Introducción a la instrumentación, medidas de presión, flujo, nivel y temperatura

Técnicas e instrumentos de medición

 

 

Sucede a menudo que podemos aflojar una tapa de metal apretada de un frasco sometiéndola a la acción de un chorro de agua caliente. Al elevarse la temperatura, la tapa de metal se dilata ligeramente con relación al frasco de vidrio. Todos hemos visto las juntas de dilatación situadas en las calzadas de los puentes. Las tuberías de las refinerías suelen tener un bucle de expansión con el fin de que la tubería no se deforme al elevarse la temperatura. Los materiales usados para obturaciones dentales tienen propiedades de dilatación similares a las del esmalte de los dientes. En la fabricación de aeroplanos se diseñan a menudo remaches y otros afianzadores de modo que deben ser enfriados en hielo seco antes de su inserción, dejando luego que se dilaten para lograr el ajuste perfecto. Los termómetros y los termostatos pueden estar basados en las diferencias de dilatación entre los componentes de una laminilla bimetálica; como lo muestra en la siguiente figura:

 

La figura muestra una laminilla bimetálica, que consta de una laminilla de latón y una laminilla de acero soldadas entre sí, a temperatura . A temperaturas más altas de  la laminilla se dobla como se muestra; a temperaturas más bajas se dobla en sentido opuesto. Muchos termostatos funcionan según este principio, usando el movimiento del extremo de la laminilla para formar o romper un contacto eléctrico.

En un termómetro de tipo bastante común, la laminilla bimetálica tiene forma helicoidal, de modo que se enrolla y desenrolla con los cambios de temperatura; un termómetro de este tipo se muestra en la siguiente figura.

Los conocidos termómetros de líquido de vidrio se basan en el hecho de que líquidos tales como el mercurio o el alcohol se dilatan en un grado diferente (mayor) de lo que lo hacen sus recipientes de vidrio.

Otra técnica empleada para medir temperaturas se basa en el uso de un dispositivo denominado termopar el cual consiste en un convertidor térmico de temperatura a corriente o voltaje por disimilitud de dos metales distintos unidos en una junta. Este fenómeno se conoce como efecto Seebeck en honor al investigador que descubrió este fenómeno.

En las siguientes figuras se muestran dos esquemas de termopares. En la primera, se presenta la unión de dos metales distintos, Ma y Mb, en conexión cerrada para generación de una corriente I, y en la segunda imagen se muestra la unión también de dos metales en conexión abierta para generar un potencial Eab.

 

Existen varios tipos de uniones de metales que exhiben rangos de temperatura para diferentes aplicaciones de proceso. Por ejemplo, las juntas tipo J, K, R y T tienen rangos de temperatura distintos que van desde los 0°C hasta los 1500°C.

Otra técnica empleada ampliamente en la industria para medir temperatura, se basa en el uso de un dispositivo llamado termistor el cual consiste en una resistencia hecha de material semiconductor que es muy sensitiva a la temperatura. Si el termopar es el sensor más flexible y el RTD es el más estable, entonces el termistor es el más sensible y no-linealidad. Se han desarrollado varios modelos para modelar su comportamiento:

1. Modelo Steinhart-Hart:

2. Modelo simplificado 1:

3. Modelo simplificado 2:

Donde es la resistencia en Ohms, es la temperatura en °C y las constantes , y son coeficientes que dependen del dispositivo. Teniendo 3 puntos de la curva para y se pueden obtener las constantes , y . La siguiente figura muestra la forma típica de la hipérbola como modelo del termistor.

Curva típica de operación de un termistor

 

El modelo Steinhart-Hart es el más exacto y fiel para la forma hiperbólica mostrada en la figura anterior. Sin embargo, los modelos simplificados 1 y 2 descritos por sus respectivas ecuaciones, representan soluciones más sencillas y más rápidas de calcular.

Los instrumentos de medición basados en termistores empleados en sistemas de control industrial, permiten rangos de medición de temperatura en un intervalo de 0°C a 200°C aproximadamente.

Anexo: Tolerancias de termopares y cables de compensación