TERMOCUPLAS O TERMOPARES.
Los termopares se utilizan extensamente, ya que ofrecen una gama de temperaturas mucho más amplia y una construcción más robusta que otros tipos. Además, no precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva para grandes sistemas de adquisición de datos. Sin embargo, para superar algunos de los inconvenientes inherentes a los termopares y obtener resultados de calidad, es importante entender la naturaleza de estos dispositivos.
a) Efecto Termoeléctrico.
Cuando un conductor metálico es sometido a una diferencia de temperatura, entre
sus extremidades surge una fuerza electromotriz (f.e.m.), cuyo valor por lo general no excede el orden de magnitud de milivolts, como consecuencia de la redistribución de los electrones en el conductor cuando éstos se someten a un gradiente de temperatura. La figura 2 representa esquemáticamente el fenómeno.
Figura 1
Efecto termoeléctrico.
El valor de la f.e.m. depende de la naturaleza del material y del gradiente de temperatura entre sus extremidades. En el caso de un material homogéneo, el valor de la f.e.m. no depende de la distribución de temperatura a lo largo del conductor, pero sí, de la diferencia de temperatura entre sus extremidades.
Este fenómeno es básico para poder entender la termoelectricidad y su aplicación en la medición de temperatura.
b) Efecto Seebeck.
Históricamente el efecto Seebeck fue el primer efecto termoeléctrico observado, a
pesar de ser una consecuencia del efecto presentado anteriormente.
Consideremos dos metales denominados genéricamente “A” y “B” sometidos a la misma diferencia de temperatura entre sus extremidades. En cada uno de ellos surgirá una fuerza electromotriz de acuerdo a con la figura 2
Figura 2
Dos metales distintos sometidos al mismo diferencial de Tº.
Se comprobó entonces que cuando los metales son unidos en una de las extremidades de acuerdo con la figura 4.13, se mide una fuerza electromotriz entre las extremidades separadas, cuyo valor corresponde a la diferencia entre los valores de la f.e.m. que surge en cada uno de los metales.
Figura 3
Metales unidos en una extremidad.
A este fenómeno se le conoce como Efecto Seebeck y la configuración de la figura
de arriba corresponde al sensor de temperatura conocido como termopar o termocupla. Los elementos “A” y “B” que constituyen el termopar se denominan termoelementos y, a raíz de la polaridad de la fuerza electromotriz EAB, “A” es el termoelemento positivo y “B” el termoelemento negativo del termopar “AB”. En la configuración de un termopar la extremidad en que la cual se hace la unión de los termoelementos se denomina junta de medición, mientras que la otra se denomina junta de referencia. Si la temperatura de la junta de referencia se fija en 0º C, entonces el valor de la f.e.m. dependerá solamente de la temperatura de la junta de medición “T1”, estableciendo la relación T a EAB (T). El conocimiento de esta relación permite utilizar el termopar como un sensor de temperatura.
Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales:
c) Ley del Circuito Homogéneo.
Esta ley resalta el hecho que si el termopar es formado por termoelementos homogéneos, el valor de la fuerza electromotriz generada depende solamente de la difer encia de temperatura entre la junta de medición y la junta de referencia. Esta información que ya ha sido citada, es nuevamente presentada para resaltar que:
• el valor de la fuerza electromotriz no depende del largo del termopar;
• el valor de la fuerza electromotriz no depende del diámetro de los termoelementos que componen el termopar;
• el valor de la fuerza electromotriz no depende de la distribución de temperatura a lo largo del termopar;
Sin embargo, como consecuencia del uso del termopar en la medición de la temperatura de un proceso, es muy frecuente que con el tiempo el termopar presente heterogeneidad que traerán como consecuencia:
• alteración del valor de la fuerza electromotriz (suponiendo que la temperatura del
proceso se mantenga constante), que empezará a depender inclusive del perfil de la temperatura a lo largo del termopar;
• un termopar con termoelementos de diámetros menores se vuelve heterogéneo más rápidamente y de forma tanto más intensa a temperaturas muy altas.
d) Ley de las Temperaturas Intermedias.
Esta segunda ley muestra una propiedad adicional de la fuerza electromotriz termoeléctrica en relación con la diferencia de temperatura entre sus extremidades. Una aplicación inmediata de esta ley es permitir que el valor de la fuerza electromotriz termoeléctrica dependa únicamente de la temperatura de la junta de medición con la junta de referencia a 0ºC. Normalmente la junta de referencia se encuentra a la temperatura ambiente y querer mantenerla a 0ºC no es nada práctico, por ejemplo, en un baño de hielo el termopar en una planta industrial. Sin embargo, es posible sortear esa dificultad utilizando una compensación de la temperatura ambiente mediante la adición a la señal del termopar de una fuerza electromotriz con valor correspondiente a aquél que el termopar generaría con su junta de medición a temperatura ambiente y su junta de referencia a 0ºC, o sea:
Figura 4
Ley de temperaturas intermedias.
e) Ley de los Materiales Intermedios.
Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto
de soldadura A a otro punto 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. La figura 4.15 esquematiza esta ley.
..........
............
Figura 5
Ley de materiales intermedios.
Las configuraciones anteriores muestran que la inserción de un material “C” en el
termopar “AB” no altera el valor de la fuerza electromotriz generada por el termopar, mientras no haya diferencia de temperatura entre las extremidades de contacto del material “C” con el termopar.
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 0º C.
4.6.1. Tipos de termocuplas.
La selección de los alambres para termopares se hace de forma que tengan una resistencia adecuada a la corrosión, a la oxidación, a la reducción, y a la cristalización, que desarrollen una f.e.m. relativamente alta, que sean estables, de bajo costo y de baja resistencia eléctrica y que la relación entre temperatura y la f.e.m. sea tal que el aumento de esta sea (aproximadamente) paralelo al aumento de la temperatura.
A continuación se presentan los tipos de termopares comunes más utilizados en la
medición de temperaturas en procesos, y sus principales características.
Termopar tipo T (Cobre - Constantán)
- Termoelemento positivo (TP): Cu (100%)
- Termoelemento negativo (TN): Cu (55%) Ni(45%)
- Rango de utilización: -270ºC a 400ºC
- f.e.m. producida: -6,258 mV a 20,872 mV
- Características: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.
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Termopar tipo J (Hierro - Constantán)
- Termoelemento positivo (JP): Fe (99,5%)
- Termoelemento negativo (JN): Cu(55%) Ni(45%)
- Rango de utilización: -210ºC a 760ºC
- f.e.m. producida: -8,096 mV a 42,919 mV
- Características: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas (el termoelemento JP se vuelve quebradizo). Sobre los 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.
Termopar tipo E (Cromo - Constantán)
- Termoelemento positivo (EP): Ni (90%) Cr(10%)
- Termoelemento negativo (EN): Cu(55%) Ni(45%)
- Rango de utilización: -270ºC a 1000ºC
- f.e.m. producida: -9,835 mV a 76,373 mV
- Características: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.
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Termopar tipo K (Cromo - Constantán)
- Termoelemento positivo (KP): Ni(90%) Cr(10%)
- Termoelemento negativo (KN): Ni(95%) Mn(2%) Si(1%) Al(2%)
- Rango de utilización: -270ºC a 1200ºC
- f.e.m. producida: -6,458 mV a 48,838 mV
- Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas abajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”.
Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)
- Termoelemento positivo (NP): Ni(84,4%) Cr(14,2%) Si(1,4%)
- Termoelemento negativo (NN): Ni(95,45%) Si(4,40%) Mg(0,15%)
- Rango de utilización: -270ºC a 1300ºC
- f.e.m. producida: -4,345 mV a 47,513 mV
- Características: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas.
Los tipos de termopares que se presentan a continuación se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico.
Termopar tipo S
- Termoelemento positivo (SP): Pt(90%) Rh(10%)
- Termoelemento negativo (SN): Pt(100%)
- Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
- f.e.m. producida: -0,236 mV a 18,693 mV
- Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos y sí en tubos con protección de cerámica. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor.
En temperaturas arriba de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.
Termopar tipo R
- Termoelemento positivo (RP): Pt(87%) Rh(13%)
- Termoelemento negativo (RN): Pt(100%)
- Rango de utilización: -50ºC a 1768ºC
- f.e.m. producida: -0,226 mV a 21,101 mV
- Características: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica de un 11% mayor.
Termopar tipo B
- Termoelemento positivo (BP): Pt(70,4%) Rh(29,6%)
- Termoelemento negativo (BN): Pt(93,9%) Rh(6,1%)
- Rango de utilización: 0ºC a 1820ºC
- f.e.m. producida: 0,000 mV a 13820 mV
- Características: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña.
La tabla 1 resume las principales características de las termocuplas mencionadas.
Tabla 1 Características de las termocuplas o termopares.
La identificación de cada termocupla esta codificada por un código de color.
Diferentes países utilizan códigos diferentes para los colores. Los códigos más comunes son:
En la figura 4.16 pueden verse tubos de protección para termopares. El material del tubo de protección o vaina debe ser el adecuado para el proceso donde se aplica y suele ser de hierro, acero sin soldadura, acero inoxidable, inconel, cerámico, carburo de silicio, etc.
Figura 6
Vainas para termocuplas.
