temperatura está íntimamente relacionada con la energía interna y con la entalpía (cantidad de energía que el sistema puede intercambiar con el entorno) de un sistema: a mayor temperatura mayores serán la energía interna y la entalpía del sistema. La temperatura es una magnitud intensiva, es decir que no depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este compuesto. Definición de temperatura

46. Medición de la temperatura Se llama temperatura seca del aire (de un entorno) a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiación calorífica de los objetos en el ambiente, de los efectos de la humedad relativa, y, del movimiento del aire. Se llama temperatura radiante a la temperatura media considerando el calor emitido por la radiación de los elementos del entorno. La temperatura de bulbo húmedo o temperatura húmeda, es la temperatura medida considerando la humedad relativa y el movimiento del aire. Definición de temperatura

49. escala Fahrenheit

50. escala Réaumur

51. escala Leiden

52. escala Newton (en desuso)

53. escala Roemer (en desuso)

54. escala Delisle (en desuso)Unidades de temperatura

56. escala Rankine (en desuso)Unidades de temperatura

57. Medición de la temperatura Unidades de temperatura

59. bandas bimetálicas

60. termopares

61. detectores de temperatura resistivos (RTD)

62. termistores

63. sensores de semiconductor

64. pirómetros de radiación Instrumentos para la medición de temperatura

66. pentano: desde -200 °C hasta 20 °C

67. alcohol: desde -110 °C hasta 50 °C

68. tolueno: desde -70 °C hasta 100 °C Instrumentos para la medición de temperatura: tubos capilares

69. Medición de la temperatura Las bandas bimetálicas se aplican en el rango de -2.3 °C y 285 °C. Una banda bimetálica se construye de la unión de dos cintas de metales diferentes. Debido a que los metales fueron seleccionados con diferentes coeficientes de expansión térmica, el calentamiento de la banda origina una mayor expansión longitudinal en una de las cintas. Como las cintas están soldadas a lo largo de toda su extensión, toda la banda se doblará en la dirección del metal que se expande menos, proporcionalmente al cambio de temperatura. Con un extremo de la banda sujeto firmemente, y, el otro libre, la magnitud del doblamiento se puede emplear para indicar el cambio de temperatura, uniendo un transductor de posición al extremo libre. Las bandas bimetálicas también pueden ser empleados como interruptores. Instrumentos para la medición de temperatura: bandas bimetálicas

70. Medición de la temperatura Un termopar (termocupla) es un circuito formado por dos cables de distinto metal, unidos en ambos extremos, que de acuerdo a la teoría del gradiente, desarrolla un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas entre las dos uniones, denominadas juntura de medición y juntura de referencia. Instrumentos para la medición de temperatura: termopares

71. Medición de la temperatura Los termopares están clasificados de acuerdo a ANSI (American NationalStandardsInstitute), tomando en cuenta la respuesta de voltaje versus la temperatura, el desempeño en el medio ambiente, y, la vida útil. Instrumentos para la medición de temperatura: termopares

72. Medición de la temperatura En los metales puros, la relación entre la resistencia eléctrica y la temperatura es lineal: En dónde: R 0, es la resistencia a la temperatura de referencia T0 ΔT, es la desviación de temperatura respecto a T0 (ΔT = T − T0) α , es el coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 °C Para un valor α lo suficientemente grande y constante con la temperatura, se puede construir un instrumento que permita medir la temperatura a través de la cuantificación de la corriente eléctrica que circula por un circuito. Los instrumentos diseñados para este fin, reciben el nombre de detectores resistivos de temperatura o RTD (ResistiveTemperature Detector). Instrumentos para la medición de temperatura: RTD

73. Medición de la temperatura Los RTD se construyen como una bobina de alambre delgado (cobre, níquel, o, platino) sobre un bastidor de soporte, o, depositando una película delgada de platino sobre un substrato de cerámica. Instrumentos para la medición de temperatura: RTD

75. Cobre : -100 a 260 ºC

76. Níquel: -100 a 205 ºC

77. Película de platino: -50 a 550 °C Instrumentos para la medición de temperatura: RTD

79. amplio rango de temperatura

80. aplicación para altas temperaturas

81. fácil de intercambiar (estándar)

