Termopares industriales
Figura T35. Termopar de alambre en cordón
El termopar de alambre en cordón no se debe usar con líquidos ya que se puede corroer u oxidar la unión del termopar, además por no estar protegidos son sensibles a interferencia eléctrica del medio circundante.
- Sonda de termopar
Una sonda de termopar consiste en un alambre de termopar alojado dentro de un tubo metálico, cuya pared es conocida como la funda de la sonda. Entre los materiales de funda comunes están el acero inoxidable y el Inconel.
Inconel es compatible con rangos de temperatura más altos que el acero inoxidable; sin embargo, con frecuencia se prefiere el acero inoxidable debido a su amplia compatibilidad química. Para temperaturas muy altas, hay otros materiales de funda exóticos disponibles, en la figura T36 se muestra una sonda de termopar.
Figura T36. Sonda de termopar
Tipos de sonda con termopar:
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Sondas de penetración: las sondas de penetración tienen una estructura de gran resistencia y una punta fina. Este tipo de sonda está diseñada para penetrar sustancias semisólidas y duras. Las sondas de penetración vienen en una variedad de diámetros, longitudes, materiales y rangos de temperatura.
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Sondas para aire/gases: este tipo de sondas tienen una sonda/sensor con una estructura de protección. La protección se perfora, lo que permite que el aire o los gases fluyan al sensor. Cuando se use una sonda para aire/gases, debe asegurarse que los materiales de la sonda sean compatibles con los gases presentes en la atmósfera que será medida.
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Sondas de superficie: se usan para medir las temperaturas de las superficies. El empalme de la sonda es plano, lo que permite que toda la superficie de medición mantenga un contacto total con la superficie a medir. Se puede equipar estas sondas con resortes, lo que ayudará a que la sonda mantenga un contacto continuo con la superficie o la cubierta. Hay una variedad de tipos de sondas de superficie, algunas incluyen: de ángulo de 90°, rectas, planas y autoadhesivas (para mediciones a largo plazo).
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Sondas flexibles con cable aislante: por lo general se usan para medir la temperatura de materiales semisólidos o líquidos. Vienen en varios tamaños, materiales y rangos de temperatura.
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Sondas para alimentos: sondas de penetración diseñadas específicamente para limpiarlas con facilidad. Vienen en una variedad de largos, diámetros, materiales y longitudes de cables.
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Sondas HVAC: son una variante de las sondas para aire/gases diseñadas para aplicaciones HVAC. Estas sondas incluyen accesorios de velcro (para tuberías y tubos), magnéticos (para superficies planas) y longitudes de cables más extensas.
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Sondas para superficies pequeñas (artículos electrónicos): sondas de diámetros más pequeños específicamente diseñadas para aberturas/espacios más pequeños que a menudo se encuentran en las aplicaciones electrónicas.
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Sondas científicas con punta de aguja: sondas de diámetro más pequeño con puntas de aguja/hipodérmicas para aplicaciones científicas donde se necesitan sondas de menor escala.
Figura T37. Tipos de uniones de termopares
a) unión soldada en extremos
b) unión soldada en paralelo
c) hilo trenzado
d) termopar expuesto: respuesta rápida
e) termopar encapsulado: aislamiento eléctrico y ambiental
f) termopar unido a la cubierta: aislamiento ambiental
Las uniones desnudas se emplean para medidas estáticas o de flujos de gases no corrosivos donde se requiere un tiempo de respuesta rápido, pero son frágiles. Las uniones aisladas se emplean para medir en ambientes corrosivos donde además interese aislamiento eléctrico del termopar. Éste queda entonces encerrado por la vaina y aislado de ésta por un buen conductor térmico como el aceite, mercurio o polvo metálico. Si se desea respuesta rápida y no hace falta una vaina gruesa se emplean aislantes minerales como polvo de MgO, Al2 O3 o BeO. Según el grado de compactación del aislante, la respuesta final es más o menos lenta y la temperatura máxima soportada es también distinta. Los termopares aislados también se aplican en medidas a alta presión.
