Medición y control industrial

Cómo selecionar sensores de temperatura

 

1. 1. Termocuplas estándar

Los termopares o termocuplas se forman cuando dos metales diferentes se unen para formar una unión. Un circuito eléctrico se completa uniendo los otros extremos de los metales diferentes para formar una segunda unión. Una corriente fluirá en el circuito si las dos uniones están a diferentes temperaturas, como se muestra en la figura (a).

Fig. 1a - (a) Un circuito de termocupla, (b) termocuplas conectados para formar una termopila y (c) enfocando los rayos EM en una termopila.

La corriente que fluye es el resultado de la diferencia en la fuerza electromotriz desarrollada en las dos uniones debido a su diferencia de temperatura. En la práctica, se mide la diferencia de voltaje entre las dos uniones; la diferencia de voltaje es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Tenga en cuenta que el termopar solo se puede utilizar para medir diferencias de temperatura. Sin embargo, si una unión se mantiene a una temperatura de referencia, el voltaje entre los termopares da una medida de la temperatura de la segunda unión.

Figura . Sensores a termopila, con diseños especiales incluyen lentes o reflectores incorporados para mejorar el rendimiento de la detección, construcciones isotérmicas o ventanas duales de banda estrecha para muchas aplicaciones de medición de temperatura sin contacto de vanguardia.

Los termopares o termocuplas tienen varias ventajas sobre otros métodos de medición de temperatura, ya que son de tamaño muy pequeño, tienen una respuesta de tiempo baja (10/20 ms en comparación con varios segundos para algunos elementos), son confiables, tienen buena precisión, un rango de temperatura de funcionamiento amplio, y pueden convertir la temperatura directamente en unidades eléctricas. Las desventajas son la necesidad de una referencia y la baja amplitud de la señal. Las señales de termopar se pueden amplificar con una referencia de unión fría cerca del amplificador y la señal se transmite en un formato analógico o digital a un controlador, o el termopar se puede conectar directamente al controlador para amplificación y corrección de la unión fría. Este método se utiliza a veces para eliminar el costo de los amplificadores y fuentes de alimentación remotos. Los módulos periféricos del controlador de procesos están disponibles para la amplificación de varias entradas de termopar con corrección de unión fría. La figura (a) siguiente muestra una conexión diferencial entre el amplificador y el termopar como un par trenzado de cables apantallados para minimizar el ruido y otras interferencias. La figura (b) siguiente muestra otras configuraciones que se pueden usar para conectar termopares para mediciones promedio de temperatura y mediciones de temperatura diferencial.

Fig. Diferentes tipos de conexiones de termopar a un amplificador operacional (a) usando par trenzado directo a una referencia y amplificador y (b) para medición de temperatura promedio y medición de temperatura diferencial.

Hay tres efectos asociados con los termopares. Son los siguientes:

Efecto Seebeck. Establece que el voltaje producido en un termopar es proporcional a la temperatura entre las dos uniones. El efecto Seebeck es un fenómeno termoeléctrico que describe la generación de una corriente eléctrica cuando se produce una diferencia de temperatura en una configuración de materiales conductores diferentes. Este efecto fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en 1821.

Cuando se establece una diferencia de temperatura a lo largo de un circuito formado por dos materiales conductores diferentes, se produce un flujo de electrones desde el material más caliente hacia el más frío, lo que genera una corriente eléctrica. Esto se debe a que los portadores de carga, como los electrones, tienden a moverse desde regiones de alta temperatura hacia regiones de baja temperatura.

El efecto Seebeck se basa en el principio de que los diferentes materiales tienen diferentes niveles de energía de los electrones en sus bandas de energía. Cuando los materiales se unen para formar un circuito cerrado y se someten a una diferencia de temperatura, se establece un gradiente de energía entre los materiales. Esto da lugar a un flujo de electrones, generando una corriente eléctrica.

El efecto Seebeck es utilizado en los dispositivos conocidos como termopares, que son sensores utilizados para medir temperaturas. Un termopar consta de dos metales diferentes unidos en ambos extremos. La diferencia de temperatura entre los extremos genera una corriente eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura, lo que permite medir la temperatura con precisión.

