la termocupla

Instrumentación La termocupla

Luis Enrique Martin Santamaría Página 1

Universidad Distrital “Francisco José De Caldas”

Facultad de Ingeniería Proyecto curricular de ingeniería electrónica

Sensórica

LA TERMOCUPLA

La termocupla, o termopar, es un sensor térmico el cual puede ser definido como una fuente de voltaje (figura 1) o de corriente, dependiente de la temperatura. Esta constituido por dos hilos de diferente material, los cuales se hallan unidos en un extremo sobre el cual se aplica la temperatura a medir y las otras puntas de los hilos están abiertas, para permitir la medición de la fuerza termoelectromotriz (ftem o fem) generada en el sensor.

Fig.1. El termopar: presentación típica de laboratorio y símbolo esquemático.

La figura 1 muestra un termopar con sus respectivos aislantes y protectores, así como el

símbolo que utilizaremos en este documento y su equivalencia dentro de los circuitos eléctricos. Los diversos fenómenos que tienen lugar dentro de este sensor, pueden ser explicados en base a algunos de los efectos y leyes termoeléctricas que se suceden en la naturaleza como son el efecto Peltier, el efecto Thomson, el efecto Seebeck y el efecto Joule.

PRINCIPIO BÁSICO. Si dos hilos de distintos materiales se unen en sus extremos y se mantiene entre los puntos de unión una diferencia de temperatura, se induce una corriente en el circuito, así formado, tal como se muestra en la figura 2.

Fig.2. El termopar: principio básico.



1. EFECTOS Y LEYES TERMOELECTRICAS

Con esta denominación se identifican una serie de fenómenos físicos que presentan trasformaciones entre energía térmica y energía eléctrica.

a. EFECTO PELTIER.

Es un fenómeno termoeléctrico reversible que interpreta los procesos de transformación

entre energía eléctrica y energía térmica, en la unión de dos materiales homogéneos distintos y a una temperatura determinada. TRANSFORMACIÓN DE ENERGIA TÉRMICA A ENERGÍA ELÉCTRICA: En la unión de dos materiales conductores, A y B en la figura 3, de diferente constitución, se

genera una fuerza termoelectromotriz, la cual depende del tipo de materiales y de la temperatura termodinámica en su unión.

Fig.3. El efecto Peltier.

La f.t.e.m. generada, denominada de Peltier y especificada como , se define como:

Las expresiones y corresponden a los potenciales termodinámicos absolutos de los

materiales A y B, respectivamente, cuando se hallan a la temperatura termodinámica .

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A ENERGÍA TÉRMICA: El paso de una corriente eléctrica por la unión de dos materiales distintos calienta o enfría la unión según sea el sentido de la corriente.

b. LEY DE VOLTA

Dentro de un circuito isotérmico cerrado, constituido de diferentes materiales, la suma de las ftem de Peltier es nula.

De acuerdo a la figura 4:



a. - EFECTO THOMPSON.

Al igual que el efecto Peltier, es un efecto reversible entre energía térmica y energía eléctrica.

Fig.4. Ley de Volta.

TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA A ENERGÍA ELÉCTRICA: Un conductor homogéneo con un gradiente de temperatura entre dos puntos M y N,

establece una f.t.e.m. entre dichos puntos, la cual depende de la naturaleza del material y de la diferencia de temperaturas.

Fig.5. Efecto Thomson.

La f.t.e.m. de Thomson se define como:

Donde es la función (o coeficiente) de Thomson del material A, la cual es función de la

temperatura, y y son las temperaturas de los puntos entre los cuales se mide dicha

tensión.



TRANSFORMACIÓN DE ENERGIA ELÉCTRICA A ENERGÍA TÉRMICA:

En un conductor homogéneo con temperaturas diferentes en sus extremos, al ser atravesado por una corriente eléctrica aumentan o disminuyen dichas temperaturas según sea la dirección de dicha corriente y según sea la dirección del gradiente de temperatura.

b. LEY DE MAGNUS

En los extremos de un circuito constituido por un conductor único, homogéneo y a la misma temperatura, la f.t.e.m. de Thomson es nula. Esta ley se hace evidente de acuerdo a la

figura 5 y al aplicar la condición en la ecuación del efecto Thomson:

c. EFECTO SEEBECK.

DEFINICIÓN Y MODELO PARA EL TERMOPAR IDEAL DE SEEBECK: Una termocupla o un termopar, ideal, es un circuito cerrado constituido por dos materiales, A

y B, de diferente composición, cuyas uniones se someten a las temperaturas y , tal

como se muestra en la figura 6 y en el cual no se permite que se presente efecto Joule.

El efecto Seebeck establece que en una termocupla se genera una f.t.e.m. como resultado de los efectos de Peltier y de Thomson.

