Instrumentos de medición:

Un instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones y de la medición resulta un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta lógica conversión.

>>MEDIDORES DE FLUJO:

Las medidas de flujo son muy importantes en todos los procesos industriales. La manera en la que la razón de flujo se cuantifica depende de si la cantidad fluido es un sólido, líquido o gas. En el caso de sólidos, es apropiado medir la razón de flujo de la masa, mientras que en el caso de líquidos y gases, se mide el flujo normalmente en cuanto a razón de volumen. En unos casos, tal como medir la cantidad de combustible usado en un cohete, es necesario medir la masa del líquido. Éstas y otras técnicas especiales de medición de flujo están disponibles en este libro.

1.1 Flujo de masa

La medida del flujo de masa de los sólidos en los procesos industriales normalmente atañe a sólidos en forma de pequeñas partículas originados por

procesos de aplastamiento o molición. Estos materiales son conducidos por un tipo de cinta transportadora que permite medir la masa del sólido en una longitud dada de la cinta, que, multiplicada por su velocidad, permite calcular el flujo de

masa del sólido. La figura 16.1 muestra un típico sistema de medición de flujo de masa. Una célula de carga mide la masa M del material distribuido sobre una longitud l de la cinta transportadora. Si la velocidad de la cinta es v, el flujo de

masa Q viene dado por la siguiente expresión:

El flujo de masa de un fluido viene determinado mediante la medida simultánea del flujo de volumen y la densidad del fluido, aunque una reciente alternativa disponible es el método de Coriolis. Debido a que la medida del flujo de masa en fluidos no es un práctica habitual, los sistemas necesarios para ello no están referenciados en este texto, pero sí en Medlock 1983, Furness and Heritage1986.

1.2 Razón de flujo de volumen

La razón de flujo de volumen es la forma apropiada de cuantificar el flujo de los materiales gaseosos, líquidos o semi-líquidos (cuando partículas sólidas van suspendidas en un medio líquido). Los materiales en estas formas son conducidos mediante tuberías, y los instrumentos más comunes usados para medir dicho flujo de volumen son los siguientes:

- medidor de diferencia de presión

- medidor de área variable

- medidor de desplazamiento positivo

- medidor de flujo de turbina

- medidor de flujo electromagnético

- medidor de emisión de torbellinos

- medidor de ultrasonido

La consideración de estos medidores en las siguientes secciones es seguida por discusiones del último desarrollo en relaciones cruzadas, láser Doppler y medidores de flujo inteligentes. Los factores relevantes que regulan las opciones entre este desconcertante gama de medidores disponibles en aplicaciones concretas son consideradas en la sección final de este capítulo.

1.3 Medidores de diferencia de presión

Los medidores de diferencia de presión incluyen la inserción de algún dispositivo en una tubería de fluido la cual causa una obstrucción y crea una diferencia de presión entre ambos lados del dispositivo. Tales medidores incluyen la placa de orificio, el tubo Venturi, la boquilla, la tubería Dall y el tubo Pilot. Cuando se pone tal obstrucción en una tubería, la velocidad del fluido por la obstrucción aumenta y

la presión disminuye. La razón de flujo de volumen es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presión a través de la obstrucción. La forma en que esta diferencia de presión es medida es importante. Medir las dos presiones con instrumentos distintos y calcular la diferencia de estas medidas no es muy satisfactorio debido al gran error que se puede cometer cuando la diferencia de presión es pequeña, como se explicó en el capítulo 7. El procedimiento normal es, por lo tanto, usar un transductor de diferencia de presión de diafragma.

Todas la aplicaciones de este método de medición de flujo asumen que las condiciones del flujo aguas arriba del dispositivo de obstrucción están en estado estable, y una cierta mínima longitud de tramo recto de la tubería por delante del punto de medida es necesario para asegurar esto. La mínima longitud requerida por los distintos diámetros de las tuberías están especificadas en British Standards tables, pero una regla útil extensamente usada en los procesos industriales es especificar una longitud de 10 veces el diámetro de la tubería. Si las restricciones físicas impiden utilizar esto, se pueden insertar inmediatamente delante del punto de medida unas aspas especiales para calmar el fluido.

