MEDICION DE TEMPERATURA

Aproximadamente un 16% de todos los procesos industriales miden, indican o controlan la temperatura. De acuerdo a encuestas hechas recientemente, la medición de temperatura crece a un ritmo del 3,6% anual. Este artículo está escrito con la intención de dar al lector un vistazo amplio de la historia de esta fase tan importante de la medición y de la teoría y elementos empleados en las aplicaciones en los procesos actuales de medición y control.

INTRODUCCION

Sir Humphrey Davy fue un científico brillante que hizo muchos descubrimientos importantes en su corta vida. Entre sus descubrimientos e invenciones estuvo el del óxido nitroso (o gas de la risa) como el primer anestésico, el descubrimiento de los elementos sodio, potasio y boro, la soldadura por arco eléctrico y la invención de la lámpara de seguridad para los mineros, una lámpara de aceite con la llama encerrada dentro de una malla metálica que permitía pasar a la luz y al aire pero prevenía al calor de la llama iniciar una explosión conduciendo al calor sobre una superficie mayor y más fría. La llama de la lámpara cambia de color en presencia del gas explosivo. Esta lámpara se emplea hoy en día en algunos casos como repuesto de formas más modernas de detección de gas.

En 1799, Sir Humphrey Davy (1778-1829) derritió dos trozos de hielo mediante la fricción entre ellos. Este experimento probó por primera vez que el calor es una forma de energía. Antes de esto, se consideraba que el calor era un fluido sin peso llamado calórico. Este descubrimiento permitió ver al calor desde un punto de vista distinto, y abrió el camino para el progreso en la tecnología de la medición de temperatura, que hasta entonces estaba limitada a termómetros simples.

Desde 1799 hasta ahora se ha progresado enormemente. Hoy en día la temperatura es el proceso industrial variable que más se mide.

 
I - DISPOSITIVOS PARA LA MEDICION DE TEMPERATURA

TERMOMETROS
El primer termómetro fue fabricado por Galileo (1564-1642). Era un termómetro de aire, el que consistía de un bulbo de vidrio con un tubo largo de vidrio soldado a él. El tubo se sumergía en un líquido frío, luego se calentaba el bulbo lo que expandía el aire en su interior. A medida que el aire continuaba expandiéndose parte de él escapaba. Cuando se retiraba el calor, el resto del aire se contraía haciendo que el líquido subiera por el tubo indicando un cambio de temperatura. Este tipo de termómetro es muy sensible, pero no es práctico debido a que es muy afectado por los cambios de presión atmosférica.

En 1714 un señor llamado Gabriel D. Fahrenheit inventó los termómetros de mercurio y de alcohol con los cuales todos estamos familiarizados. El termómetro de mercurio de Fahrenheit consiste en un tubo capilar al que se ha llenado de mercurio, luego se lo calienta para expandir al mercurio y expulsar el aire del tubo. Luego el tubo se sella, dejando que al mercurio en libertad de expandirse o contraerse con los cambios de temperatura. Aunque el termómetro de mercurio no es tan sensible como el de aire, no es afectado por los cambios de presión. No obstante, el termómetro de mercurio tiene un inconveniente. El mercurio se congela a –39 ºC (Celsius) de modo que no puede medir temperaturas por debajo de este punto. El alcohol, por otra parte, se congela a -113ºC. De modo que reemplazando al mercurio por el alcohol se pueden medir temperaturas mucho más bajas.

Muchos termómetros industriales indican la temperatura por medio de una aguja sobre un dial calibrado. Estos termómetros no contienen líquido sino que funcionan mediante el principio de la expansión desigual. Ya que los distintos metales se expanden en magnitud diferente, podemos soldar dos distintos y observar lo que sucede cuando se calienta, lo hará en una dirección y cuando se enfría lo hará en el sentido opuesto (de allí el término “Termómetro Bimetálico”). Este movimiento se transmite mediante un dispositivo mecánico apropiado a una aguja que se mueve sobre una escala calibrada. Aunque no es tan exacto como los termómetros de mercurio, tienen la ventaja de ser mucho más robustos, fáciles de leer y tienen un desarrollo mayor haciéndolos ideales para muchas aplicaciones industriales. Fig.1.