Fig.6. ftems componentes de efecto Seebeck.

De acuerdo a la figura, se presentan cuatro f.t.e.m. diferentes dentro de la termocupla de Seebeck: dos de Peltier, una en cada unión y dos de Thomson, una en cada material. Estas

tensiones configuran la tensión neta, , del termopar.

Se puede escribir como:



Como se aprecia, los dos términos de la f.t.e.m. de Peltier y los dos respectivos de Thomson, se pueden integrar en dos funciones, cada una dependiente de la diferencia de temperaturas

, para dar origen a lo que se denominan las funciones conjuntas de Peltier, ( ) y

de Thomson, ( ):

Finalmente estas dos funciones dan origen a la función de Seebeck:

De acuerdo a las condiciones enunciadas para el termopar ideal de Seebeck, el potencial de

Seebeck se calcula con los dos materiales unidos en sus dos extremos y se supone que no

hay corrientes por el circuito para que no se presente efecto Joule y para que .

En la realidad y de acuerdo a la teoría de los circuitos eléctricos, no es posible medir una diferencia de potencial sobre un corto circuito, no obstante, se puede demostrar que el

resultado obtenido sigue siendo el mismo con el termopar abierto en cualquier punto del circuito y sin permitir que circule corriente por el circuito. En la figura 7 se plantea un circuito de termopar abierto en uno de los puntos de unión entre los dos materiales. Para este caso, una vez planteados los diferentes potenciales desarrollados en cada elemento o hilo o union ya sean, estos potenciales, de Peltier o de

Thomson, se llega a la misma función obtenida para el termopar ideal de Seebeck, la cual simboliza el potencial que mide un instrumento modelado y representado, en este caso, por el medidor de potencial más elemental, el cual se puede modelar como una bobina de alambre de un solo material (PMMC o D’arsonval), colocado en los extremos del termopar con sus respectiva polaridad, tal como lo muestra la figura.

Fig.7. Circuito de medición del efecto Seebeck, abriendo el termopar ideal.

En el proceso de abrir el termopar ideal para efecto de la medición del potencial producido, es equivalente a abrirlo en cualquier punto de unión de los dos materiales, o dentro del recorrido de cualesquiera de sus hilos.



PRINCIPIO DE RECIPROCIDAD DE LA FUNCIÓN DE SEEBECK:

La función de Seebeck obtenida para el termopar ideal establece que:

Multiplicando a lado y lado de la ecuación por e identificando los elementos, tal como se

hizo en la deducción del modelo, se llega a:

Interpretando este resultado se concluye que si se intercambian las temperaturas sin alterar las polaridades de los potenciales parciales de Peltier y de Thomson, es decir manteniendo las condiciones de definición del termopar A/B original, el potencial medido a la salida, cambia de polaridad solamente.

2. CIRCUITO DE MEDICIÓN Y TERMOPAR REAL. En la figura 8 se presenta un circuito equivalente de un montaje para acoplar un termopar real a un circuito o a un instrumento de medición. Las condiciones para que el potencial de

Seebeck, obtenido con el termopar ideal, llegue en las condiciones adecuadas al circuito de medición, son:

La temperatura , denominada comunmente como temperatura de referencia,

debe ser la misma en los dos extremos libres de los hilos A y B o extremos de medida del potencial del termopar.

Los conductores intermedios , que sirven de extensión dentro del

circuito, deben ir simétricamente ubicados a partir de los hilos A y B hasta llegar al instrumento de medición sin importar, teóricamente, el número de extensiones ni los

tipos de materiales utilizados para la extensión.

Las temperaturas de unión entre los conductores de extensión: ,

deben ser simétricamente las mismas.

Fig.8. Circuito de acople entre el termopar y el instrumento de medida.



Bajo las condiciones anteriores la tensión esta determinada por:

Expandiendo, reagrupando algunos términos y simplificando, se demuestra que:

Obteniendo la función de Seebeck aplicada a la diferencia de temperaturas :

Observese que para el análisis, el hilo A se ha definido como el terminal positivo con respecto al hilo B.

a. LEY DE LOS METALES SUCESIVOS.

Si se conocen las funciones de Seebeck de dos termopares con temperaturas y , que

tienen un material en común, se puede deducir la respectiva función de Seebeck de un tercer termopar configurado con los dos materiales no comunes en los dos termopares iniciales. Para su demostración se plantean los componentes de las respectivas funciones de Seebeck, para los termopares A/C y C/B, de la figura 9:

Sumando termino a término las dos ecuaciones y realizando las respectivas simplificaciones

se llega, finalmente a:

Fig.9. Ley de los metales sucesivos.



b. LEY DE LAS TEMPERATURAS SUCESIVAS (LTS).

