Si eres curioso acerca de cómo funcionan los sistemas de medición de temperatura y cómo se logra la precisión, estás en el lugar indicado. En esta ocasión, nos adentraremos en el fascinante mundo de los termopares: pequeños pero poderosos dispositivos utilizados en diversas industrias para medir y controlar la temperatura. Descubre qué es un termopar, sus diferentes tipos y cómo funciona su principio de funcionamiento en este artículo imperdible.
¿Qué es un termopar?
Un termopar es un sensor de temperatura que funciona según el principio del efecto termoeléctrico. El efecto termoeléctrico convierte la diferencia de temperatura en un voltaje eléctrico.
Es un sensor de temperatura simple y resistente que mide una amplia gama de temperaturas en diversas aplicaciones industriales. Es uno de los elementos sensores más importantes que miden una amplia gama de temperaturas. En este artículo, discutiremos el principio de funcionamiento del termopar y sus tipos.
Principio de funcionamiento
Un termopar trabaja en el efecto seebeck que fue descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck.
El efecto Seebeck establece que «siempre que 2 metales diferentes forman 2 uniones, y cuando estas uniones están a diferentes temperaturas, la corriente comienza a fluir entre estas uniones y se desarrolla un voltaje entre estas uniones».
El voltaje producido por esto es muy pequeño, es decir, microvoltios. La dirección de la corriente es del extremo caliente al extremo frío.
Hay otros 2 principios relacionados con los termopares. Discutámoslos.
- Efecto Peltier: Cuando una corriente eléctrica pasa a través de 2 metales diferentes conectados en 2 uniones diferentes, se observa una diferencia de temperatura entre ellos”. Este efecto es el inversa del efecto Seebeck.
- Efecto Thompson: La evolución o absorción de calor cuando un corriente eléctrica pasa a través de un circuito compuesto de un solo material que tiene una temperatura diferencia a lo largo de su longitud
La unión fría debe estar a 0 ˚C para fines de medición.
Entonces, cada vez que 2 metales diferentes forman 2 uniones, y ambas uniones están a diferentes temperaturas, entonces la corriente comienza a fluir desde la unión caliente a la unión fría y se induce un EMF a través del extremo abierto o en la unión fría. Este EMF es proporcional a la diferencia de temperatura entre las 2 uniones.
A estas uniones las llamamos unión caliente y unión fría. Los otros nombres de la unión fría y caliente son unión de medición/detección y unión de referencia, respectivamente. Un término llamado compensación de unión fría es muy famoso cuando hablamos de termopares.
Tipos de termopares
Aquí discutiremos diferentes tipos de termopares con sus características. Los tipos de termopares más utilizados son: J, K, E y T. Podemos clasificar los termopares;
- Sobre la base de los tipos de materiales utilizados.
- Sobre la base de los tipos de uniones formadas
1. Sobre la base de los tipos de materiales utilizados
Veamos los metales utilizados en los diferentes termopares y también su respectivo código de colores. Los siguientes son los tipos de termopares en base a los tipos de materiales de termopar.
Termopar tipo K
Es el termopar más utilizado entre todos los tipos de termopares. Tiene el rango de temperatura más alto.
El terminal positivo del termopar Tipo K tiene aproximadamente un 90% de níquel y un 10% de cromo. El plomo negativo tiene aproximadamente 95% de níquel, 2% de aluminio, 2% de manganeso y 1% de silicio. El cable cultivado amarillo positivo tiene la propiedad no magnética, mientras que el cable cultivado rojo negativo tiene la propiedad magnética.
Los termopares tipo K pueden funcionar en el rango de temperatura de -190˚C a +1371˚C. Es económico y ampliamente utilizado en aplicaciones de propósito general donde la sensibilidad a la temperatura requiere aproximadamente 41 μV/˚C,
La precisión de los termopares tipo K es de ±2,2 C% (0,75%).
Termopar tipo T
Utilizamos este termopar para la medición de baja temperatura. El cable positivo está hecho de cobre y el cable negativo está hecho de una aleación de constantán (45 % de níquel y 55 % de cobre).
