PROPIEDADES DE LOS TERMOPARESDebido a su versatilidad, el termopar es tal vez el único método práctico industrial para la medición de temperaturas entre 500 °C y 1500 °C. Los termómetros de sistema lleno no se diseñan para esas temperaturas. El termómetro de resistencia debe ser diseñado en forma especial si se desea emplear para tales rangos. Para temperaturas menores de 500 °C a menudo se emplea el termopar aun cuando su costo es mayor que un termómetro de sistema lleno desarrollando el mismo trabajo.

Una de las ventajas del termopar es que su voltaje de salida se puede transmitir a cientos de metros con un receptor de mili-voltímetro. Con receptores potenciométricos la distancia puede ser mayor. Otra ventaja es que el termopar se puede fabricar en forma rápida en casi cualquier taller de instrumentos. El termopar por si mismo, es relativamente barato. El instrumento receptor de indicaci6n o registro empleado con el termopar puede ser del tipo de balance a cero (potenciométrico) o del tipo de deflexión (milivoltímetro). El empleo de instrumentos de balance a cero comúnmente son instalaciones más costosas comparadas con un sistema lleno.

Actualmente se utilizan mucho los convertidores electr6nicos milivolt-corriente los cuales dada su alta impedancia (algunos mega-ohms), permiten distancias del orden de los 1000 metros. Los convertidores mV/I producen una señal de salida normalizada, por ejemplo, de 4 a 20 mA.

El principio de la termoelectricidad descubierto por Seebeck en 1821, es la base de uno de los dispositivos sensibles a la temperatura de uso más común como el Termopar. El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte el calor en electricidad. Cuando se unen fuertemente dos metales diferentes en un extremo y esta junta, o unión, se calienta, se desarrolla una fuerza electromotriz en los extremos libres. En la práctica moderna, los dos extremos libres se conectan a un circuito potenciométrico, o a una computadora en la cual se mide la fuerza electromotriz creada e indica o registra ésta en términos de temperatura.

Un pirómetro termoeléctrico está compuesto de: un termopar, junta de medición, junta de referencia, cables de extensión y un instrumento receptor para indicación, registro, o control de temperatura.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS TERMOPARESBásicamente un termopar, tal como se ha visto, consiste de dos metales diferentes como por ejemplo, alambres de Cromel y Alumel (una mezcla de ciertos metales) de tal forma unidos que producen una fuerza electromotriz térmica cuando las juntas se encuentran a diferentes temperaturas. La Junta de Medición o Junta caliente es el extremo insertado en el medio en donde se va a medir la temperatura. La Junta de Referencia o Junta Fría, es el extremo abierto que normalmente se conecta a las terminales del instrumento de medición.

UNIDAD III 1 Elementos Primarios de temperatura

EL TERMOPARCuando dos alambres de metales diferentes se unen en sus extremos y uno de los extremos se calienta, se tendrá un flujo de corriente continua (f.e.m) en el circuito termoeléctrico. Este descubrimiento fue hecho por Thomas Seebeck y se muestra en la figura 1.

Figura No. 1 El efecto Seebeck

Si el circuito anterior se abre en el centro como se muestra en la figura 2, el voltaje neto (voltaje de Seebeck) en el circuito abierto, es una función de la temperatura en la junta y de la composición de los dos metales.

Figura No. 2 TERMOPAR TIPO K

UNIDAD III 2 Elementos Primarios de temperatura

La fuerza electromotriz desarrollada en un circuito termoeléctrico, esta determinada por dos fenómenos, uno conocido como el “Efecto Peltier” y el otro “Efecto Thomson”.

Efecto Peltier: Cuando una corriente eléctrica es pasada a través de dos metales diferentes, en un sentido el calor es absorbido y la unión enfriada y en sentido opuesto el calor es liberado y la unión calentada. Este efecto es reversible, es decir, si la unión se calienta o se enfría, se genera una f.e.m en uno u otro sentido.

Efecto Thomson: En un metal homogéneo, se absorbe calor cuando una corriente eléctrica fluye en un sentido y se libera cuando fluye en sentido contrario. Este efecto es reversible, de modo que se genera una fuerza electromotriz en cierto sentido si hay diferencia de temperatura en los extremos de un metal homogéneo.

Para que un termopar funcione correctamente, deben cumplirse las tres leyes siguientes:

Ley de los Circuitos Homogéneos: Una corriente eléctrica no puede ser generada en un circuito formado por un solo metal homogéneo, aunque cambie su sección por la sola aplicación de calor.Ley de los Metales Intermedios: Si en un circuito formado por varios conductores, la temperatura es uniforme desde la unión del primer conductor hasta el ultimo, la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo la primera y la ultima unión.Ley de las Temperaturas Intermedias: La fuerza electromotriz generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3, es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2, más la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a T2 y T3.

De la ley de los circuitos homogéneos, se deduce que la f.e.m generada depende exclusivamente de la aleación de los alambres y de las temperaturas de las uniones. El calibre del alambre no influye en este valor de la f.e.m, por lo tanto los termopares pueden ser de cualquier calibre.

Analizando la Ley de los Metales Intermedios, se puede determinar que el instrumento utilizado para medir la f.e.m puede tener su alambrado interno construido con metales diferentes del termopar. Cuando la temperatura en el instrumento es la misma, se cumple la Ley de los Metales Intermedios y no afecta el resultado final de medición.

Analizando la Ley de las Temperaturas Intermedias, se puede hacer notar que es válido sumar las f.e.m. no así sumar las temperaturas, lo cual daría un resultado erróneo.

UNIDAD III 3 Elementos Primarios de temperatura

UNIDAD III 4 Elementos Primarios de temperatura

TABLA No. 1 CARACTERISTICAS DE LOS TERMOPARES

Positivo Tipo de termopar Negativo

Cobre

Hierro

Cromel

Cromel

Platino +13% Radio

Platino +10% Radio

T

J

E

K

R

S

Constantán

Constantán

Constantán

Alumel

Platino

Platino

Platino +30% Rodio B Platino +6% Rodio

TIPOS DE TERMOPARES Y RANGOS DE UTILIZACIÓN • Tipo T: (Cobre-Constantano): Se utiliza por lo general a baja temperatura, puede

soportar una atmósfera con un elevado contenido de humedad, tiene la ventaja de no oxidarse y su precisión es mayor que la de otros termopares, es un termopar adecuado para mediciones en el rango entre –200 °C y 300 °C. El cobre a la temperatura de 400 °C comienza a oxidarse, por este motivo es preferible no pasar de esta temperatura. El conductor positivo está hecho de cobre y el negativo de constantán, la fem que da a 400 °C es de 20 mV referido a 0 °C.

• Tipo J (Hierro / Constantán): Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC. da buenos resultados hasta los 500 °C a cuya temperatura comienza la oxidación del alambre de hierro, mientras que es solamente a los 600 °C, cuando comienza la oxidación del alambre de constantano. Debido a los riesgos de oxidación debe emplearse sólo en atmósfera seca, resiste bien en atmósfera reductora y se destruye en atmósfera oxidante. En este termopar, el alambre de hierro es positivo, mientras que el de constantano es negativo (rojo) la fem que da a 600 °C es de 33.66 mV referido a 0 °C.

• Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): Es el termopar más estable y exacto, después del de platino radio-platino. Puede utilizarse hasta una temperatura de 900 °C, con una amplia variedad de aplicaciones, trabaja mejor en atmósfera oxidante que en atmósfera reductora. está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.200 ºC En este termopar, el alambre de níquel cromo es el positivo, mientras que el de níquel es el negativo (rojo). La fem que da a 900 °C es de 37.32 mV, referido a 0 °C.