El valor de la f.t.e.m. de Seebeck generada a partir de un gradiente de temperaturas, ,

puede ser expresado en función de los potenciales parciales generados por el mismo termopar, haciendo un recorrido entre temperaturas sucesivas, que tengan como inicio y

final a y , respectivamente.

Fig.10. Ley de las temperaturas sucesivas.

En la figura 10, el diagrama presenta un posible recorrido que permite ver una alternativa para expresar el potencial de Seebeck por efecto del gradiente, , con un solo relevo

en .

Para llegar a un resultado final, en términos de las funciones de Seebeck de cada caso, se aplica el siguiente procedimiento de acuerdo a la figura 10: Para el recorrido r1:

Para el segundo recorrido, r2:

Sumando estas dos expresiones e identificando los términos, se llega a:



Si el número de saltos entre temperaturas sucesivas es n, las diferentes componentes de

cada recorrido, una vez sumadas todas las ecuaciones individuales entre si, dan el mismo

resultado que para un solo relevo:

c. COMPONENTES DE LA FUNCIÓN DE SEEBECK.

Haciendo uso de la LTS y del principio de reciprocidad en la FS, dicha función puede expresarse como:

Si se considera que la temperatura de relevo , , es cero unidades, independientemente

del tipo de escala en que se trabaje, la expresión queda:

Lo que significa que el termopar entrega una información compuesta por la diferencia de dos

términos: el potencial generado por un termopar A/B, cuando la temperatura del punto

caliente es y la del punto de referencia es cero unidades, y un segundo termino o

potencial generado por el mismo tipo de termopar para una temperatura en el punto de

medida y cero unidades en el punto de referencia.

3. TIPOS DE TERMOPARES.

a. CONFIGURACIONES BÁSICAS.

Los diferentes tipos de termopares estan diferenciados y especificados por una letra, la cual ha sido asignada en razón del tipo de relación ftem-temperatura más que por la constitución existente en un arreglo particular. Las termocuplas de un determinado tipo pueden variar algunos aspectos dimensionales y de composición, en sus dos hilos, tanto como lo desee o requiera el fabricante, mientras se mantengan las condiciones de la norma que la especifica.

En la especificación del termopar se ha establecido, por conveniencia, que el primer hilo dibujado o especificado es el que corresponde al borne positivo siempre y cuando la temperatura de referencia este por debajo de la temperatura medida. El rango de trabajo esta supeditado, en el límite inferior, por el nivel de ftem y su facilidad

para ser determinado por el sistema o circuito de medida y, en el límite superior, por el desempeño de los materiales ante los riesgos de contaminación, de evaporación de algunos de sus componentes o de la fusión de alguno de su hilos.

Paralelamente a los anteriores condicionamientos, existe una dependencia muy notable del límite superior de trabajo con el diametro del hilo utilizado para la fabricación del termopar.

La tabla 1 muestra, como ejemplo, la dependencia de la temperatura máxima de operación , con el díametro, para un termopar tipo E (chromel/constantan).



TABLA 1, Ejemplo de la variación de la temperatura máxima de operación,debida al diámetro del hilo en un termopar tipo E.

DIAMETRO (

3,25 1,63 0,81 0,33

TEMPERATURA

870 650 540 430

Para efecto de diferenciar los termopares por tipos, se consideran constituidos por dos hilos o termoelementos y cada termoelemento puede estar compuesto de uno o más materiales básicos formando aleaciones. La composición y constitución de los diferentes termoelementos fijan el comportamiento termoelectrico del termopar.

En la tabla 2 se presentan los principales termoelementos, su constitución y algunas de sus características.

TABLA 2, Termoelementos y sus características principales.

Símbolo(s) Nombre genérico o composición o ambos

Polaridad Marca registrada

EN o TN Constantan1. 55 %

Cu, 45 % Ni. Negativa Cupron, ThermoKanthal JN, Advance;

EP o KP Chromel. 90 % Ni,

10 % Cr Positiva Chromel, Tophel, ThermoKanthal KP, T-1.

JN Constantan1

Negativa

JP ThermoKanthal JP.

99.5 % Fe Positiva ThermoKanthal JP

KN

Alumel. 95 % Ni, 2

% Al, 2 % Mn, 1 % Si.

Negativa Alumel, Nial, T-2, ThermoKanthal KN.

NN Nisil. 95 % Ni, 41/2 % Si, 1/10 % Mg.

Negativa

NP Nicrosil. 84 % Ni, 14 % Cr, 11/2 % Si.

