TERMOPARES.

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1 TERMOPARES

2 INTRODUCCIÓN Ampliamente usados como sensores de temperatura.
Son económicos. Intercambiables. Tienen conectores estándar Capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Limitación en la exactitud (errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener). El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usadas en aplicaciones de calefacción a gas.

3 FUNCIONAMIENTO Efecto Seebeck:
Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" y el otro denominado "punto frío". Termopar del tipo K

4 FUNCIONAMIENTO Uniones de termopares con soldadura de estaño gracias a la ley de los metales intermedios. No es posible conectar un voltímetro al termopar para medir este voltaje: La conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión no deseada. Compensación de unión fría (CUF).

5 FUNCIONAMIENTO La temperatura de la unión fría:
Generalmente detectada por un termistor de precisión; comparación; temperatura verdadera en el extremo del termopar. Ocasionalmente en la CUF se usa un sensor de temperatura semiconductor. Cualquier error en la medición de la temperatura de la unión fría terminará en el error de la temperatura medida en el extremo del termopar.

6 LINEALIZACIÓN Energía generada por un termopar es una función no lineal de la temperatura. Aproximar por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos analógicos son usados en medidores de bajo costo.

7 TIPOS DE TERMOPARES

8 TIPOS DE TERMOPARES

9 TIPO K Bajo costo y en una variedad de sondas.
Calibración sin recubrimiento hasta 1100ºC. Con recubrimiento hasta 1260ºC. Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10% Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2% F.E.M. producida: -6,458 mV/ºC a 48,838 mV/ºC Pueden tener falta de homogeneidad de tipo mecánico. Existen cambios químicos asociados que se presentan durante su empleo (descalibración).

10 TIPO K Descomposición Verde: oxidación preferentemente del cromo sobre el Níquel en el exterior del elemento positivo, el cual se convierte entonces en negativo. Esto reduce la sensibilidad. El ataque del azufre sobre el elemento negativo lo convierte en quebradizo. Tanto el efecto de fragilidad del azufre, como la descomposición verde se pueden reducir con el empleo de tubos limpios protectores libre de grasa. En los termopares compactados, debido al cemento de oxido mineral, los alambres funcionan en una atmósfera neutra incluso aunque la vaina del par compactado se exponga al hidrógeno o a otro tipo de atmósfera reductora.

11 TIPO K Se recomienda en atmósferas oxidantes y a temperaturas de trabajo entre 500 y 150ºC. No debe ser utilizado en atmósferas reductoras ni sulfurosas a menos que este protegido con un tubo de protección (evitarse hidrógeno, monóxido de carbono u otros gases fuertemente reductores).

12 TIPO E Ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico gracias a su sensibilidad. Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10% Termolemento negativo: Cu55%, Ni45% F.E.M. producida: -9,835 mV/ºC a 76,373 mV/ºC (la mayor). Puede usarse en vacío o en atmósfera inerte o medianamente oxidante o reductora.

13 TIPO J Es el mas popular y ampliamente empleado de todas las combinaciones de metal base debido a su bajo coste. Termoelemento positivo: Fe99,5% Termolemento negativo: Cu55%, Ni45% Rango limitado. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. F.E.M. producida: -8,096 mV/ºC a 42,919 mV/ºC. Adecuado en atmósferas con escaso oxigeno libre. la oxidación de el hilo de hierro aumenta rápidamente por encima de 550ºC, siendo necesario un mayor diámetro del hilo hasta una temperatura limite de 750ºC.

14 TIPO T Termoelemento positivo: Cu 100%
Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45% F.E.M. producida: -6,258 mV/ºC a 20,872 mV/ºC. Temperatura máxima limitada por la oxidación del cobre por encima de 371ºC. Se debe evitar atmósferas en donde estén presentes amoníaco, peróxido de hidrógeno, azufre fundido, sulfuro de hidrógeno y anhídrido sulfuroso con un RH de 65% o mayor. El termopar tipo T, tiene una elevada resistencia a la corrosión por humedad atmosférica o condenación y puede utilizarse en atmósferas oxidantes o reductora.

15 TIPO N Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%
Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15% F.E.M. producida: -4,345 mV/ºC a 47,513 mV/ºC. 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.

16 TIPO S Los pares de calibración S se utilizan para medidas de temperatura industrial y como patrones primarios. Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10% Termoelemento negativo: Pt100% F.E.M. producida: -0,236 mV/ºC a 18,693 mV/ºC. Ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los ºC, pero su baja sensibilidad 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). Excelente resistencia a la oxidación.

