Sensores y Actuadores

1. Sensores y Actuadores Sensores de Temperatura

2. ¿Qué es Temperatura? • El grado de calor o frío medido en una escala definida • La velocidad a la cual vibran las moléculas de una sustancia • Cuando las moléculas de una sustancia se mueven más rápido, su temperatura se incrementa

3. ¿Porqué se mide la temperatura? • La mayoría de las sustancias cambian sus propiedades físicas o químicas cuando se calientan o enfrían

4. Medición Industrial de la Temperatura • Escalas de temperatura • Conversión de temperatura • Medición mecánica de la temperatura • Medición electrónica de la temperatura • Termopozos

5. Escalas de Temperatura 100° 373.2° 212° 671.7° Evaporación 0° 273.2° 32° 491.7° Congelación Cero Absoluto -273.2° 0° -459.7° 0° °C °K °F °R Celsius Kelvin Fahrenheit Rankine

6. Conversión de Temperatura • °Fahrenheit a °Rankine • T(°R) = T(°F) + 459.7 • °Celsius a °Kelvin • T(°K) = T(°C) + 273.2

7. Conversión de Temperatura • °Fahrenheit a °Celsius • T(°C) = 5/9 (T(°F) - 32) • °Celsius a °Fahrenheit • T(°F) = 9/5 T(°C) + 32

8. Medición Mecánica de la Temperatura • Termómetros con Mercurio en Vidrio • Termómetros bimetálicos • Termómetros de bulbo

9. Termómetros Bimetálicos • Los metales se expanden y contraen con DT • Metales diferentes tienen diferentes coeficientes de dilatación • Dos metales diferentes se unen para formar una lámina bimetálica METAL ALTA EXPANSIÓN POSICIÓN EN FRIO METAL BAJA EXPANSION POSICIÓN EN CALIENTE

10. Termómetros Bimetálicos • Tira bimetálica en forma de espiral o hélice • La aguja en la carátula graduada se mueve cuando la temperatura cambia • También utilizado para cerrar contactos o activar interruptores

11. Ventajas Más robustos que un termómetro de vidrio Costo inferior a un sistema lleno o electrónico Desventajas Baja exactitud Tiempo de respuesta lento Sólo para medición local El manejo rudo cambia la calibración Termómetros Bimetálicos

12. Termómetros de Bulbo • El bulbo se conecta con un tubo capilar flexible a un elemento sensible al volumen o presión • El elemento se mueve con el DT • El elemento está acoplado mecánicamente al dispositivo indicador

13. Clasificación de los Sistemas de Bulbos • Clase I – Bulbo lleno de líquido • Clase II – Bulbo lleno de vapor • Clase III – Bulbo lleno de gas • Clase V – Bulbo lleno de mercurio

14. Termómetros de Bulbo • Los bulbos llenos de líquido o vapor requieren compensación por temperatura y elevación • Los bulbos llenos de mercurio son poco populares por los posibles problemas ambientales y de salud • Los bulbos llenos de gas son grandes y tienen pequeños rangos de temperatura • Los bulbos de vapor y gas tienen tiempos de respuesta más rápidos

15. Ventajas Robustos Económicos Exactitud aceptable No requieren energía eléctrica A prueba de explosión Desventajas Pueden llegar a ser muy grandes Lento tiempo de respuesta Mantenimiento difícil Limitación de distancia entre el bulbo y el indicador Termómetros de Bulbo

16. Medición Electrónica de Temperatura • Termopares • Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD) • Termistores

17. Termopares • Dos cables de distintos metales se unen en un punto llamado “unión caliente” • El voltaje se mide en el otro extremo llamado “unión fría” • El voltaje se modifica conforme cambia la temperatura en la “unión caliente”

18. Selección de Termopares • Rango de Temperatura • Resistencia química del termopar o su funda • Requisitos de instalación • Tipo de uniones

19. Uniones de Termopares • Uniones aterrizadas • La unión es soldada a la funda brindando mejor tiempo de respuesta • Unión sin aterrizar • La unión está físicamente aislada de la funda • Unión expuesta • La unión está expuesta al ambiente brindando mejores tiempos de respuesta.

20. Ventajas Económicos Tamaño pequeño Resistentes Amplio rango de temperatura Desventajas Sensible al ruido eléctrico Requieren de amplificador No lineales Termopares

21. Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD) • La resistencia de un cable cambia como una función de la temperatura • Cable tipo bobina o película • Los elementos tipo bobina hechos de platino son los más comunes en la industria

22. Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD) • Los tipo bobina se coloca en una cápsula • Los tipo película se deposita el platino como una capa y se encapsulan • El RTD se conecta al circuito de medición que puede estar a cientos de metros de distancia

23. Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD) • 2-cables • 3-cables • 4-cables

24. Ventajas Muy estables Muy precisos Muy sensibles Mayor linealidad que los termopares y termistores Desventajas Caros Más grandes que los termopares Respuesta más lenta que los termopares Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD)

25. Termistores • Semiconductores – la resistencia varía con T • Puede medir pequeños cambios en la temperatura • Se utiliza con mayor frecuencia en laboratorios que en la industria

26. Ventajas Respuesta rápida Muy sensibles Económicos Pequeños Desventajas Frágiles Rango de temperatura limitado Inestables a altas temperaturas No son lineales Termistores