Positiva

RN o SN Pt de alta pureza. Negativa

RP Pt-13 % Rh Positiva

SP Pt-10 % Rh Positiva

TP Cu de alta pureza. Positiva

BN Pt-nominal 6 % Rh. Negativa

BP Pt-nominal 30 % Rh Positiva

1- El constantan del termoelemento JN es diferente al del los termoelementos EN y

TN y no es intercambiable. El termopar esta constituido por la unión de dos termoelementos, uno de polarida positiva y el otro de polaridad negativa, tomados ambos de la tabla 2. Por ejemplo el termoelemento JP y el termoelemento JN configuran el termopar tipo J y la ftem generada es positiva en el hilo

JP.



La tabla 3 presenta el conjunto de termopares generados con los termoelementos de la tabla

2 y algunas de sus características más importantes.

b. OTROS TIPOS DE TERMOPARES. Existe una familia de termoelementos creados con tungsteno puro o con diferentes

proporciones de aleaciones de tungsteno y renio, los cuales dan origen a los termopares tipo

G, C y W. Estos se caracterizan, principalmente, por su capacidad de trabajo en altas temperaturas (alrededor de 2350 ºC). Recientemente se han ido desarrollando termoelementos de un solo material, buscando eliminar las inestabilidades y los gradientes de temperatura debidos a irregularidades en la estructura de la aleación. En la actualidad se conocen algunos termopares de esta linea,

como el Pt/Au y el Pt/Pd, los cuales presentan importantes mejoras en los aspectos de estabilidad, exactitud y reproducibilidad, con relación a los termopares convencionales.

TABLA 3. Tipos de termopares.

TIPO CÓDIGO DE COLORES (ANSI)

T.e.

Rango de

sensibilidad, S/(uV/ºC)

Rango de temperatura de

trabajo, Rt/ºC. Precisión, p/ºC

E

EP

3,8 a 81 (-270 a 1000)

EN (1,0 a 1,7)

J

JP

20,5 a 64,7 (-210 a 1200)

JN (1,1 a 2,2)

T

TP

2,6 a 61,7

(-270 a 400)

TN (0,5 a 1,5)

K

KP

1,7 a 42,7 (-270 a 1372)

KN (1,1 a 2,2)

N

NP

0,8 a 39,3 (-270 a 1300)

NN (1,1 a 2,2)

R

RP

3,8 a 14,2 (-50 a 1768)

RN (0,6 a 1,5)

S

SP

4,2 a 12,2 (-50 a 1768)

SN

B

BP

-0,2 a 11,7 (0 a 1820)

BN (0,6 a 1,5)



4. MODELOS MATEMÁTICOS Y DE TRABAJO PARA EL TERMOPAR.

a. MODELO DE SEEBECK.

El modelo racional obtenido para el termopar a partir del efecto Seebeck, aunque no es un modelo adecuado para el trabajo práctico, es el soporte sobre el cual se plantean nuevos modelos que permiten la exploración y explotación de las cualidades del termopar.

b. CURVAS CARACTERÍSTICAS.

Por definición, en cualquier sensor, la curva característica es el modelo gráfico más cercano al comportamiento real del sensor.

Dado que en la FS del termopar aparece dos veces la magnitud temperatura, se ha convenido universalmente que las curvas de calibración se obtengan, y asi se tracen, con

una temperatura de referencia igual a 0 en la FS, es decir:

Como consecuencia, y esto esta soportado por el modelo de Seebeck, todas las curvas

características pasan por el origen de coordenadas: , es decir,

.

Fig. 11. Curvas características de termopares

En la figura 11 se muestra el trazado de algunas de las curvas características de los

principales termopares reconocidos por normas internacionales y de uso común. Como se puede apreciar, su comportamiento es bastante lineal; no obstante, si se calcula la sensibilidad para cada una de ellas y se grafica, se puede apreciar que efectivamente son funciones no lineales con relación a la variable medida:



En la figura 12 se puede apreciar el trazado de la función sensibilidad, , para los

mismos termopares de la figura 11.

Fig. 12. Curvas de sensibilidad de termopares

c. TABLAS.

Las tablas, al igual que las curvas de calibración, presentan los valores de la ftem que genera

el termopar con temperatura de referencia en 0 .

Es el modelo más accesible, tanto en la parte industrial como académica y hasta el momento

el más exacto. Normalmente se presenta el potencial generado para incrementos sucesivos

de 1 .

La tabla 1 es un fragmento de un modelo tabular creado por NIST (National Institute of Standards and Technology) y basada en el ITS-90 (International Temperature Scale of 1990).

