SUMARIO

1. Concepto de temperatura 1 1.1. Los puntos fijos de temperatura 3 1.2. La escala de temperatura de acuerdo a ITS - 90 4

2. Sensores de temperatura 5

2.1. Termocuplas 6 2.2. Termopares estándar 7 2.3. Termopares no nobles 17 2.4. Termopares nobles 19

3. Compensación de junta de referencia 24

3.1. Cables compensados según normas IEC y DIN 26 3.2. Código de colores para cables Compensados y de extensión 29 3.3. Conexión de las termocuplas 29

4. Construcción de las termocuplas 33

4.1. Construcción tipo compactada 34 4.2. Vainas y tubos de protección 38 4.3. Respuesta térmica 51 4.4. Efectos de la velocidad 53 4.5. Tubos de protección cerámicos 54 4.6. Respuesta dinámica de la temperatura en los sensores en general 55 4.7. Medición de la respuesta dinámica 58

5. Termorresistencias 60

5.1. Sensores de termorresistencia estándar 60 5.2. Cálculo del valor de temperatura a partir de su resistencia 62 5.3. Tolerancias 62 5.4. Clases adicionales o tolerancias extendidas 63

6. Construcción de los sensores de termorresistencia 63

6.1. Sensores de temperatura de platino - vidrio tipo PG 64 6.2. Termorresistencias para laboratorio 65

6.3. Sensores de temperatura de platino - cerámica tipo PK 66

6.4. Sensores de temperatura de platino en lámina flexible 67

6.5. Sensores de temperatura de platino - película fina tipo PCA 67

6.6. Sensores de temperatura de platino - película fina, de cuerpo cilíndrico tipo PCR 68

7. Comportamiento de las termorresistencias

a través del tiempo 69 8. Histéresis de termorresistencias 71 9. Errores en las termorresistencias 72

9.1. El efecto de los conductores 72 9.2. Resistencia de aislación insuficiente 73 9.3. Autocalentamiento 74 9.4. Tensiones termoeléctricas parásitas 75 9.5. resistencias térmicas 76 9.6. La función transferencia 77 9.7. Error por conducción de calor 78 9.8. Consejos para reducir el error por

conducción de calor 79 10. Calibración y certificación 81

10.1. Calibración 81 10.2. Servicios de calibración 82 10.3. Certificación 84

11. Conexión de termorresistencias 85

11.1. Circuito de dos hilos 85 11.2. Circuito de tres hilos 86 11.3. Circuito de cuatro hilos 86 11.4. Transmisores de 2 hilos 87

NOTAS • Este trabajo ha sido preparado en base a material suministrado por el Ing. Rolando Navesnik, de Telemeter S.R.L. •Coordinación: Ing. Victor F. Marinescu

MEDICION DE TEMPERATURA MEDIANTE SENSORES DE CONTACTO

1. Concepto de temperatura

Desde un punto de vista físico, calor es la medida de la energía contenida en un cuerpo debido al movimiento irregular de sus moléculas o átomos. Al igual que una pelota de tenis, que posee mayor energía cuando se incrementa su velocidad. La energía interna de un cuerpo o de un gas se incrementa cuando aumenta su temperatura. La temperatura es una variable que, junto con otros parámetros tales como la masa, calor específico, etc., describe la energía contenida en un cuerpo.

La medida básica de la medición de temperatura es el grado Kelvin. A cero grado Kelvin las moléculas de cualquier cuerpo están en reposo y no desarrollan ninguna energía térmica. Por eso no hay posibilidad de temperaturas negativas al cero grado Kelvin, ya que no puede haber un estado de menor energía.

En el uso cotidiano está más divulgado el uso de la escala Celsius (previamente centígrado ). Su cero esta posicionado en el punto de solidificación del agua, dado que este punto es muy fácil de reproducir en la práctica. Extendiendo la escala Celsius a la mínima temperatura posible, donde todo el movimiento molecular cesa, alcanzamos -273,15 °C. Esta temperatura Celsius equivale a 0 °K.

En países de habla germana las diferencias de temperatura se especifican usualmente en grados Kelvin. Por lo tanto la diferencia entre 60 °C y 35 °C es 25 °K. En otros países las diferencias de temperatura se miden en grados Celsius y, por lo tanto, debe aclararse en el contexto si el valor corresponde a una temperatura o a una diferencia de temperatura.

El hombre tuvo la habilidad de medir temperaturas a través de sus sentidos dentro de un rango limitado. Cuantificar la medición de temperatura no le fue posible; sin embargo, la primera forma cuanti-

1

tativa de medición de temperatura fue desarrollada en los comienzos del siglo XVII en Florencia. Dependía de la expansión de una columna de alcohol. La escala fue basada en la máxima temperatura del verano y la mínima del invierno. Cien años mas tarde, el astrónomo sueco Celsius reemplazó ésta por una escala basada en los puntos de ebullición y solidificación del agua. Esto ofreció la posibilidad de que el termómetro pudiera ser escalado, en cualquier momento, entre estos dos puntos, guardando cierta correlación si se usaba el material apropiado.

Una definición inequívoca de la temperatura fue conocida recién en el siglo XIX, a través de las leyes de la termodinámica. En principio esta temperatura puede ser determinada por cualquier método que derive de la segunda ley de la termodinámica. Por ejemplo, despejando de la ecuación general de los gases P.V = n. R.T. donde:

P = Presión de un gas ideal V = Volumen de un gas ideal n = Número de moles R = Constante molar del gas T = Temperatura absoluta en °K

Esta reproduce la relación directa entre la presión, el volumen

y la temperatura de un gas ideal. Por lo tanto, la temperatura puede ser determinada midiendo la presión del gas. Este método no requiere materiales característicos y factores de conversión tales como coeficiente de dilatación, definición de longitud, etc. Este es el caso de los termómetros a mercurio.

En los institutos de metrología la temperatura es determinada generalmente con estos tipos de termómetros de gas. El método es extremadamente complejo y dificultó un acuerdo, el que fue alcanzado recién en 1927 cuando se creó la escala práctica de temperaturas, la cual reproduce la escala de temperatura termodinámica tan precisa como era posible.

La escala practica de temperatura usualmente refiere a un instrumento de medición en particular o a las propiedades de un material especifico. La ventaja de tal definición es una buena repeti-bilidad con comparativamente un menor esfuerzo técnico.

2

1.1. Los puntos fijos de temperatura

Los materiales exhiben diferentes estados, éstos pueden ser líquidos, sólidos o gaseosos. La temperatura determina el estado, la así llamada fase, en la cual el material está en un momento determi-nado. A determinadas temperaturas pueden existir simultáneamente dos o tres fases, por ejemplo, cubos de hielo en agua a 0 °C. En el agua también pueden, a una temperatura determinada, convivir sus tres fases. El así llamado triple punto de temperatura se alcanza con 0,01 °C en el caso del agua. En la mayoría de las otras sustancias solamente dos fases pueden existir simultáneamente.

Otros puntos fijos son la solidificación de los metales puros. Si un metal fundido es enfriado, el metal comienza a solidificar a una cierta temperatura, la conversión de líquido a sólido no transcurre repentinamente, la temperatura permanece constante hasta que el metal haya solidificado. A esta temperatura se la conoce como temperatura de solidificación. Su valor depende únicamente del grado de pureza del metal, de manera que este método permite en forma simple y con gran exactitud reproducir ciertas temperaturas.

Figura 1: Curva de solidificacion

3

1.2. La escala de temperatura de acuerdo a ITS - 90

Las temperaturas correspondientes a los puntos fijos son determinadas con termómetros de gas o con otros elementos de medición que puedan ser usados para medir temperaturas termodinámicas. Numerosas mediciones comparativas en laboratorios oficiales, tales como el Bureau of Standards (USA), National Phisycal Laboratory (UK) o Physikalisch- Technische Bundesanstalt (Germany), fueron desarrollando regulaciones nacionales e internacionales.

El equipamiento tan complejo que se necesitó no es apropiado para mediciones industriales, y ciertos puntos fijos debieron ser acordados internacionalmente como valores primarios. Valores intermedios de la escala de temperatura fueron definidos por elementos de interpolación.

Estos son instrumentos que permiten mediciones, no sólo a temperaturas tales como la de solidificación o el triple punto mencionado más arriba, sino también de temperaturas intermedias. El ejemplo más simple de un instrumento de interpolación es el termómetro de mercurio.

Hasta fines de 1989 el estándar reconocido fue: la escala practica internacional de temperaturas de 1968, o IPTS - 68. Desde

Tabla 1.2. - Puntos fijos definidos por la ITS - 90 y diferencias

respecto a IPTS - 68.

Punto Fijo (°C)

Material Desviación de la IPTS - 68 (°C)

-218.7916 oxígeno -0.0026 -189.3442 argón 0.0078-38.8344 mercurio 0.0016

0.01 agua 0.000029.7646 galio 0.0054

156.5985 indio 0.0355231.928 estaño 0.0401419.527 zinc 0.0530660.323 aluminio 0.1370961.78 plata 0.1500

4

1990 ha comenzado a regir una nueva escala, la escala internacional de temperatura ITS - 90.

La nueva escala fue necesaria dadas las numerosas mediciones en diferentes laboratorios a través del mundo, que demostraron inexactitudes en las determinaciones previas de los puntos fijos de temperatura. La tabla que sigue reproduce los puntos fijos definidos de la ITS - 90 y sus diferencias con la IPTS - 68.

El termómetro que permite la interpolación dentro del rango de -259 a 961 °C es la termorresistencia de platino. La ITS -90 específica bajo qué requerimientos de pureza de material se debe ensayar y medir, de manera de no alterar las características de este termómetro. Además esta termorresistencia deberá ser calibrada a determinados puntos fijos.

2. Sensores de temperatura

Cada proceso en la industria debe ser controlado de alguna manera, y esta necesidad, con frecuencia, incluye la medición de temperaturas.

Se dispone de una gran variedad de sensores de temperatura para llevar a cabo esta tarea, tal como se muestra en la Tabla 2. El ingeniero debe decidir cuál de los sensores es mejor para una situación en particular.

Tabla 2. - Hay una gran variedad de métodos para la medición de la temperatura.

DISPOSITIVOS DE MEDICION DE TEMPERATURA

Eléctricos Termocuplas, Termorresistencias, Termistores, Resistores de carbono, Diodos, Transistores Cristales de cuarzo.

Mecánicos Sistemas de dilatación, Termómetros de vidrio con líquidos,Termómetros bimetálicos.

Radiación Térmica

Pirómetros de radiación: Total (banda ancha), Banda de radiación, Espectral o radiación parcial, Fibra óptica.

Varios Indicadores de color: Lápices, Pinturas • Indicadores pirométricos • Cristales líquidos • Indicadores de luminiscencia (termografía)

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Tabla 2.1. - Rangos de temperatura correspondientes a los métodos más comunes de medición.

Sistema Rango en °C

Termocuplas - 200 a 2.800 Sistemas de dilatación (capilares o bimetálicos) - 195 a 750 Termorresistencias - 250 a 850 Termistores - 195 a 450 Pirómetros de radiación - 40 a 3.000

A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicación dada se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimiento de manteni-miento. Estos factores serán analizados a continuación en relación a aquellos dispositivos de uso más común en la industria de proceso termocuplas, termorresistencias, termistores, sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos.

En la Tabla 2.1. se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estándar. Estos rangos no represen-tan los extremos alcanzables, sino los límites que pueden medirse con los dispositivos disponibles, por lo general, en el mercado y que son suministrados por la mayoría de los fabricantes. Se pueden medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo.

2.1. Termocuplas

Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes

metales o aleaciones (termopar o termoelementos). Uno de los extremos, la junta de medición, está colocado en el

lugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores (termoelementos) salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia. Se produce entonces una fuerza etectromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas (figura 2).

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2.2. Termopares estándar

Hay siete tipos de termopares que tienen designaciones con letras elaboradas por la Instrument Society of American (ISA). El U.S. National Bureau of Standards (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlación temperaturas -fem para estos termopares, las que han sido publicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y la American Society for Testing and Materials (ASTM).

En el año 1986, se procedió a uniformar las normas europeas DIN (alemanas), BS (inglesas), NF (francesas) y las antedichas ANSI (norteamericanas) en cuanto a la correlación de temperaturas y fem, así como en lo que hace a las tolerancias de estas fem en las distintas aleaciones. Esto ha quedado homologado en la norma IEC 584 (International Electrotechnical Commission).

Estos siete termopares se enumeran en la Tabla 2.2.1. Los alcances de temperatura indicados son los valores máximos y mínimos en valores de fem que se encuentran publicados. La figura 2.2. muestra las relaciones temperatura - fem de los termopares. En la Tabla 2.2.2. se detallan las tolerancias de calibración estándar según IEC 584 Parte 1, actualmente en vigencia.

7

Figura 2 : Esquema de una termocupla y su sistema de medición 1. Junta de medición 2. Junta de conexión 3. Cable compensado 4. Junta de referencia

7

Tabla 2.2.1. - Temperaturas limites de acuerdo a las clases de termopares segun IEC 584 - 2.

ClaseTipo

1 2 3

T desde - 40 °C hasta + 350 °C desde -200 °C hasta + 40 °C

E desde - 40 °C hasta + 800 °C desde - 40 °C hasta + 900 °C desde -200 °C hasta + 40 °C

desde - 40 °C hasta + 750°C ------------------------------

K desde - 40 °C hasta + 1000 °C I desde - 40 °C hasta + 1200 °C desde -200 °C hasta + 40 °C

R S

desde 0 °C

hasta + 1600 °C

------------------------------

------------------------------

B --------------------------------- desde + 600 °C hasta + 1700 °C

8

Figura 2.1. : Escala termoeléctrica. Variación termoeléctrica promedio ∆E / ∆T para una diferencia de temperatura entre 0 y 100 °C de un termoelemento contra platino

8

Tabla 2.2.2. - Tolerancias limites para termopares estándar

(referencia junta fría 0 °C) según IEC 584 Parte 1.

(1) La desviación máxima debe ser calculada como el mayor valor de las dos expresiones : el valor en °C o su equivalente calculado reemplazado (t) por la temperatura en cuestión.

(2) Normalmente, los termopares y los cables compensados se suministran con las tolerancias especificadas por encima de - 40°C. Para termopares utilizados por debajo de -40 °C, debe entenderse que sus tolerancias son, para ese material, mayores que las especificadas en clase 3. Si se precisa que respeten las tolerancias según clase 1, 2 y/ó 3 debe comunicarse expresamente al proveedor, con lo cual normalmente es necesaria una selección especial de los materiales.

