Sensores Industriales: Temperatura, Presión y Caudal

Sensores de Temperatura

Termómetros de Dilatación

• Termómetros de Vidrio: Indican la temperatura como diferencia entre el coeficiente de dilatación del vidrio y del líquido empleado. Los más comunes son:
  • Mercurio: (-37ºC, 315ºC)
  • Mercurio con gas inerte (N2): (-37ºC, 510ºC)
  • Alcohol: hasta -62ºC
  Precisión 1% del rango.
• Termómetros de Bulbo: La variación de temperatura produce la expansión o contracción del fluido, lo que deforma el recinto que lo contiene. La deformación es apreciada por un muelle Bourdon y transmitida a un indicador o transmisor. Rango: (-40ºC a +425ºC), Precisión: 1%
• Termómetros Bimetálicos: Constan de dos láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por sus extremos. Muy usados como termostatos. Cuando por efecto de la temperatura se dilatan, se deforman produciéndose un desplazamiento mecánico cuya fuerza se emplea para mover una aguja indicadora o activar un mecanismo de control. Helicoidales, Rango: 0 a 500ºC, Precisión: 1%

Termómetros Sensibles a la Resistencia

• Termómetros de Resistencia Metálica (RTDs): Se basan en que la resistencia eléctrica de metales puros aumenta con la temperatura. En algunos, de forma casi lineal. Este principio proporciona una forma muy precisa de medir. Se necesita un material: resistente a la corrosión y ambientes hostiles, comportamiento lineal, alta sensibilidad, fáciles de fabricar y estables.

  Puente de Wheatstone

  Conexión a tres hilos. Rango (platino): -200ºC a +500ºC. Precisión: 0.2%. PT100. Sensibilidad 0.385 ohmios/ºC. Para medir la variación de resistencia en el detector se usan circuitos basados en el puente de Wheatstone.
• Termistores: NTC (Negative Temperature Coefficient), Semiconductores o cerámicos. Alta sensibilidad 100 ohmios/grado (la PT100: 0.385 ohmios por grado). No lineal R(T) = R(T0) exp{-B(1/T-1/T0)}. Linealizar en torno al punto de trabajo. Rango de temperatura pequeño. Útil para temperatura ambiente. Muy baratos y pequeños (menor constante de tiempo). Menos precisión (a veces no interesa más). Problemas de estabilidad: hay que "envejecerlos".

Termopares

Sensores activos. Usan el efecto Seebeck: circula una corriente cuando dos hilos de metales distintos se unen y se calienta uno de los extremos. Se puede medir el voltaje, que es proporcional a la diferencia de temperaturas. Señal de salida muy baja: milivoltios. Necesita acondicionamiento de la señal. Sensibilidad baja: microvoltios por grado. Aguantan altas temperaturas (p.e. calderas).

Tipos de Termopares

• Termopar J: Hierro y Constantán (Cu-Ni). Afectado por corrosión. Rango: 0ºC a +750ºC. Precisión: 0.5%.
• Termopar K: Cromo y Alumel (Al-Ni). Buena resistencia a la oxidación. Rango: 0ºC a +1.300ºC y 600ºC a 1.000ºC en atm. oxidantes. Precisión: 1%.
• Termopar R: Platino y Platino-13% Rodio. Rango de medida más amplio (0ºC a +1.600ºC), pero más caros. Precisión: 0.5%.
• Termopar W: Volframio-5% Renio y Volframio-26% Renio. Rango: 0ºC a +2.800ºC en atm. inertes o vacío. Precisión: 1%.

Medida con Termopares

Consideración de la unión fría. Vm = V(T) - V(To). Establecer una rutina de medida. Usar cables de compensación cuando sea necesario.

Métodos sin Contacto

• Pirómetros de Radiación: Métodos sin contacto. Se basan en la ley de Stefan-Boltzmann: todas las sustancias a cualquier temperatura por encima del cero absoluto, radian energía como resultado de la agitación atómica asociada con su temperatura. La intensidad de la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, W= K T4. Consisten en un sistema óptico que recoge la energía radiada y la concentra en un detector, el cual genera una señal proporcional a la temperatura. La energía radiada por un cuerpo es menor que la correspondiente a su temperatura, debido a que refleja energía como consecuencia del estado de su superficie. Por ello es necesario definir un cuerpo radiador ideal que no refleje nada ("cuerpo negro"). Para corregir la medida se define el factor de emisividad: relación entre la energía emitida por un cuerpo y la emitida por el cuerpo negro. Los pirómetros son usados: cuando no se pueden utilizar termopares (rango, ambiente agresivo), cuando el área a medir se mueve o tiene difícil acceso.
• Pirómetros Ópticos: Se basan en el hecho de comparar visualmente la luminosidad del objeto radiante con el filamento de una lámpara incandescente. Para ello se superponen ambas ondas luminosas y se varía la corriente eléctrica de la lámpara hasta que deja de ser apreciable a la vista. La variación de la corriente nos da un valor de la temperatura, pero hay que calibrar la luminosidad de la lámpara previamente. Trabajan en la banda de ondas visibles: 0,45 micras (violeta)-0,75 micras (rojo). Fueron los primeros aparatos de pirometría, todavía se usan pero no son elementos convencionales.
• Pirómetro de Radiación Total: Tienen unos detectores que captan simultáneamente todas las radiaciones emitidas en la zona del espectro entre 0,3 y 20 micras. Los detectores son de tipo térmico: "termopilas" (formados por varios termopares Pt/Pt-Rd montados en serie). La energía radiante que reciben les eleva la temperatura y generan una tensión en milivoltios. Las variaciones de temperatura de la caja del pirómetro son compensadas por una resistencia montada en paralelo con la termopila.

