Explicación del termopar

Este artículo describe la definición, construcción, principio de funcionamiento, selección de materiales, ventajas y desventajas de un termopar.

Definición:

El termopar es una combinación de dos tiras metálicas diferentes unidas de tal manera que forman un bucle. Cuando las dos uniones se mantienen a diferentes temperaturas, hay una corriente eléctrica en el bucle y se desarrolla una fem. La magnitud de la fem desarrollada depende de los metales y de la diferencia de temperatura de la unión fría y caliente. Tal combinación de dos metales se conoce popularmente como Termopar.

El termopar se utiliza como dispositivo de detección de temperatura en las industrias. Un sensor de termocupula es una versión modificada en la que dos metales diferentes se unen en un extremo mientras que el otro extremo está conectado a un dispositivo de lectura o un milivoltímetro. Cuando la unión se calienta o se enfría, se produce una fem en el extremo abierto de los metales que es de magnitud muy pequeña. Esta es la razón por la que se conecta un milivoltímetro para medir esta fem generada. La fem medida es directamente proporcional a la temperatura de la unión y, por lo tanto, la temperatura se puede calibrar con la fem medida. El termopar es un transductor activo.

Construcción:

Un termopar consta básicamente de cables (llamados termoelementos), aislamiento, cubierta y medios para la conexión externa. Un extremo del termoelemento compuesto por dos metales diferentes se suelda para formar una unión. Esta unión es, de hecho, el punto de medición.

La siguiente figura muestra la construcción del termopar.

El termoelemento está alojado en una vaina metálica rígida, generalmente de Inconel. La unión de medición se forma en la parte inferior de la carcasa. El relleno de óxido de magnesio rodea el termoelemento. Este relleno actúa como un amortiguador y evita que el cable se dañe por vibraciones. También actúa como un medio de disipación de calor de unión caliente.

El uso de vaina ralentiza la respuesta apreciablemente a medida que aumenta la masa del termopar. Sin embargo, en aplicaciones donde el tiempo de respuesta es la consideración principal, se utilizan termopares desnudos o con revestimiento delgado. La sensibilidad del termopar se puede aumentar reduciendo la masa de la unión de medición. Un método para reducir la masa es soldar a tope los dos cables del termopar. En aplicaciones donde la resistencia mecánica de la soldadura a tope no es suficiente, los dos alambres se tuercen y los extremos se sueldan.

La unión de medición puede estar conectada a la vaina o no. Sobre la base de la conexión del punto de unión a la vaina, existen tres tipos diferentes de construcción de termopar: Termopar sin conexión a tierra, con conexión a tierra y expuesto.

Termopar conectado a tierra:

En termopar conectado a tierra, la unión está conectada a la cubierta metálica. Este tipo de termopar se utiliza para medir la temperatura en ambientes corrosivos. Sin embargo, la medición está libre de ruido.

Termopar sin conexión a tierra:

En un termopar sin conexión a tierra, la unión no está conectada a la cubierta metálica. Es ampliamente utilizado en aplicaciones de alta presión. La medición está libre del efecto del campo magnético errante en este tipo de sensor.

Termopar expuesto:

El termopar expuesto tiene la respuesta más rápida y, por lo tanto, se usa para aplicaciones que requieren una respuesta rápida. Se utiliza para medir la temperatura del gas. Pero el principal inconveniente es que el termoelemento es muy propenso a la corrosión, ya que se deja expuesto y, por lo tanto, no se recomienda.

Selección de material de alambre de termopar:

En aplicaciones industriales, la elección de los materiales utilizados para construir un termopar depende del rango de temperatura a medir, el tipo de atmósfera a la que se expondrá el material, la fem de salida y su estabilidad, la resistencia mecánica y la precisión requerida para la medición. Los materiales de los termopares se dividen en dos categorías: tipo de metal raro que usa platino, rodio, etc. y tipo de metal base.

Varias combinaciones de metales disímiles constituyen un buen termopar para uso industrial. Estas combinaciones, además de tener una respuesta lineal y una alta sensibilidad, deben ser físicamente fuertes para soportar altas temperaturas, cambios rápidos de temperatura y el efecto de la corrosión y la atmósfera reductora.

