Par termoeléctrico

Dispositivo eléctrico para medir la temperatura.

Termopar conectado a un multímetro que muestra la temperatura ambiente en °C

Un termopar , también conocido como "termómetro termoeléctrico", es un dispositivo eléctrico que consta de dos conductores eléctricos diferentes que forman una unión eléctrica . Un termopar produce un voltaje dependiente de la temperatura como resultado del efecto Seebeck , y este voltaje puede interpretarse para medir la temperatura . Los termopares se utilizan ampliamente como sensores de temperatura . ^[1]

Los termopares comerciales son económicos, ^[2] intercambiables, se suministran con conectores estándar y pueden medir una amplia gama de temperaturas. A diferencia de la mayoría de los otros métodos de medición de temperatura, los termopares son autoalimentados y no requieren ninguna forma externa de excitación. La principal limitación de los termopares es la precisión; Los errores del sistema de menos de un grado Celsius (°C) pueden ser difíciles de lograr. ^[3]

Los termopares se utilizan ampliamente en la ciencia y la industria. Las aplicaciones incluyen medición de temperatura para hornos , gases de escape de turbinas de gas , motores diésel y otros procesos industriales. Los termopares también se utilizan en hogares, oficinas y empresas como sensores de temperatura en termostatos y también como sensores de llama en dispositivos de seguridad para aparatos que funcionan con gas.

Principio de funcionamiento

En 1821, el físico alemán Thomas Johann Seebeck descubrió que una aguja magnética situada cerca de un circuito formado por dos metales diferentes se desviaba cuando se calentaba una de las uniones metálicas diferentes. En su momento, Seebeck denominó a esta consecuencia termomagnetismo. Más tarde se demostró que el campo magnético que observó se debía a una corriente termoeléctrica. En el uso práctico, lo que resulta interesante es el voltaje generado en una única unión de dos tipos diferentes de cable, ya que se puede utilizar para medir la temperatura a temperaturas muy altas y bajas. La magnitud del voltaje depende del tipo de cable que se utilice. Generalmente, el voltaje está en el rango de microvoltios y se debe tener cuidado para obtener una medición utilizable. Aunque fluye muy poca corriente, se puede generar energía mediante una única unión de termopar. La generación de energía utilizando múltiples termopares, como en una termopila , es común.

Termopar tipo K ( cromel – alumel ) en la configuración de medición de termopar estándar. El voltaje medido se puede utilizar para calcular la temperatura , siempre que se conozca la temperatura. ${\displaystyle \scriptstyle V}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$

La configuración estándar para el uso de termopar se muestra en la figura. Brevemente, la temperatura deseada T _sens se obtiene utilizando tres entradas: la función característica E ( T ) del termopar, el voltaje medido V y la temperatura de las uniones de referencia T _ref . La solución a la ecuación E ( T _sentido ) = V + E ( T _ref ) produce T _sentido . Estos detalles a menudo están ocultos para el usuario ya que el bloque de unión de referencia (con termómetro T _ref ), el voltímetro y el solucionador de ecuaciones se combinan en un solo producto.

efecto Seebeck

El efecto Seebeck se refiere al desarrollo de una fuerza electromotriz a través de dos puntos de un material conductor de electricidad cuando hay una diferencia de temperatura entre esos dos puntos. En condiciones de circuito abierto donde no hay flujo de corriente interno, el gradiente de voltaje ( ) es directamente proporcional al gradiente de temperatura ( ): ${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T}$

${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}V=-S(T){\boldsymbol {\nabla }}T,}$

donde es una propiedad del material dependiente de la temperatura conocida como coeficiente de Seebeck . ${\displaystyle S(T)}$

La configuración de medición estándar que se muestra en la figura muestra cuatro regiones de temperatura y, por tanto, cuatro contribuciones de voltaje:

1. Cambie de a , en el cable de cobre inferior. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
2. Cambie de a , en el alambre de alumel. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$
3. Cambiar de a , en el alambre de cromel. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
4. Cambie de a , en el cable de cobre superior. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$

Las contribuciones primera y cuarta se cancelan exactamente, porque estas regiones implican el mismo cambio de temperatura y un material idéntico. Como resultado, no influye en la tensión medida. Las aportaciones segunda y tercera no se cancelan, ya que se trata de materiales diferentes. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {meter} }}$

El voltaje medido resulta ser

${\displaystyle V=\int _{T_{\mathrm {ref} }}^{T_{\mathrm {sense} }}\left(S_{+}(T)-S_{-}(T)\right)\,dT,}$

donde y son los coeficientes de Seebeck de los conductores conectados a los terminales positivo y negativo del voltímetro, respectivamente (cromel y alumel en la figura). ${\displaystyle \scriptstyle S_{+}}$ ${\displaystyle \scriptstyle S_{-}}$

Función característica

El comportamiento del termopar es capturado por una función característica , que sólo necesita ser consultada con dos argumentos: ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

${\displaystyle V=E(T_{\mathrm {sense} })-E(T_{\mathrm {ref} }).}$

En términos de los coeficientes de Seebeck, la función característica está definida por

${\displaystyle E(T)=\int ^{T}S_{+}(T')-S_{-}(T')dT'+\mathrm {const} }$

La constante de integración en esta integral indefinida no tiene significado, pero convencionalmente se elige de manera que . ${\displaystyle \scriptstyle E(0\,{}^{\circ }{\rm {C}})=0}$

Los fabricantes de termopares y las organizaciones de estándares de metrología, como NIST, proporcionan tablas de la función que se han medido e interpolado en un rango de temperaturas, para tipos de termopares particulares (consulte la sección de enlaces externos para acceder a estas tablas). ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Unión de referencia

Bloque de conexiones de referencia dentro de un medidor de temperatura Fluke CNX t3000. Dos cables blancos se conectan a un termistor (integrado en un compuesto térmico blanco) para medir la temperatura de las uniones de referencia.