UNIDAD III 5 Elementos Primarios de temperatura

• Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): Tiene las mismas características y comportamiento que el tipo K. No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. El alambre de cromel es el positivo, mientras que el de alumel es el negativo (rojo). La fem que da a 900 °C es de 37.36 mV, referido a 0 °C.

• Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): Es 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.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).

• Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): Es el de 87% platino y 13% rodio que se construye normalmente en los Estados Unidos, tiene una mayor extensión de medida, hasta 1500 °C.. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado costo quitan su atractivo. Da una fem de 14.58 mV a 1.300 °C, en la calidad de 87% platino 13% rodio referido a 0 °C.

• Tipo S (platino / rodio): Este tipo de termopar tiene una calidad de 90% platino y 10% radio, ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1,300 ºC, esta normalizado en Alemania, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) 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). Da una fuerza electromotriz de 13.17 mV a 1,300°C en la calidad de 10% rodio

• Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje.

Estos termopares R y S son los más exactos de todos los termopares y desde luego son los más caros. Se comportan bien en atmósferas oxidantes hasta 1300 °C que los hacen aptos para trabajar al rojo.

Cuando están sometidas durante largo tiempo a igual temperaturas, el alambre puede cristalizarse y volverse quebradizo, por lo cual se le debe proteger contra los choques y vibraciones intensas. Con el tiempo y a alta temperatura pierden algo de sus cualidades y por el fenómeno de difusión del rodio en el platino éste es ya muy sensible a la acción de los agentes químicos y a la temperatura del rojo vivo especialmente en atmósfera de hidrógeno sulfuroso o de óxido de carbono, así como de todos los vapores metálicos en condiciones reductoras.

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

UNIDAD III 6 Elementos Primarios de temperatura

En la tabla 2, se pueden ver las combinaciones más comunes de dos metales para esta aplicación, además de sus características más importantes.

TABLA NO. 2 CÓDIGO DE COLORES INTERNACIONAL PARA CABLES E HILOS DE

COMPENSACION Y DE EXTENSION

Combinación

metálicaLimite de error

UNIDAD III 7 Elementos Primarios de temperatura

Los termopares pueden ser de diversos tipos, de acuerdo con la composición de sus hilos, los cuales se elegirán de acuerdo con la temperatura a medir y el tiempo de exposición a la misma.

Observe que la pendiente de la curva platino rodio-platino, muestra que la fuerza electromotriz de salida para un cambio dado de temperatura es pequeña comparada con la de hierro-constantano, o la de cromel-alumel.

La figura No. 3, muestra las gráficas para los termopares más utilizados en función de Temperatura-Milivolts. Obsérvese que todas las curvas convergen a 0 °C (temperatura de referencia).

Los termopares de metales nobles tienen una amplia aplicación como termopares normales de calibración debido a sus siguientes propiedades:

1. Sus curvas de calibración son inmejorablemente reproducibles

2. Consisten de metales metalúrgicamente puros.

3. gran estabilidad química de los metales.

4. alta exactitud a través de una amplia gama de temperaturas.

UNIDAD III 8 Elementos Primarios de temperatura

Figura No. 3 Curvas de Temperatura-fem térmica para varios termopares

TABLA No. 3 TOLERANCIA DE EXACTITUD EN LOS ALAMBRES PARA TERMOPARES

TIPO DE TERMOPAR RANGO DE TEMPERATURA °C

LÍMITES DE ERROR

Tipo T Cobre-Constantano

-185 a –60-60 a 9090 a 375

± 2%± 0.75 °C± 0.75%

Tipo J Hierro- Constantano

-15 a 430430 a 750

± 2 °C± 0.5%

Tipo E Cromel- Constantano

-15 a 300300 a 550

± 1.5 °C± 0.5%

Tipo K Cromel- Alumel

-15 a 275275 a 1250

± 2 °C± 0.75%

Tipo R o S Platino-Platino/Rodio(13% y 10%)

-15 a 650650 a 1500

± 1.5 °C± 0.25%

Características de los Metales de los Termopares

El Constantano NiCu. está formado de 43% Ni. 57% Cu; el Níquel Cromo. o Cromel NiCr. está formado de 90% Ni. 10% Cr; el Alumel NiAl. está formado de 94% Ni. 3% Mn. 2% Al. 1% Si. Las condiciones principales para establecer un par termoeléctrico son:

Que tenga una larga duración sin deteriorarse bajo los efectos del calor al que quedará expuesto; que desarrolle una fuerza electromotriz elevada e invariable que sea funci6n lineal de la temperatura y que pueda sustituirse fácilmente.

En general se puede decir con seguridad que entre más grueso sea el alambre más duración tendrá. Para los termopares en los cuales se pueda tolerar la inercia térmica se emplean varillas de bastante diámetro de 1 a 3.5 mm para los metales comunes y de 0.35 a 0.5 mm para el platino.

Es muy importante verificar la polaridad cuando se hagan las conexiones. Los alambres se pueden identificar (si no existe otra forma) probándolos con un imán permanente. El alumel es ligeramente magnético, el hierro es fuertemente magnético; el constantano, no lo es. El cobre se puede identificar por su color.

UNIDAD III 9 Elementos Primarios de temperatura

CABLES DE EXTENSIÓNCuando el termopar está instalado a una distancia larga del instrumento, no se puede conectar directamente al mismo, sino por medio de un cable que recibe el nombre de cable de extensión. Los cables de extensión se simbolizan con una X después de la letra correspondiente al termopar, por ejemplo TX es el cable de extensión para un termopar tipo T.

Debe notarse que los alambres de extensión, no necesariamente son de los mismos materiales de los termopares. Por ejemplo, no es raro encontrar el uso de alambres de hierro constantano para un termopar cromel-alumel. Este criterio puede parecer contrario a lo que se ha dicho. Es posible mezclar esos alambres debido a que el voltaje generado por los dos pares diferentes, es substancialmente el mismo, si la temperatura es menor de 60 °C. Pero por lo general es necesario que el cable de extensión sea de propiedades iguales que el termopar, si no es así se formarán otros termopares en la cabeza de conexión del termopar instalado en el proceso.

De acuerdo con lo anterior, se utilizan como alambres de extensión: para el termopar hierro-constantano, alambres de hierro constantano obtenidos de los residuos de la fabricación de los termopares del mismo tipo. Resultan más baratos.

Para los termopares NiCr-Ni, teniendo en cuenta el precio relativamente elevado de estos materiales, se usan alambres de hierro, cobre o constantano.

Para los termopares PtRh-Pt, alambres de cobre, y una aleación especial de CuNi. Los alambres de extensión, se usan generalmente en forma de cable bipolar con

aislamiento de cloruro de polivinilo, goma de silicón, o esmaltados según el rango de temperaturas. Para la aplicación de los alambres de extensión, consultar un catálogo.

