Piense en el último sistema de calefacción que usted y su equipo diseñaron. ¿En qué momento abordó el equipo la necesidad de sensores de temperatura y cómo integrar los dispositivos en el sistema? Si estaba hacia el final, no está solo. A menudo, los sensores son los dispositivos olvidados cuando se desarrollan los sistemas. Desafortunadamente, este enfoque provoca retrasos y mayores costes, ya que el sistema a menudo necesita ser rediseñado.
La integración de los sensores en el diseño y pensar en los sensores al principio del proceso de desarrollo le permite colocar los sensores correctos en la ubicación correcta mientras protege los cables y otros componentes necesarios para los sensores.
Pero, ¿qué tipo de sensor necesita? ¿Cómo se conecta al proceso del sistema – mediante un controlador o control lógico programable? ¿Cuál es la colocación óptima del sensor para obtener la lectura más precisa y fiable? Estas son preguntas importantes al seleccionar un sensor de temperatura , y los expertos de Watlow están preparados para ayudarle a identificar la mejor solución para su sistema único.
Termopares, RTD y termistores, ¡Oh My!
Los sensores vienen en tres tipos comunes: termopares, detectores de temperatura de resistencia (RTD) y termistores. Cada una tiene características específicas, desde la durabilidad y los rangos de temperatura hasta la precisión y el tamaño, y estas cualidades definen los pros y los contras de un sensor en particular. Echemos un vistazo a cada tipo.
Termopares
Los termopares se utilizan normalmente en aplicaciones de temperaturas extremadamente altas, como aplicaciones de tratamiento térmico, hornos, hornos, autoclaves, procesamiento de semiconductores, procesamiento de vidrio y procesamiento de metales. Estos sensores a menudo funcionan en condiciones de 2000 grados Fahrenheit, y son capaces de soportar temperaturas de hasta 4200 grados Fahrenheit.
Los termopares son un diseño relativamente simple de dos metales diferentes conectados y envueltos en óxido de magnesio cerámico compactado u otro material cerámico. Cuando se coloca el sensor en el proceso, los cables crean una pequeña señal eléctrica o tensión a medida que cambia la temperatura. Aunque el diseño es relativamente simple, los termopares requieren componentes electrónicos complejos en el controlador en comparación con RTD y termistores.
El diseño simple hace que los termopares sean dispositivos resistentes y resistentes. Pueden soportar temperaturas extremas, vibraciones y contacto físico. Esto se ilustra mejor en una aplicación aeroespacial. Los termopares se utilizan para controlar la temperatura del escape en los motores de turbina, lo que significa que son capaces de manejar cambios extremos de temperatura que cambian rápidamente – de temperaturas de congelación a miles de grados en un corto período de tiempo – y el empuje violento del escape.
También son pequeños, rápidos y flexibles. Algunos sensores de termopar son tan pequeños como diez milésimas de pulgada de diámetro, lo que los hace extremadamente rápidos. Pueden doblarse en una variedad de configuraciones, lo que proporciona a los diseñadores flexibilidad en el empaquetado.
Sin embargo, los termopares no son los sensores más precisos, ni son tan repetibles o estables. Las variaciones en la mezcla de aleación pueden cambiar la salida del sensor. Si bien en algunos sectores existe tolerancia para estas imprecisiones, puede que no sea tan conveniente para aplicaciones que requieren una precisión precisa. Además, los termopares son propensos a la deriva, que es la degradación de la precisión con el tiempo.
La precisión de’un termopar puede ser de más o menos uno o dos grados. Con el tiempo, y especialmente a temperaturas más altas, la precisión puede variar hasta 10 grados o más. La deriva se produce a medida que cambia la química de los metales.
Detectores de temperatura de resistencia (RTD)
Los detectores de temperatura de resistencia (RTD) son sensores altamente precisos, precisos y repetibles porque la resistencia está hecha de platino puro. Las termorresistencias se utilizan normalmente en el procesamiento de alimentos y bebidas, industrias biotecnológicas, desarrollo farmacéutico, procesamiento químico y cámaras ambientales. En algunos casos, los RTD se utilizan en el procesamiento de semiconductores.
Las termorresistencias tienen limitaciones en cómo se empaquetan. Son dispositivos rígidos incapaces de doblarse o flexionarse. El elemento de una pulgada de largo se enrolla con una guía de platino de pequeño diámetro y se envuelve en una vaina de cerámica. El diseño final se asemeja a una bombilla de una pulgada. Los sensores RTD más pequeños tienen un diámetro de 16 pulgadas. Si bien es pequeño, no es tan pequeño como un termopar.
