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2.4 MEDICIN DE TEMPERATURA

La medida de temperatura constituye una de las ms comunes y ms importantes que se

efectan en los procesos industriales.

Los instrumentos de temperatura utilizan diversos fenmenos que son influidos por latemperatura y entre los cuales figuran:

Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (slidos, lquidos o gases);

Variacin de resistencia de un conductor (sondas de resistencia);

Variacin de resistencia de un semiconductor (termistores);

f.e.m. creada en la unin de dos metales distintos (termopares);

Intensidad de radiacin total emitida por el cuerpo (pirmetros de radiacin);etc.

Las unidades de temperatura son C, F, K, Rankine, Reamur, la conversin mas comn

es de C a F.

A continuacin se describirn los instrumentos de temperatura empleados ms

comnmente.

2.4.1 TERMMETRO DE VIDRIO.

El termmetro de vidrio consta de un depsito de vidrio que contiene, por ejemplo,

mercurio y que al calentarse se expande y sube en el tubo capilar.

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Los mrgenes de trabajo de los fluidos empleados son:

2.4.2 TERMMETRO BIMETLICO.

Los termmetros bimetlicos se fundan en el distinto coeficiente de dilatacin de

dos metales diferentes, tales como latn, monel y acero y una aleacin de

ferronquel o invar laminados conjuntamente. Las lminas bimetlicas pueden ser

rectas o curvas, formando espirales o hlices. El principio de medicin es que

volumen del bimetal vara con la temperatura.

Ventajas:

Menos sujetos a quiebre que los de vidrio y ms fciles de leer.

Simples y de bajo costo.

Admiten ser colocados en diferentes posiciones.

Desventajas:

Estn confinados a mediciones locales.

La precisin no es tan buena como la de los sensores de tubo de vidrio. (Rango:

-70 hasta +500 C).

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2.4.3 TERMMETRO DE BULBO Y CAPILAR.

Los termmetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un

capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el lquido en el

bulbo se expande y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala

para indicar la elevacin de la temperatura en el bulbo.

Hay cuatro clases de este tipo de termmetros:

Clase I : Termmetros actuados por lquidos.

Clase II : Termmetros actuados por vapor.

Clase III : Termmetros actuados por gas.

Clase IV : Termmetros actuados por mercurio.

2.4.3.1 Clase I: Sistemas llenos con lquidos.

Se caracterizan en que la dilatacin es proporcional a la temperatura, por lo que la escala

de medicin resulta uniforme. Los lquidos que se utilizan son alcohol y ter.

2.4.3.2. Clase II: Sistemas llenos con vapor.

Estos termmetros contienen un lquido voltil y se basan en el principio de presin de

vapor. Al subir la temperatura aumenta la presin de vapor del lquido. La escala

de medicin no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando

hacia la parte ms alta de la escala. La presin en el sistema depende solamente de la

temperatura en el bulbo.

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Si la temperatura del bulbo (temperatura medida) es mayor que la temperatura

ambiente, el capilar y el elemento de medicin estn llenos de lquido (Clase IIA), siendo

necesario corregir la indicacin en la diferencia de alturas entre el bulbo y

elemento de medicin.

Si la temperatura medida es ms baja que la ambiente, el sistema se llena de vapor (Clase

IIB).

Si la temperatura medida opera a una temperatura superior e inferior a la

temperatura ambiente (Clase IIC), se utiliza un bulbo grande como para operar en

clase IIA y IIB. Es importante mencionar que en este sistema la temperatura medida

no debe cruzar la temperatura ambiente.

La Clase IID trabaja con la temperatura de medicin superior, igual e inferior a la

ambiente, empleando otro lquido no voltil para transmitir la presin de vapor.

2.4.3.3 Clase III: Sistemas llenos de gas.

En estos termmetros, al subir la temperatura, la presin del gas aumenta

proporcionalmente y por lo tanto estos termmetros tienen escalas lineales.

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Otras caractersticas de estos termmetros son:

Se llenan con gases inertes (N o He).

Pueden operar a temperaturas muy bajas (-268C) o muy altas (760C).

Mximo span: sobre los 600C.

Mnimo span: 220C convencionales 65C especiales.

Constante de tiempo: 1 - 4 segundos

Sobreproteccin: 150 - 300% del mx. temp.

