Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas.

Facultad de Ingeniera

Ingeniera Elctrica

Materia: Instrumentacin y Medidas.

SENSORES DE TEMPERATURA

Revisado por: Ing. William Riao. Realizado por: Andrs Viveros 20071007002 Edison Quinchanegua 20092007062 Juan David Durn Surez 20082007042

Contenido

Termocuplas

Tipos de termmetros

Termistores

Pirmetros

Termorresistencia

Termocuplas.

Que es una Termocupla. Funcionamiento. Tipos de termocuplas.

Tipo B Tipo R Tipo S Tipo J Tipo K Tipo T Tipo E

Aplicaciones. Desventajas de las termocuplas Normas de calibracin.

Que es una Termocupla.

Es un transductor o sensor de temperatura compuesto por una unin bimetlica que se encuentra a diferentes temperaturas, una tomada como referencia y la otra como una temperatura desconocida.

Las termocuplas estn encapsuladas, las capsulas son puestas a tierra debido a que en el ambiente se presentan campos magnticos que pueden generar corrientes parsitas. (1)

Fig. 1. Representacin grfica de la Termocupla. (1)

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de una Termocupla se basa en la generacin de una pequea seal de voltaje que va en relacin al cambio de temperatura de la unin bimetlica.

Fig. 2. Comportamiento de una Termocupla al cambio de temperatura, funcionamiento, tubo de proteccin cermico. (1)

El circuito esta basado en el efecto Seebeck es decir, en una parte de la unin bimetlica se conoce una temperatura, mientras que en la otra se desconoce la misma. (2)

Tipos de Termocuplas Tipo B

Compuesto por dos metales en aleacin como platino y rodio en diferentes proporciones.

Ventajas

-Su capacidad para medir temperaturas levemente mas altas, mayor estabilidad y resistencia mecnica.

-Su uso puede ser en ambientes con temperaturas hasta de 1.700 C y usadas continuamente en ambientes oxidantes o inertes.

-Pueden ser usadas durante cortos periodos de tiempo en el vaco

Tipos de Termocuplas Tipo R

Las termocuplas tipo R estn compuestas por una aleacin de platino y 13% de Rodio pueden ser utilizadas en forma continua en atmosferas oxidantes o inertes hasta 1.450C No son tan estables como las tipo B en el vaco.

Tiene mayor FEM de salida comparada con la de tipo B.

Fig. 3. Ejemplo de una Termocupla tipo R. (1)

Tipos de Termocuplas Tipo S

Este tipo de aleacin es original de rodio y platino, su punto de operacin

es tomado como referencia internacional para los dems dispositivos o termopares en diferentes proporciones de aleaciones Rodio-Platino.

El rango de operacin de estos termopares es de 0-1450 C.

Fig. 1. Ejemplo de una Termocupla tipo S. (2)

Tipos de Termocuplas Tipo J

La Termocupla de tipo J presenta una aleacin de Cobre-Nquel (Constantn)en el terminal negativo de la juntura, y Hierro en el terminal positivo.

Son efectivas para el uso en atmosferas oxidantes, reductoras e inertes.

Este tipo de Termocupla es de bajo costo.

Puesto que el Hierro puro se oxida rpidamente es necesario disear una Termocupla con un mayor dimetro segn la necesidad y el ambiente de aplicacin.

Fig. 4. Ejemplo de una Termocupla tipo J. (2)

Tipos de Termocuplas Tipo K

Este tipo se conoce como Chromel-Alumel.

Aleacin de metales: 90% Nquel y 10% de Cromo, la otra terminal lleva 95% de Nquel y el 5% con aluminio silicio y manganeso.

Este tipo de Termocupla es mas usada industrialmente debido a su gran rango de operacin.

Fig. 5. Ejemplo de una Termocupla tipo J. (2)

Tipos de Termocuplas Tipo T

Este tipo de Termocupla posee aleacin llamada Constantn.

Resulta bastante aplicable en atmosferas oxidantes, reductoras en inertes.

Su rango de temperatura es muy corto.

Fig. 5. Ejemplo de una Termocupla tipo J. (2)

Tipos de Termocuplas Tipo E

Aleacin de Nquel-Cromo y de Cobre-Nquel

Este tipo se desempea satisfactoriamente en atmosferas oxidantes e inertes, adems de hmedas.

Trabaja a bajas temperaturas debido a su gran respuesta de FEM en sus terminales.

Los alambres de este tipo de aleacin poseen buena conductividad trmica.