82. buena estabilidad a altas temperatura

83. alta relación señal a ruido

84. buena exactitud

86. baja sensibilidad

87. alto costo

88. afectado por choques y vibraciones Instrumentos para la medición de temperatura: RTD

90. PTC (Positive TemperatureCoefficient), coeficiente de temperatura positivoEn un NTC, el aumento de temperatura trae consigo el aumento de los portadores en el semiconductor, y, la reducción de la resistencia. A diferencia de los RTD, la relación entre la resistencia y la temperatura de un termistor NTC es hiperbólica: En dónde: RT , es la resistencia del termistor NTC a la temperatura T (K) R 0, es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia T0 (K) B, es la temperatura característica del material, entre 2000 K y 5000 K Instrumentos para la medición de temperatura: termistor

91. Medición de la temperatura En un PTC, el aumento de temperatura trae consigo la disminución de los portadores en el semiconductor, y, el aumento de la resistencia. Instrumentos para la medición de temperatura: termistor

93. diodos, y

95. trabajan en un rango de temperaturas de -65 °C y 200 °C

96. son razonablemente lineales (±0.5%).

97. tienen el aspecto de resistencias de ¼ W y su resistencia nominal va desde 10 Ω hasta 10 K Ω, con tolerancias de 1% a 20%.

98. son dispositivos de bajo costo

99. Su principal desventaja se debe a los efectos del propio calentamiento. Instrumentos para la medición de temperatura: sensores de semiconductores

100. Medición de la temperatura En los diodos semiconductores, el principio de funcionamiento se basa en la proporcionalidad del voltaje de juntura del diodo y la temperatura del mismo. Para los diodos de Si, este factor de proporcionalidad es de -2.2 mV/°C. El rango de temperaturas de este sensor es de -40 °C hasta 15 °C. Son muy utilizados por su bajo costo, linealidad, y, rápida respuesta. La principal desventaja, pasa porque dos diodos del mismo tipo pueden tener diferentes valores iníciales de voltaje de juntura, por lo que es necesario la inclusión de circuitos de calibración. Instrumentos para la medición de temperatura: sensores de semiconductores

102. salida de corriente(AD590 de AnalogDevices),

103. salida de resistencia (fabricados por Phillips y Siemens), y,

104. salida digital (LM56 y LM75) Instrumentos para la medición de temperatura: sensores de semiconductores

106. pirómetros ópticos

107. pirómetros de radiación totalInstrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

108. Medición de la temperatura Los pirómetros de radiación se basan en la ley de Stefan - Boltzman, que propone que intensidad de energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo, aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del mismo: En dónde: W, es la potencia emitida o flujo radiante por unidad de área S, es la constante de Stefan - Boltzman (5.67 10-8 W / m2K4) T, es la temperatura absoluta del cuerpo. En la industria, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las radiaciones ultravioletas (0.1μ) hasta las radiaciones infrarrojas (12μ), pasando por la radiación visible que ocupa un intervalo entre la longitud de onda para el violeta (0.45 μ) y la longitud de onda para el rojo (0.7 μ). Instrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

109. Medición de la temperatura Instrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

111. ajustando ópticamente la radiación emitida por la fuente desconocida, con el uso de filtros polarizantes u otros dispositivos absorbentes.Instrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

112. Medición de la temperatura Instrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

113. Medición de la temperatura Los 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. Instrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

114. Medición de la temperatura Los pirómetros de radiación total, están formado por una lente de pyrex, sílice, o, fluoruro de calcio, que concentra la radiación del objeto caliente en una pila termoeléctrica formada por varios termopares del tipo Pt - Pt - Rh, de pequeñas dimensiones y montados en serie. La radiación total emitida por la fuente, incide directamente en las uniones caliente de los termopares. La f.e.m. que proporciona la pila termoeléctrica depende de la diferencia de temperaturas entre la unión caliente y la unión frío. Esta última coincide con la de la caja del pirómetro, es decir, con la temperatura ambiente. La compensación de la temperatura ambiente, se lleva a cabo mediante una resistencia de níquel conectada en paralelo con los bornes de conexión del pirómetro. . Instrumentos para la medición de temperatura: pirómetros

115. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS