sensores y actuadores: termocuplas

SENSORES Y ACTUADORES

CAPITULO IVSENSORES DE TEMPERATURA

Termopares

ACTUADORES Y SENSORES Captulo 4 Pag:2/28

Termopares

Condiciones para un termmetro de termoparesEn el anlisis del efecto Seebeck, definimos que la fuerza electromotrz generada en la unin de dos metales se poda expresar por la ecuacin:dU

th= s(T). dT (4.22)

Volt-metro

A

B

C

CEsquema 1: Conexin para medicin del efecto Seebeck

T1

T0


Termopares

Condiciones para un termmetro de termoparesAll claramente se nota la dependencia no de la temperatura del medio, sino del gradiente de temperatura contra una referencia.Para acentuar esta dependencia podemos reescribir la ecuacin 4.22 en funcin incluso de la longitud de los componentes:dU

th= s(T,x).(dT/dx).dx (4.48)

Dnde dx es un elemento infinitesimal de la longitud de los cables y el coeficiente Seebeck tambin es dependiente del gradiente de temperatura a lo largo de los conductores y la posicin de la unin


Termopares

Condiciones para un termmetro de termoparesEstas condiciones parecen volver inaplicable la realizacin de un termmetro con las caractersticas del esquema 1, pues deberamos conocer los coeficientes de todos los componentes, incluso los del medidor de tensin.Para empezar a buscar una solucin se definen dos teoremas bsicos para los termopartes o termocuplas: Teorema 1: Si no hay gradiente de temperatura a lo largo de los conductores (dT/dx=0), es decir reinan condiciones isotrmicas, no se produce la tensin Seebeck Teorema 2: Si los conductores son homogneos, s(T,x)=s(T), entonces la tensin Seebeck slo depende de las temperaturas en los puntos de unin


Termopares

Condiciones para un termmetro de termoparesSi aplicamos el teorema 1 para la conexin del medidor de tensin del esquema 1, debemos tener la precaucin de que este y sus cables estn en condiciones isotrmicas, es decir, lejos de una fuente puntual de calor/ fro, seleccionar adecuadamente los materiales de los conectores y cables (p.e cables de cobre y conectores de bronce). Con esto minimizamos el aporte de tensin Seebeck del instrumento de medicin.Para compensar el efecto de inhomogeneidad de material se debe tener cuidado en la seleccin de los materiales A, B y C, evitando que sufran distorsiones mecnicas (tratamiento trmico) o qumico.Pero en el punto de unin es muy difcil mantener la homogeneidad, por lo que esto requiere un cuidado muy especial


Termopares

Condiciones para un termmetro de termoparesEn la fabricacin de los termopares existe una regla de oro en funcin de las uniones:LAS UNIONES NO DEBEN GENERAR TENSIONPor ende las uniones deben ser cada una isotrmicas y lo ms homogneas posible. Es importante entonces definir el tamao de la unin para asegurar un ambiente isotrmico y la aplicacin del instrumento:Para rangos bajos: soldaduras con estao o latn (a tope o trenzado)Para rangos altos: soldaduras sin aporte y en un medio que mejore las condiciones isotrmicas (burbuja de gas/cobertura mineral)Para velocidad de respuesta: engrampado o soldadura en un punto


Termopares

Condiciones para un termmetro de termopares

Soldadura a tope Soldadura con estao o latn

Engrampado Soldadura en un punto

Soldadura en una burbuja de gas Soldadura en relleno mineral y vaina metlica


Termopares

Condiciones para un termmetro de termoparesTras todas estas observaciones y siguiendo el teorema 2, podemos concluir que la tensin Seebeck de toda la instalacin del esquema 1 sera:

Utotal

= UA(T1) U

A(T0) + U

B(T1) - U

B(T0) + U

C(T0) - U

C(T0)

Utotal

= UA(T1) U

A(T0) + U

B(T1) - U

B(T0) = U

AB(T1)-U

AB(T0) (4.49)

Adicionalmente se ha definido T0 como 0C y UAB

(T0)=0 V, por lo que finalmente:U

total= U

AB(T1) (4.50)


Termopares

Tipos de termoparesTermopares Bsicos:Los metales y aleaciones utilizadas son de bajo costo y son los mas utilizados industrialmente, dado que las aplicaciones admiten un margen de error alto.Termopares nobles Son aquellos que utilizan platino en su composicin. Por supuesto, su costo es elevado y exigen instrumentos de alta sensibilidad. Debido a su baja potencia termoelctrica presentan altas precisiones.Termopares especiales:A lo largo de los aos, se han desarrollado diferentes tipos de termopares con alguna caracterstica til para alguna aplicacin en particular.


Termopares

Tipos de termopares Tipos bsicosTipo T

La nomenclatura T est adoptada por la norma ANSI. Los conductores son de cobre y constantan. El cobre tiene una pureza del 99,9% y el constantan es una aleacin de cobre en un 58% y nquel en un 42% aproximadamente.

El rango de utilizacin va desde 200 C hasta 370 C, produciendo una f.e.m. de 5,603 hasta +19,027 mV.

Las aplicaciones mas comunes son en criometra, industrias de refrigeracin, investigaciones agronmicas y ambientales, qumica y petroqumica.


Termopares

Tipos de termopares Tipos bsicosTipo J

Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. La combinacin utilizada es hierro al 99,5 % y constantan. La proporcin es 58% de Fe y 42 de constantan. El rango de utilizacin va desde los 40 C a los 760 C. La f.e.m. va desde 1,960 hasta +42,922 mV.

Se utiliza en centrales de energa, metalrgica, qumica, petroqumica etc.


Termopares

Tipos de termopares Tipos bsicosTipo E

Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinacin de chromel y constantan.

Chromel = Nquel (90%) y Cromo (10%)Constantan = Cobre (58%) y Nquel (42%)El rango de utilizacin va desde los 200 C a los +870

CLa f.e.m. producida es de 8,824 a +66,473 mV.

Las aplicaciones mas comunes son qumica y petroqumica.


Termopares

Tipos de termopares Tipos bsicosTipo K

Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinacin de chromel y alumel.

Chromel = Nquel (90%) y Cromo (10%)Alumel = Nquel (95,4%), Manganeso (1,8%), Silicio (1,6%)

y Aluminio (1,2%) El rango de utilizacin va desde los 200 C a los +1260 CLa f.e.m. producida es de 5,891 a +50,99 mV.

Aplicaciones: metalrgicas, fundicin, cemento y cal, vidrios, cermicas, etc.


Termopares

Tipos de termopares Tipos noblesTipo S

Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinacin de platino con rhodio y platino.

Platino (90%) y Rhodio (10%)Platino (100%)El rango de utilizacin va desde los 0 C a los +1600 CLa f.e.m. producida es de 0 a 16,771 mV.

Aplicaciones: metalrgicas, fundicin, cemento y cal, vidrios, cermicas, etc. Entre 1200 y 1600 C, en algunos casos se utilizan sensores descartables.


Termopares

Tipos de termopares Tipos noblesTipo R

Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinacin de platino con rhodio y platino.

Platino (87%) y Rhodio (13%)Platino (100%)El rango de utilizacin va desde los 0 C a los +1600 CLa f.e.m. producida es de 0 a 18,842 mV.

Aplicaciones: metalrgicas, fundicin, cemento y cal, vidrios, cermicas, etc.


Termopares

Tipos de termopares Tipos noblesTipo B

Nomenclatura adoptada por la norma ANSI. Es una combinacin de platino con rhodio y platino con rhodio.

Platino (70%) y Rhodio (30%)Platino (94%) y Rhodio (6%)El rango de utilizacin va desde los 600 C a los +1700 CLa f.e.m. producida es de 1,791 a 12,426 mV.

Aplicaciones: Altas temperaturas en general.


Termopares

Tipos de termopares Tipos especialesTungsteno Rhenio: termopar que puede ser utilizado en forma continua hasta 2300 C y por periodos cortos hasta 2750 C

Iridio Rhodio/Iridio: Utilizados por periodos limitados hasta 2000C

Oro Hierro/Chromel: Utilizados en temperaturas criognicas


Termopares

Termopares Agrupacin por incertidumbreClase 1 Clase 2 Calse 3

Incertidumbres (+/-) 0.5C o 0.4% 1C o 0.75% 1C o 1.5%Lmites de temperatura para la validez de las incertidumbresTipo T -40 a 350C -40 a 350C -200 a 40CIncertidumbres (+/-) 1.5C o 0.4% 2.5 C o 0.75% 2.51C o 1.5%Lmites de temperatura para la validez de las incertidumbresTipo E -40 a 800C -40 a 900C -200 a 40CTipo J -40 a 750C -40 a 750C 0Tipo K -40 a 1000C -40 a 1200C -200 a 40CTipo N -40 a 1000C -40 a 1200C -200 a 40CIncertidumbres (+/-) 1C + 0.3% de It-1000CI 1.5C o 0.25% 4C o 0.5%Lmites de temperatura para la validez de las incertidumbresTipo R o S 0 a 1600C 0 a 1600C 0Tipo B 0 a 1600C 600 a 1700C 600 a 1700C


