Principios de funcionamiento de medidores de temperatura Rogelio Aguilar Torres Instrumentación y Control 5to. año Secc. 02 22 de Noviembre de 2011 F a c u l t a d d e I n g e n i e r í a M e c á n i c a d e l a U M S N H INDICE Objetivo 2 Medidores de Temperatura 3 Termopar 3 Bulbo de resistencia 7 Por termografía 10 Principio de funcionamiento del Termostato 13 Conclusiones 16 Bibliografía y referencias 16 . utilizado a nivel industrial. se utilizan para controlar las variables de un proceso o sistema en forma tan exacta como se necesite para satisfacer las especificaciones del producto en lo que respecta a composición. siendo esta en tiempo real por ejemplo. Otra razón importante de diseñar el adecuado sistema de medición de temperatura. Objetivo La importancia de los instrumentos de control y medición radica en que sirven para conseguir y conservar la calidad con que se identifica el producto que se está manufacturando. por ello. comercial y doméstico. color o acabado. . el cual es un dispositivo controlador de la temperatura. la inaccesibilidad de la fuente y el momento en que se requerirá la medición. Los medidores de temperatura. De forma mas general. EN la segunda parte se describe el funcionamiento del termostato. existn diversos métodos utilizables para medir una temperatura dependiendo del rango estimado. el tipo de fuente de calor. juegan un papel importante en los procesos industriales. El objetivo de este documento es describir de forma general el funcionamiento de tres tipos de medidores de temperatura: el termopar. En ocasiones las mediciones de temperatura deberán hacerse en campo y otras más podrán monitorearse desde el tablero de control en un proceso. es porque en ocasiones las temperaturas a medir representan un verdadero peligro para la seguridad de un operador e incluso para el dispositivo mismo. el bulbo de resistencia y por el método de la termografía. forma. pero no existe ninguna garantía de que lo haga de un modo uniforme. La fem medida se compara normalmente con una referencia. que incluye el medidor M y la unión de referencia. un multivoltímetro potenciómetro en el extremo frío de los conductores. y que van conectados a algún instrumento de medición de fem (fuerza electromotriz). obtenía una fem. que van desde la cabeza conectora de la unión caliente hasta la unión de medición. Los descubrimientos posteriores revelaron que el flujo de corriente observado por Seebeck se debía aparentemente a dos causas independientes: Efecto Peltier. o sea. El medidor M mide la diferencia de fem entre la unión caliente y la de referencia. El termopar presenta los conductores diferentes A y B unidos en la unión caliente o detectora a los alambres de conexión C. en realidad. Seebeck observó que cuando fundía un alambre de cobre a uno de hierro y calentaba el extremo fundido. La teoría que se utiliza para . lo que significa simplemente que miden la diferencia de temperatura que existe entre el extremo de la unión caliente y la unión de referencia. que existe debido a una diferencia de potencial en una sección del conductor que tiene un gradiente de temperatura. Esto significa que existe un potencial en un alambre de material homogéneo cuando uno de los extremos está a una temperatura mayor que el otro. Esta diferencia de potencial varía en función de la temperatura de la unión. Efecto Thomson. La porción de la fem total de un termopar. por ejemplo. unidos en un extremo denominado casi siempre unión caliente o detectora. el punto de fusión del hielo.Medidores de Temperatura TERMOPAR El Termopar consiste en dos conductores metálicos diferentes. También descubrió que fluía una corriente del cobre al hierro en el extremo o terminal calentado. En 1821. detectores que miden temperaturas diferenciales. es la fem de Thomson. La fem de Peltier es la porción de la fem total de un termopar originada por una diferencia de potencial en la unión de dos conductores o alambres diferentes. Esto muestra que los termopares son. El circuito básico contiene todos los elementos esenciales para llevar a cabo una medición de temperatura. Los conductores deben generar una fem tan grande como sea posible para un cambio unitario de temperatura y deben poseer ciertas características para lograrlo. 