Cómo funcionan los termopares: efecto Seebeck, uniones y selección en el mundo real

A El termopar funciona porque dos metales diferentes unidos en un punto generan un pequeño voltaje cuando ese punto se calienta o enfría. El voltaje no es una fuente de energía con la que puedas hacer funcionar un motor; es una señal, a menudo de sólo unos pocos milivoltios, que un transmisor o controlador convierte en una lectura de temperatura. Esto hace que los termopares sean la opción predeterminada para la temperatura de los gases de escape, el monitoreo de hornos, el tratamiento térmico y muchos procesos industriales donde la respuesta rápida y los límites de alta temperatura importan más que la precisión absoluta.

Las consecuencias prácticas se derivan de ese único principio: la unión debe estar aislada de tierra, la segunda unión, llamada unión fría, debe ser conocida y los cables deben coincidir con el tipo de termopar. A continuación analizamos la física, el hardware, los tipos comunes, la compensación de unión fría y los errores de selección que causan la mayoría de las fallas en el campo.

Cómo el efecto Seebeck produce una señal utilizable

Cuando dos metales diferentes, como las aleaciones de níquel-cromo y níquel-silicio en un termopar tipo K, se unen en un extremo, una diferencia de temperatura entre ese extremo de medición y el otro extremo produce una fuerza electromotriz. Este es el efecto Seebeck. Para un par tipo K, la salida es aproximadamente 41 microvoltios por grado Celsius de diferencia de temperatura. Ese número suena pequeño y lo es. Por lo tanto, el transmisor necesita una alta impedancia de entrada y un buen rechazo del ruido, porque la señal se ve fácilmente inundada por interferencias eléctricas.

El voltaje tampoco es perfectamente lineal con la temperatura. En un rango estrecho, una aproximación en línea recta puede ser suficiente. En un amplio rango, el controlador debe utilizar una tabla de referencia estándar o un ajuste polinómico. El extremo frío del circuito, generalmente en los terminales del transmisor, es parte de la medición, lo desee o no. Si la temperatura del terminal cambia, la lectura cambia con ella.

Unión caliente y unión fría

La unión caliente es el punto que toca el proceso. A menudo se suelda en una pequeña cuenta y se coloca dentro de una funda protectora. La unión fría es el punto donde los cables del termopar se encuentran con el circuito de cobre del instrumento. Un termopar no mide la temperatura absoluta solo en la unión caliente; Mide la diferencia entre las dos uniones. Es por eso que un termopar conectado a un medidor sin compensación de unión fría leerá incorrectamente cada vez que la temperatura de la habitación o del gabinete cambie.

Lo que realmente mide el medidor

El instrumento mide una diferencia de voltaje. No conoce la temperatura de la unión caliente a menos que también conozca la temperatura de la unión fría. Los transmisores modernos miden la temperatura terminal con un termistor o sensor integrado, convierten esa temperatura en un valor equivalente en milivoltios, la suman al voltaje medido y luego linealizan el resultado. Si pasa un cable de cobre común desde el termopar hasta el instrumento, crea una nueva unión en el punto de conexión y pierde la compensación para la que fue diseñado el sistema.

Anatomía de un conjunto de termopar real

Un termopar en funcionamiento consta de más de dos cables trenzados. Cada parte del conjunto afecta el tiempo de respuesta, el límite de temperatura y la vida útil. Los componentes principales son los termoelementos, la unión de medida, el aislamiento, la funda protectora y el conector o transmisor.

• Termoelementos: dos aleaciones diferentes que coinciden con un tipo estándar, como el tipo K, J, T, E, N, R, S o B.
• Unión de medición: expuesta, conectada a tierra o sin conexión a tierra. Una unión conectada a tierra responde más rápido pero puede crear bucles de tierra. Una unión sin conexión a tierra está aislada pero es más lenta.
• Aislamiento: óxido de magnesio, perlas de cerámica u otros materiales de alta temperatura que evitan que los cables entren en cortocircuito entre sí o con la funda.
• Funda protectora: acero inoxidable, Inconel o cerámica. La funda debe sobrevivir a la atmósfera del proceso, la presión y la vibración mecánica.
• Conector o transmisor: mantiene la polaridad, proporciona compensación de unión fría y convierte la señal de milivoltios en una salida digital o de 4-20 mA.