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En la Tabla 2.2.3. se comparan las capacidades de los termopa-res para enfrentarse a distintas condiciones ambientales.

Tipo B ( PtRh 30 % - PtRh 6 %)

Las ventajas del termopar Tipo B sobre la Tipo R o Tipo S son su

capacidad para medir temperaturas levemente más altas, su mayor estabilidad y resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizada sin compensación de junta de referencia para fluctuaciones normales de la temperatura ambiente.

Este último aspecto queda reflejado en la figura 2.2. por la pendiente despreciable de la curva del termopar Tipo B en la región de la temperatura ambiente.

Los termopares Tipo B resultan satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700 °C. También resultan satisfactorios durante cortos períodos de tiempo en vacío.

Las desventajas del termopar Tipo B son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser utilizado en atmósferas reductoras

Tabla 2.2.3. - Limitaciones ambientales de termopares

(sin vainas o tubos protectores).

Si la aplicación es adecuada Tipo Atmósfera

oxidante Atmósfera reductora

Atmósfera inerte

Vacío Atmósfera sulfurosa

Temperaturas Vapores Subcero metalicos

B

R S J

Sí

Sí Sí Sí

No

No No Sí

Sí

Sí Sí Sí

Si durante poco tiempo

No No Sí

No

No No

No > 500 °C

No

No No No

No

No No Sí

K T E

Sí (1)

Sí Sí

No Sí No

Sí Sí Sí

No Sí No

No No No

Sí Sí

Sí (2)

Sí Sí Sí

(1)Mejor que los termopares Tipo E, J o T por encima de 550 ºC. (2) La más satisfactoria para temperaturas subcero.

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(como ser hidrógeno o monóxido de carbono ) y cuando se encuentran presentes vapores metálicos (ej. : plomo o zinc) o no metálicos (ej. arsénico, fósforo o azufre).

Nunca se lo debe usar con un tubo de protección metálico o termovaina (a partir de aquí, simplemente se la menciona como vaina).

Tipo R ( PtRh 13 % - Pt)

Los termopares Tipo R pueden ser utilizados en forma continua en

atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400 °C. No son tan estables como los Tipo B en vacío. La ventaja del termopar Tipo R sobre el Tipo B es su mayor fem de salida.

La ASTM establece las siguientes limitaciones que se aplican al uso de los termopares Tipo R

• Nunca se los debe usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen vapores metálicos o no metálicos u óxidos

Figura 2.2.: Fuerza electromotriz (fem) en función de la temperatura para las termocuplas estándar y varias termocuplas no estándar por encima de 0°C.

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fácilmente reducidos, a menos que se los protejan adecuadamente con tubos protectores no metálicos.

• Nunca deben ser insertados directamente dentro de una vaina metálica.

Tipo S ( PtRh 10 % - Pt)

El termopar Tipo S es el termopar original platino - rodio, platino. Es el estándar internacional (Escala Internacional de Temperaturas de 1990; ITS - 90); para temperaturas superiores a 961 °C.

Los termopares Tipo S, igual que los Tipo R, pueden ser utilizados en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.480 °C. Tienen las mismas limitaciones que los termopares Tipo R y Tipo B, y también son menos estables que el termopar Tipo B cuando se lo utiliza en vacío.

Figura 2.2.1. : Tolerancia limite para termopares estándar, clase 2, según IEC 584 parte 1.

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Tipo J ( Fe - CuNi)

El termopar Tipo J, conocido como termopar hierro-constantán, es el segundo más utilizado en los EE.UU. El hierro es el elemento positivo, mientras que para el elemento negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán).

Los termopares Tipo J resultan satisfactorios para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760 °C. Por encima de 540 °C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental del termopar Tipo J es su bajo costo.

Las siguientes limitaciones se aplican al uso de los termopares

Tipo J: • No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540 °C. • A causa de la oxidación y fragilización potencial, no se los recomien-

da para temperaturas inferiores a 0 °C. • No deben someterse a ciclos por encima de 760 °C, aún durante

cortos periodos de tiempo, si en algún memento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperature.

El constantán utilizado para termopares Tipo J no es intercambiable con el constantán de los termopares Tipo T y Tipo E, ya que el constantán es el nombre genérico de aleaciones cobre - níquel con un contenido de cobre entre 45 % y 60%.

Los fabricantes de los termopares Tipo J regulan la composición del termoelemento de cobre - níquel de manera que la fem de salida del termopar siga la curva de calibración publicada. Los termoelemen-tos fabricados por las distintas empresas con frecuencia no son intercambiables para el mismo tipo de termopar.

Tipo K ( NiCr - Ni)

Al termopar Tipo K se lo conoce también como el termopar

chromel - alumel (marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co., EE.UU.). El chromel es una aleación de aproximadamente 90 % de níquel y 10 % de cromo; el alumel es una aleación de 95 % de níquel,

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más aluminio, silicio y manganeso, razón por la que la norma IEC la especifica NiCr-Ni. El Tipo K es el termopar que más se utiliza en la industria, debido a su capacidad de resistir mayores temperaturas que el termopar Tipo J.

Los termopares Tipo K pueden utilizarse en forma continua en atmósferas oxidantes e inertes hasta 1.260 °C y constituyen el tipo más satisfactorio de termopar para uso en atmósferas reductoras o sulfurosas o en vacío.

Tipo T ( Cu - CuNi)

El termopar Tipo T se conoce como el termopar de cobre -

constantán. Resulta satisfactorio para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras o inertes. Su desventaja reside en el hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370 °C para un diámetro de 3,25 mm.

Aunque los termopares Tipo T resulten adecuados para medicio-nes debajo de 0 °C, la ASTM recomienda para ese propósito a los termopares Tipo E.

Tipo E ( NiCr - CuNi)

El termopar Tipo E, o chromel - constantán, posee la mayor fem

de salida de todos los termopares estándar, según se muestra en la figura 2.2. Para un diámetro de 3,25 mm, su alcance recomendado es - 200 a 980 °C.

Estos termopares se desempeñan satisfactoriamente en atmós-feras oxidantes inertes, y resultan particularmente adecuados para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero, a raíz de su elevada fem de salida y su buena resistencia a la corrosión.

El termopar Tipo E es mejor que el Tipo T para este propósito a causa de su mayor salida y puesta que la conductividad térmica del alambre de chromel es menor que la del alambre de cobre del termopar Tipo T.

Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termopares, además de aquellos que tienen asignadas una denomina-ción con la letra por la ISA (IEC). Estos otros termopares exhiben

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características especiales que no se encuentran en los tipos estándar, lo cual los hace adecuados para aplicaciones especiales. Las carac-terísticas y la fem de salida pueden variar de un fabricante a otro, razón por la que se debe consultar al fabricante en relación a aplicaciones específicas.

Hay una aleación en particular, muy difundida en nuestro país, que debemos considerar por separado. Se trata de la aleación hierro - constantán Fe - CuNi, quizás la más difundida antes de la homologación de las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y DIN 43710, las más importantes a nivel mundial. La curva de esta aleación, identificada por IEC con la letra L, presenta una diferencia con la Tipo J vista anteriormente, aún cuando sus composiciones químicas sean similares, de casi 13 °C en 800 °C. Sin embargo, en nuestro medio, se la confunde con su similar Tipo J.

En la Tabla 2.2.2. se detallan las características de los termo-pares no estándar más comunes disponibles hoy día en la industria de procesos.

Para una correcta elección del termopar adecuado es imprescin-dible el conocimiento exacto de las condiciones de trabajo. En el rango de trabajo por debajo de los 300 °C, hay poco peligro para cualquier aleación termopar, salvo la tendencia natural a la oxidación del elemento hierro (Fe) del termopar Fe - CuNi.

Por arriba de los 400 °C, los termopares no nobles1) comienzan a oxidarse en el aire, en particular los elementos de cobre (Cu) y hierro (Fe). En temperaturas superiores a los 700 °C todavía es factible utilizar en atmósferas reductoras el termopar hierro - constantán. En temperaturas cercanas a los 1.000 °C, se utiliza con éxito la combina-ción níquel cromo - níquel (NiCr - Ni)2), en caso de atmósferas oxidantes. Se la puede utilizar también a mayores temperaturas pero en desmedro de su vida útil.

(1) Se distinguen dos grandes grupos de termopares, que se denominan nobles y no nobles. Se refiere a los termopares que combinan materiales preciosos, tales como los del grupo del platino (Pt) y del rodio (Rh) fundamentalmente para los nobles y a los restantes como los no nobles.

(2) La aleación níquel cromo - níquel se conoce en todo el mundo también como Cromel - Alumel (Cr - Al), que es una marca comercial

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Tabla

2.2

.4. - C

ara

cterísticas d

e los term

opares n

o está

ndar.

registrada por Hoskins Inc. de EE.UU. Sin embargo la composición química de ambas denominaciones es exactamente la misma, con el agregado, además de Ni y Cr, de aluminio (AI) y vestigios de manganeso (Mn). En consecuencia la curva mV / °C es exactamente igual para ambas denominaciones.

2.3. Termopares no nobles

Los termopares no nobles son atacados con intensidad a altas temperaturas debido a la acción corrosiva de la atmósfera gaseosa. Como ejemplo considérese la oxidación con formación de cascarilla debido a las atmósferas oxidantes o vapores sulfurosos en el caso del constantán (CuNi) ó níquel (Ni).

Bajo atmósferas gaseosas y en particular en presencia de Co, vapor de agua o gases con contenido de oxígeno menor de 0,5 % (el

Tabla 2.2.5. - Equivalencias de distintos calibres de alambres termopares.

Calibre AWG (American Wire Gauge) o Brown

& Sharp

Diámetro (pulgadas)

Diámetro (mm)

Calibre AWG (American Wire Gauge) o Brown

& Sharp

Diámetro Diámetro (pulgadas) (mm)

1 0,2893 7,348 17 0,0453 1,150 2 0,2576 6,544 18 0,0403 1,024

3 0,2294 5,827 19 0,0359 0,9116

4 0,2043 5,189 20 0,0320 0,8118

5 0,1819 4,621 21 0,0285 0,7230

6 0,1620 4,115 22 0,0253 0,6438

7 0,1443 3,665 23 0,0226 0,5733

8 0,1285 3,264 24 0,0201 0,5106

9 0,1144 2,906 25 0,0179 0,4547

10 0,1019 2,588 26 0,0159 0,4049

11 0,0907 2,304 27 0,0142 0,3606

12 0,0808 2,053 28 0,0126 0,3211

13 0,0720 1,829 29 0,0113 0,2859

14 0,0641 1,628 30 0,0100 0,2546

15 0,0571 1,450 31 0,0089 0,2268

16 0,0508 1,291 32 0,0080 0,2019

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efecto de los hidrocarburos no está comprobado), surge una corrosión en el níquel - cromo (NiCr) en la que puede visualizarse una corrosión selectiva de cromo (Cr) (figura 2.3.1.).

Este tipo de oxidación se conoce comúnmente como "verdin" ya que a la vista tiene una apariencia muy similar con aquél. El hecho de que en esta aleación se oxide primeramente el cromo produce que en la superficie de la aleación se forme una cascarilla de oxidación cerrada que limita una oxidación posterior.

Con esta oxidación aparecen grandes cambios de la fem del termopar luego de períodos de trabajo no muy prolongados, incluso a veces después de unas pocas horas.

El elemento níquel (Ni) del termopar es especialmente sensible al ataque por vapores sulfurosos en los hornos, cosa que ocurre con frecuencia en hornos alimentados por combustibles líquidos.

La resistencia al ataque por sulfuros puede llegar a aumentarse un poco en el níquel por el contenido de manganeso (Mn) en relación con lo que sería en caso del níquel puro, pero aún así aparece el ataque

Tabla 2.2.6. - Composicion quimica nominal de termoelementos.

JP JN TP

TN EN (1)

KP EP

KN RP SP RN SN

BP BN

Elemento Composición química nominal, %

Hierro Carbono Manganeso Azufre Fósforo Silicio Níquel Cobre Cromo Aluminio Platino Rodio

99.5

…(2) ... (2) ... (2) …(2) …(2) …(2) …(2) …(2)

… … …

… … … … … … 45

55 … … … …

… … … … … … …

100 … … … …

… … … … … …

90 …

10 … … …

… … 2

… …

1 95 … … 2

… …

… … … … … … …

… … …

87 13

… … … … … … …

… … …

90 10

… … … … … … …

… … …

100 …

… … … … … … …

… … …

70.4 29.6

… … … … … … …

… … …

93.9 6.1

(1) Los tipos JN, TN, y EN suelen contener pequeñas cantidades de distintos elementos para controlar la fem térmica, con las

correspondientes reducciones en el contenido de níquel o cobre o ambos. (2) El hierro termoeléctrico (JP) contiene pequeños, pero, variables cantidades de estos elementos.

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sulfuroso sobre el níquel en los alimentados por combustibles como ser gas o diesel - oil, o bien debido a los vapores existentes en los hornos de templado por aceite, por desprendimiento de vapores con contenido de azufre de los ladrillos refractarios o cementos cerámicos, o a consecuencia del agregado de polvos que son necesarios para algunos procesos térmicos. En la figura 2.3.2. puede verse el resultado típico de un ataque por sulfuros sobre el níquel.

Similar ataque sufre el elemento constantán (CuNi) de la ter-mocupla de Fe - CuNi en presencia de gases sulfurosos. Bastan algunas centésimas de por ciento de contenido de azufre, para que se produzca el ataque del CuNi con la consiguiente fragilidad intercrista-lina.

2.4. Termopares nobles

En el caso del termopar platino rodio - platino (PtRh - Pt), la norma DIN (alemana) específica un limite de temperatura de 1.300 °C para inmersión permanente. En caso de ser aire, no debe esperarse ninguna variación apreciable en la señal entregada.

Estas condiciones de trabajo ideales se encuentran con poca frecuencia en las mediciones de temperatura industriales. En la mayoría de los casos se presentan atmósferas reductoras o gases sulfurosos que, en altas temperaturas, pueden provocar un deterioro de los termopares.

