Ing. Msc. Luis Carlos Meneses

Transcripción

1 Ing. Msc. Luis Carlos Meneses

2 ÍNDICE: Introducción. Transductores de contacto. Fundamentos de radiación. Detectores de radiación. Comparativa Aplicaciones de la Termografía. El Mantenimiento Predictivo 2

3 Introducción. La medida de temperaturas es fundamental tanto en el control de procesos de producción como desde el punto de vista de control de estado en elementos (mantenimiento predictivo). Sistemas de medida de temperatura: Transductores de contacto Medidas sin contacto (radiación térmica) Ejemplos de aplicación en mantenimiento. Medida de temperaturas de cojinetes. Fallos de aislamiento térmico, rozamientos, cortocircuitos, etc. Medida de temperaturas en fluidos de sistemas tales como: intercambiadores de calor, refrigeradores, lubricantes, etc. El Mantenimiento Predictivo 3

4 Transductores de contacto: Termorresistencias. VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE UN METAL R(T) R(T) L R 0 0 /S 0 (T - T 0 ) dr dt Coeficiente de temperatura (sensibilidad) Si lineal: dr/r dt d / dt R(T) R0 R0(T - T0 ) R0 1 (T - T0 ) El Mantenimiento Predictivo 4

5 Transductores de contacto: Termorresistencias (cont.) Características Elevada estabilidad Gran precisión Medida de temperaturas absolutas Respuesta bastante lineal Auto calentamiento Baja resistencia Pequeño rango de medida Elevado tiempo de respuesta Coste El Mantenimiento Predictivo 5

6 Transductores de contacto: Termorresistencias (cont.) Platino R= 100 T 0 = 0 ºC Ecuación de Callendar-Van Deusen: Para T>0 ºC R=Ro(1+ T) - Ro( d(.01t)(.01t-1)) R (W) para Pt 0 ºC = W/W ºC d= No linealidad T (ºC) El Mantenimiento Predictivo 6

7 Transductores de contacto: Termorresistencias (cont.) Conexión con dos hilos Rx 100 W Pt R hilo R hilo Error debido al conductor: + V - V= Iref*(Rx + 2* R hilo ) Error= 2W/0,385= más de 5 ºC por 1W R hilo! Auto calentamiento: Señal de 0,5 V, I= 5mA; P=0,5*0,005=2,5 1 mw/ºc Error = 2,5 ºC! Conclusión: I ref= 5 ma Minimizar Iref, usar conexión con 4-hilos, anular R hilo El Mantenimiento Predictivo 7

8 Transductores de contacto: Termorresistencias (cont.) Conexión con cuatro hilos 100 W Pt Rx R hilo =1 W + - V I ref= 5 ma V= Iref*Rx El error no depende de R de la fuente ni hilos No sensible a cambios de R hilo Se requiere el doble de: Conductores Canales de medida Normalmente más lento que con 2 hilos El Mantenimiento Predictivo 8

9 Transductores de contacto: Termorresistencias (cont.) Conexión en puente de Wheatstone 1000 W 100 W 1000 W V 100 W Alta resolución (el voltímetro se utiliza en el rango más sensible) Salida no lineal Resistencias del puente cercanas a la fuente de calor El Mantenimiento Predictivo 9

10 Transductores de contacto: Termorresistencias (cont.) Conexión con 4 hilos en puente de Wheatstone V Mantiene el puente lejos de la fuente de calor Compensación de las resistencias de los hilos en dos ramas del puente El Mantenimiento Predictivo 10

11 Transductores de contacto: Termorresistencias (cont.) Conexión con 3 hilos en puente de Wheatstone 1000 W 1000 W 100 W V R hilo 1 R hilo 2 Sonda 3 hilos R hilo W Mantiene el puente lejos de la fuente de calor Compensación de las resistencias de los hilos Si R hilo 1= R hilo 2, errores mínimos debido al hilo 3 Menos preciso que con conexión de cuatro hilos El Mantenimiento Predictivo 11

