Lección X: Termopares
1. Principios de funcionamiento y generalidades g eneralidades de un termopar Los termopares son quizás los dispositivos eléctricos más comunes en la medida de temperatura. Los termopares son transductores de temperatura generadores, es decir, generan una señal eléctrica función de la temperatura sin necesidad de alimentación eléctrica. Los termopares se basan en dos efectos reversibles, el efecto de Peltier y el efecto de Thompson, aunque quien primero lo descubrió, pero de manera experimental, fue Thomas Seebeck en 1822. Seebeck observó que en un circuito formado por dos metales homogéneos A y B, con dos uniones a diferentes temperaturas T 1 y T 2, aparece una corriente eléctrica (figura 1a). Es decir, hay una conversión de energía térmica (temperatura) (t emperatura) a energía eléctrica (corriente). Por tanto, si se abre el circuito, aparece una fuerza termo-electromotriz (ftem) que depende únicamente de la naturaleza de los metales A y B y de la diferencia de temperaturas entre las dos uniones: Esta fuerza termoelectromotriz es, por tanto, independiente de la resistividad, de la sección y de la distribución o gradientes de temperatura. Al conjunto de dos metales distintos con una unión forme en un punto se le denomina termopar.
(a)
(b)
Figura 1. Efecto Seebeck
Para medir la temperatura con un termopar, tal y como muestra la figura 2, dos conductores de distinto material se unen en el punto en donde se quiere medir la temperatura T m (unión de
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Ana Pozo Ruz medida) y los extremos libres de ambos conductores se mantienen a una misma temperatura T r conocida (unión de referencia o unión fría). Aparece por tanto una tensión que es función de la diferencia entre las uniones (T m-T ) r y de la composición de los dos metales A y B. Una expresión aproximada y de validez general entre la tensión y diferencia de temperatura es: (x.1) donde T m la unión de medida, T r la unión de referencia y C 1 y C 2 constantes que dependen de los metales A y B.
Figura 2. Medida de temperatura con un termopar
1.2.1 Inconvenientes de los termopares La aplicación de los termopares a la medida de temperaturas está sujeta a un serie de limitaciones que conviene conocer de cara a su uso correcto. En primer lugar, la temperatura máxima que alcance un termopar sebe ser siempre inferior a su temperatura de fusión. Por lo tanto, hay que elegir un modelo adecuado a los valores de temperatura a medir. También debe garantizarse que el medio en el que se mide no ataque a ninguno de los metales de la unión. En segundo lugar, la corriente que circule por el circuito del termopar debe ser mínima. De no ser así, por el carácter reversible de los efectos termoeléctricos, la temperatura de los conductores, y en particular de las uniones, sería distinta a la del entorno debido al flujo de calor desde y hacia el circuito. Esto llevaría a que la unión de medida alcanzara una temperatura distinta a la que se desea medir y la unión de referencia a una temperatura distinta a la supuesta, con los consiguientes errores. Los conductores, además, deben ser homogéneos, por lo que conviene extremar las precauciones para que no sufran tensiones mecánicas ni térmicas. Otra limitación es la de mantener la unión de referencia a una temperatura fija si se desea medir la temperatura de la otro unión, pues todo cambio en dicha unión de referencia será una fuente de error. Repercute en ello que la tensión de salida es muy pequeña. Si además la temperatura de referencia no es muy próxima a la de medida, resultará que la señal ofrecida 2
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Ana Pozo Ruz tendrá un nivel alto constante en el que los cambios de temperatura de interés puede que provoquen sólo pequeñas variaciones de tensión. Además, como muestra la ecuación (x.1), existe una no linealidad entre la tensión generada y el incremento de temperatura que la origina para un par de metales A y B determinados. La realización de termopares “útiles” viene limitada, precisamente, por el interés de que la constante C 2 de la expresión (x.1) sea muy pequeña para que la relación tensión-incremento de temperatura sea lineal. El hecho de que C 2 sea pequeña restringe mucho las posibilidades de elección de los metales A y B. Así, por ejemplo, para el termopar cobre/constantan, se tiene que: (x.2) Esta no linealidad puede que requiera una corrección que se realiza en el circuito de acondicionamiento de señal. Por tanto, considerando todos estos factores, es difícil tener un error menor a 0.5ºC en la medida de temperaturas con termopares.