En algunas ocasiones también se puede dar el caso de un ataque por contaminación de silicio, es muy frecuente encontrarlo

como óxidos (SiO2) en los cementos cerámicos o ladrillos refractarios que revisten los hornos, y también en pequeñas proporciones en las

vainas cerámicos o aisladores cera micos para termocuplas que se fa-

Figura 2.3.1. : Oxidación selectiva de cromo del elemento termopar NiCr. (Aumento 300: 1)

19

Figura 2.3.2. : Ataque por vapores sulfurosos sobre el níquel puro (Ni) del NiCr - Ni. (Aumento 300: 1)

Figura 2.3.3.: Alambre de niquel (Ni) del termopar NiCr - Ni atacado. (Aumento 300 : 1)

brican sobre la base de óxido de alúmina (Al2O3) y silimanitas (SiO2).

El silicio por sobre los 1.000 °C en atmósferas reductoras se reduce a SiO y se difunde primero sobre el platino y luego lo va contaminando lentamente. Esto no afecta tanto a la señal termoeléc-trica sino a su resistencia mecánica, en especial al elemento platino puro, apareciendo de esta manera un eutéctico con un punto de fusión que comienza por arriba de los 900 °C. En forma similar puede ser atacado el platino rodio por las uniones volátiles de azufre y silicio.

La (pica forma de evitar este tipo de ataque es utilizando vainas protectoras y aisladores de una muy buena calidad, como por ejemplo de alúmina pura con el menor contenido de silicio posible e impermeable a los gases. Lo anterior se logra con alúminas (Al203) de pureza superior al 99,7 %.

El hierro, el cobre y otras impurezas metálicas influyen sobre la estabilidad de la señal termoeléctrica en los termopares del grupo del platino, aunque no provoquen generalmente una variación sustancial de la ductilidad. Una presencia de tan solo 0,1 % de hierro (Fe) en el elemento platino (Pt) alcanza para provocar alteraciones en la fem del

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termopar, lo que significa un error de medición de signo negativo y de aproximadamente 150 °C.

No siempre es fácil averiguar cómo pueden llegar estas impurezas hasta el termopar. Como explicación, en algunos casos, se puede considerar que los elementos densos e impermeables a los gases, que suelen utilizarse en algunas oportunidades a altas temperaturas, ya no son tan densos e impermeables como para evitar la penetración de estas impurezas.

Hay dos combinaciones de termopar noble que tienen una considerable estabilidad y vida útil y que son contempladas en la norma IEC 584 para PtRh - Pt. Se trata de aleación PtRh 18 - Pt (PtRh 6% - PtRh 30 %) Tipo B y el no tan conocido termopar con estructura de "grano fino" (puede ser PtRh 10% - Pt o PtRh 13% - Pt) Tipo S o R. Desde ya que la señal de esta termocupla PtRh 18 - Pt no coincide con la de las tradicionales PtRh 10% - Pt o PtRh 13% - Pt. La mayor estabilidad del termopar de estructura de "grano fino" se centra en la ventaja de su tendencia a no agrandar el grano. Inclusive luego de un tiempo prolongado a altas temperaturas, no se observa crecimiento apreciable del grano y, por lo tanto, sus características mecánicas no se modifican.

En la figura 2.4.1. se muestra la diferencia de estructura entre un platino normal y uno de estructura de "grano fino" luego de un uso

Figura 2.4.1.:1.- Tamaño del grano de un elemento de platino normal luego de 100 horas a 1.450 °C.

2.- Tamaño del grano para platino con estructura de "grano fino" (Aumento 180 : 1).

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de 100 horas en aire a 145 °C. La diferencia entre sus estructuras es fácil de visualizar.

También el termopar PtRh 18 - Pt, Tipo B, con aleación de rodio en ambos elementos es mucho más resistente a la absorción de impurezas aun con una estructura de grano considerablemente más gruesa. Con el agregado de rodio en ambos elementos también se consigue una tendencia a la compensación de la aleación en altas temperaturas sensiblemente mayor a la que se consigue con termoele-mentos PtRh - Pt. Como ya se mencionó, al haber una volatilización de Rh, el termopar cambia radicalmente la configuración química en este último tipo de aleación.

Esta aleación también tiene un tope de temperatura de uso permanente más elevado, de 1.500 °C, y en usos de corta duración se puede llegar a 1.800 °C.

La poca señal que entrega en el rango de 0 a 120 °C produce, según se puede apreciar en la figura 2.2., una meseta que indica que, en algunos casos, su conexión se puede realizar sin recurrir a cable de compensación y sin provocar errores de medición.

Un estudio realizado en 1977 en Alemania por Froschauer y Schmidt, con PtRh 10% - Pt, acerca de la influencia de las impurezas que se desprenden de los elementos aislantes o de las vainas de protección, demostró la ventaja de utilizar elementos aislantes y protectores de alúmina pura (99,7 % como mínimo). Este estudio se llevó a cabo embebiendo un termopar de PtRh 10% - Pt y uno de PtRh

Figura 2.4.2.: Variación de la fuerza electromotriz (fem) de aleaciones PtRh - Pt después de un tratamiento térmico en aire a 1.400 °C (determinaciones a 1.200 °C).

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6% - PtRh 30% en diversos polvos cerámicos y luego exponiéndolos en aire a 1.400 °C durante 50 horas; en la figura 2.4.2. pueden observarse los resultados obtenidos. En el caso de la alúmina pura no se observan grandes modificaciones, pero si para Mullite (silicato de Al), y aun mas para dióxido de silicio.

A posteriori se estudió la influencia del silicio, comprobándose que no era en si el silicio el causante de la contaminación sino el hierro siempre presente en el silicato técnico usado normalmente.

Esto último se volvió a comprobar embebiendo un termopar de PtRh 10% - Pt en los materiales consignados en la Tabla 2.4. y exponiéndolos a aire a 1.300 °C durante 2 horas. Según puede observarse, el cuarzo de alta pureza no modificó la fem; de los materiales conocidos los más inertes resultaron la alúmina pura (Alsint) y el óxido de magnesio, el cuarzo y la silimanita (Pythagoras).

Otras protecciones

A consecuencia de las altas temperaturas que reinan en los

hornos industriales, el aire se convierte, para muchos metales protec-

Tabla 2.4. - Cambios en la señal termoeléctrica del platino rodio 10% - platino (PtRh 10% - Pt) después de 24 Hs. a

1300 °C con distintos compuestos cerámicos. Polvos cerámicos Alteración de fem en %

Mullite (CSSR) -0,61

Ignodur (KW Neuhaus) -0,60

Triangle H5 (Morgan) -0,37

Pythagoras (W. Haldenwanger) -0,25

Corundio (95% AI2O3) -0,06

Cuarzo técnico -0,70

Cuarzo técnico purificado -0,35

Cuarzo de alta pureza -0,00 A12O3 Alsint (W. Haldenwanger) -0,05

MgO (Óxido de magnesio) -0,06

2,5% Fe2O3 en AI2O3 -5,52 2,5% FeO en AI2O3 -2,96

1% Na2O en A12O3 -1,76

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tores de termocuplas, en un medio agresivo que, a través de la oxidación, llega a provocar la inutilización de dichos metales.

Las llamas de quemadores con un componente importante de monóxido de carbono (Co), los hidrocarburos y los compuestos sulfurosos llevan al material a un estado quebradizo, producto del enlace sulfuroso o por carburización. Para estos procesos se dispone de materiales de protección sobre la base de hierro - cromo (FeCr) y hierro - cromo - níquel (FeCrNi) con el agregado, con muy buenos resultados, de aluminio, silicio y manganeso. 3. Compensación de junta de referencia

La fem neta generada en función de las temperaturas de ambas juntas requiere el control o la compensación de la temperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas.

El método básico y más exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un baño de hielo (0 °C). Otro método consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición, compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición.

El tercer método es una compensación eléctrica, que también implica la utilización de un dispositivo sensor de temperatura para medir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugar de calcular la compensación a ser aplicada a la salida de medición, el sensor de temperatura de la junta de referencia se halla incorporado dentro de un circuito eléctrico de la termocupla, donde agrega o quita los milivolts necesarios en la junta de referencia, a fin de corregir automáticamente la salida de la termocupla (figura 3).

Como se verá mas adelante, es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, mucha veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres termopares. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados.

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Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta de referencia.

En el caso del tercer sistema de compensación (figura 3), la finalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensación automática hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60 °C, ya que todos estos sistemas son electrónicos y trabajan con temperaturas ambiente entre -10 y 60 °C.

Los cables compensados reproducen las mismas curvas de respuesta y de tolerancia mV/ °C que las termocuplas entre aproxima-damente -25 y 200 °C. Se las utiliza sólo por razones económicas, ya que su composición química difiere de las aleaciones de termocupla, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos.

Ejemplo de calculo para una señal de termocupla dada, conocida la temperatura de junta de referencia, necesitamos conocer la temperatura (en junta de medición) real

Para un termopar tipo K (NiCr - Ni) según IEC 584 con una temperatura de 35 °C en junta de referencia y una señal termoeléctrica (fem) en junta de medición de 8.298 mV.

Figura 3. : Sistema electrónico de compensación de junta de referencia. 1. Termocupla 3. Compensador de mV. 2. Cable compensado 4. Fuente de tensión constante

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Buscando la temperatura correspondiente a 9,705 mV en la tabla

mV / °C, encontramos que la temperatura real es 239 °C.

3.1. Cables compensados según normas IEC y DIN

Los cables compensados para termocuplas según IEC o DIN tienen sus características eléctricas y mecánicas especificadas en las normas IEC 584-3 y la DIN 43714.

Sus aleaciones tienen la misma composición química que las termocuplas a que corresponden cuando se los denomina cables de extensión.

En cambio, se fabrican con aleaciones de materiales especiales pero con las mismas características termoeléctricas de las termocuplas con las que deban trabajar, y se los conoce como cables compensados específicamente.

Esto siempre dentro de un limitado rango de temperatura ambiente, y que será el ambiente donde estarán tendidos.

Se los designa con un código de tres letras como se ve a continuación:

Primera letra: termocupla con la que trabaja Segunda Ietra:X: mismo material que la termocupla

(idéntica aleación) C: material especial

Tercera letra: muchas aleaciones compensadas se designan con una segunda letra.

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Ejemplo: KX: cable de extensión para termocupla tipo K, aleación ídem termocupla

RCA :cable compensado para termocupla tipo R, aleación especial, material tipo A.

Con respecto a las tolerancias de los cables de extensión y

compensados se rigen por las normas antes mencionadas. Existen dos clases de tolerancias: clase 1 y 2; la tolerancia clase 1 es la más estrecha y sólo se consigue con las aleaciones que son iguales a las de sus termocuplas ( cables de extensión ). Los cables compensados se proveen siempre en clase 2.

Como puede verse en la tabla de más arriba, la temperatura de operación rige para toda la longitud del cable que será expuesta, incluyendo la terminación que se conectará a bornes de la termocupla, para no exceder la tolerancia especificada. Adicionalmente puede verse limitada por la temperatura máxima de utilización del material aislante que protege al cable. En vista de la no linealidad de las fuerzas

Tabla 3.1. - Tolerancias límites para cables compensados y de extensión según IEC 584 – 3

Tolerancia

Clase Termopar

y tipo de

alambre 1 2

Rango de temperatura de

operación °C

Temperaturamedida

°C

JX ±85µV/±1.5°C ±140µV/±2.5°C -25a+200 500 TX ±30µV/±0.5°C ±60µV/±1.0°C -25a+100 300

EX ± 120µV / ± 1.5 °C ± 200µV / ± 2.5 °C 25 a + 200 500

KX ± 60µV / ± 1.5 °C ± 100µV / ± 2.5 °C - 25 a + 200 900

NX ± 60µV / ± 1.5 °C ± 100µV / ± 2.5 °C - 25 a + 200 900

KCA ± 100µV / ± 2.5 °C 0 a + 150 900

KCB ± 100µV / ± 2.5 °C 0 a + 100 900

NC ± 100µV/± 2.5 °C 0 a + 150 900

RCA ± 30 µ V / ± 2.5 °C 0 a + 100 1000

RCB ± 60µV / ± 5.0 °C 0 a + 200 1000

SCA ± 30 µV/± 2.5 °C 0 a + 100 1000

SCB ± 60 µV / ± 5.0 °C 0 a + 200 1000

27

Tabla

3.2

. - Siste

ma d

e id

en

tificacio

n d

e co

lore

s para

cable

s com

pen

sailo

s.

Termocupla

IEC 584 parte 3

DIN 43714

ANSI / MC 96.1

Aislación Individual Aislación Individual Cubierta

Aislación Individual Material

Tipo Positivo

Negativo Cubierta exterior

Positivo Negativo

Cubierta exterior

Positivo Negativo exterior

Cu - CuNi * Cu - CuNi Fe - CuNi * Fe - CuNi NiCr - Ni NiCr-CuNi Pt10Rh - Pt Pt13Rh - Pt Pt30Rh - Pt6RH

U T L J K E S R B

Rojo Marrón Rojo

Negro Verde Violeta Naranja Naranja --------

Marrón Blanco Blanco Blanco Blanco Blanco Blanco Blanco --------

Marrón Marrón Blanco Negro Verde Violeta

Naranja Naranja

--------

Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo

Marrón Marrón Blanco Azul

Verde Negro Blanco Blanco

Gris

Marrón Marrón Blanco Azul

Verde Negro

Blanco Blanco

Gris

-------- Azul

-------- Blanco Amarillo Violeta Negro Negro Gris

-------- -------

Rojo Azul

------- -------

Rojo Negro

Rojo Amarillo

Rojo Violeta

Rojo Verde

Rojo Verde

Rojo Gris

Termocupla

BS 1843

JIS 1610-1981

NF C 42 - 323 Aislación Individual

Aislación Individual CubiertaAislación Individual

Material Tipo

Positivo Negativo

Cubierta exterior

Positivo Negativo

Cubierta exterior

Positivo Negativo exterior

C u - CuNi * U

-------- --------

-------- -------- --------

-------- --------

-------- -------

Cu - CuNi T

Blanco Azul

Azul Rojo

Blanco Marrón

Amarillo Azul

Azul Fe -CuNi *

L --------

-------- --------

-------- -------- --------

-------- --------

------- Fe - CuNi

J Amarillo

Azul Negro

Rojo Blanco

Amarillo Amarillo

Negro Negro

NiCr - Ni K

Marrón Azul

Rojo Rojo

Blanco Azul

Amarillo Violeta Amarillo NiCr - CuNi

E Marrón

Azul Marrón

Rojo Blanco

Violeta Amarillo

Violeta Violeta

Pt10Rh - Pt S

Blanco Azul

Verde Rojo

Blanco Negro

Amarillo Verde

Verde Pt13Rh - Pt

R Blanco

Azul Verde

Rojo Blanco

Negro Amarillo

Verde Verde

Pt30 Rh - Pt6 R H B

-------- --------

-------- Rojo

Gris Gris

-------- --------

-------

* Termoelementos según DIN - 43710 - La cubierta exterior puede identificarse con una hebra del color correspondiente

electromotrices de los termopares, las tolerancias están indicadas en µV y también en °C, pero sólo aplicables a la temperatura que se indica en la columna de la derecha.