12 Transductores de contacto: Termoresistencias (cont.) Dos hilos: El mas sencillo Influye la resistencia de los hilos falseando la temperatura. Tres hilos El más utilizado Si la resistencia de los hilos es la misma, los errores son mínimos. Cuatro hilos: Mayor precisión. Utilizado en el calibrado de patrones de medida. Mas complejo. Tipo Rango de temperatura (ºC) Deriva Tolerancia Linealidad Tiempo de respuesta Repetibilidad Termo resistencia Pt a 850 <0,05 ºC/año Gráfica (<4%) Excelente 0,4 s a 0,9 s en agua y hasta 38 s en aire ±0,03 ºC Ni a 180 0,3 ºC/año Gráfica (<8%) Buena ±0,05 ºC El Mantenimiento Predictivo 12

13 Transductores de contacto: Termistores. VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE UN SEMICONDUCTOR Ley de variación de la resistencia R(T)=R 0 exp(b/t-b/t 0 ) ln(r)=ln(r 0 )+B(1/T-1/T 0 ) dr/r=-dt B/T 2 =-B/T 2 (coef. de T negativo) Rango de temperatura (ºC) Deriva Tolerancia Linealidad Tiempo de respuesta Repetibilidad Temistor -50 a 150 (hay hasta 300 ºC) < 1ºC/año ±0,005 % Pobre Desde 1 s a 60 s ± 0,3% a ± 0,11% El Mantenimiento Predictivo 13

14 Transductores de contacto: Termistores (cont.) Características 5kW R hilo =1W R hilo =1W + - V I= 0.1 ma Elevada impedancia: conexión con 2 hilos Elevada resolución: 5 25 ºC DR = 4 %/ºC; poca influencia de R hilo Conexión con 2 hilos: V= I * (R + 2*R hilo ) Error debido a R hilo = 2 W/400= ºC Baja masa térmica elevado auto calentamiento Rango de medida limitado Muy no lineal El Mantenimiento Predictivo 14

15 Transductores de contacto: Termopares Efecto termoeléctrico (Seebeck, 1821) Ta Tx V V T x T a e(t)dt El sensor es el conductor y no la unión Diferencia de tensión en función del gradiente de temperaturas Coeficiente de Seebeck (e) es función de la T función no lineal El Mantenimiento Predictivo 15

16 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Elementos básicos Ta V Conductor B Tx Ta Conductor A V T x T a e A (T)dT T a T x e B (T) dt Dos conductores forman un termopar La tensión es distinta de cero si los conductores son de material diferente El Mantenimiento Predictivo 16

17 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Leyes adicionales Ta V Conductor A Tx Ta Conductor A V T T x a e A ( T ) dt T T a x e A ( T ) dt Tensión de salida es cero cuando: Dos conductores del mismo tipo Un conductor con la misma temperatura entre sus extremos El Mantenimiento Predictivo 17

18 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Medida con termopares a Fe Tx Teóricamente: Vab= f{tx-tab} b Con Usando un voltímetro Cu Fe Cu Fe V Tx = V Tx Cu Con Cu Con Resultado: 3 uniones diferentes a T desconocidas El Mantenimiento Predictivo 18

19 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Medida con termopares (cont.): Unión de referencia Problemas: 3 termopares diferentes Temperaturas desconocidas Solución: Incluir un termopar de compensación Usar una temperatura de referencia conocida Cu Fe Cu Fe V Con Tx V Con Tx Cu Fe Tref bloque isotermo Cu Fe Tref = 0 ºC El Mantenimiento Predictivo 19

20 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Termopar con unión de referencia V Cu Cu Fe Con Fe Tx Tref = 0 ºC Las uniones con Cu están a la misma T las dos baterías se cancelan La Tref es la T del hielo fundente La relación V-T esta referida a la T de fusión del hielo V= f{tx-tref} Cómo prescindir del hielo fundente? El Mantenimiento Predictivo 20

21 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Eliminación del hielo fundente Cu Fe V Con Tx Medida de Tref Compensación matemática de Tref V=f{ Tx Thielo - Tref Thielo } Conociendo Tref Thielo, se calcula Tx Cu Fe El Mantenimiento Predictivo 21

22 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Termopar con compensación de unión fría V Cu Fe Con Tx 2 Extensión del bloque isotermo Si isotérmico, V1-V2=0 Eliminación del segundo par (Tref) Cu Fe Tref Tx Cu Fe 1 V Tref 2 Con Cu 1 El Mantenimiento Predictivo 22

23 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Cables de extensión Posible problema Cables de extensión Conductores de hilo fino Más baratos, más robustos, pero no tienen la misma curva de respuesta del termopar. Unión cables de extensión/termopar cerca de la temperatura ambiente La señal más relevante se debe generar en el circuito donde se produce el gradiente de temperatura El Mantenimiento Predictivo 23