2.4.3.4 Clase IV: Sistemas con Mercurio.

Estos termmetros son similares a los de clase I. Sus principales caractersticas son:

Rango desde -40 hasta 650 C.

Span desde 28 hasta 667 C

Velocidad de respuesta ms rpida que los otros sistemas de lquidos, pero ms

lenta que los sistemas de gas.

Sobreproteccin mnima: 100%

2.4.4 TERMORESISTENCIAS (RTD).

La medida de temperatura utilizando sondas de resistencia depende de las

caractersticas de resistencia en funcin de la temperatura que son propias del elemento

de deteccin.

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 cermica.

El material que forma el conductor se caracteriza por el llamado "coeficiente de

temperatura de resistencia" que expresa, a una temperatura especificada, la variacin de

la resistencia en ohmios del conductor por cada grado que cambia su temperatura. La

relacin entre estos factores puede verse en la expresin lineal siguiente:

Rt = R0 (1 + at)

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En la que:

R0 = Resistencia en ohmios a 0C.

Rt = Resistencia en ohmios t C.

a = Coeficiente de temperatura de la resistencia.

El detector de temperatura de resistencia (RTD) se basa en el principio segn el cual la

resistencia de todos los metales depende de la temperatura. La eleccin del platino en los

RTD de la mxima calidad permite realizar medidas ms exactas y estables hasta

una temperatura de aproximadamente 500 C. Los RTD ms econmicos utilizan

nquel o aleaciones de nquel, pero no son tan estables ni lineales como los que emplean

platino.

En cuanto a las desventajas, el platino encarece los RTD, y otro inconveniente es el

auto calentamiento. Para medir la resistencia hay que aplicar una corriente, que,

por supuesto, produce una cantidad de calor que distorsiona los resultados de la medida.

La variacin de resistencia de las RTD es medida con un puente de Wheatstone

dispuesto en montajes de dos hilos, de tres hilos o de 4 hilos, segn sean los hilos

de conexin de la sonda a la resistencia del puente.

En el montaje de dos hilos la RTD se conecta a uno de los brazos del puente y se vara R3

hasta que se anula la desviacin del galvanmetro. En ese instante, se cumple la ecuacin.

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Es el montaje ms sencillo, pero presenta la desventaja de que la resistencia de los hilos A

y B de conexin de la sonda al puente vara cuando cambia la temperatura, y esta

variacin falsea por tanto la indicacin. En efecto, la ecuacin anterior pasa a:

dnde:

K = Coeficiente de resistencia por unidad de longitud.

A y B = Longitudes de los hilos de conexin de la RTD al puente.

En el montaje de tres hilos, la RTD est 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 esta influye a la vez en dos brazos adyacentes del puente,

siendo la nica condicin que la resistencia de los hilos A y B sea exactamente la misma.

En efecto, de la figura 2.4.7 puede verse que la ecuacin correspondiente es:

y como KA=KB, haciendo R2 /R1=1, R3 puede ajustarse a un valor igual a RTD para que el

galvanmetro no indique tensin.

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El montaje de cuatro hilos se utiliza para obtener la mayor precisin posible en la medida,

como es el caso de calibracin de patrones de resistencia en laboratorio. Se basa en

efectuar dos mediciones de la resistencia de la sonda combinando las conexiones de

modo tal que la RTD pase de un brazo del puente al adyacente. De este modo se

compensan las resistencias desiguales de los hilos de conexin y el valor de la

resistencia equivale al promedio de los valores determinados en las dos mediciones.

Para estos casos, la medicin automtica 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.

Otra tcnica usada para la determinacin de resistencia es la de RTD de 4 cables con

fuente de corriente (figura 2.4.9). Esta tcnica mide la resistencia en los terminales

del RTD, con lo cual la resistencia de los hilos queda eliminada de la medida.

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La adicin de un microprocesador a la sonda de resistencia permite obtener un

transmisor inteligente con la posibilidad del cambio automtico del sensor o del campo

de medida, la obtencin por hardware o software de puentes de Wheatstone, etc.

2.4.5 TERMISTORES.

Los Termistores son semiconductores electrnicos con un coeficiente de

temperatura de resistencia negativo de valor elevado y que presentan una

curva caracterstica lineal tensin-corriente siempre que la temperatura se mantenga

constante.

La relacin entre la resistencia y la temperatura viene dada por la expresin.

=

En la que:

Rt = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta Tt.