El efecto Seebeck también es fundamental en la comprensión y el desarrollo de los materiales termoeléctricos, que pueden convertir directamente la energía térmica en energía eléctrica, o viceversa, mediante el fenómeno conocido como efecto Peltier. Estos materiales son de gran interés para aplicaciones relacionadas con la generación de energía y la refrigeración.

En resumen, el efecto Seebeck describe la generación de una corriente eléctrica en un circuito compuesto por materiales conductores diferentes cuando se establece una diferencia de temperatura. Es un fenómeno importante en la termoelectricidad y ha encontrado aplicaciones en la medición de temperatura y en dispositivos termoeléctricos.

Efecto Peltier. Establece que si una corriente fluye a través de un termopar, una unión se calienta (produce energía) y la otra unión se enfría (absorbe energía). El efecto Peltier es un fenómeno termoeléctrico relacionado con la transferencia de calor entre dos materiales conductores diferentes cuando una corriente eléctrica atraviesa la unión de estos materiales. Fue descubierto por el físico francés Jean Charles Athanase Peltier en 1834.

Cuando una corriente eléctrica fluye a través de la unión de dos materiales conductores diferentes, se produce una transferencia de calor. Si la corriente eléctrica fluye en una dirección específica, se absorbe calor de un lado de la unión y se libera calor en el otro lado, generando un gradiente de temperatura. Este fenómeno se conoce como el efecto Peltier.

El efecto Peltier se basa en la interacción de los electrones con los átomos de los materiales conductores. Cuando los electrones pasan de un material a otro en la unión, experimentan un cambio en su nivel de energía. Este cambio en la energía se traduce en una transferencia de calor. El material por el que fluyen los electrones desde el lado frío hacia el lado caliente se enfría, mientras que el material por el que fluyen los electrones desde el lado caliente hacia el lado frío se calienta.

El efecto Peltier tiene varias aplicaciones prácticas. Se utiliza en dispositivos de refrigeración termoeléctrica, como enfriadores de alimentos portátiles, refrigeradores para electrónica y sistemas de enfriamiento en aplicaciones espaciales. Estos dispositivos aprovechan el efecto Peltier para transferir calor de un lado a otro utilizando la corriente eléctrica como fuente de energía.

Además, el efecto Peltier también se utiliza en la generación de energía termoeléctrica. Al aplicar un gradiente de temperatura a un dispositivo termoeléctrico, se puede generar una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica se produce debido al efecto Seebeck inverso, que es el reverso del efecto Peltier. Los dispositivos termoeléctricos de generación de energía se utilizan en aplicaciones donde se requiere aprovechar el calor residual, como en plantas de energía o en sistemas de recuperación de calor industrial.

En resumen, el efecto Peltier describe la transferencia de calor que ocurre cuando una corriente eléctrica atraviesa la unión de dos materiales conductores diferentes. Es un fenómeno utilizado en dispositivos de refrigeración termoeléctrica y en la generación de energía termoeléctrica.

Efecto Thompson. Establece que cuando fluye una corriente en un conductor a lo largo del cual hay una diferencia de temperatura, se produce o absorbe calor, según la dirección de la corriente y la variación de temperatura. El efecto Thompson, también conocido como efecto Joule-Thomson, es un fenómeno físico que describe el cambio de temperatura de un gas cuando se expande o se comprime adiabáticamente, es decir, sin intercambio de calor con su entorno.

Cuando un gas se expande adiabáticamente, es decir, se expande sin que se agregue o se extraiga calor del sistema, experimenta un cambio de temperatura. El efecto Thompson establece que el gas se enfría en algunos casos y se calienta en otros, dependiendo de sus propiedades y condiciones.

