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TERMOCUPLA TERMOMETRÍA

Es la medición de temperatura.

Esta se fundamenta en la medida cuantitativa de calor, lo que resulta preferible que fundarlo sobre el cambio de propiedades de las sustancias.

Esto es, si se determinan dos temperaturas como puntos fijos, digamos el punto de ebullición y el de congelación del agua pura bajo condiciones normales; la unidad de calor sería la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una cantidad unitaria de agua desde uno de dichos puntos fijos al otro.

La medida fundamental de temperatura, depende de un acuerdo internacional con respecto a un termómetro de gas con volumen constante y dos temperaturas fijas: los puntos de congelación y ebullición del agua. El manejo de este termómetro resulta impráctico en la mayoría de procesos por lo que se han ideado otros medidores cuyas calibraciones se basan sobre valores fijos de temperatura.

TERMOCUPLAS

Un termopar o termocupla por su traducción del inglés thermocouple, es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck).

Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).

En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja con precisiones inferiores a un grado Celsius.

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura.

Por ejemplo, una termocupla «tipo J» está hecha con un alambre de hierro y otro de Constantán (aleación de cobre y nickel) Al colocar la unión de estos metales a 750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.

Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable u otro material (vaina), en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal).

SELECCIÓN DE TERMOCUPLAS

No se puede evitar el deterioro de los termopares a temperaturas altas. Mientras mayores sean éstas y más desfavorables las condiciones de operación será más rápido el daño. Una atmósfera altamente oxidante y reductora, reduce la vida de la termocupla. Esta condición se encuentra con alguna frecuencia y se puede notar su existencia por el aspecto del alambre de la termocupla. Se forma una gran cantidad de costra (oxidación) que fácilmente se desmorona.

ALAMBRES DE EXTENSIÓN.

Las termocuplas se conectan a los instrumentos de indicación o control localizados lejos del punto de medición por medio de alambres de extensión, preferiblemente del mismo material que el de los alambres de la termocupla.

El extremo soldado representa la “junta caliente” y la “Junta fría” los terminales exteriores del termopar.

La temperatura indicada por el instrumento corresponde a la diferencia de temperatura de dichas juntas. Si la temperatura de la “junta fría” se eleva, el instrumento indicará una disminución de temperatura aun cuando la temperatura en el proceso permanezca constante. Es evidente entonces, que se debe mantener la temperatura de la “junta fría” constante”.

Los cables de extensión son conductores y sus propiedades termoeléctricas son similares a la termocupla correspondiente. Así, los cables de extensión para termocuplas J no deben usarse para las termocuplas K. Para las de Pt-Pt-Rh, los alambres de extensión resultan muy caros, por lo que se emplea alambre de cobre como extensión para el Pt-Rh, y alambre de aleación cobre + níquel para el Pt. Estos cables debidamente protegidos deben conectarse a la tierra para evitar la influencia de corrientes de escape en otras instalaciones eléctricas que provoquen errores en la medición.

El coeficiente de resistencia eléctrica debe ser pequeño para los metales que se usen como termopares. Como los milivoltímetros que son los que miden la F.E.M. dependen en su indicación de la corriente que pasa por su bobina es necesario que la resistencia eléctrica de todo el circuito sea lo más constante posible.

La sección transversal de los alambres del termopar es importante. Un alambre grueso resiste mejor a la acción química, que uno delgado. Además, tiene menos resistencia eléctrica. La ventaja del alambre delgado es que es más sensible a los cambios de temperatura.

CARACTERISTICAS

Dimensiones

Cambio de presión a volumen constante

Cambio de la fuerza electromotriz (F.E.M.) desarrollada.

Cambio de la resistencia eléctrica.

Cambio de la radiación superficial.

Cambio de color.

TIPOS DE TERMOCUPLA

Tipo K (cromel/alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. El cromel es una aleación de Ni-Cr, y el alumel es una aleación de Ni-Al. Tienen un rango de temperatura de –200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41 µV/°C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación.

Tipo E (cromel/constantán [aleación de Cu-Ni]): no son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

Tipo J (hierro/constantán): su rango de utilización es de –270/+1200 °C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800 °C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550 °C; y por debajo de 0 °C es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.

Tipo T (cobre/Constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.

Tipo N (nicrosil [Ni-Cr-Si]/nisil [Ni-Si]): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S, que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 °C).

Tipo B (Pt-Rh): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1800 °C. Los tipos B presentan el mismo resultado a 0 °C y 42 °C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 °C.

Tipo R (Pt-Rh): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1600 °C. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S (Pt/Rh): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1600 °C, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a medir.

¿CUÁNDO Y EN QUÉ APLICACIONES USAR UNA TERMOCUPLA J, TERMOCUPLA K O PT100?

Las termocuplas J y K junto con los Pt100 son los sensores de temperatura de uso industrial más comunes, económicos y fáciles de reemplazar que existen.