TABLA No. 4 TOLERANCIAS DE EXACTITUD EN LOS CABLES DE EXTENSIÓN

Tipo de cable Límites de temperatura °C Límites de errorTipo Tx

Cobre-Constantano-60 a 90 ± 0.75% ó ± 0.75 °C

Tipo JxHierro- Constantano

-15 a 200 ± 1.25% ó ± 2 °C

Tipo ExCromel- Constantano

-15 a 200 ± 2% ó ± 1.5 °C

Tipo KxCromel- Alumel

-15 a 200 ± 2.5% ó ± 2 °C

Tipo SxPlatino-Platino/Rodio

(13% y 10%)

25 a 200 ± 6% ó ± 4 °C

Tipo WxHierro-cupronel para termocoples tipo K

25 a 200 ± 3.5% ó ± 3 °C

UNIDAD III 10 Elementos Primarios de temperatura

AISLAMIENTO DE LOS CABLES DE EXTENSIÓNLos cables de extensión deben instalarse siempre dentro de tubos conduit y protegerlos contra el calor excesivo, humedad, fuerzas mecánicas e interferencia eléctrica. Como los cables de extensión pueden ser expuestos a una variedad de condiciones, se han desarrollado distintos tipos de aislamiento como son los siguientes:

Aislamiento de polivinilo con forro a prueba de agua. Ambos conductores tienen un aislamiento individual base de un plástico sintético cuyo conductor negativo siempre tiene el color rojo. Este material tiene alta resistencia a ácidos, álcalis, alcohol, gasolina, grasas y aceites. El forro exterior está compuesto de una lana impregnada a prueba de agua. Este tipo sirve para temperaturas ambientes hasta 140 °F.

Cable con forro de asbesto. Este tipo de aislamiento se usa para temperaturas más altas, entre los 140 y los 400 °F. Ambos conductores están esmaltados y cubiertos con un forro de asbesto impregnado con parafina a prueba de flama y de humedad. No debe usarse en ambientes húmedos pues el asbesto es higroscópico.

Cable con forro de plomo. Este tipo contiene un forro exterior de plomo; es muy útil en los casos en los que no se usan tubos conduit, tiene alta resistencia a la humedad y a muchas clases de atmósferas corrosivas.

Cables estándar con forro de hule. A fin de obtener una buena flexibilidad, este cable está provisto con un aislamiento estándar, No se le usa para instalaciones fijas sino para fines portátiles. Es muy resistente a la humedad pero su temperatura máxima de operación no debe exceder de 125 °F.

RECOMENDACIONES PARA LA INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LOS CABLES DE EXTENSIÓN

Usar el cable de extensión correcto para cada tipo de termopar.Observar y respetar las polaridades cuando se hacen las conexiones en la cabeza y en el instrumento. La observación de esta norma se facilita por el código de colores de los cables.Instalar el cable de extensión en conduit siempre que sea posible y conectar el conduit a tierra para evitar interferencias de otros circuitos.Instalar el cable de extensión por lo menos a 0.30 cm de distancia de cualquier línea de C.A. para evitar inducciones que puedan afectar la lectura. No se instale nunca otros cables eléctricos en el mismo conduit del cable de extensión.Escoger el tipo de aislamiento correcto para cada caso.

UNIDAD III 11 Elementos Primarios de temperatura

Cuando se selecciona un termopar, siempre deberá considerarse el medio en el cual estará operando; las condiciones de proceso (presión. temperatura. ambiente húmedo o corrosivo. etc.) son definitivas para normar el criterio en la selección de materiales, rangos de operación y accesorios a utilizar. En la selección de los termopares, el aislamiento y la construcción de la sonda, es necesario tener presente otros puntos importantes en la selección como son:

• Rango de Temperaturas a cubrir. • Ser químicamente resistentes.• Ser mecánicamente robustos. • Producir una salida eléctrica mensurable, y estable. • Tener la exactitud y precisión requeridas.• Responder con la velocidad necesaria.• Ser lo más económicas posibles.

En las aplicaciones se deben considerar: La transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura. Si se necesita o no que estén aislados eléctricamente de masa. Otras cuestiones ambientales Presión, Vibraciones, Áreas Clasificadas, Cableados,

Sistema de Control con el que se deberá compatibilizar la medición.

Se deben tratar de evitar esfuerzos destructivos, mecánicos y térmicos sobre el par termoeléctrico, por ejemplo llama directa, vibraciones, flujos turbulentos. En este sentido es favorable la resistencia de los alambres, por lo cual sin dejar de tener en cuenta los aspectos desfavorables es conveniente usar los alambres de mayor diámetro posible.

A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares.

Recomendaciones respecto del ambiente en el que el termopar irá colocado.

UNIDAD III 12 Elementos Primarios de temperatura

La elección de un termopar para un determinado servicio debe de ser hecha considerando todas las posibles variables y normas exigidas por el proceso. Por tanto, proveeremos algunos datos para orientación en la elección correcta de los mismos.

La tabla abajo relaciona los tipos de termopares y la escala de temperatura usual, con las ventajas y restricciones

TIPO ELEMENTO POSITIVO

ELEMENTO NEGATIVO

ESCALA DE TEMPERATURA

USUAL CARACTERÍSTICAS RESTRICCIONES

T Cobre Constantan -184 à 370 ºC

Pueden ser usados en atmósferas oxidantes,

reductoras, inertes y al vacío. Adecuados para mediciones

abajo de cero grado. Presenta buena precisión en su escala de

utilización.

1) Oxidación del cobre superior a

J Ferro Constantan 0 à 760ºC

Pueden ser usados en atmósferas oxidantes,

reductoras, inertes y al vacío. No deben ser usados en atmósferas sulfurosas y no se recomienda el

uso en temperaturas abajo de cero grado. Presenta bajo coste.

1) Límite máximo de utilización en atmósfera oxidante de 760ºC debido a la rápida oxidación del

hierro.

2) Utilizar tubo de protección superior a 480ºC

E Níquel Cromo Cobre Níquel 0 à 870ºC

Pueden ser usados en atmósferas oxidantes y inertes. En ambientes reductores o al

vacío, pierden sus características termoeléctricas.

Adecuado para el uso en temperaturas abajo de cero

grado

1) Baja estabilidad en atmósfera reductora.

K Chromel Alumel 0 à 1200ºC

Recomendable en atmósferas oxidantes o inertes.

Ocasionalmente, pueden ser usados abajo de cero grado. No

deben ser utilizados en atmósferas sulfurosas. Su uso al

vacío es por corto período de tiempo.

1) Vulnerable en atmósfera sulfurosa y gases como SO2 e H2S1, requeriendo substancial protección cuando utilizado en

esas condiciones.

S

R

Platina 90%10% Rodio

Platina 87%13% Rodio

Platina 100%

Platina 100%

0 à 1600ºC

0 à 1600ºC

Recomendable en atmósferas oxidantes o inertes. No deben

ser usados abajo de cero grado al vacío, en atmósferas

reductoras o atmósferas con vapores metálicos. Presenta

buena precisión en temperaturas elevadas.

1) Vulnerable a la contaminación en atmósferas

que no sean oxidantes.2) Para altas temperaturas, utilizar aislante y tubos de

protección de alta alúmina.

B Platina 70%30%Rodio

Platina 94%6% Rodio

870 à 1795ºC

Recomendable en atmósferas oxidantes o inertes. No deben

ser usados al vacío, en atmósferas con vapores

metálicos. Más adecuados para altas temperaturas que los tipos

S/R.

1) Vulnerable a la contaminación en atmósferas

que no sean oxidantes.2) Utilizar aislante e tubos de protección de alta alúmina.

N Nicrosil Nisil 0 à 1260ºC

Excelente resistencia a la oxidación hasta 1200ºC. Curva FEM x temp. similar al tipo K, pero posee menor potencia

termoeléctrica. Presenta mayor estabilidad e menor drift x

tiempo.

1) Mejor desempeño en forma de termopar de aislamiento

mineral.

UNIDAD III 13 Elementos Primarios de temperatura

LÍMITE MÁXIMO DE APLICACIÓNLa tabla abajo presenta el límite máximo de aplicación en grados ºC para establecer una vida satisfactoria por la norma ASTM E-230 para los tipos de termopares, en función de la dimensión, para utilización continúa de medición. Estos límites se aplican a los termopares convencionales, protegidos con tubos o pozos con extremidad cerrada.