La figura 16.2 ilustra aproximadamente la forma en que el modelo de

flujo es interrumpido cuando una placa de orificio se inserta en una tubería. El otro dispositivo de obstrucción tiene también un efecto similar a este. Un interés particular tiene el hecho de que la mínima área de la sección del flujo no ocurre sin la obstrucción pero en un punto aguas debajo de allí. El conocimiento del modelo de la variación de presión a lo largo de la tubería, que se muestra en la figura 16.3, tiene bastante importancia en esta técnica de medición del flujo de volumen. Esto muestra que el punto de mínima presión coincide con el punto de la mínima sección del flujo, un poco más delante de la obstrucción. La figura 16.3 también muestra que existe un pequeño aumento de la presión inmediatamente antes de la obstrucción. Es por tanto importante, no sólo posicionar el instrumento de medida P2 exactamente en el punto de mínima presión, sino medir la presión P1 en el punto aguas arriba del punto donde la presión empieza a subir tras la obstrucción.

En ausencia de ningún mecanismo de transferencia de calor y asumiendo la fricción del flujo de un fluido incompresible por la tubería, la razón de flujo de volumen teórico, Q es dado por (ver Bentley (1983)):

donde A1 y P1 son la sección y la presión del fluido antes de la obstrucción, A2 y P2 son la sección y la presión del fluido en el punto de la estrechez del flujo más allá de la obstrucción, y r la densidad del fluido. La ecuación 16.1 no se aplica en la práctica por diferentes razones. Primero, la fricción del flujo no se obtiene. Sin embargo, en el caso de flujos agitados en tuberías lisas, la fricción es baja y puede ser englobada por una variable llamada número de Reynolds, la cual es una función mensurable de la velocidad del flujo y de la fricción viscosa. La otra razón para no aplicar la ecuación 16.1 es que la sección inicial del fluido es menor que el diámetro de la tubería que lo contiene y la mínima sección del fluido es menor que el diámetro de la obstrucción. Por lo tanto, ni A1 ni A2 pueden ser obtenidos. Estos problemas son resueltos mediante la modificación de la fórmula anterior a la siguiente:

Placa de orificio

La placa de orificio es un disco metálico con un agujero, como muestra la figura 16.4, insertada en la tubería que porta el flujo de fluido. Este agujero es normalmente concéntrico con el disco. Más del 50% de los instrumentos usados en la industria para la medida del flujo de volumen son de este tipo. El uso de esta placa de orificio está muy extendido a causa de su simplicidad, reducido coste y disponibilidad en un gran número de tamaños. Sin embargo, la mejor exactitud obtenida con este tipo de dispositivo de obstrucción es sólo del ±2% y la permanente pérdida de presión causada en el flujo es muy alta, estando entre el 50% y el 90% de la diferencia de presión (P1-P2). Otros problemas con la placa de orificio son

los cambios graduales en el coeficiente de descarga después de un periodo de tiempo como los bordes afilados del agujero se van gastando, y una tendencia de las partículas del fluido a adherirse en la placa y hacer que su diámetro disminuya. Este último problema puede ser reducido usando una placa de orificio con un agujero excéntrico. Si este agujero está cerca del fondo de la tubería, los sólidos del fluido tienden a ser barridos, y los sólidos que se adhieren son mínimos.

Un problema muy similar surge si hay burbujas de vapor o gas en el fluido. Éstas también tienden a adherirse detrás de la placa de orificio y distorsionar el modelo de flujo. Esta dificultad puede ser evitada insertando la placa de orificio en un tramo vertical de la tubería.

Boquilla de flujo

La forma de una boquilla de flujo se muestra en la figura 16.5. Esta no está inclinada para partículas sólidas o burbujas de gas y no está restringida por adherirse las partículas, por lo que, en este aspecto, es superior a la placa de orificio. Su vida del funcionamiento útil también es mayor porque no se desgasta. Estos factores contribuyen a dar al

instrumento una mayor exactitud de medida. Sin embargo, como la fabricación de una boquilla de flujo es más compleja que la de la placa de orificio, es también más costosa. En términos de pérdidas permanentes de presión es similar a la placa de orificio. Un aplicación típica de la boquilla de flujo es la medida de flujo de vapor.