Si el gas se comporta como un gas ideal y no muestra interacciones significativas entre sus moléculas, el cambio de temperatura durante la expansión adiabática se debe principalmente a las fuerzas de atracción o repulsión entre las moléculas del gas. Cuando un gas se expande en una región donde las fuerzas intermoleculares son predominantemente atractivas, el gas se enfría. Por otro lado, si el gas se expande en una región donde las fuerzas intermoleculares son predominantemente repulsivas, el gas se calienta.

El efecto Thompson es utilizado en diversos campos y aplicaciones. Algunas de ellas son:

  1. Refrigeración: El efecto Thompson se aprovecha en sistemas de refrigeración basados en gases. Al permitir que un gas se expanda adiabáticamente en una zona de baja presión, se produce un enfriamiento del gas. Esto se utiliza en la refrigeración de alimentos, sistemas de aire acondicionado y enfriadores de gases.

  2. Industria del petróleo y gas: En la producción y transporte de petróleo y gas, el efecto Thompson es relevante para determinar los cambios de temperatura y presión en los fluidos durante la expansión y el flujo en tuberías y equipos.

  3. Investigación científica: El efecto Thompson se estudia en la investigación científica para comprender mejor el comportamiento de los gases y las interacciones moleculares. Esto es importante en el diseño de sistemas de refrigeración y en la comprensión de fenómenos térmicos y de transferencia de calor.

En resumen, el efecto Thompson describe el cambio de temperatura de un gas cuando se expande o se comprime adiabáticamente. Puede resultar en enfriamiento o calentamiento del gas, dependiendo de las fuerzas intermoleculares presentes. Este efecto tiene aplicaciones en la refrigeración, la industria del petróleo y gas, y la investigación científica.

En la práctica, el voltaje de Seebeck es la suma de las fuerzas electromotrices generadas por los efectos Peltier y Thompson. Hay una serie de leyes que deben observarse en los circuitos de termopar. En primer lugar, la ley de las temperaturas intermedias establece que el efecto termoeléctrico depende solo de las temperaturas de las uniones y no se ve afectado por las temperaturas a lo largo de los cables. En segundo lugar, la ley de los metales intermedios establece que se pueden utilizar en el circuito otros metales distintos a los que forman los termopares siempre que sus uniones estén a la misma temperatura, es decir, se pueden utilizar otros tipos de metales para las interconexiones y se pueden utilizar borneras sin afectar adversamente el voltaje de salida del termopar. Los distintos tipos de termopares se designan con letras.

Tipo Rango aproximado ºC Coeficiente Seebeck (µV/°C)

Cobre - Constantan (T)

Cromo - Constantan (E)

Hierro - Constantan (J)

Cromo - Alumel (K)

Nicrosil - Nisil (N)

Platino (rodio 10%) - Platino (S)

Platino (rodio 13%) - Platino (R)

−140 to 400

−180 to 1000

30 a 900

30 a 1400

30 a 1400

30 a 1700

30 a 1700

40 (−59 to 93) ±1°C

62 (0 to 360) ±2°C

51 (0 to 277) ±2°C

40 (0 to 277) ±2°C

38 (0 to 277) ±2°C

7 (0 to 538) ±3°C

7 (0 to 538) ±3°C

Tabla 1 . Rangos de funcionamiento para termopares y coeficientes de Seebeck

Las tablas de los voltajes de salida diferenciales para diferentes tipos de termopares están disponibles en las hojas de datos de termopares del fabricante. La Tabla 1 enumera algunos materiales de termopar y su coeficiente de Seebeck. El rango de operación del termopar se reduce a las cifras entre paréntesis si se requiere la precisión dada. Para el funcionamiento en todo el rango de temperatura, la precisión se reduciría a aproximadamente ± 10 por ciento sin linealización.

La termopila es una serie de termopares conectados en serie, para aumentar la sensibilidad y precisión al aumentar el voltaje de salida al medir diferencias de baja temperatura. Cada una de las uniones de referencia en la termopila regresa a una temperatura de referencia común como se muestra en la figura 1b.

La radiación se puede utilizar para detectar la temperatura. Los dispositivos utilizados son pirómetros que utilizan termopares o dispositivos de comparación de colores.

