Guía práctica para diseñar aplicaciones de medición de temperatura con sensores

En muchas ocasiones hemos hablado de la aplicación de los sensores para medir temperatura en diferentes escenarios (ver Revisión de las aplicaciones industriales de los sensores) pero hasta ahora no hemos hecho una revisión completa de las diferentes soluciones disponibles para medir temperatura. Vamos a tratar de sintetizarlas en este artículo explicando las consideraciones a tener en cuenta al seleccionar sensores de temperatura en distintas condiciones de diseño y específicamente en ambientes industriales.

La temperatura puede medirse vía una diversa variedad de sensores. Todos ellos deducen la temperatura sintiendo algún cambio en una característica física. A la hora de diseñar una aplicación que requiera medición de temperatura nos enfrentamos a tener que elegir entre seis tipos de sensores diferentes: termopares, dispositivos de temperatura resistivos (RTDs y termistores, radiadores de infrarrojos, dispositivos bimetálicos, dispositivos de expansión de líquidos, y dispositivos de cambio de estado. Revisemos brevemente cada uno de ellos.

·      Termopares: Consisten esencialmente en dos tiras de alambre de diferentes metales y unidos por el extremo. Como se discutirá posteriormente, cambios en la temperatura inducen un cambio en la fuerza electromotriz (fem) entre los extremos. Cuando la temperatura se eleva, la fem del termopar se eleva, aunque no lo hace necesariamente de forma lineal.

·      Dispositivos de temperatura resistivos: Se basan en que la resistencia eléctrica de un material cambia cuando varía su temperatura. Se utilizan dos tipos de dispositivos metálicos (comúnmente referidos como RTDs), y termistores. Como su nombre indica, RTDs depende del cambio de la resistencia en un metal, con elevación de la temperatura más o menos linealmente. Los termistores se basan en el cambio de resistencia en un semiconductor cerámico; la resistencia cae no linealmente con la elevación de la temperatura.

·      Sensores de infrarrojos: Miden la cantidad de radiación emitida por una superficie.

·      Dispositivos bimetálicos: Toman ventaja de la diferencia en la tasa de expansión térmica entre diferentes metales. Tiras de dos metales están conectadas entre sí. Cuando se calientan, un lado se expandirá más que otro, y la flexión resultante se traslada a una lectura de temperatura por la conexión mecánica a un puntero. Estos dispositivos son portátiles y no requieren suministro de energía, pero usualmente no son tan exactos como termopares o RTDs y no se prestan a registrar temperaturas.

·       Dispositivos de expansión de fluidos: Tipificado por el termómetro de familia, generalmente entran en dos clasificaciones principales: tipo de mercurio y tipo líquido orgánico. Las versiones que emplean gas en vez de líquido también están disponibles. El mercurio se considera un riesgo ambiental, así que hay regulaciones sobre el transporte de dispositivos que lo contienen. Los sensores de expansión de fluidos no requieren energía eléctrica, no suponen riesgos de explosión, y son estables incluso en ciclos repetidos. Sin embargo, no generan datos que sean fácilmente registrados o transmitidos, y no pueden tomarse mediciones de puntos o espacios pequeños.

·       Sensores de temperatura de cambio de estado: Consisten en etiquetas, pellets, lápices, lacas o cristales líquidos cuyo cambio de apariencia se alcanza a una determinada temperatura. Se usan, por ejemplo, con trampas de vapor – cuando una trampa excede una cierta temperatura, un punto blanco en una etiqueta de sensor fijada a la trampa cambia a color negro. El tiempo de respuesta típicamente tarda unos minutos, así que estos dispositivos a menudo no responden a cambios de temperatura transitorios. Y la exactitud es más baja con otros tipos de sensores. Además, el cambio de estado es irreversible, excepto en el caso de displays de cristal líquido. Incluso así, los sensores de cambio de estado se usan manualmente cuando uno necesita confirmación de la temperatura de una pieza del equipo o un material no ha excedido un cierto nivel, por ejemplo por motivos técnicos o legales durante el embarque de un producto.

Sensores para la industria

En las industrias de procesos químicos, los sensores de temperatura más comúnmente usados son los termopares, dispositivos resistivos y dispositivos infrarrojos. Hay muchas veces confusión sobre cómo trabajan estos dispositivos y para que se usan.

Termopares:

Consideremos primero un termopar, probablemente el más a menudo usado y menos comprendido de los tres. Esencialmente, un termopar consiste en dos aleaciones unidas entre sí en un extremo y abiertas en la otra. La fem a la salida es una función de la temperatura T1 en el extremo cerrado. Cuando la temperatura se eleva, la fem sube.

A menudo el termopar se localiza en el interior de un metal o pantalla cerámica que lo protege de una variedad de ambientes. Los termopares revestidos de metal están también disponibles con muchos tipos de revestimientos exteriores, tales como el politetrafluoretileno, para uso en soluciones corrosivas libres de problemas.

La fem abierta en el extremo es una función no sólo de la temperatura cerrada (es decir, la temperatura en el punto de medición) sino también la temperatura en el extremo abierto.

