2.5 SENSORES DE TEMPERATURA

Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios

de temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por equipo

eléctrico o electrónico.

Hay diferentes tipos de sensores de temperatura, los termistores, los

termopares, los termocuplas, termómetros infrarrojos, etc.

El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento

sensor, de cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está

rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se

transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el

equipo electrónico.

2.5.1 Termocuplas

Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la

industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en

un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje

muy pequeño, del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Este

sería un esquema de ejemplo de una termocupla cualquiera.

Figura 1. Diagrama interno d una Termocupla.

Estos dispositivos suelen ir encapsulados en vainas, para protegerlos de las

condiciones extremas en ocasiones del proceso industrial que tratan de ayudar a

controlar, por ejemplo suele utilizarse acero inoxidable para la vaina, de manera

que en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables,

protegido adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Además según la

distancia a los aparatos encargados de tratar la pequeña señal eléctrica de estos

transductores, también deben utilizarse cables compensados para transportar esta

señal sin que la modifique o la modifique de una manera fácilmente reconocible y

reversible para los dispositivos de tratamiento de la señal. También se da el caso

de que los materiales empleados en la termocupla como el platino puro, hagan

inviable económicamente extender la longitud de los terminales de medición de la

termocupla.

Figura 2. Esquema de conexión de cable compensado y termocupla.

Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-) que al

conectarse con la termocupla se debe respetar. Es importantísimo que estos dos

cables compensados sean para el tipo de termocupla que se está usando y

además estén conectados con la polaridad correcta (+) con (+) y (-) con (-). De

otra forma será imposible obtener una medición sin error.

Las termocuplas podrían clasificarse atendiendo a varios criterios como

material del que están construidas, su tolerancia o desviación, etc. Durante varios

años ha habido diferentes organismos de estandarización de nacionalidades

diferentes intentando normalizar la gran variedad de este tipo de sensores e

incluso unificar sus criterios de normalización.

Las Termocuplas estándar

Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras

elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of

Standardg (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlación temperatura

fem para estas termocuplas.

Tabla 1. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas.

Las Termocuplas no estándar

Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termocuplas

además de aquellos que tienen asignada una denominación con letra por la ISA

(IEC). Estas otras termocuplas exhiben características especiales que no se

encuentran en los tipos estándar, lo cual las hace adecuadas para aplicaciones

especiales. Las características y la fem de salida pueden variar de un fabricante a

otro, razón por la que se debe consultar al fabricante en relación a aplicaciones

específicas. Hay una aleación en particular, que debernos considerar por

separado. Se trata de la aleación hierro-constantán Fe - CuNi. Quizás la más

difundida antes de la homologación de las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y

DIN 43710, las más importantes a nivel mundial.

Tabla 2. Características de las termocuplas no estándar.

2.5.2 Termistores

Mucho más económicos que las RTD son los termistores, aunque no son

lineales son muchas más sensibles, compuestas de una mezcla sintetizada de

óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se

comporta como un "resistor térmico". Se pueden encontrar en el mercado con la

denominación NTC (Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos especiales

de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los

denomina PTC (Positive Temperature Coeficient).

En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente

puede disminuir en hasta 6% por cada 1ºC de aumento de temperatura. Esta

elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte

muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándoselo

ampliamente para aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a

450ºC.

Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en

gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los

encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que

pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos

adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.

Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son los

glóbulos, las sondas y los discos.

Figura 3. Formas constructivas de termistores NTC a. Tipo glóbulo con diferentes tipos de

terminales - b. Tipo disco - c. Tipo barra.

NTC (Negative Termal Coefficient)

Fabricados de una mezcla de óxidos de Mn, Ni, Co, Cu, Fe y están

moldeados en un cuerpo cerámico de varios tamaños, típicamente tienen una

resistencia entre 50Ω y 1M Ω a 25ºC y una sensibilidad del 4%/ºC a 25ºC. El

efecto de Coeficiente Negativo con la Temperatura puede resultar de un cambio

externo de la temperatura ambiente o un calentamiento interno debido al efecto

Joule de una corriente que fluye a través del termistor. La curva del termistor se

puede linealizar con una resistencia montada en paralelo con la NTC.

Figura 4. Circuito de linealización

PTC (Positive Temperature Coefficient)

Son resistencias que principalmente están compuestas de bario y estroncio

con titanio. La adición de dopantes hace que la componente semiconductora dé

una característica de resistencia con respecto a la temperatura, aunque son muy

poco utilizados

2.5.3 Termómetros Infrarrojos

Los termómetros Infrarrojos pueden medir la temperatura de un objeto sin

tocarlo. Hay muchos casos en los que la medida de temperatura sin contacto es

crítica: cuando el objeto medido es pequeño, movible o inaccesible; para procesos

dinámicos que requieren respuesta rápida; o para temperaturas >1000°C.

Los termómetros infrarrojos determinan la temperatura de la superficie de

un objeto interceptando y midiendo la radiación infrarroja emitida. El rango típico

de temperatura para estos termómetros es -50°C to 3000°C de un sitio remoto.

Las distancias de trabajo pueden variar desde una fracción de centímetro a varios

kilómetros en aplicaciones aerotransportadas.

La tecnología subyacente para los Pirómetros de Radiación Infrarroja está

basada en el principio que dice que todos los objetos emiten radiación a longitudes

de onda ubicadas en la región infrarroja del espectro de radiación

electromagnética. Los termómetros infrarrojos miden esta radiación y proporcionan

una señal de salida calibrada en una variedad de rangos.

