Clase 7.ppt Instrumentacion industrial

7/25/2019 Clase 7.ppt Instrumentacion industrial

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Instrumentacin Industrial I

Profesor: Mg. Ing. Daniel Mendoza

[email protected]
mailto:[email protected]:[email protected]


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Instrumentacin Industrial I

Sensores Elctricos de Temperatura


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El diagrama PID muestra los instrumentos instalados en una planta.

Diagrama PID

!"#!$#%& 'Instrumentacin Industrial I


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Introduccin

()jeti*os:

+ E,plicar el principio de funcionamiento de sensores de

temperatura )asados en efecto termoelctrico -

radiacin electromagntica.

+ Escri)ir ecuaciones diferenciales para modelar procesostrmicos sencillos.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I


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Efecto termoelctrico

+ El efecto termoelctrico es la con*ersin directa de

diferencias de temperatura en *oltaje - *ice*ersa.

+ /n dispositi*o termoelctrico crea *oltaje cuando e,iste

una diferencia de temperaturas disponi)le.

+ De la misma forma0 si se aplica un *oltaje permite crearuna diferencia de temperatura.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "


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+ 1 ni*el atmico0 un gradiente de temperatura aplicado

causa 2ue portadores de carga en el material se

difundan 3mue*an4 del lado caliente al lado fr5o.

+ De)ido a 2ue los materiales responden de distinta forma

al calor0 se produce una corriente resultante 2ue se

puede medir - cu-os efectos se pueden o)ser*ar 3campo

magntico4.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I &


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+ El trmino efecto termoelctrico cu)re tres efectos

identifica)les separadamente:

+ El efecto See)ec6

+ El efecto Peltier

+ El efecto T7ompson

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I $


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Efecto See)ec6

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I 8


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Efecto Peltier

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I 9


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Termocupla

Es el sensor de temperatura ms com;nmente utilizado

en la industria junto con los


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Termocupla A

I

Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )Efecto Seebeck: f.e.m. ==> f ( T )

!"#!$#%& %BInstrumentacin Industrial I


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Tipos de termocuplas

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I %'


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Termoelementos

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I %


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a)les de e,tensin

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I %"


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Seleccin de termocuplas

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I %&


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ur*a de cali)racin

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I %$


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ur*a de cali)racin

Ca dependencia entre el *oltaje entregado por una

termocupla - la temperatura no es lineal 3no es una recta40

es tra)ajo del instrumento electrnico destinado a mostrar

la lectura0 efectuar la linealizacin0 es decir tomar el *oltaje

-0 conociendo el tipo de termocupla0 *er en ta)las internasa 2ue temperatura corresponde este *oltaje.

!"#!$#%& %8Instrumentacin Industrial I


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Ejercicios

+ Para una termocupla compuesta por ierroonstatn0

donde la unin caliente est a '%!.$? - la unin fr5a a

B8."?0 F2u *oltaje se medir5a en sus terminalesG

+ Para una termocupla compuesta por romel1lumel0

donde la unin caliente est a %!!"."? - la unin fr5a a

BB.'?0 F2u *oltaje se medir5a en sus terminalesG

+ Para una termocupla compuesta por romelonstatn0

donde la unin caliente est a %"!.B? - la unin fr5a a

B."?0 F2u *oltaje se medir5a en sus terminalesG

!"#!$#%& %9Instrumentacin Industrial I


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Termocupla tipo A

Si )ien es cierto e,isten *arios tipos de termocuplas0 en la

prctica apro,imadamente el 9!H de las termocuplas

utilizadas en la industria son del tipo A o del tipo .

Cas termocuplas tipo A se usan principalmente en la

industria del plstico0 goma 3e,trusin e in-eccin 4 -

fundicin de metales a )ajas temperaturas 3Jamac0

1luminio4.