R0 = Resistencia en ohmios a la temperatura absoluta de referencia T0.

= constante dentro de un intervalo moderado de temperaturas.

Hay que sealar que para obtener una buena estabilidad en los termistores es

necesario envejecerlos adecuadamente.

Los termistores de conectan a puentes de Wheatstone convencionales o a otros

circuitos de medida de resistencia. En intervalos amplios de temperatura, los

termistores tienen caractersticas no lineales. Al tener un alto coeficiente de

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temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y

permiten incluso intervalos de medida de 1C (span). Son de pequeo tamao y su

tiempo de respuesta depende de la capacidad trmica y de la masa del termistor

variando de fracciones variando de fracciones de segundo a minutos.

La distancia entre el termistor y el instrumento de medida puede ser considerable

siempre que el elemento posea una alta resistencia comparada con la de los cables de

unin. La corriente que circula por el termistor a travs del circuito de medida debe ser

baja para garantizar que la variacin de resistencia del elemento sea debida

exclusivamente a los cambios de temperaturas del proceso.

Los termistores encuentran su principal aplicacin en la compensacin de

temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacumetros.

Los termistores, que son detectores resistivos fabricados normalmente de

semiconductores cermicos, ofrecen las siguientes ventajas:

Una impedancia mucho ms alta que los RTD, por lo que la reduccin de los

errores provocados por los hilos conductores hace bastante factible el uso de la

tcnica de dos hilos, que es ms sencilla.

Su alto rendimiento (un gran cambio de resistencia con un pequeo

cambio de temperatura) permite obtener medidas de alta resolucin y reduce

an ms el impacto de la resistencia de los hilos conductores.

La bajsima masa trmica del termistor minimiza la carga trmica en eldispositivo sometido a prueba.

Desventajas:

La baja masa trmica tambin plantea un inconveniente, que es la posibilidad

de un mayor auto calentamiento a partir de la fuente de alimentacin

utilizada en la medida.

Falta de linealidad, lo que exige un algoritmo de linealizacin para

obtener unos resultados aprovechables.

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6.7 Termopares

6.7.1 Leyes, curvas y tablas caractersticas, tubos deProteccin y su seleccin

El termopar se basa en el efecto, descubierto por Seebeek en 1821, de la circulacin de

una corriente en un circuito cerrado formado por dos metales diferentes cuyas uniones

(unin de medida o caliente y unin de referencia o fra) se mantienen a distinta

temperatura.

Esta circulacin de corriente obedece a dos efectos termoelctricos combinados, el efecto

Peltier (ao 1834) que provoca la liberacin o absorcin de calor en la unin de los

metales distintos cuando una corriente circula a travs de la unin y el efecto Thomson

(ao 1854), que consiste en la liberacin o absorcin de calor cuando una corriente circula

a travs de un metal homogneo en el que existe un gradiente temperaturas.

El efecto Peltier puede ponerse de manifiesto en el montaje. En una cruz trmica formada

por la unin en su centro de dos metales distintos se hace pasar una corriente en uno u

otro sentido, con el interruptor K2 abierto. Despus de cada paso de corriente se abre K1

(desconectndose la pila) y se cierra K2 leyendo en el galvanmetro la f.e.m. creada, quees proporcional a la temperatura alcanzada por la cruz trmica en cada caso.

Se observar que restando el calentamiento hmico, que es proporcional al cuadrado de

la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulacin de la

corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales

que forman la unin.

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El efecto Thomson puede detectarse en el circuito de la _ gura 6.18b formado por una

barra metlica MN, con un termopar diferencial AB aislado y una bobina H para

calentamiento elctrico centrada con relacin a AB. En rgimen, calentando con la bobina

H uno de los puntos, el B por ejemplo, se presentar una diferencia de temperaturas conel A, lo que se acusar en el galvanmetro; si ahora se hace pasar una corriente por la

barra MN, se notar un aumento o disminucin de la temperatura diferencial con el

efecto contrario si se invierte la corriente.

La combinacin de los dos aspectos, el de Peltier y el de Thomson, es la causa de la

circulacin 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, por lo que, durante la

medicin, debe hacerse mnimo su valor.

Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres

leyes fundamentales:

1. Ley del circuito homogneo. En un conductor metlico homogneo no puede sostenerse

la circulacin de una corriente elctrica por la aplicacin 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 metlicos

intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directoA y B.