Los pirómetros son dispositivos que miden la temperatura al detectar el calor irradiado por un cuerpo caliente a través de una lente fija que enfoca la energía térmica en una termopila; este es un dispositivo sin contacto. Las temperaturas del horno, por ejemplo, se miden normalmente a través de un pequeño orificio en la pared del horno. La distancia desde la fuente al pirómetro se puede ajustar y la radiación debe llenar el campo de visión del sensor. La Figura 1c muestra la lente de enfoque y el termopar instalados en una termopila.

La figura 2 muestra gráficas de la fuerza electromotriz (fem) en función de la temperatura de algunos los tipos de termocuplas o termopares disponibles.

Figura 2. Fuerza electromotriz de salida de la termocupla versus temperatura para varios tipos.

Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standardg (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlación temperatura fem para estas termocuplas, las que han sido publicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y el American Society for Testing and Materials (ASTM).

Durante el año 1986. se ha procedido a uniformar las normas europeas DIN (alemanas), BS (inglesas), NF (francesas) y las antedichas ANSI (norteamericanas) en cuanto a la correlación de temperaturas y fem, así como en lo que hace a las tolerancias de estas fem en las distintas aleaciones.

Esto ha quedado homologado en la norma IEC 584 (International Electrotechnical Commission).

Estas siete termocuplas se enumeran en la Tabla 2. Los alcances de temperatura indicados son aquellos cuyos valores de fem se encuentran publicados. Asimismo se Indican la composición de termocuplas y los diámetros de alambre apropiado. La figura 4 muestra las relaciones de temperatura de las termocuplas. En la Tabla 3 se detallan las tolerancias de calibración estándar según IEC 584 Parte 1 actualmente en vigencia. En la Tabla 4 se comparan las capacidades de las termocuplas para enfrentarse a distintas condiciones ambientales.

Tipo B ( PtRh 30% - PtRh 6%)

Las ventajas de la termocupla Tipo B sobre la Tipo R o Tipo S son su capacidad para medir temperaturas levemente más altas, su mayor estabilidad y resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizada sin compensación de junta de referencia para fluctuaciones normales de la temperatura ambiente. Este último aspecto queda reflejado en la figura 4 por la pendiente despreciable de la curva de la termocupla Tipo B en la región de la temperatura ambiente. Las termocuplas Tipo B resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700º C. También resultan satisfactorias durante cortos períodos de tiempo en vacío.

Las desventajas de la termocupla Tipo B son su baja tensión de salida y su incapacidad para ser utilizada en atmósferas reductoras (como ser hidrógeno o monóxido de carbono) y cuando se encuentran presentes vapores metálicos (eso es, de plomo o zinc ) o no metálicos (eso es, de arsénico, fósforo o azufre). Nunca se la debe usar con un tubo de protección metálico o termovaina (a partir de aquí, simplemente se la menciona como vaina).

Tipo R (PtRh 13% - Pt )

Las termocuplas Tipo R pueden ser utilizadas en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400º C. No son tan estables como las Tipo B en vacío. La ventaja de la termocupla Tipo R sobre la Tipo B es su mayor fem de salida.

La ASTM establece las siguientes limitaciones que se aplican al uso de las termocuplas Tipo R:

  • Nunca se las deben usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen vapores metálicos o no metálicos u óxidos fácilmente reducidos, a menos que se las protejan adecuadamente con tubos protectores no metálicos.
  • Nunca deben ser insertadas directamente dentro de una vaina metálica.

Tipo S (PtRh 10 % - Pt )

La termocupla Tipo S es la termocupla original platino-rodio. Es el estándar internacional (Escala Práctica Internacional de Temperaturas de 1968, IPTS-68) para la determinación de temperaturas entre el punto de solidificación del antimonio 630,74º C (1.167,33º F ) y el punto de solidificación del oro 1.064,43º C (1.917º F).

Las termocuplas Tipo S, igual que las Tipo R, pueden ser utilizadas en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.480º C. Tienen las mismas limitaciones que las termocuplas Tipo R y Tipo B y también son menos estables que la termocupla Tipo B cuando se las utiliza en vacío .

