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Termopar (diagrama de funcionamiento)-LMB.jpg

Diagrama de funcionamiento del termopar

Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck),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 denominado "punto frío" o unión fría o de referencia.

En Instrumentación industrial, los termopares son ámpliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener.

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


Construcción Editar

La soldadura de los dos materiales se realiza con carbón sin cobre, en esta dirección puedes ver unas imágenes de como realizarlo.[1]

Luego de medir y cortar el largo necesario, procedemos a soldar los extremos, de un solo lado, con soplete o con un soldador eléctrico por arco (como la de los herreros), pero en lugar de un electrodo, usaremos un carbón de grafito sin contenido de cobre (como el de las pilas, o máquinas de agujerear, etc.).

El cable de masa lo conectamos a una pinza con la que sostendremos los dos alambres bien juntos. Al apoyar el carbón en las puntas, estas se fundirán dejando una bolita. Los alambres deberán estar en posición vertical y la pinza a 1.5 cm de la punta. Revisar cuidadosamente que la soldadura no tenga poros, de lo contrario realizarla nuevamente.

La punta de la termocupla no es recomendable que esté retorcida (práctica muy común), ya que al envejecer se puede cortar no totalmente y dar una medición errónea que podría provocar que el horno se pase de temperatura, con los conocidos resultados catastróficos.

Una vez soldadas separamos los alambres en "V" y después de colocar un destornillador en la arista de la V, volvemos los alambres a su posición inicial. Tendremos entonces los alambres paralelos hasta llegar a la soldadura con un espacio en forma de rombo. Cuando esté lista aislaremos los alambres entre sí con tubitos de porcelana llamados bifilares.

Ya tenemos la termocupla, que si trabajará en atmosferas reductoras, vacío, etc, convendrá blindarla con un tubo de cuarzo o mullita. Recordemos que tiene polaridad al conectarla al pirómetro.

Si la unión al pirómetro, tester... la realizamos con un cable compensado para evitar errores por la junta fría, este cable también tiene polaridad.

Primero se conecta el cable al piro, se pela y unen las que irán a la termocupla. Al calentar el extremo del cable en el piro deberemos tener un medición positiva, de lo contrario invertimos los cables en el piro. Hecho esto hacer los lo mismo con la termocupla. [2]

LinealizaciónEditar

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

Modalidades de termoparesEditar

Medidor termopar

Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sonda de alfareros. 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, 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.

Tipos de termoparesEditar

Thermocouple0002.jpg

Multímetro digital con termocupla.

  • Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 °C a +1.372 °C y una sensibilidad 41µV/°C aprox.
  • Tipo E (Cromo / 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): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 °C ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40°C a +750°C y una sensibilidad de ~52 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 (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 °C. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 °C y 42 °C debido a su curva de temperatura/voltaje.
  • Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300 °C. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.
  • Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 °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).
  • Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200 °C a 0 °C. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo, de constantán.

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 determinar...


Precauciones y consideraciones al usar termoparesEditar

La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta.

Problemas de conexiónEditar

La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada.

Resistencia de la guíaEditar

Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm. tendrá una resistencia de cerca de 15 ohmios por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

DescalibraciónEditar

La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda. Tenga en cuenta que uno de los criterios para calibrar un instrumento de medición, es que el patrón debe ser por lo menos 10 veces más preciso que el instrumento a calibrar.

RuidoEditar

La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es propenso a absorber ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej: cerca de un gran motor), es necesario considerar usar un cable de extensión protegido. Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian. Sin embargo, la solución más lógica es diseñar un filtro pasabajos (resistencia y condensador en serie) ya que es poco probable que la frecuencia del ruido (por ejemplo de un motor) sea menor a la frecuencia con que oscila la temperatura.

Voltaje en Modo ComúnEditar

Aunque las señales del termopar son muy pequeñas, voltajes mucho más grandes pueden existir en el output del instrumento de medición. Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido, y también al usar termopares aislados.

Desviación térmicaEditar

Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado.


ReferenciasEditar

Bibliografía relacionadaEditar

  • Semiconductors Thermoelements and Thermoelectric Cooling, de A. F. Ioffe. Infosearch Ltd. (1956).
  • Thermoelectricity, de P.H. Egli. John Wiley and Sons (1960).
  • Semiconductor Thermo-elements, de Abraham Ioffe. Akademia Nauk (1960).
  • Thermoelectricity and Thermoelectric Power Generation, de D. Pountinen. Solid States Electronics (1968).
  • Statistical Thermodynamics of Nonequilibrium Processes, de J. Keizer. Springer-Verlag (1987).
  • Enfriamiento y Conversión de Energía Mediante Elementos Termoeléctricos, de J. M. Redondo. U.P.C. (1992).
  • CRC Handbook of Thermoelectrics, de D.M. Rowe. CRC Press (1995).
  • Physics of Thermoelectricity, de Anatychuk y Lukian. Institute of Thermoelectricity (1998).
  • "Fuerza termoelectromotríz en semiconductores bipolares: nuevo punto de vista", artículo de Yuri Gurevich y Antonio Ortiz. Revista Mexicana de Física. Vol. 49, págs. 115-122 (2003).

Instrumentación Industrial, Antonio Creus.

Sistemas de Medición e Instrumentación, Ernest E. Doebelin.



Enlaces externosEditar


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