Instrumentación Industrial Medición de Temperatura Instrumentación Industrial Capacidades Terminales de la Unidad Didáctica: • Reconocer las diversas formas de medición de variables industriales. Medición de Temperatura Introducción La medida de la temperatura es una de las más comunes y de las más importantes que se efectúan en los procesos industriales. Casi todos los fenómenos físicos están afectados por ella. La temperatura se utiliza, frecuentemente, para inferir el valor de otras variables del proceso. 4 Medición de Temperatura Introducción Existen diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y que son utilizados para medirla: a) Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases). b) Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia). c) Variación de resistencia de un semiconductor (termistores). d) La f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares). e) Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación). f) Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.). 5 Medición de Temperatura Temperatura Es una propiedad de la materia que ofrece una medida del promedio de energía cinética de las partículas que la forman. Sus unidades de media son: °C, °K, °F y °R. 6 Medición de Temperatura Calor Calor es el intercambio de energía térmica entre dos cuerpos a diferentes temperaturas en dirección de mayor a menor. No hay transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura. Sus unidades de medida son: Joule, BTU, Caloría. 7 Medición de Temperatura Pirometría Se llama pirometría al arte de medir las variaciones producidas por la acción del fuego en los cuerpos sólidos o en otro concepto para medir las más elevadas temperaturas. 8 Medición de Temperatura Criometría Se llama criometría a la medición de bajas temperaturas, en general cercanas al cero absoluto. 9 Medición de Temperatura Termometría La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin se utilizan diversos instrumentos que se basan en el cambio de alguna propiedad de la materia debido al efecto del calor. 10 Medición de Temperatura Escalas de Temperatura En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas están: o Centígrada o Fahrenheit o Kelvin o Rankine °𝐶 °𝐹 − 32 °𝐾 − 273 °𝑅 − 491 = = = 5 9 5 9 • Punto de ebullición del agua: 100°C 373°K 212°F 671°R • Punto de fusión del agua: 0°C 273°K 32°F 491°R 11 Medición de Temperatura Escalas de Temperatura 12 Medición de Temperatura Instrumentos Para la medición de temperatura se emplean los siguientes instrumentos: • • • • • • • • Termómetros de vidrio Termómetros bimetálicos Elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor Termómetros de resistencia Termopares Pirómetros de radiación Termómetros ultrasónicos Termómetros de cristal de cuarzo 13 Medición de Temperatura Presión La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmósferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m2), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo de masa 1 kg le comunica una aceleración de 1 m/s2. Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilopascal (1 kPa = 10-2 bar), el megapascal (1 MPa = 10 bar) y el gigapascal (1 GPa = 10.000 bar). En la industria se utiliza también el bar (1 bar = 105 Pa = 1,02 kg/cm2) y el kg/cm2, si bien esta última unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos frecuencia, en particular en nuevas plantas. 14 Medición de Temperatura Ejercicio 1 Se realiza una inspección térmica sobre el componente de un sistema y se determina una diferencia de temperatura de 6.5°C entre su temperatura actual y la temperatura considerada como normal. Cuando la temperatura del componente supere los 14°F de su condición normal, se debe intervenir el sistema. Determinar la condición actual del equipo y recomendé que acción tomar. Solución: T(°F) = 1.8 x T(°C) + 32 T(°F) = 1.8 x T(°C) T(°F) = 1.8 x 6.5 = 11.7°F 15 Medición de Temperatura Ejercicio 2 La temperatura de ebullición del oxígeno es de 90,19 K. Determine dicha temperatura en las escalas Celsius, Fahrenheit y Rankine. Solución Datos: TE = 90,19 K Celsius = K – 273 = 90,19 – 273 = -182,81 ºC Fahrenheit = 9°C / 5 + 32 = 9 x (-182,81) / 5 + 32 = -297,058 16 Medición de Temperatura Ejercicio 3 ¿En qué valor numérico, una medida de temperatura en la escala Celsius es el doble que en la escala Fahrenheit? Solución Datos: °F = x °C = 2x °F = 9°C/5 + 32 === > x = 9 ● 2x / 5 + 32 === > 5 (x – 32) = 18x === > 5x – 160 = 18x === > 13x = - 160 x = -12,3 º 17 Medición de Temperatura Escala Internacional de Temperaturas Esta escala, denominada Escala Práctica Internacional de Temperatura (IPTS) fue inicialmente presentada en 1927. Luego de sucesivas modificaciones, en 1968, una nueva escala entra en vigencia (IPTS-68). 