TIPO Dimensión 8 AWG (ø3,26mm)

Dimensión 14 AWG (ø1,63mm)

Dimensión 20 AWG (ø0,81mm)

Dimensión 24 AWG (ø0,51mm)

T --/-- 370ºC 260ºC 200ºC J 760ºC 590ºC 480ºC 370ºC E 870ºC 650ºC 540ºC 430ºC K 1260ºC 1090ºC 980ºC 870ºC

S e R --/-- --/-- --/-- 1480ºC B --/-- --/-- --/-- 1700ºC N 1260ºC 1090ºC 980ºC 870ºC

LÍMITES DE ERRORLa tabla abajo presenta los límites de error para termopares convencionales y de aislamiento mineral, de acuerdo con la norma ASTM E-230. Cuando el límite de error é expreso en porcentaje, se aplica a la temperatura que está siendo medida.

TIPO Escala de Temperatura Estándar (Optar por el

Mayor) Especial (Optar por el

Mayor) T 0 a 370ºC +/- 1ºC ou +/- 0,75% +/- 0,5ºC ou +/- 0,4% J 0 a 760ºC +/- 2,2ºC ou +/- 0,75% +/- 1,1ºC ou +/- 0,4% E 0 a 870ºC +/- 1,7ºC ou +/- 0,5% +/- 1ºC ou +/- 0,4% K 0 a 1260ºC +/- 2,2ºC ou +/- 0,75% +/- 1,1ºC ou +/- 0,4%

S e R 0 a 1450ºC +/- 1,5ºC ou +/- 0,25% +/- 0,6ºC ou +/- 0,1% B 870 a 1700ºC +/- 0,5% +/- 0,25% N 0 a 1260ºC +/- 2,2ºC ou +/- 0,75% +/- 1,1ºC ou 0,4% T -200 a 0ºC +/- 1ºC ou +/- 1,5% --/-- E -200 a 0ºC +/- 1,7ºC ou +/- 1% --/-- K -200 a 0ºC +/- 2,2ºC ou +/- 2% --/--

Estos límites atienden a las normas ASTM E-230, Junta de referencia a 0ºCEstos límites no consideran errores de instalación o de sistemas.

LÍMITES DE ERROR PARA TERMOPARES DE AISLAMIENTO MINERALLa tabla abajo presenta los límites de error para termopares de aislamiento mineral, estando estos de acuerdo con la norma ASTM-E-230-93, e ITS-90. Cuando el límite de error es expreso en porcentaje este se aplica a la temperatura que está siendo medida. No son incluidos errores de instalación o de sistema

UNIDAD III 14 Elementos Primarios de temperatura

TIPO DETERMOPARES

ESCALA DETEMPERATURA

LÍMITE DE ERRORESTÁNDAR

ESPECIAL

T 0 a 370ºC +/- 1ºC o +/- 0,75% +/- 0,5ºC o +/- 0,4% J 0 a 760ºC +/- 2,2ºC o +/- 0,75% +/- 1,1ºC o +/- 0,4% E 0 a 870ºC +/- 1,7ºC o +/-0,5% +/- 1ºC o +/- 0,4% K 0 aa 1260ºC +/- 2,2ºC o +/- 0,75% +/- 1,1ºC o +/- 0,4% T -200 a 0ºC +/- 1ºC o +/- 1,5% --- E -200 a 0ºC +/- 1,7ºC o +/- 1% --- K -200 a 0ºC +/- 2,2ºC o +/- 2% --- N 0 a 1260ºC +/- 2,2ºC o +/- 0,75% +/- 1,1ºC o +/- 0,4%

RELACIÓN TEMPERATURA x DIÁMETROEsta tabla sugiere los límites superiores de temperatura para termopares simples de aislamiento mineral de acuerdo con los diámetros externos, conforme norma ASTM-E608/84.

DIÁMETRO DE LA

VAINA EN mm K E J T

0,50 700 300 260 260 1,00 700 300 260 260 1,50 920 510 440 260 3,00 1070 650 520 310 6,00 1150 820 720 370

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DE PROTECCIÓN METÁLICOSSon utilizados para protección de los sensores de temperatura. Para correcta especificación de estos, es necesario llevar en consideración todas las condiciones de uso, tales como: temperatura, resistencia mecánica, corrosión (atmósfera oxidante o reductora), tipo de fluido, velocidad de respuesta, etc. Por tanto, para orientar en la elección, informamos en las tablas subsecuentes las características y aplicaciones principales de los materiales de protección.

CARACTERÍSTICAS DE LA VAINA METÁLICA Material de

vainaTemp. máx. de

aplicaciónConsideraciones Generales.

Inox 304 800ºC Buena resistencia a la corrosión y a la oxidación, en su escala de aplicación. Buena durabilidad.

Inox 310 1100ºC Buenas propiedades de resistencia a la oxidación. Óptimo para utilizar en atmósfera con azufre. Pero no deben ser sometidos a la manipulación constante.

Inox 316 800ºC Resistencia a la corrosión superior Inox 304. Inconel 1100ºC Excelente resistencia a la oxidación, no aplicable en atmósfera con azufre a la temperatura 500ºC.

Acero Cromo 446 1100ºC Excelente resistencia a la corrosión y a la oxidación en altas temperaturas. Buena referencia en

atmósferas sulfurosas.

Nicrobell B 1250ºC Excelente desempeño en ambiente oxidante y reductor en el vacuo. Durabilidad y resistencia a la tracciones superiores en altas temperaturas, al acero Inox 310 y Inconel 600.

UNIDAD III 15 Elementos Primarios de temperatura

Nicrobell C(NBC) 1250ºC Indicado para ambientes carburantes. Mismas características del Nicrobell B.

CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS DE PROTECCIÓN CERÁMICAUtilizado, en la mayoría de los casos, para protección de termopares tipos "S", "R" e "B". Para estos termopares nobles, con dupla protección cerámica es siempre recomendada. Esta proporciona mayor resistencia mecánica y longevidad al par termoeléctrico.

MATERIAL TEMP. MÁX. CONDICIONES GENERALES

PythagorasTipo 610,

conforme NormaDIN 40685

Importado - 1600ºC

Nacional - 1350ºC

Contiene 60% de alúmina (AL2O3) en la composición;Material no poroso; Buena resistencia mecánica; Buena conductibilidad térmica; Bajo coste; Sensible al choque térmico.

AlsintTipo 710,

conforme NormaDim 40685

Importado - 1950ºC

Nacional - 1750ºC

Contiene 99,7% de alúmina (AL2O3) en la composición; Material no poroso; Resistencia mecánica y conductibilidad térmica bien mejor que el tipo 610; Alto coste; Sensible al choque térmico.

Carbureto de Silício 1500ºC

Material altamente poroso; Baja resistencia mecánica; Alta conductibilidad térmica; Resistente al choque térmico.

Carbureto de Silício Recristalizado 1650ºC

Buena resistencia a los ácidos e álcalis;Recomendado para utilización con atmósferas neutras; Utilizado en fundición de cinc, aluminio, plomo, cobre, etc.; En el domo y regeneradores de altos hornos.

