sensores de temperatura

Introducción

La temperatura es una variable crítica utilizada para controlar la calidad
de los productos en muchos procesos industriales. En este capítulo
examinaremos las características generales de algunos tipos de
sensores electrónicos empleados comúnmente en los ambientes
industriales para medir y controlar temperatura de forma precisa,
incluyendo termostatos, termorresistencias, termocuplas, pirómetros de
radiación y sensores de silicio.

Generalidades

Muchos procesos industriales requieren el control preciso de la temperatura para producir resultados de calidad o prevenir sobrecalentamientos, rupturas, explosiones y otros tipos de problemas. Las temperaturas elevadas, por ejemplo, son necesarias para ablandar metales y fundir plásticos antes de ser moldeados en formas específicas. Asimismo, las bajas temperaturas son necesarias para conservar los productos perecederos en una industria procesadora de alimentos. De otro lado, una condición de sobre temperatura en un sistema cerrado digamos una caldera, puede provocar una excesiva presión. También se requieren condiciones de temperatura precisas para combinar los ingredientes de productos químicos.

Actualmente se dispone de una gran variedad de dispositivos e instrumentos para la medición precisa de la temperatura, los cuales proporcionan una indicación visual o una señal de realimentación mecánica o eléctrica que puede ser utilizada en un sistema de lazo cerrado para permitir el control automático de procesos térmicos.

Pueden ser clasificados, dependiendo de su principio de funcionamiento:
• Sensores bimetálicos. Popularmente conocidos como termostatos, son básicamente interruptores que producen una salida del tipo (on-off) "todo o nada" y conmutan de un estado al otro cuando se alcanza un determinado valor de temperatura. Los termostatos conmutan automáticamente de un estado al otro. Constan generalmente de un bimetal, es decir una pieza formada por dos metales con distinto coeficiente de dilatación térmica, la cual se deforma según un arco circular uniforme cuando se produce un cambio de temperatura.
Este tipo de sensores se fabrican para detectar temperaturas desde -75°C hasta +540°C y son también muy utilizados como dispositivos de protección en circuitos eléctricos. En este último caso, el bimetal es auto calentado por la propia corriente que se desea monitorear hasta que alcanza una temperatura límite, relacionada con
la comente máxima admisible. Cuando esto sucede, acciona un contacto eléctrico que inte¬rrumpe el circuito. En este principio se basan, por ejemplo, los relés térmicos

Sensores termorresistivos.

También denominados termorresistencias, son dispositivos cuya resistencia cambia a medida que lo hace la temperatura. Los más conocidos son los detectores de temperatura resistivos o RTD (resistance temperature detectors), basados en materiales metálicos como el platino y el níquel, y los termistores, basados en óxidos metálicos semiconductores.

Sensores termoeléctricos.

Popularmente conocidos como termocuplas o termopares, son dispositivos que producen un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre el punto de unión de dos alambres metálicos disímiles (unión ca¬liente) y cualquiera de los extremos libres (unión fría). Este fenómeno se denomina efecto Seebeck.

Sensores monolíticos o de silicio.

Son dispositivos basados en las propiedades
térmicas de las uniones semiconductoras (PN), particularmente la dependencia de la tensión base emisor (VBE) de los transistores bipolares con la temperatura cuando la corriente de colector es constante. Generalmente incluyen sus propios circuitos de procesamiento de señales, así como varias funciones de interface especiales con el mundo externo.

Sensores piroeléctricos.

También denominados termómetros de radiación,
son dispositivos que miden indirectamente la temperatura a partir de la medición de la radiación térmica infrarroja que emiten los cuerpos calientes.

Los termostatos, termorresistencias y sensores de silicio son dispositivos generalmente invasivos, es decir deben estar en contacto físico con la substancia u objeto cuya temperatura se desea medir. Los pirómetros de radiación, por su parte, son dispositivos invariablemente no invasivos, es decir realizan la medición a distancia. Estos últimos se utilizan principalmente para la medición de temperaturas muy altas o en situaciones donde los sensores anteriores no pueden ser empleados, por ejemplo, cuando el objeto o medio caliente se está moviendo, es muy pequeño, tiene una forma irre¬gular, es inaccesible o puede ser contaminado por el contacto con el sensor.

