Los termopares son sensores activos de tipo analógico basados en el efecto Seebeck. Dicho efecto consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos piezas de distintos metales unidas o soldadas por un extremo, cuando éste se calienta (unión caliente) y se mantienen los otros dos extremos a una misma temperatura inferior (unión fría), como se muestra en la figura 4.125. Metal "A"
Unión Fría
Circulación de corriente
Unión caliente
Metal "B"
I c Figura 4.125. Principio de funcionamiento de una termocupla
La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de t emperaturas entre la unión fría y la unión caliente:
E = f T c − T f Para ciertos materiales existe una relación bastante lineal entre la diferencia de temperaturas y la f.e.m. generada, siendo, por tanto, muy adecuados como transductores. Sin embargo, para recoger esta f.e.m. se deberán conectar los extremos fríos a conductores de cobre u otro metal y por el mismo efecto aparecerán unas f.e.m. de contacto, que sólo se compensarán en el caso de que ambas uniones frías se mant engan a idéntica temperatura. Por otro lado, para que la tensión de salida sea proporcional a la temperatura en la unión caliente, debe mantenerse constante la temperatura de las uniones frías, o compensarse la f.e.m. a que darían lugar sus variaciones mediante un circuito adicional. Si se requiere una buena precisión, se prefiere generalmente compensar las variaciones de temperatura en la unión fría, aunque esto requiere un sensor adicional, que suele ser una NTC (termorresistencia). (termorresis tencia). Para la construcción de termocuplas se han utilizado numerosas combinaciones de metales disímiles algunas de las cuales se han generalizado. La mayoría de esas combinaciones tienen asignadas letras según un código adoptado por el Instituto Norteamericano de Normas (ANSI) en base a una norma de la Sociedad de Instrumentos de Estados Unidos (ISA), habiéndose publicado límites de error para, las calibraciones correspondientes a cada tipo. Las calibraciones comunes están consignadas en la Tabla 4.4, con los datos de aplicación de cada tipo. Las mencionadas calibraciones de termocupla son mantenidas mediante un adecuado control de fabricación de cada uno de los termoelementos, preservándose constantemente la mayor homogeneidad de los mismos; todos los alambres deben ser adecuadamente recocidos o templados. Código de calibración ANSI
Ramal Positivo
Ramal negativo
Rango útil de temperatura en ºC de TC protegida (*)
Tipo J
Hierro
Constantán
0 → 760 0,057 mV
Tipo K
Cromel
Alumel
0 → 1.260 0,041 mV
Tipo T
Cobre
Constantán
º C
(
º C )
-184 → +371
Adecuada para vacío, atmósferas reductoras o inertes, atmósferas oxidantes con corta duración. El hierro se oxida rápidamente por encima de 538° C, de manera que sólo se recomienda alambre grueso para alta temperatura. Los elementos desnudos no deben ser expuestos a atmósferas sulfurosas por encima de 538° C. Recomendada para atmósferas continuamente oxidantes o neutras. Utilizada mayormente por encima de 530° C. Susceptible de fallas si se expone a azufre. La oxidación preferencial del cromo en el ramal positivo a determinadas concentraciones reducidas de oxígeno ocasiona moho y la desviación negativa grande se torna más seria en el rango de 816 a 1038 °C. Esto puede prevenirse con ventilación o sellado inerte del tubo protector Utilizable en atmósferas oxidantes, reductoras o inertes, así como en vacíos. No es susceptible de corrosión en atmósferas húmedas. Se han publicado límites de error para rangos de
Código de calibración ANSI
Ramal Positivo
Ramal negativo
Rango útil de temperatura en ºC de TC protegida (*)
temperaturas inferiores a cero. Recomendada para atmósferas continuamente 0 → 871 oxidantes o inertes. No se han establecido límites Tipo E Cromel de error para temperaturas inferiores a cero. 0,075 mV º C Tiene la salida termoeléctrica más elevada de las termocuplas comunes. Recomendada para alta temperatura. Debe ser protegida con tubo no metálico y aisladores Platino – cerámicos. El empleo continuo a alta 13% Rodio Tipo R Platino 538 → 1.482 temperatura provoca crecimiento de grano que puede desembocar en falla mecánica. Desviación 0,012 mV º C negativa de calibración causada por la difusión Platino – Tipo S Platino del rodio al ramal puro así como por 10% Rodio volatilización de rodio. El tipo “R” se utiliza en la industria; el tipo “S” en el laboratorio. Los mismos comentarios generales que sobre los tipos R y S. El tipo B es menos susceptible de Platino – Platino – 6% Tipo B crecimiento de grano y desviación de → 1.705 871 30% Rodio Rodio calibración. La salida es inferior a la de los tipos R y S. Tungsteno – Tungsteno – Para aplicaciones a temperaturas muy elevadas Ninguna 0 → 2.315 26% Renio 26% Renio en ambientes inertes o vacío. Combinación de metal noble que se aproxima a la curva del tipo K pero que tiene mucha mayor Ninguna Platinel 5355 Platinel 0 → 1.260 resistencia a la oxidación. Debe ser tratada como cualquier termocupla de metal noble. (*) El Rango útil de Temperatura es el rango para el cual se han establecido límites de error.