Termopares

Termopares Coeficientes Seebeck

a 0 C a 100 CB -0,25 V/C 0,90 V/C 0,033 mVE 58,7 V/C 67,5 V/C 6,32 mVJ 50,4 V/C 54,4 V/C 5,27 mVK 39,5 V/C 41,4 V/C 4,10 mVS 5,40 V/C 7,34 V/C 0,65 mV

Tipo de Termopar

Tensin de salida a 100 C

Coeficientes de Seebeck y tensiones de salida para los termopares utilizados habitualmente. Las dos cifras que representan los coeficientes para cada uno de los tipos muestran la no linealidad a travs de una amplia gama de temperaturas


Termopares

Termopares Cdigos de coloresTIPO

K

J

T

R/S

Norma ASTM Norma BS Norma DIN


Termopares

Termopares Acondicionamiento de seal

Ejercicios:Una termocupla tipo N est dando una lectura de 2050V. La unin de referencia isotrmica se encuentra a 18C en el momento de la lectura. Cul es la temperatura?

1. Los valores de las tablas se obtienen para el punto triple del agua.2. La ecuacin 4.50 es vlida al referenciar al punto triple del agua


Termopares


Solucin:Una termocupla tipo N est dando una lectura de 2050V. La unin de referencia isotrmica se encuentra a 18C en el momento de la lectura. Cul es la temperatura?

Uth= U

1(t)+U

2(18C)

Segn la tabla: U2(18C)= 472V

As: Uth= 2050V+472V= 2522V

Segn la tabla, esta tensin corresponde a t= 91,5C


Termopares

Termopares Acondicionamiento de sealPor el ejercicio se nota que la complejidad de la medicin de temperatura por este sistema se halla en la correccin por la temperatura de referencia..Una solucin anteriormente usual era la de contar con lo que se denomina un block isotrmico, el cual consista en un contenedor ya sea con agua en el punto triple (0C) o en un sistema calefaccionado a 60C en forma controlada. Una de las uniones de la termocupla se encontraba en ese block.Obviamente esto exiga el control constante de las condiciones del block para asegurar la medicinHoy la electrnica lo soluciona de mejor manera.y el block isotrmico es un cabezal de conexiones


Termopares

Termopares Acondicionamiento de sealPara este fin se aprovecha una caracterstica de un transistor bipolar, que en otras aplicaciones se considera como una desventaja, cual es la variacin de la corriente de colector en funcin de la temperatura para una tensin base emisor constante. A la inversa, manteniendo constante la corriente de colector, la tensin base emisor disminuir en funcin de la temperatura.

UBE


Termopares

Termopares Acondicionamiento de sealEl comportamiento de la tensin base emisor es lineal en pequeos rangos, pero se pueden hacer diversas conbinaciones de conexiones incluyendo amplificadores operacionales, hasta obtener la mayor linearidad posible en la banda de trabajo.Se pueden obtener valores desde 200V/K hasta 10mV/K.Estos sensores de temperatura se consiguen comercialmente ya como circuitos integrados, por ejemplo STP35 de TI o LM335 de Matsushita o el AD592 de Analog Devices.Ajustando estos integrados para el rango de temperatura ambiente, se puede obtener el control de la temperatura de referencia segn el siguiente esquema.


Termopares


A

B

C

C

Block isotrmico

=Tr

Uth

Se adiciona a la tensin generada por Tm-Tr en el sensor, una tensin correspondiente a la diferencia Tr-T0, de modo que Uth sea igual a la tensin de Seebeck correspondientes a Tm-T0

Tm


Termopares


Fe

Cu-Ni

Cu

=

Tr

Tm

+A

Utr

Utm

En este caso la correccin por la temperatura ambiente se inyecta a la salida del amplificador operacional, siendo requeridos amplificadores con sensibilidad coordinada con la del termopar y que presente una baja deriva trmica.

Uth


Termopares

Sitios WEB de referenciahttp://www.tecnoedu.com/Pasco/CI6526.phphttp://www.koboldmessring.com/spanish/pdf/t2es_ttd.pdfhttp://www.e-instru.com/cat1_1.htmhttp://www.jumoprocess.comhttp://www.provindus.com.pyhttp://www.endress.com

sensores y actuadores: termocuplas

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