Tecnología de las sondas de termopar

por el 11 de mayo del 2017 en Detección Blog

TECNOLOGÍA DE LAS SONDAS DE TERMOPAR

La tecnología y funcionamiento de los termopares son totalmente distintas a las termo-resistencias PT-100 vistas en el Blog anterior.
Los termopares ya no son elementos pasivos, como las sondas PT-100. Generan una fuerza electromotriz (Tensión, mV) que es lineal con respecto a la temperatura a la que se encuentra la unión caliente de los termopares.

Vamos a explicar el fundamento de su funcionamiento que se basa en el efecto de Seebeck.
Thomas Seebeck descubrió, en 1831, que se establecía una corriente eléctrica en un circuito cerrado formado por dos metales distintos cuando una de sus uniones se calentaba manteniendo fría la otra unión.

El valor y la dirección de la corriente está en relación a la diferencia de temperatura entre las uniones y en la naturaleza de los dos metales.

Veamos un croquis ilustrativo de este efecto:

termopar_esquema_principio

 

El circuito de la figura anterior no tiene ninguna utilidad práctica. Pero si separamos la unión fría tenemos el siguiente circuito:

 

termopar_esquema_principio1

 

Luego, ahora tenemos una tensión proporcional al calentamiento de la unión caliente, que podemos leer con un voltímetro.

Esta tensión, denominada fuerza electro-motriz (f.e.m), se corresponde con la fórmula:

f.e.m = a + bt + ct2

en donde “a” , ” b”  y  “c” son constantes que dependen de la pareja de metales que componen el termopar y “t” es la temperatura a la que se encuentra la unión caliente.
Así pues, un instrumento que lea la tensión (f.e.m) generada en un termopar, puede calcular la temperatura a la que se encuentra.
Esto es así porque los equipos basan su funcionamiento en un microprocesador que puede realizar operaciones matemáticas y dispone de memoria para almacenar datos.
Como consecuencia de los estudios de Seebeck se ha llegado al enunciado de los tres principios básicos de la termoelectricidad:

1) En un circuito formado por un solo metal la f.e.m es cero, independientemente de la temperatura a la que se encuentren distintos puntos del circuito.

2) Si se interrumpe un circuito eléctrico en una de sus uniones y se intercala un nuevo metal, la f.e.m generada no cambia a condición de que se mantengan constantes todas las temperaturas (tanto la de la unión caliente como la de las nuevas uniones).

3) En un circuito formado por dos metales distintos, la f.e.m generada es diferente de cero si las temperaturas de la unión fría y de la unión caliente son distintas.

Pero surge un problema, porque si conectamos directamente un voltímetro a los polos +  y  – del termopar, estamos creando otras dos uniones de termopar, que son las producidas entre los tornillos del voltímetro y los dos metales del termopar.

El circuito termoeléctrico equivalente es:

termopar_esquema_compensacion1

 

Por lo tanto el voltímetro medirá la suma de las tres tensiones y la lecturá será errónea. Pero no hay que alarmarse pues existen soluciones para resolver este problema.
La solución pasa por tener las dos nueva uniones a una temperatura conocida para saber la f.e.m. de cada una de ellas y compensar la lectura.

Hay fabricantes que ponen los dos tornillos de conexionado del termopar en un bloque isotérmico, cuya temperatura es medida por una pequeña sonda (suele ser un termistor ó una termorresistencia) y por lo tanto se puede saber los mV que corresponden a esas uniones y se resta, dichos valores, de la tensión total leída por el equipo.

En el croquis se puede apreciar la resistencia Rt correspondiente a la sonda que detecta la temperatura del bloque isotérmico (en gris oscuro en el croquis).

Las f.e.m. que se generan son:

V1 = mV generados en la unión Metal X – Metal Y
V2 = mV generados en la unión Metal X – Cobre (Cu)
V3 = mV generados en la unión Metal Y – Cobre (Cu)

Por lo tanto, el voltímetro lee la tensión:

V = V1 + V2 + V3

 

y como se sabe la temperatura a la que están la dos uniones de los tornillos, se conoce las tensiones V2 y V3. Por lo tanto:

 

V1 = V – V2 – V3

 

Al saber el valor de V1, el microprocesador del regulador visualiza en la pantalla la temperatura a la que se encuentra la unión caliente del termopar.
Naturalmente, para usar este sistema de compensación de lectura de la unión fría del termopar, se requiere una sonda auxiliar y un circuito de lectura de dicha sonda. Esto significa un coste extra en la fabricación de los reguladores de temperatura.

En su afán de abaratar costos, los fabricantes de equipos, han implantado otra solución para compensar el error de lectura. En la actualidad hay marcas que fabrican sus equipos con una compensación de lectura fija a 20 ºC ó a 25 ºC.

Naturalmente, esta solución abarata los equipos, pues no hay que preveer ni la sonda de temperatura auxiliar interna, ni el circuito lector de dicha sonda, pero tiene el inconveniente de que la lectura solo es correcta si la temperatura ambiente coincide con los grados a los que está compensada la lectura.

De todas formas este sistema es el más usado en la industria, pues el error suele ser pequeño. Además, como los termopares se usan a temperaturas a partir de 250 ºC ó 300 ºC, el error introducido es despreciable y se puede trabajar bien.

¡Muchas gracias por leernos!

 

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