(
)
Tabla 4.4 – Calibraciones de termocuplas.
Para reducir los costos en el caso que se requieran termocuplas de gran extensión, especialmente cuando se emplean metales nobles, se utilizan prolongaciones que se extienden desde la junta de referencia de la termocupla hasta el instrumento (ver figura 4.126). Para los calibres de metales básicos, el cable de extensión es nominalmente de la misma composición que el material de la termocupla propiamente dicha. Unión de referencia
I c Circulación de corriente
Metal "A"
Unión caliente
Cable de compensación
I c
Metal "B"
Figura 4.126 Entensión de cable para instrumentops lejanos.
Hay un límite para la temperatura máxima a la que puede ser expuesto el empalme entre el cable de extensión y el alambre de termocupla. Para las termocuplas de metal básico, excepto el tipo T, la temperatura máxima es de 2040 ºC . Para el tipo T es de 93° C. Los tipos de metales nobles (R S . B, Platinel y W-5% Rh/W-26% Rh) son utilizados con cables de extensión del tipo a compensación alternada lo que significa que dicho cable de extensión se hace de un material que difiere en su composición del alambre de termocupla, pero que a las temperaturas encontradas en el empalme de la prolongación de la termocupla, tiene características equivalentes de temperatura – fuerza electromotri z. El límite máximo de temperatura para el empalme de prolongación de termocupla para los tipos R, S, B, y Platinel es de 204° C. Para W-5% Rh/W.26% Rh, dicho límite es de 871 °C. La razón de la limitación de temperatura es que el empalme entre la termocupla y el cable de extensión está formado por materiales de diferente composición y, por ende, se trata de otra termocupla. Siempre que se utilicen cables de extensión, deben adoptarse precauciones para asegurar que exista una temperatura uniforme, tanto en las juntas de la termocupla como en el empalme con el cable de extensión. Si el gradiente
de temperatura entre los empalmes de termocupla y cables de extensión y los terminales del instrumento cuando se utilice un cable de extensión de cobre, es demasiado elevado, pueden ocurrir errores apreciables. Ya hemos estudiado la forma en que una termocupla trabaja, debemos ver las formas constructivas de las mismas. Hay 3 tipos generales de construcciones del termocupla: alambre aislado, de ais lación cerámica y metal envainado. • Termocuplas de ailamiento cerámico: Estas termocuplas poseen un gran diámetro en la unión de los conductores de la misma, y son ailados mediante compuestos cerámicos. Este último le provee a la termucupla una aislación entre alambres y entre estos últimoas y el tube exterior de recubrimiento de protección. Estas termocuplas (como los mostrados en la figura 4.127) se colocan dentro de tubos de protección que pueden ser de metal o de cerámica, a fin de darle una protección mecánica y de contaminación producida por el ambiente. Este tipo de termocuplas son muy utilizadas en hornos de cialquier tipo.
Figura 4.127 Construcción de una termocupla de ailación cerámica
•
Termocuplas de envainado metálico: Como su nombre implica, la unión de la termocupla y alambres se congregan en un tubo de metal de pequeño diámetro. Los alambres del termocupla se aislan con un material cualquiera como por ejemplo fibra de vidrio ú óxido de magnesio, como puede verse en la figura 4.128 a y b. La vaina protectora de lal termocupla la proteje de la contaminación y ataque de elementos químicos. Ella también proporciona estabilidad mecánica. Esto permite el termocupla adaptarse a muchisimas formas de montaje gracias de la ductibilidad del elemento metálico. Es decir pueden realizarse pestañas, formas especiales, con lo cual se facilita su montaje y la hace muy versatil. Estas opciones permiten que las termocuplas de envainado metálico sea utilizada en una gran variedad de aplicaciones.
•
Figura
4.128 Construcción de una termocupla de ailación metálica
Cuando el nombre implica, se envuelven alambres desnudos de la termocupla son cubiertos mediante una aislación. Esta última es típicamente un material fibroso, tejido hecho de fibra-vidrio, mica o fibra cerámica. Otros tipos de asilantes son plásticos (como Teflon) y poliamidas (como Kapton). ( Figura 4.129). Este material sirve para aislar eléctricamente los alambres de la termocupla. También protege levemente a los alambres por contaminación y permite mayor facilidad de montaje. El material de aislamiento es seleccionado en base la temperatura de operación y las condiciones medioambientales (como la exposición a humedad, químicos, etc.).
