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Determinación de la colocación del sensor en un sistema térmico

En todos los sistemas térmicos hay cuatro piezas principales:

La carga de trabajo: este es el material que se va a calentar y generalmente está asociado con un tiempo de ciclo o un tiempo de paso a través o sobre la pieza calentada.
La fuente de calor: bien resistencia eléctrica o calor accionado por combustible.
El medio de transferencia de calor: el sólido, líquido o gas que transfiere la energía calorífica a la carga.
El dispositivo de control: los dispositivos de detección y control que controlan la cantidad de calor y mantienen una temperatura específica para la carga.

Teniendo estas cuatro piezas en mente, considere la colocación de cada una de esas con respecto a las otras.

De las cuatro piezas principales de un sistema de lazo cerrado, la ubicación del sensor desempeñará un rol principal, siempre que el resto de elementos del sistema se hayan seleccionado adecuadamente. La colocación del sensor en relación a la carga de trabajo y fuente de calor puede compensar los distintos tipos de demandas de energía de la carga de trabajo. La colocación del sensor puede limitar los efectos de las inercias térmicas en el proceso de transferencia de calor. El controlador solo puede responder a los cambios de temperatura que “ve” a través de la información procedente de la ubicación del sensor. Así, la colocación del sensor influirá en la capacidad del controlador para regular la temperatura de un punto establecido deseado.

Tenga presente que la colocación del sensor no puede compensar las ineficiencias en el sistema producida por los largos retrasos en la transferencia térmica. Tenga en cuenta que en las mayoría de los sistemas térmicos, la temperatura variará de un punto a otro.

Sensor en un sistema estáticoColocación de sensor en un sistema estático

Llamamos a un sistema “estático” cuando hay una respuesta térmica lenta de la fuente de calor, una transferencia de calor lenta y cambios mínimos en la carga de trabajo. Cuando el sistema es estático, la colocación del sensor más cerca de la fuente de calor mantendrá el calor prácticamente constante a lo largo del proceso. En este tipo de sistema, la distancia entre la fuente de calor y el sensor es pequeña (mínima inercia térmica); por tanto, la fuente de calor realizará un ciclo frecuentemente, con lo que se reduce el potencial de acumulación y disgregación con la carga de trabajo. Con el sensor colocado o cerca de la fuente de calor, puede detectar rápidamente los cambios de temperatura y mantener un control estricto.

Sensor en un sistema dinámicocolocación de sensor en un sistema dinámico

Llamamos a un sistema “dinámico” cuando hay una respuesta térmica rápida de la fuente de calor, una transferencia de calor rápida y cambios frecuentes en la carga de trabajo. Cuando el sistema es dinámico, colocar el sensor más cerca de la carga de trabajo permitirá que el sensor “vea” el cambio de temperatura de la carga más rápido y permitirá que el controlador tome la acción de salida adecuada más rápidamente. Sin embargo, en este tipo de sistema, la distancia entre la fuente de calor y el sensor es importante, lo que produce inercia térmica o retraso. Por tanto, los ciclos de la fuente de calor serán más largos, lo que produce una mayor oscilación entre la temperatura máxima (concentración) y mínima (disgregación) en la carga de trabajo.

Recomendamos que el controlador electrónico seleccionado para esta situación, incluya las características PID (anticipación y capacidad de offset) para compensar estas condiciones. Con el sensor en la carga de trabajo o cerca de ella, puede detectar fácilmente los aumentos y bajadas de temperatura.

Sensor en un sistema dinámico y estático combinadocolocación de sensor en un sistema dinámico y estático combinado

Cuando la demanda de calor fluctúa y crea un sistema entre estático y dinámico, coloque el sensor a mitad de camino entre la fuente de calor y la carga de trabajo para dividir de forma equitativa el tiempo de la inercia de transferencia de calor. Debido a que el sistema puede producir algo de acumulación y/o disgregación, recomendamos que el controlador electrónico seleccionado para esta situación, incluya las características PID (anticipación y capacidad de offset) para compensar estas condiciones. Esta ubicación del sensor es más práctico en la mayoría de los sistemas térmicos.

 


 

Ejemplos de colocación de sensor en sólidos

Los distintos métodos de transferencia de calor de contacto se pueden categorizar en conducción (por lo general sólido o líquido) y convección (normalmente un líquido o gas). Un sistema de conducción puede consistir en la fuente de calor en contacto directo con el medio de transferencia de calor que a su vez calienta la carga. La información en este documento analiza tres sistemas de respuesta distintos, utilizando distintas ubicaciones de sensor de temperatura.

Mejor colocación de sensor en un sólidomejor colocación de sensor en un sólido

La fuente de calor está cerca del trabajo y el sensor está cerca tanto de la fuente de calor como del trabajo. Esta breve ruta de conducción de calor minimiza la inercia térmica.

Colocación de sensor prácticacolocación de sensor práctica en un sólido

La fuente de calor está a distancia del trabajo y el sensor se ubica entre la fuente y el trabajo. Cuanto más larga sea la ruta de conducción de calor, mayor es la inercia térmica en el sistema, pero al encontrarse a mitad de camino, el sensor puede responder a los cambios en el trabajo o fuente de calor sin una inercia excesiva.

Colocación del sensor deficientedeficiente colocación de sensor en un sólido

La fuente de calor está cerca del trabajo y el sensor está lejos tanto de la fuente de calor como del trabajo. El sensor está demasiado lejos de la ruta de conducción del calor para responder a los cambios de temperatura sin una inercia excesiva. El sensor también está ubicado demasiado lejos de la carga de trabajo.

 


 

Ejemplos de coloración del sensor en líquidos

Los ejemplos que se muestran a la derecha son para el calentamiento de un depósito de líquidos. Como se muestra, el sensor debe localizarse relativamente cerca de la fuente de calor para detectar el posible sobrecalentamiento del líquido en esa área localizada.

Control de calentamiento de líquido deficientemejor colocación de sensor en un líquido

La ruta de calor de convección entre la fuente de calor y el sensor es demasiado larga, lo que crea una inercia excesiva y acumulación de temperatura.

Nota: La colocación del sensor en aplicaciones de convección es la consideración más importante.

El mejor control de calentamiento de líquidodeficiente colocación de sensor en un líquido

La ruta de calor de convección más corta entre el calefactor y el sensor y una bomba de circulación para reducir los gradientes de calor, minimizan la inercia térmica y la acumulación de temperatura.