Termocuplas

SENSORES Y ACTUADOR ACTUADORES ES

CAPITU CAPITULO LO IV SENSORES SENSORES DE TEMPERATURA TEMPERATURA Termopares

ACTU CTUA ADO DORES RES Y SENS SENSO ORES

Capítul Cap ítulo o4

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Termopares

Condiciones para un termómetro de termopares En el análisis an álisis del efecto efecto Seebeck, definimos que la fuerza electromotríz generada en la unión de dos metales se podía expresar por la ecuación: dUth= s(T). dT (4.22) T0

A T1 B

C Voltímetro

C Esquema 1: Conexión para medición del efecto Seebeck

ACTUADORES Y SENSORES

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Condiciones para un termómetro de termopares Allì claramente se nota la dependencia no de la temperatura del medio, sino del gradiente de temperatura contra una referencia. Para acentuar esta dependencia podemos reescribir la ecuación 4.22 en función incluso de la longitud de los componentes: dUth= s(T,x).(dT/dx).dx (4.48) Dónde dx es un elemento infinitesimal de la longitud de los cables y el coeficiente Seebeck también es dependiente del gradiente de temperatura a lo largo de los conductores y la posición de la unión


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Condiciones para un termómetro de termopares Estas condiciones parecen volver inaplicable la realización de un termómetro con las características del esquema 1, pues deberíamos conocer los coeficientes de todos los componentes, incluso los del medidor de tensión. Para empezar a buscar una solución se definen dos teoremas básicos para los termopartes o termocuplas: Teorema 1: Si no hay gradiente de temperatura a lo largo de los conductores (dT/dx=0), es decir reinan condiciones isotérmicas, no se produce la tensión Seebeck Teorema 2: Si los conductores son homogéneos, s(T,x)=s(T), entonces la tensión Seebeck sólo depende de las temperaturas en los puntos de unión ➢

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Condiciones para un termómetro de termopares Si aplicamos el teorema 1 para la conexión del medidor de tensión del esquema 1, debemos tener la precaución de que este y sus cables estén en condiciones isotérmicas, es decir, lejos de una fuente puntual de calor/ frío, seleccionar adecuadamente los materiales de los conectores y cables (p.e cables de cobre y conectores de bronce). Con esto minimizamos el aporte de tensión Seebeck del instrumento de medición. Para compensar el efecto de inhomogeneidad de material se debe tener cuidado en la selección de los materiales A, B y C, evitando que sufran distorsiones mecánicas (tratamiento térmico) o quìmico. Pero en el punto de unión es muy difícil mantener la homogeneidad, por lo que esto requiere un cuidado muy especial


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Condiciones para un termómetro de termopares En la fabricación de los termopares existe una regla de oro en función de las uniones: LAS UNIONES NO DEBEN GENERAR TENSION Por ende las uniones deben ser cada una isotérmicas y lo más homogéneas posible. Es importante entonces definir el tamaño de la unión para asegurar un ambiente isotérmico y la aplicación del instrumento: Para rangos bajos: soldaduras con estaño o latòn (a tope o trenzado) Para rangos altos: soldaduras sin aporte y en un medio que mejore las condiciones isotérmicas (burbuja de gas/cobertura mineral) Para velocidad de respuesta: engrampado o soldadura en un punto ➔

➔

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Condiciones para un termómetro de termopares

Soldadura a tope

Soldadura en una burbuja de gas

Engrampado

Soldadura con estaño o latòn

Soldadura en relleno mineral y vaina metálica

Soldadura en un punto


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Condiciones para un termómetro de termopares Tras todas estas observaciones y siguiendo el teorema 2, podemos concluir que la tensión Seebeck de toda la instalación del esquema 1 sería: Utotal= UA(T1) – UA(T0) + UB(T1) - UB(T0) + UC (T0) - UC(T0) Utotal= UA(T1) – UA(T0) + UB(T1) - UB(T0) = UAB(T1)-UAB(T0) (4.49)

Adicionalmente se ha definido T0 como 0ºC y UAB (T0)=0 V, por lo que finalmente: Utotal= UAB(T1)

(4.50)


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Tipos de termopares Termopares Básicos:Los metales y aleaciones utilizadas son de bajo costo y son los mas utilizados industrialmente, dado que las aplicaciones admiten un margen de error alto. Termopares nobles Son aquellos que utilizan platino en su composición. Por supuesto, su costo es elevado y exigen instrumentos de alta sensibilidad. Debido a su baja potencia termoeléctrica presentan altas precisiones. Termopares especiales:A lo largo de los años, se han desarrollado diferentes tipos de termopares con alguna característica útil para alguna aplicación en particular. ➢

