Un termopar es un dispositivo para medir temperaturas en todas las ramas de la ciencia y la tecnología. Este artículo presenta una descripción general de los termopares con un análisis del diseño y el principio de funcionamiento del dispositivo. Se describen variedades de termopares con sus breves características y también se proporciona una evaluación del termopar como instrumento de medición.
Contenido
Dispositivo de termopar
El principio de funcionamiento de un termopar. efecto seebeck
El funcionamiento de un termopar se debe a la ocurrencia del efecto termoeléctrico, descubierto por el físico alemán Tomas Seebeck en 1821.
El fenómeno se basa en la aparición de electricidad en un circuito eléctrico cerrado cuando se expone a una determinada temperatura ambiente. Una corriente eléctrica ocurre cuando hay una diferencia de temperatura entre dos conductores (termoelectrodos) de diferente composición (metales o aleaciones disímiles) y se mantiene manteniendo el lugar de sus contactos (uniones). El dispositivo muestra el valor de la temperatura medida en la pantalla del dispositivo secundario conectado.
El voltaje de salida y la temperatura están relacionados linealmente. Esto significa que un aumento en la temperatura medida da como resultado un valor de milivoltios más alto en los extremos libres del termopar.
La unión ubicada en el punto de medición de la temperatura se denomina "caliente", y el lugar donde se conectan los cables al convertidor se denomina "frío".
Compensación de temperatura de unión fría (CJC)
La compensación de unión fría (CJC) es una compensación que se aplica como corrección a la lectura total cuando se mide la temperatura en el punto donde se conectan los cables del termopar. Esto se debe a discrepancias entre la temperatura real de los extremos fríos y las lecturas calculadas de la tabla de calibración para la temperatura de la unión fría a 0 °C.
CCS es un método diferencial en el que las lecturas de temperatura absoluta se encuentran a partir de una temperatura de unión fría conocida (también conocida como unión de referencia).
Diseño de termopar
Al diseñar un termopar, se tiene en cuenta la influencia de factores como la "agresividad" del entorno externo, el estado de agregación de la sustancia, el rango de temperaturas medidas y otros.
Características de diseño del termopar:
1) Las uniones de los conductores se interconectan torciendo o torciendo con más soldadura por arco eléctrico (rara vez mediante soldadura).
IMPORTANTE: No se recomienda utilizar el método de torsión debido a la rápida pérdida de las propiedades de unión.
2) Los termoelectrodos deben estar eléctricamente aislados en toda su longitud, excepto en el punto de contacto.
3) El método de aislamiento se selecciona teniendo en cuenta el límite superior de temperatura.
- Hasta 100-120°C - cualquier aislamiento;
- Hasta 1300°C - tubos o perlas de porcelana;
- Hasta 1950°C - Tubos de aluminio2O3;
- Por encima de 2000°С - tubos de MgO, BeO, ThO2, ZrO2.
4) Funda protectora.
El material debe ser resistente térmica y químicamente, con buena conductividad térmica (metal, cerámica). El uso de una bota previene la corrosión en ciertos ambientes.
Cables de extensión (compensación)
Este tipo de cable es necesario para extender los extremos del termopar al instrumento secundario o barrera. Los cables no se usan si el termopar tiene un convertidor incorporado con una señal de salida unificada. El más utilizado es el convertidor normalizador, ubicado en la cabeza terminal estándar del sensor con una señal unificada 4-20mA, la llamada "tableta".
El material de los cables puede coincidir con el material de los termoelectrodos, pero la mayoría de las veces se reemplaza por uno más económico, teniendo en cuenta las condiciones que evitan la formación de termo-emf parásitos (inducidos). El uso de cables de extensión también le permite optimizar la producción.
¡Truco de vida! Para determinar correctamente la polaridad de los cables de compensación y conectarlos al termopar, recuerde la regla mnemotécnica MM: menos está magnetizado. Es decir, tomamos cualquier imán y se magnetizará el menos de la compensación, a diferencia del más.
Tipos y tipos de termopares.
