Ubicación de termopares y RTDs

Contenido

1. Introducción
2. Principios clave para una colocación precisa del sensor
3. Mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación
4. Temperatura de estancamiento en corrientes de gas de alta velocidad
5. Resumen

La medición precisa de la temperatura depende de colocar el sensor de manera que asegure que alcance la misma temperatura que el medio que se mide. En otras palabras, buen contacto térmico y pérdidas de calor mínimas a lo largo del tubo de protección, los soportes o el cableado interno son esenciales (véase Figura 4.1).

Principios clave para una colocación precisa del sensor

Para lograr mediciones de temperatura confiables, siga estos tres principios esenciales:

1. Asegure un buen acoplamiento térmico
   Para fluidos:
   
   • Coloque el sensor en la región de mayor velocidad de flujo.
   • Prefiera la orientación de flujo cruzado para una mejor capacidad de respuesta.
   • En fluidos de movimiento lento, considere aletas externas para mejorar la transferencia de calor.
   Para sólidos:
   
   • Inserte los sensores en orificios de ajuste ceñido.
   • Use compuestos térmicos como cementos, rellenos, grasas de transferencia de calor o líquidos de alta conductividad.
   Para superficies:
   • Use almohadillas térmicas, pastas conductoras, o uniones soldadas para un mejor contacto térmico.
2. Minimice los errores por conducción de calor

   Evite el flujo de calor a lo largo de los soportes y cables mediante:

   • Maximizar la profundidad de inmersión del sensor (véase la Figura 4.2).
   • Usar vainas de acero inoxidable de pared delgada o soportes con alta resistencia térmica axial.
   • Seleccionar cables de conexión de pequeño diámetro y baja conductividad térmica.
   • Hacer pasar los cables a lo largo de la superficie durante cierta distancia antes de desviarlos, para reducir la conducción.

Figure 4.2: Importance of Sensor Immersion Depth


3. Minimice la perturbación de temperatura inducida por el sensor

   En algunos casos, el propio sensor puede alterar la distribución natural de temperatura del medio

   • Mantenga el tamaño del sensor pequeño en relación con el área de medición.
   • Ajuste la forma del sensor a la geometría de la superficie.
   • Use aislamiento o blindaje para aislar el sensor de influencias externas.

   Ejemplo:

   Para mediciones de superficie en una tubería, si la tubería es:
   • De pared delgada y conductora
   • Transporta fluido con diferencia de temperatura suficiente y flujo estable
   ...entonces un sensor montado en superficie con aislamiento puede proporcionar lecturas precisas.

   ⚠️ Nota: Los RTD pueden sufrir deformación debido a desajustes de expansión térmica entre el sensor y la superficie de montaje. Esto puede provocar cambios de resistencia y error de medición.

Mecanismos de transferencia de calor

Comprender cómo se transfiere el calor ayuda a diseñar mejores instalaciones. Los tres modos fundamentales de transferencia de calor son:

Conducción

La conducción es la transferencia de calor mediante el movimiento molecular dentro de un material.

• Metales como la plata y el cobre conducen muy bien el calor.
• El aire y otros gases son malos conductores.
• Los elementos sensores y sus vainas protectoras dependen principalmente de la conducción.

Convección

La convección ocurre cuando el calor se transfiere entre un cuerpo y un moving fluid (líquido o gas).

• Convección forzada utiliza bombas, ventiladores o agitadores.
• Convección natural se basa en la flotabilidad debida a cambios de densidad inducidos por la temperatura.

Radiación

Todos los cuerpos por encima del cero absoluto emiten radiación térmica.

• La energía radiada aumenta con temperature to the fourth power.
• El efecto se vuelve crítico a high temperatures, como en hornos.

La radiación depende de:

• Temperatura de la superficie y emisividad
• Distancia and angle entre superficies
• Obstrucciones y apantallamiento

Efectos indeseados de la radiación:
En corrientes de gas caliente de baja velocidad, los sensores pueden perder calor hacia el entorno, subestimando la temperatura real del gas. Por el contrario, en corrientes más frías rodeadas por paredes más calientes, los sensores pueden sobreestimar la temperatura.

Soluciones:

• Utilice low-emissivity carcasas de sensores
• Añada radiation shields para aislar el sensor de su entorno

Temperatura de estancamiento en corrientes de gas de alta velocidad

En gases de rápido movimiento, el sensor puede captar un calentamiento dinámico debido a la velocidad del flujo de gas.

Hay dos tipos de temperatura:

• Temperatura estática (T_s): la temperatura real del gas
• Temperatura total (de estancamiento) (T_t): incluye el calentamiento debido a la velocidad del gas

Se pueden usar sondas especiales de estancamiento para medir Tt, a partir de lo cual se calcula Ts usando:

donde:

• γ = relación de calores específicos (Cp/Cv)
• M = número de Mach del gas

Ejemplo de efectos de calentamiento en aire (presión atmosférica):

Resumen

La medición precisa de la temperatura depende de un buen contacto térmico y de una instalación adecuada. Los sensores deben colocarse en regiones de flujo rápido del fluido o empotrarse en materiales sólidos utilizando compuestos conductores. Es importante minimizar la pérdida de calor a lo largo de los soportes y los cables usando cables de baja conductividad y asegurando una profundidad de inmersión suficiente. La presencia del sensor también puede perturbar la temperatura que se mide, especialmente en superficies, por lo que son preferibles sensores pequeños, bien ajustados y aislados.

La transferencia de calor al sensor se produce mediante conduction, convection, y radiation. Cada modo afecta la precisión de manera diferente según las condiciones de instalación. En flujos de gas de rápido movimiento, los efectos de stagnation temperature pueden elevar la temperatura medida.

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