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La temperatura es una de las variables más usadas en los más variados sectores de la industria de control de procesos y se trata de una grandeza básica para medición y control de flujo, densidad, etc. En este artículo comentaremos la medición de temperatura y su historia, las principales características de las tecnologías empleadas, además de algunos detalles a respecto del mercado y las tendencias de los transmisores de temperatura.
El progreso de la Física y la electrónica en los últimos años es notable. Sin duda, fueron las de desarrollo más destacado de todas las áreas técnicas. En la actualidad es imposible vivirse sin las facilidades y beneficios proporcionados por ellas en nuestra rutina diaria. En los procesos y controles industriales ocurre lo mismo, pues somos testigos de los avances tecnológicos advenidos con los microprocesadores y componentes electrónicos, la tecnología Fieldbus, la Internet, etc. Y aún, con la búsqueda de nuevos desarrollos en el área de la energía renovable, de los nuevos combustibles, la nanotecnología, existen incontables aplicaciones con la medición y el control de temperatura.
La medición de temperatura hace muchos años atrae el interés de la ciencia. El cuerpo humano es un pésimo termómetro, pues solo logra distinguir lo que está frío o caliente en relación a su propia temperatura. Por lo tanto, con el pasar de los tiempos el hombre empezó a crear aparatos que lo auxiliaran en esta tarea. En seguida veamos más detalles.
Una de los primeros intentos de construcción de una escala de temperatura ocurrió alrededor de 170 DC. Claudius Galenus of Pergamum (130-201), médico griego, tendría sugerido que las sensaciones de “caliente” y “frío” fueran medidas con base en una escala de cuatro divisiones numeradas arriba y abajo de un punto neutro. Para tal escala termométrica atribuyó “cuatro grados de calor” al agua herviente, “cuatro grados de frío” al hielo y “neutra” a una mezcla de cantidades iguales de aquellas dos substancias. Galeno no fue un gran doctor, pero si un gran fisiólogo. El escribió varios tratados médicos, frutos de su labor en el tratamiento de los gladiadores romanos y la disecación de animales vivos. El fue el primer médico a proveer diagnósticos a través de la medición del pulso de una persona.
El primer termómetro fue idealizado por Galileu Galilei(1564-1642). Ele consistió de un largo tubo de vidrio con un bulbo llenado con vino. Este primer tipo de aparato utilizado para medición de temperatura fue llamado de termoscopio (instrumento que indica la temperatura a través del cambio del volumen). Algunos de ellos tenían el aire del bulbo retirado antes de se colocar el líquido, que podía ser agua colorida, provocando la subida dentro del tubo. Según el aire restante era calentado o resfriado, el líquido del tubo variaba, reflejando el cambio de la temperatura. Más tarde su colega Sanctorius Sanctorius añadió una escala grabada en el tubo para facilitar la medición de la alteración de la temperatura. Como el vino era altamente influenciado por la presión atmosférica, en 1641 Fernando II, Gran-Duque de Toscana (1610-1670) desarrolló el primer medidor de temperatura sellado. El utilizó el alcohol como fluido e hizo 50 marcas correspondientes a grados en el astil. Este aparato no tenía punto fijo para calibración de la escala. Utilizaba una substancia orgánica (como el alcohol) en su interior y quedó conocido como termómetro.
Robert Hook(1635-1703), curador de la Real Sociedad en 1664 utilizó tintura roja en el alcohol. Su escala, en la que cada grado representaba el aumento del volumen equivalente a 1/500 parte del volumen del líquido del termómetro necesitaba de un solo punto fijo. El seleccionó el punto de congelamiento del agua. El termómetro original de Hook se convirtió el estándar de la Universidad Gresham y fue usado por la Real Sociedad hasta 1709. La primera lectura meteorológica comprensible se hizo con esta escala.