1.2.2 Ventajas de los termopares A pesar de estas limitaciones, los termopares tienen muchas ventajas. Así, los termopares son los transductores de uso más frecuente para la medida de temperaturas. Tienen un rango de medida grande, no sólo en su conjunto, que va desde -270ºC hasta 3000ºC, sino también en cada modelo particular. Su estabilidad a largo plazo es aceptable y su fiabilidad elevada. Para temperaturas bajas tiene mayor exactitud que los RTD y, por su pequeño tamaño, permiten tener buenos tiempos de respuesta, del orden de milisegundos. Además, son robustos, simples y flexibles en cuanto a su utilización, y se disponen de modelos de bajo precio que son suficientes en muchas aplicaciones. Dado que no necesitan de alimentación, no tienen los problemas de autocalentamiento que presentan las RTDs, en particular al medir la temperatura de los gases. Además, permiten el uso de hilos de conexión largos (hilos de extensión).
2. Leyes de aplicación práctica de los termopares La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos anteriormente, está sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran medida el análisis de circuitos con termopares. 1º) Ley de los circuitos homogéneos . La tensión de salida de un termopar determinado
formado por dos conductores A y B con sus uniones a temperaturas T 1 y T 2 depende únicamente de la diferencia de temperaturas de las uniones ( T 1- T 2) y es independiente de la temperatura en cualquier otra parte del circuito si los dos metales que se utilizan son ambos homogéneos.
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Ana Pozo Ruz La figura 3 muestra gráficamente esta ley. Para un termopar formado por los metales A y B, Las temperaturas T 3 y T 4 no cambian la ftem debido a la diferencia de temperatura de las uniones (T 1- T 2). Así, si se considera que las temperaturas de las uniones son idénticas, T1=T2, y se calienta el metal A o B, no se origina ftem. Es decir, las temperaturas intermedias a las que pueda estar sometido cada conductor no alteran la tensión debido a una determinada temperatura entre las uniones.
Figura 3. Ley de los circuitos homogéneos 2º) Ley de los metales intermedios . La suma algebraica de las ftem en un circuito compuesto de
un número cualesquiera de metales distintos es cero si todo el circuito está a una temperatura uniforme. Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida, sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura (figura 4). El instrumento de medida se puede intercalar en un conductor (figura 4b) o en una unión (figura 4c) .
(a)
(b)
Figura 4. Ley de los metales intermedios
Así, como muestra la figura 4a, si se incluye el metal C en uno de los conductores, la tensión ftem no se modifica, supuesto que las dos nuevas uniones AC y CA se mantienen a la misma temperatura T 3. Si el metal C se incluye en una unión, como muestra la figura 4b, la ftem no varía si las dos uniones formadas AC y CB se mantienen a la temperatura original T 1. Un corolario de esta ley es que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero, se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Gráficamente, queda expresado en la figura 5. Por lo tanto, no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a la ftem detectada con un par determinado. Basta conocer su comportamiento con un tercero. Por convenio, se toma como metal de referencia el platino.
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Figura 5. Corolario de la ley de los metales intermedios 3º) Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias . Si dos metales homogéneos distintos
producen una ftem E 1 cuando las uniones están a las temperaturas T 1 y T 2, y una ftem E 2 cuando las uniones están a las temperaturas T 2 y T 3, la ftem cuando las uniones estén a T 1 y T 3 será la suma algebraica de E 1+E 2. La figura 6 muestra gráficamente esta ley.