Para obtener la medida deseada de , no basta con medir . Es necesario conocer previamente la temperatura en las uniones frías . Aquí se suelen utilizar dos estrategias: ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle \scriptstyle V}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$

• Método "baño de hielo": El bloque de conexiones de referencia se sumerge en un baño semicongelado de agua destilada a presión atmosférica. La temperatura precisa de la transición de fase del punto de fusión actúa como un termostato natural , fijándose en 0 °C. ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {ref} }}$
• Sensor de unión de referencia (conocido como "compensación de unión fría "): Se permite que la temperatura del bloque de unión de referencia varíe, pero la temperatura se mide en este bloque usando un sensor de temperatura separado. Esta medición secundaria se usa para compensar la variación de temperatura en el bloque de unión. La unión de termopar es a menudo expuestos a ambientes extremos, mientras que la unión de referencia a menudo se monta cerca de la ubicación del instrumento. Los dispositivos de termómetro semiconductores se utilizan a menudo en instrumentos de termopar modernos.

En ambos casos se calcula el valor y luego la función busca un valor coincidente. El argumento donde se produce esta coincidencia es el valor de : ${\displaystyle \scriptstyle V+E(T_{\mathrm {ref} })}$ ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$ ${\displaystyle \scriptstyle T_{\mathrm {sense} }}$

${\displaystyle E(T_{\mathrm {sense} })=V+E(T_{\mathrm {ref} })}$.

Preocupaciones prácticas

Lo ideal es que los termopares sean dispositivos de medición muy simples, en los que cada tipo se caracterice por una curva precisa, independientemente de cualquier otro detalle. En realidad, los termopares se ven afectados por problemas como incertidumbres en la fabricación de aleaciones, efectos del envejecimiento y errores o malentendidos en el diseño de circuitos. ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Construcción de circuitos

Un error común en la construcción de termopares está relacionado con la compensación de la unión fría. Si se comete un error en la estimación de , aparecerá un error en la medición de la temperatura. Para las mediciones más simples, los cables del termopar se conectan a cobre lejos del punto caliente o frío cuya temperatura se mide; Entonces se supone que esta unión de referencia está a temperatura ambiente, pero esa temperatura puede variar. ^[4] Debido a la no linealidad en la curva de voltaje del termopar, los errores en y son generalmente valores desiguales. Algunos termopares, como los de tipo B, tienen una curva de voltaje relativamente plana cerca de la temperatura ambiente, lo que significa que una gran incertidumbre en la temperatura ambiente se traduce en solo un pequeño error en . ${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {ref} }}$ ${\displaystyle T_{\mathrm {sense} }}$

Las uniones deben realizarse de manera confiable, pero existen muchos enfoques posibles para lograrlo. Para bajas temperaturas, las uniones se pueden soldar o soldar; sin embargo, puede resultar difícil encontrar un fundente adecuado y éste puede no ser adecuado en la unión de detección debido al bajo punto de fusión de la soldadura. Por lo tanto, las uniones de referencia y de extensión se suelen realizar con bloques de terminales de tornillo . Para altas temperaturas, el enfoque más común es soldar por puntos o engarzar utilizando un material duradero. ^[5]

Un mito común con respecto a los termopares es que las uniones deben realizarse de manera limpia y sin involucrar un tercer metal, para evitar campos electromagnéticos agregados no deseados. ^[6] Esto puede resultar de otro malentendido común de que el voltaje se genera en la unión. ^[7] De hecho, las uniones deberían, en principio, tener una temperatura interna uniforme; por lo tanto, no se genera voltaje en la unión. El voltaje se genera en el gradiente térmico, a lo largo del cable.

Un termopar produce pequeñas señales, a menudo de magnitud microvoltios. Las mediciones precisas de esta señal requieren un amplificador con un voltaje de compensación de entrada bajo y con cuidado para evitar que los campos electromagnéticos térmicos se autocalienten dentro del voltímetro. Si el cable del termopar tiene una resistencia alta por alguna razón (mal contacto en las uniones o cables muy delgados utilizados para una respuesta térmica rápida), el instrumento de medición debe tener una impedancia de entrada alta para evitar una compensación en el voltaje medido. Una característica útil en la instrumentación de termopares medirá simultáneamente la resistencia y detectará conexiones defectuosas en el cableado o en las uniones de termopares.

Grados metalúrgicos

Si bien un tipo de cable de termopar a menudo se describe por su composición química, el objetivo real es producir un par de cables que sigan una curva estandarizada. ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Las impurezas afectan a cada lote de metal de manera diferente, produciendo coeficientes de Seebeck variables. Para igualar el comportamiento estándar, los fabricantes de alambres para termopares mezclarán deliberadamente impurezas adicionales para "dopar" la aleación, compensando las variaciones incontroladas en el material de origen. ^[5] Como resultado, existen grados estándar y especializados de alambre de termopar, dependiendo del nivel de precisión exigido en el comportamiento del termopar. Es posible que los grados de precisión solo estén disponibles en pares combinados, donde un cable se modifica para compensar las deficiencias en el otro cable.