Resistencias detectoras de temperatura (RTD)

Las RTD son dispositivos basados en la variación normal que experimenta la resistencia de un conductor metálico puro con la temperatura, como resultado del cambio de su resistividad y sus dimensiones. Esta variación es directa, es decir, que si la temperatura aumenta o disminuye, la resistencia también aumenta o disminuye en la misma proporción. Se dice, entonces, que son dispositivos con coeficiente de temperatura positivo (PTC).

El elemento sensor es típicamente un fino alambre de platino o una delgada película del mismo material aplicada a un sustrato cerámico. Otros metales comúnmente utilizados como elementos sensores son: el níquel, el cobre y el molibdeno
Las RTD, principalmente las versiones de platino, se caracterizan principalmente por su precisión y su amplio rango de temperaturas de operación, el cual se extiende desde -250°C hasta +850°C. Tienen también una sensibilidad, estabilidad y repetibilidad muy altas, y ofrecen una respuesta
más lineal que las termocuplas o los termistores.
Los valores nominales de resistencia (Ro) más comunes en los cuales se consiguen las sondas de platino son 25, 50 100, 200, 500 y 1000 Ω. Estos valores están definidos a 0°C. Las populares sondas Pt 100, por ejemplo, son RTD de platino con una Ro de 100Ω.
En cuanto a la disposición física, hay modelos diseñados tanto para la inmersión en fluidos como para la medición de temperaturas superficiales

Las RTD se utilizan generalmente con un acondicionador de señales que convierte su salida a un voltaje o a una corriente proporcional a la temperatura,. Esta señal de alto nivel puede ser entonces transmitida a una unidad de visualización, registro o control.

Termistores.

Los termistores, son dispositivos basados en óxidos metálicos semiconductores que exhiben un gran cambio en su resistencia eléctrica cuando se someten a cambios relativamente pequeños de temperatura. Pueden ser de coeficiente de temperatura positivo (PTC) o negativo (NTC), siendo estos últimos los más utilizados. Los termistores PTC (posistores) se construyen a base de óxidos de bario y titanio, y los NTC a base de óxidos de hierro, cobre, cromo, cobalto, manganeso y níquel dopados con iones de titanio o litio. Para altas temperaturas, se usan óxidos de itrio y circonio. También se dispone de termistores NTC basados en silicio y en películas de carbón.
Los termistores pueden adoptar una gran variedad de
formas y tamaños, llegando incluso a ser tan diminutos como la cabeza
de un alfiler. El tipo de óxidos, las proporciones usadas, y
el tamaño físico, determinan los rangos de resistencia y temperatura
deseados para el dispositivo.
La mayoría de los termistores se diseñan para trabajar en el
rango de -50°C a 150°C, aunque en la práctica pueden abarcar
desde - 100°C hasta +500°C. Su resistencia base a 25°C (R25 o RTO)
está típicamente en el rango de 100Ω a l00kΩ, aunque también
se fabrican termistores con valores de R25 tan bajos como 10Ω
y tan altos como 40MΩ

Los termistores ofrecen varias ventajas con respecto a las RTD y las termocuplas. Por ejemplo, son más económicos, estables y confiables, proveen un alto grado de intercambiabilidad, pueden hacerse lo su­ficientemente pequeños para permitir la medición puntual, facilitan la medición remota a través de cables largos y tienen una mayor sensibilidad o res­puesta de señal.
Los termistores son parti­cularmente adecuados para aplicaciones de baja tempera­tura sobre rangos limitados,

TermocuplasLas termocuplas o termopares, son transduc­tores de temperatura constitui­dos por dos alambres conduc­tores hechos de metales dife­rentes y soldados por uno de sus extremos formando una unión. Al calentar esta última (unión de medida), se produ­ce entre los extremos de la termocupla (uniones frías) un voltaje proporcional a la dife­rencia de temperaturas entre la unión caliente y cualquiera de las uniones frías, las cuales deben estar a una misma tem­peratura de referencia, gene­ralmente 0°C. Este fenómeno se conoce como efecto termo­eléctrico o Seebeck, en honor de Thomas J. Seebeck, quien lo descubrió en 1822

