Cómo medir la temperatura y evitar quemaduras en el proceso, parte 7

Tipos de transmisores de temperatura

En el mercado actual, existen transmisores de temperatura disponibles en diversas configuraciones, adecuadas para diferentes tipos de aplicaciones.

Transmisores para montaje en cabezal (hockey puck)

Este formato de transmisor es fácil de instalar y adecuado para aplicaciones que requieran soluciones compactas. Los transmisores para montaje en cabezal también son conocidos como “hockey puck” (discos de hockey) debido a su parecido y tamaño comparable con los discos de hockey sobre hielo.

Estos transmisores están disponibles en dos tamaños, conocidos como DIN A y DIN B. Las dimensiones de cada tipo se especifican en la norma DIN 43729.

Las dimensiones del formato DIN A son más grandes, con un diámetro de 60 mm y una altura de 35 mm. Este tipo de transmisores suele incluir más funciones y cuentan con más prestaciones gracias a su carcasa más grande.

Las dimensiones del formato DIN B son más pequeñas, con un diámetro de 45 mm y una altura de 20 a 23 mm. Este tipo es ideal para instalaciones en espacios reducidos.

Los transmisores DIN A y DIN B están diseñados para montarse en el compartimento de conexión del cabezal de una termovaina. Estos dispositivos suelen tener una clasificación IP de IP20, cuentan con terminales de conexión expuestos y aceptan la conexión tanto de termocuplas como de RTD.

Están diseñados para permitir su instalación lo más cerca posible del sensor de temperatura para minimizar la necesidad de usar cables de extensión o de compensación.

Si el transmisor es compatible con los protocolos de comunicaciones HART, Foundation Fieldbus, Profibus PA o Ethernet APL, uno de los datos más importantes de los valores de diagnóstico enviados por el dispositivo es su temperatura ambiente. Si se usan este tipo de dispositivos, el uso de una solución de gestión remota de activos es el método más rápido y sencillo para detectar problemas relacionados con este tema.

Dado que sus dimensiones están estandarizadas, son fáciles de reemplazar, ya sea por un dispositivo idéntico o por un dispositivo equivalente de otro proveedor.

Los transmisores para montaje en cabezal suelen ser la alternativa con su menor costo entre los transmisores de temperatura.

Transmisores para montaje en riel DIN

Este tipo de dispositivos está diseñado para ser montado en un riel DIN, el cual puede instalarse tanto en un gabinete de control como en un gabinete de campo, siempre y cuando estos puedan proporcionar la protección ambiental adecuada. Están construidos con carcasas IP20, por lo que no deben montarse en el campo sin una carcasa protectora.

Son especialmente útiles en aplicaciones con una alta densidad de sensores de temperatura. Este tipo de aplicaciones no ofrecen un espacio amplio para instalaciones locales, por lo que montar los transmisores en un gabinete cercano simplifica la instalación. Debido al nivel de precios relativamente bajo de los transmisores para riel DIN, son una opción muy utilizada. Los transmisores de temperatura para montaje en riel DIN pueden contar con funcionalidades adicionales, como la aislación galvánica de seguridad intrínseca y/o salidas de conmutación que se pueden utilizar como alarmas o como salidas digitales auxiliares.

Transmisores de temperatura para montaje en campo

Para aplicaciones que requieren montaje en campo, los fabricantes ofrecen transmisores de temperatura que cuentan con carcasas robustas adecuadas para los entornos hostiles que son típicos en las instalaciones de campo.

Estas carcasas se fabrican normalmente de acero o aluminio mediante un proceso de fundición y pueden ofrecer un nivel de protección medioambiental de hasta IP 67. Estos transmisores se pueden montar prácticamente en cualquier lugar en que se los requiera.

Este tipo de transmisor generalmente se monta en la parte superior de la termovaina o si es necesario, como por ejemplo si se presentan altas temperaturas ambientales, en un tubo de extensión por temperatura. Si estas medidas no son lo suficientemente efectivas, otra opción consiste en utilizar un transmisor remoto separado que se pueda montar en un entorno menos agresivo mientras sigue conectado al sensor de temperatura.