UNIDAD III 16 Elementos Primarios de temperatura

TERMOPARESTodos los termopares deben cumplir con las siguientes características y especificaciones:

a) Cuando se solicita el ensamble completo, se debe suministrar: termopar, termopozo, niples de extensión con tuerca unión (con longitud de 152,4 mm (6 in)), aislamiento interno y cabeza de conexiones.

b) Todos los elementos termopares deben ser aislados con óxido de magnesio y recubierto con vaina de acero inoxidable 316 de 6,35 mm (¼in) de diámetro exterior.

c) Las juntas calientes deben ser torcidas, soldadas a tope, selladas herméticamente y sin conectarse a tierra.

d) Los elementos deben ser de calibre 14 AWG ó equivalente y deben ser cargados con resorte.

e) La cabeza de conexiones debe tener conexión eléctrica de 19,05 mm (¾in) al conduit y de 12,7 mm (½ in) al elemento de temperatura. El material de los niples y tuerca unión deben ser de acero al carbón galvanizado.

f) La cabeza de conexiones debe suministrarse con su block de terminales de porcelana y debe cumplir con la clasificación eléctrica que se especifica en la hoja de especificación, protegida con recubrimiento epóxico, con cubierta roscada unida al cuerpo por una cadena de acero inoxidable.

g) Los termopares deben identificarse mediante los siguientes colores :

h) Las exactitudes de los termopares deben cumplir con la siguiente tabla:

i) La resistencia mínima del aislamiento de los termopares aislados debe ser de:

UNIDAD III 17 Elementos Primarios de temperatura

• A temperatura ambiente y en la longitud total menor a 1 m, de 1 000 MΩ .

• A temperatura elevada de 500 °C ± 15 °C, para tipo: J, E, K y N y en la longitud total, de 5 MΩ .

• A temperatura elevada de 300 °C ± 10 °C, para tipo: T y en la longitud total, de 500 MΩ .

TERMOPOZO.- Receptáculo de material térmico conductivo que sirve para aislar el termómetro del medio de medición, ya sea líquido, gas ó mezcla. Generalmente se utiliza como protección al termómetro en la medición de sustancias agresivas. Es muy importante que el termopar no toque la pared del termopozo.

CRITERIOS QUE SE DEBEN TOMAR PARA LA ELECCION DEL TERMOPOZO• Que sea resistente a la temperatura. • Acción de gases oxidantes y reductores. • Que contengan una conductividad térmica muy alta para hacer una transferencia de

energía rápida. • Resistente a los cambios bruscos de temperatura. • Resistente a los esfuerzos mecánicos. • Resistente a la corrosión de vapores ácidos.

Todos los termopozos deben cumplir con las siguientes características y especificaciones:a. La construcción de los termopozos debe ser del tipo cónico de barra perforada.b. La conexión a proceso de los termopozos roscados debe ser de 25,4 mm (1 in) NPT

macho. Para termopozos bridados, la conexión al proceso debe ser de 38,10 mm (1 1/2 in). Los termopozos bridados deben tener bridas construidas de acuerdo a ASME 16 .5 ó equivalente. El material de la brida debe ser del mismo material del termopozo.

c. Cuando se especifiquen Termopozos cerámicos, estos deben ser del tipo metal-cerámico, con el tubo protector de un material cerámico adecuado a las condiciones de operación y con la conexión (ya sea roscada o bridada) de acero inoxidable 316. Los materiales del termopozo ó en contacto con un fluido amargo, deben cumplir con los requerimientos de NACE MR0175/ISO 15156 y deben ser garantizados por el fabricante.

d. Los Termopozos de prueba deben ser suministrados con tapa roscada y cadena de acero inoxidable.

e. En servicio de torres de destilación, recipientes y calentadores a fuego directo, la longitud del termopozo debe considerar que el termopozo se debe extender dentro del recipiente por una distancia máxima de 609,6 mm (24 in). Para tuberías, la longitud de inmersión de los termopozos debe quedar entre el 60% y el 80% del diámetro de la tubería.

MATERIAL DE TERMOPOZOSHierro Fundido - Dulce y Acero.- Es de reemplazo económico, no justifica la compra de otro. No es muy bueno para atmósferas oxido - reductoras.Hierro – Cromo.- Resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, también se puede usar con ambiente con azufre.

UNIDAD III 18 Elementos Primarios de temperatura

Hierro Cromo – Níquel.- Es muy resistente a altas temperaturas y ambientes oxidantes, no acepta al azufre.Acero Inoxidable 304-316.- Resistente a la corrosión química, a altas temperaturas y ambiente con amoniaco.Vidrio.- Existen Termopozos de vidrio cuando no se aceptan aceros inoxidables, se pueden recubrir con PVC, Tantalio para resistir la corrosión y otros factores. El vidrio se emplea en atmósferas de benceno, amoniaco, etc.

TERMOPARES TIPO MULTIPUNTO.Todos los termopares tipo multipunto deben cumplir con las siguientes características y especificaciones:

Suministrar el ensamble completo con brida, extensión y caja de conexiones. La brida, las vainas y el metal de aporte usado en el montaje, deben ser del mismo

material. Todos los elementos termopares deben ser aislados con óxido de magnesio y deben

estar recubiertos con vaina de acero inoxidable 316. Las juntas calientes deben ser selladas herméticamente y sin conectarse a tierra. La caja de conexiones debe suministrarse con su block de terminales de porcelana

y debe ser a prueba de humedad, corrosión y polvo, adecuada para zonas peligrosas. La tapa de la caja debe tener bisagra aparte de los tornillos para fijar la tapa. Se debe suministrar la caja en la clasificación eléctrica que se indica en la hoja de especificaciones.

Se debe suministrar el ensamble con la cantidad de elementos de temperatura conforme se indica en la hoja de especificaciones.

Los bloques terminales deben ser tipo compensados. Suministrar los accesorios de montaje de cada termopar en caso de suministro sin

termopozo.Además, se debe cumplir también con lo especificado en la hoja de especificación de "Termopares tipo multipunto".

TERMOPARES DE SUPERFICIE TIPO "SKIN" PARA EQUIPOS.Todos los termopares de superficie tipo "skin" deben cumplir con las siguientes características y especificaciones:

Deben ser del tipo de contacto con resorte y deben suministrarse como un ensamble completo.

Los termopares deben ser del tipo "K". La conexión externa a la pared del equipo debe ser mediante copie de acero al carbón

de 19,05 mm (3/4 in ) Todos los elementos termopares deben ser aislados con óxido de magnesio y

recubierto con vaina de 6,35 mm "(1/4 in) de diámetro exterior. Las juntas calientes deben ser selladas herméticamente y sin conectarse a tierra. La cabeza debe tener tapa roscada y conexión eléctrica de 19,05 mm (3A in), y debe

ser a prueba de humedad, corrosión y polvo, adecuada para zonas peligrosas. La caja de conexiones debe suministrarse con su block de terminales de porcelana.

El cable del termopar debe ser calibre 14 AWG.

UNIDAD III 19 Elementos Primarios de temperatura

La exactitud debe ser de ± 2,5 °C en el rango entre -40 °C a + 333 °C y de ± 0,0075 en el rango de 333 °C a + 1 200 °C. Además, se debe cumplir también con lo especificado en la hoja de especificación de "Termopares de superficie tipo "skin".

TERMOPARES DE SUPERFICIE TIPO "SKIN" PARA TUBERÍA.Todos los termopares de tubería tipo "skin" deben cumplir con las siguientes características y especificaciones:

• Deben ser del tipo soldable mediante placa o paleta de acero inoxidable 316.• Placa ó paleta de 25,4 mm (1 in) X 25,4 mm (1 in) X 3,175 mm (1/8 in) de curvatura igual

a la de la tubería cuya temperatura se debe determinar.• Los termopares deben ser del tipo "K".• La conexión a proceso debe ser de 38,1 mm (1 Y in) en caso de conexión bridada y de

25,4 mm (1 in ) NPT en caso de conexión roscada. Suministrar los accesorios de conexión en el diámetro correspondiente en acero inoxidable. Se debe suministrar niple de extensión con tuerca unión con una longitud de ambos de 152,4 mm (6 in).