Venturi

El venturi es un tubo de precisión con una especial forma, como se muestra en la figura 16.6 es un instrumento muy caro pero ofrece una gran exactitud y causa una pérdida de presión de sólo 10-15% de la diferencia de presión (P1-P2). La forma interna lisa que posee hace que no sea afectada

por partículas sólidas o burbujas del fluido, y de hecho puede incluso hacer frente a disolución de sedimentos. Apenas necesita mantenimiento y tiene una vida muy larga.

Tubo Dall

El tubo Dall, mostrado en la figura 16.7, consiste en dos reductores cónicos insertados en la tubería que porta el líquido. Tiene una forma interna muy similar al tubo de Venturi, excepto porque falta una garganta. Esta construcción es mucho más fácil que la de Venturi (que requiere complejos mecanismos) y esto da al tubo Dall una ventaja en coste, aunque la exactitud de la medida no sea tan buena. Otra ventaja del tubo Dall es su pequeña longitud, lo que hace más fácil introducirlo en la línea del fluido. El tubo Dall tiene además otra ventaja operacional, la pérdida permanente de presión es del 5%, y así es sólo la mitad que la debida al Venturi. En los otros aspectos, los dos instrumentos son muy similares con su escaso mantenimiento y larga vida.

Tubo Pilot

El tubo Pilot se usa principalmente para hacer medidas temporales de flujo, aunque es también usado para medidas permanentes. El instrumento se basa en

el principio por el cual un tubo con su extremo abierto en una corriente de fluido, como muestra la figura 16.8, pondrá a reposar esa parte del líquido que lo afecta, y la pérdida de energía cinética se convertirá en un incremento de presión medible dentro de dicho tubo.La velocidad del flujo puede ser calculada por la siguiente fórmula:

La constante C, conocida como el coeficiente del tubo de Pilot, es un factor que corrige el hecho de que no todo el fluido incidente en el final del tubo será llevado al resto: una proporción se obtendrá según el diseño de la tubería. Habiendo calculado v, el flujo de volumen puede ser calculado sin más que multiplicar v por la sección de la tubería, A.

Deducir la medida del flujo de volumen a partir de la velocidad del flujo en un punto del fluido, obviamente, requiere que el flujo sea muy uniforme. Si esta condición no se cumple, se pueden usar múltiples tubo de Pilot para medir la velocidad del flujo en la sección.

Los tubos de Pilot tienen la ventaja de que produce una pérdida de presión despreciable. Son también baratos, y su instalación simplemente consiste en un simple proceso de ponerlo en un pequeño agujero taladrado en la tubería. Su principal fallo es que la exactitud de la medida es sólo del 5% y los dispositivos de medida de presión tienen que alcanzar algo más de exactitud, sobre todo si la diferencia de presión creada es muy pequeña.

1.4 Medidores de área variable

En esta clase de medidores de flujo, la diferencia de presión por una apertura variable es usada para ajustar el área de la apertura. El área de apertura es entonces una medida del flujo de volumen. Este tipo de instrumentos sólo da una indicación visual del flujo y no es utilizada en esquemas de control automático. Sin embargo, es fiable y barato y por ello se utiliza bastante en toda industria. De hecho, los medidores de área variable justifican el 20% de los medidores vendidos. En su forma más simple, mostrada en la figura 16.9, el instrumento consiste en un tubo de cristal con un flotador que toma una posición estable donde su peso

sumergido es balanceado por el solevantamiento debido a la diferencia de presión en él. La posición del flotador es una medida del área eficaz del paso del fluido, y con este, de la razón de flujo. La exactitud del instrumento más barato es solo del ±3%, la versión más cara puede llegar hasta ±0.2% de exactitud. El rango normal de medida está entre el 10 y el 100% de la escala total.