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Tipos de termopares – Tipos básicos Tipo T La nomenclatura T está adoptada por la norma ANSI. Los conductores son de cobre y constantan. El cobre tiene una pureza del 99,9% y el constantan es una aleación de cobre en un 58% y níquel en un 42% aproximadamente. El rango de utilización va desde –200 ºC hasta 370 ºC, produciendo una f.e.m. de –5,603 hasta +19,027 mV. Las aplicaciones mas comunes son en criometría, industrias de refrigeración, investigaciones agronómicas y ambientales, química y petroquímica.


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Tipos de termopares – Tipos básicos Tipo J Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. La combinación utilizada es hierro al 99,5 % y constantan. La proporción es 58% de Fe y 42 de constantan. El rango de utilización va desde los –40 ºC a los 760 ºC. La f.e.m. va desde –1,960 hasta +42,922 mV. Se utiliza en centrales de energía, metalúrgica, química, petroquímica etc.


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Tipos de termopares – Tipos básicos Tipo E Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinación de chromel y constantan. Chromel = Níquel (90%) y Cromo (10%) Constantan = Cobre (58%) y Níquel (42%) El rango de utilización va desde los –200 ºC a los +870 ºC La f.e.m. producida es de –8,824 a +66,473 mV. Las aplicaciones mas comunes son química y petroquímica.


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Tipos de termopares – Tipos básicos Tipo K Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinación de chromel y alumel. Chromel = Níquel (90%) y Cromo (10%) Alumel = Níquel (95,4%), Manganeso (1,8%), Silicio (1,6%) y Aluminio (1,2%) El rango de utilización va desde los –200 ºC a los +1260 ºC La f.e.m. producida es de –5,891 a +50,99 mV. Aplicaciones: metalúrgicas, fundición, cemento y cal, vidrios, cerámicas, etc.


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Tipos de termopares – Tipos nobles Tipo S Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinación de platino con rhodio y platino. Platino (90%) y Rhodio (10%) Platino (100%) El rango de utilización va desde los 0 ºC a los +1600 ºC La f.e.m. producida es de 0 a 16,771 mV. Aplicaciones: metalúrgicas, fundición, cemento y cal, vidrios, cerámicas, etc. Entre 1200 y 1600 ºC, en algunos casos se utilizan sensores descartables.


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Tipos de termopares – Tipos nobles Tipo R Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinación de platino con rhodio y platino. Platino (87%) y Rhodio (13%) Platino (100%) El rango de utilización va desde los 0 ºC a los +1600 ºC La f.e.m. producida es de 0 a 18,842 mV. Aplicaciones: metalúrgicas, fundición, cemento y cal, vidrios, cerámicas, etc.


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Tipos de termopares – Tipos nobles Tipo B Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinación de platino con rhodio y platino con rhodio. Platino (70%) y Rhodio (30%) Platino (94%) y Rhodio (6%) El rango de utilización va desde los 600 ºC a los +1700 ºC La f.e.m. producida es de 1,791 a 12,426 mV. Aplicaciones: Altas temperaturas en general.


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Tipos de termopares – Tipos especiales Tungsteno – Rhenio: termopar que puede ser utilizado en forma continua hasta 2300 ºC y por periodos cortos hasta 2750 ºC Iridio – Rhodio/Iridio: Utilizados por periodos limitados hasta 2000ºC Oro –Hierro/Chromel: Utilizados en temperaturas criogénicas


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Termopares – Agrupación por incertidumbre Clase 1 Clase 2 Incertidumbres (+/-) 0.5ºC o 0.4% 1ºC o 0.75% Límites de temperatura para la validez de las incertidumbres Tipo T -40 a 350ºC -40 a 350ºC Incertidumbres (+/-) 1.5ºC o 0.4% 2.5 ºC o 0.75% Límites de temperatura para la validez de las incertidumbres Tipo E -40 a 800ºC -40 a 900ºC Tipo J -40 a 750ºC -40 a 750ºC Tipo K -40 a 1000ºC -40 a 1200ºC Tipo N -40 a 1000ºC -40 a 1200ºC Incertidumbres (+/-) 1ºC + 0.3% de It-1000 1.5ºC o 0.25% Límites de temperatura para la validez de las incertidumbres Tipo R o S 0 a 1600ºC 0 a 1600ºC Tipo B 0 a 1600ºC 600 a 1700ºC

