1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica
de la Fuerza Armada Nacional
U.N.E.F.A.
Núcleo Puerto Cabello
Sistemas de Control
Puerto Cabello, Junio de 2.013
Integrante:
Juan Tello
Ci:19.196.680
6to Semestre de Ingeniería Mecánica
Sección: “A”
Facilitador:
Ing. Giovanni Ghelfi

2. Es una magnitud referida a las
nociones comunes de caliente o frio.
Por lo general un objeto mas caliente
tendrá una temperatura mayor, y si
fuese frio tendrá una temperatura
menor. Físicamente es una magnitud
escalar relacionada con la energía
interna de un sistema termodinámico.
Es una medida del calor o energía
térmica de las partículas en una
sustancia.

4. El calor es la transferencia de
energía entre diferentes cuerpos o
diferentes zonas de un mismo cuerpo
que se encuentran a distintas
temperaturas. Los cuerpos no tienen
calor, sino energía interna. El calor es la
transferencia de parte de dicha energía
interna de un sistema a otro, con la
condición de que estén a diferente
temperatura.

5. Calor Temperatura
•Energía cinética total de las
moléculas de un cuerpo
•Energía cinética promedio de
las moléculas de un cuerpo
•El calor depende de la
velocidad de las
partículas, numero, tamaño y
tipo.
•La temperatura no depende del
tamaño, numero o tipo.
•El calor es lo que hace que la
temperatura aumente o
disminuya
•Si añadimos calor, la
temperatura aumenta. Si
retiramos calor, disminuye.
•El calor es energía.
•La temperatura no es energía
sino una medida de ella.

6. En vista de que la medición exacta de la temperatura es de gran
importancia en la industria así como en la investigación científica, en los
aspectos de la vida cotidiana tales como la comodidad física y la salud, es
esencial que las mediciones de temperatura tengan el mismo significado, es
decir, que todos utilicen la misma escala de temperatura. Esto se logra
mediante la selección de puntos fijos que puedan reproducirse (temp. de
ebullición y temp. de congelación) y dividiendo los intervalos de temperatura
entre dichos puntos entre un numero conveniente de grados.

7. •Escala Fahrenheit (°F):
El primer paso hacia la construcción de termómetros seguros con una
escala que pudiera reproducirse, fue ideado por Daniel Fahrenheit. Para el año
1.714, ya construía termómetros de mercurio, los cuales fueron reconocidos
como sistemas bastante superiores a cualquiera de los que se habían
producido.

8. •Escala Reaumur (°R’):
Cerca del año 1.731, Réaumur fue el siguiente en proponer una escala
de temperatura. Escogió el punto de congelación del agua como uno de los
puntos fijos; determino que el alcohol diluido con la quinta parte de agua se
expandía desde 1.000 hasta 1.080 unidades de volumen entre el punto de
congelación y el punto de ebullición del agua. De esta forma designo por 0° el
punto de congelación y por 80° el de ebullición.

9. •Escala Celsius Centígrada (°C):
En el año de 1.742, Celsius propuso una escala de temperatura con 0°
para el punto de fusión del hielo y 100° para el punto de ebullición del agua.

10. •Escala Kelvin (°K):
En el año 1.848, Lord Kelvin sugirió un método para definir la escala de
temperatura que no esta basada en el cambio de ninguna propiedad de una
sustancia en particular a causa de la temperatura. Esta basada en el cambio
de volumen por la temperatura que se produce en una masa fija de un gas
ideal sometido a presión constante, o en el cambio de la presión del gas a un
volumen constante.

11. •Escala Rankine (°R):
Esta escala es equivalente a la escala termodinámica absoluta
expresada en grados Fahrenheit. Así, la temperatura del punto de congelación
del agua en la escala Rankine, corresponde a 491,7 °R.

15. Los instrumentos medidores de temperatura utilizan diversos
fenómenos que son dependientes de la temperatura, entre ellos, la variación
de la resistencia de un conductor, variación en volumen o en estado de los
cuerpos, fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales
distintos, variación de resistencia de un semiconductor y la intensidad de la
radiación total emitida por el cuerpo.

16. •Termómetros de vidrio
•Termómetros bimetálicos
•Sistemas de llenado:
Actuados por líquidos
Actuados por vapor
Actuados por gas
Actuados por mercurio
•Termómetros de resistencia
•Termistores
•Termocuplas
•Pirómetros:
Ópticos
De radiación

17. El principio de funcionamiento de estos termómetros se
basa en la propiedad que tienen los líquidos de dilatarse al
aumentar la temperatura a la cual están expuestos. Uno de los
líquidos mas utilizados es el mercurio.

