Sistemas térmicos llenos

Medición y control industrial – Cómo seleccionar sensores de temperatura

En aplicaciones industriales donde se requiere una lectura robusta, confiable y sin suministro eléctrico externo, los sistemas térmicos llenos son una excelente opción. Estos sistemas permiten medir la temperatura a distancia mediante la expansión térmica de un fluido contenido en un circuito cerrado.

Un sistema lleno opera midiendo los cambios de volumen o presión que sufre un fluido al variar la temperatura. Está compuesto por:

• Bulbo sensor: ubicado en el punto de medición.

• Tubo capilar: conecta el sensor al indicador.

• Elemento de desplazamiento: tipo Bourdon, fuelle o diafragma.

• Fluido de llenado: líquido, gas, vapor o mercurio (actualmente en desuso por razones ambientales).

El aumento de temperatura genera un cambio de volumen o presión en el fluido, que se transmite a través del capilar hasta el elemento de desplazamiento. Este convierte la variación en un movimiento mecánico que acciona una aguja indicadora, un registrador o un transmisor de señal (eléctrica o neumática).

1. Termómetro a sistema lleno de líquido (según norma DIN 16160)

a) Con capilar sin protección.

1. Largo del capilar -2. Sujeción de la protección - 3 . Vaina de inmersión - 4. Bulbo sensor - 5. Largo del bulbo -6. Profundidad mínima de Inmersión - 7. Longitud de montaje .

b) Con cuello y protección.

1, 1. Cuello - 2, 1. Protección - 3. Vaina de Inmersión - 4. Bulbo sensor - 5. Largo del bulbo- 6. Profundidad, mínima de Inmersión Longitud de montaje ..

Figura :

• Termómetro con tubo de Bourdon (Bourdon tube thermometer)
• Capilar (Capillary)
• Bulbo (Bulb)
• Termómetro de lectura a distancia (Remote reading thermometer)

Los sistemas térmicos llenos se clasifican según el tipo de fluido y su método de compensación de temperatura ambiente:

• Sistemas de líquido (Clase I): utilizan fluidos incompresibles (tolueno, alcohol, kerosén, etc.). Ofrecen alta precisión en rangos bajos y medianos de temperatura.

  • Clase IA: totalmente compensados, con capilar adicional y doble elemento de desplazamiento.

  • Clase IB: parcialmente compensados, usan corrección con bimetal.

• Sistemas de vapor (Clase III): contienen fluido volátil que genera vapor. Muy precisos y estables frente a variaciones ambientales, no requieren compensación.

• Sistemas de gas (Clase II): emplean gases a presión. Sensibles a la temperatura ambiente, pueden tener compensación parcial o total.

• Sistemas de mercurio (Clase IV): casi obsoletos por toxicidad, pero con excelente respuesta y linealidad.

Figura 2. Termómetro a sistema lleno con distintos compensaciones de temperatura ambiente.
a). Construcción simple sin compensación. 1.Sistema de desplazamiento -2. Capilar -3. Bulbo sensor 4. Indicador

b). Con sistema de compensación parcial (únicamente sobre el sistema de desplazamiento).

c). Con sistema de compensación total (sobre el sistema de desplazamiento y sobre el capilar). 1, 1. Sistema do desplazamiento- 1.2 Sistema de desplazamiento para compensación - 2 1. Capilar - 2,2. Capilar para compensación - 3. Bulbo sensor - 4.Indicador

Compensación térmica

Los cambios en la temperatura ambiente pueden afectar la precisión de la medición. Para reducir este efecto se implementan:

• Compensación total: con doble capilar y desplazador, cancela completamente el error térmico.

• Compensación parcial: actúa solo sobre el desplazador con un sistema bimetálico.

• Sin compensación: los cambios ambientales afectan la lectura.

En sistemas líquidos y gaseosos, el error por temperatura ambiente puede reducirse a menos del ±1% del rango con compensación total, y a ±2% con compensación parcial. En sistemas de vapor, el error típico es menor al ±0,7% sin necesidad de corrección.

La velocidad de respuesta depende del fluido, del volumen del sensor y de la longitud del capilar:

• Respuesta al 90%: entre 5 y 25 segundos ante una variación escalón.

Se recomienda incluir protección de sobrerrango, para evitar deformaciones cuando se superan los límites del instrumento. Esta protección se logra usando solo una fracción del recorrido total del elemento de desplazamiento, junto con topes mecánicos.

Clasificación SAMA

Tabla1 . Clasificación SAMA de sistemas térmicos llenos .

Según la SAMA (Scientific Apparatus Makers Association), los sistemas térmicos llenos se clasifican por fluido y compensación:

• Líquido (Clase I): Sufijo A (total), B (parcial)

• Gas (Clase II): Sufijo A/B

• Vapor (Clase III): Sufijo A (por encima), B (por debajo), C (ambos), D (incluye ambiente)

• Mercurio (Clase IV)

• El largo del capilar afecta la precisión: en sistemas Clase IA puede alcanzar 30 m, en Clase IB se recomienda no superar los 6 m.

• Los sensores suelen medir entre 6 a 10 mm de diámetro y 50 a 80 mm de largo, adecuados para rangos de 100 °C.

• No requieren energía eléctrica.

• Funcionan en ambientes hostiles.

• Aptos para medición remota.

• Escalas lineales fáciles de interpretar.

• Tamaño compacto y económica instalación.

• Plantas de procesos químicos.

• Generación térmica.

• Hornos industriales.

• Cámaras de secado.

• Industrias alimenticias y petroquímicas.

Términos destacados :

• Sistemas térmicos llenos (Filled thermal systems)
• Medición de temperatura (Temperature measurement)
• Control industrial (Industrial control)
• Fluido de llenado (Filling fluid)
• Bulbo sensor (Sensor bulb)
• Tubo capilar (Capillary tube)
• Elemento de desplazamiento (Displacement element)
• Tubo de Bourdon (Bourdon tube)
• Fuelle (Bellows)
• Diafragma (Diaphragm)
• Variación de presión (Pressure variation)
• Variación de volumen (Volume variation)
• Instrumento indicador (Indicator instrument)
• Señal neumática (Pneumatic signal)
• Señal eléctrica (Electrical signal)
• Compensación térmica (Thermal compensation)
• Clase IA (Class IA)
• Clase IB (Class IB)
• Clase II (Class II)
• Clase III (Class III)
• Clase IV (Class IV)
• Error por temperatura ambiente (Ambient temperature error)
• Protección de sobrerrango (Overrange protection)
• Capilar compensado (Compensated capillary)
• Rango de temperatura (Temperature range)
• SAMA (SAMA)
• Tiempo de respuesta (Response time)
• Termómetro industrial (Industrial thermometer)
• Instalación remota (Remote installation)
• Lectura mecánica (Mechanical reading)

Los sistemas térmicos llenos siguen siendo una opción confiable para la medición de temperatura en procesos industriales. La elección entre líquidos, vapores o gases depende del rango de temperatura, las condiciones ambientales y los requerimientos de precisión de la aplicación.