Sensores de Temperatura
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La temperatura es sin duda alguna una de las variables más importantes a ser medidas en todo proceso industrial. Casi todos los fenómenos físicos están afectadas por ella, por lo tanto es importante conocer los sensores de temperatura industriales y su funcionamiento.

En esta entrada entenderás la importancia de los sensores de temperatura y características. Pero antes que nada, si no has tenido la oportunidad de ver nuestro Curso de Instrumentación dale un vistazo y aprende más sobre este interesante tema:

Curso de Instrumentación industrial

🔥 Tipos de sensores de temperatura

Dentro de los sensores de temperatura industriales tenemos los siguientes instrumentos que abordaremos en detalla para que entiendas su funcionamiento y puedas saber cuando usar los sensores o medidores de temperatura en aplicaciones reales.

 

🍏 Termómetro de Vidrio

Esta constituido por un depósito de vidrio que contiene en su interior una determinada sustancia que puede ser mercurio, alcohol, tolueno, pentano que al calentarse se expande y sube a través del tubo capilar indicando la temperatura.

 

Termometro de Vidrio

🍎 Termómetro Bimetálico

El funcionamiento de este sensor de temperatura se basa en que está constituido por dos metales diferentes los cuales poseen un coeficiente de dilatación diferente para poder indicar la variación de temperatura.

Termometro Bimetalico

🍐 Termómetros de Bulbo y Capilar

Consiste en un bulbo que mediante un capilar se conecta a una espiral, de esa forma al aumentar la temperatura en el bulbo, el gas o el liquido que se encuentra al interior del bulbo se expande haciendo con que la espiral de desenrolle moviendo una aguja indicadora para de esa forma mostrar la temperatura.

🍊 Termómetro de Resistencia

También conocidas como sondas de resistencia, se basan en el principio de variación de resistencia a medida que la temperatura cambia. Está constituido por un hilo muy fino el cual esta enrollado de un conductor formando una bobina entre capas de material aislante y protegido por un revestimiento de vidrio o cerámica

Los metales utilizados para este elemento son el platino, cobre, níquel y níquel-hierro.

En general, una de las más conocidas industrialmente es la resistencia de platino la cual presenta una medida de 100 ohmios a 0°C y es conocida como PT100.

PT100 - Termometro de Resistencia

La forma más simple de usar este dispositivo es hacer pasar una corriente continua sobre la sonda provocando una caída de tensión.

🍋 Termistores

Son semiconductores que poseen un coeficiente de temperatura negativo de valor elevado, por lo que sus variaciones son rápidas y grandes ante pequeñas variaciones de temperatura. Son fabricados con níquel, magnesio, hierro, cobalto, cobre, titanio, entre otros. También son denominados como NTC (Coeficiente de temperatura negativo) existiendo también el caso positivo que es cuando la resistencia aumenta junto con la temperatura (PTC – Coeficiente de temperatura positiva).

Termistor NTC

🍌 Sensores de temperatura de semiconductor

formados por un encapsulado, el dispositivo dispone de una función de transferencia proporcional a la temperatura en °K, °C o °F.

El sensor de temperatura semiconductor puede ser analógico o digital entregando una variación de tensión proporcional al cambio de temperatura. Por ejemplo, un sensor de temperatura de silicio es un sistema integrado que puede contener un procesador de señal que compensa las no linealidades del propio circuito integrado.

Termometro Semiconductor LM35

🍉 Termopar

conocido también como termocupla es un transductor formado por la union de dos metales diferentes. Cuando esta union se calienta o se enfria genera una tensión en sus terminales proporcional a la variación de temperatura.

Termopar

⚗ Tipos de Termopares y Caracteristicas

Existen diferentes combinaciones de metales que pueden ser utilizadas en una termocupla. El más común de todos es el termopar tipo K formado por níquel-cromo y níquel-alumino. Sin embargo podemos encontrar termopar tipo T, R, S, B, G, C, D cada uno presenta un rango y un entorno de trabajo diferentes

Combinaciones y rangos de temperatura

  • Termopar tipo E, de Níquel-Cromo (cromel)/Cobre-Níquel (constantan). (-200 °C y +900 °C.)
  • Termopar tipo T, de Cobre/Cobre-Níquel (constantán). (-200 °C y +260 °C.)
  • Termopar tipo J, de Hierro/Cobre-Níquel (constantan). (-200 °C y 1.200 °C.)
  • Termopar tipo K, de Níquel-Cromo (cromel) /Níquel-Aluminio (alumel). (500 °C y 1.250° C.)
  • Termopar tipo R (Platino-13% Rodio/Platino). (hasta 1.500 °C.)
  • Termopar tipo S (Platino-10% Rodio/Platino), (hasta 1.500 °C.)
  • Termopar Tipo B (Platino-30% Rodio/Platino-6% Rodio), (hasta 1.800 °C.)
  • Termopar tipo N (84,6% Níquel-14% Cromo-1,4%Silicio)/(95,6% Níquel-0,4% Silicio). (0 °C a 2316 °C.)

✍ Modelado de los Sensores de Temperatura

Independientemente de la forma como se constituye cada sensor de temperatura, su comportamiento dinámico puede ser estudiando en función del perfil de temperatura. Generalmente los sensores de temperatura son instalados dentro de un termopozo los cuales pueden contener una capa externa o una capa externa y interna de resistencia.

Arreglo de Termocupla
termoposo

Cuando el termopozo tiene una única capa de resistencia, indica que la mayor resistencia a la transferencia de calor esta ubicada en la parte externa del termopozo. En este caso se tiene una única capacitancia por lo que podremos modelar el sistema siendo de primer orden.

Termocupla con capa externa e interna

Para este caso analizaremos una termocupla basandonos en el análisis de transferencia de calor. La velocidad a la que el sensor intercambia calor con su entorno debe ser igual a la velocidad de cambio de la energía interna del sensor. Si el mecanismo dominante del intercambio de calor es la convección (desconsiderando la conducción y la radiación), para un Termocupla dentro de un fluido, entonces este balance de energía es:

hA(T-T_m)=mc\dfrac{dT_m}{dt}.

h es el coeficiente de convección, A es el área de la superficie del sensor, Tm es la temperatura, m es la masa de la termocupla y c es la capacidad de calor. Se puede reescribir la ecuación de la siguiente forma

\tau_p\dfrac{dT_m}{dt}+T_m=T.

donde

\tau_p=\dfrac{mc}{hA}.

Cuando se tiene una capa externa y interna se tiene una mayor transferencia de calor en la capa interna y externa de la carcaza del termopozo. Esto es equivalente a tener dos capacitancias por lo tanto un modelo de segundo orden sobreamortiguado.

\tau^2\dfrac{d^2T_m}{dt^2}+2\zeta \tau \dfrac{dT_m}{dt}+T_m=T.

Los parametros \tau y \zeta dependen de las características del material de construcción del sensor de temperatura.

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