19. Vidrio
Temperaturas (°C)
De fatiga
Uso
Continuo Intermitente
Corning Normal
7560
500 370 430
Kimble R6 490 360 420
Jena 16 III 495 365 425
Corning Borosilicato
8800
529 400 460
Jena Borosilicato
2954
548 420 480
Corning 1720 668 540 600
Jena Supremax
2955
665 535 595

20. Fluido
Rango de Temperatura
(°C)
Mercurio -39 / +280
Mercurio (tubo capilar con
gas)
-39 / +750
Pentano -200 / +20
Alcohol -100 / +50
Tolueno -70 / +100

21. Ventajas Desventajas
Bajo costo y simplicidad de uso
Temperatura máxima de 600 °C
aproximadamente
No necesitan energía para su
funcionamiento
Falta de adaptabilidad para
lecturas remotas y de control
Facilidad para inspeccionar sus
fallas físicas
Fragilidad

22. El principio de operación de operación de estos termómetros se basa
en la diferencia entre los coeficientes de dilatación de los metales. El elemento
sensor esta formado por dos metales laminados conjuntamente los cuales, al
calentarse, se doblan debido a la expansión diferencial de los mismos.
Generalmente las partes externas del medidor son de acero inoxidable,
el cual tiene una buena resistencia a la corrosión. El rango aproximado de uso
esta entre los -120 °C a los +220 °C, aunque pueden obtenerse termómetros
bimetálicos especiales para ser usados hasta 500 °C aproximadamente.

23. Par Bimetálico
Temperatura Máxima de
Utilización (ºC)
Aluminio - Invar 250
Níquel – Cuarzo 600
Bronce – invar. 600
Níquel Cromo - Porcelana 1000

26. Ventajas Desventajas
Bajo costo, fácil instalación y
mantenimiento
Limitados a montajes locales
Buena exactitud (1% del rango de
la escala) comparada con el bajo
costo
La calibración puede cambiar si
son manipulados rudamente
Los modelos de vástago largo
permiten una inmersión adecuada
en tanques profundos donde
pueden existir diferencias entre la
temperatura del fondo y de la
superficie
Se usan generalmente para
indicación y algunas aplicaciones
de control ON-OFF

27. Estos termómetros están basados en el principio de la expansión
cubica de un liquido, gas o en la variación de la presión de vapor de un liquido.
El sistema usualmente consiste en un elemento sensitivo de temperatura
(bulbo), un elemento sensitivo a la presión o a los cambios de presión
(bourdon, fuelle o diafragma), un medio de conexión entre los dos elementos
anteriores (tubo capilar) y un dispositivo para indicar o registrar la temperatura
medida.

28. Ventajas Desventajas
La simplicidad del sistema permite un
diseño de menor costo y una
construcción robusta, minimizando así
la posibilidad de daños o fallas en el
transporte, instalación o uso.
La temperatura máxima es mas
limitada que en algunos sistemas
eléctricos, por debajo de 1500 °F (≈
815 °C)
El sistema no necesita fuentes
externas de energía
El tamaño del bulbo puede resultar
demasiado grande para adaptarse al
espacio disponible
Su sensibilidad, exactitud y tiempo de
respuesta son comparables a la de
cualquier otro transductor
En caso de fallas debe sustituirse o
repararse toda la unidad
El capilar permite suficiente
separación entre el punto de medición
y el punto de indicación; aunque se
llegan a usar capilares de 400 pies, es
mas económico usar transductores
cuando la señal se va a transmitir mas
de 100 pies
La transmisión a distancia esta mas
limitada que en los sistemas
eléctricos. La distancia entre sensor e
indicador esta limitada entre 30 y 400
pies, dependiendo del fluido y de la
exactitud requerida

29. •Clase I (cambios volumétricos)
Clase IA
Clase IB
•Clase II (cambios de presión)
Clase IIA
Clase IIB
Clase IIC
Clase IID
•Clase III (cambios de presión)
•Clase V (cambios volumétricos)

30. •Clase I (cambios volumétricos)
Este sistema se define como una unidad térmica completamente llena
con un liquido (que no sea mercurio) y operando con el principio de la
expansión de los líquidos. Como su dilatación es proporcional a la temperatura,
la medición es uniforme. El volumen del liquido depende principalmente de la
temperatura del bulbo, del capilar y del elemento de medición. El campo de
medición de estos instrumentos varia entre -75 °C y 300 ° C. La exactitud varia
entre 0,5% a 1%.
Los cambios de temperatura sobre el capilar afectan la relación de
volúmenes de liquido en el capilar y en el bulbo produciendo lecturas de
temperatura erróneas. Por este motivo, cuando los capilares son largos y están
sometidos a variaciones de temperatura, se hace necesaria la compensación.

32. Clase IA (compensación total):
Consiste de un bourdon y un
capilar del mismo largo que el capilar de
medición pero sin bulbo. De esta forma, los
movimientos del bourdon-capilar
compensados son contrarios al de
medición y compensan variaciones de
temperatura sobre el capilar medidor.

33. Clase IB (compensación en la
caja):
Consiste en un bourdon el cual
compensa errores del bourdon de medición
por cambios de la temperatura ambiente en
la caja del instrumento, esto lo hace con la
ayuda de un bimetálico.

34. En ambos casos el sistema de compensación esta instalado en el
propio sistema de medición y no en el elemento primario (bulbo).
Ecuación del diseño de los bulbos termométricos de Clase I
ΔV = cambio de volumen del elemento motor del sistema
γ = coeficiente de dilatación diferencial entre el liquido y el bulbo
R = amplitud de temperatura
Vb = volumen del bulbo

35. ΔV varia generalmente entre 0,04 y 0,15 cm³, según el fabricante, γ para la
mayoría de los líquidos es aproximadamente 6x10ˉ F/cm³.