Mediante uniones puestas a masa, se pueden medir temperaturas estáticas o de flujos de gases o líquidos corrosivos y, como la unión está soldada a la vaina protectora, la respuesta térmica es más rápida.
Clasificación de los termopares según el material de construcción
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Tipo T: Cobre - Constantan (100% Cu → 45% Ni + 55% Cu)
Están formados por un alambre de cobre como conductor positivo y una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel como elemento conductor negativo. Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza para medir temperaturas bajo 0 °C, puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras y gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. Como límite superior se puede considerar los 350º C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de los 400º C. FEM producida: -6,258 mV a 20,872 mv. [14]
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Tipo J: Hierro - Constantan (99.5% Fe → 45% Ni + 55% Cu)
En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantan electronegativo. Mide temperaturas superiores que el anterior ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700º C. Puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras, No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilización sea generalizada. FEM producida: -8,096 mV a 42,919 mV.
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Tipo K: Cromel – Alumel (90% Ni + 10% Cr → 95% Ni + 2% Mn +2% Al + 1% Si)
Una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo es el conductor positivo y un conductor compuesto de 95% de níquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio como elemento negativo. Este termopar puede medir temperaturas de hasta 1200º C. Ya que el níquel lo hace resistente a la oxidación. Se les utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos térmicos, Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, 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”, su costo es considerable lo que limita su utilización. FEM producida: -6,458 mV a 48,838 mV.
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Tipo E: Cromel – Constantan (90% Ni + 10% Cr → 45% Ni + 55% Cu)
Los termopares de NiCr-CuNi son ideales para utilización en atmósferas oxidantes, inertes o al vacio, soporta hasta 900 °C (ASTM E230: 870 °C) con el máximo espesor de filamento, Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura. FEM producida: -9,835 mV a 76,373 mV.
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Tipo R: Platino, 13 rodio - Platino (100% Pt → 87% Pt + 13% Rh)
Tienen como conductor negativo un alambre de platino y como conductor positivo una aleación de 87% de platino con 13% de sodio. Este tipo de junta desarrollada con materiales de alta pureza es capaz de medir hasta 1500º C si se utilizan las precauciones debidas. Son muy resistentes a la oxidación pero no se aconseja su aplicación en atmósferas reductoras por su fácil contaminación con el hidrógeno y nitrógeno que modifican la respuesta del instrumento. FEM producida: -0,226 mV a 21,101 mV.
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Tipo S: Platino, 10 rodio – Platino (100% Pt → 90% Pt + 10% Rh)
El conductor positivo es una aleación de 90% de platino y 10% de Rodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica, 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 por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los hacen quebradizos. FEM producida: -0,236 mV a 18,693 mV.
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Tipo B: Platino, 30 rodio – Platino, 6 rodio (70.4% Pt + 29.6 Rh→ 93.9% Pt + 6.1% Rh)
Los termopares tipo B son ideales para el uso continuo en atmósferas oxidantes o de gas inerte, y para una utilización breve en entorno de vacío a temperaturas de hasta 1700 °C. Se debe tener en cuenta la fragilidad causada por la contaminación. Los termoelementos tipo R, S y B se montan normalmente en vainas cerámicas cerradas en un extremo. Si se utiliza una vaina metálica, se requiere un tubo interior de cerámica cerrado de un lado. Los termopares de metales nobles son susceptibles de contaminación. Por ello es recomendable revestirlos con material cerámico. FEM producida: 0,000 mV a 13,820 mV.
Los tipos de termopares se pueden identificar con un código de colores, como se muestra en la figura T38.
Figura T38. Código de colores de los termopares
En la figura T39 se observan las curvas características de los diversos tipos de termopares
Figura T39. Relación de temperatura vs tensión
En la tabla T5 se muestran las características de los termopares
Tabla T5. Características de los termopares.
