1 Sensores y Actuadores Sensores de Temperatura. ¿Qué es Temperatura? El grado de calor o frío...

SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 1

Sensores y Actuadores

Sensores de Temperatura

SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S

¿Qué es Temperatura?

• El grado de calor o frío medido en una escala definida

• La velocidad a la cual vibran las moléculas de una sustancia

• Cuando las moléculas de una sustancia se mueven más rápido, su temperatura se incrementa


¿Porqué se mide la temperatura?

• La mayoría de las sustancias cambian sus propiedades físicas o químicas cuando se calientan o enfrían


Medición Industrial de la Temperatura

• Escalas de temperatura• Conversión de temperatura• Medición mecánica de la temperatura• Medición electrónica de la temperatura• Termopozos


Escalas de Temperatura

212°

-459.7°

32°

-273.2°

0°

100° 373.2°

0°

273.2°

671.7°

0°

491.7°

Evaporación

Congelación

CeroAbsoluto

Fahrenheit

°F

Celsius

°C

Kelvin

°K

Rankine

°R


Conversión de Temperatura

Fahrenheit a Rankine T(R) = T(F) + 459.7

Celsius a Kelvin

T(K) = T(C) + 273.2


Conversión de Temperatura

Fahrenheit a Celsius C) = 5/9 (T(F) - 32)

Celsius a Fahrenheit F) = 9/5 T(C) + 32


Medición Mecánica de la Temperatura

• Termómetros con Mercurio en Vidrio

• Termómetros bimetálicos

• Termómetros de bulbo


Termómetros Bimetálicos

• Los metales se expanden y contraen con T

• Metales diferentes tienen diferentes coeficientes de dilatación

• Dos metales diferentes se unen para formar una lámina bimetálica

POSICIÓN EN FRIO

POSICIÓN EN CALIENTE

METALALTA

EXPANSIÓNMETALBAJA

EXPANSION



• Tira bimetálica en forma de espiral o hélice • La aguja en la carátula graduada se mueve

cuando la temperatura cambia• También utilizado para cerrar contactos o

activar interruptores



Ventajas• Más robustos que

un termómetro de vidrio

• Costo inferior a un sistema lleno o electrónico

Desventajas• Baja exactitud• Tiempo de

respuesta lento• Sólo para

medición local• El manejo rudo

cambia la calibración


Termómetros de Bulbo

• El bulbo se conecta con un tubo capilar flexible a un elemento sensible al volumen o presión

• El elemento se mueve con el

• El elemento está acoplado mecánicamente al dispositivo indicador


Clasificación de los Sistemas de Bulbos

• Clase I – Bulbo lleno de líquido

• Clase II – Bulbo lleno de vapor

• Clase III – Bulbo lleno de gas

• Clase V – Bulbo lleno de mercurio



• Los bulbos llenos de líquido o vapor requieren compensación por temperatura y elevación

• Los bulbos llenos de mercurio son poco populares por los posibles problemas ambientales y de salud

• Los bulbos llenos de gas son grandes y tienen pequeños rangos de temperatura

• Los bulbos de vapor y gas tienen tiempos de respuesta más rápidos



Ventajas• Robustos• Económicos• Exactitud

aceptable• No requieren

energía eléctrica• A prueba de

explosión

Desventajas• Pueden llegar a

ser muy grandes• Lento tiempo de

respuesta• Mantenimiento

difícil• Limitación de

distancia entre el bulbo y el indicador


Medición Electrónica de Temperatura

• Termopares

• Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD)

• Termistores


Termopares

• Dos cables de distintos metales se unen en un punto llamado “unión caliente”

• El voltaje se mide en el otro extremo llamado “unión fría”

• El voltaje se modifica conforme cambia la temperatura en la “unión caliente”


Selección de Termopares

• Rango de Temperatura• Resistencia química del termopar o

su funda• Requisitos de instalación• Tipo de uniones


Uniones de Termopares

• Uniones aterrizadas– La unión es soldada a la funda brindando

mejor tiempo de respuesta

• Unión sin aterrizar– La unión está físicamente aislada de la

funda

• Unión expuesta– La unión está expuesta al ambiente

brindando mejores tiempos de respuesta.