El tipo de termómetro de sistema lleno, Fig.2, trabaja en el mismo principio que el Bimetálico. El elemento sensible es un tubo capilar lleno con un líquido o un gas el cual se expande con un aumento de la temperatura. Este elemento sensible entrega un movimiento el que es aplicado al elemento de control el que indica, registra o por medio de su comparación con una referencia puede controlar la temperatura de un proceso.

En 1821, hubo un muy importante descubrimiento en el campo de la termometría. T. J. Seebeck observó que si dos metales distintos están unidos de modo de formar un lazo cerrado, y si una unión está a una temperatura diferente de la otra, se genera una fuerza electromotriz (llamada la f.e.m. Seebeck en honor a su descubridor) y una corriente eléctrica circulará por el lazo cerrado. Experimentos hechos por Seebeck y otros han demostrado que la magnitud de esta corriente eléctrica se encuentra relacionada de una manera predecible con la diferencia de temperatura entre las dos uniones. De modo que si la temperatura de una unión se mantiene a un valor conocido, la temperatura de la otra unión puede determinarse por la magnitud del voltaje generado. Este descubrimiento resultó en un sensor de temperatura que conocemos con el nombre de termocupla. Fig.3.

Existen un par de leyes importantes que gobiernan el funcionamiento de las termocuplas. Primero, la Ley de los Circuitos Homogéneos estipula que si los conductores de las termocuplas son homogéneos, no son afectados por las temperaturas intermedias. Si la juntura de dos elementos distintos se mantiene a T1, mientras que la otra es T2, la f.e.m. térmica que se desarrolla es independiente y permanece inalterada por cualquier distribución de temperatura a lo largo de los alambres T3 y T4. Esta ley es el basamento de los cables de extensión de las termocuplas. Fig.4.

En la Fig.5, se ve que debido a la Ley de Circuitos Homogéneos, si el alambre de la termocupla es homogéneo y si las junturas T3 y T4 son menores o mayores que T1, no habrá ningún error en la f.e.m. de salida.

La segunda ley importante en la medición de temperatura con termocuplas es la Ley de Metales Intermedios. Esta ley estipula que se puede introducir un tercer metal en el circuito sin crear errores, si las junturas del tercer metal con los conductores de la termocupla se encuentran a la misma temperatura. Cuando se usan termocuplas, es normalmente necesario introducir metales adicionales en el circuito. Esto sucede cuando se emplea un instrumento para medir la salida de la termocupla, y los terminales de entrada son de un metal diferente (normalmente bronce) y cuando la juntura está soldada, parecería que la introducción de un tercer metal cambiaría la salida de la termocupla e introduciría una señal de error. Sin embargo, en tanto que la juntura del tercer metal con los otros dos metales esté a la misma temperatura, no se generará ninguna señal de error. Fig.6, en ella vemos dos metales distintos A y B con sus uniones en T1 y T2 y un tercer metal C en una rama. Si C tiene una temperatura uniforme a lo largo de su longitud, la f.e.m. total no se verá afectada.

Un buen ejemplo del uso práctico de la Ley de Metales Intermedios se ve en la Fig.7. En aplicaciones industriales, las termocuplas a menudo terminan en una caja de conexiones en donde están conectadas al alambre de termocupla de extensión el cual se extiende hasta el instrumento indicador en el cuarto de control. Los terminales en las cajas de conexiones están construidos de metales como bronce o cobre niquelado. Cualquiera de estos metales constituye un metal intermedio. De acuerdo a la ley de metales intermedios, en tanto no exista diferencia de temperatura entre los terminales T1 y T2 y entre los terminales T3 y T4, no se producirá ningún error por los metales intermedios.

 
TIPOS DE TERMOCUPLAS

En teoría dos metales distintos, cualesquiera sean ellos, forman una termocupla. No obstante ciertos metales se han normalizado con el tiempo, los que constituyen termocuplas ideales para determinadas aplicaciones. Estos metales han sido elegidos por su f.e.m. de salida y su habilidad para operar en distintas condiciones.