Figura 6. Ley de las temperaturas intermedias
Esta ley permite utilizar las tablas de los termopares (que generalmente se dan para el caso de la unión de referencia a 0ºC) aunque la unión de referencia no se encuentre a esta temperatura.
3. Tipos de termopares Aunque en principio un termopar puede construirse con dos metales homogéneos diferentes cualquiera, la necesidad de una elevada sensibilidad, estabilidad a lo largo del tiempo, y muy especialmente la necesidad de termopares lineales (ecuación x.1), ha llevado a que tan sólo se utilicen determinados materiales para la construcción de termopares. Materiales aptos para la construcción de los termopares son las siguientes aleaciones especiales: Cromel: 90% Ni, 10% Cr Alumen: 95% Al, 5% Ni Constantan: 55% Cu, 45% Ni Nicrosil: 84.6% Ni, 14.2% Cr, 1.4% Si Nisil: 95.5% Ni, 4.4% Si, 1% Mg La tabla 1 recoge las características de algunos termopares más comunes y su designación de acuerdo con las normas ANSI.
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Designación ANSI
Composición
Margen habitual
mv/margen
B
Pt(6%)/Rodio – Pt(30%)/Rodio
38 a 1800ºC
13.6
C
W(5%)/Renio – W(26%)/Renio
0 a 2300ºC
37.0
E
Cromel – Constatán
0 a 982ºC
75.0
J
Hierro – Constantan
0 a 760ºC
42.9
K
Cromel – Alumen
-184 a 1260ºC
56.0
N
Nicrosil - Nisil
-270 a 1300ºC
51.8
R
Pt(13%)/Rodio - Pt
0 a 1593ºC
18.7
S
Pt(10%)/Rodio - Pt
0 a 1538ºC
16.0
T
Cobre - Constantan
-184 a 400ºC
26.0
Tabla 1. Termopares comunes
Los termopares tipo J son versátiles y de bajo coste. Se pueden emplear en atmósferas oxidantes y reductoras. Se aplican a menudo en hornos de combustión abiertos a la atmósfera. Los termopares K se emplean en atmósferas no reductoras y, en su margen de medida, son mejores que los de tipo E, J y T cuando se trata de medir en atmósferas oxidantes. Los termopares tipo T resisten la corrosión, de modo que se pueden emplear en atmósferas de alta humedad. Los termopares tipo E son los de mayor sensibilidad y resisten la corrosión por debajo de 0ºC y las atmósferas oxidantes. Los termopares N resisten la oxidación y ofrecen mejor estabilidad a altas temperaturas. Los termopares con metales nobles (B, R y S) tienen muy alta resistencia a la oxidación y a la corrosión.
4. Curvas o tablas de calibración de los termopares La tensión entre los terminales de un termopar depende de la temperatura de las dos uniones, es decir, de la temperatura de la unión situada en la zona en la que se desea medir (temperatura de medida) y de la temperatura de referencia, es decir, la temperatura a la que se encuentra la unión con el equipo de medición (figura 2). Por la ley de las temperaturas intermedias de la aplicación práctica de los termopares, basta con calibrar cada termopar con respecto a una misma temperatura de referencia, considerada 0ºC. Las curvas de calibración de los termopares se encuentran recogidas en tablas, existiendo una tabla para cada termopar donde se recoge las ftem en mV siendo la unión de referencia 0ºC. Las tensiones o temperaturas no reflejadas en la tabla se obtienen mediante interpolación lineal. La figura 7 presenta la tabla de un termopar tipo K. 6
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Figura 7. Tensión entre los terminales de un termopar tipo K en función de la temperatura de la unión cuando la unión de referencia está a 0ºC
Ejemplo: Se dispone de un termopar que presenta la curva de calibración mostrada en la figura 7 cuando una de las uniones se mantiene a 0ºC. a) Si la temperatura de una de las uniones es de 145ºC y la unión con el equipo de medición es de 20ºC, ¿cuál sería la tensión medida? b) Si la tensión medida fuese de 3.422mV, ¿a qué temperatura está la zona de la unión suponiendo que el equipo de medición sigue a 20ºC? c) Si ahora la tensión medida es de 5mV y la unión de referencia está a 0ºC, ¿cuál es la temperatura de la unión medida?
