Termopares: cómo funcionan y cómo utilizarlos

Los termopares son termómetros que se utilizan ampliamente en la medición de temperatura industrial. Son especialmente adecuados para medir altas temperaturas. ¿Pero cómo funcionan los termopares? ¿Cómo medir temperaturas con dos cables simples? La clave para entenderlo está en el efecto Seebeck.

fondo

El efecto Seebeck, descrito por primera vez por Thomas Johann Seebeck en 1821, es el fenómeno por el cual una corriente eléctrica débil fluye en un circuito formado por dos conductores diferentes cuando los puntos de contacto de los conductores tienen diferentes temperaturas. Esta conexión de conductores se llama termopar o termopar.

El efecto Seebeck

Para comprender el efecto Seebeck, podemos observar un solo conductor eléctrico. Dentro del conductor hay átomos entre los cuales se mueven los electrones libres. En un estado de equilibrio térmico, los electrones libres se distribuyen uniformemente por todo el conductor.

Sin embargo, cuando se aplica calor a un lado del conductor, la velocidad de los electrones libres en ese punto aumenta. El aumento de velocidad de los electrones los empuja hacia el extremo más frío del conductor. Este punto frío crea un centro de gravedad.

Sin embargo, este efecto por sí solo no permite una medición de temperatura reproducible porque depende en gran medida de la temperatura y no proporciona una relación constante entre temperatura y voltaje.

Aplicación del efecto Seebeck

Para lograr una medición de temperatura reproducible se pueden utilizar dos metales diferentes con diferente comportamiento de los electrones en relación con la temperatura. Cuando estos metales están conectados y hay una diferencia de temperatura entre los puntos de conexión , se crean diferentes centros de carga y un voltaje térmico medible.

Un ejemplo de termopar es el termopar tipo N, formado por NiCrSi y NiSi. Si hay una diferencia de temperatura entre los puntos de contacto de los dos conductores, se genera una tensión térmica mensurable que puede registrarse con un voltímetro.

Dos condiciones son importantes:

1. Los dos conductores deben estar conectados entre sí.
2. Debe haber una diferencia de temperatura entre los puntos de conexión T1 y T2.

Tipos de termopares comunes

Los termopares vienen en diferentes tipos, cada uno caracterizado por la combinación de materiales de sus cables. Cada tipo tiene sus propias ventajas y desventajas, así como áreas de aplicación específicas. Estos son algunos de los tipos de termopares más comunes:

• Tipo B (Platino-Rodio/Platino) :
  • Rango de temperatura: 0°C a 1.800°C
  • Precisión de alta temperatura
• Tipo E (Níquel-Cromo/Constantán) :
  • Rango de temperatura: -270°C a 1000°C
  • Alto voltaje térmico y buena precisión.
• Tipo J (Hierro/Constantán) :
  • Rango de temperatura: -210°C a 1200°C
  • No apto para atmósferas oxidantes superiores a 550°C.
• Tipo K (Níquel-Cromo/Níquel-Alumel) :
  • Rango de temperatura: -200°C a 1260°C
  • Amplio rango de temperatura y rentable
• Tipo N (Nicrosil/Nisil) :
  • Rango de temperatura: -270°C a 1300°C
  • Mejor estabilidad térmica y resistencia a la oxidación que el tipo K
• Tipo R (Platino-Rodio/Platino) :
  • Rango de temperatura: -50 °C a 1760 °C
  • Precisión de alta temperatura
• Tipo S (Platino-Rodio/Platino) :
  • Rango de temperatura: -50 °C a 1760 °C
  • Similar al Tipo R, de uso frecuente en las industrias del vidrio y la cerámica.
• Tipo T (Cobre/Constantán) :
  • Rango de temperatura: -270°C a 400°C
  • Bueno para bajas temperaturas, estable en atmósferas oxidantes.

Identificación mediante colores de mini enchufes

Los termopares son ahora componentes indispensables de muchas aplicaciones industriales e investigaciones científicas. Su capacidad para medir temperaturas de forma precisa y fiable los convierte en un instrumento importante. La correcta identificación de los termopares es crucial para una correcta medición de la temperatura.

Una forma es comprobar el color de los conectores y el aislamiento (códigos de colores). A lo largo de los años, se han desarrollado una variedad de tipos diferentes, compuestos por diferentes combinaciones de materiales. Para permitir una distinción clara, los diferentes tipos estaban provistos de colores identificativos. Estas combinaciones de colores se muestran en tablas de colores. Sin embargo, cabe señalar que existen diferentes códigos de colores para los diferentes países, por ejemplo los clasificados según «IEC» (Comisión Electrotécnica Internacional), «BS» (British Standard) o «ANSI» (American National Standards Institute).

Un ejemplo de las diferencias en la codificación de colores es el Tipo R. Según la norma IEC, tiene aislamiento naranja, mientras que según la norma BS está marcado en verde. Estas diferencias pueden causar confusión, especialmente cuando se utilizan termopares de diferentes países. Por tanto, es importante conocer y tener en cuenta las normas pertinentes.