Además, la sensibilidad puntual de los RTD añade una capa de complejidad. Considere una planta de procesamiento de alimentos que use una freidora profunda. Los sensores RTD deben sumergirse lo suficiente en el medio para evitar la pérdida del vástago, que es una situación en la que el sensor lee parcialmente el entorno en el que el resto del sensor está expuesto.
Con algunas excepciones, los RTD tienen una clasificación de temperatura máxima de aproximadamente 1.200 grados Fahrenheit. A diferencia de los termopares, los RTD no sufren deriva a menos que se expongan de forma rutinaria a temperaturas que superen la clasificación designada.
Termistores
Al igual que los RTD, los termistores se basan en cambios de resistencia. A diferencia de los RTD, los termistores consisten en una suspensión de óxidos en lugar de platino puro. Mediante el uso de óxidos combinados, los fabricantes de termistores pueden caracterizar y crear curvas de temperatura para la aplicación específica. En este caso, los materiales mezclados impiden que el sensor aumente la temperatura lineal. En su lugar, la lectura de temperatura se ve afectada por la resistencia, lo que crea una progresión curva.
Aunque esto puede ser un desafío para muchas aplicaciones, significa que el sensor está diseñado para una aplicación específica. En términos generales, los termistores están diseñados para temperaturas inferiores a 500 grados Fahrenheit y son más adecuados para rangos de temperatura muy pequeños. Por ejemplo, los analizadores de sangre a menudo utilizan termistores porque la temperatura de la sangre puede fluctuar solo una pequeña cantidad. Los operadores de la máquina necesitan un sensor de alta sensibilidad que pueda detectar un ligero cambio de temperatura muy rápidamente. Los termistores brillan en estas aplicaciones.
Aunque algunos termistores de alta temperatura están disponibles, la mayoría tienen un rango de temperatura útil muy limitado. La banda de precisión es muy pequeña y los termistores tienden a desviarse a temperaturas elevadas.
Estos sensores son ideales para sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), aplicaciones médicas como análisis de sangre o fluidos corporales y la lectura de temperatura exterior en el panel de control’de un vehículo.
Al igual que los RTD, los termistores son sensores sensibles, incapaces de soportar mucha vibración o curvatura.
¿Qué tipo de sensor es el adecuado para mi aplicación?
Como puede ver, los tres tipos de sensores tienen una amplia variabilidad en capacidades y funcionalidad. Seleccionar el sensor de temperatura adecuado depende de la temperatura y de los requisitos de precisión del sistema. Generalmente, la selección no está dictada por el tipo de calentador. Nota: Una excepción es cuando el sensor está integrado en el paquete del calentador. Por ejemplo, cuando se coloca un sensor dentro de un calentador de cartucho, se recomienda un termopar debido a su pequeño diámetro, durabilidad y capacidad para soportar las temperaturas más altas que se encuentran dentro del calentador.
Por lo tanto, al seleccionar un sensor, los termopares pueden soportar temperaturas de hasta 4200 grados Fahrenheit en comparación con las temperaturas más bajas aceptables para RTD (hasta 1200 grados) y termistores (hasta 500 grados). Por otro lado, los termistores y RTD son más precisos que los termopares. La compensación correcta dependerá de los requisitos del sistema.
¿Dónde debe colocarse un sensor?
Los requisitos del sistema determinan de nuevo tanto para los sensores. Encontrar la ubicación correcta para el sensor no es diferente.
Considere el horno en su hogar. Si estás horneando una pizza o un pastel, debes saber que la temperatura en el centro del horno es exactamente lo que necesita la receta. Digamos que la resistencia se encuentra en la parte superior del horno. Si la posición del sensor es demasiado alta en el horno, detectará la temperatura de la resistencia más que la temperatura del centro del horno. El pastel estará poco hecho. Coloque el sensor demasiado bajo en el horno, el centro del horno está más caliente que la lectura y el pastel está demasiado horneado.
¿Cuál es la ubicación ideal? Desafortunadamente, el sensor no puede residir en el centro del horno porque a medida que los alimentos entran y salen, podrían romperse. ¿Debe la punta del sensor atravesar la pared o hay un sensor más largo sujeto a la pared del horno como mejor solución? Cada respuesta viene con compensaciones que el diseñador del sistema debe sopesar.