Figura
4.129 Aislación de los alambres de la termocupla
Se ha hecho mención anteriormente a "límites de error" aplicables a las termocuplas. Los límites de error corresponden a la tolerancia de desviación de temperatura aceptable para el respectivo tipo de termocupla. Los límites de error se hallan consignados ya sea en grados o como porcentaje de la temperatura medida, Se han publicado internacionalmente dos niveles de límite de error para las termocuplas comunes: estándar y especial. Los límites especiales de error son generalmente la mitad de la magnitud de los límites estándar, salvo para la termocupla tipo E. Los límites de error son acumulables. Por ejemplo: para el empalme entre una termocupla tipo J y el cable de extensión, los límites estándar de error para el alambre de termocupla por debajo de 277° C (530° F) son ±2,2° C y para el cable de extensión por debajo de 204°C, son ±2,2° C. Los límites estándar combinados de error son +4,4° C y la desviación de esta combinación con respecto a las tablas de la Oficina Nacional de Normas (NBS) de Estados Unidos sobre Temperatur a f .e.m. , dentro de los límites estándar de error consignados, pueden variar desde 0°C hasta 4,4°C. Los límites de error se consignan sólo para los tipos comunes de termocupla y no se consideran los errores del sistema. Suele ser conveniente emplear un código de colores para identificar los termoelementos positivo y negativo de las termocuplas más comunes. El termoelemento negativo es identificado mediante el color rojo, en forma de pintura, rótulo o raya en una capa de aislación. Los alambres de termocupla y los cables de extensión suelen tener una aislación fibrosa o de tipo plástico en "construcción duplex", que se caracteriza por el hecho de que los termoelementos se hallan aislados, mientras el par de termoelementos aislados se combina debajo de una capa exterior de aislación. Con este método de aislación frecuentemente se emplea el código de colores consignado en la Tabla 4.5. Toda la información consignada hasta aquí se refiere a los termoelementos y sus características. Para el uso normal de una termocupla, los termoelementos deben ser protegidos contra los diversos ambientes que puedan afectar los materiales de que están hechos. Los efectos del ataque proveniente del medio ambiente, los ciclos de temperatura y el envejecimiento, suman su efecto y pueden producir errores de medición. Además de la protección contra el medio ambiente, los termoelementos deben estar aislados eléctricamente entre sí en todos los puntos, excepto en la junta de medición. La aislación eléctrica se obtiene mediarte diversos materiales dieléctricas, tales como barnices, plásticos, fibras inorgánicas y cerámica. Los regímenes generales de temperatura para esos materiales de aislación se hallan consignados en la Tabla 4.6. Las aislaciones plásticas protegen los termoelementos contra la humedad o la contaminación por fluidos. Son aplicables a temperaturas relativamente bajas en comparación con las inorgánicas. Los tipos de aislación fibras inorgánicas suelen ser suministrados con impregnaciones a prueba de humedad que se queman cuando se las expone a temperaturas superiores a 200 - 260° C. Los aislantes cerámicos resistentes al calor se utilizan en las clases de termocuplas de metal básico y metales nobles. Por encima de 1.300°C, se recomiendan los aisladores de alúmina para las termocuplas de metal noble. Con las debidas precauciones pueden emplearse de berilio y torio a 2.200 ºC. Si se produce la degradación de la aislación del alambre a un grado tal que aparezca un contacto eléctrico entre los dos termoelementos en algún otro punto que no fuera la junta de medición, la señal producida por la termocupla corresponderá a la diferencia de temperatura entre la junta de referencia y la nueva junta que evidentemente constituye una junta secundaria Calibración
Termoelemento positivo
Termoelemento negativo
J K T E RS
Blanco Amarillo Celeste Púrpura Negro
Rojo Rojo Rojo Rojo Rojo
Tabla 4.5 – Código de c olores de aislación. Tipo general de aislación
Kapton Nylon
Régimen general máximo de temperatura, en ºF
+ 700 + 350
Teflón PVC Asbestos Fibra de vidrio Cerámica – Cordierite o Mullite Cerámica – Alúmina
+ 500 + 210 + 1.000 + 900 + 1.800 + 3.000
Tabla 4.6 – Regímenes de temperatura para aislación.
