Sensores de Temperatura para uso en la industria automotriz y aeroespacial

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1 Sensores de Temperatura para uso en la industria automotriz y aeroespacial Abstracto L. Oviedo Global Thermal Solutions June 2014 Los sensores de temperatura son usados en diversos procesos productivos del sector automotriz y aeroespacial. Éstos deben ser seleccionados, monitoreados y calibrados conforme a las especificaciones aplicables: estándar AMS2750 para la industria aeroespacial y CQI-9 para la automotriz. Las características, rangos de operación y aplicaciones de los sensores de temperatura son mostrados en éste artículo al igual que los requerimientos de precisión para ambas especificaciones. 1.-Información General y Requerimientos a) Definición de Termopar Un termopar es un sensor que consiste de dos conductores de características electro térmicas distintas. Estos conductores se encuentran unidos en un extremo, el cual está en contacto con el objeto a medir (unión caliente). En el otro extremo se emplea un voltímetro para medir la fem producida por la diferencia de temperaturas entre las dos uniones como se muestra en la figura 1 (unión fría). Figura 1 Ejemplo de una union caliente y fría en un termopar. Existen diferentes clasificaciones de termopares en función de su composición y fabricación como se describe a continuación (ver figura 2). Termopar Metal : Un termopar cuyos termoelementos están compuestos principalmente de es base y sus aleaciones: E, J, K, N y T. Termopar Metal Noble: Un termopar cuyos termoelementos están compuestos principalmente de es s y sus aleaciones (Ejemplo: platino/platino-rodio): R, S y B. Termopar Expandable : Son Termopares recubiertos de tejido o de plástico. El alambre viene en rollo y el aislante usualmente consiste de fibra de vidrio o cerámica en cada conductor y una recubierta exterior de fibra de vidrio. Termopar Non Expandable : Son Termopares que no están recubiertos de tejido o aislante plástico. Uno de los arreglos consiste de los elementos del termopar separados por aislantes cerámicos; en ocasiones esta configuración se inserta en un tubo para proporcionar estabilidad y protección. Un segundo tipo consiste de una combinación de termoelementos, aislante mineral y una funda metálica de protección. 1

2 El termopar construido con este arreglo por consiguiente está protegido pero posee flexibilidad, además de poder usarse en varias ocasiones sin presentar la descomposición del aislante. b) El Sensor de Temperatura Básico Cada tipo de termopar corresponde a diferentes composiciones de termo elementos, lo que determina directamente el rango de temperatura en el que se puede emplear (Tabla 1). Asi mismo, cada tipo de termopar tiene aplicaciones especiales para las cuales puede ser utilizado. Esto define la capacidad que tiene para medir temperatura en procesos específicos. Las aplicaciones para termopares pueden variar desde atmósferas oxidantes o reductoras hasta usos en hornos de vacío. Las aplicaciones más comunes para cada tipo de termopar se muestran en la tabla 2 a continuación. Figura 2 Tipos de sensores de temopar. Composiciones de Termoelementos Tipo Descripción Temperatura E Termoelemento positivo de chromel (90% Ni, 10% Cr) y termoelemento negativo de Constantan (45% Ni, 55% Cu) a 1600 F o -200 a 870 C J Termoelemento positivo de Fe and y termoelemento negativo de constantan (45% Ni, 55% Cu). 32 a 1400 F o 0 a 760 C K Termoelemento positivo de chromel (90% Ni, 10% Cr) y termoelemento negativo de Alumel (95% Ni, 5% Al y silicón) a 2282 F o -200 a 1250 C N Termoelemento positivo Nicrosil (Ni, 14% Cr, 1.5% silicón) y termoelemento negativo de nisil (Ni, 4.5% silicón, 0.1% Mg) a 2372 F o -263 a 1300 C T Termoelemento positivo de Cu y termoelemento negativo de constantan (45% Ni, 55% Cu) a 662 F o -200 a 350 C R Termoelemento positivo de Pt c/13% Rh y termoelemento negativo de Pt puro. 32 a 2642 F o 0 a 1450 C S Termoelemento positivo Pt/10% Rh y termoelemento negativo de Pt puro. 32 a 2642 F o 0 a 1450 C B Termoelemento positivo Pt c/30% Rh y termoelemento negativo de Pt c/6% Rh. 32 a 3092 F o 0 a 1700 C. Tabla 1 Composiciones de Termoelementos 2