4.6.2. Cables de extensión y compensación para termocuplas.
En las plantas industriales es muy común el hecho de que el termopar, introducido en un medio cuya temperatura se desea medir o controlar, y el instrumento de lectura de la fuerza electromotriz termoeléctrica generada por éste, estén físicamente distantes. También es muy frecuente que exista una diferencia de temperatura entre la junta de referencia del termopar y la temperatura del ambiente en donde está instalado el instrumento de medición. A continuación se presenta una situación en la cual la conexión entre el termopar y el instrumento de medición es realizada con cables de cobre.
Figura 7
Termocupla conectada por 2 hilos de cobre.
En esta figura, se utiliza un termopar tipo K para medir la temperatura de un proceso cuya temperatura es supuestamente conocida e igual a 900ºC. La temperatura de la junta de referencia, próxima al proceso, es de 80ºC y la temperatura ambiente es de 30ºC. Con la mencionada configuración, ¿cuál será la temperatura del proceso medida por el indicador, sabiendo que este realiza una conversión de fuerza electromotriz termoeléctrica generada por el termopar adicionada de una f.e.m. correspondiente a la temperatura ambiente?.
- f.e.m. generada por el termopar:
EK(900ºC-80ºC);
EK(900ºC) - EK(80ºC) = 37,325mV - 3,266mV = 34,059mV;
- Compensación de la temperatura ambiente:
EK(30ºC) = 1,203 mV;
- Fuerza electromotriz que entra en el transformador f.e.m. x temperatura del indicador de temperatura:
E = EK(900ºC - 80ºC) + EK(30ºC) = 35,262 mV;
Este valor de la fuerza electromotriz, por la tabla de referencia del termopar tipo K,
corresponde a la temperatura de 848,8ºC. Siendo así, el indicador de temperatura
presentaría un valor de temperatura que difiere del verdadero valor en 51,2ºC, valor este muy próximo de la diferencia de temperatura entre la junta de referencia del termopar y la temperatura ambiente. Entonces, se hace necesario hacer una conexión entre la junta de referencia del termopar y el instrumento de medición con cables que también presenten el comportamiento de un termopar, denominados alambres o cables de extensión / alambres o cables de compensación.
Alambres o cables de extensión son pares termoeléctricos con aleaciones iguales a las del termopar utilizado en la medición de temperatura del proceso. La diferencia básica entre el alambre o el cable esta en la rigidez del mismo.
Alambres o cables de compensación son pares termoeléctricos con aleaciones diferentes de aquellas que constituyen el termopar, pero que tienen un comportamiento termoeléctrico muy próximo al del termopar, en las franjas de temperatura en que el mismo tendrá que trabajar.
La tabla a continuación, muestra con la nomenclatura usual, los alambres de extensión o compensación para los termopares más utilizados.
Tabla 3
Alambres de extensión para termocupla.
En la situación presentada al comienzo, si la conexión entre la junta de referencia del termopar y el instrumento de medición fuera efectuada con un alambre de extensión KX, el resultado de la medición sería el que se muestra a continuación:
Figura 8
Compensación con cables tipo Kx.
- f.e.m. generada por el termopar:
EK(900ºC-80ºC);
EK(900ºC) - EK(80ºC) = 37,325mV - 3,266mV = 34,059mV;
- f.e.m. generada por el cable de extensión:
EKX(80ºC-30ºC); EKX(80ºC)-EKX(30ºC) = 3,266mV-1,203mV = 2,063mV;
- Compensación de la temperatura ambiente:
EK(30ºC) = 1,203mV;
- Fuerza electromotriz que entra en el transformador f.e.m. x temperatura del indicador de temperatura.
E = EK(900ºC - 80ºC) + EKX(80ºC - 30ºC) + EK(30ºC) = 37,325mV;
Este valor de la fuerza electromotriz termoeléctrica para el termopar tipo K corresponde a la temperatura de 900ºC, que es la temperatura del proceso. Por consiguiente se verifica que la utilización de los alambres/cables de extensión/compensación elimina una grave fuente de error.
Los alambres/cables de extensión/compensación están disponibles en varios diámetros con varios tipos de aislamiento, cada una de ellas adecuadas a las condiciones que quedaran sometidas. Un dato que merece destacarse, es que cuando el cable es muy largo, o queda sometido a campos electromagnéticos intensos, pude actuar como una antena, ocasionado el sumergimiento de las fuerzas electromotrices inducidas en el circuito termoeléctrico adicionadas a la f.e.m. termoeléctrica, lo cual es indeseable. En estas situaciones se recomienda el uso de alambres/cables con una trenza metálica, que a la vez es puesta a tierra, con el fin de evitar estas inducciones.