Frecuentemente se requiere una protección adicional de los termoelementos. Existen numerosos materiales para la protección de termocuplas en diversas aplicaciones industriales. La Tabla 4.7 consigna los materiales más comunes empleados en las vainas protectoras de termocuplas y los respectivos datos sobre aplicación los que, como máximo, pueden ser considerados lineamientos generales. Esta información no puede ser tomada como una garantía de uso adecuado o satisfactorio de ninguno de los materiales enumerados en una aplicación específica, debido a las numerosas variables posibles y que no pueden consignarse en una tabla de este tipo. Tales variables pueden estar referidas a impurezas, concentración, ciclos de temperatura, vibración, etc. Existen muchos otros materiales que proporcionan una adecuada protección a las termocuplas. Numerosos factores, como ser maquinabilidad, ductilidad y costo, determinan la conveniencia de utilizar los materiales consignados en la Tabla 4.7 para las vainas protectoras. Algunos de esos materiales sólo se suministran en determinados rangos de tamaños de vainas o tubos protectores. Otros pueden obtenerse en una gama dimensional más amplia. Material
Acero Inoxidable 304
Acero Inoxidable 310 Acero Inoxidable 316 Acero Inoxidable 446
lnconel 600
Níquel Acero al carbono - C1018 Acero de baja aleación (Yoloy) lncoloy 800 Kanthal Hierro fundido
Hasta 899° C en condiciones oxidantes. Tiene en general buena resistencia a la oxidación y la corrosión en una amplia gama de ambientes industriales. Susceptible de precipitación de carburo, que puede reducir su resistencia a la corrosión en el rango de 427 a 538 ºC. Buenas propiedades mecánicas desde -184 hasta +788°C. Las principales áreas de empleo como protección de termocuplas se registran en las industrias química, de alimentos, plásticos y petróleo. Considerado en general como material estándar para protección de termocuplas. Hasta 1.149 °C en condiciones oxidantes. La principal área de aplicación la constituyen los tubos de calderas de usinas eléctricas, hasta 982°C. . Hasta 927 ºC en condiciones oxidantes. Los mismo campos de aplicación que el acero inoxidable 304, pero tiene mejor resistencia a la corrosión por ácidos y a las picaduras. Hasta 1.093 ºC en condiciones oxidantes. Excelente resistencia a la oxidación y a la corrosión a elevada temperatura. Las principales áreas de aplicación son los hornos de cementación, nitruración y revenido; los baños de sal, de plomo derretido; estaño y metal babbit; las atmósferas sulfurosas. No apto para atmósferas carburizantes. Otros campos de aplicación son los fosos de remojo de acero, baños de estañado, calderas de calor residual calcinadores de minerales, chimeneas de cemento, tubos de calderas hasta 982 °C, incineradores mezcladores de asfalto hasta 1093 °C, chimeneas de tanques de vidrio. Hasta 1.149 °C en condiciones oxidantes. Las condiciones reductoras disminuyen la temperatura máxima a 1038°C. No debe ser colocado en atmósferas sulfurosas por encima de 538°C. Los principales campos de aplicación como protección de termocuplas son los hornos de carburización, los baños de sal de cianuro, los tubos bajantes de altos hornos, las chimeneas de emanaciones de solera abierta, los Fosos de remojo de acero, las calderas de calor residual, los calcinadores de minerales, las chimeneas de salida de plantas de cemento, las de tanques de fabricación de vidrio. Se fabrica actualmente lnconel 601 en tamaños comunes con una mayor resistencia a la oxidación a alta temperatura y al azufre Hasta 1.149 °C en condiciones oxidantes. No debe ser colocado en presencia de azufre por arriba de 538 °C. Los principales campos de aplicación son los baños de sal de cianuro de potasio, salmueras, cáusticos, exposición a productos químicos a alta temperatura. Hasta 538°C en ambientes no oxidantes. El principal campo de aplicación son los baños de galvanización, baños de estañado, metal babbit derretido, magnesio derretido, cinc derretido, refinerías de petróleo en operaciones como desparafinado y craqueo térmico. Hasta 677°C en ambientes no corrosivos. Algo superior al acero al carbono, reemplaza al hierro forjado, Los campos de aplicación son los hornos de revenido hasta 677°C, estufas, secadores de cerámica, chimeneas de salida de tanques de fabricación de vidrio. Hasta 1093°C en condiciones oxidantes. Similar al lnconel 600 pero menos adecuado en elementos cáusticos derretidos y nitrurantes. Mayor resistencia al azufre que el lnconel. Hasta 1.260 °C en condiciones oxidantes. Buena resistencia al azufre a elevada temperatura. Hasta 704 ºC en condiciones oxidantes. Principal campo de aplicación: para metales derretidos no ferrosos, recomendándose blanqueo diario. Puede ser utilizado hasta 871°C en condiciones reductoras.
Material
Hasta 1.374 °C en condiciones oxidantes. Principales campos de aplicación son las aleaciones derretidas a base de cobre hasta 11 49°C, gases de alto homo y de chimenea hasta 1.316 ºC, Cerámica quemadores de azufre hasta 1093°C, hornos de cemento hasta 1204°C, reactores de procesos metálica LT- l químicos hasta 1371 °C. Se requiere un tubo primario de cerámica cuando se utiliza una termocupla de metal noble. Hasta 1.510 °C. Tiene escasa resistencia al choque mecánico, buena resistencia al choque térmico. Mullite (63% Para baños de sales de cloruro de bario hasta-1288°C. Debe ser montado en forma vertical o alúmina) proveérsele de apoyos si va en forma horizontal. Para aplicaciones de alta temperatura en la industria cerámica, tratamientos térmicos, fabricación de vidrio. Hasta 1.760 °C. Tiene resistencia sólo regular al choque térmico y mecánico. Esencialmente los Alúmina (96% ) mismos campos de aplicación que el Mullite; incluyendo hornos de fusión a inducción y al vacío. Hasta 1.649 ºC. Para tubo de protección secundaria con tubo primario de alúmina o Mullite. Para Carburo de hornos de ladrillo y cerámica, fosos de remojo de acero, metales derretidos no ferrosos. Puede silicio soportar impacto directo de llama. Cuarzo Hasta 1093 °C. Excelente resistencia al choque térmico. Para oro y plata derretidos. Además de los materiales metálicos y cerámicos citados más arriba, han sido satisfactoriamente Otros utilizados ciertos recubrimientos plásticos, como ser de Teflón, Vitón, Kynar y otros, para brindar protección contra la corrosión en numerosos ambientes y productos químicos. . Tabla 4.7 - Materiales comunes para vainas o tubos protectores de termocuplas.