La profundidad de inmersión es una consideración en otras aplicaciones, como la temperatura del fluido que pasa a través de una tubería. En este ejemplo, el caudal de líquido y la temperatura exterior pueden influir en la lectura del sensor.
Si la temperatura ambiente es fría, pero el sistema tiene fluido caliente que pasa a través de la tubería, la temperatura ambiente alejará el calor de la tubería y del sensor. Si el sensor no está en la ubicación correcta o si el caudal es más rápido o más lento en una parte de la tubería, las lecturas pueden ser muy diferentes aunque la temperatura del fluido no cambie. Un error en la colocación podría traducirse en lecturas incorrectas y errores costosos en el proceso.
Mantenimiento y sustitución de sensores
Los sensores pueden funcionar con precisión y eficiencia durante muchos años si el entorno y el uso son adecuados para el sensor. Como se indicó anteriormente, los termopares son más resistentes y pueden funcionar cuando se exponen a vibraciones y altas temperaturas. Los RTD y termistores son más sensibles. Para cada tipo de sensor, la vida útil puede ser de 20 a 25 años en condiciones ideales. En condiciones adversas, la vida útil puede ser de tres a cinco años o menos.
Los fallos prematuros del sensor ocurren con mayor frecuencia debido a la exposición del sensor a temperaturas que exceden la clasificación máxima. Cuando el sensor se expone a temperaturas superiores a su capacidad nominal, se degrada y su vida útil se acorta. Otra causa común de fallo del sensor es la entrada de humedad. Todos los sensores son susceptibles a la humedad si no están sellados correctamente, especialmente los sensores que funcionan en entornos húmedos. Cuando la humedad penetra en el sensor, la resistencia del aislamiento se rompe y se cortocircuita.
Supervisar y reemplazar proactivamente los sensores propensos a condiciones difíciles puede ser ventajoso. Un fallo inesperado del sensor puede provocar tiempo de inactividad, lo que provoca una pérdida de productividad. Esto le cuesta tiempo y dinero a su empresa. Sustituir los sensores en un horario predeterminado permite a su equipo planificar previamente el tiempo de inactividad y minimizar la pérdida de producción.
Sensores redundantes para seguridad
Los fallos del sensor provocan problemas de seguridad. Como resultado, muchos sistemas están diseñados con sensores redundantes y de límite alto para apagar un sistema si la temperatura aumenta a niveles inseguros. Volvamos a las instalaciones de preparación de alimentos y a la freidora. Si el sensor RTD falla mientras el elemento está calentando, la temperatura del aceite continuará aumentando a niveles inseguros porque el interruptor no recibirá la información que necesita para apagar el elemento calefactor. En algún momento, el aceite se incendiaría e iniciaría un incendio.
En una situación de embalamiento como esta, el sensor de límite alto apagará todo el sistema cuando la temperatura supere un determinado nivel. Nota: En este ejemplo, es probable que existan otras medidas de seguridad, como la supervisión del nivel de aceite.
En algunos casos, los diseñadores de sistemas incorporarán sensores adicionales. Cuando uno falla, el operador acciona un interruptor para activar el otro sensor. Este enfoque se utiliza a menudo en aplicaciones en las que el coste de instalación es caro, el sistema se opera en una ubicación remota o es un proceso significativo, como en refinerías. En estas situaciones, el sistema se crea para que el operador no tenga que pensar en reemplazar los sensores o programar una tecnología de campo para reemplazar el dispositivo fallido.
Los expertos’de Watlow son líderes del sector en sensores
Seleccionar e implementar el sensor adecuado no solo es un problema de seguridad, sino que también puede tener un impacto real en la eficiencia y productividad de su proceso y, en última instancia, en los ingresos. En la industria de semiconductores, una décima parte de un grado en la pérdida de precisión podría resultar en un par de décimas de un por ciento o más en la pérdida de rendimiento. En el sector de semiconductores, eso se traduce en cientos de miles de dólares.
En otras aplicaciones, considerar sensores demasiado tarde en la fase de diseño puede dar lugar a una ubicación deficiente del sensor, lo que provoca problemas en el sistema o la necesidad de rediseñar el sistema completamente. No pensar en un sensor de 30 USD hoy podría dar lugar a cientos de miles de dólares en costes de rediseño más adelante.
Póngase en contacto con un representante de Watlow hoy mismoy nuestro equipo le ayudará a identificar el sensor adecuado para su aplicación. Nuestros expertos en sensores están preparados para ayudar a su equipo a implementar la mejor solución utilizando las mejores prácticas del sector para obtener los mejores resultados de sus sensores y sistema.