Los transmisores montados en campo pueden usar una carcasa de un solo volumen, pero esto puede ser problemático en caso de entrada de agua, lo que podría causar daños graves a la electrónica del dispositivo. Para evitar este problema, se pueden utilizar carcasas estancas de volumen doble.

Un volumen contiene la electrónica y el otro contiene las conexiones. De esta manera, la electrónica delicada está protegida por un compartimento hermético.

Aplicaciones en zonas clasificadas

Aunque, desde el punto de vista de la seguridad intrínseca, tanto las termocuplas como los RTD se consideran como dispositivos eléctricos simples, los transmisores de temperatura de 4-20 mA no lo son.

Por lo tanto, deben contar con una certificación de seguridad intrínseca y deben estar conectados al controlador mediante una barrera de seguridad intrínseca compatible. Si los transmisores no son intrínsecamente seguros, entonces sus carcasas deben ser compatibles con los métodos de protección Ex d o Ex e y deben contar con el certificado correspondiente.

Para estas aplicaciones, los transmisores montados en riel DIN pueden incluir un aislamiento galvánico de seguridad intrínseca. Si este es el caso, no se requieren barreras adicionales.

Por lo general, los fabricantes de dispositivos de campo no fabrican versiones diferentes de sus transmisores. La práctica habitual es diseñar un dispositivo con una carcasa Ex-e, Ex-d o Ex-de y hacer que la electrónica interna sea intrínsecamente segura de forma predeterminada. Y se incluyen las certificaciones correspondientes según la versión seleccionada por el usuario final.

Esta práctica puede parecer ilógica a primera vista, pero cuando se consideran factores como las economías de escala, este enfoque es el más eficiente desde el punto de vista del costo de producción.

Características únicas

Hay muchas características opcionales que pueden mejorar el rendimiento de los transmisores de temperatura. Por ejemplo, algunos transmisores se pueden pedir con soporte para sensores de temperatura duales. Esta función permite a los usuarios finales obtener una señal de temperatura duplicada que se puede utilizar con fines de redundancia. En caso de fallo de un sensor, el transmisor seguirá funcionando utilizando el segundo sensor de temperatura, mientras que al mismo tiempo enviará una alerta tanto al controlador como al AMS (Sistema de Gestión de Activos), si el mismo está disponible.

Esta función de respaldo también se puede utilizar para la detección de deriva de señal. Esta función realiza la comparación del valor medido por ambos sensores normalmente, calculando la diferencia entre ellos. Si uno de los sensores comienza a derivar, el otro continuará proporcionando un valor correcto y la señal diferencial comenzará a aumentar. Por lo tanto, se detectará la deriva.

Este tipo de funciones extendidas están generalmente disponibles en los transmisores de temperatura totalmente digitales y, en la mayoría de los casos, son más fáciles de configurar mediante una herramienta de software proporcionada por el fabricante

Transmisores de temperatura multicanal

Existen algunas aplicaciones que requieren medición de temperatura en diferentes puntos cercanos entre sí, por ejemplo, la medición de perfiles de temperatura reactores, torres de destilación, hornos de cracking, procesos de pasteurización y refrigeración de productos alimenticios, procesos de fermentación y procesos de esterilización, entre muchos otros.

En este tipo de aplicaciones, puede ser conveniente el uso de transmisores de temperatura multicanal.

Estos dispositivos funcionan como multiplexores de temperatura, en los que un microprocesador encuesta secuencialmente los sensores de temperatura que están conectados a él y luego envía los valores de medición correspondientes empleando una variedad de protocolos de comunicación digital.

Por lo tanto, los transmisores de temperatura multicanal pueden considerarse dispositivos de campo multivariable. Durante los años de apogeo de los buses de campo basados en IEC 61158-2, numerosos fabricantes desarrollaron este tipo de dispositivos, generalmente con soporte para 2 a 8 sensores de temperatura, los que podían ser tanto termocuplas como RTD.

Los dispositivos multicanal disponibles en la actualidad suelen funcionar como multiplexores de señal y pueden integrarse en sistemas de control mediante protocolos de comunicación en serie o basados en Ethernet

La principal ventaja de este enfoque es la reducción del costo por punto de medición. Esto se debe a que en este esquema se utiliza un solo transmisor de temperatura secuencialmente para encuestar más de un sensor de temperatura. El costo de un transmisor multicanal es más alto que el de un transmisor de un solo canal, pero definitivamente es más bajo que el precio de ocho transmisores de un solo canal.