3 TIPO TERMOPAR EXTENSIÓN USOS IMAGEN COMP. IMAGEN COMP. J Fe Cu-Ni Adecuado para usos en vacio y para atmosferas oxidantes,reductoras o inertes. No usar sobre 560 C en atmósferas con azufre o debajo del punto de congelamiento ya que produce fragilidad y oxidación del hierro. Uso limitado a altas temperaturas. K Ni-Cr Ni-Al Uso en atmosferas oxidantes o completamente inertes. La resistencia a la oxidación es mejor que en los tipos E, J y T. No para usos atmósferas de vacío, reductoras o sulfurosas. Tiene un amplio rango de temperaturas para uso. E Ni-Cr Cu-Ni Uso en atmósferas inertes u oxidantes, en reductoras y de vacío tiene la misma limitación que el tipo K. Son útiles para mediciones bajo cero. No muestran corrosión en atmósferas con alto contenido de humedad. T Cu Cu-Ni Resistente a la corrosión en atmósferas con humedad y apropiado para mediciones bajo cero. El uso en aire o ambientes oxidantes está restringido debido a la oxidación del termoelemento de cobre. El uso en atmósferas inertes, oxidantes, reductoras o de vacío únicamente dentro del rango de a 370 C. S Pt- 10%Rh Pt Para uso continuo en atmósferas inertes u oxidantes. No insertar directamente en un tubo protector metálico. Susceptible a la contaminación. Para uso a alta temperatura. R Pt- 13%Rh Pt Para uso continuo en atmósferas inertes u oxidantes. No insertar directamente en un tubo protector metálico. Susceptible a la contaminación. Para uso a alta temperatura. B N Pt- 30%Rh Ni- 14.2%Cr- 1.4%Si Pt-6%Rh Ni- 4.4%Si- 0.1%Mg Tabla 2 Aplicaciones para Termopares. Recomendado para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes sobre 870 C. Apropiada para uso a corto plazo en vacío y nunca deberá usarse en atmósferas reductoras o con contenido de vapores metálicos o no metálicos. No insertar directamente en un tubo protector metálico. Muestra menos crecimiento de grano y menor desviación durante la calibración. No usar en atmósferas de vacío o reductoras sin la configuración de funda metálica. Menores desviaciones por 1000 C. Una alternativa para los tipo K, no muestra el corto rango que tiene éste. Mayor estabilidad a altas temperaturas. 3

4 c) Aislantes La función del aislante es separar los dos conductores para evitar una lectura secundaria indeseable al hacer contacto en cualquier otro punto del sensor. El material aislante puede afectar la vida y el desempeño en general del sensor. El aislante de los conductores (alambres individuales): Aislan los dos termoelementos y el material se define por el ambiente al que estarán expuestos. Aislante Total (Ambos alambres): Provee una protección total al sensor y se determina por el tipo de uso y la exposición que tendrá. Opciones de aislante: Plástico, fibra de vidrio, cerámico, silica, funda metálica o funda metálica y rellena de cerámico. d) Selección de Sensor de Temperatura Una combinación de varios factores influye en la aplicación exitosa de un sensor. Pureza del material del sensor Calidad de fabricación Temperatura de exposición Ciclos térmicos Exposición química Tipo de aislante Posibilidad de abuso físico al sensor El ambiente al cual el termopar es expuesto afecta directamente su tiempo de vida e incluso su precisión, por lo tanto es de suma importancia trabajar con un aislante adecuado para el ambiente al que será expuerto: Atmosfera. Aire, Vacio, etc. Temperaturas extremas Posible daño mecánico Consideraciones generales Para seleccionar el sensor correcto de una aplicación, se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones: Cuáles son las temperaturas máximas y/o mínimas a las que el sensor será expuesto? Cuál es la atmósfera del horno? Cuáles son las especificaciones del proceso y las tolerancias permitidas para el error? Cuánto tiempo se espera que corra el proceso de medición? Cuál es el tiempo de vida esperado del sensor? Existe un Límite de costo? Se tiene experiencia en el manejo correcto de sensores? Por ejemplo un sensor usado para monitoreo y control de proceso a largo plazo requerirá de un cable de calibre chico (mayor grosor). Esto aportará mayor protección mecánica y contra la corrosión en comparación con un sensor de carga que puede ser más económico pero tiene un tiempo de vida más corto. e) Requerimientos específicos AMS2750E indica que la temperatura deberá ser medida por un termopar o un sensor de temperatura equivalente que posea una precisión igual o mejor que los establecidos en la tabla 2 de la norma. La conversión de mv a grados deberá ser acorde a ASTM E230 o cualquier otro estándar nacional. Por otro lado, CQI-9 menciona que los termopares serán seleccionados de acuerdo al uso que tendrán. Dependiendo del proceso a controlar, deben considerarse las situaciones que puedan tener impacto sobre el desempeño del termopar, como la atmósfera, la temperatura o las interferencias eléctricas. 4