1.5 Medidor de desplazamiento positivo

Todos los medidores de desplazamiento positivo operan mediante el uso de divisiones mecánicas para cambiar de sitio volúmenes discretos de fluido sucesivamente. Todas las versiones de los medidores de desplazamiento positivo son dispositivos de bajo rozamiento, bajo mantenimiento y larga vida, aunque provocan una pequeña pérdida de presión en el fluido. Las bajas fricciones son especialmente importantes para medir flujo de gases, y los medidores han sido diseñados con arreglos especiales para satisfacer este requerimiento.El medidor de pistón rotatorio es el más común de los este tipo de medidores, y está ilustrado en la figura 16.10. Éste usa un pistón cilíndrico el cual es desplazado en una cámara también cilíndrica por el fluido. La rotación del pistón se transmite a un eje de salida. Éste puede ser usado con una escala de indicación para dar una salida visual o puede ser convertido en una señal eléctrica de salida Los medidores de desplazamiento positivo cuentan con cerca del 10% del número total de medidores de flujo utilizados en la industria. Tales dispositivos son usados en gran número para medir consumiciones domésticas de gas o agua. El instrumento más barato de este tipo tiene una exactitud de ±1.5%, pero en los más costosos puede ser incluso de ±0.2%. Estos mejores instrumentos se usan dentro de la industria de refinerías, ya que tales aplicaciones justifican su elevado coste.

1.6 Medidores de turbina

Un medidor de turbina consiste en un conjunto de paletas de hélice montadas a lo largo de un eje paralelo a la dirección del fluido en la tubería, como muestra la figura 16.11. El flujo de fluido hace que estas paletas giren a un determinado ritmo, el cual es proporcional al volumen de flujo que circula. Este ritmo de rotación es

medido por la construcción de un medidor tal que se comporta como un tacogenerador de reluctancia variable. Esto se consigue fabricando las paletas de la turbina con un material ferromagnético y utilizando un imán permanente y una bobina dentro del aparato de medida. Un pulso de tensión es inducido en la bobina cada vez que una paleta pasa por él, y si estos pulsos son medidos son medidos por un contador de pulsos, la frecuencia de estos y su flujo pueden ser deducidos. Con tal de que el giro de la turbina tenga poca fricción, la exactitud de la medida puede llegar a ser de ±0.1%. Sin embargo, los medidores de turbina son muy afectados por las partículas del fluido. Este deterioro debido al uso es un particular problema que conlleva una permanente pérdida de presión del sistema de medida. Los medidores de turbina tienen un coste similar y unas ventas muy parecidas a los medidores de desplazamiento positivo, y compiten en muchas aplicaciones, particularmente en las refinerías. Los medidores de turbina son mas pequeños y más ligeros, y son preferidos para fluidos de baja viscosidad. Los medidores de desplazamiento positivo son mayores, sin embargo, preferibles para grandes viscosidades y pequeños flujos.

1.7 Medidores de flujo electromagnéticos

Los medidores electromagnéticos están limitados a medidas de flujo de líquidos conductores de la electricidad. Se obtiene una razonable exactitud en la medida, de ±1.5%, aunque es instrumento es caro tanto por el coste inicial, tanto como por el mantenimiento, sobretodo por su elevado consumo de electricidad. Una de las razones de su elevado precio es la necesidad de su minuciosa calibración durante su fabricación, pues hay una considerable variación de las propiedades de los materiales magnéticos usados.

El instrumento consiste en tubo cilíndrico de acero inoxidable, atacado con una capa aislante, el cual transporta el fluido a medir. Los materiales típicos de aislantes usados son neopreno, politetrafluoritileno (PTFE) y poliuretano. Una capa magnética es creada en el tubo mediante la polarización de dos electrodos insertados a ambos lados del tubo. Los extremos de estos electrodos están usualmente al mismo nivel que la superficie interior del cilindro. Los electrodos están fabricados con un material que no es afectado por la mayoría de los fluidos, como el acero inoxidable, aleación de platino e iridio, Hastelloy, titanio y tántalo. En el caso de metales inusuales, como los de la lista, los electrodos se llevan la mayor parte del coste del instrumento. Por las leyes de inducción magnética de

Faraday, la tensión E inducida en la longitud L del fluido, moviéndose a una velocidad v en un campo magnético de densidad de flujo B, es dada por:

E = B L v

L = es la distancia entre los electrodos, la cual es el diámetro del tubo, y B es una constante conocida. Por consiguiente, la medida de la tensión E inducida en los electrodos permite deducir la velocidad v del fluido mediante la ecuación anterior. Calculando v se multiplica por la sección del tubo, obteniendo así el valor del flujo. Un valor típico de tensión medida en los electrodos es de 1mV para un flujo de 1 m/s.El diámetro interno del medidor de flujo magnético es normalmente el mismo que el del resto del conducto del sistema. Por lo tanto, no hay obstrucción del fluidoy consecuentemente, no hay pérdida de presión asociada a la medida. Al igual que otras formas de medida, este instrumento requiere un tramo recto inmediatamente antes del punto donde se realiza la medida para cierta exactitud en la medida, aunque una longitud igual a cinco veces del diámetro puede ser suficiente.