2. 3. por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor. Materiales de termopares Los alambres de termopares se escogen de manera que produzcan una fem grande que varíe linealmente con la temperatura. Las fem de Thomson de ambos alambres aditivas en el circuito. Ley del circuito Homogéneo. La combinación de los dos aspectos. Las fem de Peltier que desarrollen potenciales en la unión caliente y que estén en la misma dirección que las fem de Thomson. no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. el de Peltier y el de Thomson. es la causa de la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. Esta corriente puede calentar el termopar y afectar la exactitud en la medida de la temperatura. 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. el material elegido debe tener: 1. Ley de las temperaturas sucesivas.explicar este fenómeno no concuerda exactamente con todos los efectos experimentales observados. Las fem de Thomson de variación directa con la temperatura. 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. 3. Los valores de esta fem están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0 °C. En un conductor metálico homogéneo. La fem generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la fem del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la fem del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Desde el punto de vista ideal. siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida. 2. Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Una energía termoeléctrica tan grande como sea posible. Ensamble del termopar: Constituido por un elemento para termopar y una o más partes. 4. . Se obtuvo una ecuación empírica de esta naturaleza para el termopar de metal noble de platino-‐platino-‐rodio. Se han desarrollado ecuaciones empíricas en un esfuerzo por satisfacer los resultados observados experimentalmente. tales como block terminal. 5. Puesto que no existen termopares con un comportamiento perfecto. para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente los extremos de los conductores. Fem de Peltier que varíen directamente con la temperatura. cabeza de conexión y tubo protector o termopozo. unidos en un extremo. con terminales metálicas. desnudos o aislados. todas las curvas de fem se desvían de una línea recta o respuesta lineal hasta cierto grado. Elemento para termopar: Esta constituido por un par de conductores (positivo y negativo). Block Terminal: es un block de material aislante. aunque algunos se acercan mucho a ello. No hay ningún metal o aleación conocida que tenga todas estas características deseables. Cabeza de conexión: es una caja de protección para el block terminal. . Termopozo: es un receptáculo de forma tubular a prueba de presión. diseñado para encerrar y proteger un elemento sensor de temperatura. provisto de rosca u otro medio para conectarse al proceso de forma hermética. con aberturas roscadas para conectarse al tubo protector. Se utilizan dos alambres de resistencia relativamente baja a y b.BULBO DE RESISTENCIA Los termómetros industriales de resistencia son en principio bobinas de alambre arrolladas dentro o alrededor de soportes de material aislante capaz de soportar la temperatura para la que se diseñó el termómetro. el de Collendar-‐Griffiths y el de capacitancia. Método de dos alambres. a una temperatura dada y es positivo para la mayoría de los metales. La salida de los termómetros de resistencia casi siempre se mide usando cualquier tipo de puente de resistencia. Cuando un material cambia de resistencia en función de una variación de la temperatura. es evidente que será proporcionalmente mas elevada con devanados de baja resistencia que con devanados de alta resistencia. que se pueden utilizar ya sea con ca o cd. Por lo general. pueden contribuir a aumentar mucho la resistencia del bulbo del termómetro de resistencia. Los alambres están acomodados sobre el soporte de modo que existe una buena conductividad térmica y un alto índice de transferencia de calor. En este arreglo. el cambio se denomina coeficiente de temperatura de la resistencia del material. . Esto significa la resistencia de los cables a y b. la resistencia. Esta clase de combinación dará como resultado un error en la