Conexión de termopares
Varios termopares se pueden conectar juntos, en serie o en paralelo, a fin de obtener funciones útiles. La conexión en serie con todas las juntas de medición a una temperatura y las juntas de referencia a otras se usa principalmente como medio para aumentar la sensibilidad (figura T40).
(T18)
(T19)
(T20)
Los termopares usados en la industria se han estandarizado, con el fin de utilizar los que presenten las mejores propiedades y conocer la relación entre la f.e.m. generada y la temperatura en forma estándar. En la figura T34 se observa un tipo de termopar industrial.
Figura T34. Termopar industrial
Propiedades de los termopares industriales:
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Fuerza electromotriz relativamente grande. Los termopares deben generar una f.e.m. lo más alta posible para que el aparato de medición no sea complicado. La f.e.m. de la mayoría de los termopares oscila entre 10 y 50 mv para rangos usuales.
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Precisión de calibración. Un termopar se debe poder calibrar a una relación de f.e.m. vs temperatura estándar y debe mantener esta calibración sin desvíos por un largo periodo de tiempo.
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Resistencia a la corrosión y a la oxidación. La resistencia a la corrosión, oxidación y a la contaminación debe ser alta a fin de que el termopar tenga una vida larga.
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Relación lineal entre la f.e.m. y la temperatura. Es deseable tener una relación lineal entre la f.e.m. y la temperatura, no solo para que la escala sea lineal sino también para que los problemas de compensación en la junta de referencia sean reducidos eficientemente.
Tipos de termopares industriales:
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Según su forma
- Termopar de alambre en cordón
Un termopar de alambre en cordón es la forma más sencilla de termopar, ya que consiste en dos trozos de alambre de metales diferentes unidos entre sí con un cordón soldado.
Los termopares de alambre en cordón se utilizan para la medición de temperatura de gases, pueden hacerse muy pequeños y proporcionan un tiempo de respuesta rápido. En la figura T35 se muestra un termopar de alambre en cordón.
Figura T40. Conexión de termopares en serie
A este arreglo se le llama pila termoeléctrica y la salida de n termopares es n veces mayor que la de un solo par. En este tipo de conexiones la fem total desarrollada es la suma de la de los termopares individuales usados. La resistencia total es la suma de las resistencias individuales. Esto se expresa algebraicamente como lo muestran las ecuaciones T18 y T19.
Donde:
Femm = Diferencia de potencial en milivoltios
Fem1,2,3..,n = Potencial desarrollado por cada termopar usado en milivoltios.
RT = Resistencia total en Ohm.
R1,2,3….,n = Resistencia de cada termopar utilizado en Ohm.
La temperatura promedio del sistema o el proceso se encuentra dividiendo la fem total (Em) entre el número de termopares utilizados (n). Este arreglo proporciona más sensibilidad, pero puede ser menos preciso debido a la incertidumbre que hay por falta de homogeneidad de los termopares. Los termopares múltiples, conectados en paralelo (figura T41) se deben conectar directamente a las dos terminales comunes en que se mide la fem neta.
Figura T41. Conexión de termopares en paralelo
Este arreglo mide la fem promedio, se manera que debe tenerse cuidado de mantener a los termopares tan parecidos como los permita la medición. En un arreglo en paralelo, las resistencias del medidor indicador y la de la línea afectan la lectura o la indicación del potencial, como lo muestra la ecuación T20:
Donde:
Femm = Diferencia de potencial en el medidor indicador (v).
Rm = Resistencia del medidor indicador (Ohm).
R1 = Resistencia de la linea del circuito (Ohm).
R1,2,3…,n = Resistencia de las unidades independientes (Ohm).
Fem1,2,3,…,n = Potencial generado por cada unidad (v).
Se debe establecer una unión de referencia tanto en el arreglo en serie como en el de paralelo con el objeto de obtener mediciones de temperaturas exactas. La aplicación más común del arreglo en serie es en los pirómetros de radiación total, mientras que en el arreglo en paralelo se usaba en lugares donde se requería que la temperatura fuera homogénea (ejemplo cámaras humidificadoras).