Tema2_parte2

INTRODUCCIÓN:
La medida de temperatura constituye una de las mediciones más comunes y más importantes que
se efectúan en los procesos industriales. Los transductores de temperatura basan su funcionamiento en
diversos fenómenos que son influidos por la temperatura entre los que podemos nombrar:
- Variación de resistencia de un conductor.
- Variación de resistencia de un semiconductor (Termisores).
- Fuerza electromotriz creada por la unión de dos metales o aleaciones diferentes (Termopares).
- Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (Pirómetros de radiación).
Cada tipo de transductor tiene su campo de aplicación bien definido en cuanto a margen de
temperatura y otros parámetros en los que se considera óptimo su rendimiento. Dependiendo del margen
de temperaturas a medir, tendremos que utilizar diferentes transductores de muy distintas tecnologías.
TERMOSTATO
También llamados interruptores térmicos bimetálicos, están formados por dos metales de diferente
cociente de dilatación térmica. Cuando se produce un cambio de temperatura, la pieza se deforma según
un arco circular uniforme. Este tipo de dispositivos, son denominados todo o nada, ya que o están
funcionando o están parados.
Un termostato en funcionamiento, recibe un aumento de temperatura que hace que el bimetal que
lleva en el interior se deforme haciendo un arco, este toca otra chapita que hace que el termostato cambie
su estado a parado. Ejemplo: Magneto térmico.
La expresión del radio de curvatura viene dada por la siguiente expresión:
r
2e
3·A  B · T2  T1 
Donde:
“e” es el espesor de la pieza.
“αA” y “αB” son los coeficientes de dilatación lineal.
El radio de curvatura varía de forma inversamente proporcional a la diferencia de temperaturas.
Los dispositivos basados en bimetales suelen emplearse en el margen de temperaturas de 0 a 300 º C.
Además, este tipo de dispositivos presenta un tipo de respuesta muy lento.
DETECTORES DE TEMPERATURA RESISTIVOS (RTD).
Consiste normalmente en un arrollamiento de un hilo muy fino del conductor, bobinado entre
capas de material aislante y protegido con un revestimiento de vidrio o cerámica. Estos detectores de
temperatura se denomina RTD ( Resistance Temperatura Detector), utilizan la variación de la resistencia
eléctrica de los materiales con la temperatura.
Desde el punto de vista constructivo existen diferentes versiones:
- Una arrollada alrededor de una placa aislante y protegida por un encapsulado de acero
inoxidable, del que salen los terminales de la resistencia.
- Una en forma de película delgada y físicamente más pequeña.
En el tramo lineal de la característica Resistencia-Temperatura obtenemos la siguiente ecuación :
R t  R 0 1  t 
Los materiales que forman el conductor de la resistencia deben poseer las siguientes características:
- Alta resistividad ( Mayor Sensibilidad ).
- Relación lineal Resistencia-Temperatura. Esto simplifica el aparato de media asociado al
transductor y aumenta la precisión de la medida.
- Rigidez y ductilidad. Permite realizar los procesos de fabricación de estirado y arrollamiento
del conductor en la sonda y obtener así tamaños más pequeños.
-Estabilidad de las características de la vida útil del material.
Este tipo de sensores están construidos principalmente por materiales como el platino y el níquel.
- El platino es el material más adecuado por su precisión y estabilidad, pero presenta el
inconveniente de su elevado coste. El platino presenta una exactitud con respecto a la temperatura que va
en el rango de [ -128.96 , 630,74 ] ºC.
- El níquel es más barato y presenta una resistencia más elevada que el platino pero presenta un
gran inconveniente que es su falta de linealidad, no es muy lineal, además su coeficiente de temperatura
puede variar en la fabricación.
- Otro material que se utiliza es el cobre, que tiene una variación de resistencia uniforme, pero
presenta el inconveniente de su baja resistividad.
TERMOPARES
Un termopar está constituido por dos metales o aleaciones diferentes, unidos en uno de sus
extremos. Su funcionamiento se basa en el efecto descubierto por Seebeck que consiste en la circulación
de una corriente en un circuito formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a distinta
temperatura. Dibujo de un Termopar:
El efecto Seebeck engloba los efectos a los efectos descubiertos por C.A. Peltier y W. Thompson:
El efecto C.A. Peltier consiste en que al hacer circular en la absorción o liberación de calor por
parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circule una corriente. El
calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia de signo al hacerlo el de la corriente.
Entre los transductores son los de uso más frecuente para la medida de temperaturas y entre sus ventajas
podemos señalar:
* Rango de medida muy amplio. En conjunto trabaja en el rango de [ -270 , 3000] ºC.
