Nombres: Santiago Guanolusia, Curso: Quinto Nivel Fecha de Entrega: 8 de enero del 2018 Tema: Características Características de termocuplas termocuplas
TERMOCUPLA
Una termocupla, también conocido como termopar básicamente es un transductor de temperaturas, es decir un dispositivo que convierte una magnitud física en una señal eléctrica. Está constituida por dos alambres metálicos diferentes que unidos, desarrollan una diferencia de potenciad eléctrica entre sus extremos libres que es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre estas puntas y la unión. Se suelen fabricar con metales puros o aleaciones (caso más común) y la característica más notable es que son empleadas para medir temperaturas en un rango noblemente grande comparadas con otros termómetros. Valores típicos del rango están entre 70 K y 1700 K, pudiéndose llegar en algunas circunstancias con aleaciones especiales hasta los 2000 K. ,
Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. Una termocupla, en rigor, mide diferencias de temperaturas y no temperaturas absolutas. Esto hace necesario el uso de una temperatura de referencia, por lo que suele emplearse un baño de agua con hielo (0º C). El empleo de termocuplas para medir temperaturas está fundamentado en el efecto seebeck. Este efecto permite calibrar la Termocupla para usarla como un Termómetro.
Tipos de Termocuplas:
Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos. Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero) Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100.
Ventajas e inconvenientes
Ventajas:
-
Al tratarse de un sensor generador no requiere una alimentación externa.
-
Amplio rango de temperatura de funcionamiento.
-
Coste reducido.
-
Reducido tamaño.
Inconvenientes:
-
Baja linealidad.
-
Requiere de un circuito acondicionador de señal, porqué la tensión proporcionada por el termocupla es del orden de decenas de mV.
1.) LEY DE SEEBECK El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck en el año 1821 se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial. La magnitud de la termoelectricidad depende del tipo de material de los conductores, la temperatura de contacto y no depende de la temperatura que se distribuye a lo largo del conductor. La termoelectricidad permite evaluar los termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango desde +43 hasta –38 mV/grado. La respuesta a este calentamiento consiste en la aparición de una corriente continua en el circuito termoeléctrico así formado. El producto que más utiliza este fenómeno son los denominados “termopares” o “termocuplas” que sirven como sensores de temperatura.
A partir del anterior circuito termoeléctrico, para obtener un termopar lo único que debe hacerse es cortar los dos conductores por su zona central. La tensión que aparece en circuito abierto entre los dos metales vendrá en función de la temperatura aplicada a la unión y de los tipos de metales utilizados. Así, siempre que los metales unidos sean distintos se generará una tensión termoeléctrica.
Siendo T1 la temperatura aplicada en la unión y T2 la temperatura de los extr emos de los conductores. Mientras que α es el coeficiente Seebeck expresado en µV/ºC.
2.) LEY DE TEMPERATURA INTERMEDIA Si se someten dos temperaturas T1 y T2 en las uniones de dos metales distintos, conseguimos generar una tensión eléctrica V1, por efecto Seebeck. Si a continuación aplicamos en las mismas uniones dos temperaturas T2 y T3, para este caso la fuerza electromotriz generada será V2. En caso que las temperaturas aplicadas sean T1 y T3 la fuerza electromotriz proporcionada por el termopar será V1 + V2.
Es decir; la suma de la fem. de una termocupla con su junta fría a 0 °C y su junta caliente a una temperatura T, más la Fem. de una termocupla con su junta fría a la temperatura T y su junta caliente a la temperatura de medición, es igual a la fem. de una termocupla con su junta fría a 0 °C y su junta caliente a la temperatura de medición.
3.) CIRCUITO DE 2 METALES Y 3 METALES Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada permiten el paso de electrones. Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos (2) metales unidos en dos lugares con una diferencia de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los metales responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. El físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y concepción del término “termoelectricidad”. El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41 microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.
Circuito de tres (3) metales
Fi g ura 1. Termocupla Tipo J
Considere el circuito mostrado en la Figura 1, en el cual una termocupla tipo J se encuentra en la llama de una vela, que es la temperatura que se desea medir. Los dos cables de la termocupla están conectados a los cables de cobre que van hacia el dispositivo de adquisición de datos. Observe que el circuito posee tres uniones diferentes de metales: J1, J2 y J3. J1, la unión de la termocupla, genera un voltaje de Seebeck proporcional a la temperatura en la llama de la vela. J2 y J3 poseen individualmente su propio coeficiente de Seebeck y generan su propio voltaje termoeléctrico que es proporcional a la temperatura de los terminales de adquisición de datos. Para determinar la contribución en el voltaje por J1, se requiere conocer las temperaturas de las uniones J2 y J3 así como las relaciones voltaje a temperatura de estas uniones. Entonces se podrá sustraer las contribuciones de las uniones parásitas J2 y J3 del voltaje medido para la unión J1.
Las termocuplas requieren alguna forma de temperatura de referencia para compensar las uniones en “frío” parásitas no deseadas. El método más común es medir la temperatura en la unión de referencia con un sensor de temperatura de lectura directa y sustraer las contribuciones de voltaje de las uniones parásitas. Este proceso se denomina compensación por unión en frío. Se puede simplificar el cálculo de compensación por unión en frío aprovechando algunas características de las termocuplas. Usando la Ley de termopar para Metales Intermedios y tomando algunas suposiciones simples, se puede observar que el voltaje medido por un sistema de adquisición de datos depende únicamente del tipo de la termocupla, del voltaje en la termocupla y la temperatura de la unión en frío. El voltaje medido es independiente de la compensación de los cables de medición y de las uniones en frío, J2 y J3.
4.) ECUACIÓN PARA CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO
Circuitos en Serie
En este circuito, la corriente es constante; es decir la misma en todo el circuito y lo que se tiene es caída de tensión en cada resistencia o carga. La suma de todas las caídas es igual a la tensión de dicho circuito .
Circuitos en Paralelo
En este circuito, el voltaje es constante en todo el circuito y la corriente se divide en cada carga que tengas conectada. La intensidad total es la suma de las intensidades individuales. Será, pues, mayor cuanto más receptores tengamos en el circuito.
5.) LEY DE TEMPERATURA HOMOGÉNEA Esta ley estipula que si los conductores de las termocuplas son homogéneos, no son afectados por las temperaturas intermedias. Si la juntura de dos elementos distintos se mantiene a T1, mientras que la otra es T2, la f.e.m. térmica que se desarrolla es independiente y permanece inalterada por cualquier distribución de temperatura a lo largo de los alambres T3 y T4. Esta ley es el basamento de los cables de extensión de las termocuplas. En la Fig.5, se ve que debido a la Ley de Circuitos Homogéneos, si el alambre de la termocupla es homogéneo y si las junturas T3 y T4 son menores o mayores que T1, no habrá ningún error en la f.e.m. de salida.
En conclusión, un conductor metálico homogéneo no puede sostener la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.
6.) LEY DEL METAL INTERMEDIO Disponemos inicialmente de dos metales homogéneos A y B, aplicando en sus uniones las temperaturas T1 y T2. Cortando el metal A e insertando un metal C homógeneo, vemos que la fuerza electromotriz generada no cambia, siempre y cuando no haya diferencia de temperatura entre los extremos del metal C.
BIBLIOGRAFÍA
http://es.wikipedia.org/wiki/Termopar http://scileaden.com/ http://laboratorios.fi.uba.ar/lscm/termocuplas01.pdf http://luis.tarifasoft.com/2_eso/electricidad2ESO/circuitos_serie_y_paralelo.html