3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones

a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus unionesa T1 y T2, y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

Por estas leyes, se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequea tensin

continua, proporcional a la temperatura de la unin de medida, siempre que haya una

diferencia de temperaturas con la unin de referencia. Los valores de esta f.e.m. estn

tabulados en tablas de conversin con la unin de referencia a 0 C. En la figura se

presentan las curvas caractersticas de los termopares, que pueden utilizarse como gua

en la seleccin de los mismos.

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La seleccin de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una

resistencia adecuada a la corrosin, a la oxidacin, a la reduccin y a la cristalizacin, que

desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo coste y de baja

resistencia elctrica, y que la relacin entre la temperatura y la f.e.m. sea tal que el

aumento de sta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura.

Los termopares ms comunes son:

Termopar tipo E, de Nquel-Cromo (cromel/Cobre-Nquel (constatan). Puede usarse envaco o en atmsfera inerte o medianamente oxidante o reductora. Este termopar posee

la f.e.m. ms alta por variacin de temperatura. Es adecuado para temperaturas entre -

200 C y +900 C. Alta sensibilidad (68 V/C).

Termopar tipo T, de Cobre/Cobre-Nquel (constatan). Tiene una elevada resistencia a la

corrosin por humedad atmosfrica o condensacin y puede utilizarse en atmsferas

oxidantes o reductoras. Se pre_ ere, generalmente, para las medidas de temperatura

entre -200 C y +260 C.

Termopar tipo J, de Hierro/Cobre-Nquel (constatan). Es adecuado en atmsferas inertesy para temperaturas entre -200 C y 1.200 C. La oxidacin del hilo de hierro aumenta

rpidamente por encima de 550 C, siendo necesario un mayor dimetro del hilo hasta

una temperatura lmite de 750 C. Tambin es necesario tomar precauciones a

temperaturas inferiores a 0 C debido a la condensacin del agua sobre el hierro.

Termopar tipo K, de Nquel-Cromo (cromel) /Nquel-Aluminio (alumel). Se recomienda

en atmsferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 C y 1.250 C. No debe ser

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utilizado en atmsferas reductoras ni sulfurosas, a menos que est protegido con un tubo

de proteccin. Se u_ liza para temperaturas entre -40 C y 1.100 C .

Termopar tipo R (Pla_ no-13% Rodio/Pla_ no). Se emplea en atmsferas oxidantes y

temperaturas de trabajo de hasta 1.500 C. Es ms estable y produce una f.e.m. mayor

que el tipo S. Poca sensibilidad (10 V/C).

Termopar tipo S (Pla_ no-10% Rodio/Platino), de caractersticas similares al tipo R. Poca

sensibilidad (10 V/C).

Tipo B (Pla_ no-30% Rodio/Pla_ no-6% Rodio), adecuado para altas temperaturas hasta

los 1.800 C. Poca sensibilidad (10 V/C).

Termopar tipo N (84,6% Nquel-14% Cromo-1,4% Silicio)/(95,6% Nquel-0,4% Silicio).

Protegido con aislamiento de xido de berilio y camisa de molibdeno y de tantalio, se

emplea en atmsferas inertes o en vaco a las temperaturas de trabajo de 0 C a 2316 C.

Se utiliza, cada vez con mayor frecuencia, para sustituir al tipo K, presentando una mejor

estabilidad y una mejor resistencia a la oxidacin a altas temperaturas.

Otros termopares de uso reciente son:

Tipo C (Tungsteno-5% Renio/Tungsteno-26% Renio) (ASTME 988), con temperaturas de

trabajo entre 0 C y 2320 C.

Tipo D (Tungsteno-3% Renio/Tungsteno-25% Renio) (ASTME 988), con temperaturas de

trabajo entre 0 C y 2495 C.

Tipo G (Tungsteno/Tungsteno-26% Renio), con temperaturas de trabajo entre 0 C y

2320 C.

Tipo L (Hierro/Cobre-Nquel) (DIN 43710), similar al tipo J, con temperaturas de trabajoentre

-200 C y +900 C.

Tipo U (Cobre/Cobre-Nquel) (DIN 43710), similar al tipo T, con temperaturas de trabajo

entre

-200 C y +600 C.

La tabla 6.7 muestra las tolerancias de las clases de termopares y el intervalo de

temperaturas de trabajo.

