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2.5 SENSORES DE TEMPERATURA
Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios
de temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por equipo
eléctrico o electrónico.
Hay diferentes tipos de sensores de temperatura, los termistores, los
termopares, los termocuplas, termómetros infrarrojos, etc.
El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento
sensor, de cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está
rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se
transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el
equipo electrónico.
2.5.1 Termocuplas
Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la
industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en
un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje
muy pequeño, del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Este
sería un esquema de ejemplo de una termocupla cualquiera.
Figura 1. Diagrama interno d una Termocupla.
Estos dispositivos suelen ir encapsulados en vainas, para protegerlos de las
condiciones extremas en ocasiones del proceso industrial que tratan de ayudar a
controlar, por ejemplo suele utilizarse acero inoxidable para la vaina, de manera
que en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables,
protegido adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Además según la
distancia a los aparatos encargados de tratar la pequeña señal eléctrica de estos
transductores, también deben utilizarse cables compensados para transportar esta
señal sin que la modifique o la modifique de una manera fácilmente reconocible y
reversible para los dispositivos de tratamiento de la señal. También se da el caso
de que los materiales empleados en la termocupla como el platino puro, hagan
inviable económicamente extender la longitud de los terminales de medición de la
termocupla.
Figura 2. Esquema de conexión de cable compensado y termocupla.
Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-) que al
conectarse con la termocupla se debe respetar. Es importantísimo que estos dos
cables compensados sean para el tipo de termocupla que se está usando y
además estén conectados con la polaridad correcta (+) con (+) y (-) con (-). De
otra forma será imposible obtener una medición sin error.
Las termocuplas podrían clasificarse atendiendo a varios criterios como
material del que están construidas, su tolerancia o desviación, etc. Durante varios
años ha habido diferentes organismos de estandarización de nacionalidades
diferentes intentando normalizar la gran variedad de este tipo de sensores e
incluso unificar sus criterios de normalización.
Las Termocuplas estándar
Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras
elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of
Standardg (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlación temperatura
fem para estas termocuplas.
Tabla 1. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas.
Las Termocuplas no estándar
Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termocuplas
además de aquellos que tienen asignada una denominación con letra por la ISA
(IEC). Estas otras termocuplas exhiben características especiales que no se
encuentran en los tipos estándar, lo cual las hace adecuadas para aplicaciones
especiales. Las características y la fem de salida pueden variar de un fabricante a
otro, razón por la que se debe consultar al fabricante en relación a aplicaciones
específicas. Hay una aleación en particular, que debernos considerar por
separado. Se trata de la aleación hierro-constantán Fe - CuNi. Quizás la más
difundida antes de la homologación de las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y
DIN 43710, las más importantes a nivel mundial.
Tabla 2. Características de las termocuplas no estándar.
2.5.2 Termistores
Mucho más económicos que las RTD son los termistores, aunque no son
lineales son muchas más sensibles, compuestas de una mezcla sintetizada de
óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se
comporta como un "resistor térmico". Se pueden encontrar en el mercado con la
denominación NTC (Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos especiales
de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los
denomina PTC (Positive Temperature Coeficient).
En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente
puede disminuir en hasta 6% por cada 1ºC de aumento de temperatura. Esta
elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte
muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándoselo
ampliamente para aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a
450ºC.
Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en
gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los
encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que
pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos
adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.
Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son los
glóbulos, las sondas y los discos.
Figura 3. Formas constructivas de termistores NTC a. Tipo glóbulo con diferentes tipos de
terminales - b. Tipo disco - c. Tipo barra.
NTC (Negative Termal Coefficient)
Fabricados de una mezcla de óxidos de Mn, Ni, Co, Cu, Fe y están
moldeados en un cuerpo cerámico de varios tamaños, típicamente tienen una
resistencia entre 50Ω y 1M Ω a 25ºC y una sensibilidad del 4%/ºC a 25ºC. El
efecto de Coeficiente Negativo con la Temperatura puede resultar de un cambio
externo de la temperatura ambiente o un calentamiento interno debido al efecto
Joule de una corriente que fluye a través del termistor. La curva del termistor se
puede linealizar con una resistencia montada en paralelo con la NTC.
Figura 4. Circuito de linealización
PTC (Positive Temperature Coefficient)
Son resistencias que principalmente están compuestas de bario y estroncio
con titanio. La adición de dopantes hace que la componente semiconductora dé
una característica de resistencia con respecto a la temperatura, aunque son muy
poco utilizados
2.5.3 Termómetros Infrarrojos
Los termómetros Infrarrojos pueden medir la temperatura de un objeto sin
tocarlo. Hay muchos casos en los que la medida de temperatura sin contacto es
crítica: cuando el objeto medido es pequeño, movible o inaccesible; para procesos
dinámicos que requieren respuesta rápida; o para temperaturas >1000°C.
Los termómetros infrarrojos determinan la temperatura de la superficie de
un objeto interceptando y midiendo la radiación infrarroja emitida. El rango típico
de temperatura para estos termómetros es -50°C to 3000°C de un sitio remoto.
Las distancias de trabajo pueden variar desde una fracción de centímetro a varios
kilómetros en aplicaciones aerotransportadas.
La tecnología subyacente para los Pirómetros de Radiación Infrarroja está
basada en el principio que dice que todos los objetos emiten radiación a longitudes
de onda ubicadas en la región infrarroja del espectro de radiación
electromagnética. Los termómetros infrarrojos miden esta radiación y proporcionan
una señal de salida calibrada en una variedad de rangos.