Tipo J (Fe - CuNi )

La termocupla Tipo J, conocida como la termocupla hierro - constantán, es la segunda más utilizada en los EE.UU. El hierro es el conductor positivo, mientras que para el conductor negativo se recurre a una aleación de 55 % de cobre y 45 % de níquel (constantán).

Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por encima de 540º C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo.

Las siguientes limitaciones se aplican al uso de las termocuplas Tipo J:

  • No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540º C.
  • A causa de la oxidación y fragilidad potencial , no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0º C .
  • No deben someterse a ciclos por encima de 760º C , aún durante cortos períodos de tiempo, si en algún momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura.

El constantán utilizado para termocuplas Tipo J no es intercambiable con el constantán de las termocuplas Tipo T y Tipo E, ya que el constantán es el nombre genérico de aleaciones cobre-níquel con un contenido de cobre entre 45 % y 60 %. Los fabricantes de las termocuplas Tipo J regulan la composición del conductor de cobre-níquel de manera que la fem de salida de la termocupla siga la curva de calibración publicada. Los elementos fabricados por las distintas empresas, con frecuencia no son intercambiables para el mismo tipo de termocupla.

Tabla 2. Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (fem) correspondientes a distintas termocuplas.

Tipo Denominación Composición y símbolo Rango de temperaturas (1) (en °C) Diámetro del alambre apropiado (2) F.e.m.en mV (3)
B Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6% PtRh 30% - PtRh 6% 0 ...1.500 (1.800) 0,35 y 0,5 mm 0...10,094 (13,585)
R Platino-rodio 13% vs. platino PtRh 13% - Pt 0...1.400 (1.700) 0,35 y 0,5 mm 0.16,035 (20,215)
S Platino-rodio 10% vs. platino PtRh 10% - Pt 0...1300(1.600) 0,35 y 0,5 mm 0...13,155 (15,576)
J Hierro vs. constatán Fe - CuNi

-200 ... 700 (900)

-200 ... 600 (800)

 3 mm 1mm

-7.89 ... 39,130 (51,875)

-7.89 ... 33,096 (45,498)
K Niquel-cromo vs. níquel (Chromel vs. Alumel ) NiCr - Ni

0...1000(1.300)

0 ... 900 (1.200)

3 ó 2 mm

1,38 mm

0...41,269 (52,398)

0...37,325 (48,828)
T Cobre vs. constatán Cu - CuNi -200 ... 700 (900) 0,5 mm -5,60 ... 14,86 (20,86)
E Niquel-cromo vs. constatán (Chromel vs. constatán ) NiCr - CuNi -200 ... 600 (800)

3 mm

 

-9,83 ... 53,11 (68,78)

-8,83 ... 45,08 (61,02)

(1) Los valores entre paréntesis son los admitidos en intervalos cortos (no permanentes )

(2) Los diámetros de alambres no son indicativos

(3) Valores de fem (mV) en función de º C , referencia junta fría 0º C.

 

Tipo K (NiCr Ni)

La termocupla Tipo K se la conoce también como la termocupla Chromel-Alumel (marcas registradas de Hoskins Manufacturing Co., EE.UU.). El Chromel es una aleación de aproximadamente 90% de níquel y 10% de cromo, el Alumel es una aleación de 95% de níquel, más aluminio, silicio y manganeso , razón por la que la norma IEC la especifica NiCr - Ni. La Tipo K es la termocupla que más se utiliza en la industria, debido a su capacidad de resistir mayores temperaturas que la termocupla Tipo J.

Las termocuplas Tipo K pueden utilizarse en forma continua en atmósferas oxidantes e inertes hasta 1.260º C y constituyen el tipo más satisfactorio de termocupla para uso en atmósferas reductoras o sulfurosas o en vacío.

Tipo T (Cu - CuNi )

La termocupla Tipo T se conoce como la termocupla de cobre constantán. Resulta satisfactoria para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes. Su desventaja reside en él hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370º C para un diámetro de 3,25 mm.

