Medición y control industrial

Cómo selecionar sensores de temperatura

 
1.2. Termocuplas no estándar

Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termocuplas además de aquellos que tienen asignada una denominación con letra por la ISA (IEC). Estas otras termocuplas exhiben características especiales que no se encuentran en los tipos estándar, lo cual las hace adecuadas para aplicaciones especiales. las características y la fem de salida pueden variar de un fabricante a otro, razón por la que se debe consultar al fabricante en relación a aplicaciones específicas.

Hay una aleación en particular, muy difundida especialmente en Argentina, que debernos considerar por separado. Se trata de la aleación hierro-constantán Fe - CuNi. quizás la más difundida antes de la homologación de las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y DIN 43710, las más importantes a nivel mundial.

La curva de esta aleación, identificada por IEC con la letra L presenta una diferencia con la Tipo J vista anteriormente, aún cuando sus composiciones químicas sean similares, de casi 13º C en 800º C. Sin embargo, en Argentina se la confunde con su similar Tipo J. En la Tabla 5 se detallan las características de las termocuplas no estándar más comunes disponibles hoy día en la industria de procesos.

1.3. Diseño de las termocuplas

Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:

· Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
· Deben producir una salida eléctrica mensurable, y estable.
· Deben tener la precisión requerida.
· Deben responder con la velocidad necesaria
· Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
· Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
· Deben ser económicos .

Hay una gran variedad de diseños de termocuplas para numerosas aplicaciones. En su diseño más común, los conductores (alambres) de los materiales deseados se juntan, normalmente mediante soldadura, para formar la junta de medición. Los alambres son separados, después de la junta soldada y aislados, normalmente por medio de una sustancia corno ser fibra de vidrio, resina fluorocarbonada (por ejemplo, Teflón). aisladores cerámicos, fibra cerámica, polvo cerámico, etcétera.

Los alambres pueden usarse desprotegidos o instalados dentro de un tubo o vaina de protección. Los tubos y las vainas de protección se usan casi siempre con las termocuplas básicas mientras las termocuplas provistas de blindaje protector metálico pueden brindar suficiente protección química y mecánica sin tubo o vaina en la mayoría de los casos.

Construcción con blindaje metálico

Las termocuplas con blindaje metálico, normalmente llamadas compactadas (fig. 6), suelen compactarse con óxido de magnesio, aun cuando puedan utilizarse otros materiales como ser óxido de aluminio y óxido de berilio. Las termocuplas compactadas se construyen insertando la aislación en forma de polvo, o como cordones especiales sobre los alambres dentro del tubo metálico. Posteriormente se procede a reducir el diámetro del tubo trafilándolo, aplastando así los aisladores o comprimiendo el polvo hasta formar una masa más densa. La unidad, finalmente, es tratada térmicamente para aliviar las tensiones provocadas por la reducción del diámetro y para eliminar cualquier humedad residual.

Fig. 6 - Construcción de la junta de medición en termocuplas compactadas .

a. Solidaria ; construcción especial para lograr una mayor velocidad de respuesta

b. Aislada ; construcción normal de las termocuplas. También se la puede construir expuesta , tratándose de una construcción especial que ofrece la máxima velocidad de respuesta y la mínima resistencia a los agentes corrosivos por estar la junta fuera de la vaina protectora .

La junta de medición de las termocuplas con blindaje metálico puede tener tres configuraciones distintas: soldada al extremo del blindaje (fig. 6a): aislada del extremo del blindaje (fig. 6b); o expuesta fuera del extremo del blindaje.

Soldando los alambres al extremo del blindaje se logra hacer masa con el blindaje, se los protege de daños mecánicos y condiciones ambientales adversas, y se asegura una construcción hermética a la presión. La velocidad de respuesta de este tipo de construcción se encuentra entre la velocidad de la junta expuesta (la más rápida) y la aislada (la más lenta).

La junta aislada es similar a la junta puesta a masa, salvo hallarse aislada del blindaje y tener una respuesta mas lenta . Su construcción elimina la tensión entre los alambres y el material del blindaje provocada por las diferencias en los coeficientes de dilatación.

La junta expuesta posee la respuesta más rápida de las tres configuraciones, pero no es hermética a la presión o a la humedad y los alambres se hallan expuestos al ambiente. Esto podría llevar a la corrosión y/o cortocircuito eléctrico debido a la conductividad del medio del proceso.

La termocupla blindada es mecánicamente más fuerte que la termocupla común con alambre aislado, y se la puede doblar o conformar con radios de curvatura muy reducidos inclusive dos veces el diámetro del blindaje. Esta termocupla puede ser cargada a resorte dentro de un tubo o vaina de protección (cuando se requiere protección adicional) para el contacto con el fondo de la vaina o el tubo a fin de obtener una respuesta rápida .