36. Error debido al bulbo:
Cuando el bulbo de un sistema de llenado (liquido) se eleva o baja con
respecto al nivel de la caja, se origina una diferencia de presión entre el bulbo y
el bourdon igual a la columna de liquido produciendo un error en la medición.
Debido a que los bulbos son muy rígidos y los líquidos altamente
incompresibles, este error no es muy grande. Los limites mas usados para la
diferencia de altura entre el bulbo y la caja son de mas o menos 30 pies.

37. •Clase II:
Esta clase de termómetros se activa por presión y opera de acuerdo
con la ley física según la cual cuando un sistema de presión sellado es vaciado
y luego llenado con un liquido volátil y parcialmente con el vapor de este
mismo liquido bajo presión, existirá una relación definida entre la temperatura
del liquido y la presión de vapor sobre el mismo.
Los líquidos mas usados para esta clase de termómetros son el éter,
alcohol etílico, propano, cloruro de etilo y butano, seleccionados con el objeto
de dar la presión máxima para los diferentes rangos de temperatura.

38. Clase IIA:
Es el tipo mas común de los termómetros actuados por vapor,
diseñado para operar en la condición de que la temperatura del bulbo sea
mayor que la temperatura del resto del sistema. El bourdon, el capilar y parte
del tubo están siempre llenos de liquido.
El bulbo debe ser suficientemente grande para acomodar el cambio de
volumen del relleno del bourdon y capilar debido a cambios de la temperatura
ambiente, acomodar los cambios de volumen debidos a un cambio en la
temperatura del bulbo, acomodar el cambio de volumen del bourdon a través
del rango y proveer algún volumen mínimo del liquido y del vapor.

40. Clase IIB:
Diseñados para
operar con la temperatura del
bulbo inferior a la temperatura
del resto del sistema. Pueden
tener un bulbo mas pequeño
ya que este no necesita
acomodar el primer y tercer
efecto mencionados en la
Clase IIA.

41. Clase IIC:
Diseñados para operar con la temperatura del bulbo por encima y por
debajo de la temperatura del resto del sistema. Esta clase, normalmente
requiere de bulbos mas largos que los de las clases IIA y IIB, por cuanto,
además de los requisitos de volumen dados para la Clase IIA, el bulbo debe
acomodar el volumen completo del bourdon y el capilar.
Este sistema no da una indicación adecuada cuando el liquido esta
entrando o saliendo del capilar y el bourdon (cerca de la temperatura
ambiente).

43. Clase IID:
El liquido volátil esta confinado en el bulbo promedio de un liquido de
baja presión de vapor, el cual llena el capilar y el bourdon y transmite la presión
generada en el bourdon. El diseño es tal que el liquido volátil no entra en el
capilar bajo ninguna condición de uso.
El volumen del bulbo es ligeramente mayor que el de la Clase IIA. En
estos sistemas la indicación (presión de vapor) no es lineal con respecto a la
temperatura del bulbo y los instrumentos son mas sensibles hacia el extremo
superior del rango.

45. El rango de temperatura de los sistemas de Clase II esta generalmente
alrededor de -40 C a +315 C. Esta clase no requiere de compensación y tiene
una exactitud de 0,5% a 1%.
Los sistemas de la Clase II son sensibles a los cambios en la presión
atmosférica y por ello se diseñan para que el cambio mínimo de presión interna
a través del rango de medición sea de 100 Psi, manteniendo el error dentro de
0,25% del rango.

46. •Clase III (accionados por gas):
Su principio de operación se basa en el hecho de que, para los gases
ideales, la presión y el volumen varían con la temperatura de acuerdo a la
siguiente ley:
P·V=K·T
P: presión absoluta
V: volumen
T: temperatura
K: constante que depende del gas

47. •Clase III (accionados por gas):
El comportamiento de muchos gases se aproxima al ideal y, para los
gases tales como el hidrogeno, helio, nitrógeno, argón y otros, es posible medir
las desviaciones de la idealidad, tal que la relación PV/T puede cumplirse con
una exactitud mejor del 0,1%. La compensación de la temperatura ambiente se
lleva a cabo de la misma manera que en el caso de la Clase I, obteniéndose
así las clases IIIA y IIIB.
La Clase III cubre el rango de temperatura mas amplio que puede
lograrse con un termómetro de llenado. Comúnmente se usan entre -268 C
y +650 C aproximadamente. El sistema tiene una respuesta rápida y una
escala uniforme. La exactitud varia desde 0,5% a 1%. El error por diferencia de
temperatura en el capilar puede expresarse con la siguiente relación:

48. •Clase III (accionados por gas):
Tc= temperatura media del capilar, R
Tb= temperatura absoluta del bulbo, R
ΔTc= cambio de la temperatura del capilar, F
R= tendido, F

49. •Clase III (accionados por gas):
De la ecuación anterior puede deducirse que el error aumenta a
medida que se incrementa la temperatura del bulbo y puede reducirse
aumentando el volumen del bulbo y/o el tendido. Los sistemas Clase III son
sensibles a cambios en la presión atmosférica. Se diseñan de modo que la
variación de presión a través del rango sea del orden de 400 Psi, a fin de que
el error barométrico se haga despreciable.