Aunque las termocuplas Tipo T resulten adecuadas para mediciones debajo de 0º C , la ASTM recomienda para ese propósito a las termocuplas Tipo E.

Tipo E ( NiCr - CuNi )

La termocupla Tipo E, o Chromel-constantán, posee la mayor fem de salida de todas las termocuplas estándar , según se muestra en la figura 4. Para un diámetro de 3,25 mm su alcance recomendado es - 200º C a 980º C.

Estas termocuplas se desempeñan satisfactoriamente en atmósferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente adecuadas para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero a raíz de su elevada fem de salida y su buena resistencia a la corrosión. La termocupla Tipo E es mejor que la Tipo T, para este propósito a causa de su mayor salida y puesto que la conductividad térmica del alambre de Chromel es menor que la del alambre de cobre de la termocupla Tipo T.

Tabla 3.Tolerancias de calibración para termocuplas estándar ( referencia junta fría 0º C ) según IEC 584 Parte 1 . 

Termocupla Rango Clase 1 . Desviación máxima (+ ) (1)
Cobre vs. Cobre-níquel, Tipo T -40  a + 350°C 0, 5 °C ó 0,004 (t)
Hierro vs. cobre- níquel,  Tipo J -40a+ 750 °C 1,5 °C ó 0,004 (t)
Níquel-cromo vs. níquel, Tipo K - 40 a 1.000 °C 1,5 °C ó 0,004 (t)
Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R . 0 a + 1.600°C 1 °C ó 1 + 0,003 (t - 1. 100)°C
Platino-rodio 10% vs. platino, Tipo S 0 a + 1. 600°C 1 °C ó 1 + 0,003 ( t - 1.100)°C
Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%, Tipo B --  
Termocupla Rango Clase 2 . Desviación máxima (+ ) (1)
Cobre vs. cobre-níquel,  Tipo T -40a+ 350°C 1°C ó 0,0075(t)
Hierro vs. cobre-níquel, Tipo J -40a+ 750 °C 2,5 °C ó 0,0075 (t)
Níquel-cromo vs. níquel, Tipo K - 40 a + 1.200°C 2. 5 °C  ó 0.0075 (t)
Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R 0 a + 1.600 °C 1,5 °C ó 0,0025 (t)
Platino- rodio 10% vs. platino, Tipo S 0 a + 1.600 °C 1,5 °C ó 0,0025 (t)
Platino- rodio 30% vs. platino-rodio 6%, Tipo B + 600 a + 1700 °C 1,5 °C ó 0,0025 (t)
Termocupla Rango Clase 3(2) . Desviación máxima (+ ) (1)
Cobre vs. Cobre-níquel, Tipo T -200 a + 40 °C 1 °C ó 0,015 (t)
Hierro vs. cobre- níquel,  Tipo J -200 a + 40 °C 2,5 °C ó 0,015 (t)
Níquel-cromo vs. níquel, Tipo K -200 a + 40 °C 2,5 °C ó 0,015 (t)
Platino-rodio 13% vs. platino, Tipo R  -- --
Platino-rodio 10% vs. platino, Tipo S -- --
Platino-rodio 30% vs. platino-rodio 6%, Tipo B +600 a + 1.700 °C 4 °C ó 0,005 (t)

(1) La desviación máxima debe ser calculada como el mayor valor de las dos expresiones: el valor en °C o su equivalente calculado reemplazando (t) por la temperatura en cuestión.

(2) Normalmente, las termocuplas y los cables compensados se suministran con tolerancias especificadas por encima de -40 °C. Para termocuplas utilizadas por debajo de -40 °C . debe entenderse que sus tolerancias son para ese material mayores qué ¡as especificadas en Clase 3.

 

LA TERMOCUPULA PRACTICA

Para aplicaciones simples, los termoelementos pueden hacerse usando cables compensados y algún tipo de aislante adecuado para cada caso.

La unión de medición se forma en un extremo soldando los dos alambres conductores fundiéndolos entre sí bajo una atmósfera inerte de argón.