Tabla 4. Fragmento de tabla de valores de ftem para un termopar tipo K. (NIST-ITS90)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

-

30

-

1,156

-

1,194

-

1,231

-

1,268

-

1,305

-

1,343

-

1,380

-

1,417

-

1,453

-

1,490

-

20 -0,778 -0,816 -0,854 -0,892 -0,930 -0,968 -1,006 -1,043 -1,081 -1,119

-

10

-

0,392

-

0,431

-

0,470

-

0,508

-

0,547

-

0,586

-

0,624

-

0,663

-

0,701

-

0,739

0 0,000 -0,039 -0,079 -0,118 -0,157 -0,197 -0,236 -0,275 -0,314 -0,353



Tabla 4. Fragmento de tabla de valores de ftem para un termopar tipo K. (NIST-ITS90)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0,000 0,039 0,079 0,119 0,158 0,198 0,238 0,277 0,317 0,357

10 0,397 0,437 0,477 0,517 0,557 0,597 0,637 0,677 0,718 0,758

20 0,798 0,838 0,879 0,919 0,960 1,000 1,041 1,081 1,122 1,163

30 1,203 1,244 1,285 1,326 1,366 1,407 1,448 1,489 1,530 1,571

40 1,612 1,653 1,694 1,735 1,776 1,817 1,858 1,899 1,941 1,982

50 2,023 2,064 2,106 2,147 2,188 2,230 2,271 2,312 2,354 2,395

60 2,436 2,478 2,519 2,561 2,602 2,644 2,685 2,727 2,768 2,810

70 2,851 2,893 2,934 2,976 3,017 3,059 3,100 3,142 3,184 3,225

80 3,267 3,308 3,350 3,391 3,433 3,474 3,516 3,557 3,599 3,640

90 3,682 3,723 3,765 3,806 3,848 3,889 3,931 3,972 4,013 4,055

TABLA 5. Coeficientes para las funciones de un termopar tipo E.

0,000 000 000 000 x100 0,000 000 0 x100

0,586 655 087 100 x10-1 1,705 703 5 x101

0,450 322 755 820 x10-4 -2,330 175 9 x10-1

0,289 084 072 120 x10-7 6,543 558 5 x10-3

-0,330 568 966 520 x10-9 -7,356 274 9 x10-5

0,650 244 032 700 x10-12 -1,789 600 1 x10-6

-0,191 974 955 040 x10-15 8,403 616 5 x10-8

-0,125 366 004 970 x10-17 -1,373 587 9 x10-9

0,214 892 175 690 x10-20 1,062 982 3 x10-11

-0,143 880 417 820 x10-23 -3,244 708 7 x10-14

0,359 608 994 810 x10-27

Rango Rango

Error -0,02 °C a 0,02 °C

Unidad Unidad



d. ECUACIONES EMPÍRICAS.

La ecuación empírica es uno de los recursos más útiles y adecuados para la definición de las pautas de diseño del instrumento. El modelo de ecuación empírica más empleado en el termopar es el polinomial. Las diferentes normas existentes establecen los debidos parámetros, como son: el grado del polinomio y los coeficientes respectivos, atendiendo a las características del termopar, al rango de trabajo y a la precisión deseada en el modelo.

En general se establecen los parámetros para que con el modelo se calcule la fem, suponiendo siempre que la temperatura de referencia del termopar es 0 ºC. Dado que, tanto en lo concerniente al estudio académico como a las aplicaciones industriales, se requieren las funciones que expresen la fem y su respectiva función inversa, los fabricantes presentan regularmente estos parámetros, acogiendose a las regulaciones

establecidas por las respectivas normas y expresando claramente las condiciones de aplicación y el alcance de sus resultados. La tabla 5 presenta un ejemplo de los elementos y condiciones para modelar un termopar tipo K.

5. MANEJO DE LA TEMPERATURA DE REFERENCIA. En el modelo de Seebeck hay dos variables de temperatura; una de ellas requiere estar fija para que la otra se presente como la incógnita a determinar en un proceso de medición. La

temperatura de los terminales donde se mide la f.t.e.m, , es la que normalmente suele

fijarse y dicha referencia puede establecerse de tres formas:

Fija en cero: .

Fija diferente de sero: .

Variable e igual a la temperatura ambiente: .

a. TEMPERATURA DE REFERENCIA A 0 ºC.

Mantener la temperatura de referencia a es un proceso dispendioso y poco practico

para ser aplicado a mediciones industriales, no obstante como método para lograr una referencia a nivel de laboratorio, es un método válido.

Fig. 13. Obtención de temperatura de referencia a 0 ºC.



La figura 13 muestra el montaje que permite llegar a una referencia de con una

precisión de , realizando el contacto galvánico entre los terminales del termopar y

los hilos de medida del potencial dentro de sendos tubos con mercurio, los cuales se hallan inmersos en un baño de agua-hielo y a presión atmosférica normal (101 325 Pa). El termopar esta constituido por los hilos A y B y el contacto eléctrico hacia el circuito de medida se realiza con un tercer hilo de material C.