Aunque el fluido a medir debe ser conductor, el método se utiliza en muchas aplicaciones y su principal uso se da en la medición de fluidos conductores con sedimentos. Hasta el momento, los medidores electromagnéticos cuentan con el 15% de los instrumentos de medición vendidos, y esta cifra sigue en aumento. Un problema que se presenta a este tipo de medidores es que la capa aislante que posee el tubo puede dañarse debido a fluidos abrasivos, y esto puede dar al instrumento una vida limitada.

Los nuevos progresos en los medidores electromagnéticos están reduciendo el tamaño de éstos y empleando un mejor diseño en las bobinas para un menor.

1.8 Medidores de emisión de torbellinos

Los medidores de emisión de torbellinos sólo cuentan con el 1% de los medidores vendidos hasta el momento, pero este porcentaje tenderá a subir en el futuro, pues sus características serán más generalmente conocidas. El principio de operación del instrumento está basado en el fenómeno natural de la emisión de torbellinos, creados por unos objetos no aerodinámicos (conocidos como objetos abruptos) dispuestos en la tubería que conduce el fluido.

Cuando el fluido circula, pasa por este obstáculo y produce movimientos lentos del fluido en las superficies externas. Debido a que el objeto no es aerodinámico, el flujo no puede seguir el contorno del cuerpo hacia aguas abajo, y las capas separadas se vuelven aisladas y hace que giren en remolinos o torbellinos en la región de baja presión tras el obstáculo. La frecuencia de emisión de estos

torbellinos es proporcional a la velocidad con que el fluido pasa por el objeto. Varias técnicas de detección de torbellinos son usadas en los instrumentos, como térmicas, magnéticas, ultrasónicas o capacitivas. Tales instrumentos no tienen partes móviles, operan en un gran rango de flujos y requieren mínimo mantenimiento. Pueden medir tanto líquidos como gases y poseen una exactitud de ±1% de la escala medida, aunque puede ser seriamente afectada si existen turbulencias por delante del punto donde se mide.

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE TEMPERATURA

La Temperatura es difícil de definir, ya que no es una variable tan tangible como lo

es la presión, dado que en su caso, no podemos referirla a otras variables.

La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material

referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los

estados de la materia

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio, frío que puede ser medida, específicamente, con un termómetro.

En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica.

Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía cinética", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).

Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la actividad molecular de la materia.

El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el Kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "cero absoluto", y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celsius (antes llamada centígrada); y, en mucha menor medida, y prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit. También se usa a veces la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la ingeniería.

Por otra parte, si, positivamente, podremos definir los efectos que los cambios de

temperatura producen sobre la materia, tales como los aumentos o disminución de la

velocidad de las moléculas de ella, con consecuencia palpable, tales como el

aumento o disminución del volumen de esa porción de materia o posibles cambios

de estado.

Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la

materia, estas son:

- Temperaturas absolutas

- Temperaturas relativas

Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es

equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado

estático o con energía cinética nula.

Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o

patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común.

En Sistema Métrico Decimal, las escalas relativas y absolutas son:

- Escala Celsius o de grados Centígrados (relativa)

- Escala Kelvin (absoluta)

La equivalencia entre las dos escalas es:

Grados Kelvin = Grados Centígrados + 273

En el Sistema de Medidas Inglesas, su equivalente será:

- Escala Fahrenheit (Relativa)

- Escala Rankine (Absoluta)

La equivalencia entre estas dos escalas es:

Grados Rankine = Grados Fahrenheit + 460

Por otra parte, las escalas Celsius y la Fahrenheit están referidas al mismo patrón,

pero sus escalas son diferentes. El patrón de referencia usado para su definición

fueron los cambios de estado del agua. Estos puntos son:

CAMBIO DE ESTADO º CELSIUS º FAHRENHEIT

Sólido – Liquido 0 32

Liquido – Gas 100 212

Como se puede deducir de la tabla anterior, por cada grado Celsius de cambio

térmico tendremos 1,8 grados Fahrenheit de cambio equivalente. De todo esto, la

equivalencia entre estas dos escalas será:

