Guía técnica para capturar datos en procesos industriales (6ª PARTE)

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1    Termopares

Un termopar está formado por dos conductores de metales disimilares que eléctricamente están conectados en un extremo (unión de medición) y térmicamente conectados al otro extremo (la unión de referencia).

Su operación se basa en el principio según el cual los gradientes de temperatura en conductores eléctricos generan voltajes en la región del gradiente.

Diferentes conductores generarán diferentes voltajes por el mismo gradiente de temperatura. Por lo tanto, un pequeño voltaje, igual a la diferencia entre los voltajes generados por el gradiente térmico en cada uno de los conductores ,  puede medirse por la unión de referencia.

Nótese que este voltaje se produce por los gradientes de temperatura a lo largo de los conductores y no por la unión en sí misma. Ya que los conductores son uniformes en toda su longitud, entonces el voltaje de salida solamente es afectado por la diferencia de temperatura entre la unión de medición (caliente) y la unión (fría) de referencia, y no la distribución de temperatura a lo largo del conductor entre ellos.

Compensación de la unión de referencia

Los cálculos determinando la temperatura correspondiente a un voltaje medido dado de un termopar asume que este voltaje corresponde a un gradiente de temperatura que está referenciado a 0 ºC. Pero obviamente, donde la unión de referencia está a la temperatura ambiente ese no es el caso. Los termopares requieren compensación de la unión de referencia.

Linealización por termopar

Además de la compensación de la unión fría, los termopares son altamente no lineales, y esto requiere linealización. Por ejemplo, un termopar de tipo J tiene un coeficiente térmico de 22 µV por ºC a –200 ºC, pero 64 µV por ºC a 750 ºC.

Para la mayoría de los propósitos se usa alguna forma de linelización basada en software. Son comunes dos técnicas de linealización:

• Tablas Look-up: Con esta técnica, se almacena una tabla de temperaturas vs todos los voltajes posibles medidos, y la temperatura apropiada se obtiene vía una operación de indexing. Esto es muy rápido pero requiere grandes cantidades de memoria. La compensación de la unión fría también es difícil de manejar.
• Compensación polinómica: Usando esta técnica, se usan aproximaciones polinómicas para obtener temperatura del voltaje. El número de términos polinómicos usados depende del rango de temperatura, y del tipo de termopar. Por ejemplo, los termopares de tipo J pueden ser aproximados a 0,1 º sobre 0 a 760 ºC con un polinomio de quinto orden, pero un termopar de tipo F requiere una ecuación de noveno orden para una exactitud de sólo 0.5 º.

Para rangos de temperatura amplios, se usan a menudo varios polinomios de orden más bajo  sobre rangos más estrechos.

Tipos de termopares

Los estándares sobre termopares especifican las características del voltaje vs temperatura, códigos de color, límites de error y composición de termopares estándar. Hay cinco estándares para termopares en uso general, NBS/ANSI, BS, DIN, JIS y NF.

En la industria se usan ocho tipos principales de termopares. Estos se dividen en dos grupos principales: termopares de metal base (tipo J, K, N, E y T) y termopares de metales nobles (tipos R, S y B). Hay varios termopares basados en tungsteno (tipo G, C y D) permiten temperaturas entre 0 y 2310 ºC.

Medidores de tensión

Los medidores de tensión son los dispositivos más ampliamente usados para medir fuerzas, o más particularmente las tensiones resultantes de una fuerza. El tipo más común de medidor de tensión es el medidor de tensión por resistencia, que consiste en un material resistivo, usualmente una lámina metálica de unos pocos micrómetros de espesor, conectada a una placa de apoyo de poliéster.

El medidor de tensión opera sobre el principio según el cual cuando es tensado, la longitud, área de sección transversal y resistividad de la lámina metálica cambia, variando así la resistencia del conductor. Cuando se fija a una unidad bajo ensayo por un adhesivo, el medidor de tensión experimenta la misma tensión que la unidad. La cantidad de tensión puede medirse detectando cambios en la resistencia. Probado que el cambio en la longitud del medidor de tensión es pequeño, la relación entre resistencia y tensión es linear.

El ratio del cambio de porcentaje en resistencia respecto al cambio de porcentaje en longitud se conoce como “factor de medida” (GF) y es una medida de la sensibilidad del medidor.

Donde:

Puentes de Wheatstone

Debido a su sensibilidad, el circuito de puente de Wheatstone es un circuito usado comúnmente para medir pequeños cambios en la resistencia eléctrica, particularmente para medidores de tensión. El puente de Wheatstone comprende cuatro elementos resistivos y puede excitarse tanto por voltaje como por corriente.

Cuando se excita por un voltaje de entrada V_EX, puede demostrarse que el voltaje de salida V_o viene dado por la siguiente ecuación:

Cuando el ratio de resistencias R₁ a R2 es igual al ratio de resistencias R₃ a R₄, posteriormente el voltaje de salida medido es 0 V, y el puente se dice está equilibrado.

Cuando un elemento resistivo cambia su resistencia en respuesta al parámetro físico que se está midiendo (es decir, una medida de tensión).

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