En 1701, Ole Christensen Rømer (1644-1710) creó el primer termómetro, con dos puntos de referencia. El contenía vino rojo como indicador de temperatura. Rømer creó su escala con el número 60 representando el punto de ebullición del agua. El no sabía que esto punto dependía de la presión atmosférica, un hecho descubierto después por Fahrenheit. En cuanto al punto mínimo, el mismo es discutible pues sus registros fueron destruidos por el fuego. Dicen unos que el 0 representaba una mezcla de agua, hielo y cloruro de amonio, otros que el usó el punto de deshielo del agua, señalado con 7.2 Rø. Mas tarde Rømer adoptó por razones prácticas otros puntos de referencia como el agua congelada y la temperatura del sangre humano, que el marcó como 22.5 Rø. Sin embargo del mérito de su invento, Rømer es más conocido por su labor con la medición de la velocidad de la luz.
Daniel Gabriel Fahrenheit(1686-1736) dedicó la mayor parte de su vida a la creación de instrumentos meteorológicos. En 1708, Fahrenheit visitó Rømer en Copenhague y conoció su termómetro con dos puntos de calibración. Impresionado con el termómetro, pasó a utilizarlo cuando volvió a Alemania. Más tarde, no le gustando las fracciones y el inconveniente de dividir los grados, Rømer, a fin de posibilitar la medición de pequeños intervalos de temperatura, multiplicó la escala Rømer por cuatro. Con eso, el punto de derretimiento del hielo movió a 30 grados y la temperatura del cuerpo humano a 90 grados. Mas tarde el cambió estos valores para 32 y 96 grados respectivamente para simplificar la marcación de la escala en 64 divisiones.
Fahrenheit todavía añadió un punto más como referencia, la temperatura de equilibrio de una mezcla de hielo y sal, que definió como cero en su escala. Infelizmente las tres referencias causaran más incertidumbre que precisión. Tras su muerte, se consideró la temperatura del cuerpo humano inconstante para definir un punto en la escala de temperatura, y su escala fue cambiada para atribuirle de nuevo 2 puntos de referencia. Todo esto resultó en el incómodo estándar numérico con el punto de congelamiento del agua en la presión atmosférica estándar definido como 32F y el de ebullición como 212F. Fahrenheit aún percibió que el alcohol no tenía la precisión y la repetibilidad necesarias para medir la temperatura. En 1714 el adoptó el mercurio, demostrando ser una excelente alternativa debido a su coeficiente de expansión térmica ser altamente lineal y no disolverse en el aire. Por otro lado, el mercurio es menos sensible a los cambios de temperatura.
En 1731, René Antoine Ferchault de Réamur (1683-1757) propuso una escala diferente, calibrada en un solo punto con las divisiones de escala basada en la expansión del fluido del termómetro. Réamur hizo muchos experimentos para seleccionar el fluido más adecuado a la medición y estableció el brandy diluido en cierta cantidad de agua. La dilución elegida tenia la proporción de 80 en 1000, según el calentado desde el congelamiento hasta la temperatura de ebullición del agua, el 80 porque era un numero fácil de dividir en partes. Debido a esta selección, las personas pasaran a creer que el agua hervía a 80 grados en la escala de Réamur. En consecuencia, ella pasó a graduarse con el uso de dos puntos fijos, el punto de congelamiento (0) y el de ebullición del agua (80). Esta escala fue adoptada oficialmente en Europa, con excepción del Reino Unido y los países escandinavos, pero con la adopción de la escala centígrada por el gobierno revolucionario de Francia en 1794 ella gradualmente perdió popularidad y finalmente cayó en desuso en el siglo 20.
Un termómetro con escala similar a la de Réamur fue inventada en 1732 por Joseph Nicolas Delisle(1688-1768), astrónomo francés, que fue invitado a ir a Rusia por Pedro, el Grande. En aquel año el construyó un termómetro que usaba mercurio como fluido. Delisle eligió su escala usando la temperatura de ebullición del agua como punto fijo y midió la contracción del mercurio, en bajas temperaturas, en cien milésimos. Los termómetros antiguamente tenían 2400 gradaciones apropiadas al invierno en San Petersburgo donde vivió Delisle. En 1738 Josias Weitbrecht (1702 - 1747) recalibró el termómetro de Delisle con el grado cero como punto de ebullición del agua y 150 grados como punto de congelamiento. Esto termómetro permaneció en uso en Rusia por más de un siglo.