Esto significa que por ejemplo: Un termopar tipo J conectado mediante un cable de extensión tipo JX, clase 2. Si la medición de temperatura se mantiene' constante en 500 °C y los terminates y el cable de extensión tienen a to largo de su longitud una variación de temperaturas desde -25°C hasta 200 °C, la temperatura indicada no varía más de ± 2,5 °C.

3.2. Código de colores para cables compensados y de extensión

Los colores para cables según DIN están especificados en la

norma DIN 43713 (1990). Para termocuplas según IEC 584 el conductor positivo tiene el mismo color que la cubierta exterior, el negativo es siempre blanco. Las "antiguas” termocuplas tipo L y U según DIN 43710 tienen códigos diferentes. Para el cable correspondiente a la termocupla tipo B no hay codificación designada. Por la curva tan «chata», característica de la termocupla tipo B, se puede utilizar conductor de cobre en lugar de cable compensado.

De acuerdo a la DIN 43714 los cables serán retorcidos entre ellos para mejor protección de campos electromagnéticos. Protección adicional por blindaje de cinta o pantalla también puede ser provista. La resistencia de aislación entre los conductores y entre conductor y cubierta no debe ser menor a 100 megohm/m a la máxima temperatura de operación. La tensión de prueba debe ser superior a 500 V ca.

3.3. Conexión de las termocuplas

El largo de los cables de extensión o compensados en relación

con las termocuplas tiene mucha menos importancia que por ejemplo en los cables de conexión de las termorresistencias; sin embargo, en el caso de largos tendidos con cables de secciones menores se pueden alcanzar resistencias importantes, que habrá que tomar en cuenta.

En el caso de termocuplas tipo J ( Fe - CuNi ) se debe recordar que el elemento positivo es hierro puro y tiene facilidad para oxidarse

29

Figura 3.2. : Fuerza electromotriz (fem) para 100°C (referencia 0°C) para cables compensados, cables de extensión de acuerdo a IEC 584.

30

rápidamente en las conexiones en bornes o conectores. La unión del hierro y el cobre, por ejemplo en la conexión del elemento positivo y un cable de conexión de cobre representa una celda electroquímica. En presencia de humedad, esta celda Ileva a la formación de una unión galvánica con incremento de la corrosión. La resultante de corrientes parásitas puede introducir serios errores en la medición.

Por esa razón, se prefieren terminales estañados y cables estañados a conductores o terminales desnudos de cobre. Como el estaño, en la escala termoeléctrica es mayor que el hierro, para el elemento positivo (hierro) se utiliza un pasivado de su superficie, que reduce esta reacción.

Frecuentemente se escucha la pregunta de cuando es posible conectar termoelementos a cables compensados con elementos estándar de conexión de cobre o bronce, como conectores o borneras. Aparte del problema de corrosión de dos metales diferentes, efectiva-mente es posible bajo ciertas condiciones.

Si utilizamos un conector convencional con contactos de cobre, para conectar el elemento positivo de un termoelemento de Fe - CuNi (es decir el elemento de hierro), a continuación de otro termoelemento o cable de extensión, debemos verificar que la temperatura en cada extremo de la conexión Fe/Cu y Cu/Fe sea la misma.

La fem (fuerza electromotriz) producida en las uniones Fe - Cu y Cu - Fe se cancelan una con otra a la misma temperatura por tener polaridad inversa y el mismo valor. Esto independientemente del valor de temperatura y del material de la unión.

Fig. 3.3.1. : Conexión de un termoelemento o cable con conectores de cobre convencionales.

31

Tab

la 3.3

.2. - A

ccesorio

s de co

nexió

n.

Cuando la conexión debe realizarse con gradientes de tempera-tura importantes, por ejemplo a través de una pared aislante con diferentes temperaturas de un lado y del otro, o cuando por conducción térmica del termoelemento o el cable existen diferentes temperaturas en un lado y otro de la conexión, se utilizan conectores compensados especiales.

4. Construcción de las termocuplas

Los requerimientos más importantes que deben cumplir las termocuplas son:

• Deben ser mecánicamente robustas y resistentes al ataque del medio en que se encuentran.

• Deben producir una señal termoeléctrica mensurable y estable. • Deben tener la exactitud requerida. • Deben responder con la velocidad necesaria. • Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa

para no afectar la lectura. • Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa. • Deben ser económicas.

Hay una gran variedad de diseños de termocuplas para las numerosas y diversas aplicaciones. En su diseño más común, los termoelementos (alambres) de los materiales deseados se unen, normalmente mediante soldadura, para formar la junta de medición. Los alambres son separados después de la junta soldada y aislados, normalmente por medio de una sustancia como ser fibra de vidrio, resina fluorocarbonada (por ejemplo teflón), aisladores cerámicos, fibra cerámica, polvo cerámico, etc.

Los alambres (termoelementos) pueden usarse desprotegidos o instalados dentro de un tubo o vaina de protección. Los tubos y las vainas de protección se usan casi siempre para proteger los termoele-mentos desnudos, mientras las termocuplas del tipo compactadas con blindaje protector metálico pueden brindar suficiente protección mecánica y al ataque químico sin tubo o vaina en la mayoría de los casos.

33

4.1. Construcción tipo compactada

Las termocuplas con protección metálica incluida, normalmente Ilamadas compactadas (figura 4.1.1.), son fabricadas a partir de un tubo de acero inoxidable u otra aleación de aproximadamente un metro de largo y algunos centímetros de diámetro interno. Se posicionan los dos alambres (termoelementos) centrados a lo largo del tubo y el espacio interior se Ilena con óxido de magnesio u óxido de alúmina.

Posteriormente se procede a reducir el diámetro del tubo trafilándolo, aplastando así los aisladores o comprimiendo el polvo hasta formar una masa más densa.

La unidad, finalmente, es tratada térmicamente para aliviar las tensiones provocadas por la reducción del diámetro y para eliminar cualquier humedad residual. Se producen en diámetros de 15 mm a 0,5 mm. La geometría interna del tubo y alambres no se modifica. La

Figura 4.1.1. : Construcción de la junta de medición en termocuplas compactadas a : Solidaria : construcción especial para lograr una mayor velocidad de respuesta b : Aislada : construcción normal de las termocuplas. También se la puede construir expuesta; tratándose de una construcción especial que ofrece la máxima velocidad de respuesta y la mínima resistencia a los agentes corrosivos por estar la junta fuera de la vaina protectora.

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junta de medición de las termocuplas con blindaje metálico pueden tener tres configuraciones distintas: • Soldada al extremo de la protección metálica. • Aislada del extremo de la protección metálica. • Expuesta fuera del extremo de la protección metálica.

Soldando los alambres al extremo de la protección metálica se logra hacer masa con ella, se los protege de daños mecánicos y condiciones ambientales adversas y se asegura una construcción hermética a la presión. La velocidad de respuesta de este tipo de construcción se encuentra entre la velocidad de la junta expuesta (la más rápida) y la aislada (la más lenta). De cualquier manera éstas son mucho más rápidas que las termocuplas convencionales, por su pequeño diámetro.

La junta aislada es similar a la junta puesta a masa, salvo por hallarse eléctricamente aislada del blindaje y tener una respuesta más lenta.

La junta expuesta posee la respuesta más rápida de las tres configuraciones, pero no es hermética a la presión o a la humedad y los alambres se hallan expuestos al ambiente. Esto podría Ilevar a la corrosión y/o corto circuito eléctrico debido a la conductividad del medio del proceso.

La termocupla compactada es mecánicamente más robusta que la termocupla convencional con alambre aislado, y se la puede doblar o conformar con radios de curvatura muy reducidos, aproximadamente tres veces el diámetro de la protección.

Esta termocupla puede ser cargada a resorte dentro de un tubo o vaina de protección (cuando se requiere protección adicional - Ver figura 4.1.2.) para garantizar el contacto con el fondo de la vaina o el tubo, a fin de obtener una rápida respuesta.

Tienen una gran respuesta al impacto y a la vibración. Pueden tener junta de medición con cabezales de conexión, salidas de cable compensado o fichas.

Se dispone de termocuplas compactadas con diámetros exter-nos desde 0,5 hasta 15 mm. Los blindajes pueden hacerse de una gran variedad de materiales, siendo los mas comunes los de aleacio-nes de níquel - cromo y aceros inoxidables.

Pueden fabricarse de, prácticamente, cualquier largo y se produ-

35

cen con los tipos de termopar no nobles ("J", "K", "T", "E") pero no con termoelementos de platino ("S", "R" o "B") por no tener la ductilidad necesaria para resistir la trefilación.

Muchas veces no precisan de cables de extensión o compensados ya que se pueden continuar hasta las borneras de conexión o los mismos equipos de medición, aprovechando su flexibilidad como cables de extensión y tienen la ventaja de poder atravesar zonas de alta temperatura y alta presión.

A causa de sus diámetros pequeños la distancia entre el termoelemento y la protección metálica es mínima y se debe tener

cuidado con la resistencia de aislación; se debe recordar que la resistencia decrece rápidamente a temperaturas elevadas. Las temperaturas máximas de operación dependen de los diámetros de las termocuplas. Aquí, nuevamente mayores diámetros resisten mayores temperaturas.

La figura 4.1.3 muestra la relación para temperaturas de operación continua, de dos tipos de termocuplas diferentes. (En este caso tipo "K" NiCr-Ni y "N" NiCrSi-NiSi).

Una ventaja que mencionamos en estas termocuplas es su alta resistencia a los choques y vibraciones por su solidez entre termoelementos y protección.

Figura 4.1.2. : Inserto para ter-

mocuplas con construcción solidaria. a : Zócalo de conexión d: Termopar b : Largo de inserción e : Tapa c : Tubo de protección f : Aislador

36

Pero esto a su vez acarrea una mayor deriva en el tiempo de la señal termoeléctrica, primero por la constante solicitación mecánica producto de la diferencia de coeficientes de dilatación termoelemen-tos/vaina.

Segundo, el poco espacio entre éstos facilita la contaminación de los termopares por la protección metálica.

Existen estudios que muestran que el oxígeno en los materiales de Ilenado en la forma de aire, agua o dióxido de carbono es responsable de esto.

Este actúa como medio de transporte para el equilibrio de las concentraciones de sulfuros y carbono en la protección metálica y los termoelementos, y esto cambia la composición química de los mate-riales.

Estos conceptos sobre contaminación, responsabilizando a la protección metálica, vuelven a verse en la investigación de Bentley sobre termocuplas compactadas tipo N de 3 mm de diámetro con protecciones de diferentes tipos.

Por esta razón se trata de usar protecciones metálicas lo más parecidas en su composición química a los termoelementos. Para termocuplas tipo N el fabricante recomienda utilizar Nicrosil, un

Figura 4.1.3 : Máximas temperaturas de operación para termocuplas compactadas.

37

material de composición similar al termoelemento positivo de esa termocupla.

4.2. Vainas y tubos de protección

Puesto que son muchas las aplicaciones que exponen los

termoelementos a condiciones ambientales adversas, por lo general, las termocuplas han de contar con protección. Los tubos y las vainas de protección se eligen generalmente en base a las condiciones corrosivas que se esperan, más consideraciones de abrasión, vibra-ción, porosidad, velocidad de fluldo, presión, costo y requerimientos de reemplazo y montaje.

Por lo común, se dispone de vainas para sensores con diámetros externos desde 3 hasta 22 mm de diámetro. Una rosca a proceso macho o una brida proveen un montaje hermético a la presión en el recipiente de proceso si es necesario. En las vainas de la figura 4.2.1., el cuello, o sea el tubo entre la rosca a proceso y el cabezal de la vaina, permite separarla térmicamente de la fuente de calor que puede afectar el cabezal de conexiones.

Figura 4.1.4 : Derivas de la señal termoeléctrica dependiendo de la protección metálica.

38

Las vainas cónicas brindan una mayor resistencia, permitiendo su uso a mayores velocidades del fluido de proceso y a mayores presiones (ver figura 4.2.1. b y c). Las vainas bridadas se usan cuando se requieren conexiones del tipo bridado al recipiente de proceso por trabajar a altas presiones. Las vainas bridadas utilizan en ocasiones un revestimiento especial o blindaje metálico, como ser plomo, titanio o tantalio; estos metales podrían resultar imprácticos o demasiado costosos para la construcción de la vaina entera. Las vainas con extremo sensibilizado poseen una respuesta más rápida que las vainas rectas o cónicas.

Figura 4.2.1.: Montaje de sensores de temperatura. a : Con rosca a proceso; b : Para soldar; c : Con brida; d : Montaje de una termocupla de vaina cerámica con brida tope deslizable

en la pared de un horno con chapa protectora; e : Montaje de una termocupla de vaina metalica ; f : Similar a d) con protección de escapes de gases.

39

Figura 4.2.3.: Termocupla recta con vaina exterior e interior, termopar doble de PtRh - Pt, aislador cerámico de un solo tramo y cuatro orificios.

Los tubos de protec-

ción son similares a las vainas, salvo el hecho de que no permiten un monta-je hermético de protección en el.recipiente de proceso. Por lo general, los tubos se utilizan en instalaciones a presión atmosférica. Se los fabrica de metal o materiales cerámicos,

Figura 4.2.4. : Termocupla del tipo acodado con brida.

como ser porcelana Mullite, silimanita, carburo de silicio, grafito, óxido de aluminio, acero y otras aleaciones (figura 4.2.1.).

Las termocuplas de platino requieren normalmente un conjunto de dos tubos para impedir la contaminación por vapores metálicos o gases.

El tubo interior se hace de un material como porcelana o silimanita y brinda protección contra los gases corrosivos. El tubo exterior se hace de grafito, carburo de silicio o silimanita porosa, para lograr resistencia mecánica y protección contra shock térmico (figura 4.2.3.).