Como se puede ver en la Tabla 1, según la aplicación y el rango de temperatura, existen algunas más aptas que otras.

Una ventaja de las termocuplas sobre otros tipos de sensores es la posibilidad de construir el sensor adaptado a una aplicación específica. Desde la termocupla con sus alambres desnudos hasta la protegida en un tubo de acero inoxidable con cuentas de cerámica protectoras en su interior pasando por una infinidad de dispositivos de montaje. El hecho de que son normalmente muy robustas y económicas y abarcan un rango de temperaturas muy amplio las hacen las indicadas para muchas aplicaciones. Además hay que tener en cuenta de que el hecho de estar formadas por dos alambres muy finos hace que sean muy sensibles en un punto pequeño. Una desventaja es que su f.e.m. de salida no es lineal, de modo que el instrumento que mide su salida debe incluir circuitos de linealización. También su exactitud depende de la pureza de las aleaciones empleadas en su construcción.

La termocupla de tipo J o hierroconstantán es por mucho la más empleada. En los EE UU se emplean más de 200 toneladas de dichos materiales para la fabricación de termocuplas. No obstante, muchos se opusieron al empleo del hierro en el campo de la termometría, Burgess y Le Chatelier, en su libro “Mediciones de Altas Temperaturas” (1912), enfatizaron este punto, basando sus objeciones en la falta de homogeneidad de los alambres de hierro, ya que se desarrollaban f.e.m. parásitas si existían gradientes de temperatura a su largo. Sin embargo, su salida relativamente alta, un costo comparativamente bajo y su adaptabilidad a atmósferas, tanto oxidante como reductoras, justifican el amplio uso del hierro-constantán. Además, hoy en día, el hierro no es mucho menos homogéneo que el constantán con el cual se encuentra unido. Cuando se emplea en condiciones tales que el gradiente a lo largo del alambre no está sujeto a fluctuaciones rápidas, las f.e.m. parásitas raras veces resultan en errores mayores que 1 ó 2 grados ºF.

El constantán es una aleación cobre y níquel con una composición típica Cu 57% Ni 43% con la adición de pequeños porcentajes de Mn (manganeso) y Fe (hierro). La composición de la aleación no está definida específicamente y depende de si va a ser usada con hierro para termocuplas tipo J, con cromel para las tipo E o con cobre para las tipo T.

La termocupla tipo T se emplea para la medida de temperaturas criogénicas, hasta 11ºK (Kelvin) (-262 ºC). Se necesita cobre de alta conductividad y poco contenido de oxígeno, de esta manera nos aseguramos una salida reproducible. Ya que el cobre es obtenible en forma casi pura, no es necesario seleccionarlo especialmente mientras cumpla con las especificaciones de ASTM para el alambre desnudo de cobre blando o recocido. El constantán usado con la termocupla tipo J no puede usarse con la termocupla tipo T a causa de las necesidades de voltaje distintas. Un constantán formulado especialmente para este caso. Esta aleación se la conoce como el “Constantán Adams”. Es una aleación de níquel-cobre que combinada con cobre sigue a la tabla de cobre-constantán de Adams. Los límites de error de la termocupla tipo T dependen en su totalidad del grado de reproducibilidad del constantán entre partida y partida. El constantán tipo Adams es aceptable si las f.e.ms. contra un estándar de platino están entre ± 1.5ºF entre –75 y 200 ºF. La termocupla tipo T no se debe emplear por arriba de los 350ºC ya que el cobre se
oxida con rapidez sobre este límite.

La termocupla tipo K designa a cualquier termocupla que exhibe, dentro de límites especificados, las características térmicas dadas en la tabla cromel-alumel en el rango de temperatura de –253 a 2505 ºF.

El cromel es una aleación compuesta de Ni 90% Cr10%. Su f.e.m. con el platino es más alta que cualquiera otra de las aleaciones comúnmente empleadas, alcanzando un máximo de 35 micro voltios por grado centígrado. Por su composición es resistente a la oxidación a temperaturas altas.