La variedad de termopares se explica por las diversas combinaciones de aleaciones metálicas utilizadas. La elección del termopar se realiza según la industria y el rango de temperatura requerido.
Termopar cromel-alumel (TXA)
Electrodo positivo: aleación de cromo (90% Ni, 10% Cr).
Electrodo negativo: aleación de alumel (95% Ni, 2% Mn, 2% Al, 1% Si).
Material aislante: porcelana, cuarzo, óxidos metálicos, etc.
Rango de temperatura de -200°С a 1300°С a corto plazo y 1100°С calentamiento a largo plazo.
Ambiente de trabajo: inerte, comburente (O2=2-3% o completamente excluido), hidrógeno seco, vacío a corto plazo. En atmósfera reductora o redox en presencia de una cubierta protectora.
Desventajas: facilidad de deformación, inestabilidad reversible de termo-EMF.
Puede haber casos de corrosión y fragilización del alumel en presencia de trazas de azufre en la atmósfera y del cromel en una atmósfera débilmente oxidante (“arcilla verde”).
Termopar cromel-kopel (TKhK)
Electrodo positivo: aleación de cromo (90% Ni, 10% Cr).
Electrodo negativo: aleación Kopel (54,5% Cu, 43% Ni, 2% Fe, 0,5% Mn).
Rango de temperatura de -253°С a 800°С a largo plazo y 1100°С calentamiento a corto plazo.
Ambiente de trabajo: inerte y oxidante, vacío a corto plazo.
Desventajas: deformación del termoelectrodo.
Posibilidad de evaporación de cromo bajo vacío prolongado; reacción con una atmósfera que contiene azufre, cromo, flúor.
Termopar hierro-constantán (TGK)
Electrodo positivo: hierro comercialmente puro (acero dulce).
Electrodo negativo: aleación de constantan (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn).
Se utiliza para mediciones en medios reductores, inertes y vacío. Temperatura de -203°С a 750°С a largo plazo y 1100°С calentamiento a corto plazo.
La aplicación se desarrolla sobre la medida conjunta de temperaturas positivas y negativas. No es rentable usarlo solo para temperaturas negativas.
Desventajas: deformación del termoelectrodo, baja resistencia a la corrosión.
Cambios en las propiedades fisicoquímicas del hierro a aproximadamente 700°C y 900°C. Reacciona con azufre y vapor de agua para formar corrosión.
Termopar de tungsteno-renio (TVR)
Electrodo positivo: aleaciones BP5 (95% W, 5% Rh) / BAP5 (BP5 con aditivo de sílice y aluminio) / BP10 (90% W, 10% Rh).
Electrodo negativo: Aleaciones BP20 (80% W, 20% Rh).
Aislamiento: cerámica de óxido de metal químicamente puro.
Se observan resistencia mecánica, resistencia al calor, baja sensibilidad a la contaminación, facilidad de fabricación.
Medición de temperaturas de 1800°С a 3000°С, el límite inferior es 1300°С. Las mediciones se llevan a cabo en un ambiente de gas inerte, hidrógeno seco o vacío. En ambientes oxidantes solo para medición en procesos rápidos.
Desventajas: mala reproducibilidad de termo-EMF, su inestabilidad durante la irradiación, sensibilidad inestable en el rango de temperatura.
Termopar tungsteno-molibdeno (VM)
Electrodo positivo: tungsteno (comercialmente puro).
Electrodo negativo: molibdeno (comercialmente puro).
Aislamiento: cerámica alúmina protegida con puntas de cuarzo.
Ambiente inerte, hidrógeno o vacío. Es posible realizar mediciones a corto plazo en ambientes oxidantes en presencia de aislamiento.El rango de temperaturas medidas es de 1400-1800 °C, la temperatura máxima de funcionamiento es de aproximadamente 2400 °C.
Desventajas: poca reproducibilidad y sensibilidad de los EMF térmicos, inversión de polaridad, fragilización a altas temperaturas.
Termopares platino-rodio-platino (TPP)
Electrodo positivo: platino-rodio (Pt c 10% o 13% Rh).