Muchas tentativas de transformar la escala de Delisle para un intervalo de 100 grados se hicieran antes que el suizo Anders Celsius (1701-1744) propusiera, en 1742, graduar el termómetro con 100 grados como el punto de ebullición del agua y 0 (cero), como el punto de derretimiento de la nieve, dividiendo la distancia en intervalos de 100 grados. Aparentemente deseando evitar números negativos para temperaturas, Celsius atribuyó el número 100 para al punto de congelamiento y 0 para el punto de ebullición del agua, con divisiones en intervalos de 100 grados.
En 1744 el amigo de Celsius, Carl Linnaeus (1707-1778), invirtió la escala centígrada para satisfacer el sentimiento psicológico de que ‘caliente’ debería corresponder a una temperatura más elevada. El uso de la escala de Celsius en el siglo 19 se aceleró tras la decisión de las autoridades revolucionarias de Francia de adoptar el sistema decimal para todas las cantidades mensurables. La escala centígrada se hizo popular primero en Suiza y en Francia (donde coexistió con la escala Réamur) y después en la mayor parte del mundo. La comisión de pesos y medidas creada por la Asamblea Francesa decidió en 1794 que el grado termométrico sería 1/100 de la distancia entre el punto del hielo y del vapor de agua, onde se originó la palabra ‘centígrado’. En octubre de 1948, en la IX Conferencia de Pesos y Medidas, el nombre de la unidad se alteró para Celsius.
En 1821 Thomas Seebeck(1770-1831) descubrió que cuando dos hilos de metales diferentes se conectan en dos extremidades y uno de los extremos es calentado, una corriente eléctrica circula por el circuito. Estaba descubierto el termopar, actualmente el más importante sensor de temperatura para aplicaciones industriales.
SirHumphrey Davy(1778-1829) fue un notable científico responsable por uso del gas de la risa (óxido nitroso) como anestésico y otras descubiertas tales como: los elementos sodio, potasio, boro, la soldadura por arco eléctrico y la lámpara de seguridad para la minería. En 1821 el descubrió también que la resistividad de los metales presentaba estaba fuertemente relacionada a la temperatura.
Basado en la idea de la resistividad de los metales, SirWilliam Siemens (1823–1883) propuso en 1861 el uso de termómetros de resistencia de platina, con el qué la medición de temperatura se haría a costo de la variación de la resistencia eléctrica de un hilo de platina con la temperatura. La elección de la platina se debió a que ella no se oxidaba en altas temperaturas y por tener una variación uniforme de resistencia con la temperatura en un amplio rango.
En 1848, William Thomson (1824-1907) desarrolló una escala termodinámica basada en el coeficiente de expansión de un gas ideal. Esta idea se debe a la descubierta de Jacques Charles sobre la variación de volumen de los gases en función de la variación de la temperatura, con lo que Charles concluyó, con base en experimentos y cálculos, que todos los gases tendrían el volumen igual a cero a la temperatura de –273 ºC. Kelvin propuso otra solución: no era el volumen de la materia que se anularía en esa temperatura, pero si la energía cinética de sus moléculas. Sugirió entonces que esa temperatura debería ser la mas baja posible y la llamó ‘cero absoluto’. Se creó entonces una nueva escala basada en los grados centígrados. Esta escala absoluta fue después rebautizada Kelvin, y su unidad designada como ‘grados Kelvin’ (símbolo ºK). Fíjese que la unidad de temperatura en el SI (el Sistema Internacional de Unidades) se llama ‘Kelvin’ y no ‘grado Kelvin’.