Termopares

Ventajas• Económicos• Tamaño pequeño• Resistentes• Amplio rango de

temperatura

Desventajas• Sensible al ruido

eléctrico• Requieren de

amplificador• No lineales


Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD)

• La resistencia de un cable cambia como una función de la temperatura

• Cable tipo bobina o película• Los elementos tipo bobina hechos de

platino son los más comunes en la industria



• Los tipo bobina se coloca en una cápsula

• Los tipo película se deposita el platino como una capa y se encapsulan

• El RTD se conecta al circuito de medición que puede estar a cientos de metros de distancia



• 2-cables

• 3-cables

• 4-cables



Ventajas• Muy estables• Muy precisos• Muy sensibles• Mayor linealidad que

los termopares y termistores

Desventajas• Caros• Más grandes que los

termopares• Respuesta más lenta

que los termopares


Termistores

• Semiconductores – la resistencia varía con T• Puede medir pequeños cambios en la

temperatura• Se utiliza con mayor frecuencia en laboratorios

que en la industria


Termistores

Ventajas• Respuesta rápida• Muy sensibles• Económicos• Pequeños

Desventajas• Frágiles• Rango de

temperatura limitado

• Inestables a altas temperaturas

• No son lineales


Comparación de Termopares, RTD´s y

Termistores

TERMISTOR

RTD

TERMOPAR

TEMPERATURA

SALIDA


Rangos de Temperatura

• Elementos bimetálicos -100°F a 1000°F

• Bulbos llenos -100°F a 1200°F• Termopares -300°F a 4200°F • RTD’s -300°F a 1500°F• Termistores -400°F a 600°F


Termopozos• Protege al sensor de temperatura de

ambientes hostiles, alta presión o flujo• Permite que el sensor sea retirado para

calibración, reparación o reemplazo• Tubo cerrado construido de metal o cerámica

resistente a la corrosión


Termopozos

• Unidos a tuberías o tanques con rosca, bridas o soldados

• Algunos diseños permiten controlar la profundidad de inserción

• Reducen el tiempo de respuesta


Termopozos para uso sanitario


Aplicaciones

• La maquinaria requiere gran exactitud para evita expansiones térmicas

Werkzeugmaschine mit Ûberwachung der

Hydraulik- und KÏ hlschmiermitteltemperatur

KÏ hlschmiermittel

Hydraulikkreis

Temperatura de refrigerante


FlÏ ssigkeitsbehÌ lter mit TemperaturfÏ hrung

Aplicaciones

Temperatura de tanques


Monitoreo de ciclo CIP

Sistema Clean In Place

Ácido Agua Enjuague

Agua Caliente

Aguas arriba Agua Fría

Aguas abajo

Sosa


Medición de Temperaturasin contacto utilizandoTecnología Infrarroja


Medición de Temperatura sin Contacto

• Uso de la medición de temperatura sin contacto y aplicaciones típicas

• Teoría Infrarroja (IR)• Componentes de un sistema IR• Selección del instrumento correcto

para la aplicación


• Movimiento o muy calientes

• Ubicación complicada o peligrosa

• Donde el contacto puede dañar, contaminar o cambiar la temperatura

Los Termómetros Sin Contacto Permiten Una Medición Rápida,

Segura y ExactaPara Objetos en:


Beneficios de los Termómetros Sin

Contacto• Mejoran la calidad• Aumentan la productividad• Reducen costos de energía,

mantenimiento y materiales de desecho

• Eliminan paros de planta


• Procesamiento y almacenaje de alimentos

• Inspecciones eléctricas

• Mantenimiento• Automotriz• HVAC• Impresión

Aplicaciones de los TermómetrosSin Contacto

• Plásticos• Papel, impresión• Metales• Vidrio• Semiconductores• Alimentos

Portátiles En Línea


Espectro Electromagnético

Visible

Ultravioleta InfrarrojoRayos XRayosGama

RadioEHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF

0.1A 1A 1UA 100A 0.1µ 1µ 10µ 100µ 1cm0.1cm 10cm 1m 100m

1km 10km 100km

Longitud de Onda

10m

30201510864321.510.80.60.4

Longitud de Onda µm

Región de Medición Infrarroja


Fuentes de Energía Infrarroja

Objeto

SensorR

T

E

R + T + E = Energía TotalI = Energía IncidenteR = Energía ReflejadaT = Energía TransmitidaE = Energía Emitida

Reflexión, Transmisión y Emisión

Ambiente

I


Emisividad y Cuerpos Negros

Cuerpo Negro Ideal “Cuerpo Real”

Absorbedor y EmisorPerfecto

Algo de energía serefleja y transmite

Emisividad () =1 Emisividad () < 1

I

I

I

I

R

T

I


Característica Espectral de la Radiación de un Cuerpo Negro

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1500°C (2730°F)1000°C (1830°F)542°C (1000°F)260°C (490°F)

20°C (70°F)

Relación Única entre Temperatura y Energía

Em

isiv

idad

rad

iad

a p

or

un

cu

erp

o n

egro

Longitud de Onda (micrones)