Además de las diversas consideraciones para la protección de termocuplas relativas a la calibración o clase de termocupla y al material de la vaina protectora elegida se debe tener en cuenta que una termocupla ha de estar ubicada adecuadamente, con respecto a la carga de trabajo, mientras la fuente de energía debe ser controlada siempre que la termocupla sea utilizada con instrumentación de control. Las consideraciones a tener presentes son la de la perturbación del flujo provocada por el sensor si el mismo se adentra en una corriente líquida o gaseosa; la inserción en el medio que está siendo medido (ya sea un fluido o un sólido) hasta una profundidad suficiente como para permitir que la junta de medición responda a los cambios de temperatura de este medio antes que ser afectada por la temperatura del medio ambiente; y, en ciertas condiciones, un correcto conocimiento del flujo de calor hacia o desde la junta de medición debido a la conductividad térmica de los elementos termoeléctricos y de los materiales protectores. En la mayoría de las aplicaciones industriales, los errores derivados del flujo de calor a través del sensor son despreciables, pero la profundidad de inserción, la fuente de alimentación y la ubicación del sensor y de la carga de trabajo son factores fácilmente controlables durante la etapa de diseño del sistema. La siguiente guía general es una regla empírica aproximada para inserción de termocuplas. La inmersión mínima del sensor en fluido o medio a ser medido debe ser de 4 a 10 veces el diámetro exterior de la vaina de protección. Los conjuntos de termocupla suministrados con vainas protectoras pueden obtenerse con tres tipos de junta (fig 4.130): con conexión a tierra, sin conexión a tierra (aisladas) y expuestas. La junta con conexión a tierra es la más común. Este tipo puede obtenerse en conjuntos que posean vainas o tubos de protección , eléctricamente conductores e implica que la junta de medición de la termocupla esté en 'contacto eléctrico con el tubo protector. Vaina de protección
Vaina de protección
Elemento de termocupla
Junta con conexión a tierra
Material Aislante
Junta aislada de tierra Vaina de protección
Elemento de termocupla
Junta expuesta Figura 4.130 Tipos de junta de las termocuplas
En el caso de la junta sin conexión a tierra, durante la etapa de fabricación se adoptan medidas para aislar eléctricamente la junta de medición con respecto a un tubo protector eléctricamente conductor. Este tipo de junta se utiliza
cuando la termocupla es empleada con instrumentación sin aislación eléctrica interna. La junta del tipo sin conexión a tierra es más lenta en responder que el tipo con puesta a tierra para una determinada masa de extremo de junta, pero puede ser el tipo de junta más robusto y confiable.' Se tiene una junta expuesta cuando la junta de medición de la termocupla no se halla protegida por ningún material. Es ésta la junta de más rápida respuesta, pero la más susceptible de sufrir fallas por corrosión. En su aplicación industrial más generalizada, las termocuplas son utilizadas para detectar una temperatura. Es posible utilizar un grupo de termocuplas adecuadamente conectadas entre sí para producir una señal que indique temperatura promedio o multiplique la señal disponible proporcionada por un solo sensor. Para medir la temperatura promedio desde varios puntos, pueden conectarse termocuplas de resistencia similar con la junta de referencia en paralelo (figura 4.131). La señal producida corresponde a la de una termocupla que tiene su junta de medición a la temperatura media de las juntas de medición individuales. Deben utilizarse termocuplas sin puesta a tierra cuando se agrupan termocuplas para fines de promedio de temperatura. Juntas de medición
T 1 +
Juntas de referencia
+
T 2
+ + +
T 3
Al Instrumento T
-
T 4
-
T N T
T 1
T 2
T 3
T 4
L
T N
N Figura 4.131 Asociación de termocuplas en paralelo
Cuando un grupo de termocuplas de igual resistencia son conectadas en serie (fig 4.132) la señal producida corresponde a la de la suma de las señales de las termocuplas individuales. La temperatura promedio detectada por, la termocupla es obtenida dividiendo la señal producida por el grupo de termocuplas por la cantidad de éstas en el grupo. Las instalaciones en serie amplifican los pequeños cambios de temperatura, debiendo emplearse termocuplas sin conexión a tierra.