Algunas variantes, de este métodos de referenciación, se consiguen con los arreglos mostrados en la figura 14: en la figura 14a, los contactos galvánicos se realizan creando dos termopares, el A/C y el B/C, los cuales sensan la temperatura de referencia de cada uno de los terminales abiertos del termopar; en la figura 14b, se aplica la definición del termopar ideal abierto en uno de sus hilos componentes y una de sus uniones realizará la toma de la temperatura de referencia.

Fig. 14. Otras técnicas de mantener la temperatura de referencia en 0 ºC. Cuando la presión atmosférica no sea la normal, la temperatura, así obtenida, se puede

calcular como:

Siendo la presión atmosférica del lugar del experimento, la presión atmosférica

normal, expresada en las mismas unidades de y la altura efectiva, en mm, que

está inmersa la unión galvánica de los hilos A/C, en la mezcla agua hielo.



b. TEMPERATURA DE REFERENCIA CONSTANTE Y DIFERENTE DE 0 ºC.

Esta es una opción poco común y poco práctica para ser implementada en sistemas de medición tanto de aplicación industrial como en sistemas de laboratorio, consiste en mantener los terminales de referencia del termopar en un ambiente debidamente controlado y regulado en lo referente a su temperatura. Salvo en casos excepcionales y por razones de precisión y de exactitud, se utiliza a nivel laboratorio en procesos de caracterización. Para aplicaciones prácticas a nivel industrial se prefiere la opción que se explicará a continuación.

c. TERMINALES DE REFERENCIA A LA TEMPERATURA AMBIENTE.

Es la opción más empleada en instrumentos de medición de temperatura que empleen termopar como sensor principal. Presenta dos alternativas en su manejo: en los casos donde

la exactitud pueda tener un margen de error alto, se puede estimar, o medir por separado, la temperatura ambiente y hacer, o no hacer, la respectiva corrección al momento de definir el valor de la medida; si, por el contrario, debe ser una medición con un buen nivel de exactitud, se le adiciona al termopar un circuito que restablezca el nivel de perdida, ocasionado por tener los terminales de referencia del termopar a la temperatura ambiente, el

cual se denomina compensador de unión fría, CUF.

6. COMPENSACIÓN DE UNIÓN FRÍA.

a. PRINCIPIO.

Se demostró anteriormente que la FS está compuesta de dos potenciales: uno generado por

la temperatura , con la referencia en cero y otro generado por la temperatura , con la

referencia en cero. Para el caso que nos ocupa: , es decir, con la temperatura de

referencia siendo la del ambiente, la FS queda:

.

El termino que esta precedido del signo menos , se puede interpretar como una perdida que

presenta el termopar por no tener su respectiva referencia en 0 , sino a la temperatura

ambiente.

Dado que los diferentes modelos, debidamente avalados por las normas, tienen su validez establecida para mediciones hechas con el termopar cuando la temperatura de referencia

esta en 0 , es deseable y práctico obtener la fem producida por una temperatura dada , en

esas condiciones. La compensación de unión fría, CUF, consiste en monitorear la temperatura ambiente,

generar un voltaje proporcional a la temperartura ambiente e igual a la fem perdida

correspondiente al término y sumar dicho voltaje a la fem producida por el termopar.

El diagrama de la figura 15 muestra estos pasos. El resultado, a la salida del diagrama de bloques, es:

Para que la salida sea dependiente unicamente de , se debe hacer cumplir, en primer

lugar que:



En segundo lugar, como el fin del CUF es independizar la salida de la temperatura ambiente,

se debe cumplir que:

Fig. 15. Esquema de un circuito CUF y el respectivo termopar.

El término , corresponde a la sensibilidad del termopar en el rango de la temperatura

ambiente, por lo tanto se calcula a partir de las tablas del termopar haciendo un promedio en el respectivo rango.

b. SISTEMA DE COMPENSACIÓN CON AMPLIFICACIÓN.

Los circuitos reales de medición de temperatura, que hacen uso de termopares, requieren que su señal lleve un determinado nivel de amplificación para poder ser manejada en condiciones adecuadas dado su bajo nivel y su poca inmunidad a elementos contaminantes que se manifiestan por las condiciones particulares en que opera el termopar.

La figura 16 presenta el diagrama de bloques de un sistema completo que entrega una salida

proporcional a la temperatura , la cual es independiente de las variaciones de y,

adicionalmente, la condición inicial a la salida puede ser programable, según lo requiera el diseño.

Para efecto de ubicar el sistema dentro de un caso real, se establece que la temperatura a

medir esta en , , que el elemento central del CUF es una fuente de voltaje

dependiente de la temperatura ambiente, , y que el arreglo completo presente una

salida dependiente unicamente de , definida como , la cual puede o no, estar

montada sobre un pedestal: , según se desee.