La condición esencial es establecer una conexión eléctrica adecuada entre los conductores (Figura 1)

Fig. 1

Los rangos, tipo y estilos de las termocupulas son muy grandes y completos con lo que es posible conseguir una disposición adecuada para las aplicaciones necesarias en la industria y el campo científico.

Frecuentemente, el termoelemento suele ir introducido en una carcaza cerrada en su extremo (termopozo) que se fabrica de alguna aleación metálica resistente a la corrosión o al calor y, en otros casos, se utiliza un material refractario (Figura 2)

Fig. 2

Una forma alternativa de construcción es utilizar un termoelemento con aislamiento mineral; En este caso, los cables conductores están envueltos en un polvo mineral inerte y no conductor fuertemente compactado. Todo este conjunto va rodeado de una camisa metálica (de acero inoxidable o aleaciones de níquel) que forman una unidad hermética.

Este tipo de ensamblaje se puede obtener en diámetros externos desde 0.25 hasta 19 mm inclusive y longitudes de unos pocos milímetros hasta cientos de metros (Figura 3)

Fig. 3

 

Para aplicaciones especiales donde se requiere una respuesta rápida, es aconsejable ocasionalmente, que la termocupula sea fabricada con su unión expuesta o en algunos casos aterrada; siempre y cuando el resto del sistema lo permita.

Las termocupulas están frecuentemente acabadas con una conexión o un terminal que permite su unión con resto del circuito termoeléctrico. Alternativamente, un conector especial puede ser incluido; En estos dispositivos, las patas conectoras están construidas de materiales o aleaciones adecuadas para no alterar la FEM generada en la unión de medición, permitiendo así la rápida conexión o desacople del sensor a utilizar sin afectar de forma alguna la uniformidad del termoelemento.

En los termopares, también llamados termocuples, existen dos puntos importantes: las juntas caliente (en el proceso) y la junta fría (en el medio ambiente).

Los materiales que serán usados ya están estandarizados y tienen unas tablas de comportamiento, que suponen, que la junta fría se encuentra a cero (0) grados centígrados.

Esto es con el fin, de tener un valor de patrón de comparación que parta de cero, ya que de no ser así, la junta fría actuaría como un segundo termopar en serie con el primero sumando así a la f.e.m. de la junta caliente.

En la práctica industrial, lo frecuente, es tener la junta fría a temperatura ambiente, lo que hace necesario compensar el valor de la lectura de mV, restando los mV que generaría ese termopar a la temperatura ambiente.

Cómo utilizar un termopar: Consejos prácticos de aplicación

Un termopar se dice que es un “sencillo” dispositivo de medición de la temperatura. Con una diferencia de temperatura entre la unión fría y la unión caliente, usted tiene una lectura de voltaje que le da una indicación de la temperatura que se mide. Pero, ¿es realmente un dispositivo simple?. Bueno, un estudio detallado del termopar revelará que en realidad no es un dispositivo simple como parece. A partir de los cables de extensión que podrían servir de antena para recoger tensiones parásitas, a problemas de bucle de puesta a tierra, con avanzados módulos de acondicionamiento de señal destinados a disminuir el ruido y con desafíos para obtener la composición del material del termopar, no parece ser un dispositivo simple en el sentido real. Sin embargo, la termocupla es todavía un dispositivo preferido cuando se trata de la medición de altas temperaturas y en ciertas aplicaciones donde un RTD no es adecuado.