La principal desventaja que presentan es que, en caso de falla del transmisor, todos los datos de los sensores de temperatura conectados a él dejan de estar disponibles. Este problema se puede resolver mediante el uso de transmisores de temperatura multicanal redundantes, pero se debe realizar un análisis detallado de costo vs beneficio de la inversión antes de su implementación.

Con la disponibilidad de la tecnología Ethernet APL, es posible que finalmente haya llegado el momento para los transmisores de temperatura multicanal.

Transmisores de temperatura inalámbricos monocanal y multicanal

Con la amplia disponibilidad de protocolos de comunicación inalámbrica como Wireless HART e ISA 100, la idea de un transmisor de temperatura inalámbrico, con la capacidad de transmitir los datos recibidos de los sensores de temperatura conectados a un concentrador, se convierte en una solución obvia para aplicaciones que requieren mediciones de temperatura en lugares de difícil acceso.

Los transmisores inalámbricos suelen funcionar con baterías, por lo que tienen un presupuesto de energía limitado. Pero dado que los sensores de temperatura son pasivos (en el caso de las termocuplas) o activos, pero requiriendo solo una pequeña cantidad de energía (en el caso de los RTD), son muy adecuados para este tipo de aplicaciones.

La primera generación de transmisores inalámbricos solían ser versiones de dispositivos de campo ya disponibles equipados con un adaptador inalámbrico y alimentados por un paquete de baterías. Para mejorar la duración de la batería, los transmisores HART deben funcionar en modo multipunto. En este modo, el lazo de corriente de 4-20 mA está desactivado y la corriente se fija en 4 mA. Todos los datos se envían al sistema de control en formato digital.

Wireless HART es un protocolo de comunicación digital que fue diseñado como una versión inalámbrica del protocolo HART tradicional, aunque inicialmente se empleaban adaptadores Wireless HART para permitir el uso de dispositivos HART cableados existentes, hoy en día este protocolo de comunicaciones ha alcanzado suficiente cuota de mercado como para que sea posible usar solo dispositivos Wireless HART nativos en aplicaciones específicas. Los dispositivos Wireless HART nativos envían todos los datos del proceso al Gateway Wireless HART que actúa como concentrador en formato digital.

ISA 100 es un protocolo de comunicación inalámbrica diseñado con un enfoque de hoja de papel en blanco, es decir diferente a Wireless HART, el cual es una adaptación de un protocolo existente. Pero la comparación de estas dos tecnologías inalámbricas excede el alcance de este artículo. Menciono ambos porque existen transmisores de temperatura para ambas alternativas.

Tanto Wireless HART como ISA 100 son redes basadas en el concepto de malla o “mesh”, es decir, funcionan mejor cuando aumenta la densidad de los nodos de la red, por lo que este tipo de soluciones son ideales para aplicaciones como las de  sensado previsivo o el monitoreo de condiciones.

Y dado que el transmisor inalámbrico es la parte costosa del equipo en una red de dispositivos de campo inalámbricos, tiene mucho sentido la idea de usar transmisores de temperatura inalámbricos multicanal.

La medición de temperatura es la aplicación ideal para este tipo de redes basadas en mallas. Los sensores empleados para este propósito tienen bajos requisitos de energía, por lo que pueden ser alimentados por el transmisor inalámbrico. Y este equipo puede ser alimentado por una batería o por cualquiera de los diversos métodos de recolección de energía (energy harvesting) que están disponibles actualmente. Además, la temperatura es una variable con un radio de variación lento en función del tiempo, por lo que son compatibles con el modo de trabajo de ahorro de energía empleado por los protocolos inalámbricos.

Medición de temperatura no invasiva

Aunque los sensores de temperatura montados en superficie han estado disponibles desde finales de los años 70, su falta de precisión hizo que su uso en la aplicación de automatización de procesos fuera difícil, si no imposible.

Pero en los últimos años, los avances en las capacidades de procesamiento de los microprocesadores modernos combinados con algoritmos avanzados han transformado esta opción en una alternativa viable al transmisor de temperatura tradicional montado en una termovaina.