* Estabilidad a largo plazo.
* Fiabilidad elevada.
* Mayor exactitud que las RTD para temperaturas bajas.
* Velocidad de respuesta rápida.
* Robustez.
* Modelo de bajo precio.
En las uniones termopar interesa tener una resistencia elevada sin requerir mucha masa, ya que
ésta implicaría una respuesta lenta. También es deseable un coeficiente de temperatura débil en la
resistividad, alta linealidad y resistencia a la oxidación a temperaturas altas. Para lograr estas propiedades
se emplean aleaciones especiales como el cromel (Níquel 90% y Cromo 10%), alumel, etc.
La protección frente al ambiente se logra mediante una vaina, normalmente de acero inoxidable. Existen
unidades termopares de tipo estándar y otras de tipo especiales antiexplosiones.
Los elementos del termopar son:
- El elemento sensor ( Los dos hilos con la unión caliente o de medida) se suelen disponer de dos
formas diferentes:
* Con aislamiento de óxido de magnesio (MgO).
* Con aislamiento de pequeños tubos cerámicos.
- La vaina, donde va alojado el termopar, asegura protección contra daños producidos pro
esfuerzos mecánicos, corrosión y contaminación.
- El cabezal de conexión que asegura una buena conexión entre el elemento sensible y el
instrumento de medida.
Los termopares más utilizados son :
Fragmento de una tabla de tensiones frente a temperatura para un termopar tipo J.
Las tensiones vienen dadas en mV.
TERMISORES
Estos sensores de temperatura consisten básicamente en una resistencia con gran coeficiente de
temperatura. Este coeficiente puede se de dos tipos:
- Negativo, dando lugar a los CTN ( Coeficiente de Temperatura Negativo)
- Positivo, dando lugar a los CTP (Coeficiente de Temperatura Positivo).
Se fabrican en un amplio margen de resistencias que van desde algunos ohmios hasta varios MΩ 25ºC.
* CTN
El coeficiente de temperatura se representa por a:
dR
1 dR
 R 
dT R dT
Los CTN son muy sensibles y están constituidos por mezclas sintetizadas de óxidos metálicos. Se
presentan en distintas configuraciones como: Discos, barras, película delgada, etc.
La relación Resistencia - Temperatura es de la forma:
RCTN es la resistencia a la temperatura T.
Ro es la resistencia a la temperatura To.
B Es la denominada temperatura característica del bimetal, y tiene valores que rondan los 400K. A
temperaturas normales de trabajo la consideramos como constante.
* CTP
Tienen un coeficiente de temperatura positivo y consisten en que la resistencia aumenta
con la temperatura. Tienen la propiedad de que el valor de su resistencia varía notablemente
cuando se alcanza la temperatura característica del material. Por debajo de esta temperatura, la
resistencia es baja ≈ 100 ohmios y por encima la resistencia es muy alta, 100 Megaohmios.
Este tipo de sensores se aplican fundamentalmente en la detección del umbral de
temperatura. Debido a su gran diferencia entre Rmin y Rmax, los CTP se comportan
prácticamente como un interruptor que se abre y se cierra en las temperaturas próximas a la
temperatura crítica TC. Este tipo de sensores son del tipo todo o nada.
TRANSDUCTORES INTEGRADOS
Estos sensores están basados normalmente en la sensibilidad a la temperatura de uniones
de silicio. Son muy económicos, suelen tener gran precisión , aunque tienen el inconveniente de su
no muy amplio espectro de temperatura de funcionamiento. Los timos mas comunes son los
resistores másicos, los diodos y los circuitos integrados.
La transducción está basada en el cambio de resistencia de una placa de silicio. La
resistencia de una placa de silicio cambia con la temperatura a la que se somete. Estos sensores
tienen un margen de temperatura de funcionamiento que oscila entre -55 ºC y los 200 ºC.
Ejemplos de este tipo de sensores son el LM135/LM355. Estos sensores están construidos
en forma de circuito integrado, con una complejidad apreciable. Estos sensores operan como un
zéner de dos terminales, dando un voltaje de ruptura proporcional a la temperatura, concretamente
10 mV/K. Presentan una impedancia dinámica menor que 1 ohmio y trabajan con una corriente
inversa que puede oscilar entre 400 microamperios.
Las características mas importantes son las siguientes:
- Directamente calibrado en grados Kelvin.
- Precisión inicial disponible de un grado centígrado.
- Bajo coste.
- Velocidad de respuesta lenta.