El termopar es un dispositivo para medir temperaturas en todos los campos de la ciencia y la tecnología. Este artículo ofrece una visión general de los termopares con un desglose de su diseño y principio de funcionamiento. Se describen variedades de termopares con sus breves características y se ofrece una evaluación del termopar como dispositivo de medición.
Contenido
Diseño de un termopar
El principio de funcionamiento de un termopar. Efecto Seebeck
El termopar se basa en el efecto termoeléctrico descubierto por el físico alemán Tomas Seebeck en 1821.
El fenómeno se basa en la aparición de electricidad en un circuito eléctrico cerrado cuando se expone a una determinada temperatura ambiente. La corriente eléctrica se genera cuando hay una diferencia de temperatura entre dos conductores (termopares) de diferente composición (metales o aleaciones disímiles) y se mantiene manteniendo sus puntos de contacto (uniones). El aparato muestra la temperatura a medir en la pantalla del aparato secundario conectado.
La tensión de salida y la temperatura tienen una relación lineal. Esto significa que un aumento de la temperatura medida se traduce en un mayor valor de milivoltios en los extremos libres del termopar.
La unión en el punto de medición de la temperatura se llama "unión caliente" y la conexión de los cables al transmisor se llama "unión fría".
Compensación de la temperatura de la unión fría (CJC)
La compensación de la unión fría (CJC) es una corrección realizada en forma de corrección de la lectura final cuando se mide la temperatura en el punto de conexión de los extremos libres del termopar. Esto se debe a la discrepancia entre la temperatura real de la unión fría y las lecturas calculadas de la tabla de calibración para la temperatura de la unión fría a 0°C.
El CHS es un método diferencial en el que la lectura de la temperatura absoluta se deriva del valor conocido de la temperatura de la unión fría (también conocida como unión de referencia).
Diseño del termopar
El diseño de un termopar tiene en cuenta la influencia de factores como la "agresividad" del entorno exterior, el estado de agregación de la sustancia, el rango de temperaturas a medir y otros.
Características del diseño del termopar:
1) Los pares de conductores se conectan entre sí mediante torsión o trenzado con posterior soldadura por arco eléctrico (raramente soldadura).
IMPORTANTE: El método de torsión no se recomienda debido a la rápida pérdida de las propiedades de unión.
2) Los electrodos del termopar deben estar aislados eléctricamente en toda su longitud, excepto en el punto de contacto.
3) El método de aislamiento se selecciona en función del límite superior de temperatura.
- Hasta 100-120°C - cualquier aislamiento;
- Hasta 1300°C - tubos de porcelana o perlas;
- Hasta 1950°C - Al2O3;
- Por encima de 2000°C - MgO, BeO, ThO2ZrO2.
4) Cubierta de protección.
El material debe ser resistente térmica y químicamente, con buena conductividad térmica (metal, cerámica). El uso de la vaina evita la corrosión en determinados medios.
Cables de extensión (de compensación)
Este tipo de cable es necesario para extender los extremos del termopar a un dispositivo secundario o barrera. Los cables no se utilizan si el termopar tiene un transmisor incorporado con una señal de salida unificada. La aplicación más común es la de un transmisor estándar alojado en un cabezal de sensor de señal unificada de 4-20mA, la llamada "tableta".
El material del hilo puede ser el mismo que el del termopar, pero la mayoría de las veces se sustituye por uno más barato, teniendo en cuenta las condiciones que impiden la formación de termo-ED parásitos (inducidos). El uso de alambres extensibles también puede ayudar a optimizar la producción.
¡Sus consejos! Para determinar correctamente la polaridad de los cables de compensación y su conexión con el termopar, recuerde la regla mnemotécnica MM: menos es magnético. Es decir, toma cualquier imán y el menos de la compensación será magnético, a diferencia del más.
Tipos y clases de termopares
La diversidad de los termopares se debe a las diferentes combinaciones de aleaciones metálicas utilizadas. La selección del termopar se basa en la industria y en el rango de temperatura requerido.