5 2.- Aplicaciones de Termopar Para CQI-9 y AMS2750 a) Primario y Secundario El Primario es usado unicamente para la calibración de estándares secundarios, sensores de prueba, sensores de carga y/o sensores de control/ registro/ monitoreo. Son exclusivamente compuestos de es s. El estándar Secundario por otra parte también es usado para calibración de sensores de prueba, sensores de carga y sensores de control/registro/monitoreo. Éstos pueden ser expandable o non-expandable y de base o. b) Pruebas de Pirometría (SAT y TUS) Son aquellos utilizados específicamente para pruebas de uniformidad de temperatura (TUS) o pruebas de precisión del termopar (SAT). Pueden ser termopares expandable o non-expandable, de base o. Sus requerimientos de precisión varían en función de la especificación ( Ver tabla 3). c) Sensores de Control, Monitoreo y Registro Un sensor de control es el que se encuentra conectado al controlador de temperatura del horno. Asi mismo, un sensor de monitoreo está conectado al sistema de monitoreo y, a su vez un sensor de registro se encuentra conectado al registrador. De acuerdo a AMS2750E, estos sensores deberán ser instalados en el equipo de procesamiento térmico lo más cerca posible de las zonas de trabajo. CQI-9 menciona que los termopares de Control, Monitoreo y Registro deberán cumplir con la tabla 3.1.1, la cual resume los requerimientos de estos sensores en sus diferentes modalidades. d) Sensores de Carga Un sensor de carga es un sensor de temperatura que se encuentra adjunto o en contacto con el material de producción. Su función es la de medir y proveer información de temperatura respecto al material que está siendo procesado. AMS2750E menciona que los sensores de carga pueden usarse como sensores de control siempre y cuando cumplan los requerimientos de la sección Conforme a CQI-9, la tabla define los requerimientos para este tipo de sensor. 3.-Calibración de Termopares a) Requerimientos de Calibración La técnica de calibración usada deberá ser acorde a ASTM E 220, ASTM E 207 u otro equivalente nacional. En la Tabla 3 a continuación, se resumen los diferentes requerimientos en función a la especificación aplicable. b) Certificado de Calibración Cada sensor calibrado deberá contar con un certificado que contenga la siguiente información: Fecha de Calibración La procedencia de la información de calibración Temperatura Nominal de prueba Lectura de la temperatura real Técnica de calibración Factor de corrección para cada temperatura de calibración trazable a NIST o la desviación (error) El certificado deberá mostrar claramente y sin ambigüedad si se reporta el factor de corrección o la desviación. 5