En 1859, William John Macquorn Rankine (1820-1872) propuso otra escala de temperatura en que especificaba 0 para el cero absoluto, pero usaba como base la escala Fahrenheit. Debido a la escala de Rankine tener el mismo tamaño de la escala Fahrenheit, el punto de congelamiento del agua (32ºF) y el punto de ebullición (212ºF) corresponden respectivamente a 491.67°Ra e 671.67°Ra. Esta escala fue más tarde renombrada Rankine y su unidad designada como ‘grado Rankine’ (símbolo ºR).
La creación de las diversas escalas trajo la necesidad de definición de las curvas de los sensores y sus puntos de calibración. Esto se logró durante las varias reuniones realizadas entre 1889 hasta el presente, cuando finalmente se llegó a la ITS-90 (International Temperature Scale). Pero es otra larga historia.
Actualmente las escalas mas utilizadas son Celsius y Fahrenheit. Kevin y Rankine se utilizan más por científicos e ingenieros. Cuanto a las demás, cayeron en el olvido.
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Figura 1 – Comparación entre escalas de temperatura
Varios estándares y normas se utilizan en la medición de temperatura según los países y regiones: ANSI (EEUU), DIN (Alemania), JIS (Japón), BS (Gran Bretaña), etc.
En esta evolución, los Transmisores de Temperatura son muy importantes en el área de automatización y control de procesos. En conjunto con gran variedad de sensores ellos contribuyen a la mejoría constante de los procesos y la calidad final de los productos. Veremos en seguida algunos detalles más de este importante equipo.
Según un estudio del ARC Advisory Group el mercado de transmisores de temperatura en 2007 alcanzó U$281millones y se estima algo alrededor de U$300 millones para 2010 y U$386 millones para 2012.
Un análisis del mercado demuestra haber 3 líneas de transmisores de temperatura asociados al factor aplicación y costo. Un transmisor inteligente mezcla la tecnología del sensor con su propia electrónica.
Normalmente utilizados en aplicaciones críticas, con alta y media performance, estos transmisores tienen alojamiento con doble compartimiento separando electrónica y sensores, proveyendo robustez, seguridad y confiabilidad, además de indicador local, sensor matching (ecuación Callendar-Van Dusen), autodiagnosis, comunicación digital, ajuste local, para utilización con los más variados sensores en mediciones simple, doble y diferencial, sensor backup, etc. Ejemplo:TT301, TT302 , TT303 de SMAR.
Su principal aplicación es el monitorear, posibilitando fácil instalación, innumeras opciones en ambientes cerrados y conexión con sensores, alta flexibilidad de instalación y mantenimiento provenido seguridad y confiabilidad. Además, tienen auto-diagnosis, sensor matching (Callendar-Van Dusen), comunicación digital y se utilizan con los más variados sensores en mediciones simples, doble, máxima, minima, media, diferencial, etc. Ejemplo:TT411 de SMAR.
Su principal aplicación es el montaje en cabeza, posibilitando fácil instalación y conexiones con sensores, alta flexibilidad de instalación y mantenimiento, proporcionando seguridad y confiabilidad. Además tienen autodiagnósticos, sensor matching (Callendar – Van Dusen), comunicación digital y se utilizan con los varios tipos de sensores en mediciones simples, doble, máxima, mínima, media, diferencial, etc. Ejemplo:TT421da SMAR.
En cuanto a protocolos, como ocurre con cualquier otro equipo de campo, la preferencia del mercado son los protocolos abiertos, como HART, Foundation Fieldbuse Profibus PA.
Veamos la figura 2, que muestra el diagrama de bloques Del transmisor de temperatura HART TT301de SMAR.
Figura 2 – Diagrama de bloques del transmisor TT301
Este transmisor tiene las siguientes características:
Benefícios:
La figura 3 muestra el diagrama de bloques de transmisores de temperatura HART, TT411e TT421
Figura 3 –Diagrama de bloques de los transmisores TT411 y TT421
Estos transmisores tienen las mismas características básicas del TT301. Detalles y beneficios en las figuras 4 y 5.