En la figura 4.2.4. puede verse una construcción típica acodada, para lograr la protección del cabezal de conexiones en el caso de

Figura 4.2.5. : Termocuplas rectas. a : Con termopar NiCr - Ni o Fe - CuNi y vaina metálica b : Con termopar NiCr - Ni o Fe - CuNi, vaina cerámica y tubo soporte

41

inmersión de la vaina en procesos de fusión de metales no ferrosos o tratamientos térmicos por baños de sales con desprendimiento corrosivo o radiación térmica intensa, que afectarían el cabezal directamente si la construcción fuese recta.

Por su parte, en la figura 4.2.5., puede observarse una construc-ción convencional del tipo "J" o "K" (NiCr - Ni o Fe - CuNi) con vaina simple o tubo protector metálico, y la diferencia en el montaje en caso de ser vaina cerámica.

Los distintos materiales disponibles para tubos y vainas de protección, y sus costos relativos, se detallan en la Tabla 4.2.6. Se usa

Tabla 4.2.6. - Costos de los materiales de vainas relativos

al acero al carbono.

Marcas registradas de (1) Cabot Corp. High Technology Material Div. (2) International Nickel Co. (3) Kanthal A.B. (Suecia)

42

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Tabla 4.2.10. - Regímenes de temperatura para distintas clases de aislación

Tipo general de aislación Régimen general máximo de temperatura,

°C PVC +99Nylon +176Teflón +260 Kapton +371Fibra de vidrio +482 Asbestos +538 Cerámica - Cordierite o Mullite +982 Cerámica - Silimanita +1.600Óxido de Magnesio compactado (Mg 0) +1.730 Cerámica - Alúmina +1.800

el acero al carbono como índice base, con un factor de 1,0 y los costos de los otros materiales se dan en valores relativos. De esta forma, el titanio, cuyo factor es 12,0 resulta doce veces más costoso que el acero al carbono.

4.3. Respuesta térmica

El tiempo de respuesta con vainas y tubos sera de tres a diez

veces mayor que con los termoelementos sin protección. Los métodos generalmente utilizados para minimizar el tiempo de respuesta consiste en proveer un buen contacto térmico entre el termopar y el interior de la vaina por medio de una carga a resorte, o bien obtener una tolerancia estrecha entre el diámetro exterior del termoelemento y el diámetro interior de la vaina. Esto minimiza la separación de aire que hace más lenta la transferencia de calor desde la vaina al termoelemento.

En la figura 4.3.1. puede verse una construcción normalizada correspondiente a una termocupla con vaina y sensor intercambiable interior con carga a resorte. En la figura 4.3.2. se puede observar una construcción del extremo sensibilizado vs. construcción normal.

Otra manera de minimizar el retardo de la respuesta es el de agregar una pequeña cantidad de aceite siliconado o grafito en polvo

51

y aceite dentro de la vaina. El relleno no debe congelarse o hervir a las temperaturas encontradas en el proceso y no debe reaccionar quími-camente ni con la vaina ni con el sensor. Para las instalaciones horizontales o con el extremo abierto hacia abajo se puede usar grafito en grasa en lugar de líquido.

Cada uno de los metales tiene distinta conductividad térmica. Pbr ejemplo, el acero inoxidable posee una menor conductividad que el cobre. Sin embargo, los ensayos han demostrado que no hay una diferencia significativa en el tiempo de respuesta entre una vaina de acero inoxidable y una vaina de cobre; las diferencias entre las velocidades de transferencia de calor de las distintas vainas metálicas son insignificantes si se compara la velocidad de transferencia de calor desde el proceso a la vaina con la velocidad de transferencia de calor desde la vaina al sensor y con la respuesta del sensor.

Otro factor a tener en cuenta al emplear tubos y vainas es el efecto de conducción térmica. Puesto que el tubo o la vaina salen fuera del proceso habra una distribución de gradientes de temperatura en su longitud, y si el tubo o la vaina no se encuentran insertados to suficiente-mente profundo dentro del proceso, esos gradientes provocarán inexac-titudes en la medición.

a : Cabezal b : Cuello c : Rosca a proceso d : Aislador cerámico e : Vaina metálica f : Termocupla g : Longitud de la vaina h : Longitud del cuello

Figura 4.3.1. : Termocupla con vaina y rosca a proceso con cabezal de co-nexiones (sonda intercambiable cons truida segun DIN 16160)

52

Para eliminar dicho efecto, la longitud de inserción dentro del proceso debe ser por lo menos diez veces el diámetro de la vaina exterior.

El tiempo de respuesta también depende del espesor de la pared del tubo o la vaina. Cuanto más delgada es la pared, más rápida es la respuesta. Puesto que una de las funciones importantes de los tubos y vainas es brindar resistencia mecánica; con el espesor de la pared habrá un compromiso entre su velocidad de respuesta y su vida útil.

4.4. Efectos de la velocidad

Una vez insertada la vaina, el fluido que circula forma una estela turbulenta con una frecuencia que varía con la velocidad del fluido. La vaina debe ser lo suficientemente delgada para que la frecuencia de la estela no Ilegue a ser igual a la frecuencia natural de la vaina y provocar su resonancia y posterior fractura.

En la Tabla 4.4.1. se detallan los límites de velocidad para vapor y gas de distintos materiales utilizados en vainas conicas y estándar con inserciones de 11,4 y 26,7 cm. Por ejemplo, una vaina cónica de acero al carbono, insertada 11,4 cm dentro de un proceso, puede utilizarse para velocidades hasta 54 m/s, o sea 17 m/s más de lo que puede tolerar en forma segura una vaina estándar.

Figura 4.3.2. : Construcción con ex-tremo sensibilizado y su relación con otra de extremo normal.

a: Termocupla compactada con construcción estándar b : Construcción solidaria con reduc- ción

53

Tabla 4.4.1 - Límites de velocidad para vainas rectas y cónicas (vainas de diámetro interior de 1/4 pulgada

y diámetro exterior de 3/4 pulgadas)

Límites de velocidad, cm/s Material Insercióncm Vaina estándar Vaina cónica

Monel a 480 °C 11,4 33,6 46,5 26,7 06,21 8,52

Aceros al carbono a 530 °C 11,4 36,9 54,0 26,7 06,84 09,9

Acero inoxidable 11,4 38,4 59,1 Tipo 304 6 316, a 535 °C 26,7 07,08 10,8

4.5. Tubos de protección cerámicos

Se utilizan tubos cerámicos al presentarse alguna de las siguien-

tes condiciones: • El termopar estará expuesto al golpe directo de llama. • Existirán gases contaminantes. • Las temperaturas serán mayores de lo que pueden tolerar los tubos

metálicos (el umbral de las vainas metálicas es aproximadamente 1.200 °C).

Normalmente las termocuplas de platino requieren un tubo cerámico para lograr protección contra la contaminación proveniente de hornos y otros gases reductores.

Un conjunto cerámico puede incluir dos tubos, uno primario (interior) y uno secundario (exterior), o un solo tubo. Con termocuplas de platino por encima de 1.200 °C, el tubo primario es de alúmina pura al 99,7 % (óxido de aluminio) que es hermético a los gases y adecuado para temperaturas hasta 1.870 °C.

Debajo de 1.200 °C se puede usar un tubo de porcelana (silimanita u otras combinaciones óxido de aluminio / óxido de silicio). No se puede usar porcelana por encima de 1.315 °C, puesto que libera silicio (Si) que contamina la termocupla de platino.

Al utilizarse un tubo secundario, este normalmente consiste de

54

carburo de silicio, que no es hermético a los gases pero resiste la acción de corte del golpe directo de llama y es más resistente al shock térmico y mecánico que la alúmina pura (99,7 %). Sin embargo, posee una pobre conductividad térmica.

Se dispone también de tubos secundarios metal - cerámicos; éstos resultan superiores a los tubos de cerámica pura en lo que hace a la resistencia al shock mecánico y térmico, y brindan una respuesta termica más rápida.

4.6. Respuesta dinámica de la temperatura en los sensores en

general

En las hojas de características suelen aparecer distintos datos sobre la respuesta en el tiempo de los sensores. Algunos de estos parametros son el tiempo de operación, el tiempo de respuesta, el tiempo promedio, el tiempo de indicación, el tiempo t99 o t90. ¿Qué significan todas estas expresiones y cómo inciden en la utilización de estos equipos?

La respuesta dinámica de temperatura puede ser observada y estudiada cuando un sensor con una temperatura v1 = 20 °C es sumergido en un baño termostático a la temperatura v2 = 40 °C; la temperatura indicada debe leerse sólo cuando se aparta muy poco de la temperatura real del baño. El tiempo en que esto ocurre depende casi exclusivamente de la construcción mecánica del sensor.

En la figura 4.6.1. se muestra la respuesta de la indicación respecto al tiempo en un salto de temperatura v2 v1. Para un tiempo específico t, la diferencia entre el valor final y el valor instantáneo es v2 -v1. Refiriendo esta diferencia al salto de temperatura antes mencionado, se obtiene la función de transición:

En el caso más sencillo, la indicación de temperatura en función del tiempo transcurre según una función exponencial con exponente negativo:

55

En consecuencia, las temperaturas se igualan recién después de algún tiempo. En ocasiones, al valor T se to denomina tiempo de respuesta o constante de tiempo, y es el tiempo en que la indicación de la diferencia entre v2 y v1 cambia 0,632 veces, valor que se obtiene de (1 - e-1) = (1 - 0,368) = 0,632. En este tiempo t63, el sensor responde con el 63 % del valor del salto de temperatura.

De las expresiones (1) y (2) se desprende:

Figura 4.6.1.: Respuesta de la indicación respecto al tiempo en un salto de temperatura.

56

El tiempo promedio t50 es el tiempo en que el sensor

responde con el 50 % del valor del salto de temperatura.

El tiempo t90 es el tiempo en el que el sensor responde con el 90% del valor del salto de temperatura.

En este caso, la proporción t90 / t50 es equivalente a 3,32. Una proporción distinta muestra que la transición de

comportamiento del sensor no sigue exactamente una variación exponencial según la figura 4, habiendo otros detalles para tener en cuenta.

Los valores T, t50 y t90 de una sonda o sensor caracterizan globalmente su comportamiento en el tiempo. Estos parámetros interesan al usuario de sensores de temperatura para lazos de control, pero no alcanzan para los sensores de temperatura de indicación directa. Por ejemplo, para un salto de temperatura de + 20 °C a + 120 °C, en el t90, se lograría una indicación de 110 °C. Al usuario le interesa, en este caso, saber en qué tiempo, con el sensor en cuestión, puede Ilegar a conocer el valor de lectura.

Para ésto debe solicitarse el tiempo correspondiente al valor t99, o sea el tiempo en que el sensor responde al 99 % del valor del salto de temperatura:

57

En el ejemplo dado anteriormente, en el tiempo t99 se llega a

119 °C: Después del tiempo t99, la lectura está en el entorno de la tolerancia del equipo de medición.

Es interesante consignar aquí la relación entre el t99 y otros tiempos significativos:

4.7. Medición de la respuesta dinámica

Obviamente, existe una relación entre los valores de respuesta dinámica y los sistemas utilizados para medir estos valores, de modo que para relacionar las distintas formas constructivas de sensores se deberán uniformizar los criterios de ensayo de estos.

Parece lógico ensayar las respuestas de los sensores según la función para la que han sido diseñados, por ejemplo • Sondas de inmersión: en baños de agua. • Sondas para aire: en corrientes de aire. • Sondas para superficies: en superficies.

A los fines de ensayo, evidentemente, un valor de respuesta t90 medido en baño de agua no sirve para un sensor de superficies.

Entonces, para sensores de inmersión se recomienda medir los tiempos en baños de agua con una corriente de fluido de velocidad 0,2 m/s.

Para aire, los tiempos se miden en corrientes de aire con una velocidad de 1 m/s.

Para superficies, los tiempos se miden en una placa de acero inoxidable rectificado a temperatura ambiente de 20 °C y sin corriente de aire. El sensor se apoyará perpendicularmente con una presión de 1 Kp (9,8 N).

En este caso, conviene que los fabricantes aclaren siempre el

58

material de la placa que se utiliza; si ese material Ilegara a ser un metal con mejor conductividad térmica, las mediciones del tiempo de respuesta darían menores valores y no podrían establecerse comparaciones.

El usuario debe tener presente que estos parametros son muy importantes y que deben estar medidos y ensayados con mucha seriedad. Además, si se considera que estos ensayos se Ilevan a cabo en condiciones ideales de laboratorio, cuando en realidad los sensores se usan en medios industriales, generalmente en condiciones más desfavorables, se deberán calcular tiempos más prolongados.

Esto es así especialmente en la medición de temperaturas en superficies donde, por lo general, hay que enfrentarse con superficies ásperas u oxidadas, detalles, éstos, que alteran los valores medidos.

59

5. Termorresistencias

La variación de la resistencia eléctrica de los metales es frecuentemente utilizada para la medición de temperaturas. La resistencia eléctrica aumenta con el crecimiento de la temperatura y entonces hablamos de coeficiente de temperatura positivo PTC (Positive Temperatura Coeficiente).Esto, por ejemplo, con las termorresistencias de platino.

Para poder utilizar este efecto en la medición de temperatura, además, la resistencia eléctrica debe variar de manera reproducible en función de la temperatura. Por otra parte, las características del metal no deben modificarse durante el tiempo de empleo de ese metal como sensor para no introducir errores en la medición. El coeficiente debe ser lo más independiente posible de los efectos de la temperatura, presión y ataque químico.

5.1. Sensores de termorresistencia estándar

El platino se estableció como el material resistivo más apropiado

en la instrumentación industrial por sus características físicas y eléctricas. Estas ventajas incluyen alta resistencia química, relativa facilidad para procesarlo como alambre, posibilidad de producirlo con altos grados de pureza y la virtud de reproducir siempre sus características eléctricas. Estas propiedades estan definidas en la norma IEC 751, de manera de asegurar universalmente la intercambiabilidad. Esta norma establece las relaciones entre valores de resistencia eléctrica y temperatura y sus tolerancias, también define los rangos de temperatura para cada caso. Los cálculos analíticos distinguen dos rangos -200 a 0 °C y 0 a 850 °C.

