AADECA 2007

Medición de Temperatura

TermocuplasCapitulo I

Ing. Eduardo N. Alvarez

Termocupla

• Una termocupla se compone de dos hilos de diferentes metales unidos en sus extremos Una junta es la junta caliente o de medición y la otra la de referencia o junta fría.

Termocupla

• El fenómeno descripto por Seebeck (1821) ocurre por la combinación de dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier y el efecto Thomson, éstos están sobre impuestos con el efecto Joule

Termocupla

• Thomas Seebeck en 1821 describióel fenómeno que consiste en la circulación de una corriente en dicho circuito.

Peltier

• Jean Peltier descubre su efecto en 1834 y explica que se produce una f.e.m en la junta de dos metales diferentes.

• Esta fem depende de la temperatura y del par de metales que forman la junta. La unión de los metales debe ser en un contacto íntimo, pero, no necesariamente soldada.

Peltier

• Este efecto se puede manifestar también como la absorción o liberación de energía térmica cuando en una junta de metales diferentes circula una corriente.

Sube de A hacia B

Thomson• El efecto Thomson da la relación entre la

fem generada en un conductor homogéneo simple y la diferencia de temperaturaentre sus extremos.

Thomson

• También se manifiesta en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula por un metal homogéneo en el que hay un gradiente de temperaturas entre sus extremos.

• La liberación de calor sucede cuando la corriente circula en el conductor en la misma dirección que lo hace el flujo de calor en el mismo que está dado por el gradiente de temperaturas mencionado

Thomson

• Esta fem crece con la diferencia de temperaturas y depende del metal en cuestión.

• El efecto Peltier es reversible.• El efecto Thomson es reversible.• El efecto Joule es irreversible.

EEEEE ThBThAPLTBATPLTABTSBCK −+−=12

La tensión de Seebecken gralpequeña genera una corriente en el circuito que depende de su R.

Seebeck

EEEEE ThBThAPLTBATPLTABTSBCK −+−=12

Tensión de Seebeck

Donde:ESBCK es la tensión de Seebeck.EPLTABT2 es la tensión de Peltier en la unión de los

metales A,B a la temperatura T2.(medición)EPLTBAT1 es la tensión de Peltier en la unión de los

metales B,A a la temperatura T1 de referenciaEThA es la tensión Thomson en el conductor A.EThA es la tensión Thomson en el conductor B

“LEY” DE LOS CIRCUITOS HOMOGÉNEOS

• En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor.

“LEY” DE LAS TEMPERATURAS

INTERMEDIASEn una termocupla con las juntas de los metales A y B a

las temperaturas T1 y T2 la fem termoeléctrica generada es independiente de las temperaturas intermedias en los conductores A y B.

“LEY DE LOS METALES INTERMEDIOS”:Si en una termocupla insertamos un segmento de

conductor de un tercer metal C , en alguno de los dos conductores metálicos A ó B. la fem generada será independiente de la existencia de este tercer conductor siempre que las temperaturas de las juntas del mismo sean iguales.

“LEY DE LOS METALES INTERMEDIOS”:

En la figura vemos las extensiones en Cobre mientras que el par de medición es de Hierro Constantán. Los bloques de unión deben permanecer a la misma temperatura para que no se agreguen tensiones que no corresponden a la medición.

“LEY DE LOS METALES INTERMEDIOS”:Si se le inserta el tercer Metal ( C ) en el lugar de

una de las juntas la fuerza electromotriz generada por efecto termoeléctrico se mantiene igual siempre que las juntas AC y BC se mantengan a la misma temperatura

En este caso el metal intermedio representa el instrumento de medición.

“LEY” DE LAS TEMPERATURAS SUCESIVAS:La fem generada por un termocupla con sus juntas

a las temperaturas T1 T3 es la suma algebraica de la fem de dicha termocupla con sus juntas a T1 T2 mas la fem de la misma termocupla con sus juntas a las temperaturas T2 T3.

“LEY” DE LAS TEMPERATURAS SUCESIVAS:

La relación entre las fem y las temperaturas sucesivas permite aplicar correcciones cuando la temperatura de referencia varía, sumando algebraicamente la tensión que generaría esa junta de referencia al estar a otra temperatura distinta de la referencia de la tabla.

RELACIÓN DE LAS TERMOCUPLAS CON UN MATERIAL EN COMÚN:

Las temperaturas de las juntas son T1 T2 y en esas condiciones un par de metales A, C genera la tensión Eac

, y otro par C, B genera la tensión Ecb entonces la tensión que generará el par A,B o sea Eab es la suma algebraica de las tensiones de los pares que tienen un metal en común es decir Eab = Eac + Ecb.