50. •Clase V (actuados por mercurio):
Este sistema es definido como un sistema completamente lleno de
mercurio o una amalgama de mercurio-talio y que opera bajo el principio de la
expansión de los líquidos. Los métodos utilizados para la compensación de la
temperatura ambiente, son los mismos que se utilizan en la Clase I. De esta
forma se obtienen las clases VA y VB
La ecuación de diseño es la misma de la Clase I:

51. •Clase V (actuados por mercurio):
La diferencia mas notable con el caso de la Clase I consiste en la
variación de γ y ΔV pues aquí se toman los valores: ΔV= 0,04 a 0,1 cm³ y γ=
7,3x10¯⁵ F/ cm³, quedando:
Como se podrá observar de esta ultima ecuación, el tamaño del bulbo
es mayor que en el caso de la Clase I.
El rango de medición varia desde -39 C hasta 535 C, con una
exactitud de 0,5% a 1% y su respuesta es lenta.

52. Clasif.
sama
Tipo
Compen.
Tipo
llenad
Temperatura
Lineal
Escala
Resp.
Efect
Cabez
Sobre
Rango
Min. Máx.
I No comp.
Liquido -125 600 Lineal 6-7s
Grande
compensa
ción
requerida
150%
IA Completa
IB Caja
IIA
No
requerida
Vapor
-40 600
Escala
aumenta con
aumento de
temperatura
4-5 s
excepto
alreded
temp
amb.
Aprec. Nada
IIB
IIC
IID
IIIA Completa
Gas -400 1400 Lineal 4-7s Ninguno 150-300%
IIIB Caja
VA Completa
Mercurio
-35 1200
Lineal 4-5s Aprec. 150%
-35 600VB Caja

53. En los termómetros de resistencia el alambre metálico va enrollado
sobre unas laminas de mica o sobre una varilla de cerámica, colocando el
conjunto en el interior de un tubo resistente al calor y a la corrosión. Esta clase
de termómetros ha sido sustituida por los que emplean cuarzo como material
de soporte por cuanto este tiene también excelentes propiedades aislantes y
es resistente a la temperatura y al ataque de gran cantidad de sustancias
químicas.

55. Rt= resistencia a T °C, en ohmios
Ro= resistencia a 0 °C, en ohmios
α= coeficiente de temperatura de resistencia

56. El conductor de la resistencia no puede estar formado por cualquier
material, se requiere que tenga ciertas características que garanticen alta
sensibilidad, precisión, facilidad en el proceso de fabricación y rapidez de
respuesta. Dichas características son:
•Alto coeficiente de temperatura a la resistencia.
•Alta resistividad.
•Relación lineal resistencia-temperatura.
•Rigidez y ductilidad.
•Estabilidad de las características durante la vida útil del material.

58. Cada uno de estos materiales tiene ventajas y desventajas y su
selección depende de un orden de prioridades en las características. El platino
garantiza precisión y estabilidad pero su costo es muy elevado; generalmente
se usa la sonda Pt-100, la cual tiene una resistencia de 100 ohmios a una
temperatura de 0 °C. Respectivamente la Pt-200 tiene una resistencia de 200
ohmios y la Pt-500 de 500 ohmios, todas a 0 °C.
El níquel es económico, posee una resistencia elevada con una alta
variación por grado pero su relación resistencia-temperatura es poco lineal y el
coeficiente de resistencia es muy variable. El cobre tiene variación de
resistencia uniforme, es económico y estable pero su resistividad es baja.
El wolframio se emplea para temperaturas superiores a 1000 °C. El
coeficiente de temperatura varía según las condiciones del elemento y por esto
la exactitud de estas mediciones no es muy satisfactoria.

60. La medición de la variación de la resistencia debida a los cambios de
temperatura, se efectúa ordinariamente con un Puente de Wheatstone o con
un Galvanómetro Diferencial. Cuando se emplea el Puente de Wheatstone, se
utilizan los montajes denominados de dos hilos, de tres hilos o de cuatro
hilos, según sean los hilos de conexión de la sonda de resistencia al puente.

61. •Montaje de dos hilos: La sonda de
resistencia se conecta a uno de los brazos del
puente, se hace variar el valor de una de las
resistencias (R3) hasta que el galvanómetro
no indique desviación; en ese momento se
cumple la siguiente relación:
Donde X es el valor de la termoresistencia, el cual
se obtiene despejando de la ecuación anterior:

62. El valor de la resistencia indica
indirectamente el grado de temperatura. Este
montaje es sencillo, pero las mediciones
presentan error debido a que la resistencia de los
conectores de la sonda al puente varía con los
cambios de temperatura. Tomando en cuenta
esto, la ecuación de balance es:
Donde:
K: coeficiente de resistencia por unidad de
longitud.
a y b: longitudes de los conectores de la sonda al
puente.