El rango de -200 a 0 °C está definido por el siguiente polinomio de tercer orden:

El segundo polinomio se aplica al rango de 0 a 850 °C:

60

Los coeficientes tienen los siguientes valores:

El término R* es el referido al valor nominal y representa el valor de resistencia a 0°C. De acuerdo a la IEC 751 el valor nominal es 100,000, Q. Por esa razón, nosotros hablamos de sensores de termorresistencia Pt 100.

Se dispone también de sensores de termorresistencia con valores nominales de 500 y 1000 S2. Su ventaja es una mayor sensibilidad (mayor variación de resistencia con la temperatura)

La variación de resistencia en el rango de temperatura hasta 100 °C es aproximadamente:

Las normas definen un coeficiente adicional referido al rango entre 0 y 100 °C. Este representa el promedio de variación de

Figura 5.1. : Curva caracteristica de la Pt 100

61

resistencia respecto del valor nominal a 0 °C:

5.2. Cálculo del valor de temperatura a partir de su resistencia

Para su aplicación como sensor de temperatura, el sensor de termorresistencia precisa definir el valor de temperatura en función de su valor de resistencia. La ecuación que sigue representa la variación de resistencia eléctrica en función de la temperatura.

Para temperaturas superiores a O∞C se desprende una expre-sión explícita para las características según IEC 751:

Donde

R = Resistencia medida en Q t = Temperatura calculada en °C Ro, A, B : Parámetros según IEC 751

5.3. Tolerancias

La norma IEC 751 distingue 2 clases o tolerancias:

62

La tolerancia clase A es aplicable sólo en el rango de temperatura de -200 a +600'°C. En cambio, la tolerancia clase B es aplicable en el rango completo de temperatura de -200 a +850 °C.

5.4. Clases adicionales o tolerancias extendidas

Es frecuente en la industria que las dos clases definidas por la

norma no sean suficientes para los requerimientos especiales. Por esa razón, JUMO de Alemania definió clases adicionales para satisfacer las distintas necesidades del mercado.

6. Construcción de los sensores de termorresistencia

Debemos distinguir básicamente entre dos diferentes formas de construcción, los sensores de termorresistencias bobinados en cuerpos de

vidrio, cerámica, lámina flexible y los de pelicula fina o "Thin film".

Figura 5.4. : Tolerancias admitidas a diferentes tem-peraturas.

63

Tabla 5.4. - Clases de tolerancias.

6.1. Sensores de temperatura de platino - vidrio tipo PG

En esta construcción dos alambres de platino se bobinan sobre

un cuerpo de vidrio en forma de lazo o bobinado anti - inductivo. Luego se funden en el cuerpo de vidrio junto con los chicotes de conexión. Despues de calibrar el arrollamiento de platino, se coloca un tubo de vidrio sobre el cuerpo y ambos se funden juntos. Esto asegura que el arrollamiento estará completamente sellado.

El alambre de platino que se utiliza tiene un diámetro de 17 a 30 µm, dependiendo de la forma del sensor. El tipo de vidrio que se utiliza se desarrolla especialmente para adaptarlo al coeficiente de dilatación del alambre de platino.

Las dimensiones del sensor pueden ser de 7 a 55 mm en largo y de 0,9 a 4,9 mm de diámetro. Además de los sensores con valores nominales de 10052, también se producen versiones de 50052 y 100052. Figura 6.1. : Comparación de un cabello humano con el alambre de platino utilizado.

64

Los sensores de este tipo son insensibles al shock mecánico y las vibraciones, y por su excelente resistencia al ataque químico pueden usarse, en ocasiones, directamente sumergidos en el medio a medir. Existen versiones con tubo de extensión de vidrio y también de doble bobinado. Se utilizan en el rango de -200 a 400 °C.

6.2. Termorresistencias para Iaboratorio

Se une un tubo de vidrio con un sensor tipo PGL por fusión, y el

extremo del tubo se puede adaptar para el montaje de la aplicación en particular. La conexión eléctrica del sensor puede hacerse a través de un conector tipo LEMO o directamente a través del cable de conexión de 2,3 0 4 hilos.

Todo este conjunto puede colocarse dentro de un tubo o vaina metálica para protegerlo mecánicamente.

El tubo metálico de protección tiene perforaciones en el extremo para facilitar el contacto del medio con el cuerpo de vidrio del sensor. Ciertas versiones de este tipo de sensores de termorresistencia pueden calibrarse para ser usados como patrones de termorresistencia certificados.

Figura 6.1.1.: Esquema cons-tructivo de un sensor de tem-peratura de platino - vidrio.

65

6.3. Sensores de temperatura de platino - cerámica tipo PK

En un cilindro cerámico con dos o cuatro orificios longitudinales se montan los bobinados calibrados de platino, ya con sus alambres o chicotes de conexión soldados. Los orificios se Ilenan luego con polvo de alúmina para mantener el bobinado en posición y para mejorar el contacto térmico.

Después de la calibración final se sellan los extremos del cuerpo con una frita vitrea para además sostener los alambres de conexión. Los diámetros de este tipo de sensor varían entre 0,9 y 4,9 mm y sus largos

entre 7 y 30 mm. La construcción

interna de este tipo de sensores previene per-manentemente los cambios de resistencia causados por los esfuerzos mecánicos a causa de los cambios de temperatura. Estos sensores se utilizan en el rango de -200 a + 800°C. Figura 6.2. : Esquema constructivo de un sensor de termorresistencia para laboratorio.

Figura 6.2.1. : Termorre-sistencia patrón certificada.

66

6.4. Sensores de temperatura de platino en lámina flexible

Se fabrican con un arrollamiento de platino de aproximadamente 30 pm, montado entre dos láminas de poliamida y soldado a las cintas de conexión.

Este sensor de temperatura tiene apenas 0,17 mm de espesor y es usado mayormente para medir temperaturas de superficies planas y curvas.

Por su pequeña masa y relativa gran superficie, estos sensores flexibles tienen una gran velocidad de respuesta y se utilizan en tuberías, conductos, calefactores y matrices o moldes. Cubren el rango de -80 a +180 °C.

6.5. Sensores de temperatura de platino - película

fina tipo PCA

Sobre un sustrato cerámico se difunde una película de platino y se conforma en una estructura de zigzag mediante un proceso

litográfico. Una capa de vidrio protege el conjunto contra las influencias del exterior.

Un par de conectores se suelda a las terminaciones de este circuito resistivo, y la capa de vidrio actúa como aislante y soporte cerámico. La temperatura de operación depende del tipo de sensor pero se establece entre -50 y +600 °C. Figura 6.3. : Esquema constructivo de un sensor de tipo platino - cerámica.

67

Se producen en tamaños de 2.0 mm x 2.5 mm hasta 3.2 x 10 mm. En vista de su muy pequeño tamaño y del mínimo espesor del sustrato (0,3 mm), estos sensores tienen una alta velocidad de respuesta.

Tienen la ventaja de poder producirse sensores de valores nominales de 500 y 1000Ω en un área mínima, a diferencia de lo que oeurre con los del tipo platino - vidrio o cerámico.

Los sensores de temperatura de película fina combinan las ventajas de los sensores a termorresistencia de platino, tales como intercambiabilidad, gran estabilidad en el tiempo, repetibilidad y amplio rango de temperatura con los beneficios económicos que produce la gran escala de fabricación.

6.6. Sensores de temperatura de platino - pelicula fina, de

cuerpo cilindrico tipo PCR

Son del mismo tipo constructivo que los anteriores, pero monta- dos dentro de un cilindro cerámico abierto en un extremo y luego sellado con una frita vítrea. El cuerpo cerámico ofrece una protección

adicional a solicitaciones mecánicas y su forma cilíndrica lo convierte en reemplazo de los del tipo bobinado cerámico pero de menor costo. El rango de temperatura es -50 a 300 °C.

Figura 6.4. : Esquema cons-tructivo de un sensor de tern-peratura de platino con lámina flexible.

68

Figura 6.5.: Esquema constructivo de un sensor de

temperatura de platino del tipo película fina.

7. Comportamiento de las termorresistencias a traves del tiempo

Un aspecto muy importante en el uso de los sensores de

temperatura es el concerniente a la estabilidad de su señal durante tiempos prolongados. Un sensor tiene que mantener su exactitud a través de toda

su vida útil, a fin de asegurarque la exactitud deseada en la indicación se mantiene hasta el final.

Los parámetros de uso y los aspectos constructivos afectan enormemente la estabilidad. Las afirmaciones generales, tales

Figura 6.5.1.: Vistas de

sensores de temperatura de película fina

69

como, por ej.: deriva : 0.05 % por año, son apenas informativas si no hay indicación sobre las condiciones operativas. Los cambios cíclicos de temperatura, variando ésta entre límites superior e inferior, afectan a todos los componentes del sensor, mucho más que cualquier otra exigencia continua.

Se alcanza una estabilidad importante aun bajo condiciones de temperaturas variables mediante termorresistencias cerámicas en las que el arrollamiento está embebido en un polvo, lo cual conduce a que existan muy pocas uniones mecánicas.

El alambre resistivo se puede dilatar libremente en relación con los otros materiales constructivos. Se protege de los esfuerzos mecánicos que provocan cambios en la estructura metalográfica y, por lo tanto, en la resistencia eléctrica. Investigaciones recientes han mostrado que las termorresistencias cerámicas sufren cambios en su valor nominal de menos de 0,1 °C cuando se expusieron a temperaturas entre 700 y -200 °C durante 130 horas.

Se llevó a cabo, durante el mismo período de tiempo, una prueba de solicitación térmica, entre los 900 y -200 °C para los modelos que se usan para temperaturas mayores que 600 °C. Esto produjo una duplicación de las variaciones del valor nominal hasta de 0,2 °C.

En el caso de las termorresistencias de vidrio, el alambre de

platino se funde dentro del vidrio. Debido a la proximidad y a la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica del vidrio y del platino se da como resultado la aparición de grandes esfuerzos en el alambre. En la fabricación de las termorresistencias es muy importante tener en cuenta que el coeficiente de dilatación

Figura 6.6.: Esquema constructivo de un sensor de temperatura de platino - película fina cuerpo cilíndrico.

70

térmica del vidrio utilizado sea lo más próximo posible al del platino. Aún así, hay tensiones mecánicas producidas durante la fabrica-

ción que conducen a derivas a largo plazo; en consecuencia, es necesario estabilizar la termorresistencia mediante un proceso de envejecimiento artificial.

La resistencia total decrece hasta que alcanza un valor constante y allí permanece en un valor permanente. Este tratamiento de envejecimiento es parte del proceso de fabricación de la termorresis-tencia, de tal manera que su uso posterior no de como resultado cambios importantes durante las etapas iniciales.

Otro efecto que depende mucho del límite de la capacidad de la termorresistencia es la histéresis. Ésta se interpreta como el cambio reversible en la resistencia nominal Ro, la cual depende de si la solicitación térmica previa estaba dentro del rango de temperaturas positivas o negativas. Una prueba con termorresistencias de vidrio Pt 100 indicó una histéresis de 0,1 °C cuando la solicitación térmica fluctuó entre -200 y +300°C.

8. Histéresis de termorresistencias.

Tal como en el caso de las termorresistencias de vidrio, las termorresistencias de película fina son objeto de un acople mecánico ajustado entre la capa de platino y el sustrato cerámico que está debajo de ésta. Si los coeficientes de dilatación térmica de los dos materiales no coinciden completamente, la cerámica fuerza a la capa de platino (de aproximadamente 1 mm de espesor) a seguir su movimiento. Esto da como resultado cambios en la estructura metalográfica, que, a su vez, producen cambios en la resistencia. Dado que el coeficiente de termorresistencia, por sí mismo, depende de la temperatura, es muy difícil conseguir una variación uniforme entre el sustrato y el film de platino. La investigación y el desarrollo intensivo han conducido hoy a tener sensores con una muy buena estabilidad de la señal durante períodos prolongados.

Se extraen muestras de la producción actual durante el desarroIlo de los controles de calidad y se someten a un programa de esfuerzos. Éstas se someten a 300 ciclos de cambios bruscos de temperatura entre 0 y 250°C. Los cambios promedio en el valor

71

nominal están en un rango por debajo de 0,03 °C, un valor que puede considerarse de una exactitud adecuada para todas las aplicaciones de instrumentación.

9. Errores en las termorresistencias

En las mediciones que usan termorresistencias existe la posibilidad de que los resultados esten influidos por factores debidos al diseño o a la medición real propiamente dicha. Se tratan, a continuación, los principales factores que pueden conducir a mediciones incorrectas.

9.1. El efecto de los conductores

Tal como se mencionó previamente, la resistencia eléctrica de los

conductores forma parte de la medición, de la misma manera que lo hace un resistor conectado en serie con la termorresistencia. Particularmente, en instalaciones con distancias de transmisión más largas, la resistencia de la línea puede alcanzar el mismo orden de magnitud que el sensor termorresistivo propiamente dicho.

Es, por lo tanto, absolutamente esencial la compensación de la resistencia de la línea, y ésta consiste, habitualmente, en el ajuste del cero del instrumento conectado a la termorresistencia. Tal compensación de línea no tiene en cuenta los cambios de la resistencia de la línea debidos a la temperatura.

Si el conductor de conexión está sujeto a temperaturas variables, esto conduce a errores de medición variables, y el efecto sólo se hace evidente con líneas de transmisión largas, por ej.: con longitudes de líneas largas o con conductores de secciones pequeñas.

El cobre tiene prácticamente el mismo coeficiente de resistencia térmica que el platino. El error debido a la influencia de la temperatura sobre los conductores de conexión en un circuito de dos hilos puede estimarse rápidamente. Este error tiene relación con la proporción porcentual del valor de la resistencia de los conductores y el valor de la termorresistencia, multiplicada por las variaciones de temperatura a las cuales están expuestos los conductores del mismo.

Ejemplo : ¿Cuál es el error de temperatura para una Pt 100 en un cable bifilar debido a un cable de 20 m de longitud de 0,22 mm2 Si

72

está expuesto a variaciones de temperatura comprendidas entre -20 y+60°C?

