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SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 1
Sensores y Actuadores
Sensores de Temperatura
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
¿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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
¿Porqué se mide la temperatura?
• La mayoría de las sustancias cambian sus propiedades físicas o químicas cuando se calientan o enfrían
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Medición Industrial de la Temperatura
• Escalas de temperatura• Conversión de temperatura• Medición mecánica de la temperatura• Medición electrónica de la temperatura• Termopozos
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Escalas de Temperatura
212°
-459.7°
32°
-273.2°
0°
100° 373.2°
0°
273.2°
671.7°
0°
491.7°
Evaporación
Congelación
CeroAbsoluto
Fahrenheit
°F
Celsius
°C
Kelvin
°K
Rankine
°R
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Conversión de Temperatura
Fahrenheit a Rankine T(R) = T(F) + 459.7
Celsius a Kelvin
T(K) = T(C) + 273.2
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Conversión de Temperatura
Fahrenheit a Celsius C) = 5/9 (T(F) - 32)
Celsius a Fahrenheit F) = 9/5 T(C) + 32
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Medición Mecánica de la Temperatura
• Termómetros con Mercurio en Vidrio
• Termómetros bimetálicos
• Termómetros de bulbo
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Termómetros Bimetálicos
• Los metales se expanden y contraen con T
• Metales diferentes tienen diferentes coeficientes de dilatación
• Dos metales diferentes se unen para formar una lámina bimetálica
POSICIÓN EN FRIO
POSICIÓN EN CALIENTE
METALALTA
EXPANSIÓNMETALBAJA
EXPANSION
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Termómetros Bimetálicos
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
• El elemento está acoplado mecánicamente al dispositivo indicador
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Termómetros de Bulbo
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Medición Electrónica de Temperatura
• Termopares
• Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD)
• Termistores
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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”
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Selección de Termopares
• Rango de Temperatura• Resistencia química del termopar o
su funda• Requisitos de instalación• Tipo de uniones
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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.
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Termopares
Ventajas• Económicos• Tamaño pequeño• Resistentes• Amplio rango de
temperatura
Desventajas• Sensible al ruido
eléctrico• Requieren de
amplificador• No lineales
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD)
• 2-cables
• 3-cables
• 4-cables
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Dispositivos de Resistencia Térmica (RTD)
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Termistores
Ventajas• Respuesta rápida• Muy sensibles• Económicos• Pequeños
Desventajas• Frágiles• Rango de
temperatura limitado
• Inestables a altas temperaturas
• No son lineales
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Comparación de Termopares, RTD´s y
Termistores
TERMISTOR
RTD
TERMOPAR
TEMPERATURA
SALIDA
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Termopozos
• Unidos a tuberías o tanques con rosca, bridas o soldados
• Algunos diseños permiten controlar la profundidad de inserción
• Reducen el tiempo de respuesta
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Termopozos para uso sanitario
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Aplicaciones
• La maquinaria requiere gran exactitud para evita expansiones térmicas
Werkzeugmaschine mit Ûberwachung der
Hydraulik- und KÏ hlschmiermitteltemperatur
KÏ hlschmiermittel
Hydraulikkreis
Temperatura de refrigerante
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
FlÏ ssigkeitsbehÌ lter mit TemperaturfÏ hrung
Aplicaciones
Temperatura de tanques
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S
Monitoreo de ciclo CIP
Sistema Clean In Place
Ácido Agua Enjuague
Agua Caliente
Aguas arriba Agua Fría
Aguas abajo
Sosa
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 35
Medición de Temperaturasin contacto utilizandoTecnología Infrarroja
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 37
• Movimiento o muy calientes
• Ubicación complicada o peligrosa
• Donde el contacto puede dañar, contaminar o cambiar la temperatura
Los Termómetros Sin Contacto Permiten Una Medición Rápida,
Segura y ExactaPara Objetos en:
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 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
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 39
• Procesamiento y almacenaje de alimentos
• Inspecciones eléctricas
• Mantenimiento• Automotriz• HVAC• Impresión
Aplicaciones de los TermómetrosSin Contacto
• Plásticos• Papel, impresión• Metales• Vidrio• Semiconductores• Alimentos
Portátiles En Línea
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 40
Espectro Electromagnético
Visible
Ultravioleta InfrarrojoRayos XRayosGama
RadioEHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF
0.1A 1A 1UA 100A 0.1µ 1µ 10µ 100µ 1cm0.1cm 10cm 1m 100m
1km 10km 100km
Longitud de Onda
10m
30201510864321.510.80.60.4
Longitud de Onda µm
Región de Medición Infrarroja
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 41
Fuentes de Energía Infrarroja
Objeto
SensorR
T
E
R + T + E = Energía TotalI = Energía IncidenteR = Energía ReflejadaT = Energía TransmitidaE = Energía Emitida
Reflexión, Transmisión y Emisión
Ambiente
I
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 42
Emisividad y Cuerpos Negros
Cuerpo Negro Ideal “Cuerpo Real”
Absorbedor y EmisorPerfecto
Algo de energía serefleja y transmite
Emisividad () =1 Emisividad () < 1
I
I
I
I
R
T
I
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 43
Característica Espectral de la Radiación de un Cuerpo Negro
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1500°C (2730°F)1000°C (1830°F)542°C (1000°F)260°C (490°F)
20°C (70°F)
Relación Única entre Temperatura y Energía
Em
isiv
idad
rad
iad
a p
or
un
cu
erp
o n
egro
Longitud de Onda (micrones)
102
101
1
10-1
10-2
10-3
10-4
0
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 44
Emisividad vs. Longitud de Onda
Varía con la longitud de onda (no para un cuerpo gris)
= 0.9 (cuerpo gris)
En
erg
ía R
elat
iva
Longitud de Onda (micrones)
= 1.0 (cuerpo negro)
Distribución Espectral de Diferentes Emisividades
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 45
Errores de Temperatura debido a Incertidumbre* en Emisividad
10
8
6
4
2
0500 1000 1500 2000 2500 3000
8-14 µm
1.0 µm
Solución: Utilizar pequeñas longitudes de onda
% E
rro
r en
la
Tem
per
atu
ra
Temperatura del Objeto (°C)
*Error en emisividad se asume en 10%
5.0 µm
3.9 µm
2.2 µm
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 46
Espectro de Transmisión IR para Ciertos Plásticos
Se elige la longitud de onda donde la transmisión se acerca a cero (3.43 para polietileno y 7.9 para poliéster)
Longitud de Onda en Micrones
% d
e T
ran
smis
ión
100908070605040302010
02 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Polietileno0.03 mm
0.13 mm
100908070605040302010
0% d
e T
ran
smis
ión
Longitud de Onda en Micrones
Poliester0.03 mm
0.13 mm
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 47
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
Medición IR en Vidrio
0.2 mm (10 Mil)
1.5 mm (60 Mil)
6 mm (240 Mil)
1.0
.8
.6
.4
.2
2 3 4 5 6 8
Tra
nsm
isió
n
Longitud de Onda (micrones)
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 48
• 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
Medición IR en Metales
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 49
El Sistema Infrarrojo
Ventanay óptica
Objeto Medio Ambiente DetectorDisplay Electrónico
u otra salida
453¡C
SP1 470¡C
EMS ¯.85
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 50
• Rango de Temperatura• Tamaño y Forma• Distancia del
sensor• Tipo de Material • Movimiento
El Objeto
Parámetros Importantes
Objeto
453¡C
SP1 470¡CEMS ¯.85
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 51
La lectura de temperatura puede ser afectada por la atmósfera y objetos circundantes
El Medio Ambiente
Medio Ambiente
453¡C
SP1 470¡CEMS ¯.85
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 52
El Medio Ambiente
8 - 14 micrones evita laabsorciónatmosférica
(0.3 km a nivel del mar)1.0
0.5
0.00.5 1 2 3 5 8 10 15 20
Longitud de Onda (micrones)
Tra
nsm
isió
n R
elat
iva
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 53
Energía del Ambiente
La corrección ambiental compensa por temperaturas de fondo mayores al objetivo
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 54
Factores Ambientales que Causan Errores en la Medición
Factores Soluciones Energía reflejada del medio ambiente
Polvo, vapor y partículas en la atmósfera
Alta temperatura ambiental
Corrección del sensor con T-ambient
Aislar el fondo del objetivo
Limpieza de lentes con purga de aire Termómetros de relación de 2 colores
Cuidado en el montaje Enfriamiento con agua o aire Purga con aire de lentes
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 55
453¡C
SP1 470¡CEMS ¯.85
Ventana y ÓpticaEl Sistema Óptico Concentra y Enfoca la Energía en el Detector
Ventana y óptica
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 56
El ObjetivoEl Objeto debe llenar por
completo el campo de VisiónMejor Bueno Incorrecto
Sensor
Objetivo mayorque el tamaño dela medición
Objetivo igualque el tamaño dela medición
Objetivo menorque el tamaño dela medición
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 57
Resolución óptica
Distancia del sensor al objeto
Tamaño de la medición
2.50.1
7.50.3
140.6
210.8
331.3
mmpulg
00
251
502
763
1305
mmpulgDiámetro de la medición
Diámetro de la medición
= D:S
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 58
Apuntador Laser
• Punto de medición visible para asegurar exactitud
• Importante para objetos en movimiento y lugares oscuros
• Cumplen requisitos de seguridad
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 59
Ventanas
• Aíslan al sensor en ambientes ostiles• No deben absorber en el rango
espectral de la medición • Diversos materiales dependiendo de
la visibilidad requerida• Sílice o cuarzo para altas
temperaturas
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 60
Transmisión de IR Materiales de Ventanas
Longitud de onda (micrones)
