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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 la Terminal positiva, y el segundo metal o aleación metálica es la Terminal negativa.

 
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 400°F, el voltaje de la malla del termopar es de 1 2 mV. Si se supiera que la unión fría siempre estará, digamos, a 75°F, entonces podríamos concluir que un voltaje de la malla de 12 mV representaría una temperatura de la unión caliente de 475°F (475°F – 75°F= 400°F). Mientras la unión fría se mantuviera constantemente a la temperatura de referencia de 75°F, se podría ir directamente a la tabla del termopar y sumar 75°F a cada lectura de diferencia de temperatura. El valor de temperatura resultante entonces representaría la temperatura en la unioni caliente.

 
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 32°F, el punto de congelación del agua.)

 
Para que el enfoque anterior funcione adecuadamente, la unión fría debe mantenerse constantemente  a la temperatura de referencia de  75°F. Esto por lo general es impractico, a menos que el dispositivo de medición de temperatura esté colocado en un cuarto de control con aire acondicionado.

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 50°F en el invierno a unos 100°F en el verano. Son comunes los cambios de estación aun mayores en la temperatura ambiente. Debido a esta variación en la temperatura de la unión fría de las mallas de termopares industriales deben ser compensados.


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 75°F, el voltaje pequeño a través de R3 sea igual al voltaje pequeño a través de R2. Los voltajes a través de los dos resistores se cancelan exactamente uno a otro y la lectura del voltímetro tendería a disminuir, debido a la menor diferencia entre la unión caliente. Sin embargo, la resistencia de R3 disminuye a medida que aumenta la temperatura de la unión fría, resultando un voltaje menor a través de sus terminales. El voltaje de R3 ya no es igual al voltaje de R2. Por lo tanto la combinación r2-r3 introduce un voltaje neto a la malla que tiende a aumentar la lectura del voltímetro. Una revisión cuidadosa de las polaridades de los voltajes de la figura 10-7(d) comprobara que esto es cierto. Debido al diseño del circuito de compensación, el voltaje neto introducido por la combinación r2-r3 cancela exactamente la disminución en el voltaje de la malla causada por el aumento de la temperatura en la unión fría.

 Si la temperatura de la unión fría cayera por debajo de 75°F, la combinación R2-R3  introducirá un voltaje neto en la dirección opuesta. Esto compensa el aumento en el voltaje de la malla causado por Ia mayor diferencia de temperatura entre la unión caliente y la unión Iría. Verifique esto usted mismo revisando con cuidado las polaridades de la figura 10-7(d).

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.

 

 

 

 

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