Esta termocupla es adecuada en atmsferas con escaso

o,5geno li)re. Ca o,idacin del 7ilo de 7ierro aumenta

rpidamente por encima de ""!? por lo 2ue no se de)e

superar este l5mite.!"#!$#%& B!Instrumentacin Industrial I


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Termocupla tipo

Este tipo de termocupla se recomienda en atmsferas

o,idantes - a temperaturas de tra)ajo entre "!!? -

%B"!?. Ko de)e ser usada en atmsferas reductoras ni

sulfurosas a menos 2ue est protegida con un tu)o

especial de proteccin.

Cas termocuplas tipo se usan muc7o en fundicin -

7ornos a temperaturas 2ue pueden llegar 7asta los

%'!!L0 por ejemplo en fundicin de co)re - 7ornos detratamientos trmicos.

!"#!$#%& B%Instrumentacin Industrial I


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Termocuplas tipo E - T

+ Ca termocupla tipo E puede usarse en *ac5o o en

atmsfera inerte o medianamente o,idante o reductora.

+ Este termopar posee la sensi)ilidad ms alta - puede

usarse en el rango de B!!? a 9!!?.

+ El termopar tipo T tiene una ele*ada resistencia a la

corrosin por 7umedad atmosfrica o condensacin -

puede utilizarse en atmsferas o,idantes o reductoras.

+ Se aplican en el rango de B!!? a B&!?0 aun2ue

principalmente se les encuentra en aplicaciones

criognicas.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I BB


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Termocuplas tipo < - S

Cas termocuplas tipo < - S se emplean en atmsferas

o,idantes - temperaturas de tra)ajo de 7asta %"!! ?. Si

la atmsfera es reductora0 el termopar de)e protegerse

con un tu)o cermico.

Se usan casi e,clusi*amente en la industria sider;rgica

3fundicin de acero4.

!"#!$#%& B'Instrumentacin Industrial I


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digo de colores en termocuplas

!"#!$#%& BInstrumentacin Industrial I


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ompensacin de cero

El principal incon*eniente de las termocuplas es su

necesidad de compensacin de ceroN. Esto se de)e a 2ue

en alg;n punto0 7a)r 2ue empalmar los ca)les de la

termocupla con un conductor normal de co)re. En ese

punto se producirn dos nue*as termocuplas con el co)recomo metal para am)as0 generando cada una un *oltaje

proporcional a la temperatura de am)iente 3Ta4 en el punto

del empalme.

!"#!$#%& B"Instrumentacin Industrial I


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a)les compensados

uando el instrumento est mu- retirado del lugar de

medicin0 no siempre es posi)le llegar con el mismo ca)le

de la termocupla al instrumento. Esto ocurre especialmente

cuando se estn usando termocuplas


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a)les compensados

INDICADOR CONVERTIDOR

mV Tol.+-

SISTEMADE MEDIDA

UNION DEREFERENCIATERMINAL

DECABEZAL

Cables de

compesac!o

Me"al A

Me"al B

E #Tm-T$%

Tm T$

&-'( mA

Id!ca"!o )C * )F

!"#!$#%& B$Instrumentacin Industrial I


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a)les compensados

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I B8


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Ecuaciones para termocupla

+ Ce- de temperaturas intermedias: Sea T%RT'RTB

+ El *oltaje generado cuando la unin caliente est a T% - la

unin fr5a a TB se puede considerar como la sumaalge)raica de los casos cuando su unin caliente est a T%

- la fr5a a T' - cuando la caliente est a T' - la fr5a a TB.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I B9


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+ Ejemplo:

+ on T%%!!? - TB!? se produce E ".!9 m>

+ on T%%!!? - T'B!? se produce E .!9 m>+ on T'B!? - TB!? se produce E %.!! m>

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I '!


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+ Ce- de metales intermedios:

+ Suponga a7ora 2ue introducimos un tercer metal distinto

O en el lazo original en el terminal de la unin fr5a.