La resistencia de la línea es de 8,12 Ω. Esto representa el 6,8 % del valor de la Pt 100 a 60°C. La línea de la termorresistencia está

expuesta a una diferencia de temperatura de 80 °C; los errores resultantes son aproximadamente 0,068 x 80 °C = 5,46 °C. Como simplificación, se supone que el cobre y el platino tienen el mismo coeficiente de temperatura y los cálculos se basan en una termorresistencia Pt 100 a 50°C. El error ocasionado por esta simplificación es tan pequeño que este método simplificado es suficiente para estimar el error previsible al usar un circuito de dos hilos. 9.2. Resistencia de aislación insuficiente

Debido al valor de resistencia de aislación en la conexión de los conductores y el material aislante en el cual está embebida la termorresistencia, existe la posibilidad de un error adicional debido a la pobre aislación de los materiales, lo cual se manifiesta como una disminución en la lectura de la indicación de temperatura.

Basándose en una termorresistencia Pt 100, una resistencia de aislación de 100 k0hms da como resultado un error de 0,25 °C 61 °C para una resistencia de 25 kOhms. A causa de la variación de la resistencia de aislación con la temperatura, es posible que este error varíe con las condiciones de la medición.

En particular, en los materiales con aislaciones cerámicas, la resistencia de aislación decrece con incrementos de temperatura. En vista del Iímite de temperatura relativamente bajo, de aproximadamente 600 °C, el efecto es difícil de notar en termorresistencias de platino. Resulta más importante si la humedad puede encontrar un camino dentro de la aislación, lo cual puede conducir a serios errores. Siempre debe prestarse especial atención a la humedad en la termorresistencia y también en los materiales de aislación entre los cables de conexión. Las termorresistencias están generalmente recu- biertas con una película de vidrio u otra forma de asegurar un sellado hermético. El inserto intercambiable en sí mismo está también sellado, a fin de evitar la entrada de humedad dentro de la vaina de la termorresistencia. Los insertos con termorresistencias pueden inter-

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cambiarse rápidamente, dado que ellos forman una unidad compacta. En caso de reparaciones en vainas sin inserto intercambiable, es absolutamente esencial asegurar la hermeticidad.

9.3. Autocalentamiento

A efectos de medir la señal de salida de una termorresistencia es

preciso hacer pasar una corriente a través de la misma. Esta corriente de medición provoca una elevación de temperatura generada por ley de Joule en la termorresistencia. El resultado es un incremento en la indicación de la temperatura.

El calentamiento propio depende de un número de factores, entre ellos, aquellos en los que el calor generado se evacúa por el mismo medio a medirse. En consecuencia, si observamos la ecuación para la potencia eléctrica, P = I2.R, este efecto depende también del valor de la resistencia. Para la misma corriente de medición, el calentamiento de una Pt 1000 es diez veces más grande que para una Pt 100.

El error debido al autocalentamiento también está determinado por las características del diseño, así como también por la conductividad térmica, la capacidad y el tamaño de la termorresistencia. La capacidad térmica y la velocidad del caudal del medio también tienen una influencia importante sobre este efecto. Los fabricantes de termorresistencias, a menudo, citan un coeficiente de autocalentamiento que es medida del incremento de la temperatura para una perdida de potencia determinada en la termorresistencia. Tales mediciones calorimétricas se Ilevan a cabo bajo condiciones específicas (en agua a 0,5 m/seg o en aire a 2 m/seg). Estos datos son de carácter teórico y sirven sólo como valores comparativos para las diferentes variantes de diseños.

La corriente de medición se ajusta a menudo en 1 mA por el fabricante del instrumento, ya que este valor ha demostrado ser útil en la práctica. Para una termorresistencia Pt 100, esto representa una pérdida de potencia de diez milésimos de watt. Por ejemplo: si se coloca una termorresistencia en un recipiente completamente cerrado y térmi-camente aislado, con 10 cm3 de aire, el aire se calentaría a través de la corriente de medición hasta alrededor de 39 °C, en un período aproxima-do de una hora. Con gases o líquidos fluyendo, este efecto es menos

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pronunciado debido a que la disipación del calor es mucho más rápida. En el caso de mediciones durante tiempos prolongados en gases

estacionarios diluidos, esta pequeña perdida de potencia puede condu-cir a errores en la medición; en tales casos, el efecto de autocalenta-miento tiene que medirse en las condiciones de trabajo. La temperatura se mide haciendo circular diferentes valores de corrientes, y mientras que la temperatura del cuerpo o fluido medido permanece constante. El coeficiente de autocalentamiento E es el siguiente:

Obtenido el coeficiente de autocalentamiento, es posible de

modo inverso determinar la máxima corriente de medición cuando se admite un error ∆t.

9.4. Tensiones termoelectricas parásitas

El efecto de la tensiones termoeléctricas también se hace

evidente durante la medición de la temperatura con termorresisten-cias. En este caso, como un efecto colateral altamente indeseable, se genera una tensión termoeléctrica en la unión de dos metales diferentes.

Tales uniones metálicas se encuentran presentes en las conexiones de la termorresistencia. Los cables de conexión de la termorresistencia, son frecuentemente de plata, con prolongaciones de cobre o níquel, por ej: las prolongaciones usadas como conductores internos.

Bajo condiciones normales, puede suponerse que ambas unio-nes están a la misma temperatura y que las tensiones termoeléctricas resultantes se cancelan entre sí.

Las diferencias en la conducción, del calor al exterior pueden provocar diferentes temperaturas en esas uniones; la electrónica de medición interpreta la tensión termoeléctrica parásita resultante como

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una caída de tensión ocasionada por un cambio de resistencia dando lugar así a un error en la medición. Es posible tanto un incremento como una disminución del valor de resistencia resultante dependiendo del signo de la tensión termoeléctrica parásita producida. La magnitud de este error depende mucho de las características del sistema electrónico de medición; en particular, cómo interpreta una tensión como temperatura.

Un método simple para diagnosticar tales errores debidos a tensiones termoeléctricas parásitas, consiste en la realización de dos evaluaciones con la corriente de medición en direcciones opuestas. La existencia de una diferencia entre las dos mediciones se debe a la tensión termoeléctrica generada por el sistema de medición.

9.5. Resistencias térmicas

Un sensor, o termorresistencia, siempre reaccionará con

alguna demora a causa de las resistencias térmicas que incorpora y que están siempre presentes. El error de medición, debido al retardo en la medición de la señal de salida que sigue a un cambio rápido del valor medido, se denomina error dinámico.

Como simplificación, es posible imaginar a la termorresistencia como consistente en resistencias; y capacitores de energia eléctrica. Cualquier aislación se representa mediante resistencias y las masas por medio de capacitores de energía eléctrica. En muchos casos, los componentes de una termorresistencia presentan ambas propiedades simultáneamente. En el caso de termorresistencias de vidrio, por ejemplo, el cuerpo de vidrio es ambas cosas: capacitor y resistencia térmica.

La velocidad con la cual responde una termorresistencia depende, en primer lugar, de la proporción entre la resistencia térmica y la capacidad térmica de la termorresistencia. Si la resistencia térmica aumenta, se incrementa la capacidad térmica; y si disminuye, hace que la termorresistencia eleve su temperatura.

Si la termorresistencia posee sólo una pequeña capacidad térmica, puede tomar una cantidad de calor pequeña y alcanzar, de este modo, la temperatura final más rápidamente. La resistencia térmica depende del tipo y espesor del material. La capacidad térmica está compuesta por el calor específico y la masa de la termorresistencia.

A fin de conseguir tiempos de respuesta bajos es preferible usar 76

termorresistencias pequeñas y materiales de espesores finos que puedan conducir rápidamente el calor. Un aspecto particularmente desfavorable son los huecos de aire entre el inserto de medición y su vaina de protección, dado que todos los gases son malos conductores del calor. El remedio consiste en embeber el inserto en pastas conductoras térmicas o polvos metálicos.

Las termocuplas tienen tiempos de respuesta más cortos que las termorresistencias debido a su menor masa térmica. Esto es aplicable, particularmente, a las termocuplas con delgadas aislaciones minerales. En la mayoría de los casos, la diferencia es mucho más importante debido a la comparativamente alta capacidad térmica del dispositivo protector. El tiempo de respuesta generalmente se incrementa cuando se aumenta el diámetro de la vaina. Es recomendable, entonces, usar accesorios de paredes delgadas, teniendo en cuenta que así lo permitan las solicitaciones mecánicas.

La conductividad térmica de la vaina también es importante. El cobre y el hierro conducen el calor relativamente más rapido que el acero inoxidable y los materiales cerámicos. La función transferencia, es decir, la variación del valor medido que sigue a un rápido cambio de la temperatura proporciona información sobre este efecto.

9.6. La función transferencia

Para determinar la función transferencia se Ilevan a cabo pruebas

con una termorresistencia en un caudal de agua caliente, mediante la utilización de ajustes especiales según se especifica en IEC 56B. La función transferencia se caracteriza por dos tiempos (tiempos de respuesta): • El valor mitad t50: indica el tiempo en el cual el valor medido alcanza el

50% del valor final; y, • El valor t90 : indica el tiempo en el cual el valor medido alcanza el 90 %

del valor final. Generalmente, no se especifica el valor de tiempo fijo que se

requiere para alcanzar el 63,2% del valor final, debido a la posible confusión que tendría lugar con la constante de tiempo de una función exponencial. La función transferencia de calor de casi todas las termorresistencias se desvía claramente de una función exponencial.

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El cociente entre el tiempo 90% y el valor mitad es aproximadamente 3:1, y depende mucho del diseño de la termorresistencia. Muchos fabricantes especifican ambos: el tiempo del valor mitad y el del 90%, dado que esto proporciona una indicación sobre la función transferencia de un termómetro.

El cociente entre t50 y t90, en el caso de una función exponencial, es siempre 3:1. Un valor menor de t50 para el mismo t90 indica un crecimiento de menor pendiente en la primera parte de la curva. La especificación de ambos tiempos proporciona de este modo, una indicación cualitativa de cuánto se desvía de la función exponencial la función transferencia de la termorresistencia. Para el usuario, esto es relativamente poco importante; el valor t50 ó t90 es más significativo para la estimación del retardo en la medición con una termorresistencia en particular.

9.7. Error por conducción del calor

Raramente se usa una termorresistencia dentro del rango de las

temperaturas ambiente. Si la temperatura medida está por encima o por debajo de la temperatura ambiente, se produce un gradiente de temperatura entre el punto de la medición y sus alrededores. Esto introduce un error en la medición: el calor fluye a través de la vaina o de los componentes internos de la termorresistencia desde el lugar más caliente hacia el más frío.

Además, la termorresistencia está conectada a un cable que forma evidentemente una conexión metálica directa entre la termorresistencia y sus alrededores; es un puente térmico que también introduce un error de medición.

Los buenos conductores eléctricos tienen siempre una resistencia térmica baja. El requisito de contar con una resistencia eléctrica baja en los cables de conexión se contrapone, de este modo, con que esto da como resultado grandes errores de conducción del calor.

El diseño de la termorresistencia también influye en el error por conducción del calor: la termorresistencia debe tener una buena conexión térmica con la vaina, mientras que debe estar térmicamente desacoplada de los cables de conexión.

La longitud de instalación del termómetro no debe ser demasiado

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corta. Por otro lado, esto conduce a excesivas pérdidas de calor por disipación. La profundidad de inserción (la longitud de la parte del sensor expuesta al medio a medir) depende, también, del tipo de medio y de la cantidad de calor transferido por éste en la unidad de tiempo.

Un líquido de rápida fluencia, por ejemplo, transfiere más calor y es, por lo tanto, más capaz para compensar la conducción térmica de la termorresistencia que el aire estacionario. Para mediciones en líquidos, es generalmente suficiente tener la mitad de la longitud de inserción en comparación con una instalación para un gas.

Un ejemplo demostrará el efecto del diseño en el error por conducción del calor. Cuando se usan en mediciones de calor, las termorresistencias tienen que tener un error que no exceda 0,1 °C. Esas condiciones son:

• Temperatura medida: 80°C • Temperatura ambiente: 20°C • Medio a medir: agua con una velocidad de fluencia de 0,1 a 0,2 m/ seg.

Particularmente en termorresistencias cortas con una longitud de inserción por debajo de los 50 mm, el alcance de la exactitud arriba especificada ocasiona problemas que deben resolverse mediante cambios en el diseño. El cable de conexión se toma directamente de la termorresistencia y es de cobre. La conexión térmica entre la termorresistencia y la vaina se mejora mediante pasta conductora de calor. En caso de ausencia de cualquiera de las precauciones especia-les para el desacoplamiento térmico, habrá un error por conducción de alrededor de 0,3 °C. Se logra una mejora del orden del 50% reduciendo el diámetro de la vaina en la zona de la termorresistencia.

El error de 0,15 °C para este modelo de termorresistencia aun no satisface los requisitos del criterio de la prueba. Finalmente, el desacople térmico del cable de conexión y la termorresistencia reduce el error a 0,03 °C, representando una mejora en un factor de 10 comparado con la versión original.

9.8. Consejos para reducir el error por conducción del calor

No siempre es posible lograr una construcción óptima para una aplicación en particular, de modo tal que el resultado no esté afectado

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por los errores de conducción de calor. Los criterios principales de construcción de termorresistencias, con referencia al error por conduc-ción de calor, se enumeran a continuación.

El uso de vainas de protección adicionales incrementa el valor de la resistencia térmica de la termorresistencia. Además, el calor fluye hacia el exterior a través de las vainas. Son, siempre preferibles las mediciones directas, si son posibles.

Cuando se usan vainas de protección existe la posibilidad de depósitos de suciedad entre el interior del mismo y la termorresistencia, o que exista oxidación de las superficies metálicas. El resultado es, otra vez, una transferencia del calor más pobre y, por ende, hay un incremento en el error por conducción.

Las cortas longitudes de inserción dan como resultado un gran gradiente de temperatura entre la termorresistencia y sus alrededores, y en consecuencia un gran flujo de calor. Es recomendable entonces seleccionar la longitud de inserción más larga posible.

Bajas velocidades de fluencia dan como resultado una mínima transferencia de calor a la termorresistencia. Deberá entonces seleccio-narse para una medición el lugar donde sea máxima la velocidad de fluencia.

Las partes externas de una termorresistencia, tales como el cabezal y los tornillos de sujeción, intercambian calor con los elementos circundantes. Las partes exteriores de una termorresistencia se deberán construir con aislación térmica a fin de evitar las pérdidas de calor.

El intercambio de calor con los alrededores se incrementa también por las corrientes de aire en el exterior de la termorresistencia. Ésta no deberá instalarse en ubicaciones con fuertes corrientes de aire. Cuando sea posible deberá protegerse mediante una lámina de metal o dispositivos de características similares.