Un caso especial de cable de termopar se conoce como "grado de extensión", diseñado para transportar el circuito termoeléctrico a lo largo de una distancia más larga. Los cables de extensión siguen la curva indicada pero, por diversas razones, no están diseñados para usarse en ambientes extremos y, por lo tanto, no se pueden usar en la unión de detección en algunas aplicaciones. Por ejemplo, un cable de extensión puede tener una forma diferente, como ser altamente flexible con construcción trenzada y aislamiento de plástico, o ser parte de un cable de varios hilos para transportar muchos circuitos de termopares. En el caso de los costosos termopares de metales nobles, los cables de extensión pueden incluso estar hechos de un material completamente diferente y más económico que imita el tipo estándar en un rango de temperatura reducido. ^[5] ${\displaystyle \scriptstyle E(T)}$

Envejecimiento

Los termopares se utilizan a menudo a altas temperaturas y en atmósferas de hornos reactivos. En este caso, la vida útil práctica está limitada por el envejecimiento del termopar. Los coeficientes termoeléctricos de los cables de un termopar que se utiliza para medir temperaturas muy altas pueden cambiar con el tiempo y, en consecuencia, la tensión de medición cae. La relación simple entre la diferencia de temperatura de las uniones y el voltaje de medición solo es correcta si cada cable es homogéneo (uniforme en composición). A medida que los termopares envejecen en un proceso, sus conductores pueden perder homogeneidad debido a cambios químicos y metalúrgicos causados ​​por la exposición extrema o prolongada a altas temperaturas. Si la sección envejecida del circuito del termopar se expone a un gradiente de temperatura, el voltaje medido diferirá, lo que provocará un error.

Los termopares envejecidos sólo se modifican parcialmente; por ejemplo, no verse afectado en las piezas exteriores al horno. Por esta razón, los termopares viejos no se pueden sacar de su ubicación instalada y recalibrarlos en un baño o en un horno de prueba para determinar el error. Esto también explica por qué a veces se puede observar un error cuando se retira parcialmente un termopar envejecido de un horno: cuando se retira el sensor, las secciones envejecidas pueden verse expuestas a mayores gradientes de temperatura de caliente a frío a medida que la sección envejecida ahora pasa a través del enfriador. área refractaria, contribuyendo a un error significativo en la medición. Del mismo modo, un termopar antiguo que se introduce más profundamente en el horno a veces puede proporcionar una lectura más precisa si, al ser empujado más dentro del horno, el gradiente de temperatura se produce solo en una sección nueva. ^[8]

Tipos

Ciertas combinaciones de aleaciones se han vuelto populares como estándares industriales. La selección de la combinación depende del costo, la disponibilidad, la conveniencia, el punto de fusión, las propiedades químicas, la estabilidad y el rendimiento. Los diferentes tipos son los más adecuados para diferentes aplicaciones. Por lo general, se seleccionan en función del rango de temperatura y la sensibilidad necesarios. Los termopares con sensibilidades bajas (tipos B, R y S) tienen resoluciones correspondientemente más bajas. Otros criterios de selección incluyen la inercia química del material del termopar y si es magnético o no. Los tipos de termopares estándar se enumeran a continuación con el electrodo positivo (suponiendo ) primero, seguido por el electrodo negativo. ${\displaystyle T_{\text{sense}}>T_{\text{ref}}}$

Termopares de aleación de níquel

Funciones características para termopares que alcanzan temperaturas intermedias, como las que cubren los termopares de aleación de níquel tipos E, J, K, M, N, T. También se muestran la aleación de metal noble tipo P y las combinaciones puras de metal noble oro-platino y platino-paladio.

Tipo E

El tipo E ( cromel – Constantan ) tiene un alto rendimiento (68 μV/°C), lo que lo hace muy adecuado para uso criogénico . Además, no es magnético. El rango amplio es de −270 °C a +740 °C y el rango estrecho es de −110 °C a +140 °C.

Tipo J

El tipo J ( hierro – Constantan ) tiene un rango más restringido (-40 °C a +750 °C) que el tipo K pero una mayor sensibilidad de aproximadamente 50 μV/°C. ^[2] El punto Curie del hierro (770 °C) ^[9] provoca un cambio suave en la característica, que determina el límite superior de temperatura. Tenga en cuenta que el tipo L europeo/alemán es una variante del tipo J, con una especificación diferente para la salida EMF (referencia DIN 43712:1985-01 ^[10] ).

Tipo K

El tipo K ( cromel – alumel ) es el termopar de uso general más común con una sensibilidad de aproximadamente 41 μV/°C. ^[11] Es económico y hay disponible una amplia variedad de sondas en su rango de −200 °C a +1350 °C (−330 °F a +2460 °F). El tipo K se especificó en una época en la que la metalurgia estaba menos avanzada que hoy y, en consecuencia, las características pueden variar considerablemente entre muestras. Uno de los metales constituyentes, el níquel , es magnético; Una característica de los termopares fabricados con material magnético es que sufren una desviación en la salida cuando el material alcanza su punto Curie , lo que ocurre para los termopares tipo K alrededor de los 185 °C. ^{[ cita necesaria ]}

Funcionan muy bien en atmósferas oxidantes. Sin embargo, si una atmósfera principalmente reductora (como hidrógeno con una pequeña cantidad de oxígeno) entra en contacto con los cables, el cromo de la aleación de cromel se oxida. Esto reduce la salida de fem y el termopar indica nivel bajo. Este fenómeno se conoce como podredumbre verde , debido al color de la aleación afectada. Aunque no siempre es distintivamente verde, el alambre de cromel desarrollará una piel plateada moteada y se volverá magnético. Una forma sencilla de comprobar este problema es ver si los dos cables son magnéticos (normalmente, el cromel no es magnético).