Fig. 5. Ejemplo de una Termocupla tipo E (2)

Curvas de comparacin tipos de Termocuplas

Fig. 6. Curvas de respuesta de las termocuplas (2)

Desventajas de las termocuplas

Los termopares por estar constituidos a base de dos metales se corroen u oxidan haciendo que su precisin cambie al pasar el tiempo, debe hacerse calibracin continuamente.

La calibracin de los termopares es complicada, esto se debe hacer a partir de una que ya est calibrada.

Debido a que unos de los tipos presentan bajo nivel de FEM es necesario tratar la seal, esto cambia tambin a travs del tiempo aumentando la cantidad de errores en la medida.

Fig. 7. Diagrama de un sistema piro-mtrico. (2)

Usos de las termocuplas

La Termocupla K se usa tpicamente en hornos de fundicin a temperaturas menores de 1300 C.

Las temperaturas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderrgica (fundicin de acero)

Las tipo T eran usadas hace algn tiempo en la industria de alimentos, reemplazadas por las termo-resistencias

Normas internacionales.

Las termocuplas se deben calibrar y tener en cuenta los estndares internacionales de acuerdo a.

Segn la norma NTC 4494 calibracin de termocuplas () dice:

La evaluacin precisa de la relacin de temperatura vs fuerza electromotriz (fem) se logra determinando su produccin de fem en cada serie de temperaturas medidas. Las calibraciones se llevan a cabo a los intervalos de temperatura apropiados para los tipos individuales, dentro de un intervalo total de - 180 C a 1 700 C (-290 F a 2 660 F) aproximadamente.

En general, este mtodo de ensayo se aplica a termocuplas de alambre desnudo o a termocuplas cubiertas con funda (enfundada). Puede ser necesario tener cuidado especial con estas ltimas, para controlar las prdidas de conduccin trmica. (3)

Termmetros.

Tipos de Termmetros

Termmetro de Vidrio

Termmetro Bimetlico

Termmetro de bulbo y capilar

Termmetro de Resistencia (Termo-resistencias o RTD)

Termmetro de Vidrio

Fig. 8. Partes del termmetro.

Fig. 9. Capilaridad del termmetro de mercurio y del orgnico..

Cuando la temperatura aumenta, el lquido interno se dilata y asciende por el capilar. La temperatura se puede leer en una escala situada junto al capilar. El termmetro de mercurio es muy utilizado para medir temperaturas ordinarias; tambin se emplean otros lquidos como alcohol o ter.

Termmetro Bimetlico

Fig. 10. Tipos de Termmetro bimetlico.

Es un dispositivo para determinar la temperatura que aprovecha el desigual coeficiente de dilatacin de dos lminas metlicas de diferentes metales unidas rgidamente.

Los cambios de temperatura producirn en las lminas diferentes expansiones y esto har que el conjunto se doble en arco.

Ventajas y desventajas de los termmetros Bimetlicos

Ventajas Lectura mas fcil

Simples y de bajo costo

Pueden ser colocados en diferentes posiciones

Menos posibilidad de quiebre que los de vidrio

Desventajas Solo para mediciones locales

Medicin no es tan precisa como los sensores de tubo de vidrio -70C hasta +500 C

Termmetro de bulbo y capilar

Se dividen en 4 clases :

Clase I : Termmetros actuados por lquidos

Clase II: Termmetros actuados por vapor

Clase III: Termmetros actuados por gas

Clase IV: Termmetros actuados por mercurio

Clase I : Termmetros actuados por lquidos

Fig. 11. Termmetro actuado por lquido.

Clase II: Termmetros actuados por vapor

Contienen liquido voltil y se basan en el principio de presin de vapor.

Al subir la temperatura, aumenta la presin de vapor del lquido.

Se subdividen en :

Clase II-a

Clase II-b

Clase II-c

Clase II-d

Fig. 12. Ejemplo Termmetro actuado por Vapor.

Clase II -a Clase II -b

Clase II: Termmetros actuados por vapor (clase a y b)

Clase II: Termmetros actuados por vapor (clase c y d)

Clase II -c Clase II -d

Clase III: Termmetros actuados por gas

Se llenan con gases inertes (Nitrgeno o Helio)

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

Mximo Span: Sobre los 600C

Mnimo Span: 220C Convencionales 65C Especiales Constante de tiempo: 1-4 Segundos

Sobreproteccin 150 -300% de mxima temperatura

Clase IV: Termmetros actuados por mercurio

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

Rango de operacin: -40C hasta 650C

Span: desde 20C hasta 650C

Velocidad de respuesta: ms rpida que los otros sistemas de lquidos

Sobreproteccin mnima: 100%

Fig. 13. Ejemplo Termmetro actuado por Mercurio.