Tabla 3: Aplicaciones de Termómetros Infrarrojos.

2.5.4 Termorresistencia

La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que

varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta

modificación puede relacionarse con la variación de temperatura. Tienen

elementos sensitivos basados en conductores metálicos, que cambian su

resistencia eléctrica en función de la temperatura. Este cambio en resistencia se

puede medir con un circuito eléctrico, que consiste de un elemento sensitivo, una

fuente de tensión auxiliar y un instrumento de medida.

Tabla 4: datos característicos de una termorresistencia

La interconexión entre termorresistencias e Instrumentos se realiza con

cable común de cobre. En cambio, en el caso de las termocuplas deben

emplearse cables especiales de compensación, de costo superior.

Existen dos clases para la calibración según DIN EN (IEC) 60 751:

Clase A: máx. desvío ± 0,15 ºC (0,06 Ohm) a 0 ºC

Clase B: máx. desvío ± 0,3 ºC (0,12 Ohm) a 0 ºC

2.6 SENSORES DE NIVEL

El Sensor de nivel es un dispositivo electrónico que mide la altura del

material, generalmente líquido, dentro de un tanque u otro recipiente.

Integral para el control de procesos en muchas industrias, los Sensor de

nivel se dividen en dos tipos principales. Los Sensor de nivel de punto se utilizan

para marcar una altura de un líquido en un determinado nivel prestablecido.

Generalmente, este tipo de sensor funciona como alarma, indicando un sobre

llenado cuando el nivel determinado ha sido adquirido, o al contrario una alarma

de nivel bajo. Los sensores de nivel continuos son más sofisticados y pueden

realizar el seguimiento del nivel de todo un sistema. Estos miden el nivel del fluido

dentro de un rango especificado, en lugar de en un único punto, produciendo una

salida analógica que se correlaciona directamente con el nivel en el recipiente.

Para crear un sistema de gestión de nivel, la señal de salida está vinculada a un

bucle de control de proceso y a un indicador visual.

2.6.1 Tipos de sensores de nivel

2.6.1.1 Interruptores de Flotador

En estos sensores de nivel de punto, un flotador magnético se mueve en la

superficie del líquido, accionando un sellado herméticamente "reed switch,

interruptor de láminas" en el tallo. El simple mantenimiento hace que se instale

fácilmente, minimiza el impacto, la vibración y la presión, y trabaja con una gran

variedad de medios de comunicación. El interruptor de láminas puede ser unipolar,

(SPST) de un solo polo, o de doble tiro (SPDT). Son los más Sensor de nivel de

agua más utilizados.

2.6.1.2 Sensores de nivel Ultrasónicos sin contacto

Estos sensores incorporan un procesador de señal analógica, un

microprocesador, decimal codificado en binario (BCD) switches de rango, y un

circuito de salida del controlador. Transmite los impulsos a una puerta de señal de

la ruta del microprocesador a través del procesador de la señal analógica del

sensor, que envía un haz ultrasónico a la superficie del líquido. El sensor de nivel

detecta el eco de la superficie y la envía de vuelta al microprocesador para una

representación digital de la distancia entre el sensor y el nivel de la superficie. A

través de una actualización constante de las señales recibidas, el microprocesador

calcula los valores promedios para medir el nivel de líquido.

2.6.1.3 Sensores de nivel Ultrasónicos de contacto

Un dispositivo ultrasónico de baja energía dentro de los sensores de nivel

de líquido en un punto determinado. Consta de un sensor montado en montado y

un amplificador integrado de estado sólido, los sensores ultrasónicos de contacto

no tienen partes móviles y no requieren calibración. Típicamente, están equipados

con bloques de terminales para la conexión de una fuente de alimentación y

dispositivos de control externos. La señal ultrasónica atraviesa un hueco de 12

mm en el sensor, controlando los interruptores de relé cuando la brecha contiene

líquido. El nivel de detección está en el medio a lo largo del espacio donde los

sensores están montados en horizontal. En la parte superior, por sensores

montados verticalmente. A medida que el líquido cae por debajo de este nivel, la

señal ultrasónica atenúa y finalmente conmuta el relé a su estado anterior.

Estos sensor de nivel se utilizan en tanques o conductos para operar

automáticamente las bombas, válvulas de solenoide, y las alarmas de alta / baja.

Para llenar y vaciar tanques de agua dos sensores de nivel de agua serían

necesarios, como también para medir volúmenes de líquido. Compatible con la

mayoría de los líquidos, no se ven afectados por los revestimientos. Sin embargo,

los líquidos con alta aireación y líquidos viscosos suficiente como para obstruir la

luz del sensor, puede causar problemas.

2.6.1.4 Sensores de nivel por capacitancia

Al igual que los sensores ultrasónicos, los sensores por capacitancia

pueden manejar medición de nivel puntual o continua. Usan una sonda para

monitorear los cambios de nivel de líquido en el tanque, acondicionando

electrónicamente la salida a valores capacitivos y resistivos, que se convierten en

señales analógicas. La sonda y el recipiente equivaldrán a las dos placas de un

capacitor, y el líquido equivaldrá al medio dieléctrico. Debido a que la señal emana

solo de cambios de nivel, la acumulación de material en la sonda no tiene efecto.

Los recipientes de fluido no conductor pueden indicar sondas dobles o una banda

conductora externa.