• Todos los elementos termopares deben ser aislados con óxido de magnesio y recubierto con vaina de acero inoxidable de 6,35 mm (Y4 in) de diámetro exterior.

• Dentro de la longitud de inmersión "U" se debe de incluir, mínimo 3 vueltas para absorber las dilataciones térmicas.

• Las juntas calientes deben ser selladas herméticamente y sin conectarse a tierra.• La cabeza debe tener tapa roscada y conexión eléctrica de 19,05 mm (3A in), y debe

ser a prueba de humedad, corrosión y polvo, adecuada para zonas peligrosas. La caja de conexiones debe suministrarse con su block de terminales de porcelana.

• El cable del termopar debe ser calibre 14 AWG.• La exactitud debe ser de: ± 2,5 °C en el rango entre - 40 °C a + 333 °C y de ± 0 .0075 •

1 temperatura en 1°C en el rango de 333 °C a + 1 200 °C. Además, se debe cumplir también con lo especificado en la hoja de especificación de Termopares de tubería tipo "skin".

UNIDAD III 20 Elementos Primarios de temperatura

TIPOS DE JUNTA DE MEDICIÓNJuntas compactadas constituyen el componente básico de la mayoría de las construcciones con termocuplas. Los principales elementos que la conforman son: una protección metálica externa que puede ser de diferentes materiales dependiendo de la aplicación, los alambres termopares internos y un aislamiento mineral de óxido de magnesio en polvo compactado, de alta resistencia eléctrica de aislamiento.

Las ventajas técnicas de este tipo de termocuplas son: mecánicamente estables. resistentes a presiones y bajos caudales. La velocidad de respuesta, alta resistencia a las vibraciones, son flexibles y maleables.

Gracias a estas características, son ventajosas en aplicaciones de espacios reducidos.

Las termocuplas pueden hacerse usando cables normalizados y algún tipo de aislante adecuado. La unión de medición se forma en un extremo soldando los dos alambres conductores fundiéndolos entre sí bajo una atmósfera inerte de argón (gas inerte con el objeto que no se formen óxidos). La condición esencial es establecer una conexión eléctrica adecuada entre los conductores.

La termocupla suele ir montada en una carcasa o vaina cerrada en su extremo (termopozo) de alguna aleación metálica o cerámica a fin de resistir las condiciones del proceso, corrosivas, alta temperatura etc.

UNIDAD III 21 Elementos Primarios de temperatura

Hay unidades blindadas o herméticas, en ellas los cables conductores están envueltos en un polvo mineral aislante e inerte compactados en una camisa metálica que se lamina o trafila sobre el mismo. Esa camisa es de acero inoxidable o aleaciones de níquel. Las unidades herméticas se consiguen en diámetros externos desde 0.25 hasta más de 10 mm y largos de unos pocos milímetros hasta varios de metros

El aislante suele ser óxido de magnesio, pueden también usarse óxido de aluminio y óxido de berilio El conjunto se somete a un tratamiento térmico para aliviar las tensiones provocadas por la reducción del diámetro y para eliminar humedad.

La termocupla blindada es más fuerte que la termocupla común, y se la puede conformar con radios de curvatura muy reducidos hasta el valor de dos diámetros del blindaje. Hay también termocuplas selladas en vidrio para protegerlas del ambiente hostil. En ocasiones se le ejerce una fuerza a resorte dentro del tubo de protección que se coloca cuando se requiere protección adicional, con el objeto de obtener un buen contacto con el fondo a fin de obtener una respuesta rápida. Los blindajes pueden hacerse de una gran variedad de materiales, siendo los más comunes los de aleaciones de níquel-cromo y aceros inoxidables.

Las termocuplas que tienen la unión del termopar expuesta directamente al proceso tienen una respuesta más rápida, es decir una menor constante de tiempo ya que las variaciones de temperatura no necesitan atravesar la vaina. Para poder usar la junta expuesta el proceso no debe ser exageradamente agresivo para la misma, por ejemplo no ser excesivamente corrosivo o bien no hacerla cambiar de estado físico. En caso que eso suceda y de todos modos se quiera aplicar la junta expuesta la misma puede ser descartable o de uso en corto tiempo.

UNIDAD III 22 Elementos Primarios de temperatura

En segundo escalón en cuanto a velocidad de respuesta tenemos que la unión se pone en contacto con el extremo interno de la vaina que a su vez esta conectada a tierra, el circuito electrónico de adquisición debe ser adecuado a esta circunstancia.

La termocupla envainada y aislada de tierra es la más lenta en respuesta dinámica de medición pero su ventaja es que no la afectan las variaciones de las características eléctricas del elemento bajo medición y son menos ruidosas.

Los cables de las termocuplas tienen muchas veces terminales que permiten conectarlos con el circuito electrónico de adquisición. Los pines de los conectores están construidos de materiales o aleaciones adecuadas para no alterar la FEM generada en la unión de medición, permitiendo así la rápida conexión o desacople del sensor a utilizar sin afectar de forma alguna la uniformidad del termo elemento. En las termocuplas, existen dos puntos importantes: la junta de medición o junta caliente que está en contacto directo o indirecto con el proceso, y la junta fría que en los casos prácticos de medición esta en contacto con el medio ambiente. Los materiales que serán usados ya están estandarizados y tienen unas tablas de comportamiento, que suponen, que la junta fría se encuentra a cero (0) grados centígrados. Esto es con el fin, de tener un valor de patrón de comparación que parta de cero. Si la junta fría no está a cero grados actúa como un segundo termopar en serie con el primero sumándose algebraicamente así a la f.e.m. de la junta caliente. En la práctica industrial, lo frecuente, es tener la junta fría a temperatura ambiente, lo que hace necesaria la compensación mencionada.

LA JUNTA DE REFERENCIA (JUNTA FRIA)A veces la junta de referencia se encuentra muy cerca de la junta de medición. Lo cual no siempre es conveniente debido a los cambios de la temperatura ambiente. Por esto, en las instalaciones industriales, normalmente la junta de referencia se aleja de la junta de medición y a menudo se localiza cerca del instrumento de medición, o en un block isotérmico. Es absolutamente necesario que se conozca la temperatura de la junta de referencia así como también el voltaje neto (diferencia) en el circuito para poder determinar la temperatura verdadera sensada por un termopar. Un voltímetro o un potenciómetro si no están

UNIDAD III 23 Elementos Primarios de temperatura

compensados sólo indicarán la diferencia en milivolts del circuito. Existen varias formas para determinar la temperatura de la junta de referencia como se verá a continuación.

Localización de la Junta de ReferenciaEn donde los alambres conductores son de cobre la junta de referencia se encuentra en las terminales del termopar (cabeza de conexiones) como en la figura No. 17.

Cuando se usan alambres del mismo tipo del termopar, la junta de referencia, se localiza en las terminales del instrumento como se muestra en la figura 18.

La junta de Referencia, siempre se encuentra en las Juntas del circuito- termopar en donde se unen Dos Pares de alambres Diferentes.

