TERMOINSTRUMENTOS

La figura siguiente muestra la combinación de un termopar y un mecanismo de bobina móvil e imán-permanente (PMMC), que sirve para medir tanto corriente alterna como corriente continua. Esta combinación se llama instrumento de termopar, ya que su operación se basa en la acción de un elemento termopar.

Figura. Diagrama esquemático de un instrumento con termopar básico, que utiliza un termopar CDE y un galvanómetro PMMC.

Cuando dos  metales diferentes están unidos en sus extremos se genera un voltaje en la unión de ambos. Este voltaje aumenta en proporción a la temperatura de la unión. En la figura siguiente , CD  y DE representan los dos metales diferentes, unidos en el punto E; se dibujan con una línea delgada y gruesa para indicar que son de diferente material. La diferencia de potencial entre C y D depende de la temperatura de la llamada unión fría, E. Un aumento de temperatura produce un incremento de voltaje y esto representa una ventaja del termopar. El elemento calefactor, AB, que está en contacto mecánico con la unión de los dos metales en el punto E, forma parte del circuito en el cual se mide la corriente. AEB se conoce como unión caliente. La energía calorífica  generada por la corriente en el elemento calefactor aumenta la temperatura de la unión fría e incrementa el voltaje generado a través de las terminales C y D. Esta diferencia de potencial origina una corriente continua por el instrumento indicador del PMMC. El calor generado por la corriente es directamente proporcional a su cuadrado (I2R) y el aumento de temperatura (y así mismo la generación de voltaje de corriente continua) es proporcional al cuadrado de la corriente rms. Por lo tanto, la deflexión del instrumento indicador seguirá una relación de ley cuadrática, causando que las marcas estén muy juntas en el extremo inferior de la escala y más espaciadas en el extremo superior. El arreglo de la figura no tiene compensación para cambios de temperatura ambiente.

El termoelemento compensado mostrado en la figura siguiente produce un voltaje termoeléctrico en el termopar CED, el cual es directamente proporcional a la corriente a través del circuito AB.

Figura . Termopar compensado para medir el termovoltaje producido por una sola corriente i. Las terminales del termopar C y D están en contacto con las terminales calefactoras A y B, pero son aisladas eléctricamente de ellas.

Como el voltaje generado en el termopar es una función de la diferencia de temperatura entre las uniones fría y caliente esta diferencia de temperatura debe ser producida únicamente por la corriente  que se está midiendo. Por lo tanto,  para medidas exactas,  los puntos C y D deben estar a la temperatura media de los puntos A y B. Eso se logra uniendo los extremos C y D en el centro de tiras separadas de cobre,  cuyos extremos están en contacto térmico con A y B,  pero aislados eléctricamente de ellos.

Hay instrumentos termoeléctricos autónomos del tipo compensado en el rango de 0.5-20 A. También se fabrican para rangos de mayores corrientes, pero en este caso el elemento calefactor es externo al indicador. Por lo general, los termoelementos para rangos de corrientes mayores a 60 A cuentan con aletas aéreas de refrigeración.

La medición de corrientes en rangos bajos, de aproximadamente 0.1 - 0.75 A, requiere un termoelemento tipo puente mostrado en la figura 4-35. Este modelo no integra un calefactor separado; la corriente por medir pasa directamente a través del termopar y aumenta de temperatura en proporción a I2R. Las uniones frías (marcadas c) están en las aletas integradas a la estructura aislante; las uniones calientes (marcadas h), en los empalmes a la mitad de las aletas. El arreglo de termopares se ilustra en la figura a continuación , y el voltaje térmico resultante genera una diferencia de potencial de corriente continua a través del instrumento indicador.

Figura. Instrumento de termopar tipo puente.

Ya que los brazos del puente tienen resistencias iguales, el voltaje de corriente alterna a través del medidor es 0 V y no circula a través de él corriente alterna. El empleo de varios termopares en serie genera un voltaje de salida y una deflexión mayor de lo que es posible con un elemento, lo que resulta en un instrumento con mejor sensibilidad.

Los termoinstrumentos pueden ser modificados a voltímetros mediante termopares de baja corriente y resistencias de precisión en serie. Los voltímetros de termopar se consiguen en escalas hasta de 500 V y sensibilidades de 100 a 500 Ω/V.

La mayor ventaja de un instrumento de termopar es su exactitud la cual puede alcanzar hasta 1%, y se pueden medir señales con frecuencias hasta de aproximadamente 50 MHz. Por esta razón, se les clasifica como instrumento de RF. Arriba de los 50 MHz, el efecto superficial tiende a forzar la corriente hacia la superficie externa del conductor. Esto incrementa la resistencia efectiva del alambre calefactor y  reduce la exactitud del instrumento. Para pequeñas corrientes (hasta 3 A), el alambre calefactor es sólido y muy delgado. Arriba de 3A  el elemento calefactor tiene un diseño tubular para reducir errores debidos al efecto superficial.