ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECÁNICA ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL “FUNDAMENTOS DE LOS TERMOPARES”
FERNANDO CHALÉN ANGEL GUAMÁN LOZANO PEDRO LEONES SEBASTIAN VICENTE
NOVENO NIVEL
TERMOPARES. En el campo de la instrumentación, las mediciones de temperatura son de lo más común, sin embargo, si no se emplean las técnicas o los equipos adecuados, estas mediciones pueden ser erróneos y/o costosos. El termopar es por mucho el sensor de temperatura más usado en la industria por diferentes razones, podemos mencionar entre otras el amplio intervalo de temperatura de uso, su robustez, la relativa buena exactitud, rápida respuesta a cambios de temperatura, versatilidad de uso y bajo costo. Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula atreves de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula atreves de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Es decir la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica a si mismo si se resta el calentamiento óhmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar. esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor.
Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. 2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'. 3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3.
Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia. El termopar fue descubierto por Thomas Seebeck en 1831. Él descubrió que una corriente eléctrica fluía en un circuito cerrado de dos metales distintos cuando una de las uniones era calentada. La magnitud y dirección de la corriente son función de la diferencia de temperatura de las uniones y de las propiedades térmicas de los metales usados en el circuito. A este fenómeno se le conoce como efecto Seebeck.
Si abrimos este circuito, obtenemos una diferencia de potencial pequeña (milivolts), la cual es directamente proporcional a la temperatura de la unión y a la composición de los dos metales.
Medición. La diferencia de potencial (ddp) no puede ser medida directamente con un voltímetro debido a que la unión del termopar con el voltímetro crea un nuevo circuito termoeléctrico. En Instrumentación industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado Celsius son difíciles de obtener. Vamos a suponer por ejemplo, que conectamos un voltímetro a un termopar tipo T (Cobre – Constantan) para conocer su ddp.
Tipos de termopares Tipo K (Cromo (Ni-Cr) (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200º C a +1.372º C y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación. Cu-Ni)): ): No son magnéticos y gracias Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni) a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/° C. Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760º C ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40º C a +750º C y una sensibilidad de ~52 µV/° C. Es afectado por la corrosión. Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr (Ni-Cr-Si -Si / Nisil (Ni-Si) (Ni-Si)): ): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. Tipo T (cobre Vs. cobre-níquel) mide temperaturas entre -250 a 400°C
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/° C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300º C). Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800º C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0º C y 42º C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50º C. Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300º C. Su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio quitan su atractivo.
Tipo S (Platino / Rodio): Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300º C, pero su baja sensibilidad (10 µV/° C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43° C). Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar. CÓDIGO DE COLORES
Aplicaciones industriales de los termopares: t ermopares: Los termopares actualmente tienen grandes e importantes aplicaciones industriales ya que casi todos lo procesos en la industria requieren un estricto control de la temperatura y el uso de termopares ayuda a la automatización del control de la temperatura ya que se pueden implementar programas que ejecuten acciones especificas dependiendo de la temperatura que se tenga en un momento dado del proceso industrial. pero el asunto radica en distinguir como va a efectuarse el contacto de el termopar con la variable a medir es decir ciertos procesos industriales generan reacciones químicas radioactivas o excesivamente caloríficas o en ocasiones peligrosas para los humanos en estas circunstancias el control debe ser a distancia y se deben de implementar extensiones que requieren un cuidado excesivo por otro lado al termopar se le debe de poner una vaina de protección que lo proteja pero que