El material para los tipos comunes de termopar se tabula a continuación.

Principio de funcionamiento del termopar:

Un termopar funciona en See Beck Effect. Ver el efecto Beck dice que cuando dos metales diferentes se unen para formar una unión y si se mantiene una diferencia de temperatura entre las uniones, se induce una fem en ella. Esta fem se llama fem termoeléctrica. Si la unión forma un circuito cerrado, esta fem generará una corriente a través del circuito. Esta propiedad se utiliza para medir la temperatura de un sistema.

En el sensor de termopar, un extremo de dos metales diferentes se unen y el otro extremo se conecta a un milivoltímetro. Esto se muestra en la figura a continuación.

Dos tipos diferentes de alambres metálicos A y B se unen en un extremo para formar una unión. En esta unión, la temperatura se mide y se llama unión de detección. El otro extremo está conectado a un milivoltímetro para medir la fem E. La fem producida en un termopar viene dada por

E = a(ΔƟ) + b(ΔƟ)2

donde (ΔƟ) = diferencia entre la temperatura de la unión caliente y la unión de referencia en °C y a & b son constantes.

Dado que la fem termoeléctrica depende de la diferencia de temperatura entre la unión caliente y la de referencia, la temperatura de esta última debe permanecer absolutamente constante para que la calibración entre la temperatura y el voltaje medido se mantenga bien y no haya errores debido al cambio en la temperatura ambiente. La temperatura de la unión de referencia se controla para este propósito. La unión de referencia suele ser 0 °C utilizando un baño de hielo. Cabe señalar en este punto que la combinación de metales debe elegirse de manera que un aumento de la temperatura siempre produzca un aumento lineal de la fem, es decir, el valor de “b” debe ser insignificante.

Medición de la salida del termopar:

La fem de salida de un termopar como resultado de la diferencia de temperatura entre la unión fría y caliente se puede medir fácilmente con un milivoltímetro. El mili-voltímetro está conectado a través de la pierna fría. La desviación es proporcional a la corriente que fluye en el circuito. Si la resistencia del medidor es Rm y la del circuito externo es Re, la corriente en el circuito I = E/(Rm+Re).

Para garantizar suficiente corriente para desviar el movimiento, la resistencia del medidor debe ser pequeña ya que la sensibilidad del termopar es bastante pequeña y producen un voltaje de salida de unos pocos mV/100 °C.

Compensación de plomo:

En muchas aplicaciones industriales, es deseable colocar la unión de referencia en un punto alejado de la unión de detección. Los cables de conexión de la cabeza del termopar al medidor son, por lo tanto, muy largos y no suelen estar a la misma temperatura en toda su longitud. Esto provoca un error, que se puede evitar utilizando cables de conexión hechos del mismo material que los cables del termopar. La implementación de este arreglo puede no ser posible debido al costo. En este caso, los materiales se eligen de modo que la relación entre la fem y la temperatura sea la misma o casi la misma que para los cables de termopar. Estos cables luego llamados Compensación de clientes potenciales.

Ventaja:

Las siguientes son las ventajas del termopar:

• Los termopares son más baratos que los RTD.
• Sigue los cambios de temperatura con un pequeño retraso de tiempo y, como tal, es adecuado para registrar cambios de temperatura comparativamente rápidos.
• Los termopares son muy convenientes para medir la temperatura en un punto particular de un aparato.

Desventaja:

• Tienen una menor precisión y, por lo tanto, no se pueden utilizar para trabajos de precisión.
• Para garantizar una larga vida útil de los termopares en su entorno operativo, deben protegerse en un tubo o pozo de protección de metal abierto o cerrado. Para evitar la contaminación del termopar, cuando se utilizan metales preciosos como el platino o sus aleaciones, el tubo/pozo de protección debe hacerse químicamente inerte y hermético al vacío.
• El termopar se coloca alejado del dispositivo de medición. Las conexiones se realizan por medio de cables llamados cables de extensión. La máxima precisión está asegurada cuando los cables de compensación son del mismo material que los cables del termopar. El circuito es, por lo tanto, muy complejo.

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