Grados Fahrenheit = Grados Celsius * 1,8 + 32

TIPOS DE INSTRUMENTOS DE ESTA VARIABLE

Los diferentes tipos de instrumentos que son usados para la medición de la

temperatura son:

1. - Termómetro de Vidrio

2. - Termómetro Bimetálico

3. - Termopares

4. - Termoresistencia ( RTD )

5. - Pirómetro de Radiación

Existen otros tipos, además de los listados, pero su uso es poco frecuente, por lo

cual nos dedicaremos únicamente a los listados.

TERMÓMETRO DE VIDRIO

Este tipo de instrumento, es el más conocido por nosotros; consta de un tubo de

vidrio hueco, con un deposito lleno de un fluido muy sensible volumétricamente a los

cambios de temperatura.

Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes rangos de temperatura para

este tipo de instrumento, los cuáles, vendrán limitados, por los puntos de

solidificación y de ebullición de los antes citados fluidos. Algunos de estos son:

Mercurio -35 a 280 Grados C

Mercurio (tubo de gas) -35 a 450 Grados C

Pentano -200 a 20 Grados C

Alcohol -110 a 50 Grados C

Tolueno -70 a 100 Grados C

Estos son frágiles, requieren de una posición específica para funcionar, además de

tener un rango muy limitado de la variable.

TERMÓMETROS BIMETÁLICOS

Al igual que el termómetro de vidrio, utilizan el fenómeno de cambios volumétricos,

para su funcionamiento. El termómetro bimetálico, consta, como su nombre lo dice,

de dos barras metálicas de diferentes unidas rígidamente, a los estos materiales ser

diferentes, tendrán necesariamente, que tener diferentes coeficientes de dilatación

lineal.

Esta diferencia produce una curvatura de la barra conjunta, debido a que un material

sé elongará mas que el otro. Mediante este método, funcionan la gran mayoría de

los termostatos (interruptores de temperatura) y algunos termómetros indicadores

locales.

TERMOPARES

El termopar se basa en el principio, del efecto que fuera descubierto en 1821 por

Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes se

encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través de esos

materiales circulará una corriente.

El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente

precisos y muchos más económicos que las termoresistencias.

Existen muchos métodos para realizar mediciones prácticas de temperatura. De

todos ellos, unos fueron desarrollados para aplicaciones particulares mientras que

otros han ido cayendo en desuso.

Las termocuplas constituyen hoy en día el sistema de medición de temperatura

más usado y de mejor acceso.

Esta forma de medición abarca el rango de temperaturas requerido para la

mayoría de las mediciones exigidas.

Termocuplas de diferentes tipos pueden cubrir un rango de – 185 °C hasta

2.000°C y más si fuera necesario.

TERMOMETRICA CON TERMOCUPULAS

Si se presenta un gradiente de temperatura en un conductor eléctrico, el flujo de

calor creará un movimiento de electrones y con ello se generará una fuerza elec-

tromotriz (FEM) en dicha región. La magnitud y dirección de la FEM será depen-

dientes de la magnitud y dirección del gradiente de temperatura del material que

conforma al conductor.

En una termocupla, dos materiales que tienen diferentes características FEM /

temperatura, se combinan para producir un voltaje de salida que puede ser

cuantificado.

Existen varias reglas a recordar en el empleo de estos sistemas y son las

siguientes:

a) Para asegurar una operación estable y adecuada de la termocupla,

las características termoeléctricas de los conductores deben mantenerse

a todo lo largo de ellos (uniformidad).

b) Sólo un circuito comprimiendo o simplemente conectando materiales

diferentes, en un gradiente de temperaturas producirá una señal. Dos

conductores de igual material no producirán FEM alguna.

c) La sensibilidad termoeléctrica de la mayoría de los metales no es

lineal con la variación de temperatura.