6.7.2 Circuitos galvanomtrico, potencimetrico

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El circuito galvanomtrico se basa en la desviacin de una bobina situada entre dos polos

de un imn permanente, al pasar la corriente del elemento primario a su travs. El paso

de esta corriente produce un campo magntico que se opone al del imn permanente, y la

bobina mvil gira hasta que el par magntico correspondiente es equilibrado por el par de

tensin del muelle. Una aguja indicadora, que est unida rgidamente a la bobina mvil, se

desplaza a lo largo de una escala graduada, calibrada en las unidades de medida. Lasvariaciones de temperatura pueden influir en la resistencia elctrica del circuito de

medida, y para anularlas se u_ liza una resistencia de coeficiente de temperatura negativo

(NTC), llamada resistencia de compensacin. Asimismo, los cables de conexin al

termopar pueden variar de resistencia con la temperatura y afectar a la exactitud de la

medida.

El circuito potenciomtrico est representado en la _ gura 6.24 y consta de una fuente de

tensin constante V que alimenta los dos brazos del circuito, con corrientes I1 e I2. El

termopar T est conectado al brazo inferior E y, a travs de un miliampermetro, al

restato R. La posicin R del cursor del restato R indica la temperatura del proceso

cuando no pasa corriente por el miliampermetro, es decir, cuando el punto C del cursor

de restato R y el punto E estn a la misma tensin.

Al circuito se le incorpora un dispositivo de auto equilibrio que sustituye al

miliampermetro por un amplificador. Mientras exista una diferencia de potencial, entre la

f.e.m. desarrollada por el termopar y la tensin dada por el cursor del restato R, el

circuito amplificador excitar el motor de equilibrio hasta que la posicin del cursor sea lacorrecta para la temperatura del proceso captada por el termopar. As, pues, la posicin

del cursor representa mecnicamente la f.e.m. generada por el termopar y, por lo tanto,

su temperatura. La resistencia Rni compensa las variaciones de temperatura en la unin

de referencia del termopar. Absorbe una tensin equivalente a la f.e.m. que tendra el

termopar con la unin caliente a la temperatura de la caja del instrumento y la unin fra a

0 C.

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El circuito tambin tiene una resistencia Rd de proteccin contra rotura del termopar o del

cable de compensacin. Esta resistencia es de valor elevado, y la intensidad que circula a

su travs origina una cada de tensin que se suma a la generada por el termopar,

produciendo un corrimiento de cero.

Esta cada de tensin es despreciable y no influye en condiciones normales de trabajo. Sin

embargo, ante la rotura del termopar, la resistencia Rd cierra el circuito del amplificadorlo suficiente para que el cursor del restato se desplace hasta el tope de la escala y pueda

accionar una alarma.

6.7.4 Verificacin de un instrumento y de un termoparLa comprobacin del instrumento con compensacin de la temperatura ambiente se

efecta de la forma siguiente:

Se utilizan las tablas de conversin de f.e.m. referidas a 0 C de la unin fra para

determinar la f.e.m. en mV correspondiente a la temperatura del proceso (t) y la f.e.m.

debida a la temperatura ambiente (la medida con un termmetro de mercurio colocado al

lado del instrumento). Se restan estas f.e.m., ya que en condiciones normales de trabajo el

instrumento recibir la fuerza electromotriz (V - Va) y marcar la temperatura (t)

correspondiente a la f.e.m., puesto que tiene compensacin de temperatura ambiente.

Por lo tanto, generando con el potencimetro (generador de mV) dicha f.e.m., el

instrumento deber marcar la temperatura (t). En caso contrario, el instrumento estar

des calibrado. Un ejemplo aclarar la explicacin anterior.

Sea un instrumento de escala 0-700 C tipo J, con compensacin de temperatura

ambiente. Se trata de comprobarlo para la temperatura de 700 C. Se conecta el

potencimetro generador de mV al aparato y con un termmetro de mercurio adosado se

lee 20 C. Consultadas las tablas de conversin del termopar tipo J se encuentran los

siguientes valores:F.e.m. correspondiente a 700 C = 39,1 mV.

F.e.m. correspondiente a 20 C = 1,019 mV.

Diferencia = 38,111 mV.