La conexión a tierra es una fuente frecuente de problemas. Una unión conectada a tierra proporciona un contacto térmico excelente, pero si la funda toca una superficie eléctricamente activa, el circuito de medición puede captar ruido o incluso dañar la entrada. Un cruce sin conexión a tierra cuesta un poco de velocidad de respuesta, pero a menudo ahorra horas de resolución de problemas.

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Tipos de termopares comunes y dónde encajan

La selección del tipo depende del rango de temperatura, la atmósfera, la precisión y el costo. La siguiente tabla ofrece un punto de partida práctico para los termopares de metales básicos y nobles más comunes.

Los valores de sensibilidad son aproximados a temperatura ambiente y varían con la temperatura de la unión de referencia.

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Compensación de juntas frías en cuatro pasos prácticos

La compensación de unión fría suena matemática, pero la implementación en el campo es sencilla. El objetivo es hacer que el instrumento crea que la unión fría está siempre a 0 °C, aunque los terminales en realidad estén ubicados en un gabinete cálido o en un recinto exterior frío.

1. Mida la temperatura terminal. El transmisor utiliza un termistor, RTD o sensor de temperatura integrado montado cerca de los terminales donde se conectan los cables del termopar.
2. Convierta esa temperatura en un voltaje equivalente. Utilizando la tabla estándar del termopar, el instrumento calcula cuántos milivoltios generaría la unión fría si fuera la unión caliente.
3. Agregue el voltaje de compensación. El voltaje medido del termopar se suma al voltaje equivalente de la junta fría para obtener el voltaje total que corresponde a la temperatura real de la junta caliente.
4. Linealizar y generar. El instrumento aplica una búsqueda polinómica o de tabla para convertir el voltaje total en una temperatura, luego envía 4-20 mA, HART o un valor digital al sistema de control.

Un baño de hielo es la referencia clásica de laboratorio para 0°C, pero no resulta práctico para la mayoría de las plantas. La compensación electrónica ahora es estándar. La única regla que nunca cambia es que el cable de extensión y los bloques de terminales deben coincidir con el tipo de termopar. El cable de cobre no puede transportar una señal de termopar sin crear una nueva unión no compensada.

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Errores comunes que hacen que los buenos termopares se lean incorrectamente

La mayoría de los problemas de los termopares no son causados por el sensor en sí. Provienen de un cableado incorrecto, una mala instalación o una compensación faltante. La siguiente tabla combina las quejas de campo más frecuentes con soluciones prácticas.

Una verificación rápida con una fuente de temperatura conocida a menudo revela si el error está en el sensor, el cableado o la configuración del transmisor.

Notas de selección y seguridad antes de instalar

Comience con la temperatura del proceso, no con el tipo de termopar. Luego agregue la atmósfera, la precisión requerida, el tiempo de respuesta y la protección mecánica. Un sensor tipo K con funda de acero inoxidable puede ser perfecto para un conducto de gases de combustión, pero puede fallar rápidamente en una atmósfera reductora o en contacto con ciertos metales fundidos.

• Confirme el tipo de termopar, el calibre del cable, el estilo de unión y el material de la funda con respecto al entorno real.
• Mantenga el cableado del termopar alejado de los cables de alimentación. La señal de milivoltios es fácil de corromper.
• Utilice el cable de extensión y los bloques de terminales correctos. Una regleta de terminales de cobre crea una unión no deseada.
• En áreas peligrosas, utilice un transmisor o barrera intrínsecamente seguro y siga la clasificación del área.
• Recuerde que una funda caliente puede quemar. Permita un tiempo de enfriamiento antes del mantenimiento y nunca asuma que un termopar está desenergizado solo porque genera su propia señal.

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Un termopar es un dispositivo simple con una cadena de medición exigente. Dos metales diferentes crean un voltaje, pero ese voltaje solo se convierte en una lectura de temperatura confiable cuando se compensa la unión fría, los cables coinciden con el tipo y la funda se adapta al proceso. Si tiene en cuenta esas tres condiciones, la mayoría de las instalaciones de termopares serán precisas, repetibles y duraderas.