17 TIPO S Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. Inestabilidad en la respuesta del sensor temperaturas inferiores a 0ºC. Por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos. Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno atacarán al termopar.

18 TIPO R Gran aceptación en las aplicaciones industriales de alta temperatura debido a su elevado poder termoeléctrico en estas condiciones. Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%. Termoelemento negativo: Pt100%. F.E.M. producida: -0,226 mV/ºC a 21,101 mV/ºC. Adecuados para la medición de temperaturas de hasta ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo. Excelente resistencia a la oxidación. Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno atacarán al termopar.

19 TIPO B Utilizado en la industria para temperaturas mas elevadas que ambos ya que con la aleación de Pt-Rh se logra que su temperatura de fusión se eleve y por lo tanto puede emplearse hasta temperaturas mayores. Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%. Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%. Adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a ºC. F.E.M. producida: 0,000 mV/ºC a 13,820 mV/ºC. Presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC. Excelente resistencia a la oxidación. Las atmósferas con gases reductores como el hidrógeno atacarán al termopar.

20 TIPO S,R y B Otro contaminador que afecta a la calibración atacando al par es el sílice. El sílice se encuentra en todos los tubos de carburo de silicio, tubos y aisladores de silimanita, que son los mas comúnmente usados con esta clase de pares por su economía. Para evitar el ataque de atmósferas reductoras y contaminación del Sílice en el extremo mas alto de la gama de temperaturas, deben utilizarse tubos protectores de Alúminia recristalizada y vitrificada entre el 97 y 99% de Alumina Pura. Se recomienda utilizar aisladores de una sola pieza con suficiente "espacio para respiración.

21 TIPOS DE TERMOPARES Los termopares tipo R, S y E se emplean en atmosferas oxidantes y temperaturas de trabajo de hasta 1500ºc. Si la atmósfera es reductora, el termopar debe protegerse con un tubo cerámico estanco. El material del tubo de protección debe ser el adecuado para el proceso donde se aplique y suele ser de hierro o acero sin soldaduras, acero inoxidable, iconel, carburo de silicio, etc...

22 CALIBRACIÓN

23 PROBLEMAS DE CONEXIÓN Son la causa de la mayoría de los errores de medición. Se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada. Se utilizan normas como la I.S.A. y ANSI-MC para clasificar el alambre del termopar.

24 RESISTENCIA Cables delgados:
Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta. Alta resistencia. Sensible al ruido. Errores debido a la resistencia del instrumento de medición. Se recomienda medir la resisténcia del termopar antes de utilizarlo.

25 DESCALIBRACIÓN Difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar.

26 RUIDO La salida de un termopar es una pequeña señal.
Se puede minimizar el ruido al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. En ambiente extremadamente ruidoso es necesario considerar usar un cable de extensión protegido.

27 OBSERVACIÓNES 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 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. 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.

28 USO DE VAINAS 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 pirometros de radiación. Proceso de fabricación de la cerámica en los hornos se utilizan protecciones cerámicos o pirometros de radiación. Proceso de exaltación y vítreo se usan vainas de iconel o hierro. Fabricación de alimentos y procesos petroquímicos el acero inoxidable como vaina. En procesos de fabricación que excedan los 1000ºc a veces se usa carburo de silicio.

29 AISLAMIENTO Mostacillas Configuración más simple.
Termoelementos acomodados en aisladores de cerámica que usualmente son denominados mostacillas. Producidas con oxido de magnesio (Mg2O) 66,7% con alta conductividad térmica y alta resistencia de aislamiento.

30 AISLAMIENTO Termopar con aislamiento mineral
Desarrollado para aplicaciones en el sector nuclear. Extendido a los demás sectores del proceso productivo. Necesidad de un termopar con un tiempo de respuesta menor que el que se obtenía con el termopar convencional. Termopar convencional montado con un tubo de protección donde todo el conjunto es trefilado. En este proceso los termoelementos quedan aislados entre sí mediante un polvillo compacto de Mg2O y protegidos por una vaina metálica (originalmente el tubo de protección).

31 CÓDIGO DE COLORES

32 CÓDIGO DE COLORES

33 PROS Y CONTRAS PROS Bajo costo.
No hay piezas móviles, menos probabilidad de romperse. Amplia gama de temperaturas. Tiempo de reacción razonablemente corto. Capacidad de repetición y exactitud razonables. CONTRA La sensibilidad es baja, generalmente 50 µV/°C o menos. Generalmente la exactitud no es mejor que 0,5 °C. Requiere una temperatura de referencia, generalmente la del hielo (0°C).