27. SALIDA TERMISTOR RTD TERMOPAR TEMPERATURA Comparación de Termopares, RTD´s y Termistores

28. Rangos de Temperatura • Elementos bimetálicos -100°F a 1000°F • Bulbos llenos -100°F a 1200°F • Termopares -300°F a 4200°F • RTD’s -300°F a 1500°F • Termistores -400°F a 600°F

29. Termopozos • Protege al sensor de temperatura de ambientes hostiles, alta presión o flujo • Permite que el sensor sea retirado para calibración, reparación o reemplazo • Tubo cerrado construido de metal o cerámica resistente a la corrosión

30. Termopozos • Unidos a tuberías o tanques con rosca, bridas o soldados • Algunos diseños permiten controlar la profundidad de inserción • Reducen el tiempo de respuesta

31. Termopozos para uso sanitario

32. Aplicaciones • La maquinaria requiere gran exactitud para evita expansiones térmicas Temperatura de refrigerante

33. Aplicaciones Temperatura de tanques

34. Monitoreo de ciclo CIP Sistema Clean In Place Aguas abajo Aguas arriba Agua Enjuague Agua Caliente Agua Fría Ácido Sosa

35. Medición de Temperaturasin contacto utilizandoTecnología Infrarroja

36. Medición de Temperatura sin Contacto • Uso de la medición de temperatura sin contacto y aplicaciones típicas • Teoría Infrarroja (IR) • Componentes de un sistema IR • Selección del instrumento correcto para la aplicación

37. Los Termómetros Sin Contacto Permiten Una Medición Rápida, Segura y Exacta Para Objetos en: • Movimiento o muy calientes • Ubicación complicada o peligrosa • Donde el contacto puede dañar, contaminar o cambiar la temperatura

38. Beneficios de los Termómetros Sin Contacto • Mejoran la calidad • Aumentan la productividad • Reducen costos de energía, mantenimiento y materiales de desecho • Eliminan paros de planta

39. Procesamiento y almacenaje de alimentos Inspecciones eléctricas Mantenimiento Automotriz HVAC Impresión Plásticos Papel, impresión Metales Vidrio Semiconductores Alimentos Aplicaciones de los TermómetrosSin Contacto En Línea Portátiles

40. Espectro Electromagnético Visible Rayos Radio Ultravioleta Rayos X Infrarrojo Gama EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF 0.1A 1A 1UA 100A 0.1µ 1µ 10µ 100µ 0.1cm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 10km 100km Longitud de Onda 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 6 8 10 15 20 30 Longitud de Onda µm Región de Medición Infrarroja

41. Fuentes de Energía Infrarroja Reflexión, Transmisión y Emisión Objeto Ambiente I Sensor R T E R + T + E = Energía Total I = Energía Incidente R = Energía Reflejada T = Energía Transmitida E = Energía Emitida

42. Emisividad y Cuerpos Negros Cuerpo Negro Ideal “Cuerpo Real” T I  I  I  R I I   Absorbedor y Emisor Perfecto Algo de energía se refleja y transmite Emisividad () =1 Emisividad () < 1

43. 102 101 1 10-1 10-2 10-3 10-4 Característica Espectral de la Radiación de un Cuerpo Negro Relación Única entre Temperatura y Energía 1500°C (2730°F) Emisividad radiada por un cuerpo negro 1000°C (1830°F) 542°C (1000°F) 260°C (490°F) 20°C (70°F) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud de Onda (micrones)

44. Emisividad vs. Longitud de Onda Distribución Espectral de Diferentes Emisividades  = 1.0 (cuerpo negro)  = 0.9 (cuerpo gris)  Varía con la longitud de onda (no para un cuerpo gris) Energía Relativa Longitud de Onda (micrones)

45. Errores de Temperatura debido a Incertidumbre* en Emisividad 10 Solución: Utilizar pequeñas longitudes de onda 8-14 µm 8 5.0 µm 6 % Error en la Temperatura 3.9 µm 4 2.2 µm 2 1.0 µm 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Temperatura del Objeto (°C) *Error en emisividad se asume en 10%

46. 0.03 mm 0.13 mm Poliester 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.03 mm % de Transmisión 0.13 mm 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud de Onda en Micrones Espectro de Transmisión IR para Ciertos Plásticos Polietileno 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 % de Transmisión Se elige la longitud de onda donde la transmisión se acerca a cero (3.43 para polietileno y 7.9 para poliéster) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Longitud de Onda en Micrones

47. 1.0 0.2 mm (10 Mil) .8 .6 1.5 mm (60 Mil) Transmisión .4 .2 6 mm (240 Mil) 2 3 4 5 6 8 Longitud de Onda (micrones) Medición IR en Vidrio Guía • Para temperaturas bajo superficie utilizar 1 ó 3 micrones • Para temperatura en superficie utilizar 5 ó 7.9 micrones • Para bajas temperaturas utilizar 8 - 14 micrones con  = 0.85

48. Medición IR en Metales • Compensar para baja emisividad • Tomar en cuenta energía reflejada de los alrededores • Óptima longitud de onda parametales a alta temperatura: 0.8 a 1.0 micrón • Otras opciones: 1.6, 2.2, 3.9, ó termómetros de relación de 2 colores

49. El Sistema Infrarrojo Ventana y óptica 453¡C SP1 470¡C EMS ¯.85 Objeto Medio Ambiente Detector Display Electrónico u otra salida

50. EMS ¯.85 El Objeto Parámetros Importantes • Rango de Temperatura • Tamaño y Forma • Distancia delsensor • Tipo de Material • Movimiento 453¡C SP1 470¡C Objeto