Juntas de medición
Juntas de referencia
+
T 1
+
T 2
+
T 3
Al Instrumento T
+
T 4
+
T N
-
T
T 1
T 2
T 3
T 4
L
T N
Figura 4.132 Asociación de termocuplas en serie
Los conductores eléctricos presentan, en general, un aumento de resistencia con la temperatura, según una ley que puede expresarse en forma simplificada por la siguiente ecuación: RT = R0 [1 + α (T T − T 0 )] donde “α” se denomina coeficiente térmico de resistencia. Aprovechando esta propiedad, se construyen sondas de temperatura, pero para ello se requiere un material cuyo coeficiente se mantenga relativamente constante y que dé una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base de muchos materiales, por ejemplo el platino, cuyo coeficiente térmico es de 00385 Ω º C . Dichas sondas suelen tener un valor nominal de 100 Ω a 0°C, de donde se deriva el nombre de Pt100, dado que son las más utilizadas. A las termorresistencias se las suele llamar RTD (Resistanse temperature Detector). Un RTD puede tomar muchas formas. Los elementos de RTD usados a menudo se muestran en la figura 4.133. La misma muestra un alambre de elemento de platino fino enrollado alrededor un cilindro, muy delgado, cerámico. Se usan a menudo elementos de resistencia de platino, pero también se usa el níquel, cobre y níquel-hierro. Los alambres de salida se sueldan al elemento de resistencia. Todo esto es encapsulado en vidrio, a fin de proveerle un sellarlo y prevenga la contaminación.
Figura 4.133 RTD tipo bobina
Figura 4.134 RTD tipo Film
Figura 4.135 RTD aislado con Klapton
El RTD en la figura 4.134 se logra depositando una película delgada de platino u otro metal en a una superficie de cerámica (platelet). Se conectan los alambres de salida y el conjunto se recubre con vidrio o epoxy para protección. La figura 4.135 muestras un alambre de platino puesto entre dos capas de un aislante de poliamida (Kapton). Este conjunto tiene ventaja de ser flexible.
Al contrario de una termocupla o termopar, no hay ninguna señal eléctrica generada por un RTD. Para que un elemento controlador debe medir la resistencia haciendo circular una pequeña corriente a través del RTD. Basado en la corriente y el voltaje utilizado, se calcula la resistencia. Los aumentos de temperatura producen un aumento en la resistencia de un RTD (y una disminución al bajar la temperatura). Como se indica en la figura 4.136, la resistencia varia con la temperatura de forma muy lineal como se advirtió al comienzo. Esta curva también es conocida como un “TCR” (Temperature Coefficient of Resist anse).
Fugura 4.136 Curvas de variación de resistencia para PTC
Un RTD utiliza o está caracterizada por un valor “base” de resistencia, generalmente a cero grado centígrado. Por ejemplo, las RTD de platino tienen un valor bastante bajo de 100 Ω a 0°C. Sin embargo existen RTD de platino que tienen una base de resistencia de 500 o incluso 1000 Ω a 0°C. Otras RTD utilizan otros metales para su concepción, que también resultan de valores bajos de resistencia, pero que presentan una buena linealidad ante las variaciones de temperatura, como se muestra en la tabla TCR[Ω Ω º C ] Tipo de elemento Rango de temperatura Resistencia Base Platinum DIN
200 to 650° C (330 to 1200° F)
100Ω at 0° C
0.00385
Platinum JIS
200 to 650° C (330 to 1200° F)
100Ω at 0° C
0.003916
Copper
100 to 260° C (150 to 500° F)
10Ω at 25°
C 0.00427
Nickel
100 to 205° C (150 to 400° F)
120Ω at 0° C
0.00672
Element Type Temperature Range Base Resistance TCR(þ/þ/° C)
Nuestro estudio en este punto lo enfocaremos en las RTD de platino, ya que son las utilizadas casi con exclusividad en la industria. Existen dos normas industriales para la fabricación de RTD de platino (Pt100): Las normas DIN y las JIS Las primeras, las más utilizadas por los fabricantes, utiliza un coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura (TCR) de 0.003850 Ω
Ω º C
. Las normas JIS usa, en cambio un TCR de 0.003916 Ω
Ω º C
.
Los catálogos de productos establecen para cada temperatura el valor de resistencia, como se muestra en la tabla siguiente: 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
100.00
100.39
100.78
101.17
101.56
101.95
102.34
102.73
103.12
103.51
10
103.90
104.29
104.68
105.07
105.46
105.85
106.24
106.63
107.02
107.40
20
107.79
108.18
108.57
108.96
109.35
109.73
110.12
110.51
110.90
128
30
167
112.06
112.45
112.83
113.22
113.61
113.99
114.38
114.77
115.15
40
115.54
115.93
116.31
116.70
117.08
117.47
117.85
118.24
118.62
119.01
50
119.40
119.78
120.16
120.55
120.93
121.32
121.70
122.09
122.47
122.86
60
123.24
123.62
124.01
124.39
124.77
125.16
125.54
125.92
126.31
126.69
70
127.07
127.45
127.84
128.22
128.60
128.98
129.37
129.75
130.13
130.51
80
130.89
131.27
131.66
132.04
132.42
132.80
133.18
133.56
133.94
134.32
90
134.70
135.08
135.46
135.84
136.22
136.60
136.98
137.36
137.74
138.12