6 Sensores de Referencia Tipo de Sensor Requerimientos de Calibración Periodo de Uso Calibración Calibrar Contra Error Máximo Permitido CQI-9 AMS2750 CQI-9 AMS2750 CQI-9 AMS2750 CQI-9 AMS2750 CQI-9 AMS2750 NA R y S, NA Calibración estándar primario NA 5 años NA NIST/Estánd ar Referencia NA Ninguno Primario Tipos R y S R y S, Calibra ción estánd ar secund ario. Calibración estándar secundario. primer uso y recalibrar cada 3 años 3 años Referenci a Referencia ±1.0 F(±0. 6 C) o ±0.1% ±1.0 F(±0.6 C) o ±0.1% Secundario base o tipos S y R o B S y R o B Calibra ción termop ar de prueba. Calibración de Sensores Recalibración:. Tipos S,R y B: 2 años : Prohibida la recalibración, reemplazar cada año. Recalibració n: R y S: 2 años : 1 años B: 2 años primario primario :±2 F(±1.1 C) o ±0.4% Noble Metal: ±1.0 F (±0.6 C) o ±0.1% Tipo B: ±1.0 F (±0.6 C) or ±0.25% :±2 F(±1. 1 C) o ±0.4% Noble Metal: ±1.5 F (±1.0 C) o ±0.25% Tipo B: ±1.0 F (±0.6 C) o ±0.5% Prueba de Uniformidad de Temperatura Prueba de Precisión del Termopar Tipos R,B y S y. y tipos B, R y S S y R S y R TUS SAT TUS SAT Reemplazar o recalibrar cada dos años. Reemplazar o recalibrar R, S y B: 2 años Metal : Acorde a la table Recalibració n: R,S y B: 6 meses : 3 meses Tipos E y K no permitidos. secundari o secundari o secundario secundario ±2 F (±1.1 C) o ±0.4% ±2 F (±1.1 C) o ±0.4% ±4 F (±2.2 C) o ±0.75% Metal: ±2 F (±1.1 C) o ±0.4% Noble Metal:±1.5 F (±1.0 C) o ±0.25% o tipo R y S ±0.25% y tipo B ±0.50% Control, Registro y Monitoreo tipos K, N, J, E o Noble tipos S, R and B S y R Instalac ión en equipo Instalación en equipo Reemplazar anualmente base uso sobre 760 C y cada dos años uso debajo de 760 C y base. secundari o secundario ±2 F (±1.1 C) o ±0.4% Class 1&2: ±2 F (±1.1 C) o ±0.4% Class 3 a 6: ±4 F (±2.2 C) o ±0.75% Sensores de Carga y tipos B, R y S S y R Sensor de carga Sensor de carga Recalibración: Tipo B, R y S: 6 mses. Metal base: reemplazar acorde a Recalibración prohibida. Recalibració n: Tipos B, R y S: 6 meses. Otros es base: No permitido. secundari o secundario ±2 F (±1.1 C) o ±0.4% ±4 F (±2.2 C) o ±0.75% Tabla 3 Requerimientos de Calibración de Termopares por AMS2750E y CQI-9 rev 3. 6

7 4.- Reúso de Termopares a) Requerimientos de Reúso para AMS2750 AMS2750E permite el reúso de termopares bajo ciertas circunstancias y solamente para ciertos tipos de termopares. El reúso de cualquier termopar se puede realizar siempre que el aislante, los elementos y la unión se encuentren intactos. La recuperación de termopares dañados puede realizarse cuando la porción dañada en los tipos K y E sea cortada y se vuelva a re-hacer la unión caliente. La formula U es una forma sencilla de determinar la capacidad que tiene el termopar de ser reutilizado. Los sensores de prueba expandable de base pueden reusarse si al aplicar la fórmula U su valor no excede de 30. Un uso se define como un ciclo de calentamiento y enfriamiento del termopar. U=Número de usos debajo de 1200 F(650 C) + 2 veces el número de usos de 1200 F(650 C) a 1800 F(980 C). Los termopares expadable de base deberán limitarse a un solo uso cuando se emplean por arriba de los 1800 F (980 C). El factor U no aplica para: Sensores Non expandable y sensores de carga expandable de base b) Requerimiento de Reúso para CQI-9 CQI-9 permite el reúso de termopares siempre y cuando cumplan con los requisitos de la tabla del documento, donde el máximo número de usos está definido por el tipo de termopar y sus aplicaciones especificas (ver la Tabla 4 a continuación). Para esta especificación, los Termopares de base para SAT o TUS que se encuentren dañados no podrán ser reusados. El reuso de los termopares tipo K y E está permitido si la profundidad de inserción es igual o mayor que la de cualquier uso previo. Tipo de Termopar Uso Temperatura de Operación Máximo de Usos Permitidos Desechable Metal TUS/SAT 980 C (1800 F) 15 Desechable Metal TUS/SAT >980 C (1800 F) 1 Desechable Metal Control Todas 1 Desechable Metal Monitoreo/Registrador/Sensor >650 C (1200 F) 1 de Carga (4) Desechable Metal Monitoreo/Registrador/Sensor 650 C (1200 F) 30 de Carga (4) Reusable Metal TUS/SAT/Sensor de Carga 980 C (1800 F) 180 Reusable Metal TUS/SAT/Sensor de Carga >980 C (1800 F) 90 Tabla 4 Usos permitidos para reuso de termopares por CQI-9 7

