Medición de
temperatura
Introducción
La temperatura es el grado de agitación térmica
de las moléculas
• Pirometría: Medición de altas temperaturas, en
el rango en que se manifiestan los efectos de
radiación térmica.
• Criometría: Medición de bajas temperaturas,
en general cercanas al cero absoluto
• Termometría:
Medición de altas o bajas
temperaturas
Introducción
• El calor es la energía en transito que es transferida a través
de la frontera de un sistema debido a una diferencia
de temperaturas.
• Las formas de transmisión del calor son: Conducción,
Radiación y Convección.
Transmisión de calor: Conducción
• En los sólidos, la única
forma de de calor es la
conducción.
• Si se calienta un extremo de
una varilla metálica, de tal
forma
que
aumente
su
temperatura, el calor
se
transmite hasta el extremo más
frío por conducción.
- caliente +caliente
se
• Por ejemplo, el calor se
transmite a través de la pared
de una casa fundamentalmente
por conducción
Transmisión de calor: Conducción
sustancia
En la conducción se
transmite energía
térmica, pero no
materia
Los átomos se mueven mas de prisa y chocan con
los átomos vecinos, transmitiéndoles energía
Así se produce la conducción
Sustancia
Plata
Conductividad
Térmica
0.97
Cobre
0.92
Aluminio
0.49
Acero
0.12
Latón
0.26
Plomo
0.083
Corcho
Ladrillo
Conductividad
térmica
0.0001
0.0015
Madera
Hielo
Vidrio
0.0002
0.004
0.002
Cada sustancia o
material (madera,
metal, cuarzo, agua,
etc) tiene su propia
conductividad
térmica
La madera es un
conductor térmico
muy malo, es decir,
es un aislante
térmico
Transmisión de calor: Radiación
• La radiación es la transferencia de calor por radiación
Electromagnética la cual es un tipo de campo electromagnético
variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y
magnéticos oscilantes (generalmente infrarroja): el principal
mecanismo por el que un fuego calienta la habitación. La Tierra
recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.
24°C
21°C
16°C
Transmisión de calor: Radiación
Transmisión de calor: Convección
• La convección es el mecanismo transferencia de calor
(energía térmica) de un punto a otro de un fluido (liquido o gas)
a través del movimiento del propio fluido.
• El agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se
calienta
en
gran
medida
por
convección
Movimiento por
convección
Corrientes
de
convección
Este procesos de transferencia de calor se presenta en
los fluidos: Gases o Líquidos
En la convección
se transmite
energía térmica
mediante el
transporte de
materia
Importancia de la Medición de
Temperatura
• En el campo de los procesos industriales:





Químicos
Petroquímicos
Siderúrgicos
Cerámico
Farmacéutico
 Alimenticio
 Hidroeléctrico
 Nuclear
Cerámico
Siderurgia
 Papel y celulosa, etc.
• El monitoreo de la variable temperatura es
fundamental para la obtención del producto final
especificado.
Escalas de temperatura
C F  32 K  273


5
9
5
• Las escalas relativas están basadas en 2 temperaturas conocidas
de sustancias comunes, como el punto de fusión y punto de
ebullición del agua
• La Escala de grados Celcius o Centígrados que se basa en el punto
de Fusión y Ebullición del agua (0ºC y 100ºC)
• Otra escala relativa es la Farenheit, que es la misma que la celcius,
solo que le dieron números distintos a los puntos antes
mencionados.
Punto de ebullición del agua : 100°C, 373°K, 212°F, 671°R
Punto de fusión del agua
Escalas de temperatura
Escalas absolutas
Escalas relativas
R(Rankine)
671
K
373
°C(Celsius)
100
°F
212
Punto de Fusión
del Hielo
491
273
0
32
Cero Absoluto
0
0
-273
-459
Punto de Ebullición
del Agua
• Las escalas Absolutas, vienen dada por relaciones matemáticas y
relaciones de termodinámica. Sin ningún tipo de alusión a una
sustancia en particular. Por eso se llaman absolutas. Sirven a todas
las sustancias. Otro detalle es que en las absolutas no existen
temperaturas negativas.