Termopar de cromo-aluminio (TXA)
Electrodo positivo: aleación de cromo (90% Ni, 10% Cr).
Electrodo negativo: aleación de aluminio (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Material aislante: porcelana, cuarzo, óxidos metálicos, etc.
Rango de temperatura de -200°C a 1300°C a corto plazo y 1100°C a largo plazo.
Entorno operativo: inerte, oxidante (O2=2-3% o totalmente eliminado), hidrógeno seco, vacío de corta duración. En una atmósfera reductora o redox en presencia de una vaina protectora.
Inconvenientes: facilidad de deformación, inestabilidad reversible del CEM térmico.
Posibles casos de corrosión y fragilidad del alumel en presencia de trazas de azufre en la atmósfera y del cromel en una atmósfera débilmente oxidante ("arcilla verde").
Termopar de cromo-cobre (CTC)
Electrodo positivo: aleación de cromo (90% Ni, 10% Cr).
Electrodo negativo: aleación Copel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Gama de temperaturas: -253°C a 800°C a largo plazo y 1100°C a corto plazo.
Medio de funcionamiento: Inerte y oxidante, vacío de corta duración.
Inconvenientes: deformación del termopar.
Es posible que el cromo se evapore durante un vacío prolongado; puede reaccionar con la atmósfera que contiene azufre, cromo, flúor.
Termopar de hierro-constante (PCT)
Electrodo positivo: hierro puro (acero dulce).
Electrodo negativo: aleación de constantano (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Se utiliza para mediciones en entornos reductores, inertes y de vacío. Rango de temperatura de -203°C a 750°C a largo plazo y 1100°C a corto plazo.
La aplicación se basa en la medición combinada de temperaturas positivas y negativas. No es adecuado para temperaturas negativas solamente.
Desventajas: deformación del termopar, baja resistencia a la corrosión.
Cambio en las propiedades físico-químicas del hierro en torno a 700°C y 900°C. Interactúa con los vapores de azufre y agua para formar corrosión.
Termopar de tungsteno-renio (TVR)
Electrodo positivo: aleaciones BP5 (95% W, 5% Rh)/BP5 (BP5 con sílice y aditivo de aluminio)/BP10 (90% W, 10% Rh).
Electrodo negativo: aleaciones BP20 (80% W, 20% Rh).
Aislamiento: Cerámica de óxidos metálicos químicamente puros.
Entre sus características se encuentran la fuerza mecánica, la resistencia a la temperatura, la baja sensibilidad a la contaminación y la facilidad de fabricación.
Mide temperaturas de 1800°C a 3000°C, siendo el límite inferior de 1300°C. Medido en condiciones de gas inerte, hidrógeno seco o vacío. Sólo apto para mediciones en ambientes oxidantes para procesos rápidos.
Inconvenientes: escasa reproducibilidad del CEM térmico, su inestabilidad durante la irradiación, sensibilidad inestable en el rango de temperaturas.
Termopar de tungsteno-molibdeno (TM)
Electrodo positivo: Tungsteno (técnicamente puro).
Electrodo negativo: molibdeno (técnicamente puro).
Aislamiento: cerámica de alúmina, protección con puntas de cuarzo.
Entorno inerte, de hidrógeno o de vacío. Posibilidad de realizar mediciones a corto plazo en entornos oxidantes en presencia de aislamiento. El rango de temperatura medible está entre 1400 y 1800°C, con una temperatura máxima de trabajo de aproximadamente 2400°C.
Inconvenientes: escasa reproducibilidad y sensibilidad de la termo-EDC, inversión de la polaridad, fragilidad a altas temperaturas.
Termopares de platino-rodio-platino (PPT)
Electrodo positivo: Platino-Rh (Pt con 10% o 13% de Rh)
Electrodo negativo: Platino.