La sensibilidad del termopar tipo T es de 43 µV/°C. Este termopar puede trabajar en una atmósfera oxidante. El termopar tipo T funciona bien en el rango de temperatura de este termopar entre -270 °C y 350 °C.
Termopar tipo J
El termopar tipo J es más barato y el termopar más utilizado.
El cable positivo de color blanco está hecho de hierroy un cable cultivado rojo negativo está hecho de Constantán (45% níquel y 55% cobre).
El rango de temperatura del termopar tipo J es de -190 ˚C a 760 ˚C. Este rango de temperatura y la vida útil del termopar tipo J son menores que los del termopar tipo K. Sin embargo, un termopar tipo J es el más adecuado para las atmósferas oxidantes.
La precisión de los termopares tipo J es de ±2,2 ˚C. Este tipo de termopar no es adecuado para aplicaciones de baja temperatura. La sensibilidad del termopar es de aproximadamente 52 μV/˚C
Termopar tipo E
Este termopar es el más adecuado para temperaturas moderadas. En rangos de temperatura moderados, tiene mayor precisión en comparación con los termopares tipo K y J. Además, la estabilidad de los termopares tipo E es mejor que la del tipo K. Una característica muy importante del termopar tipo E es que produce la EMF más alta por ˚C que otros tipos de termopares.
La mina positiva de color púrpura está hecha de níquel-cromo (90 % de níquel y 10 % de cromo) y la mina negativa de color rojo está hecha de constantán (95 % de níquel, 2 % de aluminio, 2 % de manganeso y 1 % de silicio) .
El rango de temperatura de los termopares tipo E es de -190 ˚C a 1000 ˚C. , y su precisión estándar es de ±1,7˚C. Los termopares tipo E son los más adecuados cuando se requiere una alta precisión y una respuesta más rápida. No es adecuado para aplicaciones de vacío o con poco oxígeno y entornos sulfúricos. Es más costoso que los termopares tipo J y K.
Termopar tipo B
Materiales tipo B:
- Plomo positivo: 70 % platino y 30 % rodio
- Plomo negativo: 94 % platino y 6 % rodio.
Los termopares tipo B pueden medir la temperatura hasta 1800°C. Sin embargo, la sensibilidad de este termopar es menor en comparación con los termopares tipo R y S.
Termopar tipo N
El termopar tipo N fue diseñado por la Organización de Ciencia y Tecnología de Defensa (DSTO) de Australia, por Noel A. Burley. El rango de precisión y temperatura del termopar tipo N es similar al del termopar tipo K. La sensibilidad de los termopares tipo N es ligeramente menor que la de los termopares tipo K.
El termopar tipo N tiene elementos de Nicrosil y Nisil. El Nicrosil es una combinación de Níquel, Cromo y Silicio. mientras que el Nisil es una combinación de Níquel y Silicio. El termopar tipo N tiene Nicrosil como terminal positivo y Nisil como terminal negativo.
Este termopar es el más adecuado para su uso en vacío, atmósfera oxidante, atmósfera inerte o atmósfera seca.
Termopar tipo S
Los termopares tipo S son adecuados para aplicaciones de temperatura más alta. También podemos usarlo para aplicaciones de temperatura más baja debido a la alta precisión y estabilidad de los termopares tipo S. La composición material del plomo positivo es 90 % platino, 10 % rodio y el plomo negativo tiene platino.
Este tipo de termopar es el más adecuado para aquellas aplicaciones en las que la medición de alta temperatura necesita la máxima precisión. En las industrias farmacéutica y biotecnológica, los termopares tipo S se utilizan ampliamente.
Termopar tipo R
La composición del material de los termopares tipo R es casi similar a la del termopar tipo S. Sin embargo, el rango de salida y la estabilidad del termopar tipo R son ligeramente mayores que los del termopar tipo S.
El cable positivo del termopar tipo R tiene un 87 % de platino y un 13 % de rodio. Y el plomo negativo tiene Platino. El rango de temperatura de este termopar es de 0 °C a 1600 °C.
2. Tipos de termopares en función de la unión
Ahora basado en tipos de cruces, hay unión con conexión a tierra, unión sin conexión a tierra y termopar de unión expuesta. Vamos a verlos uno por uno.