lectura la temperatura. los cables son de cobre y se reutiliza el puente de Wheatstone. Puesto que la magnitud de este error se relaciona con la resistencia del devanado del bulbo. Por lo común las bobinas se hacen de alambre delgado arrollado sobre el soporte de tal manera que se esfuerza un esfuerzo físico mínimo cuando el alambre se expanda y contraiga con los cambios de temperatura. a no ser que se cuente con alguna clase de compensación o ajuste del bulbo del puente para compensar esta diferencia de resistencia. comprende la resistencia del bulbo mas la resistencia de los cables a y b. el de doble derivación. Este coeficiente se expresa en ohms por grado de temperatura. Aunque el puente de Wheatstone es el que se usa más a menudo existen otros. El método de dos alambres se puede usar sólo cuando la resistencia del alambre pueda mantenerse a un mínimo y cuando sea adecuado un moderado grado de precisión para la medición que se está realizando. para conectar el devanado de resistencia del bulbo con el puente de medición. a menso que tengan un valor muy bajo. 100. • Alta resistividad. • Rigidez y ductilidad.°C temp. • Relación lineal resistencia-‐temperatura. ya que cuanto mayor sea la resistencia a una temperatura dada tanto mayor será la variación por grado (mayor sensibilidad).50 >> 0.05-‐100 °K con una resistencia de 10.00385 -‐200 a 950 0.83 0. Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características: • Alto coeficiente de temperatura de la resistencia.05 Alto 0. sin embargo.0063 a Níquel 6.10 >> . útil de Metal d µ Ω/cm de hilo relativo a ° C.00425 -‐200 a 120 Bajo 10 0. a fin de obtener tamaños pequeños (rapidez de respuesta).38 -‐150 a 300 Medio 100 0. φ Coeficient Intervalo Resistivida Sonda Precisión mínimo Coste e de temp.0066 Cobre 1. 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. °C Ω/Ω. Los materiales que se utilizan normalmente en las sondas de resistencia con el platino y el níquel. Resis. El platino es el material mas adecuado desde el punto de vista de exactitud y de estabilidad pero presenta el inconveniente de su coste.01 130 0.56 0. ya que de este modo el instrumento de medida será muy sensible.000 ohms para 1°K. lo que permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento del conductor en las bobinas de la sonda. ° C mm ohmios 25. • Estabilidad de las características durante la vida útil del material. Platino 9. Para temperaturas criogénicas. la sonda de resistencia de germanio puede trabajar entre 0. El níquel es mas barato que el platino y posee una resistencia mas elevada con una mayor variación por grado. En muchas aplicaciones industriales que requieren movimiento relativo del punto de medición respecto al punto de conexión. se utilizan los insertos de medición flexibles. inserto de medición y tubo protector o termopozo. son similares a los convencionales en cuanto el elemento está contenido en un tramo de tubing de acero inoxidable tipo 304. están constituidos por sus tres componentes básicos: Cabeza de conexión. en la parte que contiene el elemento de resistencia. Estos insertos. Sigue una pieza de transición y en algunos casos. un conector tipo roscado o tipo bayoneta para montar el inserto o en el tubo protector. Los termómetros de resistencia . sale una extensión interior que está protegida con un tramo de tubo flexible de acero inoxidable y termina generalmente con zapatas de conexión o con un conector terminal especial. cerrado en un extremo. . De la pieza de transición. Esto nos permite medir la energía radiante emitida por objetos y. esto se logra midiendo la radiación auto emitida en la porción del infrarrojo del espectro electromagnético desde la superficie del objeto y convirtiendo estas mediciones en señales eléctricas.-‐ Emisividad σ .897 µ °K .POR TERMOGRAFIA La Termografia infrarroja es una técnica que permite ver la temperatura de una superficie con precisión sin tener que tener ningún contacto con ella. significa una temperatura distinta.673x10-‐12 Watts º K cm-‐2 T. El ser humano no es sensible a la radiación infrarroja emitida por un objeto.-‐ Constante de desplazamiento de Wien = 2. por consiguiente.-‐ Temperatura absoluta del objeto (°K) Lambdam.