Tabla 3: Aplicaciones de Termómetros Infrarrojos.
2.5.4 Termorresistencia
La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que
varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta
modificación puede relacionarse con la variación de temperatura. Tienen
elementos sensitivos basados en conductores metálicos, que cambian su
resistencia eléctrica en función de la temperatura. Este cambio en resistencia se
puede medir con un circuito eléctrico, que consiste de un elemento sensitivo, una
fuente de tensión auxiliar y un instrumento de medida.
Tabla 4: datos característicos de una termorresistencia
La interconexión entre termorresistencias e Instrumentos se realiza con
cable común de cobre. En cambio, en el caso de las termocuplas deben
emplearse cables especiales de compensación, de costo superior.
Existen dos clases para la calibración según DIN EN (IEC) 60 751:
Clase A: máx. desvío ± 0,15 ºC (0,06 Ohm) a 0 ºC
Clase B: máx. desvío ± 0,3 ºC (0,12 Ohm) a 0 ºC
2.6 SENSORES DE NIVEL
El Sensor de nivel es un dispositivo electrónico que mide la altura del
material, generalmente líquido, dentro de un tanque u otro recipiente.
Integral para el control de procesos en muchas industrias, los Sensor de
nivel se dividen en dos tipos principales. Los Sensor de nivel de punto se utilizan
para marcar una altura de un líquido en un determinado nivel prestablecido.
Generalmente, este tipo de sensor funciona como alarma, indicando un sobre
llenado cuando el nivel determinado ha sido adquirido, o al contrario una alarma
de nivel bajo. Los sensores de nivel continuos son más sofisticados y pueden
realizar el seguimiento del nivel de todo un sistema. Estos miden el nivel del fluido
dentro de un rango especificado, en lugar de en un único punto, produciendo una
salida analógica que se correlaciona directamente con el nivel en el recipiente.
Para crear un sistema de gestión de nivel, la señal de salida está vinculada a un
bucle de control de proceso y a un indicador visual.
2.6.1 Tipos de sensores de nivel
2.6.1.1 Interruptores de Flotador
En estos sensores de nivel de punto, un flotador magnético se mueve en la
superficie del líquido, accionando un sellado herméticamente "reed switch,
interruptor de láminas" en el tallo. El simple mantenimiento hace que se instale
fácilmente, minimiza el impacto, la vibración y la presión, y trabaja con una gran
variedad de medios de comunicación. El interruptor de láminas puede ser unipolar,
(SPST) de un solo polo, o de doble tiro (SPDT). Son los más Sensor de nivel de
agua más utilizados.
2.6.1.2 Sensores de nivel Ultrasónicos sin contacto
Estos sensores incorporan un procesador de señal analógica, un
microprocesador, decimal codificado en binario (BCD) switches de rango, y un
circuito de salida del controlador. Transmite los impulsos a una puerta de señal de
la ruta del microprocesador a través del procesador de la señal analógica del
sensor, que envía un haz ultrasónico a la superficie del líquido. El sensor de nivel
detecta el eco de la superficie y la envía de vuelta al microprocesador para una
representación digital de la distancia entre el sensor y el nivel de la superficie. A
través de una actualización constante de las señales recibidas, el microprocesador
calcula los valores promedios para medir el nivel de líquido.
2.6.1.3 Sensores de nivel Ultrasónicos de contacto
Un dispositivo ultrasónico de baja energía dentro de los sensores de nivel
de líquido en un punto determinado. Consta de un sensor montado en montado y
un amplificador integrado de estado sólido, los sensores ultrasónicos de contacto
no tienen partes móviles y no requieren calibración. Típicamente, están equipados
con bloques de terminales para la conexión de una fuente de alimentación y
dispositivos de control externos. La señal ultrasónica atraviesa un hueco de 12
mm en el sensor, controlando los interruptores de relé cuando la brecha contiene
líquido. El nivel de detección está en el medio a lo largo del espacio donde los
sensores están montados en horizontal. En la parte superior, por sensores
montados verticalmente. A medida que el líquido cae por debajo de este nivel, la
señal ultrasónica atenúa y finalmente conmuta el relé a su estado anterior.
Estos sensor de nivel se utilizan en tanques o conductos para operar
automáticamente las bombas, válvulas de solenoide, y las alarmas de alta / baja.
Para llenar y vaciar tanques de agua dos sensores de nivel de agua serían
necesarios, como también para medir volúmenes de líquido. Compatible con la
mayoría de los líquidos, no se ven afectados por los revestimientos. Sin embargo,
los líquidos con alta aireación y líquidos viscosos suficiente como para obstruir la
luz del sensor, puede causar problemas.
2.6.1.4 Sensores de nivel por capacitancia
Al igual que los sensores ultrasónicos, los sensores por capacitancia
pueden manejar medición de nivel puntual o continua. Usan una sonda para
monitorear los cambios de nivel de líquido en el tanque, acondicionando
electrónicamente la salida a valores capacitivos y resistivos, que se convierten en
señales analógicas. La sonda y el recipiente equivaldrán a las dos placas de un
capacitor, y el líquido equivaldrá al medio dieléctrico. Debido a que la señal emana
solo de cambios de nivel, la acumulación de material en la sonda no tiene efecto.
Los recipientes de fluido no conductor pueden indicar sondas dobles o una banda
conductora externa.
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