Solución:
a) Aplicando la ley de las temperaturas intermedias:
De la tabla se obtiene que:
y
. Por tanto, la tensión medida será de:
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b) Si la tensión medida :
cuando una unión está a una temperatura
y la otra unión a 20ºC es de
De la tabla del termopar K se obtiene que esta tensión se corresponde con una temperatura de la zona caliente igual a 103ºC. c) En la tabla de la figura 7 se observa que:
Es decir, la sensibilidad en esta zona es de
. Interpolando linealmente:
5. Efecto de las uniones parásitas Para medir la tensión en un termopar se necesita unir los terminales del mismo con el equipo de medida, cuyas conexiones estarán realizadas, en general, de diferentes materiales a los que constituye el termopar (generalmente el cobre). Aplicando la ley de los metales intermedios, si las nuevas uniones entre cada uno de los metales del termopar y el cobre está a la misma temperatura, la tensión medida en estas condiciones corresponde a la que presentaría el termopar original, pero siendo la unión de referencia el punto de contacto con los terminales de conexión (figura 8). La ftem entre cada una de las nuevas uniones y el equipo es idéntica, por lo que se cancelan en la medida. Para garantizar que las uniones con el equipo se encuentren a la misma temperatura, se suelen utilizar conectores especiales isotérmicos que garantizan una distribución uniforme de la temperatura de forma que sea idéntica en las dos uniones.
Figura 8. Medida de la temperatura con un termopar con bloque isotérmico
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Ana Pozo Ruz La figura 9 presenta el aspecto de un termopar comercial con la vaina protectora y el conector isotérmico.
Figura 9. Aspecto de un termopar comercial
6. Compensación de la unión de referencia en circuitos termopares Como ya se ha mencionado, para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente (baño de hielo y agua), para garantizar los 0ºC (figura 10). Es una solución de gran exactitud, bien construido el error puede ser de unos 0.001ºC, y de fácil montaje. Sin embargo, resulta muy complicado de mantener y su coste es muy elevado. Su uso queda prácticamente reducido a los laboratorios para realizar calibraciones.
Figura 10. Medida de la temperatura con la unión de referencia fija (baño de hielo fundente)
Otra posibilidad es emplear la compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero éstas se detectan con otro transductor de temperatura dispuesto en la vecindad de la unión de referencia, y se suma a la tensión medida una tensión igual a la generada en la unión de referencia. La compensación de la unión de referencia se puede hacer de dos modos distintos:
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Ana Pozo Ruz a) Compensación software con termistor . Las curvas de calibración de los termopares muestran la tensión que proporcionan siempre que la unión de referencia esté a 0ºC. Para una temperatura de la unión de medida y de la unión de referencia cualquiera, la tensión proporcionada sería, aplicando la ley de los metales intermedios:
Por tanto:
Así pues, el objetivo de la compensación software consiste en sumar a la tensión que proporciona el termopar , la tensión que correspondería al mismo termopar en el que las temperaturas de las uniones fueran y 0ºC. A partir de la tensión resultante se puede determinar la temperatura de la unión de medida directamente de la tabla del termopar. Para obtener la tensión se mide la temperatura de la unión de referencia con otro sensor, como puede ser un termistor colocado en el propio bloque isotérmico, y realizar además un circuito de acondicionamiento que proporcione la tensión a sumar (figura 11).
Figura 11. Compensación software con un termistor
b) Compensación hardware. La compensación hardware consiste en cancelar el voltaje de la unión de referencia generando una tensión de igual valor y sentido opuesto, tal y como muestra la figura 12.
