Principios y Tecnologías de Medición de Temperatura Industrial

Instrumentos Basados en Dilatación y Sistemas Termales

Termómetro Bimetálico

Se basa en la diferencia de **dilatación lineal** entre dos metales. Rango típico de operación: -20 a 140 °C.

Sistemas Termales

Es el arreglo de un bulbo metálico, un tubo capilar y un tubo **Bourdon**.

Termoelectricidad y Termopares

Los **termopares** son usualmente utilizados para medir la temperatura industrial (aproximadamente el 50% de las aplicaciones).

Efectos Termoeléctricos Fundamentales

Efecto Seebeck (1821)

En un circuito eléctrico formado por alambres metálicos diferentes, al calentar una de las uniones, se genera una **Fuerza Electromotriz (FEM)**. Si el calentamiento se realiza en la otra unión, la FEM generada cambia de sentido. El fenómeno es **reversible**.

Efecto Peltier (1834)

En un circuito eléctrico formado por alambres de metales diferentes, al enviar una corriente eléctrica a través de las uniones, una se calienta y la otra permanece fría. Al cambiar el sentido de la corriente, los puntos caliente y frío se invierten. El fenómeno es **reversible**.

Efecto Thomson (1854)

En un circuito formado por alambres del mismo metal, al calentar una de las uniones se genera una pequeña **FEM**. Al cambiar el punto de calentamiento, la FEM generada cambia de sentido. El efecto es **reversible**. El efecto Thomson se genera incluso si cambian los valores del área transversal del alambre.

Leyes de los Termopares

Ley de los Metales Homogéneos

En un circuito eléctrico formado por alambres del mismo metal, **no** se debe generar una **FEM**, aunque los alambres cambien de sección transversal.

Ley de los Metales Intermedios

Si se mantiene la temperatura constante en todo el circuito, la **FEM** generada entre los puntos extremos debe ser igual a la **suma algebraica** de las FEM generadas en los metales intermedios.

Ley de las Temperaturas Intermedias

En caso de existir a lo largo del circuito varias temperaturas, la **FEM** generada entre los extremos debe ser igual a la **suma algebraica** de las FEM generadas a lo largo de los otros puntos.

Formas de Unir los Alambres del Termopar

• Mecánicas: Para detectar temperaturas menores a 200 °C.
• Fusión: Se debe usar soldadura con un punto de fusión cercano al rango de temperatura útil del termopar.
• Soldaduras: Se debe usar la soldadura específica del termopar, cumpliendo con la Ley de los metales intermedios para garantizar su uso en el rango de temperatura útil.

Tipos Comunes de Termopares y Rangos

• Tipo T (Cobre-Constantán): -154 °C a 400 °C (Atmósfera oxidante).
• Tipo J (Hierro-Constantán): -144 °C a 760 °C (Atmósfera reductora).
• Tipo E (Cromel-Constantán): -196 °C a 1000 °C (Atmósfera oxidante).
• Tipo K (Cromel-Alumel): -154 °C a 1370 °C (Atmósfera oxidante).

Termómetros de Resistencia (RTD)

Se fundamentan en el aumento de la **resistencia eléctrica** que presenta un metal al aumentar su temperatura. Los metales más comunes que cumplen mejor esta función son el **Platino (Pt)**, el **Níquel (Ni)** y el **Cobre (Cu)**.

Características de un Metal para RTD

1. Tener una relación **temperatura-resistencia** estable y bien definida.
2. Poseer una **resistencia eléctrica específica** (Ohm/cm²) dentro de límites que permitan la fabricación del sensor.
3. Los pequeños cambios de resistencia que no sean por efecto de la temperatura deben ser **mínimos**.
4. El cambio de la resistencia con la temperatura debe ser **notable**.
5. El metal utilizado **no debe presentar cambios de fase** en un amplio rango de temperatura.

Rangos Típicos de RTD

• Pt: -185 °C a 630 °C
• Ni: -70 °C a 150 °C
• Cu: -60 °C a 200 °C

Pirómetros (Medición por Radiación)

Los pirómetros se basan en la **energía emitida** por un cuerpo.

Ley de Stefan-Boltzmann

La energía (E) emitida por un cuerpo es proporcional a su temperatura absoluta (T), elevada a la cuarta potencia: $E = \sigma T^4$.

Pirómetro Óptico

Procesa la **intensidad luminosa** de un cuerpo caliente. Se basa en la teoría de la energía luminosa radiada por un cuerpo. El radiador térmico ideal es el **cuerpo negro**, el cual absorbe toda la energía radiada que le llega y, a una temperatura determinada, tiene la capacidad de emitir la máxima radiación térmica posible.

Pirómetro de Radiación

Procesa la **energía térmica total** que emite un cuerpo caliente.

Instrumentos para Medir Flujo

Los instrumentos de medición de flujo se clasifican según su principio de operación:

• Volumétrica: Medida de flujo laminar directo en tubería / Medida de flujo en codo.
• Área Constante: Medida de alta presión / baja presión / por velocidad / canales abiertos.
• Área Variable: Rotámetro.
• Eléctricos/Electrónicos.
• Másico.