Explicaci贸n del termopar

<p>Este art铆culo describe la definici贸n, construcci贸n, principio de funcionamiento, selecci贸n de materiales, ventajas y desventajas de un termopar.

Índice de contenidos

Definici贸n:

El termopar es una combinaci贸n de dos tiras met谩licas diferentes unidas de tal manera que forman un bucle. Cuando las dos uniones se mantienen a diferentes temperaturas, hay una corriente el茅ctrica 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 uni贸n fr铆a y caliente. Tal combinaci贸n de dos metales se conoce popularmente como Termopar.

Termopar-definici贸n-qu茅-es-un-termopar

El termopar se utiliza como dispositivo de detecci贸n de temperatura en las industrias. Un sensor de termocupula es una versi贸n modificada en la que dos metales diferentes se unen en un extremo mientras que el otro extremo est谩 conectado a un dispositivo de lectura o un milivolt铆metro. Cuando la uni贸n se calienta o se enfr铆a, se produce una fem en el extremo abierto de los metales que es de magnitud muy peque帽a. Esta es la raz贸n por la que se conecta un milivolt铆metro para medir esta fem generada. La fem medida es directamente proporcional a la temperatura de la uni贸n y, por lo tanto, la temperatura se puede calibrar con la fem medida. El termopar es un transductor activo.

Construcci贸n:

Un termopar consta b谩sicamente de cables (llamados termoelementos), aislamiento, cubierta y medios para la conexi贸n externa. Un extremo del termoelemento compuesto por dos metales diferentes se suelda para formar una uni贸n. Esta uni贸n es, de hecho, el punto de medici贸n.

La siguiente figura muestra la construcci贸n del termopar.

construcci贸n-de-termopar

El termoelemento est谩 alojado en una vaina met谩lica r铆gida, generalmente de Inconel. La uni贸n de medici贸n se forma en la parte inferior de la carcasa. El relleno de 贸xido de magnesio rodea el termoelemento. Este relleno act煤a como un amortiguador y evita que el cable se da帽e por vibraciones. Tambi茅n act煤a como un medio de disipaci贸n de calor de uni贸n 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 consideraci贸n principal, se utilizan termopares desnudos o con revestimiento delgado. La sensibilidad del termopar se puede aumentar reduciendo la masa de la uni贸n de medici贸n. Un m茅todo para reducir la masa es soldar a tope los dos cables del termopar. En aplicaciones donde la resistencia mec谩nica de la soldadura a tope no es suficiente, los dos alambres se tuercen y los extremos se sueldan.

La uni贸n de medici贸n puede estar conectada a la vaina o no. Sobre la base de la conexi贸n del punto de uni贸n a la vaina, existen tres tipos diferentes de construcci贸n de termopar: Termopar sin conexi贸n a tierra, con conexi贸n a tierra y expuesto.

Termopar conectado a tierra:

En termopar conectado a tierra, la uni贸n est谩 conectada a la cubierta met谩lica. Este tipo de termopar se utiliza para medir la temperatura en ambientes corrosivos. Sin embargo, la medici贸n est谩 libre de ruido.

Termopar sin conexi贸n a tierra:

En un termopar sin conexi贸n a tierra, la uni贸n no est谩 conectada a la cubierta met谩lica. Es ampliamente utilizado en aplicaciones de alta presi贸n. La medici贸n est谩 libre del efecto del campo magn茅tico errante en este tipo de sensor.

Termopar expuesto:

El termopar expuesto tiene la respuesta m谩s r谩pida y, por lo tanto, se usa para aplicaciones que requieren una respuesta r谩pida. Se utiliza para medir la temperatura del gas. Pero el principal inconveniente es que el termoelemento es muy propenso a la corrosi贸n, ya que se deja expuesto y, por lo tanto, no se recomienda.

Selecci贸n de material de alambre de termopar:

En aplicaciones industriales, la elecci贸n de los materiales utilizados para construir un termopar depende del rango de temperatura a medir, el tipo de atm贸sfera a la que se expondr谩 el material, la fem de salida y su estabilidad, la resistencia mec谩nica y la precisi贸n requerida para la medici贸n. Los materiales de los termopares se dividen en dos categor铆as: tipo de metal raro que usa platino, rodio, etc. y tipo de metal base.

Varias combinaciones de metales dis铆miles constituyen un buen termopar para uso industrial. Estas combinaciones, adem谩s de tener una respuesta lineal y una alta sensibilidad, deben ser f铆sicamente fuertes para soportar altas temperaturas, cambios r谩pidos de temperatura y el efecto de la corrosi贸n y la atm贸sfera reductora.

El material para los tipos comunes de termopar se tabula a continuaci贸n.