Entonces, ¿cómo podemos utilizar un dispositivo de termopar con éxito? Aquí detallamos algunos consejos prácticos de aplicación que ayudan a hacer del termopar en un éxito en su aplicación:

  • Consejo 1:
  • Siempre examine las especificaciones del fabricante del termopar para cumplir las normas, los rangos especificados de temperatura, y la intercambiabilidad. Éstos son los puntos básicos de su aplicación.
  • Consejo 2:
  • La reproducibilidad y la capacidad de intercambio entre marcas de termopares debe ser verificada. Los errores debidos a la sustitución de termopar son comunes en la industria y se deben evitar.
  • Consejo 3:
  • Los lazos de tierra son un problema común en las aplicaciones de termopar. Utilice módulos de acondicionamiento de señal aislados para evitar bucles a tierra.
  • Consejo 4:
  • Siempre use módulos de acondicionamiento de señal de termopar con el filtrado de entrada apropiados. Se ha demostrado que esto reduce o elimina los errores graves de ruido.
  • Consejo 5:
  • Cada cable de termopar conectado al módulo de detección debe estar a la misma temperatura. Los conectores del módulo no deberían tener gradientes térmicos (diferencias de temperatura) a través de las conexiones individuales.
  • Consejo 6:
  • El comportamiento del termopar depende de la estructura molecular de los materiales. Las condiciones ambientales tales como el estrés, la corrosión química, radiación, etc., que afectan a la estructura molecular en cualquier lugar a lo largo de la longitud del alambre del termopar pueden crear errores de medición.
  • Consejo 7:
  • Utilice cables de extensión de par trenzado y módulos de acondicionamiento de señal con filtrado adecuados para ayudar a evitar interferencia electromagnética y los errores interferencias de radiofrecuencia.
  • Consejo 8:
  • Mantener las longitudes de termopar del conductor lo más cortas posible.
  • Consejo 9:
  • Use extensiones de cables recomendadas por el fabricante si son necesarios tramos largos de cables de termopar.
  • Consejo 10:
  • Siempre ponga atención en el código de color de la polaridad. También tenga en cuenta que los fabricantes europeos y los fabricantes norteamericanos utilizan convenciones de de código color de polaridad opuestas. Asegúrese de anotar la diferencia y tomar las medidas adecuadas para evitar cualquier error de polaridad debido a esta diferencia.
  • Consejo 11:
  • Evitar “derivaciones calientes” al instalar termocuplas. Cualquier material conductor del calor, como hilos conductores grandes, pueden puentear calor fuera del termopar,  creando errores de medición.
  • Consejo 12:
  • Ambientes corrosivos hostiles combinados con humedad y calor pueden provocar  corrosión, lo que puede estimular la acción galvánica y crear errores electroquímicos de tensión. Considere el entorno operativo antes de decidir el tipo de termopar de usar.
  • Consejo 13:
  • El tiempo de respuesta de medición de la temperatura es significativamente afectado por la vaina que contiene al termopar, por ejemplo los termopares en un pozo térmico tienen un tiempo de respuesta lento, que pueden causar variaciones indeseables en un lazo de control. Determine si el tiempo de respuesta es crítico para su aplicación antes de decidirse a utilizar tubo o vaina específico de termopar.
  • Consejo 14:
  • Trate de utilizar módulos de acondicionamiento de señales electrónicas con técnicas de compensación de junta fría, que utilicen dispositivos que detectan la temperatura, los que tienen tiempos de respuesta térmica equivalente a la de los termopares de medida.
  • Consejo 15:
  • Un termopar de unión expuesta se recomienda para la medición de la temperatura del gas no corrosivo fluyendo o estático cuando la mayor sensibilidad y respuesta más rápida es requerida. En este tipo, los alambres de medición no están protegidos y el tiempo de respuesta es muy rápido.
  • Consejo 16:
  • Una unión de termopar sin puesta a tierra (aislada) es más adecuada para los medios corrosivos, aunque la respuesta térmica es más lenta debido a la separación de aire entre la unión y la funda exterior. Este tipo de construcción proporciona una mejor protección a los cables del termopar y es de construcción aislada electrónicamente. En algunas aplicaciones, donde más de un termopar se conecta a la instrumentación asociada, la aislación puede ser esencial para evitar señales falsas que se producen en los circuitos de medición.
  • Consejo 17:
  • Una unión de termopar puesta a tierra (conexión a tierra) es adecuada para medios corrosivos y para aplicaciones de alta presión. Esta proporciona una respuesta más rápida que la unión con aislamiento y protección no otorgada por la junta expuesta de termopar.