Principios de medición de temperatura
• Los instrumentosde temperatura utilizan diversos
fenómenos para cuantificar la temperatura:
a. Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos
(Termómetros de vidrio y bimetálicos, sistemas termales)
b. Variación de resistencia de un conductor (Bulbos de
resistencia RTD, termistores)
c. Generación de una f.e.m. creada en la unión de dos metales
distintos (termopares)
d. Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo
(pirómetros de radiación)
e. Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad
del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un
cristal, etc.)
Principios de medición de temperatura
• Termómetros de dilatación
a. De vidrio
b. De bulbo
c. Bimetálico
• Termómetros sensibles a la resistencia
a. De resistencia metálica (RTD)
b. Termistores
• Termopares
• Métodos sin contacto
a. Pirómetros ópticos
b. Pirómetros de radiación total
c. Pirómetros de dos colores
Termómetro de dilatación: De vidrio
Indican la temperatura como diferencia entre el coeficiente
de dilatación del vidrio y del líquido empleado.
Escala
Bulbo
Capilar
Liquido
Precisión
• Común: 0.5 a 3%
Líquidos utilizados
• Touleno (-80 a 100°C)
• Mercurio (-35 a 450°C)
• Alcohol y otros
Termómetro de dilatación: De vidrio
El alcohol tiene un coeficiente de expansión más alto que el del
mercurio pero esta limitado a mediciones de baja temperatura,
hasta -110 C, debido a que tiende a hervir a temperaturas altas,
su punto de ebullición es a 78 oC.
Termómetro de dilatación: Bimetálicos
• Constan de 2 láminas metálicas (como latón, monel o
acero y una aleación de ferroníquel o Invar laminados
conjuntamente) con diferente coeficiente de dilatación
térmica (α), unidas sólidamente por sus extremos .
• Cuando se produce un cambio de temperatura, un metal
se dilata más que el otro y el bimetal se curva. La
curvatura es función del incremento de temperatura.
Aluminio: se dilata mucho
FRIO
Extremo
Fijo
Acero: se dilata poco
Aluminio: Este metal tiene
mayor
coeficiente
de
dilatación lineal
Acero: Este metal tiene
menor
coeficiente
de
dilatación lineal
Termómetro de dilatación: Bimetálicos
• El sistema bimetálico está enrollado helicoidalmente y
tratado térmicamente para mayor estabilidad a largo plazo. La
expansión provoca que el lado libre rote.
• Las variaciones de temperatura hacen que la banda bimetálica se
desenrolle o enrolle más apretada lo que a su vez hace girar la
aguja.
Extremo Libre
Extremo Libre
Eje giratorio
alto coeficiente
de expansión
Bulbo
Bajo coeficiente
de expansión
Extremo Fijo
Extremo Fijo
Extremo Libre
conectado al
eje indicador
Extremo Fijo
• Las láminas bimetálicas pueden ser rectas o curvas, formando
espirales o hélices.
• Este es un instrumento relativamente barato, pero es inexacto y
lento en relación a su respuesta.
Termómetro de dilatación: Bimetálicos
• Los Termómetros bimetálicos son
ideales para la mayoría de las
aplicaciones industriales de medición
de
temperatura.
La
caja
herméticamente
sellada
ofrece
protección del clima y del polvo. La
hélice bimetálica está recubierta con
silicona viscosa para minimizar la
oscilación de la aguja y mejorar la
transmisión de la temperatura.
Termómetro de dilatación: Bimetálicos
Termómetro de dilatación: De Bulbo
• La variación de temperatura produce la expansión o
contracción del fluido lo que deforma el recinto que lo
contiene.
• La deformación es capturada por un muelle Bourdon
y transmitida a un indicador o transmisor.
Construcción de un
termómetro de
dilatación de liquido
Termómetro de
dilatación de liquido
con caja de acero
inoxidable
Termómetro de dilatación: De Bulbo
• La expansión del
fluido se emplea para
mover una aguja
indicadora o activar
un mecanismo de
control
: -40°C a 425°C
Rango
Precisión : 1%
Dinámica de Sensores
Temperatura: Sistemas de Primer Orden
• El comportamiento de los sensores y transmisores se
modela generalmente a través de ecuaciones diferenciales
lineales de primer orden.