Figura 4 – TT411 montaje en riel DIN
Figura 5 – Montaje del TT421 en cabeza.
Sin embargo poco diseminados, veamos en seguida algunas referencias de la evolución de la fibra óptica:
La sensibilidad de los sensores de fibra óptica, o sea, la menor perturbación mensurable puede depender de:
Cambios en las propiedades de la luz usada, cuando la fibra es el canal a través del cual la luz del sitio bajo prueba va y vuelve.
Los sensores de fibras ópticas son compactos y presentan sensibilidad comparable a los convencionales similares. Existen muchos sensores comerciales hechos con fibras ópticas para medición de temperatura, presión, rotación, señales acústicos, corriente, flujo, etc.
Actualmente un tipo versátil es el sensor de temperatura con tecnología basada en Redes de Bragg.
Figura 6–Redes de Bragg
La redes de Bragg son elementos simples, confinados al núcleo de fibra óptica y con elevado potencial para producción en gran escala. La posibilidad de fabricar redes de Bragg directamente en el núcleo de fibras ópticas por procesos de fotolitografía, sin afectar la integridad física y las características ópticas de las fibras, tuvo su realce, en la última década, como uno de los campos más fértiles de la investigación científica en el área de la opto-electrónica.
La naturaleza resonante de la respuesta espectral de los sensores de Bragg es especialmente atrayente par aplicaciones de multiplexación de la largura de onda. Estas características pueden ser convenientemente exploradas en una sola fibra óptica conteniendo varios elementos sensores con resonancias de Bragg distintas.
Entonces es posible asociar cada sensor a una cierta posición a lo largo de la fibra, constituyendo al todo un sensor casi-distribuido de deformación o temperatura. La principales ventajas asociadas a los sensores de Bragg tienen sido la auto-referenciación y la capacidad de multiplexación, representando tremendo potencial de desarrollo tecnológico.
Las redes Bragg son constituidas por una modulación periódica del índice de refracción del núcleo de la fibra óptica.
El valor máximo de reflexión de esa microestructura ocurre cuando la constante de refracción del modo conducido en el núcleo está en resonancia con la modulación espacial del índice, con período L, estableciendo la conocida condición de Bragg (figura 6).
La figura 6 ilustra la acción de una red Bragg sobre la luz propagada en el núcleo da la fibra óptica.
Las redes de Bragg, siendo parte integrante de la fibra, son sensibles a la aplicación de grandezas física de la misma manera que la propia matriz de sílice. La propiedades espectrales de las redes dependen de grandezas tales como la temperatura y la tensión mecánica, o sea, la aplicación de cualquier grandeza que provoque una alteración del índice efectivo o el del período induce un desvío en la largura de onda resonante. El principio básico de operación de los sensores de Bragg se basa entonces en la medición de los desvíos de las larguras de onda inducidos en la condición de resonancia por variación de temperatura, de deformación mecánica, de presión, o de campos magnéticos. Sin embargo, delante de la importancia práctica atribuida a los sensores de temperatura y de la deformación, la mayoría de demostraciones basadas en los sensores de Bragg se han concentrado en esas aplicaciones.
La sensibilidad a la temperatura de los sensores de Bragg resulta de la expansión térmica de la matriz de sílice y de la dependencia del índice de refracción con la temperatura. El gran atractivo para el uso de las redes de Bragg como sensores se debe al hecho de la información estar contenida en el espectro, repreentando una medida absoluta y fácil de ser multiplexada y de alta exactitud. Estos sensores son muy utilizados en mediciones de temperatura en el fondo del pozo.
Este artículo demostró la importancia de la medición de temperatura en la automatización y el control de procesos, un poco de la historia de la medición de temperatura y de los avances tecnológicos de los transmisores de temperatura, además de las tres tendencias de transmisores, sus aplicaciones y beneficios. Hemos visto aún el sensor utilizado en la red de Bragg, lo que deberá influenciar el futuro de esta medición.