102

101

1

10-1

10-2

10-3

10-4

0


Emisividad vs. Longitud de Onda

Varía con la longitud de onda (no para un cuerpo gris)

= 0.9 (cuerpo gris)

En

erg

ía R

elat

iva


= 1.0 (cuerpo negro)

Distribución Espectral de Diferentes Emisividades


Errores de Temperatura debido a Incertidumbre* en Emisividad

10

8

6

4

2

0500 1000 1500 2000 2500 3000

8-14 µm

1.0 µm

Solución: Utilizar pequeñas longitudes de onda

% E

rro

r en

la

Tem

per

atu

ra

Temperatura del Objeto (°C)

*Error en emisividad se asume en 10%

5.0 µm

3.9 µm

2.2 µm


Espectro de Transmisión IR para Ciertos Plásticos

Se elige la longitud de onda donde la transmisión se acerca a cero (3.43 para polietileno y 7.9 para poliéster)

Longitud de Onda en Micrones

% d

e T

ran

smis

ión

100908070605040302010

02 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Polietileno0.03 mm

0.13 mm

100908070605040302010

0% d

e T

ran

smis

ión

Longitud de Onda en Micrones

Poliester0.03 mm

0.13 mm

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14


Guía•Para temperaturas bajo superficie utilizar

1 ó 3 micrones•Para temperatura en superficie utilizar 5 ó 7.9 micrones•Para bajas temperaturas utilizar 8 - 14 micrones

con = 0.85

Medición IR en Vidrio

0.2 mm (10 Mil)

1.5 mm (60 Mil)

6 mm (240 Mil)

1.0

.8

.6

.4

.2

2 3 4 5 6 8

Tra

nsm

isió

n



• Compensar para baja emisividad

• Tomar en cuenta energía reflejada de los alrededores

• Óptima longitud de onda parametales a alta temperatura: 0.8 a 1.0 micrón

• Otras opciones: 1.6, 2.2, 3.9, ó termómetros de relación de 2 colores

Medición IR en Metales


El Sistema Infrarrojo

Ventanay óptica

Objeto Medio Ambiente DetectorDisplay Electrónico

u otra salida

453¡C

SP1 470¡C

EMS ¯.85


• Rango de Temperatura• Tamaño y Forma• Distancia del

sensor• Tipo de Material • Movimiento

El Objeto

Parámetros Importantes

Objeto

453¡C

SP1 470¡CEMS ¯.85


La lectura de temperatura puede ser afectada por la atmósfera y objetos circundantes

El Medio Ambiente

Medio Ambiente

453¡C

SP1 470¡CEMS ¯.85


El Medio Ambiente

8 - 14 micrones evita laabsorciónatmosférica

(0.3 km a nivel del mar)1.0

0.5

0.00.5 1 2 3 5 8 10 15 20


Tra

nsm

isió

n R

elat

iva


Energía del Ambiente

La corrección ambiental compensa por temperaturas de fondo mayores al objetivo


Factores Ambientales que Causan Errores en la Medición

Factores Soluciones Energía reflejada del medio ambiente

Polvo, vapor y partículas en la atmósfera

Alta temperatura ambiental

Corrección del sensor con T-ambient

Aislar el fondo del objetivo

Limpieza de lentes con purga de aire Termómetros de relación de 2 colores

Cuidado en el montaje Enfriamiento con agua o aire Purga con aire de lentes


453¡C

SP1 470¡CEMS ¯.85

Ventana y ÓpticaEl Sistema Óptico Concentra y Enfoca la Energía en el Detector

Ventana y óptica


El ObjetivoEl Objeto debe llenar por

completo el campo de VisiónMejor Bueno Incorrecto

Sensor

Objetivo mayorque el tamaño dela medición

Objetivo igualque el tamaño dela medición

Objetivo menorque el tamaño dela medición


Resolución óptica

Distancia del sensor al objeto

Tamaño de la medición

2.50.1

7.50.3

140.6

210.8

331.3

mmpulg

00

251

502

763

1305

mmpulgDiámetro de la medición

Diámetro de la medición

= D:S


Apuntador Laser

• Punto de medición visible para asegurar exactitud

• Importante para objetos en movimiento y lugares oscuros

• Cumplen requisitos de seguridad


Ventanas

• Aíslan al sensor en ambientes ostiles• No deben absorber en el rango

espectral de la medición • Diversos materiales dependiendo de

la visibilidad requerida• Sílice o cuarzo para altas

temperaturas


Transmisión de IR Materiales de Ventanas

Longitud de onda (micrones)