La capacidad de los termopares de trabajar con metales espurios en la trayectoria de la transmisión permite su uso en numerosos dispositivos especializados, tales como los interruptores de termopar. Mientras que el cableado de transmisión es en si mismo normalmente equivalente a la aleación de termopar, los interruptores de termopar operando apropiadamente deben estar hechos de elementos de aleación de cobre dorados o plateados con apropiados resortes de acero para asegurar buen contacto.

RTDs:  Un RTD típico consiste en alambre de platino envuelto alrededor de un mandril y cubierto con un revestimiento protector. Usualmente, el mandril y revestimiento son de vidrio o cerámica.

La pendiente media en la gráfica de resistencia frente a temperatura para el RTD a menudo se refiere como el valor alfa. La pendiente de la curva para un sensor dado depende de la pureza del platino.

Termistores: La relación entre temperatura y resistencia de un termistor es negativo y altamente no lineal. Esto impone serios problemas a los ingenieros que deben diseñar su propia circuitería. Sin embargo, la dificultad puede solucionarse usando termistores en parejas acopladas, de forma que las no linealidades compensen una a la otra. Además, los vendedores ofrecen medidores de panel y controladores que compensan internamente la falta de linealidad de los termistores.

Los termistores usualmente se diseñan de acuerdo con su resistencia a 25 ºC.

Sensores de infrarrojos: Miden la cantidad de radiaciones emitidas por una superficie. La energía electromagnética radia de todos los objetos independientemente de su temperatura. En muchas situaciones de proceso, la energía está en la región de infrarrojos. Cuando asciende la temperatura, la cantidad de radiación infrarroja y su frecuencia promedio asciende.

Diferentes materiales radian a diferentes niveles de eficiencia. Esta eficiencia se cuantifica como emisividad, un número decimal o porcentaje que va de 0 a 1 o 0 % y 100 %. La mayoría de los materiales orgánicos, incluyendo la piel, es muy eficiente, exhibiendo emisividad de 0,95 %. La mayoría de los metales pulidos, por otra parte, tienden a ser radiadores ineficientes a temperatura ambiental, con emisividad o eficiencia a menudo del 20 % o menos.

Para funcionar apropiadamente, un dispositivo de medición de infrarrojos debe tener en cuenta la emisividad de la superficie medida. Esto puede a menudo mirarse en una tabla de referencia. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las tablas no tienen en cuenta condiciones localizadas tales como oxidación y rugosidad de superficie. Una forma práctica de medir la temperatura con infrarrojos cuando el nivel de emisividad no se conocido es forzar la emisividad a un nivel conocido, cubriendo la superficie con una cinta o pintura de alta emisividad (emisividad del 95 %) o una pintura altamente emisiva.

Algunas de la entrada del sensor puede consistir en energía que no es emitida por el equipo o material cuya superficie es objeto, sino que se refleja en que la superficie de otro equipo o material. La emisividad pertenece a la radiación de energía de una superficie mientras que reflexión pertenece a la energía reflejada por otra fuente. La emisividad de un material opaco es un indicador inverso de su reflexividad, sustancias que son buenos emisores no reflejan bien la energía incidente, y por lo tanto no representan un gran problema con el sensor en la determinación de temperaturas de la superficie. Por el contrario, cuando uno mide una superficie de destino con sólo, por ejemplo una emisividad del 20%, la mayor parte de la energía que llega al sensor podría ser debido a la reflexión a partir de, por ejemplo, un horno. En resumen, hay que tener cuidado con objetivos calientes porque mostrarán falsas reflexiones.

Selección de Guías

RTDs son más estables que los termopares. Por otra parte, su rango de temperaturas no es tan amplio: RTD opera – 250 y  850 ºC. Los termopares trabajan  entre – 270 a 2.300 ° C. Termistores tienen una vida más restrictiva siendo de uso común entre -40 y 150 ° C, pero ofrecen una alta precisión en ese rango.

Termistores y RTDs comparten una limitación muy importante. Son dispositivos de resistencia, y por lo tanto funcionan haciendo pasar una corriente a través de un sensor. A pesar de que se emplea sólo una muy pequeña corriente, se crea una cierta cantidad de calor y por lo tanto puede alterar la lectura de la temperatura. Este auto-calentamiento en los sensores de resistencia pueden ser importante cuando se trata de una imagen fija de fluido (es decir, ni fluye ni agitado), porque hay menos arrastre fuera del calor generado. Este problema no se plantea con termopares, dispositivos con corriente esencialmente cero.

Los sensores infrarrojos, aunque relativamente caros, son adecuados cuando las temperaturas son extremadamente altas. Están disponibles hasta 3000 ° C, muy por encima de la gama de termopares u otros dispositivos de contacto. El enfoque de infrarrojo también es atractivo cuando uno no quiere ponerse en contacto con la superficie cuya temperatura se va a medir. Por lo tanto, las superficies frágiles o húmedas, tales como las superficies pintadas que salen de un horno de secado, se pueden controlar de esta manera. Las sustancias que son químicamente reactivas o con mucho ruido eléctrico son candidatos ideales para la medición por infrarrojos. El enfoque es igualmente ventajosas para medir la temperatura de las superficies muy grandes, como paredes que requieren una gran variedad de termopares o RTD para la medición.

Bibliografía:

Practical Guidelines for Temperature Measurement. Omega

Revisión de las aplicaciones industriales de los sensores