MATERIALES DE CONTRUCCION

La totalidad de los sensores de este tipo cubre el rango de - 185°C hasta 2.000°C

pero un solo tipo de termocupla no abarca la totalidad del rango. En la tabla

siguiente se mencionan algunas codificaciones de termocuplas y los materiales de

construcción de las mismas:

Designación

Internacional

Material del Conductor

Polo + Polo -

Rango de Temperatura en °C

K Ni-Cr Ni-Al 0 hasta + 1.100

T Cu Cu-Ni -185 hasta +300

J Fe Cu-Ni +20 hasta 700

E Ni-Cr Cu-Ni 0 hasta + 500

R Pt13%Rh Pt 0 hasta + 1.600

S Pt10%Rh Pt 0 hasta + 1.500

B Pt30%Rh Pt6%Rh +100 hasta + 1.600

Tanto la exactitud como la sensibilidad de la medida depende de los conductores,

y es recomendable que el fabricante ayude en la elección del material a usarse

para garantizar así la vida y rendimiento del termoelemento.

LA TERMOCUPULA PRÁCTICA

Para aplicaciones simples, los termoelementos pueden hacerse usando cables

compensados y algún tipo de aislante adecuado para cada caso.

La unión de medición se forma en un extremo soldando los dos alambres

conductores fundiéndolos entre sí bajo una atmósfera inerte de argón.

La condición esencial es establecer una conexión eléctrica adecuada entre los

conductores (Figura)

Los rangos, tipo y estilos de las termocuplas son muy grandes y completos con lo

que es posible conseguir una disposición adecuada para las aplicaciones

necesarias en la industria y el campo científico.

Frecuentemente, el termoelemento suele ir introducido en una carcaza cerrada en

su extremo (termopozo) que se fabrica de alguna aleación metálica resistente a la

corrosión o al calor y, en otros casos, se utiliza un material refractario (Figura)

Una forma alternativa de construcción es utilizada un termoelemento con

aislamiento mineral. En este caso, los cables conductores están envueltos en un

polvo mineral inerte y no conductor fuertemente compactado. Todo este conjunto

va rodeado de una camisa metálica (de acero inoxidable o aleaciones de níquel)

que forman una unidad hermética.

Este tipo de ensamblaje se puede obtener en diámetros externos desde 0.25

hasta 19 mm inclusive y longitudes de unos pocos milímetros hasta cientos de

metros (Figura)

Para aplicaciones especiales donde se requiere una respuesta rápida, es

aconsejable ocasionalmente, que la termocupla sea fabricada con su unión

expuesta o en algunos casos aterrada; siempre y cuando el resto del sistema lo

permita.

Las termocuplas están frecuentemente acabadas con una conexión o un terminal

que permite su unión con resto del circuito termoeléctrico. Alternativamente, un

conector especial puede ser incluido; en estos dispositivos, las patas conectoras

están construidas de materiales o aleaciones adecuadas para no alterar la FEM

generada en la unión de medición, permitiendo así la rápida conexión o desacople

del sensor a utilizar sin afectar de forma alguna la uniformidad del termoelemento.

En los termopares, también llamados termocuplas, existen dos puntos importantes:

las juntas caliente (en el proceso) y la junta fría (en el medio ambiente).

Los materiales que serán usados ya están estandarizados y tienen unas tablas de

comportamiento, que suponen, que la junta fría se encuentra a cero (0) grados

centígrados.

Esto es con el fin, de tener un valor de patrón de comparación que parta de cero, ya

que de no ser así, la junta fría actuaría como un segundo termopar en serie con el

primero sumando así a la FEM de la junta caliente.

En la práctica industrial, lo frecuente, es tener la junta fría a temperatura ambiente, lo

que hace necesario, compensar el valor de la lectura de mV, restando los mV que

generaría ese termopar a la temperatura ambiente.

TERMORESISTENCIA ( RTD )

Las termo-resistencias, utilizan el principio que establece que la resistividad de un

conductor varia con la temperatura, y que esta variación podrá o no ser lineal

dependiendo del material usado para esa resistencia.

Físicamente está constituido por un arrollado muy fino del conductor adecuado,

bobinado entre capas de un material aislante eléctrico, protegido por un termopozo

para lograr una protección total del elemento sensor.

La relación fundamental para el funcionamiento será así:

Rt = Ro * (1 + Alpha * t)

donde

Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius

Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius

Alpha: coeficiente de temperatura de la resistencia.

Como se puede observar, se esta suponiendo de antemano, que el material que

será usado debe tener un comportamiento lineal, dentro del rango de trabajo

asignado. De no ser así, la función debería tener mas términos.