Po

rcen

taje

de

Tra

nsm

isió

n

0

20

40

60

80

100

5 10 15

Código

Barium FluorideCalcium FluorideAMTIR-1Fused SilicaGermaniumZinc SelenideZinc Sulfide


Detectores: El Corazón del Sensor de IR

• Convierte la energía IR en una señal eléctrica proporcional a la temperatura

• Los detectores de bajo costo han abierto nuevas aplicaciones

Detector

453¡C

SP1 470¡CEMS ¯.85


Tipos de Detectores

• Fotoconductivos

• Fotovoltáicos

• Piroeléctricos

• Termovoltáicos ejemplo Termopila


• Disponibles digitales y analógicos • Indicadores gráficos muestran

tendencias y múltiples mediciones simultáneamente

Indicadores Electrónicos y Salidas

Indicadores Electrónicosu Otras Salidas

453¡C

SP1 470¡C

EMS ¯.85


Tipos de Salida• Termopares• Corriente

– 0 a 20 mA– 4 a 20 mA

• Voltaje– 0 a 5 volt– Comúnmente 1 mV por

grado• RS232/RS485• Monitores


Interfases a Instrumentos• Controladores,

PLCs• Indicadores

digitales de temperatura

• Registradores de papel

• Software de adquisición de datos

• Impresoras


Procesamiento de SeñalObjetos calientes en movimiento

Señales de salida

Mantener Pico

Mantener Valle

Promedio

Temperatura Ambiente <50

200º 200º100º 240º


Sensores de IRpara Aplicaciones

Especiales


Sensores Inteligentes

• Ajuste desde PC del sensor• Cambio de calibración

dependiendo del producto• Acepta señales de fuera de rango

para operaciones seguras


Sensores de Dos Colores


Instrumentos de Dos Colores

• Objetivo obstruido– Humo, vapor o polvo en la

atmósfera– Ventanas sucias

• Objetivo menor al campo de visión• Objetos en movimiento• Emisividades bajas o cambiantes

Alta exactitud en aplicaciones difíciles


Humo o polvo

Solución de Problemas con Termómetros de Dos Colores

Lente sucio

Ventana sucia

Campo de visión bloqueado parcialmente

Objetivo menor al campo de visión


• Tratamientos térmicos,procesamiento de metales

• Industria del acero• Fundiciones• Hornos• Hornos para semiconductores• Otros: alambre, pulido de cristales de

silicón, fibra de vidrio

Aplicaciones deDos Colores


Scanners en línea

• Medición de perfiles de temperatura

• Plásticos, vidrio, monitoreo de hornos y otras aplicaciones

• Salida gráfica del perfil de temperatura


Selección del Instrumento Adecuado

a la Aplicación


• Rango de temperatura y longitud de onda

• Campo de visión y tamaño del objeto• Material del objeto• Velocidad de respuesta• Medio ambiente

¿Qué parámetros considerar al elegir un instrumento de IR?


¿Es la tecnología infrarroja peligrosa?

• No, la tecnología infrarroja mide la energía que es emitida en forma natural por los objetos.


¿Es mejor elegir elinstrumento más rápido? • Una respuesta

rápida se requiere para objetos pequeños o calentados rápidamente

• Debido a que la temperatura cambia lentamente, comúnmente no se requiere una respuesta rápida.


¿ Es mejor elegir el instrumento con el más amplio

rango de temperatura?• Seleccionar un instrumento que cumpla con el rango de temperatura

• Amplios rangos se requieren para arranques y aplicaciones múltiples

• Rangos estrechos para medición en procesos


• Comparada con el valor “real”• Importante cuando se mide en diferentes

lugares o con diferentes instrumentos

• Misma salida bajo las mismas condiciones

• Establece un estándar local. Mide la desviación desde un punto.

• El control del proceso se hace consistente

¿ Se requiere Exactitud oRepetibilidad?

Exactitud

Repetibilidad


¿ Qué longitud de onda se debe utilizar?

• Elegir la menor longitud de onda posible

• Usar mayores longitudes de onda con bajas temperaturas y cuando la emisividad es alta

• Poner atención a problemas potenciales causados por el ambiente


• Minimizar la energía reflejaday transmitida

• Utilizar longitudes de ondadonde el material es opaco

• Utilizar la menor longitudde onda posible

• Seleccionar un modelo especial

¿Se puede medir temperatura en vidrio, plástico o metales

brillantes?Algunos consejos . . .


¿Puedo conservar mi inversión de equipo existente?

• Los sistemas modulares utilizan controladores, impresoras, monitores y redes existentes

• Salidas en corriente, voltaje, digital o para computadora

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