24 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Errores físicos: contacto térmico Sensor de superficie Masa térmica del sensor mucho menor que la del objeto a medir Tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico entre el objeto y el sensor Usar sensores apropiados en función del objeto Asegurar que el flujo de calor hacia el sensor proviene del objeto Presión adecuada para garantizar un buen contacto entre el sensor y el objeto El Mantenimiento Predictivo

25 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Características Tamaño pequeño. Rápida respuesta. Alta resistencia a la humedad. Económico. Alto rango de temperaturas. Sin alimentación exterior Necesidad de referencia Linealidad baja Baja tensión de salida Poca estabilidad y sensibilidad. El Mantenimiento Predictivo 25

26 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Termopares más usuales: Tipo de Termopar B Nombres de los materiales Platino30% Rodio (+) Platino 6% Rodio (-) Rango de medida (ºC) 0 a 1700 Tolerancia (ºC) T<600 ºC, 3ºC T>600ºC, 0,5% C Tungsteno 5% Renio (+) Tungsteno 26% Renio (-) 0 a 1800 E Cromo (+) Constantan (-) -200 a 900 T<333 ºC, 2,5ºC T>333ºC, 0,75% J Hierro (+) Constantan (-) -40 a 750 T<333 ºC, 2,5ºC T>333ºC, 0,75% K Cromo (+) Alumel (-) -200 a 1200 T<333 ºC, 2,5ºC T>333ºC, 0,75% N Nicrosil (+) Nisil (-) -40 a 1300 R Platino 13% Rodio (+) Platino (-) 0 a 1600 T<600 ºC, 3ºC T>600ºC, 0,5% S Platino 10% Rodio (+) Platino (-) 0 a 1600 T<600 ºC, 3ºC T>600ºC, 0,5% T Cobre (+) Constantán (-) -200 a 350 T<400 ºC, 3ºC T>400ºC, 0,75% El Mantenimiento Predictivo 26

27 Transductores de contacto: Termopares (cont.) Termopares más usuales: Tipo Rango de temperaturas (ºC) Deriva Tolerancia Linealidad Tiempo de respuesta Repetibilidad Termopar T -250 a 350 J -40 a 750 K -200 a 1200 <0,5 ºC/año a >11 ºC/año segun atm. trabajo, tamaño, envejecimient o T<400ºC ±3ºC T>400ºC ±0,75ºC T<333ºC ±2,5ºC T>333ºC ±0,75ºC T<333ºC ±2,5ºC T>333ºC ±0,75ºC Muy buena De 0,1 s a 3 s con aire en movimiento y de 0,4 s a 12 s sin aire ±0,11 ºC ±0,11 ºC ±0,11 ºC El Mantenimiento Predictivo 27

28 Transductores de contacto: Resumen. Termorresistencias Mayor precisión Mas estable Bastante lineal Cara Lenta Requiere fuente de I Auto calentamiento Medida con 4 hilos Termistores Alta señal salida Rápidos Medida con 2 hilos Muy no-lineal Rango limitado Requiere fuente de I Auto calentamiento Frágil Termopares Amplia variedad Baratos Amplio rango de T No auto calentamiento Medida difícil Solo T relativa No lineal Conectores especiales T absoluta T relativa El Mantenimiento Predictivo

29 Fundamentos de radiación. Todo cuerpo emite energía por estar a temperatura superior a 0 K. Se propaga en forma de onda electromagnética. Con velocidad igual a la de la luz en el vacío. Tiene capacidad de atravesar e interactuar con toda superficie. El Mantenimiento Predictivo 29

30 Fundamentos de radiación. Leyes de la radiación térmica: Ley de Kirchoff (1859): La razón entre el poder emisivo y el poder absorbente de un cuerpo no depende de la naturaleza del cuerpo, sino sólo de la frecuencia de la radiación y la temperatura E, T A, T, T, T 1 Ley de Stefan (1879) - Boltzman (1884): La radiación total de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura E T 5, E 0, T d T W/cm K El Mantenimiento Predictivo 30

31 Fundamentos de radiación. Ley de Wien (1893): 5 c, f / 5 E T E T c T ) max T cm / 3, c f ( / T ) K Ley de Planck (1900): 8 h c exp E, T 10 erg/cm hc / kt ) 1 El Mantenimiento Predictivo 31

