10-4 TERMOPARES
El
dispositivo más común para la medición de temperaturas de procesos industriales
es el termopar. Un termopar es un par de alambres de metales
diferentes unidos en una malla completa, como se muestra en la figura 10—7(a). Los alambres distintos tienen dos puntos de unión,
uno en cada extremo de la malla.
Una unión, llamada unión caliente, es sujeta a una alta temperatura. La
otra unión, llamada unión fría, es sujeta a baja temperatura. Al hacer
esto, se crea un pequeño voltaje neto
en la malla. Este voltaje es proporcional a la diferencia entre las dos
temperaturas de las un iones.
Lo que ocurre en una malla de termopar es que se
produce un pequeño voltaje en cada unión de los metales distintos, debido a un contuso fenómeno llamado efecto
Seebeck. Entre mayor sea la temperatura en la unión, mayor será el
voltaje producido por esa unión. Es mas, la relación entre el voltaje y la
temperatura es aproximadamente lineal. Esto es, un incremento dado en la
temperatura produce un incremento en el voltaje. La constante de
proporcionalidad entre el voltaje y la temperatura depende de los dos metales
en uso. Puesto que una malla siempre tiene dos uniones. se producen dos
voltajes. Estos voltajes son opuestos entre sí en la malla, como se muestra en
la figura 10-7(b). El voltaje neto disponible para
transmitir corriente a través de la resistencia de la malla es la diferencia
entre los dos voltajes de unión individuales, los cuales dependen de la
diferencia entre las dos temperaturas de unión.
Para medir la diferencia de temperatura. Solo es
necesario romper la malla en un punto adecuado (en algún lugar frío) e insertar
un voltímetro. El voltímetro debe ser bastante sensible, pues el voltaje producido por una malla de
termopar es del orden de los milivolts. La lectura de voltaje puede convertirse
en una medición de temperatura haciendo referencia a tablas o gráficas estándar
que relacionan estas dos variables. En la figura 10-8 se
presentan gráficas de voltaje contra diferencia de temperatura para varios
termopares industriales comunes. En cada caso, el primer metal o aleación
metálica mencionado en el termopar es
Para evitar el problema de la identificación de los termopares por nombres o
marcas propietarias registradas, se ha adoptado un código de letras para los
tipos de termopares. Por tanto, los termopares tipo J tienen la
respuesta mostrada en la figura 10—8, sin importar el
nombre particular usado para identificar la aleación metálica. Lo mismo es
cierto para los termopares tipo K y R, y para otros
tipos no presentados gráficamente en la figura 10—8.
Al introducir un voltímetro en la malla del termopar, generalmente lo más
conveniente es insertarlo de la manera mostrada en la figura 10—7(c).
En esa figura, el metal A y el metal B no se tocan en la unión fría. En cambio,
ambos metales son puestos en contacto con alambres conductores de cobre
estándar. Las conexiones normalmente se hacen en una regleta de terminales. Los
alambres de cobre, entonces, se conectan al voltímetro sensible. Puede parecer
que esto alteraría el voltaje neto total generado en la malla del termopar,
pero esto no ocurre. El voltaje neto de la malla permanece igual pues ahora hay
dos uniones frías,
una entre el metal A y el cobre, y la otra entre el metal B y el cobre. La suma
de estos dos voltajes de unión producidos por estas uniones frías es igual al
voltaje que se habría producido en la unión fría única del metal A con el metal
B. Por supuesto, las dos uniones frías deben
mantenerse a la misma temperatura que
habría sentido la unión única. Este no es un problema. ya
que los alambres de cobre y las terminales siempre están en algún contenedor aislado
térmicamente del proceso en medición, y
que esta sujeto a la misma temperatura
a la que estaría sujeta
la unión única, es decir, la temperatura ambiente de la localidad industrial. Por tanto, el circuito de la figura 10—7(c) presentara la misma lectura que el circuito de la figura 10—7(b).
Un asunto adicional es importante en el uso de termopares en la industria.
Tiene que ver con la variación de la temperatura ambiente en las uniones
fías. Esta es la situación: si
supiéramos de antemano la temperatura de las uniones frías, entonces en
lugar de relacionar la lectura del voltímetro
con la diferencia de temperatura, se podría relacionarla con la temperatura de la unión caliente misma. Esto sería posible pues podríamos construir las tablas de
temperatura contra voltaje para que reflejaran el hecho de que las uniones frías están a una cierta temperatura de referencia (como
se le denomina) conocida.
Como ejemplo, considere el termopar tipo J de
la figura 10-8. La grafica muestra que, a una diferencia de temperatura de
De
hecho, esto es exactamente lo que se hace en las tablas de termopares
industriales. La cifra de 75° F se ha escogido porque representa una estimación
bastante razonable de la temperatura ambiental promedio en una instalación
industrial. (En las tablas de
termopares para uso de
laboratorio se considera literalmente que la temperatura de referencia es de
Para que el enfoque anterior funcione adecuadamente, la unión fría debe
mantenerse constantemente a la
temperatura de referencia de
Con toda la seguridad, el equipo de medición estará
ubicado junto con el equipo industrial y la maquinaria. La temperatura ambiente
podrá variar con facilidad en unos
Un método sencillo de compensación automática se presenta en la figura 10-7(d). Las dos fuentes de voltaje de CD y los cuatro
resistores están dispuestos de modo que los voltajes a través de R2 y R3 estén
en posición. Las polaridades de los voltajes a través de R1 y R4 no importan,
pues R1 y R4 están fuera de la malla del termopar. R3 es un resistor sensible a
la temperatura que tiene un coeficiente de temperatura negativo. Esto significa
que su resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura. El circuito
esta diseñado para que, a
Si la
temperatura de la unión fría cayera por debajo de
Muchos instrumentos industriales de medición y registro de temperatura
usan un puente de balanceo automático para indicar las temperaturas. El voltaje
de la malla del termopar es balanceado ajustando el cursor de un potenciómetro
en un circuito puente de
Wheatstone. El eje del potenciómetro está engranado a otro eje que opera la
aguja de indicación de la temperatura. Por tanto, por cada valor de voltaje en
la malla del termopar, hay una posición correspondiente de la aguja indicadora
de temperatura. Entonces se marca una escala de temperatura detrás de la aguja.