UNIDAD III 24 Elementos Primarios de temperatura

Figura No. 4 Junta de referencia en las terminales del termopar

Figura No. 5 Junta de referencia en las terminales del instrumento de medición

Por ejemplo, en la figura 17, la junta de referencia se localiza en donde se encuentran los pares de constantano-cobre y hierro-cobre. En la figura 18, los pares de la junta de referencia se encuentran en el instrumento de medición en donde se unen el constantano y hierro con el cobre del instrumento de medición. Con el uso del constantano y hierro se ha llevado la junta de referencia hasta el instrumento de medición. La localización de la junta de referencia en el instrumento, facilita evaluar la contribuci6n de la junta de referencia al voltaje neto en el circuito del termopar.

UNIDAD III 25 Elementos Primarios de temperatura

SISTEMA DE COMPENSACION DE LA TEMPERATURA DE REFERENCIA PARA DISTINTOS TERMOPARES

UNIDAD III 26 Elementos Primarios de temperatura

CARACTERÍSTICAS DE TERMOPARES DE AISLAMIENTO MINERAL

El termopar de aislamiento mineral es constituido de uno o dos pares termoeléctricos, que son aislado entre si y de la vaina metálica, por el polvo de óxido de magnesio, que posee excelente conductibilidad térmica y alta compactación. Esta segunda característica torna el termopar mineral muy resistente con respecto a la contaminación de los conductores. La durabilidad del sensor está relacionada directamente a la elección correcta del tipo de protección metálica de la vaina.

VENTAJAS DE LOS TERMOPARES DE AISLAMIENTO MINERAL ESTABILIDAD EN LA FUERZA ELECTROMOTRIZ

La estabilidad de la *F.E.M. del termopar es caracterizada en función de los conductores, están completamente protegidos contra la acción de gases y otras condiciones ambientales, que normalmente causan oxidación y consecuentemente disminuya la fuerza electromotriz generada.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS TERMOPARES DE AISLAMIENTO MINERALPara una perfecta elección de un termopar de aislamiento mineral, en un determinado proceso, debe ser tomado en consideración todas sus posibles características y sus normas exigidas. Se dan algunos datos para la orientación en la elección correcta de los termopares de aislamiento mineral, según la norma ASTM-E230 - ITS 90.

RESISTENCIA MECÁNICA Y FLEXIBILIDAD.- El polvillo compactado, dentro de la vaina metálica y los conductores uniformemente posicionados, permiten que el cable sea doblado, allanado, torcido o estirado, soporte presiones externas y choque térmico, sin cualquier pierda de las propiedades termoeléctricas.

UNIDAD III 27 Elementos Primarios de temperatura

FACILIDAD DE INSTALACIÓN.- La dimensión reducida a alta resistencia mecánica y la gran maleabilidad del cable de aislamiento mineral aseguran una facilidad de aislamiento mismo en las situaciones más difíciles.

FACILIDAD Y UTILIZACIÓN.- La construcción de termopar de aislamiento mineral permite que el mismo sea tratado como si fuera un conductor sólido. En su capa metálica, pueden ser montados accesorios, por soldadura o brasaje. Y cuando necesario, su sección puede ser reducida o alterada en su configuración.

RESPUESTA MÁS RÁPIDA.- El pequeño volumen y la alta conductividad del óxido de magnesio promueven una excelente transferencia de calor, superior a los termopares con montaje convencional.

RESISTENCIA A LA CORROSIÓN.- Las metálicas, con diversos tipos, pueden ser seleccionadas para resistir al ambiente corrosivo.

RESISTENCIA DE AISLAMIENTO ELEVADO.- La resistencia de aislamiento entre conductores la vaina es siempre superior a 100 M Ohm (a 20ºC). Independiente de su diámetro, y bajo las condiciones más húmeda.

BLINDAJE ELECTROSTÁTICO.- La vaina del termopar de aislamiento mineral, debidamente aterrizada, ofrece un excelente blindaje electrostático al par termoeléctrico.

SUGERENCIA DE CONEXIÓN DE TERMOPARESEn procesos industriales se puede utilizar varios tipos de medición de temperatura utilizándose termopares atendiendo a objetivos de cada tipo de industria.

CONEXIÓN EN SERIEEste tipo de medición es utilizado cuando se desea ampliar la señal eléctrica generada por los termopares. La señal generada por el termopar es la f.e.m. (E), cuando es hecha la conexión en serie, el milivoltage medido será igual a 3E, como en el ejemplo a continuación:

UNIDAD III 28 Elementos Primarios de temperatura

CONEXIÓN EN PARALELOEste tipo de conexión puede ser utilizada para ser medida la temperatura mediana en grandes distancias dentro de grandes conductos, en equipamientos donde la precisión de la lectura de temperatura no tiene gran importancia. La medición de la temperatura será el promedio del milivoltage producido por los termopares utilizados, este milivoltage será la suma de los milivoltages individuales de cada termopar, o sea, es el mismo milivoltage que podría ser generado por un único termopar, en la temperatura mediana. Este tipo de medición puede ser ventajoso porque la calibración del instrumento puede ser la misma para un termopar.

MEDIDA DE TEMPERATURAS DIFERENCIALESDos termopares pueden ser usados para medición de temperaturas diferentes entre dos puntos, estos termopares son del mismo tipo de material y ligados con hilo de extensión que será de la misma aleación metálica de los termopares. Las ligazones son hechas de una forma que una se opone si la otra, de esta forma cuando la temperatura de los termopares son iguales a la f.e.m. resultante será igual a cero, pero cuando la temperatura de los dos termopares estuvieren en niveles diferentes al milivoltage producido será correspondiente a la diferencia de la temperatura entre los dos termopares. Para este tipo de ligazón debemos elegir termopares con linearidad buena en la curva de f.e.m.

COMPENSACIÓN DE TEMPERATURA AMBIENTE (TA)La compensación de temperatura ambiente en los aparatos controladores de temperatura es hecha de forma automática, cuando se hace la medición del valor en mV de los termopares,

UNIDAD III 29 Elementos Primarios de temperatura

hechas con un multímetro es necesario tener conocimiento de la temperatura ambiente que será sumada al valor en mV medida por el multímetro.

La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta.

PROBLEMAS DE CONEXIÓN La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada.

RESISTENCIA DE LA GUÍA Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm., tendrá una resistencia de cerca de 15 ohmios por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

UNIDAD III 30 Elementos Primarios de temperatura

DESCALIBRACIÓN La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del

termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda. Tenga en cuenta que uno de los criterios para calibrar un instrumento de medición, es que el patrón debe ser por lo menos 10 veces más preciso que el instrumento a calibrar.

RUIDO La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es propenso a absorber ruido eléctrico.

La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej: cerca de un gran motor), es necesario considerar usar un cable de extensión protegido. Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian. Sin embargo, la solución más lógica es diseñar un filtro pasabajas (resistencia y condensador en serie) ya que es poco probable que la frecuencia del ruido (por ejemplo de un motor) sea mayor a la frecuencia con que oscila la temperatura.

VOLTAJE EN MODO COMÚNAunque las señales del termopar son muy pequeñas, voltajes mucho más grandes pueden existir en el output del instrumento de medición. Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido, y también al usar termopares aislados.

DESVIACIÓN TÉRMICA Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean

UNIDAD III 31 Elementos Primarios de temperatura

termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado.

TABLA No. 5 LÍMITES DE TEMPERATURA PARA TERMOPARES

Tipo de termopar Temperatura

Mínima°C

Temperatura máxima °CCal. Cal. Cal. Cal. Cal.