• Por ser sistemas físicos ante desviaciones en la variable
sensada, la señal de salida del instrumento no
cambia instantáneamente, sino que demora cierto tiempo en
alcanzar el valor final correspondiente al cambio en la función
de entrada acotada.
• Para ilustrar lo anterior se tomará el caso de un termómetro de
vidrio sometido exclusivamente a transferencia de calor por
convección. Para modelar el fenómeno como una ecuación
diferencial de primer orden, se deben hacer las siguientes
aproximaciones:
 Toda la resistencia a la transferencia de calor se atribuye a la
película de fluido que rodea al bulbo, es decir, se desprecia la
resistencia que ofrece tanto la pared de vidrio como el mercurio.
 Toda la capacidad térmica está en el mercurio. Además, en
cualquier instante se asume que el mercurio tiene temperatura
uniforme.
 La pared de vidrio que contiene el mercurio no se expande ni se
contrae durante la respuesta en estado transitorio
Principios de medición de temperatura
• Termómetros de dilatación
a. De vidrio
b. De bulbo
c. Bimetálico
• Termómetros sensibles a la resistencia
a. De resistencia metálica (RTD)
b. Termistores
• Termopares
• Métodos sin contacto
a. Pirómetros ópticos
b. Pirómetros de radiación total
c. Pirómetros de dos colores
RTD
• Se basan en que la resistencia eléctrica de
metales puros aumenta con la temperatura;
en algunos en forma casi lineal.
• Este principio proporciona una forma muy
precisa de medir temperatura.
• Dado que el material empleado con mayor
frecuencia para esta finalidad es el platino, se
llama a veces PRT (Platinum Resistance
Thermometer)
RTD
• Los sensores basados en la variación de la
resistencia eléctrica de un dispositivo son
los mas abundantes. Esto se debe a que
son muchas de las magnitudes físicas que
afectan al valor de la resistencia eléctrica
de un material
• Los resistores variables con la temperatura
ofrecen también un método de compensación
térmica aplicable en los sistemas de medidas
de otras magnitudes
RTD
• Las principales ventajas de estos sensores son que
su sensibilidad es unas diez veces mayor que la de
los termopares,
• La alta repetibilidad y exactitud en el caso del platino, y
el bajo coste en el caso del cobre y del niquel que son
tres de los metales empleados con esta finalidad
RTD
• Para la medición de temperatura en la
industrias, se necesita un material:




resistente a la corrosión y ambientes hostiles
comportamiento lineal
alta sensibilidad
fáciles de fabricar y estables
RTD
Ventajas de la RTD
– Estable
– Exacta y
– De larga vida.
Características
•
Tipo de RTD platinum 100 ohmios
•
Rango de temperatura:
-200 °C a 540 °C (320°F a 1000°F)
•
Longitud máxima de cable para RTD 75 mts.
(225 ft.)
•
Utiliza conductores trenzados con blindaje
•
RTD de 2 cables para mediciones locales
•
•
RTD de 3 hilos para mediciones remotas
Cuenta con accesorios para el montaje del
sensor como son los termpozos, etc.
RTD
: Platino (PT) y Níquel (Ni).
: -200°C a 500°C
Rango (platino)
: 0.2%
Precisión
Sensibilidad (pt100) : 0.392 ohmios/°C
• Para medir la variación en la resistencia en el detector se usan
circuitos basados en el puente de Wheatstone
Material
Uso de vainas
• En lo referente a las vainas de protección,
estos depende del proceso industrial. Por ejemplo,
en el proceso de fabricación del cemento en la salida
de los altos hornos se usa una vaina de iconel o hierro
• En el proceso de fabricación de la cerámica en los
hornos se usa protecciones cerámicas
• Fabricación de alimentos y procesos petroquímicos el
acero inoxidable
• En procesos de fabricación que excedan los 1000°C a
veces se usa carburo de silicio