Po
rcen
taje
de
Tra
nsm
isió
n
0
20
40
60
80
100
5 10 15
Código
Barium FluorideCalcium FluorideAMTIR-1Fused SilicaGermaniumZinc SelenideZinc Sulfide
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 61
Detectores: El Corazón del Sensor de IR
• Convierte la energía IR en una señal eléctrica proporcional a la temperatura
• Los detectores de bajo costo han abierto nuevas aplicaciones
Detector
453¡C
SP1 470¡CEMS ¯.85
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 62
Tipos de Detectores
• Fotoconductivos
• Fotovoltáicos
• Piroeléctricos
• Termovoltáicos ejemplo Termopila
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 63
• Disponibles digitales y analógicos • Indicadores gráficos muestran
tendencias y múltiples mediciones simultáneamente
Indicadores Electrónicos y Salidas
Indicadores Electrónicosu Otras Salidas
453¡C
SP1 470¡C
EMS ¯.85
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 64
Tipos de Salida• Termopares• Corriente
– 0 a 20 mA– 4 a 20 mA
• Voltaje– 0 a 5 volt– Comúnmente 1 mV por
grado• RS232/RS485• Monitores
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 65
Interfases a Instrumentos• Controladores,
PLCs• Indicadores
digitales de temperatura
• Registradores de papel
• Software de adquisición de datos
• Impresoras
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 66
Procesamiento de SeñalObjetos calientes en movimiento
Señales de salida
Mantener Pico
Mantener Valle
Promedio
Temperatura Ambiente <50
200º 200º100º 240º
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 67
Sensores de IRpara Aplicaciones
Especiales
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 68
Sensores Inteligentes
• Ajuste desde PC del sensor• Cambio de calibración
dependiendo del producto• Acepta señales de fuera de rango
para operaciones seguras
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 69
Sensores de Dos Colores
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 70
Instrumentos de Dos Colores
• Objetivo obstruido– Humo, vapor o polvo en la
atmósfera– Ventanas sucias
• Objetivo menor al campo de visión• Objetos en movimiento• Emisividades bajas o cambiantes
Alta exactitud en aplicaciones difíciles
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 71
Humo o polvo
Solución de Problemas con Termómetros de Dos Colores
Lente sucio
Ventana sucia
Campo de visión bloqueado parcialmente
Objetivo menor al campo de visión
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 72
• Tratamientos térmicos,procesamiento de metales
• Industria del acero• Fundiciones• Hornos• Hornos para semiconductores• Otros: alambre, pulido de cristales de
silicón, fibra de vidrio
Aplicaciones deDos Colores
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 73
Scanners en línea
• Medición de perfiles de temperatura
• Plásticos, vidrio, monitoreo de hornos y otras aplicaciones
• Salida gráfica del perfil de temperatura
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 74
Selección del Instrumento Adecuado
a la Aplicación
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 75
• Rango de temperatura y longitud de onda
• Campo de visión y tamaño del objeto• Material del objeto• Velocidad de respuesta• Medio ambiente
¿Qué parámetros considerar al elegir un instrumento de IR?
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 76
¿Es la tecnología infrarroja peligrosa?
• No, la tecnología infrarroja mide la energía que es emitida en forma natural por los objetos.
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 77
¿Es mejor elegir elinstrumento más rápido? • Una respuesta
rápida se requiere para objetos pequeños o calentados rápidamente
• Debido a que la temperatura cambia lentamente, comúnmente no se requiere una respuesta rápida.
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 78
¿ Es mejor elegir el instrumento con el más amplio
rango de temperatura?• Seleccionar un instrumento que cumpla con el rango de temperatura
• Amplios rangos se requieren para arranques y aplicaciones múltiples
• Rangos estrechos para medición en procesos
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 79
• Comparada con el valor “real”• Importante cuando se mide en diferentes
lugares o con diferentes instrumentos
• Misma salida bajo las mismas condiciones
• Establece un estándar local. Mide la desviación desde un punto.
• El control del proceso se hace consistente
¿ Se requiere Exactitud oRepetibilidad?
Exactitud
Repetibilidad
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 80
¿ Qué longitud de onda se debe utilizar?
• Elegir la menor longitud de onda posible
• Usar mayores longitudes de onda con bajas temperaturas y cuando la emisividad es alta
• Poner atención a problemas potenciales causados por el ambiente
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 81
• Minimizar la energía reflejaday transmitida
• Utilizar longitudes de ondadonde el material es opaco
• Utilizar la menor longitudde onda posible
• Seleccionar un modelo especial
¿Se puede medir temperatura en vidrio, plástico o metales
brillantes?Algunos consejos . . .
SE N SO R E S Y A C T U A D O R E S 82
¿Puedo conservar mi inversión de equipo existente?
• Los sistemas modulares utilizan controladores, impresoras, monitores y redes existentes
• Salidas en corriente, voltaje, digital o para computadora