El proceso de fabricación de los sensores a termocupla es muy variado y depende en gran parte de su aplicación. Básicamente se construye la juntura medidora (la caliente) soldando los dos alambres de metales distintos. La soldadura en atmósfera inerte previene la oxidación y es altamente recomendable si va a funcionar a temperaturas mayores a los 1000ºF. Para temperaturas más bajas puede emplearse soldadura de plata con bórax como flux. Los alambres de la termocupla pueden ser simplemente alambres desnudos o alambres dentro de una vaina metálica llena de un polvo aislante, generalmente óxido de magnesio (MgO). Los alambres desnudos se hacen pasar por aisladores de cerámica de modo que no se toquen entre ellos o con la pared del tubo que los contiene.

 
MEDIDORES DE TEMPERATURA A RESISTENCIA
HISTORIA Y TEORIA DE OPERACION

Otro dispositivo muy empleado para la medición de temperatura es la termorresistencia. Cincuenta años después que Seebeck descubrió la termoelectricidad, Sir William Siemens, siguiendo una investigación hecha por Sir Humphrey Davy el que determinó que la resistencia de los metales mostraba una relación distintiva con el cambio de temperatura. Las termorresistencias de platino lo mismo que las hechas con otros metales trabajan sobre el principio de que la resistencia eléctrica de ciertos metales aumenta/disminuye en una manera repetible a medida que la temperatura aumenta/disminuye.

La respuesta de los sensores metálicos tiende a ser más lenta en respuesta que las termocuplas, aunque la respuesta de estas últimas depende en alto grado de su montaje. Sobre los 850ºC deben emplearse las termocuplas, pero para temperaturas menores se eligen las termorresistencias cuando se necesita mayor estabilidad. Una termorresistencia típica de platino puede estar en agua hirviendo y sumergirse en nitrógeno líquido (-195ºC) 50 veces con un error total menor a 2/100 de un grado centígrado. Su estabilidad típica es de ± 0.5ºC por año. Otra ventaja sobre la termocupla es que no necesita alambres especiales o una juntura fría.

 
TIPOS DE TERMORRESISTENCIAS

En resumen: la resistencia eléctrica de ciertos metales aumentan y disminuyen de una manera predecible a medida que la temperatura aumenta o disminuye. Los metales comúnmente empleados para termorresistencias son: platino, níquel y cobre. Existen tres razones para elegir estos metales entre otros. Primero, estos metales se obtienen en forma casi pura. Esto es importante para asegurar consistencia en el proceso de fabricación. Segundo, estos metales tienen una relación temperatura resistencia predecible. Si bien no son exactamente lineales, lo son mucho más que las termocuplas, y tercero, los tres pueden ser procesados en alambres muy finos.

Entre los tres metales mencionados más arriba, el platino es el más empleado debido a que tiene la mejor relación temperatura a resistencia, su habilidad para tolerar temperaturas altas, es de difícil contaminación y su estabilidad con el tiempo. Los elementos de platino son los más repetible y tienen el rango de medición más amplio (típicamente desde –200 a + 850 grados Celsius).

Ya que los sensores de platino se usan como estándares de temperatura en laboratorios por todo el mundo, el progreso en las técnicas de fabricación los hacen más robusto por lo que se eligen en muchas aplicaciones industriales.

El sensor típico se construye bobinando un alambre muy fino de alguno de los metales mencionados antes, alrededor de un sustrato inerte como puede ser el vidrio o la cerámica. Luego son encapsulados en vidrio o cerámica el que los protege de daños ocasionados por la vibración, humedad, polvo y la migración de metales ajenos. Los alambres del censor salen del encapsulado y pueden unirse mediante soldado con estaño o autógena a los alambres exteriores. A partir de este punto, la termorresistencia puede encapsularse en envases similares a los de las termocuplas. Fig.8.