La etapa de denominada es la encargada de fijar la debida amplificación a la señal del

termopar; la etapa representa la amplificación o atenuación que se le deba dar a la señal

entregada por la fuente dependiente de la temperatura ambiente.



Fig. 16. Inclusión de amplificación en un circuito CUF y su respectivo termopar.

La salida queda dada por:

Aplicando las condiciones:

Donde es la sensibilidad promedio del termopar en el rango de la temperatura

ambiente y es la sensibilidad del sensor que hace las veces de fuente dependiente de la

temperatura ambiente.

Los parámetros finales del diagrama de bloques quedan definidos así:



7. ARREGLOS DE TERMOPARES.

Es común encontrar circuitos de varios termopares acoplados adecuadamente entre si con el fin de modificar algunas caracteristicas del termopar o de adaptarse a condiciones exigidas por el medio de trabajo.

a. MONTAJE DIFERENCIAL.

El arreglo diferencial es el termopar ideal abierto en un punto ubicado dentro de uno de sus hilos, tal como se muestra en la figura 17. Se emplea para obtener un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas en sus dos uniones.

Fig. 17. Arreglo diferencial entre termopares.

Haciendo un análisis del circuito total, se demuestra que el voltaje obtenido a la salida es independiente de y tiene como función:

b. TERMOPILA.

Cuando la señal de salida es baja o se requiere mejorar la relación señal-ruido, la termopila es el arreglo más utilizado para este fin; dicho sistema se aprecia en la figura 18a y, tal como allí se muestra, consiste en colocar varias termocuplas, preferiblemente del mismo tipo, en serie, sumando sus respectivas salidas, todas ellas sometidas a la misma temperatura de referencia y a la misma temperatura en la unión de medida.

Fig. 18a. Termopila de termopares.



Fig. 18b. Promediador de temperatura con termopares.

La salida neta del arreglo queda determinada por la fem que produce una sola termocupla, en las condiciones allí mostradas, multiplicada por el número de termocuplas, siempre y cuando estas mantengan la condición para que dicha fem se sume:

c. PROMEDIADOR. Es un arreglo que permite obtener un valor de voltaje a la salida, el cual es, aproximadamente, proporcional al promedio de las diferentes temperaturas a que estan

sometidas las uniones de medida de los termopares que participan del arreglo. La salida neta del arreglo, tal como se muestra en la figura 18b, se obtiene analizando los

circuitos equivalentes para cada termopar, considerendolos como fuentes de voltaje dependientes de la temperatura con una resistencia de salida diferente de cero. El resultado es:

El cual corresponde al potencial producido por una sola termocupla midiendo la temperatura promedio.

8. CABLES DE EXTENSIÓN Y DE COMPENSACIÓN.

Idealmente la termocupla se debería acoplar al instrumento con el mismo hilo que la

configura; no obstante esto puede presentar algunos inconvenientes de tipo técnico o de tipo económico, a saber:

Algunos materiales de los que constituyen los termopares presentan alta resistividad, lo cual afecta el nivel de la señal generada. El efecto puede empeorar la situación si

se requiere cubrir un largo recorrido antes de llegar al instrumento.



Los materiales de los termopares tipo B, R, S y los que estan constituidos por otros

metales nobles como el Au , son costosos y la realización de arreglos extensos para

llegar hasta el instrumento hace inviable su uso.

Algunas de las aleaciones que configuran los diferentes hilos del termopar son frágiles, de tal manera que cubrir algunos recorridos les puede ocacionar fractura.

Para superar estos inconveniente se recurre a los cables de extensión y a los cables de compensación.

a. CABLES DE EXTENSIÓN.

Los cables o hilos de extensión estan fabricados de la misma aleación o material de los hilos del termopar y por lo tanto presentan la misma curva de fem. Sus especificaciones son menos exigentes con el fin de bajar los costos. Para compensar el efecto de crecimiento de

la resistencia, si el material presenta una alta resistividad, el cable se fabrica de mayor diámetro.

Para la designación de los cables de extensión, se le agrega la letra X al respectivo símbolo que identifica el termopar. Por ejemplo JX es la designación del cable de extensión para el termopar tipo J.

En la figura 19 se presenta el esquema alusivo al arreglo, con la inclusión de los diferentes elementos que deben participar.

Fig. 19. Termopar y sus cables de extensión.

Para que la fem no se afecte, con respecto a la que entregaría el termopar, sino hubiese hilos de extensión, se debe cumplir que:

Generalmente se hace necesario limitar el rango de la temperatura para que se cumpla la

condición.

b. CABLES DE COMPENSACIÓN.