-‐ Constante de Stephan Boltzman = 5. Dos leyes físicas definen el comportamiento radiante: 1. -‐ Longitud de onda de radiación máxima (µ) B. LEYES BASICAS DE LA RADIACION INFRARROJA Las leyes de la física permiten convertir la medición de la radiación infrarroja en medición de temperatura. convirtiendo estas mediciones en señales eléctricas. esto es posible midiendo la radiación emitida en la porción infrarroja del espectro electromagnético desde la superficie del objeto. son capaces de medir esta energía con sus sensores infrarrojos.-‐ Flujo radiante emitido por unidad de área (Watts/cm2) ε . de manera que la temperatura medida más elevada aparece en color blanco. Gracias a la Física podemos convertir las mediciones de la radiación infrarroja en mediciones de temperatura. en tiempo real y sin contacto alguno.-‐ Ley de desplazamiento de Wien: Lambdam = b/T Donde: W. o de termovisión. capacitados para "ver" en estas longitudes de onda. en el que cada uno de los colores. según una escala.-‐ Ley de Stephan Boltzman: W = ε σ T4 2. determinar la temperatura de una superficie a distancia. La radiación infrarroja es la señal de entrada que la cámara termográfica necesita para generar una imagen de un espectro de colores. pero las cámaras termográficas. para una correcta lectura de la temperatura de un objeto. no basta con captar el flujo de radiación que emite. dos objetos de diferente material. que se puedan encontrar entorno al objeto o zona de interés. esdecir. . Por tanto. cuanto más reflectante sea le material del objeto del cual se quiera medir su temperatura. Tal y como se aprecia en los valores de la tabla anterior. a las de un cuerpo negro. proporcionen medidas de temperatura diferentes. En la práctica este proceso se suele simplificar y se consideran. calentados a la misma temperatura y situados en el mismo medio con la misma temperatura ambiente. Para una correcta lectura de la temperatura de un objeto sería necesario considerar a las diversas variables que intervienen en el proceso. por ejemplo. cualquier objeto puede aproximarse a su comportamiento considerando las relaciones de las ecuaciones anteriores. Este hecho lleva a situaciones prácticas en las que. no solo la cantidad. lo máximo posible. sino también del material que constituye el objeto (en especial la superficie) y la posición relativa de otros objetos. como las variables más importantes. sino que es necesario también conocer la emisividad de dicho objeto. conocer la radiación emitida por el objeto. de diferente temperatura. en la práctica. la emisividad y la temperatura ambiente. Aunque un cuerpo negro es un objeto ideal. La emisividad de los materiales se obtiene utilizando fuentes cuyas características se acerquen. menor será su capacidad emisiva y viceversa. La termografía obtenida en una situación como esta. cuando en realidad se encuentran a la misma temperatura y bajo las mismas condiciones ambientales. dando la impresión de que se encuentran a temperaturas diferentes. Aplicaciones en la ingeniería mecánica de la medición por termografía: Sobrecalentamiento de motores Bombas sobrecargadas Cojinetes calientes Rodillos calientes Eje de motor sobrecalentado Motores eléctricos . representaría a un objeto (baja emisividad) con un color mucho mas tenue que el otro (alta emisividad). Así tenemos que el termostato utilizado para mantener la temperatura de una habitación con aire acondicionado puede permitir oscilaciones de la temperatura mayores que el utilizado para una incubadora de huevos por ejemplo. los termostatos pueden ser electromecánicos o electrónicos. la presión de vapor crece y hace que la cámara flexible se dilate (como lo hace un globo al inflarlo) este movimiento de crecimiento de la cámara flexible empuja un vástago que acciona un interruptor eléctrico que conecta o . estos serán mas o menos estrechos de acuerdo a las exigencias del uso. De acuerdo a la forma en que funcionan. Todos los termostatos tienen en su construcción un elemento sensor de la temperatura que cambia alguna magnitud con el cambio de esta. TERMOSTATOS DE BULBO Estos termostatos usan como sensor de temperatura un bulbo lleno de un gas o de un líquido volátil que se conecta a través de un estrecho conducto a una cámara cerrada flexible en forma de disco volador. siendo los primeros por