La buena conductividad térmica de la termorresistencia y una superficie de intercambio grande de las partes externas, incrementan la transferencia del calor a los alrededores. Es recomendable, entonces, usar termorresistencias cuyas partes externas (vaina, cabezal) tengan una superficie mínima. La conductividad térmica de la vaina en la dirección de su eje puede reducirse intercalando anillos plásticos. Esto produce una reducción apreciable del error por conducción del calor sin deteriorar la respuesta dinámica de la termorresistencia.

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10. Calibración y certificación 10.1

Calibración

Durante el uso, una termorresistencia experimenta cambios en sus características con respecto a las iniciales, a causa de efectos químicos y mecánicos, así como también por el fenómeno de envejecimiento, recristalización y difusión. Ligeras diferencias en los coeficientes de dilatación térmica de los materiales del soporte, y de las resistencias de los materiales, también provocan cambios en las características. La magnitud de los cambios depende muy estrechamente de los esfuerzos reales y del diseño propiamente dicho. A fin de permitir la movilidad y compensarla es necesario recalibrar la termorresistencia a intervalos regulares. Tal calibración consiste en el chequeo de los valores de temperatura indicados y, en el caso que corresponda, establecer las cantidades en las que éstos se apartan de las temperaturas verdaderas. El concepto de calibración a menudo se usa en este sentido: significa tomar las medidas necesarias de manera tal que las desviaciones se mantengan pequeñas, al menos menores que los límites de error.

La calibración es idéntica que para la prueba de la exactitud para cada termorresistencia individualmente. No obstante, el fabricante no puede proveer una garantía de estabilidad, por largos períodos, de esos valores dado que no se puede predecir ni la posible futura aplicación ni la frecuencia de uso, ni los esfuerzos a los cuales se exponga a la termorresistencia. No se especifica la duración de la validez de la calibración, y no se entrega certificación de ningún servicio oficial de revisiones periódicas por recalibración. Es aconsejable recalibrar una termorresistencia inicialmente cada año y comparar los resultados obtenidos con los anteriores. Esto produce, a lo largo del tiempo, una historia de la vida de la termorresistencia, de la cual se evidencia su estabilidad. Conocida la adecuada repetibilidad para la aplicación en particular, el período de recalibración puede acortarse o extenderse.

Las preguntas referidas a la incertidumbre y la exactitud no pueden responderse en términos generales. Están siempre sometidas a acuerdos entre el usuario y el laboratorio de calibración, incluyendo los rangos de temperaturas y los puntos de ajuste de la calibración. La

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exactitud se determina por el tipo de medición que se precisa. El sensor o termorresistencia se calibra colocándolo a una

temperatura conocida, determinando la lectura producida por esta termorresistencia (resistencia, tensión termoeléctrica, etc.) y compa-rándola con el valor esperado. El calentamiento se logra por medio de baños termostáticos con líquidos, hornos o celdas de punto fijo dependiendo del rango requerido. La temperatura se mide con una termorresistencia certificada. Durante esta comparación es importante asegurar que no hay diferencia de temperatura entre la termorresis-tencia certificada y la que se prueba. En una celda de punto fijo, se consigue la temperatura exacta y conocida de la conversión de fase; no hay comparación con una termorresistencia certificada. Las celdas de punto fijo proporcionan gran exactitud; en celdas de punto triple de agua es posible alcanzar una exactitud mejor que 0.005 °C.

Es práctica general, durante la calibración, medir la resistencia de aislación, a la temperatura ambiente y a la máxima temperatura, también después de esfuerzos térmicos de tiempo prolongado. La termorresistencia se somete, por ejemplo, durante 20 horas a la máxima temperatura. El cambio en el valor nominal proporciona una primera estimación de su estabilidad.

La calibración puede aplicarse a termocuplas, termorresistencias y también a todo otro elemento de medición de temperatura. Si bien las termocuplas pueden en principio calibrarse a similares tolerancias que las termorresistencias dada la mucha menor estabilidad en el tiempo respecto de las termorresistencias esto es recomendable. El certificado de calibración contiene a menudo recomendaciones referidas a la inestabilidad previsible y al período de validez descripto y las condiciones de calibración, así como las condiciones de referencia, por ejemplo las condiciones operativas bajo las cuales tienen validez los resultados.

10.2. Servicios de calibración

La apertura de los mercados europeos a partir de 1993, las

nuevas normas de calidad tales como ISO 9000 y las rigurosas normas de fabricación de los productos incrementan los requerimientos de documentación de proceso y sobre el chequeo de los dispositivos de

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medición. Además, hay una demanda creciente de los usuarios más exigentes de normas de calidad de productos.

Las demandas especialmente exigentes surgen de la norma ISO 9000, la que describe el concepto global de un sistema de control de calidad. Si un fabricante emite certificados basados sobre esta norma, es necesario que los aparatos de control más significativos para la producción, puedan cumplir las normas internacionales. El cumpli-miento de una norma internacional significa que se documenta la calibración de los dispositivos de prueba de modo tal que las mediciones reales cumplan las mencionadas normas legales.

En Alemania, estos laboratorios están vinculados al Servicio de Calibración Aleman (DKD) que está subordinado al laboratorio nacional PTB en temas de instrumentación. Esto asegura que los aparatos de medición que se usan en un laboratorio DKD puedan cumplir inequívo-camente las normas internacionales y por lo tanto también las termorresistencias que se usan allí.

Durante la calibración oficial, la termorresistencia se verifica a diferentes temperaturas tal como se describió anteriormente. Los valores medidos se usan para determinar los parámetros de la curva característica y se emite un certificado de calibración de las mediciones realizadas. Es importante en relación a esto que la termorresistencia sea certificable bajo las normativas del servicio de calibración. Esto cubre particularmente la prueba de estabilidad del valor nominal después de estar expuesta a la máxima temperatura de uso permitida, así como la estabilidad de la resistencia de aislación. Si una termorre-sistencia no cumple estas condiciones, no se acepta para certificación.

Se ha desarrollado un tipo especial de termorresistencia patrón certificable para conseguir alta estabilidad a fin de permitir su uso bajo rigurosas condiciones industriales. Las termorresistencias de precisión del mercado están frecuentemente diseñadas de modo tal que el arrollamiento resistivo está libremente suspendido a fin de asegurar una solicitación química y mecánica mínima a través de los materiales de montaje.

Los golpes y la vibración, no obstante, Ilevan rápidamente a la fractura del arrollamiento. Mientras tales termorresistencias presentan una estabilidad de señal muy alta, del orden de 0,001°C o mejor, su baja resistencia mecánica no permite su uso en aplicaciones industriales.

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El sensor de temperatura de tales termorresistencias es similar al sensor de una resistencia de vidrio bobinada en alambre con el agregado especial que las terminaciones del sensor bobinado en el cuerpo de vidrio están dispuestas como un circuito de 4 hilos. La conexión al conector puede también estar hecha de platino de modo tal que queden excluidos los efectos tales como las tensiones termoeléctricas parásitas.

Las termorresistencias de vidrio están protegidos por una vaina de protección metálica para proteger de las influencias exteriores dispo-niendo de perforaciones en la zona de sensado a fin de reducir el tiempo de respuesta. El rango de temperaturas se extiende desde 0 hasta 180°C. La estabilidad durante períodos prolongados es mejor que 0,015°C después de 250 horas de operación a la temperatura máxima.

10.3. Certificación

La certificación sólo pueden realizarla inspectores calificados.

Consiste en la prueba y el grabado. Los tipos de termorresistencias que son objeto de certificación, están especificados en las normas. A diferencia de las calibraciones, la certificación de las termorresistencias involucra la comprobación de que la indicación se encuentre dentro de límites predeterminados de tolerancia. Éstos están establecidos por las normas y tienen que ser cumplidos por la termorresistencia en el momento de la certificación.

No deben excederse los límites permitidos de uso durante la validez de la certificación.

Las termorresistencias certificadas se usan en aplicaciones comerciales, por ejemplo: medidores de calor. La certificación se realiza a través de las autoridades apropiadas (oficinas de pesos y medidas, institutos de normalización, etc.). La prueba también puede delegarse a alguna organización autorizada. Este proceso de certificación privado se Ileva a cabo bajo la supervisión anual de la oficina de certificación nacional.

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11. Conexión de termorresistencias

En las termorresistencias, la resistencia eléctrica varía con la temperatura. Para evaluar la señal de salida, se hace pasar a través de la termorresistencia una corriente constante y se mide la caída de tensión en ella. Para determinar esta caída de tensión se utiliza la Ley de Ohm mediante la cual:

V = I . R

La corriente de medición se seleccionará para que sea lo más

pequeña posible a fin de evitar el calentamiento de la termorresistencia. Puede suponerse que una corriente de medición de 1 mA no introducirá errores apreciables. Esta corriente provoca una caída de tensión de 0,1 V en una Pt 100 a 0°C. Esta señal de tensión debe ser ahora transmitida a través de los cables de interconexión al indicador o a la electrónica de indicación con una alteración mínima. Hay cuatro formas diferentes de conexión de circuitos.

11.1. Circuito de dos hilos

La conexión entre la termorresistencia y la electrónica de medición se hace con un cable de dos conductores. Al igual que cualquier otro conductor eléctrico, este cable tiene una resistencia eléctrica que se ubica en serie con la termorresistencia. Las dos resistencias están por lo tanto adicionadas conjuntamente, lo cual es interpretado por la electrónica de evaluación como un incremento en la temperatura. Con distancias mayores, la resistencia de la Iínea puede incrementarse unos pocos ohms y producir un cambio apreciable en el valor medido.

Con el objeto de evitar este error la resistencia de la Iínea se compensa eléctricamente. La electrónica de evaluación del instrumento se diseña a fin de tener en cuenta siempre una resistencia de Iínea de 10 ohms. Cuando la termorresistencia se conecta por encima de este valor, se incorpora una resistencia de balance o compensación en una de las líneas de medición y la termorresistencia se reemplaza inicialmente por una resistencia de 100 ohms. La resistencia de

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compensacion se ajusta entonces hasta que el instrumento indique una lectura de 0°C. La resistencia de compensación, junto con la resistencia de la línea, igualan exactamente el valor de 10 ohms. La resistencia de compensación, suele tomar la forma de un arrollamiento de alambre resistivo, de modo tal que el balance consiste en el desenrollado del mismo. Debido a la relativamente compleja operación de compensación y el hecho de que esto no compensa los efectos de la temperatura sobre la línea de medición, el uso de la técnica de 2 hilos está volviéndose gradualmente obsoleta.

11.2. Circuito de tres hilos

A fin de minimizar los efectos de la resistencia de la línea y sus

variaciones con la temperatura, es práctica habitual usar un circuito de tres hilos en lugar de una disposición tal como la descripta arriba. Consiste en el tendido de un cable adicional hasta uno de los contactos de la termorresistencia. Esto da como resultado dos circuitos de medición, de los cuales uno se usa como referencia.

El circuito de tres hilos hace posible compensar ambas cosas la resistencia de la línea y su variación debido a la temperatura. Es un requisito, de todos modos, que los tres conductores tengan propieda-des idénticas y que estén expuestos a idénticas temperaturas. Esto es válido en grado tal que el circuito de tres hilos es el método más ampliamente usado en la actualidad. No se requiere la compensación de la línea.

11.3. Circuito de cuatro hilos

La forma óptima de conexión de termorresistencias es el circuito

de cuatro hilos. La medición no depende de la resistencia de la línea ni de sus variaciones debido a ésta. No se necesita compensación de la línea.

Se suministra la corriente de medición a la termorresistencia a través de las conexiones de alimentación. La caída de tensión en la resistencia de medición se toma mediante las líneas de medición. Si la resistencia de entrada de la electrónica de medición es muchas veces mayor que la resistencia de la línea, esta última puede

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despreciarse, La caída de tensión determinada de esta manera es independiente de las propiedades de los cables de interconexión.

En ambos circuitos, de tres y de cuatro hilos, debe recordarse que la extensión del circuito no se toma siempre justo sobre el elemento sensor. La conexión desde el sensor hasta el cabezal terminal de la termorresistencia, la Ilamada conexión interna, toma frecuentemente la forma de un circuito de dos hilos.

Esto da como resultado problemas similares a aquellos tratados bajo la discusión de los circuitos de dos hilos, aunque en una longitud mucho menor.

La resistencia total consistente en la suma de las conexiones internas y la termorresistencia misma se define en la especificación DIN 16 160 como la resistencia de la termorresistencia armada.

11.4. Transmisores de 2 hilos

Los problemas de los circuitos de dos hilos, tal como se

describieron arriba, pueden evitarse sin la necesidad de utilizar un cable multifilar, sino simplemente usando un transmisor de dos hilos.

El transmisor convierte la señal de la termorresistencia en otra equivalente de corriente normalizada de 4-20 mA, la cual es proporcional a la temperatura. La alimentación al transmisor se conduce también a traves de las mismas dos conexiones usando una corriente de reposo de 4 mA. Debido al cero flotante, esta disposición se denomina "cero vivo".

El transmisor de 2 conductores ofrece la ventaja adicional que la amplificación de señal reduce enormemente los efectos de las interferencias externas.

Hay dos disposiciones para el posicionamiento del transmisor. Dado que la distancia de transporte de la señal no amplificada deberá mantenerse lo más corta posible, el amplificador puede montarse directamente sobre la termorresistencia, dentro de su cabezal de terminales. Esta solución óptima es algunas veces imposible de alcanzar por motivos constructivos o por la consideración de que el transmisor puede tener un difícil acceso en caso de falla. En tales situaciones, se monta un transmisor para montaje sobre riel acondi-cionado en el interior del gabinete de control. La ventaja de un acceso

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mejor va en desmedro de hacer mayor la distancia que tiene que viajar la señal no amplificada.

Para mediciones en atmósferas riesgosas, la instrumentación utiliza circuitos intrínsecamente seguros acorde a EN 50 014 y EN 50 020. Los circuitos intrínsecamente seguros están diseñados de modo tal que en ambos casos, bajo condiciones normales o bajo falla, no hay nunca energía suficiente almacenada en el circuito para disparar una explosión, por ejemplo, a través de una chispa. Si se instala un transmisor en un área riesgosa, éste debe ser uno de diseño intrínsecamente seguro.

Los transmisores de dos kilos se suministran tanto para las termorresistencias como para las termocuplas.

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