Principios de medición de la temperatura

¿Por qué es importante la medición de la temperatura?

¿Cómo medir la temperatura en aplicaciones industriales?

Termómetros bimetálicos

Termopares

Detectores de termómetros de resistencia

Tubos de protección para termómetros

Transmisores de temperatura

¿Cómo seleccionar un dispositivo de medición de la temperatura industrial?

1) ¿Cuál es su aplicación?

2) ¿Qué intervalo de temperatura se necesita?

3) ¿Cuál es la precisión y el tiempo de respuesta requeridos?

4) ¿Cuáles son las condiciones de instalación?

¿Necesita más información sobre los sensores de temperatura?

¿Por qué es importante la medición de la temperatura?

La medición de la temperatura es tan importante porque desempeña un papel vital en la calidad de los productos finales y en la seguridad de la planta. Esto se explica por el hecho de que la temperatura puede, por ejemplo, tener un impacto significativo en varios aspectos como el sabor, la viscosidad, la densidad, la solubilidad y el estado de agregación de un producto.

En este contexto, se plantea la cuestión de cuál es la definición de temperatura en primer lugar En pocas palabras, la temperatura puede definirse como la cantidad física de energía térmica que mide el nivel de energía cinética en las partículas. Cuanto mayor sea la energía cinética de la partícula, mayor será la temperatura y viceversa.

¿Cómo medir la temperatura en aplicaciones industriales?

Existen diferentes dispositivos de medición de la temperatura para medir la temperatura en áreas industriales. Los sensores más utilizados son los termómetros bimetálicos, los termómetros industriales con termopares o detectores de temperatura resistivos, también conocidos como RTD, y los transmisores de temperatura.

Termómetros bimetálicos

Los termómetros bimetálicos, también conocidos como termómetros bimetal o indicadores de temperatura, están formados por dos metales diferentes con coeficientes de dilatación distintos. Al calentarse, un metal se expande más que el otro, provocando una deformación. La deformación se transfiere mecánicamente para mover una aguja en un dial, donde se puede medir la temperatura y leerla en la escala. Los termómetros bimetálicos son una solución excelente y rentable para la medición e indicación local de la temperatura.

A los termómetros bimetálicos

Figura 1. Construcción del termómetro bimetálico

Ventajas de los termómetros bimetálicos:

Bajo coste y fiables
No requieren una fuente de alimentación
Buena opción para la indicación local

Limitaciones de los termómetros bimetálicos:

Las piezas móviles internas pueden necesitar mantenimiento con el tiempo
Podría ser necesaria una recalibración y corrección con el tiempo
No hay señal de salida

Termopares

Figura 2. Funcionamiento del termopar

Los termopares funcionan basándose en el efecto Seebeck, en el que un par de hilos de dos conductores eléctricos de diferentes materiales se unen en un punto, llamado la unión caliente. Se puede medir una tensión entre los dos hilos, la denominada fría, en relación con la temperatura detectada. Los termopares pueden estar hechos de diferentes materiales, tener diferentes nombres y estar diseñados para diferentes intervalos de temperatura.

El tipo K (cromel-alumel) es el termopar más común, un sensor barato pero fiable en un intervalo de temperatura de -200 a 1300 °C. Para aplicaciones más exigentes con temperaturas más elevadas, los termopares fabricados con aleaciones nobles con platino y rodio, como los termopares de tipo B, R y S pueden medir temperaturas superiores a 1700 °C.

Los termopares requieren cables especiales. Si la conexión se realiza con un cable de un material diferente al del termopar, la conexión entre el termopar y el cable crea otro termopar, que también producirá una tensión, provocando errores en el valor medido. Por este motivo, los cables de extensión y compensación de los termopares deben ser específicos para este fin. Para largas distancias, el cableado especial puede resultar caro y el sistema es susceptible de sufrir interferencias. Por este motivo, se recomienda utilizar un transmisor de temperatura cercano al sensor que transmitirá la temperatura medida utilizando una señal de telemetría estandarizada y robusta, como 4-20 mA, 0-10 V o protocolos de comunicación digital.

Ventajas de los termopares:

Bajo coste y fiables
Diferentes versiones para diferentes intervalos de temperatura
Soportan temperaturas más altas en comparación con los RTD
Tiempo de respuesta más rápido en comparación con los RTD
Puede conectarse a un transmisor de temperatura

Limitaciones de los termopares:

Señal no lineal
Señal de bajo voltaje susceptible al ruido eléctrico
Requieren un cableado especial
La precisión puede desviarse con el tiempo, necesitando una recalibración

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Detectores de termómetros de resistencia

Los detectores de temperatura resistivos, también conocidos como termómetros de resistencia o simplemente como RTD, son sensores de temperatura fabricados con un material metálico cuya resistencia eléctrica cambia en función de la temperatura. Con la relación entre la temperatura y la resistencia eléctrica, es posible entonces medir la temperatura. El material más común para los RTD es el platino, que se encuentra en los RTD Pt100 y Pt1000, que proporcionan un valor de resistencia bien definido, estable y lineal. No obstante, también se pueden utilizar materiales más económicos en los RTD, como el cobre y el níquel.