TABLAS DE TERMOPARES:

Los pares mas usados tienen tabulaciones de su salida en milivoltios para el rango de temperaturas en los que es conveniente aplicarlos , la temperatura de referencia de las tablas es en general 0ºC.

Tablas de termopares

Durante el año 1986. se uniformizaron las normas europeas DIN (alemanas), BS (inglesas), NF (francesas) y las antedichas ANSI (norteamericanas) en cuanto a la correlación de temperaturas y fem, así como en lo que hace a las tolerancias de estas fem en las distintas aleaciones. Esto ha quedadohomologado en la norma IEC 584(International Electrotechnical Commission).

Cambiar la temperatura de la referencia

Las juntas de referencia se mantenían en en baño de hielo fundiendo, pero hoy en día la temperatura de referencia se mide con otro sistema y se corrige respecto de cero . La verdadera referencia es el punto triple del agua pero rara vez se necesitará esa exactitud.

Cambiar la temperatura de la referencia

Por ejemplo :si en la realidad se usara una temperatura estabilizada de 30ºC para la junta fría, la fem generada será menor, pues será la tabulada respecto de cero grados menos la tabulada la para 30ºCrespecto de cero.

Para hallar la temperatura habrá que sumarle a la fem de la medición la fem de los 30ºC que usamos como referencia en este caso.

Cambiar la temperatura de la referencia.Vemos que la lectura es de 3,732 , para obtener los 5,268 correspondientes a los 100ºC hay que agregar los 1,536 mVcorresponedientes a la Junta fria a( 30ºC)

1.- Tipo E Cromel –Constantan.

2.- Tipo J Hierro –Constantan.

3.- Tipo K Cromel –Alumel.

4.- Tipo R Platino-Platino Rodio13%.

5.- Tipo S Platino-Platino Rodio 10%.

6 .- Tipo B Pt Rh 6%–Pt Rh 30%.

SENSIBILIDADES

Una de las sensibilidades mas elevadas está en el orden de 60µV/ºC para el par Cobre Constantan a 350ºC (Tipo T)

De la tabla350ºC 17,816 mV349ºC 17,756 mVDiferencia para 1ºC 0,060 mV

SENSIBILIDADES

En cambio la Platino-Platino Rodio 10% Tipo S que entre 349 y 350ºCda 10µV/ºC .

De la tabla350ºC 2,786 mV349ºC 2,776 mVDiferencia para 1ºC 0,010 mVTablas Ref Bibliografica 2 (Creus Sole)

SENSIBILIDADESComparemos las

sensibilidades , en con respecto al par tipo J

que vimos anteriormente.

En la R tenemos 0,647mV en los 100ºCen cambio en la tipo J como vimos 5,268mVes decir casi 10 veces

mas, y para un PT100 de Pt con una I =

0,001Aobtenemos 38,5 mV

Aumento de Sensibilidad

Fuente Juntas en Serie TermopilasDOEBELIN Página 531 Referencia Bibliografica 1

La termo pila permite el aumento de sensibilidad mediante la sumas de tensiones de juntura en serie. Existen productos que incluyen 25 termocuplasCromel Constantan y tienen una sensibilidad del orden de 2mV/ºC.

EXACTITUDES

En las aplicaciones donde se usan alambres standard sin una calibración específica , donde se debe descansar en características estadísticas del material provisto no son muy elevadas.

Dentro de este caso las mas exactas son las de Pt –Pt Rh. que se pueden considerar en el +/- 0.25% de la medición. Estos valores están resumidos en la Tablas (Ref. Bibliográfica 2 ).

Exactitudes TablaLas clases tienen

que ver con la pureza del

material, es decir procedimientos de

fabricación

Bibliografia 01

Referencia Bibliográfica 1Measurement Systems Application and Design

Ernest O. DoebelinDepartment of Mechanical Engineering The Ohio State UniversityMc Graw Hill Isbn 0-07- 017336-2

Referencia Bibliográfica 2Instrumentación Industrial

5ª EdiciónDr. Ing. Industrial Antonio Creus SoléMarcombo Boixareu Editores

Isbn 84-267- 0911-7Barcelona

Referencia Bibliográfica 3Instrumentación de Procesos Industriales

Héctor P. PolentaTomo II

Bibliografia 01

Referencia Bibliográfica 04Elementos Primarios de Medición : SensoresIng. Héctor O. AcostaDivisión Mantenimiento de Sistemas de ControlSerie Técnico Informativa Nº 90 Julio 1978Sociedad Mixta Siderurgia ArgentinaPlanta General SavioDepartamento de Personal.Serie Técnico- Informativa Nº 90Julio 1978

Referencia Bibliográfica 05¿Cómo seleccionar sensores de temperatura?TelemeterIng. Rolando A. Navesnik