El hidrógeno de la atmósfera es la causa habitual de la podredumbre verde. A altas temperaturas, puede difundirse a través de metales sólidos o de un termopozo metálico intacto. Incluso una funda de óxido de magnesio que aísle el termopar no impedirá la entrada de hidrógeno. ^[12]

La podredumbre verde no se produce en atmósferas suficientemente ricas en oxígeno ni en atmósferas libres de oxígeno. Un termopozo sellado se puede llenar con gas inerte o se puede agregar un eliminador de oxígeno (por ejemplo, un alambre de titanio de sacrificio). Alternativamente, se puede introducir oxígeno adicional en el termopozo. Otra opción es utilizar un tipo de termopar diferente para atmósferas con poco oxígeno donde puede ocurrir pudrición verde; un termopar tipo N es una alternativa adecuada. ^{[13] [ ¿ fuente poco confiable? ]}

Tipo M

El tipo M (82%Ni/18% Mo –99,2%Ni/0,8% Co , en peso) se utiliza en hornos de vacío por las mismas razones que el tipo C (que se describe a continuación). La temperatura superior está limitada a 1400 °C. Se utiliza con menos frecuencia que otros tipos.

Tipo N

Los termopares tipo N ( Nicrosil – Nisil ) son adecuados para su uso entre −270 °C y +1300 °C, debido a su estabilidad y resistencia a la oxidación. La sensibilidad es de aproximadamente 39 μV/°C a 900 °C, ligeramente inferior en comparación con el tipo K.

Diseñados en la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO) de Australia, por Noel A. Burley, los termopares tipo N superan los tres principales tipos de características y causas de inestabilidad termoeléctrica en los materiales estándar de termoelementos de metal base: ^[14]

1. Una deriva gradual y generalmente acumulativa de los campos electromagnéticos térmicos tras una exposición prolongada a temperaturas elevadas. Esto se observa en todos los materiales termoelementos de metales base y se debe principalmente a cambios de composición provocados por la oxidación , la carburación o la irradiación de neutrones que pueden producir transmutación en entornos de reactores nucleares . En el caso de los termopares tipo K, los átomos de manganeso y aluminio del cable KN (negativo) migran al cable KP (positivo), lo que resulta en una reducción de escala debido a la contaminación química. Este efecto es acumulativo e irreversible.
2. Un cambio cíclico a corto plazo en los campos electromagnéticos térmicos al calentarse en el rango de temperatura de aproximadamente 250 a 650 °C, que ocurre en termopares de tipos K, J, T y E. Este tipo de inestabilidad de los campos electromagnéticos está asociada con cambios estructurales como los magnéticos. Orden de corto alcance en la composición metalúrgica.
3. Una perturbación independiente del tiempo en los campos electromagnéticos térmicos en rangos de temperatura específicos. Esto se debe a transformaciones magnéticas dependientes de la composición que perturban los campos electromagnéticos térmicos en termopares tipo K en el rango de aproximadamente 25 a 225 °C, y en tipo J por encima de 730 °C.

Las aleaciones de termopar Nicrosil y Nisil muestran una estabilidad termoeléctrica muy mejorada en relación con otras aleaciones de termopar de metal base estándar porque sus composiciones reducen sustancialmente las inestabilidades termoeléctricas descritas anteriormente. Esto se logra principalmente aumentando las concentraciones de los solutos de los componentes (cromo y silicio) en una base de níquel por encima de las requeridas para causar una transición de los modos de oxidación internos a externos, y seleccionando solutos (silicio y magnesio) que se oxidan preferentemente para formar una cadena de difusión. -películas de barrera y, por tanto, inhibidoras de la oxidación. ^[15]

Los termopares tipo N son una alternativa adecuada al tipo K para condiciones de bajo oxígeno donde el tipo K es propenso a la pudrición verde. Son adecuados para su uso en vacío, atmósferas inertes, atmósferas oxidantes o atmósferas reductoras secas. No toleran la presencia de azufre. ^[dieciséis]

Tipo T

Los termopares tipo T ( cobre – Constantan ) son adecuados para mediciones en el rango de −200 a 350 °C. A menudo se utiliza como medición diferencial, ya que solo el cable de cobre toca las sondas. Dado que ambos conductores no son magnéticos, no hay punto de Curie y, por tanto, no hay cambios bruscos en las características. Los termopares tipo T tienen una sensibilidad de aproximadamente 43 μV/°C. Tenga en cuenta que el cobre tiene una conductividad térmica mucho mayor que las aleaciones generalmente utilizadas en las construcciones de termopares, por lo que es necesario tener especial cuidado con los termopares tipo T con anclaje térmico. Una composición similar se encuentra en el obsoleto Tipo U de la especificación alemana DIN 43712:1985-01. ^[10]

Termopares de aleación de platino/rodio

Funciones características para tipos de termopares de alta temperatura, que muestran termopares de aleación Pt/Rh, W/Re, Pt/Mo y Ir/Rh. También se muestra el termopar de metal puro Pt-Pd.

Los termopares tipos B, R y S utilizan platino o una aleación de platino/ rodio para cada conductor. Estos se encuentran entre los termopares más estables, pero tienen una sensibilidad menor que otros tipos, aproximadamente 10 μV/°C. Los termopares tipo B, R y S generalmente se usan solo para mediciones de alta temperatura debido a su alto costo y baja sensibilidad. Para los termopares tipo R y S, se puede utilizar alambre de platino HTX en lugar de la pata de platino puro para fortalecer el termopar y evitar fallas por crecimiento de grano que pueden ocurrir en condiciones difíciles y de alta temperatura.