Se dispone de termocuplas blindadas con diámetros externos desde 1 hasta 9.5 mm. Los blindajes pueden hacerse de una gran variedad de materiales, siendo los mas comunes los de aleaciones de níquel-crorno y aceros inoxidables.
Tabla 4. Limitaciones ambientales de termocuplas (sin vainas o tubos protectores).

Tipo
Atmósfera oxidante
Atmósfera reductora
Atmósfera inerte
Vacío
Atmósfera sulfurosa
Temperaturas subcero
Vapores metálicos
B
SI
NO
SI
Si durante corto tiempo
NO
NO
NO
R
SI
NO
SI
NO
NO
NO
NO
S
SI
NO
SI
NO
NO
NO
NO
J
SI
SI
SI
SI
NO > 500°C
NO
SI
K
SI (1)
NO
SI
NO
NO
SI
SI
T
SI
SI
SI
SI
NO
SI
SI
E
SI
NO
SI
NO
NO
SI (2)
SI

(1) Mejor que las termocuplas E , J o T por encima de 550°C

(2) La mas satisfactoria para temperaturas subcero.

Tabla 5. Características de las termocuplas no estándar.
Composición Características
NicroSil(1) - NiSil(2) -  ( níquel - cromo - silicio vs. níquel - silicio) Calibración desde - 240 a 1.230°C; similar a la termocupla  Tipo K, con una mejor estabilidad y mayor vida útil  .
Platino - 20% rodio vs. platino - 5% rodio Mayor vida útil respecto a las termocuplas tipos R, S y B  a temperaturas más elevadas .
Platino - 40%  rodio vs. platino - 20% rodio Mayor vida útil respecto a las termocuplas tipos R, S y B  a temperaturas más elevadas .
Platino - 13% rodio vs. platino - 1 % rodio Mayor vida útil respecto a las termocuplas tipos R, S y B  a temperaturas más elevadas .
Platino - 15% iridio vs. paladio Mayor fem de salida que otras termocuplas de  platino.
Platino - 5%  molibdeno vs. platino - 0,1 % molibdeno Mayor resistencia a la radiación de neutrones en relación a otras termocuplas de platino,
Iridio - 40% rodio  vs. iridio Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino - rodio.
Iridio  - 50%  rodio vs. iridio Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino - rodio.
Rodio - 40% iridio vs. iridio Mayor capacidad de temperatura que las termocuplas de platino - rodio.
Plantinel I y II (3) Fem  similar a la de las termocuplas Tipo K pero con una mayor esta­bilidad a la temperatura
Geminol (4) Mayor resistencia que las termocuplas Tipo K en atmósferas  reductoras hasta 1.090°C
Thermo-Kanthal especial (5) Calibración similar a la de las termocuplas  Tipo K, pero con una mejor estabilidad,
Tophel II(4)   vs. Nial II (4) Calibración similar a la de las termocuplas Tipo K, pero con una mayor resistencia .
Chromel (6) (3-G-345) vs.  Alumel (6) (3-G-196 ) Mayor resistencia que la termocupla Tipo K a la oxidación de cromo en atmósferas  oxidantes de  bajo tenor .
Tungsteno  vs. tungsteno  - 26%  renio Capaz de medir temperaturas hasta 2.700 °C
Tungsteno - 3% renio vs. tungsteno - 25% renio Capaz de medir temperaturas hasta 2.760 °C
Tungsteno - 5% renio vs. tungsteno - 26% renio Capaz de medir temperaturas hasta 2.700 °C
Aleación - hierro vs. Chromel Capacidad mejorada respecto a las termocuplas de medición de temperaturas hasta -185 °C

Marcas registradas de :

(1) Amax Speciality Metals Corp.

(2) Amax Speciality Metals Corp.

(3) Engelhard Industries Div. Engelhard Corp.

(4) Driver - Harris Co.

(5) Thermo-Kanthal Co.

(6) Hoskins manufacturing Co.

4.   Fuerza electromotriz fem en función de la temperatura para las termocuplas estándar y varias termocuplas no estándar por encima de 0 ºC .A la derecha arriba se puede observar la respuesta de la termocupla PtRh 30% - PtRh 6% en la zona de temperaturas ambiente; la pendiente de su curva de respuesta es prácticamente despreciable, lo que permitió su utilización sin compensación.

5.  Fuerza electromotriz fem en función de lo temperatura para distintas termocuplas por debajo de 0 ºC : a. Cu-constantán NBS 125 - b. Fe-constantán NBS 125 - c. Chromel-Alumel NBS 125 - d. Chromel-constantán NBS 125 - e. Platinel 11 - f . AuCo-AgAu - g. AuFe-Chromel - h. Chromel-AgAu NBS 124.