Electrodo negativo: platino.
Aislamiento: cuarzo, porcelanato (liso y refractario). Hasta 1400°C - cerámica con alto contenido de Al2O3, más de 1400°C - cerámica de Al químicamente puro2O3.
Temperatura máxima de funcionamiento 1400°C a largo plazo, 1600°C a corto plazo. Por lo general, no se realiza la medición de bajas temperaturas.
Ambiente de trabajo: oxidante e inerte, reductor en presencia de protección.
Desventajas: alto costo, inestabilidad durante la irradiación, alta sensibilidad a la contaminación (especialmente el electrodo de platino), crecimiento de granos metálicos a altas temperaturas.
Termopares platino-rodio-platino-rodio (TPR)
Electrodo positivo: Aleación de Pt con 30% Rh.
Electrodo negativo: Aleación de Pt con 6% Rh.
Medio: comburente, neutro y vacío. Uso para reducir y contener vapores de metales o no metales en presencia de protección.
Temperatura máxima de funcionamiento 1600°C a largo plazo, 1800°C a corto plazo.
Aislamiento: Al cerámica2O3 alta pureza.
Menos susceptible a la contaminación química y al crecimiento de granos que un termopar de platino-rodio-platino.
Diagrama de cableado del termopar
- Conexión de un potenciómetro o galvanómetro directamente a los conductores.
- Conexión con cables de compensación;
- Conexión con hilos de cobre convencionales a un termopar con salida unificada.
Estándares de color del conductor del termopar
El aislamiento del conductor de color ayuda a distinguir los termoelectrodos entre sí para una conexión adecuada a los terminales. Los estándares difieren según el país, no hay códigos de color específicos para los conductores.
IMPORTANTE: Es necesario conocer el estándar utilizado en la empresa para prevenir errores.
Precisión de la medición
La precisión depende del tipo de termopar, el rango de temperatura, la pureza del material, el ruido eléctrico, la corrosión, las propiedades de unión y el proceso de fabricación.
A los termopares se les asigna una clase de tolerancia (estándar o especial) que establece un intervalo de confianza de medición.
IMPORTANTE: Las características en el momento de la fabricación cambian durante el funcionamiento.
Velocidad de medición
La velocidad está determinada por la capacidad del convertidor primario para responder rápidamente a los saltos de temperatura y al flujo de señales de entrada del dispositivo de medición que los sigue.
Factores que aumentan el rendimiento:
- Correcta instalación y cálculo de la longitud del convertidor primario;
- Cuando se utiliza un transductor con funda protectora, es necesario reducir la masa de la unidad seleccionando un diámetro más pequeño de las fundas;
- Minimizar el espacio de aire entre el convertidor primario y la funda protectora;
- El uso de un convertidor primario accionado por resorte y el llenado de los vacíos en el manguito con un relleno conductor de calor;
- Un medio de movimiento rápido o más denso (líquido).
Comprobación del rendimiento del termopar
Para verificar el rendimiento, conecte un dispositivo de medición especial (probador, galvanómetro o potenciómetro) o mida el voltaje de salida con un milivoltímetro. Si hay fluctuaciones de la flecha o del indicador digital, el termopar es reparable; de lo contrario, se debe reemplazar el dispositivo.
Causas de la falla del termopar:
- No usar un dispositivo de blindaje protector;
- Cambio en la composición química de los electrodos;
- Procesos oxidativos que se desarrollan a altas temperaturas;
- Avería del dispositivo de control y medición, etc.
Ventajas y desventajas de usar termopares
Las ventajas de utilizar este dispositivo son:
- Amplio rango de medición de temperatura;
- Alta precisión;
- Simplicidad y fiabilidad.
Las desventajas incluyen:
- Implementación de monitoreo continuo de la unión fría, verificación y calibración de equipos de control;
- Cambios estructurales en los metales durante la fabricación del dispositivo;
- Dependencia de la composición de la atmósfera, el costo del sellado;
- Error de medición debido a ondas electromagnéticas.