Una termocupla es simplemente dos alambres de distinto material unidos en un extremo. Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los milivolts el cual aumenta proporcionalmente con la temperatura.

Las termocuplas J y K son económicas, físicamente muy rígidas y cubren un amplio rango de temperaturas (-180 a 1370 ºC)

Un Pt100 es un sensor de temperatura hecho con un alambre de platino que a 0 ºC tiene 100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica.

Un Pt100 es un tipo particular de RTD (Dispositivo Termo Resistivo)

No es recomendable usar una termocupla cuando el sitio de medición y el instrumento están lejos (más de 10 a 20 metros de distancia). El problema de la termocupla es que suministran un voltaje muy bajo y susceptible a recibir interferencias eléctricas. Además, para hacer la extensión se debe usar un cable compensado para el tipo específico de termocupla lo que aumenta el costo de la instalación.

Tampoco es recomendable usar termocuplas cuando es necesaria una lectura de temperatura muy precisa (décima de ºC) pues la compensación de cero requerida por las termocuplas introduce un error típicamente del orden de 0.5 ºC

Otro problema que puede ocurrir con las termocuplas es que alguna contaminación u oxidación en los metales de la unión podrían provocar una lectura errónea (hasta 4 ó 5 ºC) sin que se detecte la falla. Luego en algunos casos es conveniente verificar periódicamente la precisión de la lectura.

Por otra parte, los Pt100 siendo levemente más costoso y mecánicamente no tan rígida como las termocuplas, las superan especialmente en aplicaciones de bajas temperaturas. (-100 y 200 º).

Los Pt100 pueden fácilmente entregar precisiones de una décima de grado con la ventaja que la Pt100 no se descompone gradualmente entregando lecturas erróneas, si no que normalmente se abre con lo cual el dispositivo medidor detecta inmediatamente la falla del sensor y da aviso.

Además, la Pt100 puede ser colocada a cierta distancia del medidor sin mayor problema (hasta unos 30 metros) utilizando cable de cobre convencional para hacer la extensión. (Aún así deben tomarse ciertas precauciones en la instalación. Ver la nota técnica 4)

Medición de -100 a 200 ºC con una muy buena precisión y estabilidad.

Industrial de alimentos en general (envasado, pasteurización, cocción, conservación, etc.)

Circuitos de líquidos. (Aguas de enfriamiento, aceites, etc.)

Industria química (temperatura de reactivos)

Cámaras de secado (textiles, alimentos, papel, etc.)

Mediciones de 0 a 700 ºC

Industria del plástico y goma (extracción e inyección)

Medición de tambores rotatorios con termocupla de contacto

Temperatura de motores (Carcaza) con termocupla autoadhesiva.

Procesos en general donde el sensor está sometido a vibración.

Fundición de metales hasta 1300 ºC (no ferrosos)

Hornos en general

Usar cuando hay que poner las termocuplas en vainas muy delgadas. Por ejemplo en agujas de una jeringa para tomar temperatura en el interior de una fruta.

LINEALIZACION

La dependencia entre e voltaje entregado por la termocupla la temperatura no es lineal (no es una recta), es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde el voltaje.

Además de lidiar con la compensación de unión fría, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar no es una función lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de grado 5 a 9, dependiendo del tipo de termopar). Los métodos analógicos de linealización son usados en medidores de termopares de bajo costo.

La dependencia entre el voltaje entregado por la termocupla y la temperatura no es lineal (no es una recta), es deber del instrumento electrónico destinado a mostrar la lectura, efectuar la linealización, es decir tomar el voltaje y conociendo el tipo de termocupla, ver en tablas internas a que temperatura corresponde este voltaje.

El principal inconveniente de las termocuplas es su necesidad de «compensación de cero». Esto se debe a que, en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre.

En ese punto se producirán dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje prorcional a la temperatura de ambiente (Ta) en el punto del empalme.

Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes en un baño de hielo a cero grados para que generen cero voltajes (Ta = 0 y luego V(Ta) = 0).

Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese punto (mediante un sensor de temperatura adicional) y la suman para crear la compensación y obtener así la temperatura real.

El punto de empalme (llamado «unión o juntura de referencia») es siempre en el conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla hasta el mismo instrumento.

FORMATO DE TERMOPARES

Los termopares están disponibles en diferentes formatos, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, en generadores termoeléctricos de radioisótopos, etc.

A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo «estándar», con pines redondos y el modelo «miniatura» con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares.

Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y fiabilidad en las lecturas.

LEYES.

Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:

Ley del circuito homogéneo: en un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.

Ley de los metales intermedios: si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura ‘A’ a otro ‘B’, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo ‘A’ y ‘B’.

Ley de las temperaturas sucesiva: La f.e.m. generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.

Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0 °C.

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