Cumplen la misma labor de los cables de extensión pero son de material diferente al de los hilos del termopar y presentan un comportamiento tal que no modifican la tensión entregada por la pareja de hilos A/B del termopar en cuestión.

Para la designación de los cables de compensación, se le agrega la letra C al respectivo símbolo que identifica el termopar. Por ejemplo JC es la designación del cable de compensación para el termopar tipo J. Si el termopar tiene mas de un cable de compensación , se cita el primero como *CA y el segundo como *CB.



c. TOLERANCIA DE LOS CABLES DE EXTENSIÓN Y DE COMPENSACIÓN.

La tolerancia de un cable de extensión, o de compensación, es la desviación adicional máxima expresada en microvoltios, provocada por la inserción del cable, de extensión o de compensación, en el circuito de medición de la temperatura. Las tablas 6 y 7 presentan los principales tipos de cables de extensión y de compensación con algunas de sus características.

TABLA 6, Cables de extensión para termopares.

Símbolo Composición Tolerancia Rango de temperatura

JX Hierro/cobre-niquel J

85 uV a 140 uV (-25 a 200) ºC

TX Cobre/cobre-niquel T

30 uV a 60 uV (-25 a 100) ºC

EX

Niquel-cromo/cobre-

niquel E 120 uV a 200 uV (-25 a 200) ºC

KX

Niquel-cromo/Niquel

aleado 60 uV a 100 uV (-25 a 200) ºC

NX

Niquel-cromo-

silicio/Niquel-silicio. 60 uV a 100 uV (-25 a 200) ºC

TABLA 7, Cables de compensación para termopares.

Símbolo Composición Tolerancia Rango de temperatura

KCA Hierro/cobre-niquel

100 uV (0 a 150) ºC

KCB Cobre/cobre-niquel

100 uV (0 a 100) ºC

NC

Niquel-cromo-

silicio/Niquel-silicio 100 uV (0 a 150) ºC

RCA Cobre/cobre-niquel R

30 uV (0 a 100) ºC

RCB Cobre/cobre-niquel R

60 uV (0 a 200) ºC

SCA Cobre/cobre-niquel S 30 uV (0 a 200) ºC

SCB Cobre/cobre-niquel S 60 uV (0 a 200) ºC

BC Cobre/cobre aleado 40 uV (0 a 150) ºC

9. TIPOS DE UNIÓN Y ENCAPSULADOS.

El espacio que permite la comunicación entre el punto caliente de los los dos ternoelementos de la termocupla y la zona donde se desea medir la temperatura, debe estar dentro de un volumen pequeño para que el tiempo de respuesta del arreglo completo, sea corto y no se presenten diferencias entre la temperatura del punto caliente y la temperatura del proceso

en el momento de realizar la lectura. Así mismo, el punto de unión de los dos termoelementos debe estar protegido de: tensiones mecánicas, materiales químicos agresivos a los componentes del termopar y señales



electricas que induzcan tensiones parásitas o ruidos o que alteren los niveles de referencia

sobre los cuales se genera la f.e.m.

Con el fin de dar algún nivel de protección contra los posibles efectos anteriores, se recomiendan algunas previsiones técnicas en el momento de fabricación del sensor, las cuales se pueden resumir en:

Asegurar la unión de los dos hilos del termopar con soldadura de estaño,

unicamente para trabajos en baja temperatura y para medidas de baja calidad.

Asegurar la unión de los dos hilos del termopar para trabajos en altas temperatura y medidas de alta precisión , con soldadura autogena, con soplete de oxciacetileno o con soldadura de arco eléctrico.

Para cualquier caso, retorcer los hilos en las cercania de la soldadura para dar mayor protección mecánica.

Los diferentes métodos de protección de la unión de medida establecen ciertas características y condiciones de uso en el termopar. Los encapsulados más frecuentes para

la unión de medida se muestran en la figura 20 y son:

De soldadura aislada: permite un aislamiento electrico y mecánico del encapsulado con el sensor, evitando la mezcla de señales no deseadas con la fem del termopar y protegiendo a la unión de golpes o tensiones mecánicas. Presenta una constante de

tiempo térmica elevada.

De soldadura no aislada: mejora la constante de tiempo térmica, pero coloca al sensor en comunicación galvánica con el proceso.

De soldadura desnuda: la unión esta expuesta a ataques quimicos, o mecánicos o a señales eléctricas, debido al contacto directo con el proceso.

Fig. 20. Tipos de encapsulado para termopar.

Cuando el encapsulado de protección de un termopar está sujeto a altas presiones o a choques por parte de sólidos, líquidos o gases, se recomienda comunmente la utilización de

termovainas mecanizadas como la mostrada en la figura 21.



Fig. 21. Termovaina mecanizada para termopar.

la termocupla

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