As pues, generando con el potencimetro una f.e.m. de 38,111 mV, el ndice (o el valor

digital) indicador de la temperatura deber situarse en 700 C, si est bien calibrado. En

los potencimetros con microprocesador, la operacin es ms sencilla, ya que el aparato

tiene compensacin de temperatura de la unin fra y dispone, en memoria, de los valores

f.e.m./temperatura para los diferentes _ pos de termopares industriales o bien de las

funciones polinmicas de los valores de la f.e.m. en funcin de la temperatura, por lo quebastara situar, directamente, bien 700 C, bien 38,111 mV.

Los termopares estn expuestos a condiciones del proceso que pueden provocar una

degradacin de los materiales metlicos que los forman, por lo que el termopar puede

dejar de cumplir con las tablas de f.e.m. que le correspondan y precisar su sustitucin.

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La verificacin de la f.e.m. de un termopar se efecta de la siguiente forma. En este caso,

el potencimetro generador de milivoltios est conectado a los bornes del termopar y se

dispone de un instrumento patrn (conectado a un termopar patrn) que mide la

temperatura real (t) del proceso.

Un termmetro de mercurio, colocado al lado del potencimetro, dar la temperaturaambiente (ta). Utilizando las tablas de conversin se sumarn la f.e.m. Vp leda en el

potencimetro y la Va correspondiente a la temperatura ta, ya que dentro del

potencimetro se encuentra la junta fra y la f.e.m. leda es menor en un valor Va

(correspondiente a ta) a la V que se obtendra si la unin fra estuviera a 0 C.

Un ejemplo aclarar la explicacin.

Sea un termopar tipo J de hierro-constatan a verificar. Conectado el potencimetro se lee

una f.e.m. de 38,111 mV. El termmetro de mercurio situado sobre la caja da una

temperatura ambiente de 20 C. Consultadas las tablas de conversin se encuentra una

f.e.m. de 1,019 mV para el termopar tipo J a 20 C.

La f.e.m. que generara el termopar con la unin fra a 0 C sera:

38,111 + 1,019 = 39,130 mV que en la tabla de conversin corresponde a 700 C.

Esta es, pues, la temperatura que otro termopar patrn conectado a otro instrumento

patrn debera sealar. De no ser as, el termopar sera defectuoso o estara envejecido.

Hay que sealar que los razonamientos expuestos en los dos casos estn basados en la ley

de las temperaturas sucesivas, expuesta al inicio del estudio de los termopares.

Si el potencimetro fuera digital con compensacin de temperatura, directamente leera

700 C, con lo que la verificacin es mucho ms cmoda.

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PIRMETROS DE RADIACIN

Los pirmetros de radiacin se fundan en la ley de Stefan-Boltzmann, que dice que la

intensidad de energa radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta

proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta (Kelvin) del cuerpo, es

decir

:

En la figura 6.26 se representa un grfico de energa radiante de un cuerpo negro a varias

temperaturas, en funcin de la longitud de onda (Ley de Planck de emisin trmica de la

energa radiante).

Desde el punto de vista de medicin de temperaturas industriales, las longitudes de onda

trmicas abarcan desde 0,1 micras, para las radiaciones ultravioletas, hasta 12 micras,

para las radiaciones infrarrojas

Los pirmetros de radiacin miden, pues, la temperatura de un cuerpo a distancia en

funcin de su radiacin. Los instrumentos que miden la temperatura de un cuerpo en

funcin de la radiacin luminosa que este emite, se denominan pirmetros pticos de

radiacin parcial o pirmetros pticos y los que miden la temperatura captando toda o

gran parte de la radiacin emitida por el cuerpo, se llaman pirmetros de radiacin total.

Pirmetros pticos

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Los pirmetros pticos manuales se basan en la desaparicin del filamento de una

lmpara al compararlo visualmente con la imagen del objeto enfocado. Pueden ser de dos

tipos: a) de corriente variable en la lmpara y b) de corriente constante en la lmpara con

variacin del brillo de la imagen de la fuente (fig 6.26). Los pirmetros pticos

automticos consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas laradiacin del objeto y la lmpara estndar que inciden en un fototubo multiplicador. Este

enva una seal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua

que convenientemente acondicionada modifica la corriente de alimentacin de la lmpara

estndar hasta que coinciden en brillo la radiacin del objeto y la de la lmpara. En este

momento, la intensidad de corriente que pasa por la lmpara es funcin de la

temperatura.