Ahora bien, si nosotros tenemos termocuplas, ¿qué ganaríamos cambiándolas por RTD?. Los sensores de RTD tienen grandes ventajas por encima de las termocuplas. Las ventajas mayores son: Estabilidad: Los RTD son con el tiempo muy estables. Esta estabilidad no es propia de las termocuplas, que varían su comportamiento en el tiempo. Esto significa que las medidas tomadas por el RTD resultan más exactas que las termocuplas en el tiempo. Confiabilidad: se refiere al la habilidad de RTD de medir la misma temperatura con la misma precisión después de los calentamientos repetidos y los ciclos térmicos. Estos ciclos térmicos de calentamiento y refresco, hacen a las termocuplas que varíen su precisión dentro del margen de tolerancia. Por ejemplo una RTD se pone a 100°C en un horno y mide 100.0°C, y medirá 100.0°C, aun después de varios ciclos de calentamientos y refrescos. En cambio para una termocupla, mide 100°C una vez, y la próxima podrá medir 99. y la próxima 101, y así sucesivamente. a. Exactitud: Puesto que estamos analizando la exactitud, comparemos el la exactitud de RTD con las de las termocuplas. Supongamos el caso que a una determinada temperatura de una conocida RTD, se desea saber su resistencia. Con solo ir a la tabla precedente podemos saberlo. Sin embargo si lo medimos con un elemento de precisión, obtendremos que el valor medido es mayor. ?Qué ha ocurrido?, bueno es correcto pensar que el sistema de medición no solo tomó en cuenta el valor de la RTD, sino también el valor del cable de conexión. Para solucionar esto se recurre al conexionado con 3 y 4 hilos. Como se ve en la figura 4.137, los de tres hilos, la resistencia es medida entre los puntos 2 y 3 y se le resta el valor de la resistencia medida entre 1 y 2, con lo cual solo nos queda el valor real de la resistencia. Para el caso de los de 4 hilos el valor medido entre 2 y 3 se le resta por separado los medidos entre 1 y 2 y entre 3 y 4.otro método consiste en llevar el valor de la resistencia de la Pt100 a un transmisor muy cercano al elemento y luego transmitir una señal de 4-20 mA, proporcional al valor medido.
RTD
1
RTD
2 RTD de tres hilos
3
1
2
3
4
RTD de cuatro hilos
Figura 4.137 RTD de tres y cuatro hilos de conexionado
Es verdad que las RTD tienen sus desventajas como: costo: Cuando nosotros sabemos, el platino es material extremadamente caro. Por otro lado la elaboración de una RTD requiere de mayor tecnología. Es por eso que una RTD tiene un coste de alrededor 2 a 3 veces más respecto a la termocupla. Rango de temperatura: El Platino que se usa en las RTD tiene un rango de temperatura que va desde los -200° a 650°C. Hay también algunas RTD que puede llegar a los 850°C, sin ningún tipo de problemas de linealidad. Para el caso de los otros materiales utilizados en las RTD, esta limitación es aun mayor dado que abarca temperaturas menores (véase la tabla ). Variación respecto a los cambios de temperatura: Una unión de una termocupla es muy pequeña y fácilmente toma calor del medio, y rápidamente alimenta de esta información al sistema medidor o controlador. Para el caso de las RTD, esto no es tan fácil. Los elementos de los RTD responden mucho más lento a los cambios de temperatura por dos razones: Uno, el calor tiene que fluir a través del epoxy o las capas de vidrio cobertores. Dos, Se debe alcanzar que toda la superficie del elemento que compone el RTD alcance una temperatura uniforme, antes de que mida una temperatura exacta. Si la temperatura no es la misma a todo lo largo del elemento que forma el RTD, medirá una temperatura incorrecta. Como una regla general, un RTD tendrá una velocidad de respuesta de 2 a 4 veces más lenta al cambio de temperatura respecto a la termocupla.. Para identificar los cables de conexionado en una RTD debemos medir el valor de resistencia entre sus puntos. El valor en el cual se halla la Pt100 propiamente dicha debe existir un valor de alrededor de 110 Ω , mientras que los hilos de compensación (entre 1 y 2 y entre 3 y 4), no debe llegar a 1 Ω. Veamos ahora como es la construcción de una RTD que puede esperar ver en la industria. Para esto utilizaremos una capa delgada de Kapton se ha enrollado el material resistente, por ejemplo platino. Para temperaturas bajas( a 260°C),
el elemento del RTD se suelda por sus extremos a un alambre de cobre o níquel. Toda este subconjunto es insertado dentro de un tubo de vidrio cerrado. Dentro del tubo se rellena las partes vacías con un polvo o grasa termal. En el extremo abierto del tubo se coloca una pasta de epoxy a fin de sellar la entrada de contaminantes, dejando salir los alambres de conexiones, como se indica en la figura. En versiones de temperatura más altas (a 650°C), el interior del RTD es rellenado con un mineral aislante, como se muestra en la figura. Termorresistencia
Vaina protectora
Grasa térmica
Sello Epoxi
Conductores aislados
RTD de baja temperatura Termorresistencia
Oxido de magnesio compactado
Vaina protectora
Sello Epoxi
Conductores aislados
Adaptador de conexionado
RTD de aislación mineral para alta temperatura Figura 4.138 Composición de una RTD.