Tipo de metal b谩sico

Cable positivo:CobrePlancharcromo
Cable negativo:Constant谩nConstant谩nConstant谩n
Temperatura. Rango (掳C):-250 a 400-200 a 850-200 a 850
Caracter铆sticas:

Resiste atm贸sferas oxidantes y reductoras hasta 350 掳C.

Requiere protecci贸n contra vapores 谩cidos.

Bajo costo. Se corroe en presencia de humedad, ox铆geno y gases que contienen azufre. Apto para atm贸sfera reductora.Apto para atm贸sferas oxidantes pero no para atm贸sferas reductoras.

Tipo de metal raro

Cable positivo:Platino 90% y Rodio 10%Tungsteno 95% y Renio 5%Fodio
Cable negativo:PlatinoTungsteno 72% y Renio 26%iridio
Temperatura. Rango (掳C):0 a 14000 a 26000 a 2100
Caracter铆sticas:Baja fem. Bueno para atm贸sferas oxidantes pero pobre para atm贸sferas reductoras.Solo para uso en atm贸sfera no oxidante.Baja fem. Bueno para atm贸sferas oxidantes pero pobre para atm贸sferas reductoras.

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 uni贸n y si se mantiene una diferencia de temperatura entre las uniones, se induce una fem en ella. Esta fem se llama fem termoel茅ctrica. Si la uni贸n forma un circuito cerrado, esta fem generar谩 una corriente a trav茅s 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 milivolt铆metro. Esto se muestra en la figura a continuaci贸n.

Trabajo de termopar

Dos tipos diferentes de alambres met谩licos A y B se unen en un extremo para formar una uni贸n. En esta uni贸n, la temperatura se mide y se llama uni贸n de detecci贸n. El otro extremo est谩 conectado a un milivolt铆metro para medir la fem E. La fem producida en un termopar viene dada por

E = a(螖茻) + b(螖茻)2

donde (螖茻) = diferencia entre la temperatura de la uni贸n caliente y la uni贸n de referencia en 掳C y a & b son constantes.

Dado que la fem termoel茅ctrica depende de la diferencia de temperatura entre la uni贸n caliente y la de referencia, la temperatura de esta 煤ltima debe permanecer absolutamente constante para que la calibraci贸n 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 uni贸n de referencia se controla para este prop贸sito. La uni贸n de referencia suele ser 0 掳C utilizando un ba帽o de hielo. Cabe se帽alar en este punto que la combinaci贸n 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.

Medici贸n de la salida del termopar:

La fem de salida de un termopar como resultado de la diferencia de temperatura entre la uni贸n fr铆a y caliente se puede medir f谩cilmente con un milivolt铆metro. El mili-volt铆metro est谩 conectado a trav茅s de la pierna fr铆a. La desviaci贸n 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 peque帽a ya que la sensibilidad del termopar es bastante peque帽a y producen un voltaje de salida de unos pocos mV/100 掳C.

Compensaci贸n de plomo:

En muchas aplicaciones industriales, es deseable colocar la uni贸n de referencia en un punto alejado de la uni贸n de detecci贸n. Los cables de conexi贸n 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 conexi贸n hechos del mismo material que los cables del termopar. La implementaci贸n de este arreglo puede no ser posible debido al costo. En este caso, los materiales se eligen de modo que la relaci贸n entre la fem y la temperatura sea la misma o casi la misma que para los cables de termopar. Estos cables luego llamados Compensaci贸n de clientes potenciales.

Ventaja:

Las siguientes son las ventajas del termopar:

  • Los termopares son m谩s baratos que los RTD.
  • Sigue los cambios de temperatura con un peque帽o retraso de tiempo y, como tal, es adecuado para registrar cambios de temperatura comparativamente r谩pidos.
  • Los termopares son muy convenientes para medir la temperatura en un punto particular de un aparato.

Desventaja:

  • Tienen una menor precisi贸n y, por lo tanto, no se pueden utilizar para trabajos de precisi贸n.
  • Para garantizar una larga vida 煤til de los termopares en su entorno operativo, deben protegerse en un tubo o pozo de protecci贸n de metal abierto o cerrado. Para evitar la contaminaci贸n del termopar, cuando se utilizan metales preciosos como el platino o sus aleaciones, el tubo/pozo de protecci贸n debe hacerse qu铆micamente inerte y herm茅tico al vac铆o.
  • El termopar se coloca alejado del dispositivo de medici贸n. Las conexiones se realizan por medio de cables llamados cables de extensi贸n. La m谩xima precisi贸n est谩 asegurada cuando los cables de compensaci贸n son del mismo material que los cables del termopar. El circuito es, por lo tanto, muy complejo.

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