8 5.- RTD Los detectores de resistencia (RTD) son sensores de temperatura que contienen un resistor en donde el valor de la temperatura corresponde a la variación en la resistencia eléctrica. Usado en laboratorios y algunos procesos industriales particulares, tiene una gran reputación por su precisión, repetibilidad y estabilidad. El campo de visión es el ángulo en el cual el instrumento opera y se determina por la óptica de la unidad. Para obtener lecturas con precisión, es necesario que el objetivo a medir cubra por completo el campo de visión del pirómetro como muestra la figura 3. Los RTDs ofrecen varias ventajas: Un amplio rango de temperaturas (-50 a 850 C) Mejor precisión que termopares Estabilidad a largo plazo Resistencia del Cable Conductor Ya que el RTD es un sensor de resistencia, cualquier resistencia adicional en los cables que conducen la señal a la instrumentación añadirá cierto error a las lecturas. 6.-Medición de Temperatura de No Contacto Los termómetros infrarojos permiten al usuario medir temperatura donde no se pueden utilizar sensores convencionales. Específicamente en casos donde se trabaja con objetos en movimiento o donde se requiere medición en ambientes peligrosos. También se emplean cuando las distancias son muy grandes o las temperaturas muy altas para emplear sensores de contacto. Las consideraciones críticas para cualquier pirómetro infrarojo incluyen el campo de visión, el tipo de superficie a medir (consideraciones de emisividad), respuesta espectral, rango de temperatura y montaje. a) Campo de Visión b) Emisividad Figura 3 Campo de Visión La emisividad se define como la cantidad de energía irradiada por uno objeto en relación con la emitida por un cuerpo negro perfecto. La emisividad de un cuerpo negro es 1.0 (Todos los valores de emisividad caen entre el rango de 0.0 a 1.0). Adicional a la emisividad, se debe considerar la reflectividad (R), que es la habilidad que tiene un objeto para reflejar energía infraroja. Por útimo, se debe contemplar la Transmisividad (T), que es la habilidad que tiene un objeto para que la energía infraroja pase a través de él. La energía total de un cuerpo estará definida entonces por la siguiente realación: c) Respuesta Espectral E + T + R= 1.0 La respuesta spectral es el ancho del espectro infrarojo que cubrirá el instrumento. Los pirómetros de uso general (Temperaturas debajo de 1000 F) trabajan en un espectro de entre 8 y 14 micrones. Algunas unidades usan filtros más anchos entre 8 y 20 micrones, pero todo esto depende en la aplicación para la que serán usados, al igual que el rango de temperatura del proceso. 8

9 d) Montaje Los pirómetros pueden ser de dos tipos: fijos o portátiles. Por lo general, los fijos se montan cerca del objeto a medir se fijan en un solo punto donde continuamente medirán el objetivo. La salida de éste dispositivo puede ser local o remota para analizar la información directamente o en una pantalla adicional. Por otro lado, también existen las aplicaciones infrarojas portátiles. Estas unidades tienen todas las características de los fijos pero sin la posibilidad de la salida analógica para propósitos de control. Generalmente se usan para mantenimiento, diagnósticos y medidas en zonas específicas para procesos críticos. 7.- Bibliografía SAE Aerospace. Aerospace Material Especification AMS2750 Rev.E. Pyrometry AIAG. CQI-9 Special Process:Heat Treat System Assessment. Version ASTM. Manual on the Use of Thermocouples in Temperature Measurement. Fourth Edition. MNL-12. Philadelphia R.P. Benedict. Fundamentals of Temperature Pressure and Flow Measurements. 3 rd Edition. John Wiley & Sons Inc e) Calibración Es requerimiento de CQI-9 rev 3 que los pirómetros se calibren al menos una vez al año contra un cuerpo negro certificado ante NIST o cualquier otro estándar nacional dentro de los rangos de temperatura para su aplicación. 9