A continuación se muestran algunos tipos comunes y sus códigos de color correspondientes:

Tipo K: IEC – verde; BS – amarillo; ANSI-amarillo
Tipo J: IEC – negro; BS – blanco; ANSI – blanco
Tipo T: IEC – marrón; BS – azul; ANSI-azul
Tipo E: IEC – violeta; BS – morado; ANSI-púrpura
Tipo N: IEC – rosa roja; BS – naranja; ANSI – naranja

Limitar las desviaciones de los termopares.

Las desviaciones límite se refieren al error o inexactitud máximos que pueden ocurrir al medir la temperatura con un termopar.

La desviación límite se define en la norma IEC 60584 para termopares e indica el error máximo permitido que puede ocurrir durante la medición de temperatura para que aún se considere que cumple con la norma. La desviación límite se dará como un valor de temperatura absoluto (por ejemplo, ±1°C) y en rangos de temperatura más altos como un porcentaje de la temperatura medida.

Existen diferentes clases de termopares, cada una con diferentes límites de tolerancia. Algunos ejemplos:

• Clase 1 : estos termopares tienen las tolerancias más bajas y se utilizan para mediciones precisas.
• Clase 2 : son un poco menos precisos que la Clase 1, pero todavía se utilizan en muchas aplicaciones.
• Clase 3 : Tienen las mayores tolerancias y se utilizan en aplicaciones donde la precisión es menos crítica.

Es importante señalar que el rendimiento real de un termopar también se ve afectado por otros factores, como la calidad de los materiales utilizados, la construcción del termopar y las condiciones en las que se utiliza. Por lo tanto, es fundamental especificar y utilizar correctamente el termopar para garantizar que las mediciones estén dentro de las tolerancias esperadas.

Límite de desviación tipo K

Límite de desviación tipo N

Límite de desviación tipo R

Límite de desviación tipo S

El efecto K de los termopares tipo K

Los termopares tipo K, compuestos por termopares de NiCr y NiAl, se utilizan ampliamente en la industria gracias a su capacidad para usarse en un rango de temperatura extremadamente amplio (-270 °C a 1372 °C) y su alta sensibilidad a temperaturas relevantes para la industria. Muchas ventajas. . Sin embargo, no están exentos de errores, especialmente en un rango de temperatura determinado. Este es el llamado «efecto K».

Fondo:
Aunque los termopares tipo K se pueden utilizar en un rango de temperatura extremadamente amplio, solo son confiables en el uso diario por debajo de 250 °C o por encima de 600 °C. Esto se debe a un fenómeno especial conocido como efecto K o estado tipo K.

El efecto K:
La pata de NiCr de un termopar tipo K tiene una orientación ordenada en la red cristalina por debajo de 400°C. Cuando el elemento se calienta por encima de este punto, se produce una transición a un estado desordenado entre 400°C y 600°C. La rejilla sólo se reorganiza a partir de 600°C.

Sin embargo, un enfriamiento demasiado rápido genera problemas. A velocidades de enfriamiento de más de aproximadamente 100°C por hora, la red cristalina no se transforma como se desea y permanece en un estado desordenado. Esto puede provocar un error de tensión térmica de hasta 0,8 mV, lo que corresponde a una desviación de aproximadamente 5 °C.

Curiosamente, este efecto K es reversible. Mediante el llamado recocido a temperaturas superiores a 700°C y el posterior enfriamiento más lento, la rejilla puede volver en gran medida a su estado original.

Relevancia para la industria:
Debido a este efecto K, los termopares tipo K no son adecuados para mediciones entre 250 °C y 600 °C donde la temperatura cambia rápidamente. En este rango pueden tener errores muy grandes y no reproducibles, a menudo del orden de 2°C a 10°C.

Pensamientos finales:
Si bien los termopares tipo K se utilizan ampliamente en la industria debido a sus numerosas ventajas, como un amplio rango de temperaturas de funcionamiento y eficiencia económica, su ámbito de aplicación debe considerarse cuidadosamente. En particular, la falta de fiabilidad en el rango de 250 °C a 600 °C debido al efecto K puede provocar errores de medición importantes.

Se recomienda considerar alternativas como el termopar tipo N (NiCrSi-NiSi), que es menos susceptible a este efecto de ordenamiento de corto alcance al alear ambas patas con silicio.

conclusión

Los termopares son instrumentos simples pero poderosos para medir la temperatura. Se basan en el efecto Seebeck y generan una tensión medible que depende de la temperatura. Esta tecnología ha encontrado amplias aplicaciones en la industria y la investigación y proporciona un método confiable para medir la temperatura, especialmente a altas temperaturas.

Fuentes:

• Frank Bernhard: Manual de medición técnica de temperatura, segunda edición
• Thomas Klasmeier: Libro de mesa “Temperatura”, edición 3