Tipo B

Los termopares tipo B (70%Pt/30%Rh–94%Pt/6%Rh, en peso) son adecuados para uso hasta 1800 °C. Los termopares tipo B producen la misma salida a 0 °C y 42 °C, lo que limita su uso por debajo de aproximadamente 50 °C. La función fem tiene un mínimo de alrededor de 21 °C, lo que significa que la compensación de unión fría se realiza fácilmente, ya que el voltaje de compensación es esencialmente constante para una referencia a temperaturas ambiente típicas. ^[17]

Tipo R

Los termopares tipo R (87%Pt/13%Rh–Pt, en peso) se utilizan de 0 a 1600 °C. Los termopares tipo R son bastante estables y capaces de tener una vida útil prolongada cuando se utilizan en condiciones limpias y favorables. Cuando se utilizan por encima de 1100 °C (2000 °F), estos termopares deben protegerse de la exposición a vapores metálicos y no metálicos. El tipo R no es adecuado para la inserción directa en tubos protectores metálicos. La exposición prolongada a altas temperaturas provoca el crecimiento del grano, lo que puede provocar fallos mecánicos y una desviación negativa de la calibración causada por la difusión del rodio en la rama de platino puro, así como por la volatilización del rodio. Este tipo tiene los mismos usos que el tipo S, pero no es intercambiable con él.

Tipo S

Los termopares tipo S (90%Pt/10%Rh–Pt, en peso), similares al tipo R, se utilizan hasta 1600 °C. Antes de la introducción de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), los termopares de precisión tipo S se utilizaban como termómetros estándar prácticos para el rango de 630 °C a 1064 °C, basándose en una interpolación entre los puntos de congelación del antimonio. , plata y oro . A partir del ITS-90, las termorresistencias de platino han adoptado esta gama como termómetros estándar. ^[18]

Termopares de aleación de tungsteno/renio

Estos termopares son ideales para medir temperaturas extremadamente altas. Los usos típicos son hidrógeno y atmósferas inertes, así como hornos de vacío . No se utilizan en ambientes oxidantes a altas temperaturas debido a su fragilización . ^[19] Un rango típico es de 0 a 2315 °C, que puede ampliarse a 2760 °C en atmósfera inerte y a 3000 °C para mediciones breves. ^[20]

El tungsteno puro a altas temperaturas sufre recristalización y se vuelve quebradizo. Por lo tanto, en algunas aplicaciones se prefieren los tipos C y D al tipo G.

En presencia de vapor de agua a alta temperatura, el tungsteno reacciona para formar óxido de tungsteno (VI) , que se volatiliza, e hidrógeno. Luego, el hidrógeno reacciona con el óxido de tungsteno, tras lo cual se forma nuevamente agua. Un "ciclo del agua" de este tipo puede provocar la erosión del termopar y un eventual fallo. Por tanto, en aplicaciones de vacío a alta temperatura, es deseable evitar la presencia de trazas de agua. ^[21]

Una alternativa al tungsteno/ renio es el tungsteno/ molibdeno , pero la respuesta voltaje-temperatura es más débil y tiene un mínimo de alrededor de 1000 K.

La temperatura del termopar también está limitada por otros materiales utilizados. Por ejemplo , el óxido de berilio , un material popular para aplicaciones de alta temperatura, tiende a ganar conductividad con la temperatura; En una configuración particular del sensor, la resistencia del aislamiento caía de un megaohmio a 1000 K a 200 ohmios a 2200 K. A altas temperaturas, los materiales sufren una reacción química. A 2700 K, el óxido de berilio reacciona ligeramente con el tungsteno, la aleación de tungsteno-renio y el tantalio; a 2600 K el molibdeno reacciona con el BeO, el tungsteno no reacciona. El BeO comienza a fundirse aproximadamente a 2820 K, el óxido de magnesio aproximadamente a 3020 K. ^[22]

Tipo C

(95%W/5%Re–74%W/26%Re, en peso) ^[19] la temperatura máxima que se medirá mediante un termopar tipo c es 2329 °C.

Tipo D

(97%W/3%Re–75%W/25%Re, en peso) ^[19]

Tipo G

(W–74%W/26%Re, en peso) ^[19]

Otros

Termopares cromel-oro/aleación de hierro

Características del termopar a bajas temperaturas. El termopar basado en AuFe muestra una sensibilidad constante hasta las bajas temperaturas, mientras que los tipos convencionales pronto se aplanan y pierden sensibilidad a bajas temperaturas.

En estos termopares ( cromel – aleación de oro / hierro ), el cable negativo es oro con una pequeña fracción (0,03–0,15 por ciento de átomos) de hierro. El alambre de oro impuro le da al termopar una alta sensibilidad a bajas temperaturas (en comparación con otros termopares a esa temperatura), mientras que el alambre de cromel mantiene la sensibilidad cerca de la temperatura ambiente. Puede utilizarse para aplicaciones criogénicas (1,2–300 K e incluso hasta 600 K). Tanto la sensibilidad como el rango de temperatura dependen de la concentración de hierro. La sensibilidad suele ser de alrededor de 15 μV/K a bajas temperaturas, y la temperatura más baja utilizable varía entre 1,2 y 4,2 K.