al mismo tiempo no perjudique la lectura de el mismo Primero hablaremos de las extensiones, los cables de extensión son conductores con propiedades eléctricas similares a las de los termopares hasta ciertos límites de temperatura y son mas económicos. Se suelen utilizar los siguientes: Conductores tipo J para termopares tipo J Conductores tipo K o tipo T par termopares tipo K Conductores tipo T para termopares tipo T Conductores tipo E para termopares tipo E Conductores cobre-cobre níquel para termopares tipo R, So B Las conexiones entre el cable de compensación, el termopar y el instrumento deben ser perfectas, sin empalmes en el cable de compensación, utilizando el hilo correcto y el conjunto de la instalación debe evitar el paso próximo por fuentes de calor(aparece el efecto Thompson) si estas recomendaciones no se cumplen aparecen tensiones
térmicas de corriente continua que dan lugar a un desplazamiento en la l a calibración de el instrumento . El termopar es susceptible al ruido eléctrico industrial debido a que durante su funcionamiento puede generar tensiones de 2 a 50 mV y se encuentra en un entorno donde las grandes maquinas eléctricas pueden crear cientos de milivoltios en el cable de conexión . Por otro lado el termopar trabajando como una antena puede recoger radiación electromagnética de radio televisión y microondas. De aquí que se requiera que los cables de conexión estén torcidos y dentro de una funda metálica que se pone a tierra, que la unión de medida este puesta a tierra y que el amplificador tenga una buena relación señal/ruido En lo referente a la vainas de protección depende de el proceso industrial es el tipo de vaina que se va a usar por ejemplo en el proceso de fabricación de el cemento en la salida de los altos hornos se usa una vaina de iconel o hierro o también pirómetros de radiación (un pirómetro es un dispositivo que centra el calor en un solo punto para facilitar la lectura de la temperatura).otros ejemplos que mencionar es en el proceso de fabricación de la cerámica en los hornos se utilizan protecciones cerámicos o pirómetros de radiación en el proceso de esmaltacion y vitreo se usan vainas de iconel o hierro. En el proceso de fabricación de alimentos se acero inoxidable como vaina y en los procesos petroquímicos casi en todos los procesos se usa acero inoxidable. Y en procesos de fabricación que excedan los 1000ºc a veces se usa carburo de silicio.
Es necesario considerar una situación hipotética en la cual no se respete el tipo de familia de cada elemento del instrumento. Por lo tanto ponemos a consideración el siguiente ejercicio: DETERMINAR EL ERROR EN °C SI EN UN CIRCUITO DE MEDIDA TIPO J SE INSTALA UN CONTROLADOR K, EL SETPOINT ESTA GRADUADO EN 250 °C Y LA TEMPERATURA AMBIENTE ESTA EN 30°C CABLES DE EXTENSIÓN TIPO J CONTROLADOR TIPO K TERMOPAR TIPO J
250 ° C
Para resolver este problema nos valemos del siguiente gráfico:
K
fem= 10,153
K
fem= 1,203
J
fem= 1,537
T
30°C
250°C
Se utiliza principalmente para tener una mejor visualización del problema.
El controlador tipo K necesita 10,153 mV para mostrar una lectura de 250 ºC en el display según la tabla Nº 01
TABLA 1. Valores de voltaje en función de la temperatura en termopares tipo K
Se debe tener en consideración que los controladores tiene incorporado un medidor para la temperatura ambiente por lo tanto necesitamos ese valor de la misma tabla a una temperatura de 30 ºC:
TABLA 2.. 2.. Valores de voltaje en función de la temperatura en termopares tipo K
A una temperatura de 30 ºC obtenemos un valor valor de 1,203 mV. En consecuencia consecuencia el valor que debe provenir del termopar es: f.e.m.= 10,153 - 1,203 = 8,95 mV
Este voltaje corresponde a la f.e.m. que debe llegar en los cables extensores. Cabe recalcar que estos valores pertenecen a condiciones ideales de funcionamiento, es decir en un ambiente a 0 ºC, por tal motivo se debe corregir la cifra sumando la f.e.m. de producen los cables que transportan esta señal tomando el valor de la tabla 3: f.e.m.= 8,95 + 1,537 = 10,487 mV
TABLA 3. Valores de voltaje en función de la temperatura en termopares tipo J
Una vez obtenido ese valor de voltaje procedemos a establecer el valor de temperatura que corresponde en una termocupla tipo J
TABLA 4. Valores de voltaje en función de la temperatura en termopares termopares tipo J error, es decir, que al El valor de temperatura corresponde a 195 ºC obteniendo 55 ºC de error, momento de equivocarnos de familia en los elementos de medida corremos el riesgo de obtener valores erróneos que mas tarde pueden provocar grandes y graves daños. Para procesos que exigen un mayor grado de exactitud podemos interpolar los valores de la tabla. Al igual que este caso podríamos seguir la misma secuencia para resolver otro tipo de ejercicios.