su simplicidad. los mas utilizados. Aquí nos ocuparemos de los termostatos eléctricos. Principio de funcionamiento del Termostato Un termostato es un aparato que sirve para mantener estable la temperatura de un local o dispositivo dentro de ciertos márgenes. bajo costo y porque no requieren fuente adicional de energía. este cambio se utiliza para operar un interruptor eléctrico que apaga o enciende el elemento calefactor (o enfriador) o para abrir o cerrar una compuerta por donde entra el calor ( o el frío) al área en cuestión. Cuando se calienta el gas o el líquido dentro del bulbo sensor. en uno. la propia lámina bi metálica es parte del interruptor de la electricidad y tiene adosado en un extremo uno de los contactos. Los cambios de temperatura harán que el espiral (debido al doblado de la lámina) se enrolle o desenrolle inclinado como una balanza al bulbo para abrir o cerrar los contactos y así mantener la temperatura estable. de la propia lámina abre o cierra el circuito. Es muy común su uso en las planchas de planchar ropa.desconecta el elemento generador de calor (o frío) y vise versa manteniendo de esta forma la temperatura estable en la zona donde está el bulbo sensor. . hornos domésticos y estufas eléctricas. En el otro tipo se construye una larga lámina bi metálica que se enrolla en forma de espiral. Pueden ser de dos tipos. estabilidad y bajo costo. son muy comunes dada su simplicidad. La temperatura puede regularse debido a que el propio termostato está dentro del volumen a controlar o bien porque el paso de la corriente calienta la lámina bi metálica. un extremo del espiral es fijo y en el otro se monta un pequeño bulbo de vidrio alargado con los contactos eléctricos interiormente en uno de sus extremos. el doblado con la temperatura. este bulbo se llena parcialmente de Mercurio metálico que es un buen conductor de la electricidad de manera que si el bulbo se inclina a un lado el mercurio (que es líquido) se acumula en el lado mas bajo y puede cerrar el circuito (si es el lado de los contactos) o abrirlo (si es el lado contrario). TERMOSTATO DE LAMINA BIMETALICA Este tipo de termostato utiliza la capacidad de doblado de las láminas bi metálicas para su funcionamiento. .TERMISTOR Este tipo de termostatos están construidos alrededor de un termistor. cualquier dispositivo que permita medir con electrónica la temperatura puede ser integrado en un termostato. usualmente basado en un microprocesador. Existen muchas variantes de termostatos electrónicos. Existen versiones antiguas donde empleaban termostatos de gas. En general. que es programado para realizar diferentes operaciones a determinadas temperaturas. semiconductores sensores de temperatura. resistencias de platino. etc. Un termistor es un dispositivo que cambia su impedancia dependiendo de la temperatura. La impedancia del termistor es leída por un sistema de control. Por ejemplo. pero la mayoría de las veces el componente real de lectura de temperatura es el termistor. net/termografia http://www. Todos o algunos de ellos son utilizados en la industria para medir esta variable en los procesos. saber de que manera cuidarlos e incluso como mejorarlos.com.mx/a. debe ser considerada .sabelotodo. Soisson Limusa http://www.nivelatermografia. por lo que en muchos casos. La transferencia de calor es una constante en todos los fenómenos físicos.html .mx/c.mantenimientopredictivo.arpisa. Existen una gran variedad de métodos de medición de temperatura.htm http://www.html http://www. dependiendo de la sofisticación y requerimientos de la calidad del producto que requiera esta empresa.arpisa. Conocer el funcionamiento de estos dispositivos nos permite. En este trabajo hemos expuesto algunos de los más importantes y utilizados en la actualidad.CONCLUSIONES El hecho de poder medir. saber manejarlos.html http://www. saber calibrarlos. controlada y registrada. conocerlos. medida.com. de acuerdo a grandes descubrimientos hechos en el pasado y en la actualidad.com/fundamentos_termografia. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS Instrumentación Industrial Antonio Creus 8ª Edición Alfaomega Instrumentación Industrial Harold E.org/electrotecnia/termostato. permite el conocimiento y comprensión de los fenómenos físicos.