¿Qué es un termopar?
Los termopares son una forma popular y barata de medir la temperatura. El termopar es un dispositivo sencillo: dos cables de diferentes metales soldados en un extremo. Pero este “sencillo” dispositivo plantea muchos retos a un sistema de medición, como la necesidad de amplificación, filtrado y compensación de la unión fría (CJC).
Cuando se conectan por pares, son sensores sencillos y eficaces que emiten una tensión continua extremadamente pequeña y proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos uniones en un circuito termoeléctrico cerrado (véase la figura 1).
Figura 1: Circuito básico de termopar tipo T. Un sistema clásico de medición de termopares requiere dos sensores: uno para el entorno que se va a medir y el otro para una unión de referencia, normalmente mantenida a 0 °C (32 °F).
Una de las uniones se mantiene normalmente a una temperatura de referencia constante mientras que la unión opuesta se sumerge en el entorno que se va a medir. El principio de funcionamiento depende del valor único de la fuerza electromotriz (FEM) térmica medida entre los extremos abiertos de los cables y la unión de dos metales distintos mantenidos a una temperatura específica.
Las uniones de los termopares por sí solas no generan tensiones. La tensión o diferencia de potencial que se desarrolla en el extremo de salida (abierto) es una función tanto de la temperatura de la unión T1 como de la temperatura del extremo abierto T1′. T1′ debe mantenerse a una temperatura constante, como 0 °C, para garantizar que la tensión del extremo abierto cambie en proporción a los cambios de temperatura en T1. En principio, un termopar puede fabricarse con dos metales diferentes, como el níquel y el hierro. En la práctica, sin embargo, sólo unos pocos tipos de termopares se han convertido en estándar porque sus coeficientes de temperatura son muy repetibles, son resistentes y producen tensiones relativamente pequeñas. Los tipos de termopares más comunes son los denominados J, K, T y E, seguidos de N28, N14, S, R y B. En teoría, la temperatura de unión puede deducirse a partir de la tensión Seebeck consultando las tablas estándar. En la práctica, sin embargo, esta tensión no puede utilizarse directamente porque la conexión del cable del termopar con el terminal de cobre en el propio dispositivo de medición constituye una unión de termopares (a menos que el cable del termopar también sea de cobre) y produce otro EMF térmico que requiere compensación.
La diferencia de tensión que se desarrolla en el extremo abierto del termopar es bastante pequeña en el rango de los uV. Esta tensión no puede medirse con precisión utilizando un dispositivo DAQ multifunción típico con, por ejemplo, un rango de 0-10 V. Esta pequeña señal requiere una ganancia del orden de x100, que no suele estar presente en los dispositivos DAQ multifunción tradicionales. Además, como los termopares generan una tensión relativamente pequeña, el ruido siempre es un problema. Las fuentes de ruido más comunes son las líneas de alimentación de CA (50 Hz o 60 Hz). Dado que el ancho de banda de la mayoría de los sistemas de temperatura es inferior a 50 Hz, un simple filtro en cada canal puede reducir el ruido de la línea de CA que interfiere. Los filtros más comunes son los pasivos, que sólo utilizan resistencias y condensadores, y los activos, que utilizan estos componentes junto con los amplificadores operacionales. Mientras que un filtro RC pasivo es barato y funciona bien para los circuitos analógicos, no se recomienda para un extremo frontal multiplexado porque la carga del multiplexor puede cambiar las características del filtro. Un filtro activo compuesto por un amplificador operacional y algunos componentes pasivos funciona bien en sistemas multiplexados, pero es más caro y complejo.
Compensación de uniones frías
Los baños de hielo y las uniones de referencia múltiple en los grandes bancos de pruebas pueden ser difíciles de configurar y mantener, pero afortunadamente todos ellos pueden eliminarse. La corrección de CEM necesaria en los terminales puede referenciarse y compensarse con los estándares del NIST mediante un software informático. Cuando se eliminan los baños de hielo, la compensación de la unión fría sigue siendo necesaria para obtener mediciones precisas de los termopares. El software tiene que leer la temperatura del bloque isotérmico. Una técnica muy utilizada es un termistor montado cerca del bloque de terminales isotérmico y conectado a los cables del termopar externo. No se permiten gradientes de temperatura en la región que contiene el termistor y los terminales. El tipo de termopar utilizado está preprogramado para su respectivo canal, y los datos de entrada dinámicos para el software incluyen la temperatura del bloque isotérmico y la temperatura ambiental medida. El software utiliza la temperatura del bloque isotérmico y el tipo de termopar para calcular la temperatura del sensor mediante una ecuación polinómica. Este método permite conectar simultáneamente muchos canales de termopar de distintos tipos mientras el ordenador se encarga automáticamente de todas las conversiones.
Detección de termopares abiertos
La detección de termopares abiertos de forma fácil y rápida es especialmente crítica en sistemas con muchos canales. Los termopares tienden a romperse o a aumentar su resistencia cuando se exponen a vibraciones, a una mala manipulación y a un largo tiempo de servicio. Un sencillo circuito de detección de termopares abiertos consiste en un pequeño condensador colocado a través de los cables del termopar y accionado con una corriente de bajo nivel. La baja impedancia del termopar intacto presenta un cortocircuito virtual al condensador, por lo que no puede cargarse. Cuando un termopar se abre o cambia significativamente de resistencia, el condensador se carga y conduce la entrada a uno de los carriles de tensión, lo que indica que el termopar está defectuoso (véase la figura 2)
Figura 2: Detector de termopar abierto. El termopar proporciona una ruta de cortocircuito para la CC alrededor del condensador, evitando que se cargue a través de las resistencias. Cuando el termopar se abre -debido a una manipulación brusca o a vibraciones- el condensador se carga e impulsa el amplificador de entrada a los raíles de la fuente de alimentación, señalando un fallo.
Dispositivos de medición de termopares
Los dispositivos DAQ que no están diseñados específicamente para las mediciones de termopares carecen del acondicionamiento de la señal y el CJC necesarios para medir con precisión los termopares. Los dispositivos como el DAQ USB-TC cuentan con un rango de ±0,080 V, A/D de 24 bits por canal y un proceso de calibración trazable al NIST. Estos dispositivos proporcionan la medición de temperatura más precisa posible, ya que la precisión de la electrónica de medición interna supera las especificaciones de precisión de los sensores de termopar.
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Marcelo Alejandro Altesini
Asesor Comercial
Licenciado en Sistemas de Automatización y Control Industrial
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