TERMOPARESSensores De Temperatura

Concepto De Termopar

Un termopar es un sensor para medir la temperatura. Se compone de dos metales diferentes, unidos en un extremo. Cuando la unión de los dos metales se calienta o enfría, se produce una tensión que es proporcional a la temperatura. Las aleaciones de termopares están comúnmente disponibles como alambre.

Este sensor puede ser conectado a un instrumento de medición de Fem (fuerza electro motriz) o sea un mili voltímetro o potenciómetro.

Un termopar no mide temperaturas absolutas, sino la diferencia de temperatura entre el extremo caliente y el extremo frío.

Un termopar (también llamado termocople) es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los mili voltios) 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 llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck o termoeléctrico).

Características Del Termopar

Efecto Seebeck

Este efecto provoca la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores homogéneos. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las juntas entre los metales A y B induce una diferencia de potencial V.Cabe reseñar que fue el primer efecto termoeléctrico descubierto: el efecto Peltier lo descubriría Jean Peltier en 1834, y William Thomson -Lord Kelvin- haría lo propio con el efecto Thomson en 1851.

El coeficiente Seebeck no es constante, no es lineal.

Principio De Funcionamiento

El número de electrones libres en un metal depende de la temperatura y la composición del metal. Dos metales de desigual isotermo, dan una diferencia de potencial que es una función repetible de la temperatura, como se muestra en la figura. El voltaje resultante depende de las temperaturas, T1 y T2.

Se necesita una temperatura de referencia conocida para una de las uniones, así la temperatura de la otra unión será deducida del voltaje de salida.

Leyes de Comportamiento de Termopares

1° La fem de un termopar con uniones T1 y T2 resulta totalmente inafectada por la temperatura en todo el circuito si los dos metales que se usan son homogéneos.

2° Si se inserta un tercer metal homogéneo C en A y B, mientras las dos uniones termoeléctricas nuevas estén a temperaturas iguales, la fem neta del circuito permanece invariable, cualquiera que sea la temperatura de C fuera de las uniones.

3° Si se inserta C entre A y B en una de las uniones, la temperatura de C en cualquier punto fuera de las uniones AC y AB están ambas a la temperatura T1 , la fem neta es la misma que si C no estuviera allí.

4° Si las fem´s de los metales A y C es EAC y la de los metales B y C es EBC, la fem térmica de los metales A y B es EAC + ECB.

5° Si un termopar produce la fem E1 cuando sus uniones están a T1 y T2 y E2 cuando están a T2 y T3, producción E1 + E2 cuando las uniones estén en T1 y T3.

Aplicaciones De Las Leyes Al Termopar

La ley (a) dice que los alambres que conectan las dos uniones pueden exponerse con seguridad a una temperatura desconocida y variable sin afectar el voltaje producido.

La ley (b) y (c) permiten insertar un aparato para medir voltaje dentro del circuito. (Instrumentos, uniones)

La ley (d) demuestra que no es necesario calibrar todos los pares posibles de metales, sino en pares con un patrón (platino).

La ley (e) de las temperaturas intermedias.

Medición Con Termopares

Termopares parásitos (J2 y J3), las uniones con metales diferentes generan a su vez termopares, de modo que la tensión medida por el voltímetro es la suma de las tres tensiones.

Ley de los metales intermedios: si los termopares están a la misma temperatura, el sistema dará la misma tensión de termopar que la de una unión de hierro constantan.

Aplicando la ley de los metales intermedios al termopar, el voltímetro da una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas entre J1 y J2.

Compensación de punto frío: Acondicionador de señal. Seleccionando adecuadamente las resistencias y teniendo en cuenta el coeficiente de Seebeck del termopar utilizado, se puede compensar la tensión de la unión J2 en el rango de medida de interés.

Acondicionamiento De Señal Para Termopares

Se dispone de unos circuitos integrados acondicionadores de señal para termopares, como el AD594, para termopares tipo J que tienen un amplificador de instrumentación y un compensador lineal, una salida de alarma de rotura o desconexión del termopar, se alimenta a +5V y suministra una salida de 10mV/ºC.

No Linealidad del Coeficiente de Seebeck

Soluciones:

Sistemas con microprocesador: Convertidor analógico – digital. Relación de temperatura – tensión exacta. Rápida.

Cálculo de un sistema microprocesador por medio de un polinomio. Coeficientes brindados por el fabricante en tablas. Lenta.

Tipos De Termopar

Existen diferentes tipos de termopares en función de los metales o aleación de metales utilizados en su construcción. Cada tipo de termopar se caracteriza por tener un rango de temperaturas de aplicación diferente y/o un coeficiente Seebeck α diferente. Este normalmente se da en microvoltios por grado Centígrado.

Criterios Para La Elección De Un Termopar

Rango de temperatura

La resistencia química del termopar o material de vaina

Resistencia de abrasión y vibración

Requisitos de instalación (compatibilidad con equipos existentes)

Instalación de Termopares

 Longitud de inmersión: Gases = 10d, Líquidos=8d

Cable de compensación del tipo de termopar  para la conexión con los equipos de medida.

No utilizar materiales sin compensar.

Estabilidad de temperatura en las conexiones (temperatura ambiente).

Respetar la polaridad del termopar en todas sus conexiones, cables de compensación /extensión y conectores

Interferencias electromagnéticas, utilizar cable trenzado y apantallado con mylar.

Ventajas y desventajas

Rango -270 --- +1800 °C

Sencillo

Robusto, resistencia a vibraciones y golpes

Económico

Amplia variedad de formas físicas

No lineal

Requiere compensación en la unión fría

Baja sensibilidad

Baja estabilidad

Bibliografía

https://www.uam.es/personal_pas/patricio/trabajo/segainvex/electronica/proyectos/curso_instrumentacion/sensores.pdf

http://arantxa.ii.uam.es/~gdrivera/robotica/h_datos/Sensores_Acond.pdf

http://www.sciempresa.com/informaci%C3%B3n-t%C3%A9cnica/News/show/elegir-el-tipo-de-sensor-de-temperatura-y-su-instalacion-191

http://www.termokew.mx/termopares.php

http://es.omega.com/prodinfo/termopares.html

https://es.wikipedia.org/wiki/Termopar

http://www.jmi.com.mx/documento_literatura/leyes_metales_intermedios_termopares.pdf