Termistores

Los termistores son sensores de temperatura de tipo resistivo. Se dividen en dos grupos: NTC: Presentan coeficiente de temperatura negativo PTC: Coeficiente de temperatura positivo

Ventajas

- Permite tomar medidas de alta resolucin

- Respuesta rpida

- Medida a dos hilos

- Baja masa trmica

- Bajo Coste

Desventajas

- Mayor auto-calentamiento

- No son lineales

- Requieren excitacin

- Margen de medida -70 a 500C

Tipos de encapsulados de los termistores

Fig. 13. Encapsulado de los termistores..

Curvas caractersticas de los termistores NTC y PTC

Graf 2. Curva caracterstica.

La relacin entre resistencia y temperatura del termistor

La relacin de temperatura y resistencia esta dada por:

= 0 (

1

1

0)

R=Resistencia en ohmios a la T absoluta (Tt)

R0= Resistencia en ohmios a la T absoluta de referencia (T0)

B= CTE dentro del intervalo moderado de temperaturas

Ec. 1 Ecuacin de la relacin T-R

Curva de sensibilidad a travs del tiempo

PIROMETROS

Se basan en las leyes de:

Estefan Boltzmann:

Ley de Planck:

Clasificacin

Pirmetros pticos

Son instrumentos que miden promedio de radiacin luminosa emitida.

Pueden ser:

. Manuales

. Automticos

Pirmetro ptico Manual

Pirmetro ptico manual

Fig. 14. Ejemplo de pirmetro ptico manual.

Pirmetro ptico automtico Los pirmetros pticos automticos consisten esencialmente en un disco rotativo que modula desfasadas la radiacin del objeto y la de una lmpara estndar que inciden en fototubo multiplicador. Este enva una seal de salida en forma de onda cuadrada de impulsos de corriente continua 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.

Fig. 14. Principio de funcionamiento.

Pirmetro ptico automtico

Fig. 15. Comparacin temperaturas en los filamentos.

Fig. 16. Ejemplo de pirmetro ptico automtico.

Pirmetros infrarrojos Los pirmetros infrarrojos, tambin conocidos como termmetros infrarrojos, este tipo de pirmetro puede medir la radiacin de energa desde una gran distancia. Hacen esto midiendo longitudes de onda entre 0,7 y 20 micrones.

Fig. 17. Principio de funcionamiento pirmetro infrarrojo.

Fig. 18. Ejemplo del Pirmetro infrarrojo .

Coeficientes de emisin de diferentes cuerpos

Tabla 3. Coeficientes de emisin de algunas sustancias.

Tabla de correccin de s

Tabla 4. Correccin de S.

Pirmetro fotoelctrico

Fig. 20. Principio de funcionamiento de los pirmetros fotoelctricos

Pirmetro fotoelctrico comercial

Fig. 21. Ejemplo de un pirmetro fotoelctrico comercial

Pirmetros de radiacin total

Fig. 23. Principio de funcionamiento de los pirmetros de radiacin total.

Pirmetro de radiacin Comercial.

Termorresistencia

La Termorresistencia trabaja segn el principio de que a medida que vara la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificacin puede relacionarse con la variaciones de temperatura.

Proceder matemtico del la Termorresistencia.

Proceder de la Termorresistencia

O bien puede ser

Donde:

Grafica de resistencia vs temperatura de los materiales

Fig. 23. Resistencia VS temperatura en Nquel, Cobre y Platino.

Caractersticas de algunos materiales semi-resistivos

Tipos de Termorresistencias

GRACIAS POR SU ATENCIN -PREGUNTAS -COMENTARIOS -DUDAS

Bibliografa.

1. Creus, Antonio, Instrumentacin Industrial. Pg. 266.

2. http://www.slideshare.net/blacksaturn/termocupla?from_search=1

3. NTC4494, http://tienda.icontec.org/brief/NTC4494.pdf

4. http://www.ehowenespanol.com/ventajas-desventajas-termopares-lista_89668/ Desventajas de las termocuplas.

5. http://materias.fi.uba.ar/7609/material/S0307MedicionTemperatura2.pdf Medicin en temperatura.}

6. http://camiloherrera-pirometroptico.blogspot.com/2009/05/un-pirometro-tambien-llamado-pirometro.html Tipos de pirmetros.

7. http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/termorresistencias.htm Termorresistencias.