Tipo P (aleación de metales nobles) o "Platinel II"

Los termopares tipo P (55% Pd /31%Pt/14%Au–65%Au/35%Pd, en peso) proporcionan un voltaje termoeléctrico que imita el tipo K en el rango de 500 °C a 1400 °C, sin embargo, son Está construido exclusivamente con metales nobles y, por lo tanto, muestra una mayor resistencia a la corrosión. Esta combinación también se conoce como Platinel II. ^[23]

Termopares de aleación de platino/molibdeno

Los termopares de aleación de platino/molibdeno (95%Pt/5%Mo–99,9%Pt/0,1%Mo, en peso) se utilizan a veces en reactores nucleares, ya que muestran una baja deriva de la transmutación nuclear inducida por la irradiación de neutrones, en comparación con los tipos de aleación de platino/rodio. ^[24]

Termopares de aleación de iridio/rodio

El uso de dos alambres de aleaciones de iridio / rodio puede proporcionar un termopar que puede usarse hasta aproximadamente 2000 °C en atmósferas inertes. ^[24]

Termopares de metales nobles puros Au–Pt, Pt–Pd

Los termopares fabricados a partir de dos metales nobles diferentes y de alta pureza pueden mostrar una alta precisión incluso cuando no están calibrados, así como bajos niveles de deriva. Dos combinaciones en uso son oro-platino y platino-paladio. ^[25] Sus principales limitaciones son los bajos puntos de fusión de los metales involucrados (1064 °C para el oro y 1555 °C para el paladio). Estos termopares tienden a ser más precisos que los del tipo S y, debido a su economía y simplicidad, incluso se consideran alternativas competitivas a los termómetros de resistencia de platino que normalmente se utilizan como termómetros estándar. ^[26]

Termopares HTIR-TC (resistentes a la irradiación de alta temperatura)

HTIR-TC ofrece un gran avance en la medición de procesos de alta temperatura. Sus características son: durable y confiable a altas temperaturas, hasta al menos 1700 °C; resistente a la irradiación; moderadamente valorado; disponible en una variedad de configuraciones - adaptable a cada aplicación; Fácil de instalar. HTIR-TC, desarrollado originalmente para su uso en reactores de pruebas nucleares, puede mejorar la seguridad de las operaciones en futuros reactores. Este termopar fue desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho (INL). ^{[27] [28]}

Comparación de tipos

La siguiente tabla describe las propiedades de varios tipos diferentes de termopares. Dentro de las columnas de tolerancia, T representa la temperatura de la unión caliente, en grados Celsius. Por ejemplo, un termopar con una tolerancia de ±0,0025× T tendría una tolerancia de ±2,5 °C a 1000 °C. Cada celda en las columnas del Código de color representa el extremo de un cable de termopar, mostrando el color de la cubierta y el color de los cables individuales. El color de fondo representa el color del cuerpo del conector.

Aislamiento termopar

Termopar tipo K típico de bajo costo (con conector tipo K estándar ). Si bien los cables pueden sobrevivir y funcionar a altas temperaturas, el aislamiento plástico comenzará a deteriorarse a 300 °C.

Aislamiento de cables

Los cables que forman el termopar deben estar aislados entre sí en todas partes, excepto en la unión de detección. Cualquier contacto eléctrico adicional entre los cables, o contacto de un cable con otros objetos conductores, puede modificar el voltaje y dar una lectura falsa de temperatura.

Los plásticos son aislantes adecuados para partes de un termopar a bajas temperaturas, mientras que el aislamiento cerámico se puede utilizar hasta alrededor de 1000 °C. Otras preocupaciones (abrasión y resistencia química) también afectan la idoneidad de los materiales.

Cuando el aislamiento del cable se desintegra, puede resultar en un contacto eléctrico no deseado en una ubicación diferente al punto de detección deseado. Si se utiliza un termopar dañado en el control de circuito cerrado de un termostato u otro controlador de temperatura , esto puede provocar un evento de sobrecalentamiento descontrolado y posiblemente daños graves, ya que la lectura de temperatura falsa generalmente será más baja que la temperatura de la unión de detección. Un aislamiento defectuoso también suele producir desgasificación , lo que puede provocar contaminación del proceso. Para piezas de termopares utilizadas a temperaturas muy altas o en aplicaciones sensibles a la contaminación, el único aislamiento adecuado puede ser el vacío o el gas inerte ; la rigidez mecánica de los cables del termopar se utiliza para mantenerlos separados.

Tabla de materiales aislantes.

Las clasificaciones de temperatura para los aislamientos pueden variar según en qué consiste el cable de construcción general del termopar.

Nota: T300 es un nuevo material de alta temperatura que fue aprobado recientemente por UL para temperaturas de funcionamiento de 300 °C.

Aplicaciones

Los termopares son adecuados para medir en un amplio rango de temperaturas, desde −270 hasta 3000 °C (durante un corto período de tiempo, en atmósfera inerte). ^[20] Las aplicaciones incluyen medición de temperatura para hornos , gases de escape de turbinas de gas , motores diésel , otros procesos industriales y máquinas de humo . Son menos adecuados para aplicaciones en las que es necesario medir diferencias de temperatura más pequeñas con alta precisión, por ejemplo, el rango de 0 a 100 °C con una precisión de 0,1 °C. Para tales aplicaciones son más adecuados los termistores , los sensores de temperatura de banda prohibida de silicio y los termómetros de resistencia .

Industria metalúrgica

Los termopares tipo B, S, R y K se utilizan ampliamente en las industrias del acero y el hierro para monitorear las temperaturas y la química durante todo el proceso de fabricación del acero. Los termopares tipo S sumergibles y desechables se utilizan regularmente en el proceso de horno de arco eléctrico para medir con precisión la temperatura del acero antes del roscado. La curva de enfriamiento de una pequeña muestra de acero se puede analizar y utilizar para estimar el contenido de carbono del acero fundido.