Los elementos de los termopares se fabrican a base de metales y aleaciones metálicas especiales, como platino (Pt), hierro (Fe), cobre (Cu), rodio (Rh), renio (Re), tungsteno
(W), cromel, constantán, etc. Los mis­mos están protegidos median­te una funda o cubierta metá­lica, generalmente de acero inoxidable, cuyo espesor de­termina la velocidad de res­puesta y la robustez de la son­da

Dependiendo de la combi­nación o calibración particular de metales utilizados, las termocuplas reciben diferentes nombres o designaciones (J, K, T, E, B, C, N, R, S, etc.). En la tabla se relacionan las ca­racterísticas normalizadas de algunos de estos tipos, y en la figura siguiente, la forma como va­ría el voltaje de salida en fun­ción de la temperatura para los más comunes



Las termocuplas pueden ser también clasificadas
de acuerdo al estilo de la unión de medida. Desde
este punto de vista, se habla de termocu­plas de unión
expuesta, aterri­zada o no aterrizada; depen­diendo,
respectivamente, de si la unión se extiende más allá
de la cubierta metálica de pro­tección, o está conectada
o ais­lada eléctricamente a la mis­ma,.

Las termocu­plas de unión expuesta, en particular,
se emplean princi­palmente para realizar medi­ciones
de temperatura en am­bientes no corrosivos y donde
se requieren tiempos de res­puesta rápidos, particularmen­te
gases estáticos o fluyentes no sometidos a altas presiones.
Las termocuplas de unión aterrizada, por su
par­te, permiten la medición de temperaturas estáticas
o de ga­ses o líquidos corrosivos en movimiento
sometidos a altas presiones. Puesto que la unión está
soldada a la cubierta, la res­puesta térmica es más alta, pero también la susceptibilidad al ruido.





Finalmente, las ter­mocuplas de unión no aterri­zada, se emplean para medir temperatura en ambientes co­rrosivos o ruidosos donde se requiera un buen aislamiento eléctrico y la velocidad de res­puesta no sea crítica.

Además del rango de tem­peraturas de trabajo, particular­mente el límite máximo, otra especificación importante de las termocuplas es su sensibilidad o coeficiente térmico, el cual es relativamente pequeño, por ejemplo, 50 mV/°C para termo-pares J. Por esta razón, las ter­mocuplas deben ser utilizadas en conjunción con amplificado­res de bajo offset para producir voltajes de salida útiles. De cual­quier modo, la relación entre voltaje y temperatura no es ab­solutamente lineal en todo el rango de trabajo. Por tal razón, para obtener una buena preci­sión, deben emplearse circuitos que compensen las variaciones de temperatura en la unión fría.






Sensores de temperatura infrarrojos



Los sensores de temperatura infrarrojos (IR),
denominados también piró-metros de radiación,
son dis­positivos de no contacto que miden indirectamente la
tem­peratura de cuerpos calientes a partir de la radiación
térmica emitida en forma natural por los mismos. Se
utilizan en los casos en los cuales resulta im­posible o
peligroso el uso de un termistor, una termocupla u otro
tipo de sensor de con­tacto. Es el caso, por ejemplo, de
procesos industriales don­de se manejan temperaturas muy
superiores a las del pun­to de fusión del transductor, de
cuerpos calientes muy pe­queños, inaccesibles o en
mo­vimiento, de atmósferas de alto voltaje o que deben
per­manecer libres de contamina­ción, etc.









Los sensores IR están ba­sados en el concepto de que todos los cuerpos, a tempera­turas por encima del cero ab­soluto (-273.5°C), producen radiación térmica en cantidad dependiente de su temperatura y sus propiedades físicas. Esta energía se incrementa a medi­da que el objeto se torna más caliente
Los cuales miden la energía emitida, refle­jada y transmitida.
En los sensores IR prácti­cos la energía emitida, que es la que indica realmente la temperatura de un objeto, se captura mediante un detector apropiado, precedido de un sistema óptico, se ampli­fica y procesa mediante circui­tos electrónicos.




