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Previniendo Daños por Vibración en Termopares y Sensores RTD

Termopares funcionan basados en el principio del efecto Seebeck, que afirma que dos metales distintos unidos en dos empalmes generan una fuerza electromotriz (FEM) entre las empalmes, pues los metales reaccionan a cambios en la temperatura produciendo un voltaje FEM relativo a la diferencia en la temperatura en cada empalme. RTD funcionan con base en el precepto de que la resistencia eléctrica aumenta con el aumento de la temperatura. Los tipos de metales usados para fabricar el sensor tienen influencia en la precisión, en el intervalo de medición, en el tiempo de respuesta y en la resistencia a los factores de estrés del ambiente, como vibración.
Empalme Conectado a Tierra
Empalme Conectado a Tierra,
Sondas OMEGACLAD™
 Empalme No Conectado a Tierra
Empalme No Conectado a Tierra,
Sondas OMEGACLAD™
RTD de cable enrollado de vidrio 1PT100G
RTD de cable enrollado de vidrio 1PT100G
RTD de Película Fina TDF mostrado ampliado
RTD de Película Fina TDF mostrado ampliado
Empalmes de termopares pueden ser conectados o no conectados a tierra. Frecuentemente ellos están cobiertas con metal protector pero pueden ser dejados expuestos para mejorar el tiempo de respuesta. La conexión a tierra es frecuentemente necesaria para evitarse la acumulación de electricidad estática, que puede afectar negativamente la precisión. Sin embargo, si el termopar es conectado a tierra a través de máquinas u otros equipos que funcionan eléctricamente, ruido de circuitos puede interferir en la medición. Muchas combinaciones de metales son usadas en la fabricación de termopares. Cada una es clasificada según el intervalo de temperatura y los ambientes de medición aceptables. Termopares revestidos de metal son considerablemente robustos y, en promedio, mucho menos vulnerables a vibración que RTD.

RTD están disponibles en los tipos de hilo enrollado y película fina. Sensores de hilo enrollado son altamente precisos. Ellos son hechos enrollándose hilos de cobre, níquel o platino alrededor de un núcleo de vidrio o cerámica al cual el hilo también está conectado. Sensores de núcleo de vidrio pueden ser sumergidos en la mayoría de los líquidos sin protección, mientras que aquellos con núcleo de cerámica proporcionan estabilidad para mediciones de temperaturas excepcionalmente altas. El de platino es el hilo que tiene la mayoría de las preferencias, pues proporciona la mejor precisión con el más amplio intervalo de temperatura. ASTM E1137 es el estándar internacional que define tolerancias para sensores de resistencia de platino. Él es frecuentemente usado como uno de los criterios para selección del sensor de temperatura, pues RTD fabricados y probados según esa especificación ofrecen fiabilidad superior y mejor desempeño.

RTD de película fina ofrecen sustancialmente más protección contra vibración que RTD de hilo enrollado. Ellos son producidos depositándose una fina película de platino pasivada en una superficie de cerámica. Un circuito eléctrico es grabado dentro del material para crear la resistencia elegida. Estos sensores muestran una curva de temperatura-resistencia prácticamente lineal. Por lo tanto, ellos proporcionan mediciones consistentes y altamente precisas en un amplio intervalo de temperatura. Su tamaño compacto les da la ventaja de tener tiempos de respuesta más rápidos y mayor resistencia a choque térmico y vibración.

Desafíos Presentados a la Medición de Temperatura en Presencia de Vibración

La vibración puede causar estrés mecánico en los hilos de termopares y RTD. Termopares están sujetos a fatiga de vibración, lo que puede ocasionar falla de aislamiento y cortocircuitos. Esto puede hacerse evidente por las lecturas altas intermitentes que resultan del hecho de que la medición se hace a partir del corto y no del empalme. RTD de hilo enrollado son especialmente susceptibles de daño por vibración. El hilo de platino fino usado para enrollar el sensor tiene un diámetro típico de 15 a 35 micrones y es considerablemente frágil. Un hilo de sensor RTD roto o dañado puede ocasionar:
  • Un circuito abierto
  • Señales con ruido
  • Mediciones de alta temperatura esporádicas
Descalibración es otro problema que puede ocurrir en termopares expuestos a vibración. Este es el proceso por el cual la estructura del hilo es alterada hasta un punto en que las características de voltaje-temperatura no están más en conformidad con los estándares internacionales. La gran preocupación con relación a la descalibración es que las mediciones de temperatura parecen ser precisas. Las lecturas se van desviando gradualmente a lo largo del tiempo. La prueba del termopar en una temperatura conocida es el método más común de detectar descalibración.