63. •Montaje de tres hilos: En este circuito la
sonda esta conectada al puente mediante tres
hilos, evitando de esta manera que la medida
se afecte por la longitud de los conductores o
por la temperatura, pero las resistencias de
los hilos “a” y “b” deben ser iguales.
Donde:
K•a = K•b
Haciendo R2/R1=1, R3 puede ajustarse a
un valor igual a X para que el galvanómetro no
indique desviación alguna.

64. •Montaje de cuatro hilos: Se utiliza cuando se requiere una alta precisión
en la medida de la temperatura.

65. Están generalmente compuestos de materiales semiconductores y la
mayoría de ellos tienen un coeficiente de temperatura alto con resistencia
negativa, es decir, su resistencia disminuye al aumentar la temperatura.

66. Rt= resistencia a la temperatura absoluta Tc, en ohmios
Ro= resistencia a la temperatura absoluta To, en ohmios
β= constante, dentro de un intervalo de temperatura moderado

68. Aplicaciones:
•Medición de temperatura: utilizando un medidor en un Puente de
Wheatstone, se pueden obtener mediciones bastante exactas, estando
estas limitadas por la mayoría de los casos por el instrumento indicador.
También puede utilizarse este sistema para mediciones a distancia.

69. Aplicaciones:
•Compensación de medidores: también se encuentran aplicaciones en los
instrumentos de medición, en los cuales la temperatura puede cambiar las
características de sus componentes; por ejemplo, la resistencia eléctrica
de la bobina de un galvanómetro puede variar con la
temperatura, restringiendo su uso a temperaturas elevadas.

70. Aplicaciones:
•Control de temperatura: disponiendo de un termistor cuya curva
resistencia-temperatura sea conocida, y de un resistor variable calibrado
en temperatura, puede diseñarse un sistema para mantener temperatura
constante. En la figura al colocar el resistor a una temperatura dada, se
produce un desbalance en el puente, la corriente producida alimenta a un
amplificador el cual actúa sobre un relé que permite una acción de control
hasta que el termistor censa la temperatura deseada y balancea
nuevamente el puente.

71. Aplicaciones:
•Control de temperatura

72. Aplicaciones:
•Termómetros diferenciales: en un Puente de Weatstone pueden colocarse
dos termistores que pueden ser usados para indicar una temperatura
diferencial.

73. Los termopares se basan en un efecto termoeléctrico, el efecto
Seebeck. Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales
distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la
diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto
caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión
fría o de referencia.

74. •Efecto Seebeck:
El Efecto Seebeck es una propiedad termoeléctrica descubierta en
1.821 por el físico alemán Thomas Johann Seebeck que establece que en un
circuito formado por dos metales diferentes unidos en sus extremos, fluye una
corriente eléctrica si las juntas están a diferentes temperaturas.

75. •Efecto Peltier:
El Efecto Peltier, descubierto por Peltier en el año de 1.834, implica la
liberación o absorción de calor en las juntas de dos metales diferentes cuando
una corriente fluye a través de sus juntas. Si la dirección de la corriente es
invertida, el signo del efecto calórico también se invierte.

76. •Efecto Thompson:
Se conoce como Efecto Thompson a una propiedad termoeléctrica
descubierta en 1.851 por William Thompson (Lord Kelvin) en el que comprende
la absorción o liberación de calor cuando existe un flujo de corriente a través
de un metal homogéneo en el cual existe un gradiente de temperatura.

77. •Efecto Joule:
La materia ofrece cierta “resistencia” al movimiento de los electrones,
los cuales ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques. Esta
energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor. Este
efecto es conocido como Efecto Joule en honor a su descubridor, el físico
británico James Prescott Joule, que lo estudio en la década de 1.860.

78. •Ley de los circuitos homogéneos:
En un circuito formado por un solo metal, la f.e.m. generada es cero,
cualquiera que sean las temperaturas en los diferentes puntos del circuito
termoeléctrico.

79. •Ley de los metales intermedios:
La suma algebraica de las fuerzas electromotrices térmicas en un
circuito compuesto de cualquier numero de metales distintos es cero, si todo el
circuito se encuentra a una temperatura uniforme.
Si se interrumpe el circuito en una junta y se intercala un nuevo
metal, la f.e.m. permanece constante a condición de que el nuevo
metal quede a la temperatura que había en el punto de interrupción.
Si se interrumpe un circuito en un punto intermedio y se intercala un
nuevo metal, la f.e.m. permanece constante a condición de que los
extremos del nuevo metal queden a temperaturas iguales entre si.

81. •Ley de la temperaturas sucesivas o intermedias:
La f.e.m. generada en cualquier termopar de metales homogéneos con
sus juntas a dos temperaturas T1 y T3, es la suma algebraica de la f.e.m. del
termopar con una junta a temperatura T1 y la otra a T2 y la f.e.m. del mismo
termopar con sus juntas a temperaturas T2 y T3.

82. Los termopares son fabricados de alambre aislados eléctricamente y
cuyo extremo pueden unirse por medio de varias técnicas, a saber soldadas a
punto, entorchadas y soldadas.
El calibre del termopar incide en la respuesta del mismo, entre mas
pequeño es el alambre mayor la velocidad de respuesta. Por otro lado, el
tamaño de alambre es importante para la resistencia mecánica cuando es
necesario por razones de auto soporte. Pero entre mayor es el diámetro del
alambre mayor es el efecto de conducción del calor en la junta de medición,
este aspecto puede ser de importancia sobre todo en las mediciones que
requieren una inmersión muy pequeña de termopar.