+ Si la temperatura de las nue*as uniones O - semantiene a la misma temperatura 2ue la unin original0

entonces la fem generada no se *e alterada por el nue*o

material.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I '%


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+ Esta le- permite no slo agregar un ca)le nue*o0 sino

*arios ms de diferentes materiales siempre 2ue la

temperatura en las nue*as uniones se mantenga igual

2ue la original.

+ Ca importancia de esto: entre los terminales O -

podemos conectar un 3mili4*olt5metro - medir el *oltaje

generado en el circuito como consecuencia de los

efectos trmicos descritos anteriormente sin alterar las

mediciones.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I 'B


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TT

TaTaMetalMetalaa

MetalMetal))

uu

uu

>>3T4>3Ta4>>3T4>3Ta4


+ > >3cu0a43Ta4 Q >3a0)43T4 Q>3)0cu43Ta4

+ > >3)0cu43Ta4 Q >3cu0a43Ta4U Q>3a0)43T4

+ > >3)0a43Ta4 Q>3a0)43T4

+ > >3a0)43T4 V >3a0)43Ta4

+ >3a0)43T4 > Q >3a0)43Ta4!"#!$#%& ''Instrumentacin Industrial I


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El *oltaje 2ue nos interesa sa)er para conocer el *alor de

la temperatura T es: >a0)3T4 > Q >a0)3Ta4

Cuego0 conociendo la temperatura am)iente Ta se )usca

en la ta)la de la termocupla el *alor de >a0)3Ta4 - se suma

al > medido con el *olt5metro con lo 2ue se o)tiene

>a0)3T4. 17ora con este *alor se )usca en la ta)la el *alor

de T.

!"#!$#%& 'Instrumentacin Industrial I


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Cos instrumentos para termocupla miden Ta en su conector

- suman esta cantidad >a0)3Ta4 automticamente para

7acer la compensacin de cero.

Por ejemplo: Se mide en una termocupla A un *oltaje de%!.8m>. Si la temperatura de am)iente en los contactos

es B"L0 entonces en la ta)la esto corresponde a

%.B$$m>. Cuego >a)3T4 %!.8 Q %.B$$ %B.%%$m>0 esto

seg;n la ta)la corresponde a BBL.

!"#!$#%& '"Instrumentacin Industrial I


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Termopozo

En la ma-or5a de las aplicaciones de medicin de

temperatura no es recomenda)le e,poner el elemento

sensor al fluido del proceso. Ca utilizacin de un

termopozo0 a pesar de 2ue introduce retardos en lamedicin0 es recomenda)le para proteger al elemento

sensor de la corrosin0 erosin - altas presiones adems

de permitir su remocin o cam)io mientras la planta o el

proceso est en operacin.

!"#!$#%& '&Instrumentacin Industrial I


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T/O( P


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Termopozo

!"#!$#%& '8Instrumentacin Industrial I


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Instalacin de termopozo

!"#!$#%& '9Instrumentacin Industrial I


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Insercin e inmersin de un termopozo

Ca longitud de inmersin re2uerida para o)tener una e,actitud - tiempo

de respuesta ptimos es una funcin de factores mecnicos tales como:

tipo de elemento sensor0 espacio disponi)le0 dise=o de la cone,in del

termopozo al recipiente o tu)er5a - de las consideraciones de

transferencia de calor determinadas por las propiedades f5sicas del

fluido.!"#!$#%& !Instrumentacin Industrial I


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Termopozo tipo roscado

!"#!$#%& %Instrumentacin Industrial I


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Termopozo tipo )ridado

!"#!$#%& BInstrumentacin Industrial I


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Seleccin de tu)os de proteccin

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I '


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Tarea

+ In*estigue - e,pli2ue una aplicacin en la 2ue se 7a-an

usado termocuplas para medir temperatura en los

siguientes casos:

+ 1tmsfera reductora

+ 1lto *ac5o

+ 1plicacin sanitaria



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Espectro electromagntico

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I $


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Ecuaciones para radiacin trmica

+ onsidere el siguiente proceso trmico superficial:

+ Incide energ5a W so)re el proceso

desde alguna fuente.