Tipos de Vibraciones que Afectan Sensores

Vibraciones de máquinas son comunes en procesos industriales. Ellas pueden surgir del movimiento de motores, bombas o compresores. La propensión a causar daños es proporcional a la amplitud y frecuencia de la vibración. La amplitud es la fuerza aplicada a un objeto que está produciendo la vibración. Por ejemplo, la velocidad de rotación en un motor eléctrico va a contribuir para la amplitud de la vibración. Cuanto más rápido el motor gire, mayor será la amplitud. La frecuencia también es un factor con relación a la severidad de la vibración. Ella es la tasa en que un equipo mecánico se mueve hacia atrás y hacia adelante bajo la acción de fuerzas. Una máquina puede vibrar en múltiples direcciones con variadas tasas de amplitud y frecuencia.

Vibraciones acústicas son generadas por un gran número de sistemas mecánicos, como turbinas y motores, y también por voces humanas y tránsito de vehículos. Cuando ruido acústico influye en una estructura, él se vuelve vibración estructural. Ondas sonoras pueden llegar a cualquier lugar donde haya flujo de aire; por lo tanto, ellas pueden venir de cualquier dirección. Reverberación es la continuación del sonido después de que el original cesó. Ella es el resultado de ondas sonoras reflejando en superficies. Características acústicas pueden variar dependiendo del tamaño y de la forma de los objetos en que ocurrió la reflexión, lo que hace difícil prever cómo las ondas sonoras reaccionarán.

Vibraciones inducidas por flujo resultan de la interacción de fuerzas entre el flujo de fluido y la inercia de estructuras inmersas en él o que lo transportan. El flujo de fluido es una fuente de energía capaz de producir vibración mecánica y estructural. En estructuras cilíndricas, las vibraciones son clasificadas como inducidas por flujo axial o inducidas por flujo transversal, dependiendo del ángulo de flujo interno con relación al eje del cilindro.

Termopares Resistentes a Vibración y RTD

El RTD PR-21SL de OMEGA está proyectado para uso en cápsulas termométricas y presenta carga de resorte para sustentar el contacto entre la sonda y la cápsula termométrica en presencia de estática y vibración. Esto garantiza transferencia de calor optimizada entre la cápsula termométrica y la sonda y aísla el sensor con relación a vibración. El RTD PR-21SL puede ser usado en aplicaciones de dos, tres o cuatro hilos y es adecuado para cápsulas termométricas de agujero de 0,26 pulgadas estándar. Un resotre ajustable y con autofijación permite que él sea usado en cápsulas termométricas más cortas.

La sonda PR-31 RTD de OMEGA es flexible y resistente a vibración. La sonda es hecha de acero inoxidable 316, y el cable con aislamiento mineral permite que la sonda sea curvada. El RTD PR-31 RTD es probado con relación a vibración por el MIL-STD-202G, Método 204D, Condición A y tiene un intervalo de medición entre -50 e 500°C. Está disponible en 100 y 1000 Ω y puede ser usado en aplicaciones de 2, 3 o 4 hilos.

Las sondas de termopar M12M Series pueden ser usadas expuestas, montadas dentro del proceso, o en una cápsula termométrica. Las sondas están disponibles como un termopar de tipo K con coberturas Inconel 600 o como uno de tipo J con coberturas de acero inoxidable 304. El de tipo K tiene un intervalo de temperatura entre -40 y 1150°C, y el de tipo J tiene un intervalo de temperatura entre -40 y 600°C. La M12M viene como estándar con un empalme no conectado a tierra; un empalme conectado a tierra es opcional.
Celda de Carga
PR-21SL RTD
 
Celda de Carga
Sonda PR-31 RTD
 
Celda de Carga
Sonda de Termopar M12M

Conclusión

Elegir el RTD o termopar correcto para su aplicación optimizará el desempeño y prevenirá daños en el sensor. Termopares son un medio de medición de temperatura versátil y con un buen costo/beneficio, y ofrecen la mejor protección contra vibración. RTD de hilo enrollado ofrecen precisión superior y un intervalo de medición más amplio pero no son tan resilientes. RTD de película fina proporcionan datos altamente precisos y consistentes y ofrecen resistencia a vibración mayor que RTD de hilo enrollado. OMEGA también tiene soluciones especialmente adaptadas al cliente en caso de ambientes con vibración muy severa.

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Resistencia a Vibración
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