Estos avances han transformado la medición de temperatura no invasiva en una nueva tendencia en el diseño de transmisores de temperatura. Cuando mencionamos los problemas que aparecieron con el uso de termovainas, como su susceptibilidad a dañarse si el medio que se está midiendo es o se vuelve agresivo. Las termovainas también pueden ser el origen de la formación de vórtices en el flujo del proceso y esta condición puede dañar la termovaina debido a las oscilaciones resultantes.

Finalmente, está el problema de reemplazar una termovaina dañada. Esto puede ser problemático bajo cualquier condición, pero se convierte en un problema grave si el reemplazo requiere la interrupción del proceso. Esta situación puede ocurrir cuando la tubería de proceso o el recipiente donde está instalado el transmisor de temperatura está presurizado.

La solución a este problema consiste en el uso de la medición de temperatura no invasiva.

Este método requiere que la sonda de temperatura se monte lo más apretada posible al recipiente o al conducto donde se realiza la medición para garantizar su contacto con la superficie en el punto de instalación.

Después de hacer esto, el microprocesador del transmisor utiliza algoritmos patentados que determinan la relación entre la temperatura de la superficie y la temperatura interna del proceso y utiliza valores de conductividad térmica conocidos para determinar el flujo de calor. Con este último valor, el transmisor puede calcular la temperatura del proceso.

La precisión de este método de medición, en las condiciones adecuadas, se sitúa entre el 1% de la medición obtenida con un sensor tradicional montado en termopozo.

Por lo tanto, si bien este método no es adecuado para todas las aplicaciones, su uso en las que son adecuadas puede producir ahorros significativos en las operaciones de la planta, ya que transforma el transmisor de temperatura en un dispositivo portátil, reduciendo así el número total de dispositivos necesarios en una planta.

Esta tecnología, cuando se combina con comunicaciones inalámbricas, ofrece opciones ilimitadas de medición de temperatura.

El futuro de la medición de la temperatura

La tecnología de medición de temperatura ha experimentado grandes avances en los últimos 50 años. Pero estos avances se han logrado principalmente gracias a las mejoras en los microprocesadores y el software asociado utilizado por los fabricantes para convertir sus equipos en dispositivos SMART.

La tormenta perfecta de innovaciones tecnológicas actualmente en curso en la industria de procesos, que incluye redes Ethernet determinísticas (TSN o Time Sensitive Networking), redes Ethernet para dispositivos de campo (Ethernet APL o Advanced Physical Layer), el concepto 2-WISE (2 Wires Intrinsically Safe Ethernet), el uso de modelos de información para la integración de dispositivos (PA-DIM o Process Automation - Device Information Model),  y el acceso extendido a cualquier dispositivo conectado a la red (NOA o NAMUR Open Architecture) funcionarán como incentivos para el desarrollo de dispositivos de campo que finalmente permitirán la adopción de la digitalización en la Industria de Procesos.

Y curiosamente, incluso con todos los avances que hemos visto en esta serie de artículos, dentro del sofisticado firmware de estos dispositivos de última generación, todavía se puede encontrar la ecuación de Callendar-Van Dusen utilizada para la linealización de la señal.

Y de esta manera poco glamorosa, esta serie de artículo sobre medición de temperaturas en ambientes industriales llega a su fin. Espero que les haya gustado leerla tanto como a mí me gustó escribirla.

Mirko Torrez Contreras es un consultor y entrenador en Automatización de Procesos. Si hubiera sabido con anticipación que la serie de artículos sobre la temperatura lo mantendría ocupado durante tres meses, no lo habría creído.

Por este motivo, terminó pasando todo el invierno investigando y desentrañando aspectos poco conocidos de la historia de la medición de la temperatura. Hay algo de ironía en este empeño.

Pero finalmente ha llegado la primavera, y este es el último capítulo de la serie. Ahora tendrá que averiguar cuál será el próximo tema a tratar.

Este artículo ha sido patrocinado por Phoenix Contact. Las opiniones expuestas en este artículo son estrictamente personales. Toda la información requerida y empleada en este artículo es de dominio público.