83. El material de los termopares se debe seleccionar por:
•Su buena resistencia a las atmosferas corrosivas y oxidantes y el rango de
temperatura que se va a usar.
•Su resistencia al cambio de características que afecten su calibración.
•Por estar libres de corrientes parasitas y por permitir la consistencia en las
lecturas dentro de los limites de precisión requerida.
En aplicaciones industriales, la elección de los materiales empleados
para fabricar un termopar depende de:
•El rango de temperatura que se va a medir.
•El tipo de atmosfera a la que estará expuesto el material.
•De la precisión requerida en la medición.

84. •Composición: existe una gran variedad de materiales que pueden
seleccionarse para realizar un termopar, sin embargo, en su selección
deben considerarse algunas características:
Que desarrollen un f.e.m. relativamente alta.
Que sean estables.
Bajo costo y disponibilidad.
Curvas de tensión-temperatura lineales.
Alto poder termoeléctrico.

85. •Tamaño: el tamaño del termopar debe ser adecuado a la aplicación que se
la va a dar. Normalmente, cuando los cables de los termopares son de
diámetro pequeño, tienen una velocidad de respuesta mayor a los cambios
de temperatura.

86. Tipo
ANSI-
ISA
Combinación de
metales
Códigos de los termo-
elementos
Rangos de
temperatura
Límite de error
Atmósfera de Aplicación
Standard Especial
Termocuplas metálicas
J Hierro/ constantan
JP
JN
- 73ºC a 427ºC
427ºC a 760ºC
±2,2ºC
(± ¾ %)
±1,1ºC
(±1/3%)
Donde existe la
deficiencia de oxígeno
libre. Reductoras
K Cromel/ Alumel
KP
KN
0ºC a 277ºC
277ºC a 1149ºC
-101ºC a -60ºC
±2,2ºC
(±¾ %)
±1.7ºC
±1,1ºC
(±3/8 %)
(±1%)
Oxidantes. En reductoras
si está protegido
T Cobre/ constantan
TP
TN
-75ºC a 93ºC
99ºC a 371ºC
±0,8ºC
(±¾ %)
(±¾ %)
(±3/8 %)
Húmedas, reductoras y
oxidantes
E Cromel/ constantan
EP
EN
0ºC a 316ºC
316ºC a 871ºC
±1,7ºC
(±1/2 %)
±1,1ºC
(±3/8 %)
Oxidantes. Se puede usar
en vacio
N Nicrosil/ Nisil
NP
NN
0ºC a 277ºC
277ºC a 1149ºC
±2,2ºC
(±3/4 %)
--
Termocuplas de metales preciosos
R
Platino-rodio/
platino
RP
RN
Disponible hasta
1480°C
Depende del
proveedor
-- OxidantesS
Platino-rodio/
platino
SP
SN
-18ºC a 538ºC
538ºC a 149ºC
±1,4ºC
(±1/4 %)
B
Platino-rodio/
Platino-rodio
BP
BN
Disponible hasta
1700°C
Depende del
proveedor

87. La construcción del termopar comprende el tipo de juntas, el método
para hacer la junta (soldadura blanda, soldadura dura, soldadura de punto) y la
protección y aislamiento para completar el termopar. La adición de cualquier
aislamiento o material de protección alrededor de la junta de medición,
incrementa el tiempo de respuesta del termopar.

88. Las juntas de medición del termopar pueden ser formadas por
cualquier método que provea la resistencia mecánica necesaria y el perfecto
contacto eléctrico. Los cables deben ser retorcidos entre si antes de soldarse
para incrementar la resistencia de las juntas.

89. •Bloque terminal: es un bloque de material (cerámica, en la mayoría de los
casos) que se emplea para soportar y conectar los terminales de los
alambres del termopar y su extensión.

90. •Cabezal de conexión: pieza metálica en la cual se aloja el bloque terminal
del dispositivo sensor de temperatura. Contiene una tapa roscada de cierre
hermético para proteger de la intemperie las conexiones hechas sobre el
bloque terminal.

91. •Extensión del cabezal de conexión: es un tubo o pieza de unión roscado o
un conjunto de piezas de unión que se extienden entre el cabezal de
conexión y el termopozo.

92. Son tubos diseñados para alojar el elemento sensor de temperatura y
protegerlo de los efectos nocivos del medio. Son fijados a la cabeza de
conexión, pero no son diseñados para lograr una fijación hermética en
recipientes. Estos tubos pueden ser provistos de una boquilla roscada
(busking) o de una brida (flange) para su fijación. Pueden ser:
•Tubos metálicos: ofrecen adecuada protección mecánica a los termopares
hasta temperaturas de 1.149 C. Debido a que estos tubos son algo
porosos a temperaturas que exceden los 816 C, puede ser necesario en
algunos casos el uso de un tubo interior de material cerámico.