El método de medición de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es

una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la

temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia.

Este proceso, esta automatizado, a través de los sistemas de control avanzados y

automatización industrial.

Las termoresistencias más usadas en el mercadeo son:

METAL RANGO DE OPERACIÓN

º Celsius

PRECISIÓN

(grados)

Platino -200 a 950 0.01

Níquel -150 a 300 0.50

Cobre -200 a 120 0.10

TERMORRESISTENCIAS DE PLATINO Y SUS APLICACIONES

Este tipo de sensores tiene una ventaja fundamental; son sumamente precisos y

producen medidas altamente reproducibles. Su construcción permite disponer de

ellos como elementos simples, dobles y triples. Su rango de operación es un poco

más limitado; va desde 50°C hasta + 350°C.

En su forma general el sensor viene introducido dentro de un tubo protector metá-

lico de acero inoxidable pero posible, según el caso, disponer de camisas protec-

toras y termopozos construidos de acero especiales o aleaciones como el Inconel,

Incoloy y Hastelloy.

Las termorresistencias de platino tienen normalmente un valor de 100 Ohms a 0°C

con un intervalo de 38,5 Ohms.

Su construcción puede hacerse con 2, 3 o 4 cables, según la necesidad del

proceso.

TERMORRESISTENCIAS DE USO GENERAL

Esta disposición se puede usar con o sin termopozos en una infinidad de procesos

que incluyen tanques, hornos, tuberías, ductos, sistemas de incubación,

fermentación, refrigeración. Los tubos protectores se hacen del largo, diámetro y

material requerido por el cliente; este tipo de sensores posee además opciones de

respuesta rápida o con camisa para medición de gases secos.

Termorresistencias con elementos de inmersión variable

Este tipo de construcción posee un conector ajustable que permite variar el largo

de inmersión del elemento.

Termorresistencias tipo “ SPRING LOADED ”

Dispositivo que permite que el elemento y el termopozo estén en contacto firme

durante su operación. Esto permite controlar la variación o golpeteo dentro del

termopozo, aumenta la velocidad de respuesta y facilita enormemente la

instalación del sensor.

TIPOS DE SENSORES

Muchos de los sistemas de termorresistencias de platino utilizan sensores que van

construidos en forma de espiral y recubiertos o encerrados en un cuerpo aislante

de cerámica o vidrio, el cual posee una relación de expansión vs. Temperatura

muy similar a la del platino dentro del rango de trabajo (Figura)

Las termorresistencias de platino se pueden fabricar con una gran variedad de

tubos de protección y con los terminales adecuados para la conexión con el resto

del circuito así como con diferentes tipos de termopozos para lograr una

protección total del elemento sensible (Figura)

Existen tres tipos de termoresistencias, de acuerdo a su construcción y cableado:

- de dos hilos

- de tres hilos

- de cuatro hilos

Como ya se había mencionado, la evaluación, del valor de la resistencia Rt, se

hace en un puente de Wheastone, entonces es aquí, donde se hace importante la

diferencia entre ambos tipos de termoresistencias.

Para las primeras, de dos hilos, será necesario estimar la longitud del conductor

del puente a la resistencia en el punto de toma del proceso, para poder calcular el

valor de la resistencia.

Para las de tres hilos, si además, ajustamos el puente de tal forma que R1/R2=1, y

como la longitud por lado de conductor se hace igual, podremos ajustar el valor de

la resistencia R3 para equilibrio, y ese será directamente el valor de la resistencia

x. Dado que en equilibrio la ecuación del puente será:

R1 / (R3 + K * a) = R2 / (x + K * b)

Según esquemático de conexión, que se muestra debajo.

BIBLIOGRAFIA:

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Bolinaga, Juan. "Mecánica elemental de los fluidos". Fundación Polar. "Universidad Católica Andrés". Caracas, 1992.

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Mott, Robert. "Mecánica de los Fluidos". Cuarta Edición. Prentice Hall. México, 1996.

Vargas, Juan Carlos. "Manual de Mecánica para no Mecánicos". Intermedios Editores. Colombia, 1999.

Victor L. Steerter "Mecanica de Fluidos". Séptima edición, Ed. Mac Graw-Hill; México 1.979.