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EL PIRMETRO DE INFRARROJOS

El pirmetro de infrarrojos capta la radiacin espectral del infrarrojo, invisible al ojo

humano, y puede medir temperaturas menores de 700 C, supliendo al pirmetro ptico

que slo puede trabajar, eficazmente, a temperaturas superiores a 700 C, donde la

radiacin visible emitida es significativa.

En la figura 6.27 puede verse un esquema del pirmetro de infrarrojos. La lente filtra la

radiacin infrarroja emitida por el rea del objeto examinado y la concentra en un sensor

de temperatura fotoresistivo que la convierte en una seal de corriente y, a travs de un

algoritmo interno del instrumento y de la emisividad del cuerpo enfocado, la pasa a un

valor de temperatura.

Pirmetro fotoelectronico

Pirmetro fotoelectrnico posee un detector fotoelctrico. La seal de salida depende de

la temperatura instantnea 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 pirmetros trmicos. La tensin elctrica generada por el detector es:

V = K T3

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En la figura 6.28 puede verse la sensibilidad espectral de cuatro detectores fotoelctricos.

Para ampliar la seal, el instrumento interrumpe la misma mediante un disco ranurado a

varios cientos de herz, con lo que se obtiene una seal de c.a. que puede ser amplificadacon un amplificador de c.a. de alta ganancia (figura 6.29).

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6.9.5 Pirmetro de radiacin total

El pirmetro de radiacin total (figura 6.27) capta una banda amplia de radiacin y est

formado por una lente de prex, slice o cloruro de calcio que concentra la radiacin del

objeto caliente en una termopila formada por varios termopares de Pt-Pt/Rh, de

pequeas dimensiones y montados en serie. La radiacin est enfocada, incidiendodirectamente en las uniones calientes de los termopares.

Su reducida masa les hace muy sensibles a pequeas variaciones de la energa radiante y,

adems, muy resistentes a vibraciones o choques. La parte de los termopares expuesta a

la radiacin est ennegrecida, para comportarse como un cuerpo negro, aumentando as

sus propiedades de absorcin de energa y proporcionando la mxima f.e.m.

La f.e.m. que proporciona la termopila depende de la diferencia de temperaturas entre la

unin caliente (radiacin procedente del objeto enfocado) y la unin fra, y es

compensada mediante una resistencia de nquel conectada en paralelo con los bornes de

conexin del pirmetro y colocada en su interior, de modo que su temperatura es siempre

igual a la del cuerpo de ste. Al aumentar la temperatura ambiente aumenta el valor de la

resistencia de la bobina de nquel, lo que compensa la prdida de f.e.m. de la termopila

que acompaa el calentamiento del cuerpo del instrumento.

6.10 Velocidad de respuesta de los instrumentos de temperatura

La constante de tiempo de un instrumento es el tiempo necesario para que alcance el

63,2% de la variacin total de temperatura que experimenta. Es decir, si un instrumento

cuya sonda o elemento primario pasa de un recinto de 70 C a otro de 270 C puede

alcanzar el 63,2% de la diferencia, 270 - 70 = 200 C, en 0,1 segundo; este tiempo ser la

constante de tiempo de la medida con el instrumento (figura 6.39).

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Los elementos primarios elctricos, sondas de resistencia, termistores, termopares y

pirmetros de radiacin se caracterizan porque el tiempo de respuesta depende,

nicamente, del intercambio trmico entre el fluido y el elemento, ya que la corriente

elctrica circula por los cables de conexin a la velocidad de la luz, directamente al

receptor.

En la sonda de resistencia, la masa a calentar est formada por una bobina de hilo

arrollada en un ncleo y embebida en una cpsula rgida. Vase la curva de respuesta en

la figura 6.41.

Los termistores son de pequeo tamao y su tiempo de respuesta vara de fracciones desegundo a minutos, de acuerdo con su capacidad trmica, dada por el tamao y forma del

elemento sensible.

En el termopar, dos hilos soldados en un extremo constituyen la masa a calentar, que

depende de la galga o dimetro de los hilos y de la forma de la soldadura, hilo torcido o

soldado a tope (figura 6.42).

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El pirmetro de radiacin (figura 6.43) responde rpidamente a los cambios en la

temperatura por dos razones principales: la captacin de energa radiante es

prcticamente instantnea y la masa de la termopila es muy pequea.

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6.11 Tabla comparativa de caractersticasEn la tabla 6.12 puede verse un resumen de caractersticas de los instrumentos de temperatura

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