Las sondas PTC y NTC son esencialmente termorresistencias a base de semiconductor. Éstos suelen presentar coeficientes de sensibilidad bastante mayores que en el caso de metales, pero a costa de un gran pérdida de linealidad. Las PTC (Positive Temperature Coefficient) son resistencias construidas a base de óxidos de bario y titanio, que muestran cambios muy bruscos de valor a partir de una cierta temperatura. Precisamente la temperatura de cambio es un parámetro característico de las PTC. En la figura 4.139 se muestra la característica Re sistencia Temperatur a a distintas frecuencias para una sonda PTC. Debido a su comportamiento poco lineal, se aplican básicamente en combinación con circuitos detectores de umbral como elementos todo-nada. Las NTC son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo (“Negative Temperature Coefficient”), construidas a base de óxidos de hierro, cromo, cobalto, manganeso y níquel dopados con iones de titanio o litio. El comportamiento frente a las variaciones de temperatura puede expresarse, aproximadamente, por la siguiente ecuación: B R = A ⋅ e T donde A y B, son constantes que dependen de la NTC y T es la temperatura en grados Kelvin. Por lo general, los valores de resistencia se refieren a 25°C, con lo que resulta una relación: 1 B⋅ 1 T − ⋅ e 298
RT = R25º C El valor de la constante B se suele determinar experimentalmente a partir de los valores de resistencia a 0°C y a 50°C. La figura 4.140 muestra la característica real de distintos tipos de NTC. Como puede verse, presentan una fuerte alinealidad con la temperatura (téngase presente que la escala de ordenadas es logarítmica), por lo que su res- puesta debe normalmente compensarse.
Figura 4.139 Curvas de una PTC
Figura 4.140 Curvas de una NTC
Veremos a continuación algunas de las aplicaciones de los termistores. Veamos el caso de la limitación de corriente en el arranque de un motor. Para asegurar una velocidad de respuesta adecuada, los motores para compresores de frigoríficos a aire acondicionado, son provistos con una bobina de arranque extra para obtener el torque necesario en el arranque. Esta bobina de arranque necesita ser puesta fuera de servicio, una vez el motor alcanzó su estado nominal. El termistor de PTC realiza esta función, presentando en el arranque una baja resistencia, con lo cual toda la tensión aparece en la bobina principal y la bobina de arranque. A medida que el PTC toma temperatura, aumenta rápidamente su resistencia, hasta que la corriente por la bobina de arranque se reduce a un valor insignificante, produciendo que esta última no genere interferencias con la bobina principal. En la figura 4.141 pueden verse el PTC y el conexionado del mismo.
Figura 4.141 PTC para motores de compresores y su conexionado
Otra aplicación importante para las PTC, son los casos en que se conecta en paralelo con termostatos del tipo bimetálicos. Con el bimetálico solo, al llegar al límite de corriente este abre, produciéndose que al bajar la temperatura del mismo este vuelve a cerrar, produciéndose varios ciclos de encendido – apagado, que puede producir daños en la carga. Al tener el termistor en paralelo y, al abrirse el bimetálico, la corriente se deriva por el termistor que al aumentar su temperatura aumenta su resistencia rápidamente, con lo cual limita el valor de corriente a pocos miliamperes, protegiendo el aparato. El calor generado por la PTC, hace que el bimetálico no se enfríe y no vuelva a cerrar sus contactos, hasta tanto no se corte la llave general. En la figura 4..142 puede verse su conexionado.
Figura 4.142 PTC en paralelo con termostatos
Otra importante función de los termistores, es la de protección de cargas ante la sobre corriente o el sobrecalentamiento. El PTC puede utilizarse para transformadores, motores y circuitos electrónicos. Al producirse una sobre corriente, la resistencia del PTC aumenta considerablemente y protege el aparato, sin dañarse como por ejemplo lo haría un fusible. Este tipo de PTC se construyen en material cerámico para soportar temperaturas mayores y varios ciclos de calentamiento – enfriamiento sucesivos. En la figura 4.143 podemos ver su conexionado y su apariencia.
Figura 4.143 PTC para protección de sobrecorriente
Sensor
Ventajas
Desventajas
Termocupla
Simple Alta temperatura de operación Bajo costo Alta velocidad de respuesta Un solo punto de medición La resistencia de los cables no crea errores.
RTD
Termistores PTC – NTC
Estabilidad de la medida en el tiempo. Mayor exactitud. Muy resistentes a la contaminación y corrosión de los elementos. Poca histéresis ante ciclos de calentamiento – enfriamiento . Alta sensibilidad ante los cambios de temperatura. Alta estabilidad en el tiempo. Puede utilizarse Níquel o cobre en los cables de extensión.
Baja sensibilidad ante pequeños cambios de temperatura. Los cables de las termocuplas deben ser especiales y de alto costo. Baja exactitud La transmisión es afectada por ruidos electromagnéticos. Poca estabilidad y repetibilidad. Alto costo. Baja velocidad de respuesta. Baja sensibilidad ante poca variación de temperatura. Sensibles a la vibración. Frágil. El elemento se descalibra si se pasaron los rangos de temperatura. Rango de temperatura limitado. Muy frágiles. El elemento se descalibra si se pasaron los rangos de temperatura. Falta de estandarización para los reemplazos entre distintas marcas.