8 14 20 24 30Tipo T

Cobre-Constantano-185° _ _ 260° 205° 205°

Tipo JHierro- Constantano

-17° 760° _ 480° 370° 370°

Tipo ECromel- Constantano

-185° 870° _ 535° 425° 425°

Tipo KCromel- Alumel

-17° 1260° _ 980° 870° 870°

Tipo R o SPlatino-Platino/Rodio

(13% y 10%)

-17° _ _ _ 1480° _

Platino 30%Rodio-Platino 6% Rodio

-17° _ _ _ 1760° _

40% Iridio60% Rodio Iridio

-17° _ _ _ 1980° _

Tungsteno-Renio -17° _ _ _ 2200° _Tungsteno- Tungsteno

26% Renio-17° _ _ _ 2310° _

UNIDAD III 32 Elementos Primarios de temperatura

El termopar ofrece una medida con un tiempo de respuesta muy por debajo de otros sensores y otras tecnologías. Por desgracia, la medida de la f.e.m. de la sonda tipo K se hace poco precisa a causa del mismo sistema de medida que se basa en la diferencia de f.e.m. generada entre la unión fría y la unión caliente. La f.e.m. puede ser generada en diferentes condiciones:

Temperatura unión caliente 100 ºC. Temperatura unión fría 20 ºC, diferencia de 80 ºC. o sino: Temperatura unión caliente 90 ºC. Temperatura unión fría 10 ºC, diferencia de 80 ºC.

Por lo tanto, se obtienen 80 ºC de diferencia con 2 diferentes temperaturas de la muestra.Por esta razón es muy importante la capacidad de determinar la temperatura de la unión fría con la mayor precisión posible.

Esta capacidad genera la precisión del sistema de medida. Un termómetro termopar consiste en dos termómetros, uno que mide la unión fría y uno que mide la f.e.m. generada por la sonda tipo K. La medida de la unión fría se realiza, por lo general, con un sensor tipo NBC que tiene tiempos de respuesta diferentes respecto a la sonda tipo K.

Otra dificultad deriva de la capacidad de medir, sin ninguna influencia del ambiente y de la dispersión, el valor real de la unión fría. Para obviar en parte dicha dificultad, HANNA instruments ha desarrollado la calibración del instrumento y de la sonda tipo K, sumergiendo la sonda en hielo líquido y consintiendo al usuario poder calibrar el sistema a 0 ºC.

UNIDAD III 33 Elementos Primarios de temperatura

Gracias a esta solución ahora es posible usar termómetros termopar garantizando la precisión de 0.3 ºC, ya asegurada por los termómetros con sensor PT100 o NTC, con un tiempo de respuesta superior.

Los instrumentos deben empacarse en cajas a prueba de polvo, resistentes a la humedad y con una rigidez tal que soporte tanto el manejo durante el transporte, así como el almacenaje sin que sufra daños. Se debe utilizar un aislante mecánico entre el instrumento y la pared del contenedor y entre dos instrumentos en el mismo contenedor, a menos que el mismo contenedor constituya el aislamiento como en el caso de contenedores de espuma de poliuretano o de cartón corrugado.

Todos los instrumentos, así como cualquier otro cuerpo móvil en el interior del empaque deben ser fijados para evitar movimiento durante el manejo y transporte.

Los cables de los elementos de medición de temperatura, deben ser sellados en sus extremos antes del envío y no debe permitir la entrada de humedad. El forro exterior debe estar libre de grasa, aceite, suciedad u otras sustancias extrañas. Estos cables deben ser transportados rectos dispuestos en cajas.

Todas las conexiones y aberturas, como entradas y salidas del instrumento se deben sellar con material removible.

Colocar desecantes en envases de baja permeabilidad en cada sección o compartimiento para mantener la sequedad dentro del equipo durante su transporte y un almacenaje de por lo menos un año.

Los contenedores de embarque y almacenaje deben ser marcados con la siguiente información:

Clave de identificación del producto. Nombre y dirección del fabricante.

UNIDAD III 34 Elementos Primarios de temperatura

Número del proyecto. Número de contrato. Número de orden de compra.

IDENTIFICACIÓN DE MEDIDORES DE TEMPERATURA.Cada uno de los instrumentos debe contar con una placa de acero inoxidable en la que esté grabada en forma permanente, la indicación que se indica a continuación, misma que debe contar con un espacio adicional para incluir el número de identificación. Esta placa debe fijarse en forma permanente y en lugar visible del instrumento (no se acepta el uso de adhesivos).

Termopara) Nombre del fabricante o de la marca registradab) Número de modelo.c) Número de serie.d) Material de construcción del elemento.e) Tipo de termopar.f) Longitud de inmersión.Para el caso de los termopares tipo multipunto, aplican los datos referidos para Termopar, a excepción del inciso f).

Termopozosa) Nombre del fabricante ó de la marca registrada.b) Número de model oc) Número de serie .d) Tamaño de conexión .

VENTAJAS• 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.

UNIDAD III 35 Elementos Primarios de temperatura

DESVENTAJAS• La sensibilidad es baja, generalmente 50 µV/°C o menos.

• Este problema se puede mejorar (pero no eliminar) por una mejor señal filtrada, blindando, y por la conversión de análogo a digital.

• Generalmente la exactitud no es mejor que 0,5 °C.• Requiere una temperatura de referencia, generalmente la del hielo (0°C). • Por otra parte, los termopares modernos confían en una referencia generada

eléctricamente.

CONCLUSIONESLos termopares así como todos los sensores de temperatura presentan una indicación que corresponde a su propia temperatura. Lo deseable es que la temperatura sea igual o muy cercano a la temperatura del proceso que se desea monitorear. Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura.

El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso. Cuando la temperatura del proceso se puede monitorear y cuando el valor de la temperatura medida del sensor esté más próximo a éste, se deben tomar algunos cuidados cuando se escoge el sensor y sus accesorios, y durante la instalación del conjunto en el proceso.

El conjunto sensor/accesorios debe tener una masa que sea lo menor posible comparada con la masa del proceso. Existe una resistencia térmica del conjunto que puede provocar una diferencia de temperatura entre el sensor y el proceso; y tanto mayor es la masa de ese conjunto, mayor será el valor de la resistencia.

Otro fenómeno indeseable es cuando el proceso presenta fluctuaciones en el valor de su temperatura ya que por la inercia del sensor, estas fluctuaciones son atenuadas o simplemente no se detectan, hecho directamente relacionado con la masa del sensor.

Un factor de importancia es la profundidad de inmersión del sensor en el medio, cuya temperatura se desea medir. Tanto mayor sea la inmersión del sensor, menor será el gradiente de temperatura al que la junta de medición estará sometida, en el caso de un termopar. La consecuencia es que la temperatura de la junta de medición se acerca a la temperatura del medio. Una recomendación práctica es que la profundidad de inmersión sea, como mínimo, igual a diez veces el valor del diámetro externo del conjunto.

Cuando el conjunto termopar/cable de extensión se instale en un lugar de la planta próximo a fuentes de campos electromagnéticos, es muy probable que ocurran inducciones en el conjunto

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que causan una lectura equivocada de valores de temperatura en el indicador. En esta situación se deben utilizar termopares no puestos a tierra, pero si debe estarlo la vaina del tubo de protección, así como el cable de extensión-compensación, que también debe ser blindado y puesto a tierra.

Debe considerarse que los termopares en general se deterioran con el tiempo y ello ocurre de forma significativa cuando se instalan en procesos a altas temperaturas y en ambientes agresivos. Por tanto, a raíz de las peculiaridades de cada proceso se debe establecer una vida útil para el sensor y proceder a su sustitución preventiva o a calibrar el conjunto con periodicidad.

EJEMPLOS DE ALGUNOS TERMOPARES

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