Unión a tierra
A partir de la imagen que se muestra arriba, es claro que en un termopar del tipo de unión a tierra, la unión/punta del termopar estará físicamente unida a la pared de la sonda haciendo contacto directo con ella. Debido a este contacto directo, el calor se transferirá rápidamente a la unión/punta del termopar, lo que hará que la respuesta del termopar sea más rápida. Pero el inconveniente de este tipo de unión de termopar es que es susceptible al ruido inducido por los bucles de tierra.
Unión sin conexión a tierra
En un termopar del tipo de unión sin conexión a tierra, la unión/punta no estará en contacto físico con la pared de la sonda. Debido a este tipo de estructura, el calor no se transferirá rápidamente a la unión/punta, lo que hará que la respuesta sea un poco lenta. Pero la ventaja de este tipo de unión es que es muy inmune al ruido inducido por los bucles de tierra.
Unión expuesta
En un termopar del tipo de unión expuesta, la unión/punta estará expuesta directamente al medio. Esto conduce a una respuesta muy rápida del termopar. Este tipo de unión solo se puede usar donde no hay ruido y el sistema es inerte, lo que no dañará la unión/punta.
Cómo leer la tabla de termopar
Un gráfico de termopar tiene un gráfico de temperatura frente a milivoltios. Suponga que desea conocer los milivoltios a 296 ˚C y tiene un gráfico que se ve como se muestra a continuación. Simplemente seleccione su temperatura en el lugar de decenas/centenas/mil en el eje Y, es decir, 290 y en el eje X, seleccione la temperatura en el lugar de las unidades, es decir, 6 y en la unión de ambos, su milivoltio estará allí, es decir, milivoltio.
Compensación de unión fría
El Compensación de unión fría es muy importante para la medición precisa de la temperatura. Discutimos que la unión fría debe estar a 0˚C. Ahora, ¿qué pasa si no podemos lograr ˚C?
Supongamos que nuestra unión de referencia está a 25 ˚C, pero debería estar a 0 ˚C. Así que simplemente agregue milivoltios correspondientes a 25 ˚C, lo que lo compensará a 0 ˚C. Esto se conoce como compensación de unión fría.
Conductores de compensación y extensión
Los termopares a veces se usan con cables de extensión o de compensación. Ahora, ¿qué son la compensación y el cable de extensión y por qué los necesitamos?
Supongamos que un transmisor de temperatura está situado a una distancia a la que nuestros cables de termopar no llegarán, pero necesitamos conectarlo al transmisor de temperatura de todos modos.
Ahora usemos un cable y conéctelo entre el termopar y el transmisor de temperatura. ¿Funcionará? ¿Cuál será el problema?
¡Sí, tiene usted razón!
Nuevamente, se formarán más uniones y también se generará algo de voltaje allí y no obtendremos la temperatura exacta.
Conductores de compensación: metal con las mismas propiedades que el metal del termopar
Cables de extensión : El mismo tipo de metales que se utilizan en los termopares.
Propiedades únicas para diferentes termopares
Veamos algunas propiedades únicas para diferentes termopares.
Aplicaciones de termopar
Ahora veamos las aplicaciones prácticas de los termopares. Genera microvoltios y los entrega a un transmisor de temperatura que convierte la señal de microvoltios en una señal que se envía al sistema PLC/DCS/ESD para su posterior procesamiento. Las siguientes son las aplicaciones de varios tipos de termopares.
- Se utiliza para medir la temperatura en las industrias del acero y el hierro. Para este tipo de aplicación se utilizan termopares tipo B, S, R y K en el horno de arco eléctrico.
- Usamos el principio de un termopar para medir la intensidad de la radiación incidente. El instrumento se llama sensor de radiación de termopila.
- Los termopares se utilizan como sensor de temperatura en los termostatos para medir la temperatura de la oficina, las salas de exhibición y los hogares.
- El termopar se usa para medir la temperatura de la llama piloto, como en un calentador de agua.
- Los termopares se utilizan en todo tipo de industrias de proceso como cemento, acero, fertilizantes, productos farmacéuticos, etc.
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