La función de la óptica es concentrar la energía y limitar la influencia de la radiación proveniente de otras fuentes distintas del objeto bajo me­dida. Esta es la parte más crí­tica del sistema y la que deter­mina el campo de vista (FOV) de la unidad.
El detector, por su parte, se encarga de convertir la energía IR a una variable eléctrica me-dible, es decir un voltaje, una corriente o una resistencia equi­valente. Incluye típicamente un filtro espectral para limitar la energía a una banda estrecha.
El amplificador debe re­solver y amplificar las débiles señales de salida enviadas por el detector, las cuales pueden ser, por ejemplo, del orden de 1 mV/°C. Una vez obtenida una señal estable y manejable, la misma debe ser linealizada, es decir convertida en una fun­ción lineal de la temperatura y representada como una co­rriente de 4-20 mA, un voltaje de 0-5 V, una señal digital, etc.
Actualmente se dispone también de sensores de tempe­ratura IR inteligentes, los cua­les pueden ser programados para comunicarse entre sí y con computadoras en una planta de manufactura. De este modo se facilita el direccionamiento, la configuración, la actualización y el mantenimiento de las uni­dades desde sitios remotos du­rante su instalación y operación




Sensores de temperatura de silicio

Los sensores de silicio, son circuitos integra­dos que
aprovechan la varia­ción predecible del voltaje de la unión
base-emisor (VBE) de los transistores bipolares para realizar
mediciones confiables y exactas de temperatura. Se
caracterizan por su pequeño tamaño y son especialmente
apropiados para aplicaciones de medición y control de
tem­peratura en el rango de -55°C a +150°C. Además, no
requie­ren de etapas de linealización, amplificación ni
compensa­ción externas debido a que in­corporan en la
misma pastilla sus propios circuitos de pro­cesamiento de
señales.
La mayoría de sensores de silicio proporcionan como
sa­lida un voltaje que varía linealmente con la temperatura
en grados Kelvin (°K), Celsius (°C) o Fahrenheit (°F).
Algu­nos ejemplos representativos son el LM34, el
LM35, el LM135 y el LM50, todos ellos de National Semiconductor y con una sensibilidad nominal de l0mV por grado. También se dispo­ne de sensores con salida por corriente. Dos ejemplos repre­sentativos son el LM334 y el AD590, cuyas sensibilidades típicas son 1 mA/°K y 1μA/°K, respectivamente.La integración de circuitos de procesamiento en los senso­res de temperatura de silicio eli­mina también, en muchos casos, la necesidad de comparadores o de convertidores A/D externos para convertir la salida análo­ga a un nivel lógico o un códi­go digital. Los sensores de sa­lida por comparador, en parti­cular, son muy útiles para de­tectar condiciones de falla, im­pulsar calefactores o enfriado­res, y otras aplicaciones de control y alarma

CONCLUCION

ESTE ESPACIO SE CREO CON EL FIN DE CONOCER UN POCO MAS DE CUATRO DE LAS VARIABLES MAS COMUNES EN UN PROSESO INDUSTRIAL. CON LAS CUALES ESTAREMOS FRECUENTEMENTE LIDIANDO PARA CONTROLARLAS SABIENDO QUE SI SE PUDE MEDIR SE PUEDE CONTROLAR . PARA ELLO INVESTIGAMOS CUTRO TIPOS DE SENSORES QUE TRABAJAN PARA EL CONTROL DE ESTAS VARIABLES. DE ESTA FORMA PODEMOS DECIR QUE EL APERNDISAJE SE ISO DE UNA MANERA MAS DICATICA Y ABIERTA YA QUE EL BLOG ES UN ESPASIO ABIERTO A COMENTARIOS POR LO TANTO UNA VENTA AL CONOSIMIENTO EN ESTA AREA DE INTRUMENTACION Y CONTROL INDUSTRIAL .