Aislamiento: Cuarzo, porcelana (normal y refractaria). Hasta 1400°C - cerámica con mayor contenido de Al2O3O, por encima de 1400°C - Al químicamente puro2O3.
Temperatura máxima de funcionamiento 1400°C a largo plazo, 1600°C a corto plazo. Normalmente no se realizan mediciones a bajas temperaturas.
Entorno operativo: oxidante e inerte, entorno reductor en presencia de blindaje.
Desventajas: alto coste, inestabilidad bajo irradiación, alta sensibilidad a la contaminación (especialmente el electrodo de platino), crecimiento de granos de metal a altas temperaturas.
Termopares de platino y rodio (PRT)
Electrodo positivo: aleación de Pt con 30% de Rh.
Electrodo negativo: aleación de Pt con 6% de Rh.
Medios: Oxidante, neutro y vacío. Utilización en entornos reductores y con vapores metálicos o no metálicos en presencia de blindaje.
Temperatura máxima de trabajo: 1600°C a largo plazo, 1800°C a corto plazo.
Aislamiento: Cerámica de Al2O3 Cerámica Al O de alta pureza.
Menos susceptible a la contaminación química y al crecimiento del grano que el termopar de platino-níquel.
Esquema de conexión del termopar
- Conexión del potenciómetro o galvanómetro directamente a los conductores.
- Conexión mediante cables de compensación;
- Conexión con hilos de cobre convencionales a un termopar con salida unificada.
Normas de color de los conductores de los termopares
El aislamiento del conductor de color ayuda a distinguir los electrodos del termopar entre sí para una correcta conexión a los terminales. Las normas varían según el país, no hay designaciones de color específicas para los conductores.
IMPORTANTE: Es necesario conocer la norma utilizada por la empresa para evitar errores.
Exactitud de las mediciones
La precisión depende del tipo de termopar, del rango de temperatura a medir, de la pureza del material, del ruido eléctrico, de la corrosión, de las propiedades de la unión y del proceso de fabricación.
A los termopares se les asigna una clase de tolerancia (estándar o especial) que determina el intervalo de confianza de la medición.
IMPORTANTE: Las características en el momento de la fabricación cambian durante el funcionamiento.
Velocidad de medición
La velocidad viene determinada por la capacidad del transductor primario de reaccionar rápidamente a los saltos de temperatura y el consiguiente flujo de señales de entrada al instrumento de medida.
Factores que aumentan la capacidad de respuesta:
- Instalación y cálculo correctos de la longitud del transductor primario;
- Cuando se utilice un transmisor con vaina, reduzca la masa de la unidad seleccionando un diámetro de vaina menor;
- Reducir al mínimo el espacio de aire entre el transductor primario y el termopozo;
- Utilizando un transductor primario con resorte y rellenando las cavidades del termopozo con un relleno térmicamente conductor;
- Medio de movimiento rápido o medio con mayor densidad (líquido).
Prueba de funcionamiento de un termopar
Para verificar el funcionamiento, conecte un dispositivo de medición especial (probador, galvanómetro o potenciómetro) o mida la tensión de salida con un milivoltímetro. Si la flecha o la pantalla digital fluctúan, el termopar es válido, de lo contrario el dispositivo debe ser reemplazado.
Causas de fallo del termopar:
- No utilizar un dispositivo de protección;
- Alteración de la composición química de los electrodos;
- Procesos de oxidación que se producen a altas temperaturas;
- Fallo del instrumento de medición, etc.
Ventajas e inconvenientes del uso de termopares
Las ventajas de utilizar este dispositivo son:
- Gran rango de medición de la temperatura;
- Alta precisión;
- Sencillo y fiable.
Las desventajas son:
- Vigilancia constante de la unión fría, verificación y calibración del equipo de control;
- Cambios estructurales en los metales durante la fabricación del aparato;
- Dependencia de la composición atmosférica, costes de sellado;
- Errores de medición debidos a la exposición a las ondas electromagnéticas.