93. •Tubos metal-cerámico: están compuestos de una combinación de un
metal y un oxido metálico (tal como 77% cromo, 23% oxido de aluminio)
los cuales, después de un debido tratamiento, forman tubos densos,
resistentes a la corrosión y útiles hasta alrededor de 1.427 C en la
mayoría de las atmosferas.
•Tubos cerámicos: son frecuentemente usados a temperaturas superiores
a los rangos de tubos metálicos, aunque algunas veces se emplean a
temperaturas mas bajas en atmosferas que son nocivas a los tubos
metálicos. Estos tubos encuentran gran aplicación en procesos de
fundición, secado y otros tipos, debido a su resistencia, sobre todo en
medios alcalinos. Una de las cerámicas mas utilizadas es la Silimanta
(63% Al2O3 y 37% oxido de silicio).

95. Consisten en barras solidas perforadas
provistas de roscas externas u otros medios para su
fijación hermética en recipientes a presión. Están
diseñadas para la protección del termopar en líquidos o
gases a altas presiones tales como en tuberías de
refinerías y plantas de fuerza a vapor, tanques
presurizados y estaciones de bombeo.
El uso de un termopozo en lugar de u tubo de
protección se hace imperativo a presiones superiores a
40 Psi, aunque pueden usarse a presiones mas bajas.

98. Cuando el termopar esta instalado a una distancia grande del
instrumento, no se conecta directamente al mismo, sino por medio de un cable
de extensión. Los cables de extensión son conductores con propiedades
eléctricas similares a las del termopar hasta ciertos limites (0 a 200 °C) y son
mas económicos.
Las conexiones entre el cable, el termopar y el instrumento deben ser
perfectas, sin empalmes en el cable, utilizando el hilo correcto y el conjunto de
la instalación debe evitar el paso próximo de fuentes de calor. Si estas
recomendaciones no se cumplen, aparecen tensiones térmicas de corriente
continua que dan lugar a un desplazamiento en la calibración del instrumento.

100. La fuerza electromotriz desarrollada en un termopar es proporcional a
la diferencia de temperatura entre sus juntas. Para medir la temperatura es
necesario conocer esta f.e.m. generada, cuyo valor no solo depende del tipo
de termopar sino también de la temperatura a la cual se mantiene la junta de
referencia.
Suponiendo que se dispone de un termopar de cobre-constantan (tipo
T) y que se conectara un voltímetro DC, se observara en primer lugar que este
crea dos juntas metálicas adicionales J2 y J3.

102. V3=0 ya que es una junta de cobre-cobre (mismo material). Es
evidente conocer la temperatura en J2 para determinar la temperatura en J1.
una solución sería colocar la junta J2 en hielo y mantener la temperatura en 0
°C, estableciendo así la junta J2 como junta de referencia. Como J3 y J4 no
producen voltaje, la lectura V del voltímetro será proporcional a la diferencia de
temperatura J1 y J2.

104. La lectura del voltímetro será:
V = (V1 - V2) ≈ α (Tj1 - Tj2); y, si las temperaturas están en C,
Tj1 ( C) + 273,15 = Tj1 (K); entonces:
V= (V1 - V2) = α [ (Tj1 + 273,15) - (Tj2 + 273,15) ]
= α (Tj1 – Tj2)
= α (Tj1 – 0)
V = α (Tj1)

105. Una vez ubicada la junta de referencia en un baño de hielo o en un
bloque isotérmico, los siguientes pasos para determinar la temperatura a la
cual esta la junta caliente son:
•Medir la temperatura de referencia (Tref) y convertirla en el voltaje
equivalente (Vref).
•Medir V y sustraerle el valor Vref para encontrar V1 y luego convertir V1 a
la temperatura Tj1.
Al proceso anterior podría denominársele compensación por pasos y
es necesario para eliminar el efecto de la junta de referencia.

106. La compensación electrónica consiste en insertar en el circuito de
termopar una batería o algún circuito electrónico para cancelar el voltaje de la
junta de referencia; de esta manera, la junta de referencia aparente estar a 0
°C y el voltaje V puede leerse directamente y ser convertido a la temperatura
equivalente usando las tablas correspondientes. Estos circuitos electrónicos
pueden emplearse en una amplia variedad de termopares, pero presentan la
desventaja de ser únicos para cada tipo de termopar.

107. Usos típicos en las industrias:
Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del
plástico, goma (extrusión e inyección ) y fundición de metales a bajas
temperaturas (Zamac, Aluminio). (-40 °C a 760 °C).
La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a
temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de
tratamientos térmicos.
Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria
siderúrgica (fundición de acero). Temperaturas elevadas.
Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de
alimentos.(-200 °C a 370 °C).

108. Ventajas Desventajas
No requiere alimentación.
La temperatura máxima que alcanza el
termopar debe ser inferior a la temperatura
de fusión del metal, por lo tanto hay que
elegir un modelo adecuado a los valores d
temperatura a medir, también debe
garantizarse que el medio en que se va a
medir no ataca a ninguno de los metales
de la unión.
Respuesta rápida a las variaciones de
temperaturas.
La relación Temperatura- Fem no es lineal
por lo cual se necesita de la
transformación de la temperatura a fem y
viceversa a través de unas tablas de
conversión.
Económicos y de amplio rango de
temperaturas de -200 ºC a +1700 ºC.
Su acondicionamiento requiere otro sensor
que mida la temperatura de referencia.
Determinación puntual de la temperatura;
amplia variedad de formas físicas
Mantener la unión de referencia a una
temperatura constante y conocida

109. Es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin
necesidad de estar en contacto con ella.
•Pirómetros ópticos: miden la temperatura de un cuerpo en función de la
radiación luminosa que este emite.
•Pirómetros de radiación: miden la temperatura del cuerpo captando una
gran parte de la radiación emitida por el mismo.