  Inconvenientes:

  • Lentitud de respuesta.
  • Para eliminar radiaciones perturbadoras (energía radiada o absorbida por otros elementos presentes) se usan lentes y filtros que también reducen la energía útil.
• Pirómetros de Dos Colores: Es un pirómetro con dos detectores similares, pero cada uno recibe la radiación en una longitud de onda diferente debido a que tienen distintos filtros. La relación entre las dos señales permite calcular la temperatura del objeto sin necesidad de introducir el factor de emisividad.

Sensores de Presión

:Sensores mecánicos, Tubo Bourdon, - Tipo C, - Espiral, Hélice, Fuelle, Diafragma, Sensores electromecánicos, Sensor capacitivo, Sensor de galgas extensiométricas, Sensor inductivo, Sensor piezoeléctrico Presión absoluta, relativa o diferencial, Indicador local: Bourdon o manómetro en U
Tubo Bourdon
Tipo C:! Tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo cerrado por un extremo y conectado a la fuente de presión por el otro. ! Al aumentar la presión en el interior del del tubo éste se endereza, provocando un movimiento que es captado por una aguja indicadora o un transmisor (colocados en el extremo cerrado del tubo).
De hélice y espiral:Miden presiones con una mayor precisión ya que el movimiento de sus extremos cerrados es mayor.
Tubo Bourdon de hélice
Fuelle: Es un tubo fino sin soldadura, ondulado, de acero inoxidable o latón, que por efecto de la presión se estira o contrae con un desplazamiento considerable.
Para conseguir una mayor duración el y precisión el movimiento está contrarrestado por un muelle.
Diafragma: Es similar al fuelle en concepto Está formado por un disco metálico flexible con la superficie plana o con ondulaciones concéntricas.
Sensor capacitivo: Consta de dos membranas exteriores y un fluido en contacto con un diafragma sensor, situado entre las dos armaduras de un condensador. El fluido transmite la presión soportada por las membranas al diafragma, el cual se desplaza hacia un lado o hacia otro proporcionalmente a la presión diferencial. Esto hace que varíe la constante dieléctrica entre las placas del condensador.
Sensor de galgas extensiométricas:Al someter una galga a presión, varía su longitud y su diámetro y en consecuencia su resistencia eléctrica. Para medir dicha resistencia se conecta la galga a un puente de Wheatstone. Se suelen conectar 4 (2 a tensión y 2 a compresión) y además a la misma temperatura,
para evitar cambios en R que no se deban a la deformación
Sensor inductivo.Se basa en que al desplazar un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la tensión inducida en el arrollamiento secundario.
Sensor piezoeléctrico.: Se basa en el hecho de que al recibir una presión un material piezoeléctrico (como el cuarzo o el titanio de bario), y deformarse físicamente, genera una señal eléctrica.
Medidores de Caudal
Medidores de presión diferencial:Placa orificio, Tubo Venturi, Tubo Pitot, Medidores de impacto
Medidores de velocidad:Medidor de turbina, Medidor electromagnético Medidor Vortex, Rotámetro, Medidor de ultrasonidos
Medidores másicos:Medidor másico térmico Medidor de Coriolis
Medidores volumétricos:Medidor de desplazamiento positivo
Medidores de presión diferencial: Al restringir el paso de fluido se produce
una caída de presión estática . Q= K(RAIZ)DP/P
Placa orificio: Es una placa con un orificio (generalmente afilado aguas arriba y biselado aguas abajo). ! Se usa con líquido limpios y gases. ! Los fluidos sucios producen erosión del filo de la placa. ! Se usan orificios excéntricos: - en la parte alta, para permitir el paso de gases al medir líquidos. - en la parte baja, para dejar pasar sólidos suspendidos.
Se utiliza cuando es importante limitar la caída de presión. ! Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga con salida también suave. ! Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados. ! Se utiliza para tasas de "turn down" (relación entre el máximo y el mínimo caudal, ej. 4:1 ) altas, como la de las líneas de vapor. ! El alto coste restringe su utilización.
Tubo Pitot: Mide la velocidad en un punto. ! Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con lo que la velocidad en su extremo mojado es nula. Midiendo la altura de la columna de líquido tenemos la presión total del punto. Si medimos la presión estática con otro tubo, podemos calcular la velocidad como función de la diferencia de presiones
Tubo Pitot: Sus ventajas son la escasa caída de presión y bajo precio, siendo por ello una buena elección para tuberías de gran diámetro y para gases limpios. El tubo Annubar es una variante del tubo de Pitot que dispone de varias tomas, a lo largo de la sección transversal, con lo que se mide la presión total en varios puntos, obteniendo la media de estos valores y evitando el error que produce el tubo de Pitot.
Medidores de impacto:Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se coloca en contra del flujo. ! Tienen baja precisión (0.5 - 5%), pero son adecuados para fluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados.
Turbina: El fluido entra en el medidor y hace girar un rotor a una velocidad que es proporcional a la del fluido, y por tanto al caudal instantáneo. La velocidad de giro del rotor se mide por conexión mecánica (un sensor registra el número de vueltas) o por pulsos electrónicos generados por cada giro. Son los más precisos (Precisión 0.15 - 1 %). Son aplicables a gases y líquidos limpios de baja viscosidad. Problemas: Pérdida de carga y partes móviles
Medidor electromagnético: Se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday: “el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor, dimensión del conductor, y fuerza del campo magnético” (E=K V D B). El medidor consta de:
- Tubo de caudal: el propio tubo (de material no magnético) recubierto de material no conductor (para no cortocircuitar el voltaje inducido), _ bobinas generadoras del campo magnético, _ electrodos detectores del voltaje inducido en el fluido.