Seguridad de los aparatos de gas

Un termopar (el tubo más a la derecha) dentro del conjunto del quemador de un calentador de agua

Conexión de termopar en aparatos de gas. La bola terminal (contacto) de la izquierda está aislada del conector mediante una arandela aislante . La línea de termopar consta de un cable de cobre, un aislante y una funda metálica exterior (normalmente cobre) que también se utiliza como tierra . ^[30]

Muchos aparatos de calefacción alimentados por gas , como hornos y calentadores de agua, utilizan una llama piloto para encender el quemador de gas principal cuando es necesario. Si se apaga la llama piloto, se pueden liberar gases no quemados, lo que supone un riesgo de explosión y un peligro para la salud. Para evitar esto, algunos electrodomésticos utilizan un termopar en un circuito a prueba de fallas para detectar cuando la luz piloto está encendida. La punta del termopar se coloca en la llama piloto, generando un voltaje que opera la válvula de suministro que alimenta gas al piloto. Mientras la llama piloto permanezca encendida, el termopar permanecerá caliente y la válvula de gas piloto se mantendrá abierta. Si la luz piloto se apaga, la temperatura del termopar cae, lo que hace que el voltaje a través del termopar caiga y la válvula se cierre.

Cuando la sonda se puede colocar fácilmente sobre la llama, a menudo se puede utilizar un sensor rectificador . Con una construcción parcialmente cerámica, también pueden denominarse varillas de llama, sensores de llama o electrodos de detección de llama.

Encendedor de llama (arriba) y sensor de llama

Algunas válvulas combinadas de gas piloto y quemador principal (principalmente de Honeywell ) reducen la demanda de energía dentro del rango de un único termopar universal calentado por un piloto (circuito abierto de 25 mV que se reduce a la mitad con la bobina conectada a un cable de 10 a 12 mV, 0,2 –0,25 A, normalmente) dimensionando la bobina para poder mantener la válvula abierta contra un resorte ligero, pero solo después de que el usuario proporcione la fuerza de encendido inicial presionando y sosteniendo una perilla para comprimir el resorte durante el encendido de El piloto. Estos sistemas se identifican por "presionar y mantener presionado durante x minutos" en las instrucciones de encendido del piloto. (El requisito de corriente de mantenimiento de una válvula de este tipo es mucho menor que el que requeriría un solenoide más grande diseñado para tirar de la válvula desde una posición cerrada). Se fabrican equipos de prueba especiales para confirmar las corrientes de apertura y mantenimiento de la válvula, porque un miliamperímetro ordinario No se puede utilizar ya que introduce más resistencia que la bobina de la válvula de gas. Además de probar el voltaje del circuito abierto del termopar y la continuidad de CC casi en cortocircuito a través de la bobina de la válvula de gas del termopar, la prueba más sencilla para un no especialista es la sustitución de una válvula de gas que se sabe que está en buen estado.

Algunos sistemas, conocidos como sistemas de control de milivoltios, amplían el concepto de termopar para abrir y cerrar también la válvula de gas principal. El voltaje creado por el termopar piloto no solo activa la válvula de gas piloto, sino que también pasa a través de un termostato para alimentar la válvula de gas principal. Aquí, se necesita un voltaje mayor que en un sistema de seguridad de llama piloto descrito anteriormente, y se utiliza una termopila en lugar de un solo termopar. Un sistema de este tipo no requiere ninguna fuente externa de electricidad para su funcionamiento y, por lo tanto, puede funcionar durante un corte de energía, siempre que todos los demás componentes relacionados del sistema lo permitan. Esto excluye los hornos de aire forzado comunes porque se requiere energía eléctrica externa para operar el motor del ventilador, pero esta característica es especialmente útil para calentadores de convección sin energía . A veces se emplea un mecanismo de seguridad de cierre de gas similar que utiliza un termopar para garantizar que el quemador principal se encienda dentro de un período de tiempo determinado, cerrando la válvula de suministro de gas del quemador principal si eso no sucede.

Debido a la preocupación por el desperdicio de energía por la llama piloto permanente, los diseñadores de muchos electrodomésticos más nuevos han cambiado a un encendido sin piloto controlado electrónicamente, también llamado encendido intermitente. Sin una llama piloto fija, no hay riesgo de acumulación de gas si la llama se apaga, por lo que estos aparatos no necesitan interruptores de seguridad piloto basados ​​en termopares. Como estos diseños pierden el beneficio de funcionar sin una fuente continua de electricidad, en algunos aparatos todavía se utilizan pilotos permanentes. La excepción son los modelos posteriores de calentadores de agua instantáneos (también conocidos como "sin tanque") que utilizan el flujo de agua para generar la corriente necesaria para encender el quemador de gas; Estos diseños también utilizan un termopar como dispositivo de corte de seguridad en caso de que el gas no se encienda o si la llama se extinga.

Sensores de radiación termopila

Las termopilas se utilizan para medir la intensidad de la radiación incidente, normalmente luz visible o infrarroja, que calienta las uniones calientes, mientras que las uniones frías están sobre un disipador de calor. Es posible medir intensidades radiativas de sólo unos pocos μW/cm ² con sensores de termopila disponibles comercialmente. Por ejemplo, algunos medidores de potencia láser se basan en dichos sensores; Estos se conocen específicamente como sensores láser de termopila .

El principio de funcionamiento de un sensor de termopila es distinto del de un bolómetro , ya que este último se basa en un cambio de resistencia.