Calse 3 1ºC o 1.5% -200 a 40ºC 2.51ºC o 1.5% -200 a 40ºC 0 -200 a 40ºC -200 a 40ºC 4ºC o 0.5% 0 600 a 1700ºC


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Termopares – Coeficientes Seebeck Tipo de Termopar a 0 ºC B -0,25 V/ºC E 58,7 V/ºC J 50,4 V/ºC K 39,5 V/ºC S 5,40 V/ºC

Tensión de salida a a 100 ºC 100 ºC 0,90 V/ºC 67,5 V/ºC 54,4 V/ºC 41,4 V/ºC 7,34 V/ºC

0,033 mV 6,32 mV 5,27 mV 4,10 mV 0,65 mV

Coeficientes de Seebeck y tensiones de salida para los termopares utilizados habitualmente. Las dos cifras que representan los coeficientes para cada uno de los tipos muestran la no linealidad a través de una amplia gama de temperaturas


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Termopares – Códigos de colores TIPO

K J T R/S

Norma ASTM

Norma BS

Norma DIN

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Termopares – Acondicionamiento de señal Ejercicios: Una termocupla tipo N está dando una lectura de 2050μV. La unión de referencia isotérmica se encuentra a 18ºC en el momento de la lectura. Cuál es la temperatura?

1. Los valores de las tablas se obtienen para el punto triple del agua. 2. La ecuación 4.50 es válida al referenciar al punto triple del agua


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Termopares – Acondicionamiento de señal Solución: Una termocupla tipo N está dando una lectura de 2050μV. La unión de referencia isotérmica se encuentra a 18ºC en el momento de la lectura. Cuál es la temperatura? Uth= U1(t)+U2(18ºC)

Según la tabla: U2(18ºC)= 472μV Así: Uth= 2050μV+472μV= 2522μV Según la tabla, esta tensión corresponde a t= 91,5ºC


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Termopares – Acondicionamiento de señal Por el ejercicio se nota que la complejidad de la medición de temperatura por este sistema se halla en la corrección por la temperatura de referencia.. Una solución anteriormente usual era la de contar con lo que se denomina un block isotérmico, el cual consistía en un contenedor ya sea con agua en el punto triple (0ºC) o en un sistema calefaccionado a 60ºC en forma controlada. Una de las uniones de la termocupla se encontraba en ese block. Obviamente esto exigía el control constante de las condiciones del block para asegurar la medición Hoy la electrónica lo soluciona de mejor manera.y el block isotérmico es un cabezal de conexiones


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Termopares – Acondicionamiento de señal Para este fin se aprovecha una característica de un transistor bipolar, que en otras aplicaciones se considera como una desventaja, cual es la variación de la corriente de colector en función de la temperatura para una tensión base emisor constante. A la inversa, manteniendo constante la corriente de colector, la tensión base emisor disminuirá en función de la temperatura

UBE


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Termopares – Acondicionamiento de señal El comportamiento de la tensión base emisor es lineal en pequeños rangos, pero se pueden hacer diversas conbinaciones de conexiones incluyendo amplificadores operacionales, hasta obtener la mayor linearidad posible en la banda de trabajo. Se pueden obtener valores desde 200μV/K hasta 10mV/K. Estos sensores de temperatura se consiguen comercialmente ya como circuitos integrados, por ejemplo STP35 de TI o LM335 de Matsushita o el AD592 de Analog Devices. Ajustando estos integrados para el rango de temperatura ambiente, se puede obtener el control de la temperatura de referencia según el siguiente esquema.


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Termopares – Acondicionamiento de señal Tm

C

A

Uth B Tr

C

=

Block isotérmico

Se adiciona a la tensión generada por Tm-Tr en el sensor, una tensión correspondiente a la diferencia Tr-T0, de modo que Uth sea igual a la tensión de Seebeck correspondientes a Tm-T0


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Termopares – Acondicionamiento de señal Cu

Fe Tm

+ Uth

Utm =

Cu-Ni

Utr Tr

En este caso la corrección por la temperatura ambiente se inyecta a la salida del amplificador operacional, siendo requeridos amplificadores con sensibilidad coordinada con la del termopar y


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Sitios WEB de referencia http://www.tecnoedu.com/Pasco/CI6526.php http://www.koboldmessring.com/spanish/pdf/t2es_ttd.pdf http://www.e-instru.com/cat1_1.htm http://www.jumoprocess.com http://www.provindus.com.py http://www.endress.com

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