En años recientes se ha comenzado a fabricar elementos sensores de película delgada. Este tipo de elemento, en lugar de estar bobinado, se fabrica mediante un proceso llamado tecnología de película delgada (Thin Film Technology). Desarrollado por la industria semiconductora, este proceso deposita una película delgada de platino sobre un sustrato, usualmente de material cerámico mediante atomización catódica o deposición electrónica (sputtering). La atomización catódica trabaja de este modo: Un sustrato cerámico hecho de óxido de aluminio de alta pureza se coloca en un recipiente hermético, opuesto a un disco de platino. El disco de platino actúa como cátodo (lleva una carga negativa), después que el contenedores evacuado, se introduce un gas noble y se efectúa una descarga por medio de un generador de alta frecuencia. Se forma un plasma entre el sustrato cerámico y el cátodo de platino. El plasma consiste en átomos ionizados. Los iones cargados positivamente del gas noble se aceleran por el campo eléctrico hacia el cátodo de platino. Cuando chocan con la superficie del platino lo golpean y hace que se despidan partículas de platino. Estas partículas salen a tal velocidad que se incrustan en el sustrato de cerámica. Sobre un período de tiempo calculado, el platino crece hasta formar una capa de espesor definido. Puede ser tan delgada como un micrón. Luego que se ha terminado la deposición, se emplea un láser para llevarlo a las dimensiones deseadas.

Existe otra tecnología aún más moderna, se llama Litografía de Película Delgada. En este proceso, luego que el sustrato ha sido revestido con platino, se aplica una capa fotosensible a la capa de platino. La laca se ilumina luego a través de una máscara con luz de una longitud definida, y luego se revela. Después del revelado las partes no iluminadas de la laca permanecen y representan el diseño final de la parte conductora. Usando un proceso de grabado seco, las partes no cubiertas de la capa de platino son eliminadas mediante el bombardeo con átomos. El platino debajo de la laca permanece sobre el sustrato cerámico. Se remueve el resto de la laca y se lleva al valor de resistencia correcto mediante láser. Esta nueva tecnología permite fabricarla en tamaños y formas distintas y también puede hacerse de menor tamaño que las termorresistencias bobinadas. De hecho, es ahora posible fabricar elementos termosensores del tamaño de la punta de un lápiz. La ventaja de elementos pequeños es que es de respuesta más rápida, además su sensibilidad es puntual, esta era una ventaja de la termocupla sobre la termorresistencia.

Las termorresistencias, a diferencia de las termocuplas, son dispositivos pasivos. Funcionan como una rama de un puente y por supuesto requieren de una alimentación, generalmente de un mA, para producir un cambio de resistencia proporcional al cambio de temperatura. Es importante que esta alimentación sea estable, como también las resistencias que forman las otras ramas del puente.

Con termocuplas trabajamos con el estándar ISA para aleaciones de termocupla. Con las termorresistencias trabajamos con coeficientes de temperatura o “Alfas”. El alfa más popular o más usado para las termorresistencias de platino en el mundo es el 100 ohm internacional que cumple con la DIN43760 es un coeficiente de 0.00385 ohms/ohm/grado centígrado. Esto significa que un elemento a 0ºC tiene una resistencia de 100 ohms mientras que a 100ºC tiene una resistencia de 138,5 ohms. Otro alfa que también se emplea es el llamado alfa American Standard igual a 0.003926 ohms/ohms/grado centígrado. La diferencia esencial entre los dos alfas se debe a un platino ligeramente más puro usado en el alfa 0.003926, la exactitud es ligeramente mejor.

Una advertencia. Ya que existen dos alfas, es importante que nuestra instrumentación esté apareada con el alfa correcto. Así como no se usa una termocupla tipo J con un instrumento calibrado para termocuplas tipo K, no se usa una termorresistencia tipo DIN con un instrumento calibrado para un alfa de 0.003826. Esto provocará errores significativos en el sistema. Se debe ser cuidadoso al adquirir termorresistencias y el instrumento asociado a ellas. Lo mismo que no se puede asumir que porque es una termorresistencia de platino tiene un alfa de 0.00385, tampoco se puede asumir que un instrumento que emplea como sensor una termorresistencia de platino está calibrado para un alfa de 0.00385.

Aunque existen ventajas en el empleo de termorresistencias en lugar de termocuplas, existen algunos pequeños inconvenientes también. Los llamamos inconvenientes, no problemas, porque si comprendemos su aplicación, esos pequeños inconvenientes no se transformarán en problemas.

