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Teoría de Termopares

Tecnología de Termopares

El termopar es uno de los sensores menos complejos y como tal, puede ser tanto robusto como de bajo costo haciéndolo idealmente adecuado para usarse en aplicaciones industriales.

Consiste en dos alambres de metales diferentes que son unidos en el punto de medición; conocido como la unión caliente. La salida del sensor es un voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre la unión caliente y la unión fría al final de los alambres. El voltaje generado es tanto muy pequeño como no lineal, y esto presenta retos de diseño a los fabricantes de instrumentación para termopares. Sin embargo, si la instrumentación es diseñada correctamente el termopar provee de un sensor de muy bajo costo que se puede reemplazar fácilmente si resulta dañado.

Teoría de Termopares

Un circuito de termopar tiene al menos dos uniones o “juntas”: la junta de medición (unión caliente) y la referencia o unión fría. La junta de referencia es el punto donde los dos alambres del termopar se conectan con el instrumento de medición (por ejemplo un registrador de datos). Este es el punto donde los metales cambian – de los metales del termopar al metal en el instrumento de medición que en la mayoría de los registradores de datos electrónicos es cobre.

La salida de voltaje de un termopar se relaciona con la diferencia de temperatura entre la medición y las juntas de referencia. Esto es resultado de un fenómeno observado por Thomas Seebeck en 1821, en el que un circuito hecho de dos alambres diferentes alteraban la posición de la aguja de una brújula cuando una de las uniones era calentada.

Cada tipo de termopar tiene su propia y característica curva de voltaje Seebeck. La curva Seebeck es dependiente de los metales utilizados en los dos alambres del termopar y los voltajes generados son medidos en mV. La mayoría de los alambres usados en los termopares son aleaciones y la homogeneidad de la aleación es vital para la precisión del sistema de medición.

Es importante recordar que el voltaje no se genera en la unión caliente sino a lo largo del alambre en las regiones donde exista un gradiente de temperatura. Donde se requiera una mejor precisión, esto deberá ser considerado verificando la precisión del termopar antes de utilizarlo.

Tipos de Termopar

Los termopares se dividen en dos grupos básicos; aquellos construidos con metales básicos y aquellos construidos de metales nobles. Los metales básicos son elementos de menor costo, típicamente cobre, hierro o aleaciones de níquel. La relación exacta de los metales en las aleaciones no está definida, pero la curva de respuesta voltaje/temperatura sí lo está. De modo que, a nivel microscópico, los alambres de termopar de metales básicos de dos proveedores diferentes pudieran tener diferente relación de metales. Los termopares de metales nobles son construidos utilizando elementos costosos tales como platino y rodio. Se definen los niveles de pureza y relaciones exactas, como lo son las curvas de voltaje/temperatura.

Algunos de los tipos de termopares más comúnmente utilizados y sus rangos de utilización se enlistan abajo.

Tipo de termopar Rango de uso (excluyendo la limitación del aislamiento del cable) Composición de alambre

 

Tipo K

-270 a 1370C  (-454 a 2500F)

Ni-Cr (+ve ), Ni -Al

Tipo N

-270 a 1300C  (-454 a 2372F)

Ni-Cr-Si (+ve ), Ni-Si-Mg

Tipo T

-270 a 400C (-454 a 752F)

Cu (+ve), Cu-Ni

Tipo J

-210 a 1200C (-346 a 2193F)

Fe (+ve), Cu-Ni

Tipo E

-270 a 1000C (-454 a 1832F)

Ni-Cr (+ve), Cu -Ni

Tipo R

-50 a 1768C (-58 a 3214F)

Pt-13% Rh (+ve) , Pt

Tipo S

-50 a 1768C (-58 a 3214F)

Pt-10% Rh (+ve), Pt

Tipo B

0 a 1768C (32 a 3308F)

Pt-30% Rh (+ve), Pt

Construcción del Termopar

Una ventaja clave de los termopares es que siendo fáciles de fabricar, es posible diseñarlos para que se adecúen a las aplicaciones; por ejemplo, en la industria de alimentos estos pueden ser afilados para una fácil penetración del producto, mientras que en tratamiento térmico de metales estos pueden ser soldados al producto. La punta de los sensores puede ser aplanada para conseguir un mejor contacto térmico o adherido a imanes para una rápida instalación.

El aislamiento del alambre puede ser flexible como PTFE o fibra de vidrio trenzada para una resistencia a la temperatura y donde se requiera para temperaturas más altas se puede suministrar con fundas metálicas o de cerámica.

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Termopar para detección, medición y control de temperatura. sondas de alimentos sondas de temperatura sondas digitales

Instrumentación para Termopares

Se requiere de un cuidadoso diseño electrónico y mecánico para la instrumentación para termopares, tales como registradores de datos, para garantizar la mejor precisión posible. El diseño mecánico debe garantizar que el sensor de la junta fría sea isotérmico en el punto donde los alambres del termopar se conectan con las pistas de cobre/alambres de la tarjeta de circuito impreso. Si el sensor de la junta fría no puede seguir con precisión los cambios en la temperatura esto resultará en un error en la medición final igual a la diferencia en el rastreo. Es crítico que esta área está libre de gradientes térmicos.

Siendo el voltaje del termopar tan bajo como 4uV/C se requiere de amplificación previa a la digitalización de la señal. Los termopares generalmente son largos alambres paralelos que frecuentemente son utilizados en ambientes eléctricamente hostiles donde se pueden comportar como antenas recogiendo señales de interferencia; por lo tanto, se requiere de un cuidadoso diseño electrónico para poder filtrar las señales no deseadas.

Diagrama simplificado que muestra la unión fría en un instrumento de termopar.

Resumen

Los termopares son de bajo costo, robustos y cubren un amplio rango de temperaturas y se estima que más de la mitad de las lecturas de temperatura en la industria de EEUU son hechas utilizando termopares. Los voltajes de salida son no lineales y de bajo nivel pero si el instrumento de medición o el registrador de datos es diseñado cuidadosamente el sistema de medición puede entregar resultados precisos y repetibles.

 

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