18 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetro de Vidrio: El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse, se expande y sube en el tubo capilar. 19 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetro de Vidrio: Los márgenes de trabajo de los fluidos empleados son: o o o o o Mercurio Mercurio (tubo capilar lleno de gas) Pentano Alcohol Tolueno -35 °C hasta +280 °C -35 °C hasta +450 °C -200 °C hasta +20 °C -110 °C hasta +50 °C -70 °C hasta +100 °C 20 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetro Bimetálico: Los termómetros bimetálicos se fundamentan en el distinto coeficiente de dilatación de dos metales diferentes, tales como latón, monel o acero y una aleación de ferroníquel o Invar (35,5% de níquel) laminados conjuntamente. Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando espirales o hélices. Un termómetro bimetálico típico contiene pocas parte móviles, sólo la aguja indicadora sujeta al extremo libre de la espiral o hélice y el propio elemento bimetálico. El eje y el elemento están sostenidos con cojinetes, y el conjunto está construido con precisión para evitar rozamientos. No hay engranajes que exijan un mantenimiento. 21 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetro Bimetálico: 22 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetros de Bulbo y Capilar: Los termómetros tipo bulbo y capilar consisten, esencialmente, en un bulbo conectado por un capilar a una espiral. Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse, moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo. Hay cuatro clases de este tipo de termómetros: o Clase I. Termómetros actuados por líquido o Clase II. Termómetros actuados por vapor o Clase III. Termómetros actuados por gas o Clase IV. Termómetros actuados por mercurio 23 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetros de Bulbo y Capilar: Termómetros actuados por líquido (Clase I) Tienen el sistema de medición lleno de líquido y, como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme. 24 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetros de Bulbo y Capilar: Termómetros actuados por vapor (Clase II) Se basan en el principio de presión de vapor. Contienen un líquido volátil cuya interface se encuentra en el bulbo. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala, donde hay mayor sensibilidad. 25 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetros de Bulbo y Capilar: Termómetros actuados por vapor (Clase II) 26 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetros de Bulbo y Capilar: Termómetros actuados por vapor (Clase II) 27 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetros de Bulbo y Capilar: Termómetros actuados por gas (Clase III) Están completamente llenos de gas. Al subir la temperatura, la presión de gas aumenta prácticamente de forma proporcional y, por lo tanto, estos termómetros tienen escalas lineales. La presión en el sistema depende, principalmente, de la temperatura del bulbo, pero también de la temperatura del tubo capilar y del elemento de medición, siendo necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición. La constante de tiempo de los termómetros de gas es de 1 a 4 segundos. Se utiliza como gas el nitrógeno, que es inerte y barato. A bajas temperaturas se emplea el helio. El campo de medición de temperaturas varía entre -80 °C y 600 °C. 28 Medición de Temperatura Efectos Mecánicos Termómetros de Bulbo y Capilar: Termómetros actuados por mercurio (Clase VI) Son similares a los termómetros actuados por líquido (clase l) y se caracterizan por su rápida respuesta, exactitud y potencia de actuación. La presión interna del mercurio varía de 28 bar a bajas temperaturas hasta 80 bar a altas temperaturas, lo que elimina los errores de diferencia de altura entre el bulbo y el tubo Bourdon. El campo de medición de temperaturas varía entre -40 °C y 650 °C. Pueden tener compensación en la caja y compensación total 29 Bibliografía Creus, Antonio. (2011). Instrumentación industrial. México D.F. : Alfaomega (629.8/C85/2011) J. Fraile, P. Garcia (2013) Instrumentación aplicada a la Ingenieria. Madrid/ Ibergarceta publicaciones, S.L (621381I/F81). GRACIAS