+ Ca radiacin E 2ue es emitida por la

superficie se origina por la energ5a

interna de las part5culas de lasuperficie.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "!


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onser*acin de la energ5a

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "%

+ Ca radiacin incidente

puede ser:

+ 1)sor)ida: 1

+


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onser*acin de la energ5a

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "B

+ Se definen los siguientes

parmetros

adimensionsales:

+ X: 1#I a)sor)ancia

+ r:


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uerpo negro

+ /n cuerpo negro es un idealizacin0 tiene la propiedad de

a)sor)er toda la radiacin electromagntica incidente0 sin

importar su frecuencia ni su ngulo de incidencia.

+ /n cuerpo negro en e2uili)rio trmico

3T:cte4 emite energ5a electromagntica

llamada: radiacin de cuerpo negroN.

+ Esta radiacin sigue la Ce- de Planc6N0

su espectro 2ueda determinado slo por la temperatura0

no por la forma del cuerpo ni su composicin.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "'


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Ce- de Planc6

+ Esta le- fue propuesta en %9!! - es un resultado mu-

importante de la f5sica moderna.

+ Ca intensidad 3potencia por unidad de rea4 de la

radiacin emitida por un cuerpo negro 3o radiancia

espectral4 con una cierta temperatura T- frecuencia

0 *iene dada por:



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Ce- de Planc6

En la frmula:

+ 7: onstante de Planc6 &.&B&!&9"$ Y %!E'.mB6g#s

+ Z: [recuencia de la radiacin

+ c: >elocidad de la luz B99 $9B "8 m#s+ \: Congitud de onda de la luz

+ 6O: onstante de Ooltzmann %.'8!&"! Y %!EB'A#

+ T: Temperatura a)soluta

+ 1nlogamente:

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I ""


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Ce- de Planc6

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "&

+ Ca longitud de onda en la

2ue se produce el m,imo

de emisin *iene dada por

la le- de ]ien - la potencia

total emitida por unidad derea *iene dada por la le-

de StefanOoltzmann.

+ Ce- de desplazamiento de]ien:


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Emisi*idad

+ Cos cuerpos reales tienen una capacidad de emitir menor

2ue la del cuerpo negro terico. Ko slo eso0 sino 2ue los

cuerpos reales responden de manera distinta dependiendo

de la longitud de onda de la radiacin.

+ Se define0 por tanto0 un factor de eficiencia de emisin de

radiacin: la emisi*idadN0 ^. Este factor relaciona la potencia

emitida por un cuerpo en comparacin con un cuerpo negro

ideal.

+ Este factor puede ser constante0 como *aria)le con la

longitud de onda.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "$


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uerpo gris

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "8

En el caso en 2ue la emisi*idad no dependa de la longitud de

onda0 el cuerpo se llama cuerpo gris.


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Ce- de irc77off

+ Ca le- de irc77off esta)lece 2ue si un cuerpo 3o superficie4

est en e2uili)rio termodinmico con su entorno0 su

emisi*idad es igual a su a)sor)ancia 3X ^4 .

+ E,isten los siguientes corolarios de la le- de irc77off:

+ Esta le- puede resumirse como: un mal reflector es un

)uen emisor - un )uen reflector es un mal emisor.

+ Ca emisi*idad no puede ser ma-or a uno 3^_%4. Esto es

imposi)le por la conser*acin de la energ5a0 por lo 2ue no

es posi)le trmicamente irradiar ms energ5a 2ue un

cuerpo negro0 en e2uili)rio.

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I "9


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Ce- de StefanOoltzmann

+ Ca le- de StefanOoltzmann esta)lece 2ue un cuerpo

negro emite radiacin trmica con una intensidad total

3]#m`4 proporcional a la cuarta potencia de su

temperatura:

+ onstante de Ooltzmann

+ Ca intensidad de una superficie gris *iene dada por:

!"#!$#%& Instrumentacin Industrial I &!


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Termmetro Ientajas de termmetro I

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