110. La teoría de los pirómetros se
basa en el hecho de que todos los
cuerpos arriba del cero absoluto de
temperatura irradian energía, de lo
cual parten para medir la temperatura
de los cuerpos. La radiación es un
modo de propagación de la energía a
través del vacío, de forma análoga a
la luz.

111. •Pirómetros ópticos:
Se emplean para medir temperaturas de objetos sólidos que superan
los 700ºC. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía
en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado
fenómeno del color de incandescencia. Se basan en la desaparición del
filamento de una lámpara al compararla visualmente con la imagen del objeto
enfocado.

113. Estos instrumentos son muy empleados tanto en el laboratorio como
en aplicaciones industriales para medir temperaturas superiores a 760 °C. Las
aplicaciones industriales dependen de la precisión deseada en la medición de
temperatura de objetos remotos e inaccesibles. Cuando no pueden emplearse
otros sistemas, estos pirómetros son muy útiles en la medición de temperatura
de metales y vidrios fundidos dentro de hornos, así como temperaturas de
superficies o de filamentos incandescentes.
Estos instrumentos presentan la ventaja de ser portátiles y fáciles de
operar y de adquirir, pero tienen la desventaja de no poder usarse para control
automático.

114. Los rangos normales de aplicación de estos instrumentos están entre
760 y 2.760 °C, pero su calibración puede ser extendida hasta los 5.538 °C,
utilizando lentes especiales.

115. Es importante observar que las mediciones con estos instrumentos son
independientes de la distancia entre el área y el punto de observación, cuando
la imagen del área observada es lo suficientemente grande para asegurar un
brillo definido que pueda compararse con el filamento o punto de referencia y
cuando el cono de rayos procedente del área a medir no es interceptado.
La precisión obtenida de un pirómetro óptico depende tanto del diseño
como del uso. Con algunos equipos pueden obtenerse precisiones de 0,2 °C.
Existen pirómetros de “desaparición de filamento” de uso industrial con los
cuales pueden lograrse medidas con una precisión de ± 2 °F hasta los 1.093
°C.

116. •Pirómetros radiactivos:
Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de
Stefan-Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de
un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la
temperatura absoluta del cuerpo, es decir W = σ·T
Donde:
W (potencia emitida)= flujo radiante por unidad de área,
σ= constante de Stefan-Boltzman (cuyo valor es 5.67 10-8 W/m²·K ) y
T= temperatura en Kelvin

117. •Pirómetros radiactivos:
Se diseñan para captar un amplio espectro de la energía radiante y
concentrarla en un elemento térmico muy sensible. Estos instrumentos miden
la intensidad de la radiación emitida por un objeto caliente dentro de un rango
de longitud de onda. Toda la energía radiante, visible e invisible, emitida por un
cuerpo hacia el instrumento, es concentrada por un lente de Pyrex, sílica o
fluoruro de calcio en una termopila formada por varios termopares de
pequeñas dimensiones y montadas en serie. La radiación se hace incidir
directamente sobre las uniones calientes de los termopares, los cuales son
ennegrecidos para aumentar sus propiedades de absorción de energía y
proporcionar la f.e.m. máxima.

119. Estos pirómetros están calibrados para dar una lectura correcta
cuando se enfocan sobre un “cuerpo negro”. La mayoría de los hornos y
calentadores industriales están lo suficientemente cerrados para aproximarse a
las condiciones de “cuerpo negro”. Los pirómetros de radiación pueden
utilizarse para medir la temperatura de objetos calentados fuera de recintos,
tales como placas de acero y otros metales; estos forman una capa de oxido
que los hace suficientemente opacos para que su poder emisor sea bastante
cercano al de un “cuerpo negro”. Sin embargo, pueden ocurrir grandes errores
en aquellos materiales de superficie limpia, tales como aluminio, níquel, acero
inoxidable y latón, los cuales, debido a su bajo coeficiente de emisión reflejan
un gran porcentaje de energía procedente de otras fuentes.

121. •Objetos en movimiento, tales como piezas de vidrio en una maquina
rotatoria.
•Medición de temperatura en zonas o superficies considerables, tales como
la de placas metálicas de gran tamaño en la industria metalúrgica.
•Medición en medios muy contaminantes y que limitan la vida de otros
sensores, tales como termopares y termómetros de resistencia.
•Medición en zonas de difícil acceso, tales como hogares de hornos.
•Mediciones de temperaturas que superan los rangos normales de
operación de los termopares.

122. Un pirómetro óptico puede utilizarse en las condiciones anteriores,
siempre y cuando no se requiera de control automático; el pirómetro de
radiación si satisface tal condición y se adopta para el control de procesos.