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Cómo selecionar sensores de temperatura

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1. 1. Termocuplas estándar

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.

 

 

 

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