32 Detectores de radiación. Pirómetro de infrarrojos Características: Medidores puntuales (valor promedio del área). Banda de medida grande ( m). Muy dependientes de la emisividad. Precisión baja. Pequeño tamaño. Bajo costo Dia mete of spot Distance to the objet 78.5 ºC Pirómetro infrarrojo y su resolución óptica El Mantenimiento Predictivo 32

33 Detectores de radiación. Escáner de línea infrarrojo Características: Sistemas de medida fijos Se combina la detección de radiación puntual y un sistema de barrido óptico lineal. Se obtiene un perfil de temperaturas a lo largo de la línea. Utilización: Monitorización en tiempo real Control de calidad en líneas de producción. Mejora de procesos de producción El Mantenimiento Predictivo 33

34 Detectores de radiación. Cámaras infrarrojas Sistema de captación de imágenes térmicas que representan la distribución superficial de temperaturas del objeto observado. E t atm o E o ) atm 1 o ) E amb atm ) E atm 1 El Mantenimiento Predictivo 34

35 Detectores de radiación. Cámaras infrarrojas Ventajas: Tiempo de respuesta rápido (adecuado para transitorios térmicos). Sin contacto medidas no intrusivas incluso en objetos móviles Medida simultanea en varios puntos mapas térmicos, puntos calientes Medida fácil en grandes y pequeñas superficies. Sin deriva en atmósferas peligrosas incluso a grandes distancias Inconvenientes Solo son capaces de medir temperaturas superficiales. Muy sensible a la emisividad superficial del cuerpo Gran influencia del entorno en la medida y ruidos de fondo. Linealidad pobre. Velocidad de registro dependiente del tamaño de imagen El Mantenimiento Predictivo 35

36 Detectores de radiación. Cámaras infrarrojas Aspectos medioambientales Región espectral de trabajo condicionada por la longitud de onda y la transmitividad de la atmósfera La humedad del aire condiciona la absorción de la radiación Características emisivas del material estudiado. Aspectos constructivos Solo son capaces de medir temperaturas superficiales. Elementos ópticos utilizados (transmisividad de las lentes). Detector infrarrojo (FPA,microbolómetros) y formación de la imagen térmica. Sistema de refrigeración El Mantenimiento Predictivo 36

37 Detectores de radiación. Cámaras infrarrojas Variación de la emisividad: La emisividad como propiedad del objeto y dependiente de la longitud espectral en que radia. Variación de la emisividad del objeto en función de su cambio de temperatura. Emisividad direccional. Rugosidad superficial. Ángulo de medida El Mantenimiento Predictivo 37

38 Detectores de radiación. Cámaras infrarrojas Beneficios de la aplicación de la técnica: Protección de equipos y componentes costosos. Velocidad de inspección y diagnóstico. Control de post-reparación. Incremento del tiempo de producción maximizando la disponibilidad de equipos Verificación de fiabilidad de equipos nuevos, señalando puntos de fallo. Monitorizado del proceso térmico y partes de alto riesgo El Mantenimiento Predictivo 38

39 Aplicaciones de la Termografía. Nivel en silos y su calentamiento. Desgastes por fricción. Fugas de calor y desgaste en refractarios de hornos. Cortocircuitos y fatigas en conductos eléctricos. Funcionamiento defectuoso en componentes automotrices. Revisión de circuitos y componentes electrónicos. El Mantenimiento Predictivo 39

40 Comparativa. Tabla comparativa Sistema Rango de medida (ºC) Precisión Tolerancia (ºC) Tiempo de respuesta (en aire) Deriva Coste de ad quisició n Termopares (Tipo K) -200 a ,1 ºC T 333 ºC 2,5ºC T 333ºC, 0,75% De 0,1 a 3 s Muy alta Bajo Termoresistencia -200 a 850 0,01 ºC 4ºC a 700ºC De 7 a 38 s Alta Alto Termistores -40 a 150 0,1 ºC 1ºC a 25ºC De 4 a 50 s Baja Medio Cámara termográfica -20ºC a 1000ºC 0,1 ºC 2ºC ó 2% Orden de s Baja Muy Alto Pirómetros infrarrojos -18 a 400 0,1 ºC 3ºC o 3% 500 msec (95% resp) Alta Medio El Mantenimiento Predictivo 40