Figura 12. Compensación hardware de la temperatura de referencia
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7. Acondicionamiento de señal para termopares Los termopares proporcionan bajos niveles de salida, por lo que necesitan un amplificador de alta precisión, con derivas despreciables y poco ruido. Aunque los circuitos acondicionadores necesarios para los termopares pueden ser diseñados con amplificadores y componentes discretos, en algunos casos, compensa más utilizar acondicionadores integrados por su fiabilidad y relativo bajo costo. Algunos de los acondicionadores integrados para termopares de uso más frecuente son el 1B51 y, especialmente, el AD594/AD595 de Analog Devices (ver hojas de características). Estos últimos permiten amplificar la salida del termopar y compensar la tensión de su unión de referencia si el circuito integrado y la unión de referencia se encuentran a la misma temperatura. El AD594 está específicamente calibrado para un termopar tipo J y el AD595 para un termopar tipo K. Sin embargo, pueden emplearse también con otros tipos de termopares si se hace una recalibración. La figura 13 muestra el diagrama de bloques del AD594/AD595 y su configuración básica para operar con una sola fuente de alimentación (figura 13a) o con dos (figura 13b). El termopar se conecta entre los terminales 1 y 14 y la salida se obtiene en los terminales 8 y 9, normalmente conectados entre sí.
a)
b) Figura 13. Configuración básica del AD594/AD595. a) Operación con una fuente de alimentación, b) Operación con dos fuentes de alimentación
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Ana Pozo Ruz Como se indica en las hojas de características, el AD594/AD595 se ha diseñado para conseguir una salida proporcional a la temperatura, con una sensibilidad de a y para compensar de modo preciso la tensión de la unión de referencia sobre el rango de operación del circuito integrado y la unión de referencia se encuentran ambos a la misma temperatura. La señal de salida del AD594/AD595 tiene la siguiente expresión: (x.3) Despejando:
(x.4)
Como se ha comentado, el circuito puede funcionar con una o dos fuentes de alimentación. Si se utiliza una sola fuente de alimentación de , con la configuración típica de la figura 13a, se pueden realizar medidas en el rango de con el termopar tipo J (AD594) o K (AD595). Si la fuente de alimentación es de , se pueden medir hasta con el termopar tipo J y con el termopar tipo K. Si se utiliza una fuente doble, como muestra la figura 13b, el AD594/AD595 permite acondicionar la señal de salida de los termopares para medir tanto temperaturas positivas como negativas. Los errores debido al autocalentamiento se minimizan utilizando tensiones de alimentación lo más bajas posibles.
Nota a las ecuaciones (x.3): El AD594/AD595 se ha diseñado para conseguir una salida proporcional a la temperatura, con una sensibilidad de a . En el caso del AD594, que trabaja con el termopar tipo J, de la tabla de calibración a (tabla página 3 de las hojas de características), se tiene que su sensibilidad a la temperatura de a es:
La ganancia del AD594 vale, por tanto:
El valor de se corresponde al offset (ver hojas de características). De idéntica manera se procederá con el AD595 para el cálculo de la ganancia.
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Bibliografía [1] Analog Devices Datasheet, “AD594/AD595 Monolithic Thermocouple Amplifiers with Cold Junction Compensation ” .
[2] M. Granda Miguel y E. Mediavilla Bolado, “Instrumentación electrónica: transductores y acondicionamiento de la señal” , Textos Universitarios, Universidad de Cantabria, 1º Edición, Santander, 2010. [3] R. Pallás Areny, “Sensores y acondicionadores de señal”, Editorial Marcombo, 4º Edición, Barcelona, 2007. [4] M. A. Pérez García, J. C. Álvarez Antón, J. C. Campo Rodríguez, F. J. Ferrero Martín y G. J. Grillo Ortega , “Instrumentación electrónica”, Editorial Thomson, 1º Edición, Madrid, 2004.
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