Primero está el problema de la resistencia de los cables. Como mencionamos anteriormente, la termorresistencia trabaja como la rama de un puente. En cuanto se encuentra montada a alguna distancia del instrumento, la causa más frecuente de error es la resistencia de los alambres. Ya que estos están hechos con cobre, su resistencia cambia con la temperatura y como se encuentran en serie con la termorresistencia de platino tendremos un error que puede ser importante.

Para compensar estos errores, las termorresistencias se suministran en las versiones con tres y cuatro conductores. Fig.9. Los alambres extras se emplean para eliminar el error mediante el balance del puente. Las de tres alambres son muy populares en la industria, con la de cuatro haciéndose más común día a día. La única desventaja aparente es la necesidad de tender tres o cuatro cables hasta el instrumento. Este problema puede evitarse si se emplean transmisores de dos cables.

Otro problema es el del “auto calentamiento”. Ya que debe circular una corriente por el sensor, debe existir una cierta cantidad de energía disipada en él. Este calor adicional puede elevar la temperatura de medida ocasionando error. El auto calentamiento se define como la cantidad de energía eléctrica necesaria para aumentar la salida del sensor en un grado centígrado. Se mide normalmente en mili vatios. El auto calentamiento es normalmente despreciable si la corriente por el sensor es de uno a dos mA.

Se debe tener en cuenta que las termorresistencias no son tan robustas como las termocuplas. En áreas de alta vibración o golpes es mejor emplear las termorresistencias de película delgada.

 
TERMISTORES
Otro sensor basado en la variación de resistencia con la temperatura es el termistor. A diferencia de la termorresistencia, el termistor tiene un coeficiente de temperatura negativo. Esto significa que a medida que la temperatura aumenta la resistencia del termistor disminuye. El cambio por grado centígrado en un termistor es mucho mayor que en una termorresistencia, esto hace que sea muy sensible respecto a pequeños cambios de temperatura. Esta sensibilidad va acompañada por una alinealidad muy grande, usualmente sobre un rango de temperatura menor. Los termistores no se han hecho muy populares en la industria debido a este hecho y que además por ser dispositivos semiconductores, son muy susceptibles a variaciones permanentes en caso de una exposición a temperaturas altas. Por otra parte son bastante frágiles y deben montarse con cuidado cuando están expuestos a golpes o vibraciones.
 
SENSORES INTEGRADOS
Los sensores de temperatura integrados son una de las últimas innovaciones en el campo de la medida de temperatura. La ventaja principal de este tipo de sensor es que es un dispositivo naturalmente lineal con una salida proporcional a la temperatura absoluta. La salida está indicada en micro amperios por grado Kelvin. El más usado es el AD590 de Analog Devices.

El AD590 actúa como una fuente de corriente constante, de alta impedancia de salida, dejando pasar 1 micro amperio por grado Kelvin. Usa una alimentación de entre 4 y 30 voltios.

El sensor integrado utiliza una propiedad fundamental de los transistores. Si dos transistores idénticos se trabajan en una relación constante de densidades en el circuito de colector (r), luego la diferencia en sus voltajes emisor-base será lineal (kT/q). Ya que ambos k (constante de Boltzmann) y q (carga de un electrón), el voltaje resultante es directamente proporcional a la temperatura absoluta. Este voltaje se convierta a corriente mediante un resistor de bajo coeficiente de temperatura.

Otro sensor integrado popular es la serie LM134/234/334 de Nacional Semiconductor. Estos son ideales como sensores de temperatura remotos debido a que operan con una corriente de salida que no es afectada por la longitud de los cables. La salida típica es de 1µA. por ºK. Otra ventaja de este sensor es que trabaja desde 1V hasta 40 voltios.

La desventaja de todos los sensores integrados son semejantes a los de las termorresistencias más un rango de medida muy limitado, hasta 150 ºC. como máximo.

Por razones de espacio, continuaremos con este artículo en la próxima edición. Hasta pronto!!

 
Autor: Arnoldo Galetto
 
TABLA 1
 
TABLA 2
 
FIGURA 1 - 2
 
FIGURA 3 - 4
 
FIGURA 5 - 6
 
FIGURA 7
 
FIGURA 8
 
FIGURA 9
PROMOCIONES
 
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PROMOCIONES
 
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