Fabricación

Los termopares generalmente se pueden utilizar en la prueba de prototipos de aparatos eléctricos y mecánicos. Por ejemplo, el tablero bajo prueba para determinar su capacidad de carga de corriente puede tener termopares instalados y monitoreados durante una prueba de funcionamiento en caliente, para confirmar que el aumento de temperatura a la corriente nominal no excede los límites diseñados.

Producción de energía

Un termopar puede producir corriente para impulsar algunos procesos directamente, sin la necesidad de circuitos ni fuentes de energía adicionales. Por ejemplo, la energía de un termopar puede activar una válvula cuando surge una diferencia de temperatura. La energía eléctrica generada por un termopar se convierte a partir del calor que se debe suministrar al lado caliente para mantener el potencial eléctrico. Es necesaria una transferencia continua de calor porque la corriente que fluye a través del termopar tiende a hacer que el lado caliente se enfríe y el lado frío se caliente (efecto Peltier ).

Los termopares se pueden conectar en serie para formar una termopila , donde todas las uniones calientes están expuestas a una temperatura más alta y todas las uniones frías a una temperatura más baja. La salida es la suma de los voltajes a través de las uniones individuales, lo que genera mayor voltaje y potencia de salida. En un generador termoeléctrico de radioisótopos , la desintegración radiactiva de elementos transuránicos como fuente de calor se ha utilizado para impulsar naves espaciales en misiones demasiado alejadas del Sol como para utilizar energía solar.

Se utilizaron termopilas calentadas con lámparas de queroseno para hacer funcionar receptores de radio sin baterías en zonas aisladas. ^[31] Hay linternas producidas comercialmente que utilizan el calor de una vela para hacer funcionar varios diodos emisores de luz, y ventiladores termoeléctricos para mejorar la circulación del aire y la distribución del calor en las estufas de leña .

Plantas de proceso

La producción química y las refinerías de petróleo generalmente emplean computadoras para registrar y probar los límites de las numerosas temperaturas asociadas con un proceso, que generalmente ascienden a cientos. En tales casos, se llevarán varios cables de termopar a un bloque de referencia común (un bloque grande de cobre) que contiene el segundo termopar de cada circuito. La temperatura del bloque a su vez se mide mediante un termistor . Se utilizan cálculos simples para determinar la temperatura en cada ubicación medida.

Termopar como vacuómetro

Se puede utilizar un termopar como vacuómetro en el rango de aproximadamente 0,001 a 1 torr de presión absoluta. En este rango de presión, el recorrido libre medio del gas es comparable a las dimensiones de la cámara de vacío y el régimen de flujo no es ni puramente viscoso ni puramente molecular . ^[32] En esta configuración, la unión del termopar está unida al centro de un cable calefactor corto, que generalmente se energiza mediante una corriente constante de aproximadamente 5 mA, y el calor se elimina a una velocidad relacionada con la conductividad térmica del gas. .

La temperatura detectada en la unión del termopar depende de la conductividad térmica del gas circundante, que depende de la presión del gas. La diferencia de potencial medida por un termopar es proporcional al cuadrado de la presión en el rango de vacío bajo a medio . A presiones más altas (flujo viscoso) y más bajas (flujo molecular), la conductividad térmica del aire o de cualquier otro gas es esencialmente independiente de la presión. Voege utilizó por primera vez el termopar como vacuómetro en 1906. ^[33] El modelo matemático para el termopar como vacuómetro es bastante complicado, como lo explica en detalle Van Atta, ^[34] pero se puede simplificar a:

${\displaystyle P={\frac {B(V^{2}-V_{0}^{2})}{V_{0}^{2}}},}$

donde P es la presión del gas, B es una constante que depende de la temperatura del termopar, la composición del gas y la geometría de la cámara de vacío, V ₀ es el voltaje del termopar a presión cero (absoluta) y V es el voltaje indicado por el termopar .

La alternativa es el manómetro Pirani , que funciona de manera similar, aproximadamente en el mismo rango de presión, pero es solo un dispositivo de 2 terminales, que detecta el cambio en la resistencia con la temperatura de un alambre delgado calentado eléctricamente, en lugar de usar un termopar.

Ver también

• Sensor de flujo de calor
• Bolómetro
• Giuseppe Domenico Botto
• termistor
• Energía termoeléctrica
• Lista de sensores
• Escala Internacional de Temperatura de 1990
• Bimetálico (mecánico)

Referencias

1. "Sensores de temperatura de termopar". Temperaturas.com . Archivado desde el original el 16 de febrero de 2008 . Consultado el 4 de noviembre de 2007 .
2. Ramsden, Ed (1 de septiembre de 2000). "Medición de temperatura". Sensores . Archivado desde el original el 22 de marzo de 2010 . Consultado el 19 de febrero de 2010 .
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33. Voege, W. (1906) Physik Zeit. , 7 : 498.
34. Van Atta, CM (1965) Ciencia e ingeniería del vacío , McGraw-Hill Book Co. págs.

enlaces externos

• Principio de funcionamiento del termopar - Universidad de Cambridge
• Deriva del termopar - Universidad de Cambridge
• Dos formas de medir la temperatura mediante termopares

Tablas de datos de termopares:

• Tablas de texto: Base de datos de termopares NIST ITS-90 (B,E,J,K,N,R,S,T)
• Tablas PDF: JKTENRSB
• Paquete de Python termopares_referencia que contiene curvas características de muchos tipos de termopares.
• Paquete R [2] Medición de temperatura con termopares, sensores RTD e IC.
• Tabla de datos: tamaños de cables de termopar