TERMOPARES

El termopar se basa en el principio, del efecto que fuera descubierto en 1821 por Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través de esos materiales circulará una corriente.

El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente precisos y muchos más económicos que las termoresistencias.

Existen muchos métodos para realizar mediciones prácticas de temperatura. De todos ellos, unos fueron desarrollados para aplicaciones particulares mientras que otros han ido cayendo en desuso.

Las termocupulas constituyen hoy en día el sistema de medición de temperatura más usado y de mejor acceso.

Esta forma de medición abarca el rango de temperaturas requerido para la mayoría de las mediciones exigidas.

Termocupulas de diferentes tipos pueden cubrir un rango de 250°C hasta 2.000°C y más si fuera necesario.

Veamos el concepto de trasductores :Trasductores son aquellos elementos de un circuito electrónico que efectúan una trasposición de una variable física en una eléctrica.
Podemos diferenciar dos clases de trasductores:

1) Los de entrada: (o sensores) que transforman una variable física dada, en una variable eléctrica - por lo general la primera se encuentra en uno de los 5 campos de señales mas comunes - radiante, químicas , magnética, térmica ó mecánica , mientras que la segunda queda restringida normalmente a variaciones de tensión y corriente, a veces en forma directa o indirectamente a través de variación de algún parámetro pasivo (Resistencia, capacidad, inductancia) .

2) Los de Salida: (o actuadores) estos traducirán una variable eléctrica a un variable física en alguno de los 5 campos mencionados.

Trasductores de temperatura , los más comunes son: Termocupla, termorresistencia y elementos de estado sólido.

A fin de seleccionar el mejor sensor para una aplicación dada, se deben considerar varios factores, como ser rangos de temperatura, exactitud, velocidad de respuesta, costo y requerimientos de mantenimiento. Estos factores serán analizados a continuación en relación a aquellos dispositivos de uso más común en las industrias de proceso: termocuplas, termoresistencias , termistores , sistemas de dilatación y pirómetros de radiación u ópticos.

En la Tabla 1 se listan los rangos de temperatura medidos normalmente mediante sensores estándar. Estos rangos no representan los extremos alcanzables, sino los límites que pueden medirse con los dispositivos disponibles por lo general en el mercado y que son suministrados por la mayoría de los fabricantes. Se pueden medir mayores y menores temperaturas, pero generalmente con una menor exactitud y a un mayor costo.

1. Termocuplas

Si se presenta un gradiente de temperatura en un conductor eléctrico, el flujo de calor creará un movimiento de electrones y con ello se generará una fuerza electromotriz (FEM) en dicha región. La magnitud y dirección de la FEM será dependientes de la magnitud y dirección del gradiente de temperatura del material que conforma al conductor. Las termocuplas se basan para su funcionamiento en el efecto SEEBEK :

Calentado la juntura de dos materiales distintos que componen un circuito cerrado, se establece una corriente.

Las leyes principales que rigen su funcionamiento son:

1) Ley de Homogeneidad del circuito: No se puede obtener corriente calentando. un solo metal. (efecto Thompson )

2) Ley de Metales Intermedios: La sumatoria de las diferencias de potencial térmicas es cero en un circuito con varios metales, si estos están a temperatura uniforme.

En la figura siguiente ambos instrumentos marcarán igual, es decir la corriente circulante dependerá en ambos casos de T1 y T2 exclusivamente.

3) Ley de Temperaturas intermedias: La fuerza electromotriz térmica de una TMC no depende de las temperaturas -intermedias.

La tensión de una Termocupla cuyas junturas se hallan a temperaturas T y TR respectivamente es:

Se ve que a medida que (T - TR) crece la respuesta se hace no-lineal.

Es deseable entonces para que una TMC tenga un gran rango de medición, que:
a) K₁ SEA lo mayor posible
b) K₂, K 3 - - - K_n SEAN lo menor posible
c) el punto de fusión de sus metales componentes sea lo mayor posible.
d) gran resistencia al ataque químico.

Una termocupla consiste de un par de conductores de diferentes metales o aleaciones. Uno de los extremos, la junta de medición, está colocado en el lugar donde se ha de medir la temperatura. Los dos conductores salen del área de medición y terminan en el otro extremo, la junta de referencia que se mantiene a temperatura constante . Se produce entonces una fuerza electromotriz (fem) que es función de la diferencia de temperatura entre las dos juntas (fig. 2).

En una termocupula, dos materiales que tienen diferentes características FEM / temperatura, se combinan para producir voltaje de salida que puede ser cuantificado.

Existen varias reglas a recordar en el empleo de estos sistemas son las siguientes:

a) Para asegurar una operación estable y adecuada termocupula, las características termoeléctricas de conductores deben mantenerse a todo lo largo de los mismos (uniformidad).

b) Sólo un circuito comprimiendo o simplemente conectando materiales diferentes, en un gradiente de temperaturas producirá una señal. Dos conductores de igual material no producirán FEM alguna.

c) La sensibilidad termoeléctrica de la mayoría de los metales no es lineal con la variación de temperatura.

Puesto que la fem neta generada es función de las temperaturas de ambas juntas, se requiere el control o la compensación de la temperatura de la junta de referencia (o junta fría), lo cual se puede lograr de tres maneras distintas.

• El método básico y más exacto es el de controlar la temperatura de la junta de referencia, normalmente colocando la junta en un baño de hielo (0ºC).
• Otro método consiste en medir la temperatura en la junta de referencia utilizando cualquier tipo de dispositivo de medición de temperatura, y luego, en base a esa temperatura y a la salida eléctrica de la junta de medición compensar la lectura de la temperatura de la junta de medición .

• El tercer método es una compensación eléctrica. que también implica la utilización de un dispositivo sensor de temperatura para medir la temperatura de la junta de referencia; sin embargo, en lugar de calcular la compensación a ser aplicada a la salida de la junta de medición, el sensor de temperatura de la junta de referencia se halla incorporado dentro del circuito eléctrico de la termocupla, donde agrega o quita los milivolts necesarios en la junta de referencia a fin de corregir automáticamente la salida de la termocupla (fig. - 3).

Figura 2 Esquema de una termocupla y su sistema de medición Junta de medición Junta de corrección Cable compensado Junto de referencia.	Figura 3. Sistema electrónico de compensación de junta de referencia. Termocupla - Cable compensado Compensador de mV Fuente de tensión constante

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Como se verá más adelante, es de fundamental importancia la prolongación de los alambres termopares, muchas veces hasta la junta de referencia que puede estar lejos de la junta de medición y no siempre afectada por altas temperaturas como en el caso de los alambres de termocupla. Es allí donde aparece el uso de los conocidos cables compensados.Su misión es únicamente la de trasladar la junta de referencia hasta un lugar adecuado (de temperatura estable o conocida) y luego utilizar, para compensar el error, cualquiera de los dos primeros sistemas de compensación de junta fría mencionados.

En el caso del tercer sistema de compensación (fig. 3), la finalidad del cable compensado es llevar el sistema de compensación automática hasta un lugar con temperaturas inferiores a 60º C, ya que todos estos sistemas son electrónicos y trabajan con temperaturas ambiente entre -10º C y 60º C .

Los cables compensados reproducen las misma curvas de respuesta y de tolerancia mV/ºC , que las termocuplas entre 0 y 200º C. Se las utiliza sólo por razones económicas ya que su composición química difiere de las aleaciones de termocupla, buscándose entonces que los materiales sustitutivos sean más económicos que éstos.