Los RTD pueden tener una construcción diferente dependiendo del fabricante y del modelo. Los dos diseños más comunes son el RTD de hilo enrollado y el RTD de capa fina. Los RTD de hilo enrollado son más precisos y pueden trabajar en un intervalo de temperatura más amplio. No obstante, son más caros y menos resistentes a las tensiones mecánicas que los RTD de capa fina. Las RTD de capa fina también son más compactas y tienen una mejor respuesta en la punta del sensor.

Figura 3. RTD de hilo enrollado (izquierda); RTD de capa fina (derecha)

Los RTD pueden encontrarse en una configuración de 2, 3 o 4 hilos. En los RTD, lo que se mide es la resistencia del sensor. No obstante, la resistencia del cable se sumará a la del sensor y puede tener un impacto significativo en la precisión, dependiendo de la distancia del cable. Los RTD de 3 y 4 hilos se diseñaron para conectarse a un circuito eléctrico de compensación que puede compensar la resistencia del cable, disminuyendo su impacto en la medición, donde una versión de 4 hilos sería la más precisa de todas. En cualquier caso, se recomienda utilizar un transmisor de temperatura cercano al sensor para conectar los sensores a largas distancias. Así, la resistencia eléctrica del cableado no afectará al valor de la medición.

Conocer los termómetros de resistencia

Ventajas de los RTD:

Más precisos en comparación con los termopares
Más lineales y estables en comparación con los termopares
Puede conectarse a un transmisor de temperatura
No requieren un cableado especial

Limitaciones de los RTD:

Más caros en comparación con los termopares
Por lo general, están diseñados para temperaturas inferiores a 600 °C
La resistencia del cable puede afectar al valor de la medición

Tubos de protección para termómetros

Los termopozos se utilizan para proteger el sensor de temperatura de la abrasión, la corrosión, las vibraciones y los impactos mecánicos. El termopozo es básicamente un tubo con un extremo cerrado que sirve de camisa para la sonda de temperatura. Además de proteger el sensor de temperatura, también permite retirar o sustituir un sensor sin tener que detener el proceso.

A la hora de seleccionar un termopozo, es importante tener en cuenta algunos aspectos, como el diámetro interno y externo, la longitud, el material, la conexión al proceso y el diseño, que debe ser compatible con el sensor que se va a insertar en él.

Explorar los termopozos

Figura 4. Sonda de temperatura y termopozo

Ventajas de los termopozos:

Ofrecen resistencia mecánica al sensor
Los sensores pueden retirarse o sustituirse sin tener que detener el proceso

Limitaciones de los termopozos:

Aumentan el tiempo de respuesta del sensor
Aumentan la pérdida de presión debido a la mayor huella

Transmisores de temperatura

Figura 5. Convertidor de cabezal (izquierda), convertidor de carril DIN (derecha)

Los transmisores de temperatura se usan para transmitir la señal de medición a largas distancias utilizando una señal de telemetría estandarizada como 4-20 mA o protocolos de comunicación digital, que son muy robustos y resistentes al ruido eléctrico. Los termómetros compactos pueden tener un transmisor de temperatura integrado, pero se puede conectar un sensor independiente a convertidores de señal para carril y cabezal, que son compatibles con la mayoría de los tipos de termopares y RTD.

Algunos modelos de transmisores de temperatura ofrecen también la posibilidad de parametrización, calibración, diagnóstico integrado y otras funcionalidades.

Descubra los convertidores de señal para carril DIN o cabezal

Ventajas de los transmisores de temperatura:

Señal de telemetría industrial robusta para largas distancias
Ofrecen parametrización, calibración y diagnóstico, dependiendo del modelo
Compatibles con una amplia gama de sensores de temperatura

Limitaciones de los transmisores de temperatura:

Coste adicional

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¿Cómo seleccionar un dispositivo de medición de la temperatura industrial?

Son muchos los factores que pueden influir en la selección de un sensor de temperatura y, debido a todos los aspectos técnicos que hay que tener en cuenta, la selección correcta puede ser un desafío y requerir mucho tiempo. No obstante, respondiendo a algunas preguntas orientativas, es posible tener una mejor idea para la selección.

1) ¿Cuál es su aplicación?	Es importante entender cuál es la aplicación, por ejemplo, si se trata de medir las temperaturas de líquidos y gases encerrados en una tubería o tanque, la temperatura ambiente en una habitación o incluso la temperatura de una superficie. Cada sensor está diseñado para una tarea específica y puede no funcionar bien si no se utiliza para su fin. Por lo tanto, es importante comprobar si el sensor está diseñado para la aplicación.
2) ¿Qué intervalo de temperatura se necesita?	Cada sensor de temperatura está diseñado para trabajar dentro de un intervalo de temperatura. Si se aplica fuera de los límites del intervalo, podrían producirse imprecisiones, mal funcionamiento e incluso daños en el elemento sensor.
3) ¿Cuál es la precisión y el tiempo de respuesta requeridos?	Pueden encontrarse diferentes clases de precisión y tiempo de respuesta en los sensores de temperatura. Por lo tanto, es importante comprobar si el sensor seleccionado cumple los requisitos del proceso.
4) ¿Cuáles son las condiciones de instalación?	Las sondas de temperatura pueden tener diferentes longitudes de inserción, diámetro de sonda y conexiones de proceso. Por este motivo, conviene comprobar si el sensor seleccionado tiene unas dimensiones y conexiones compatibles con el lugar de instalación.

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