Mediciones de Temperatura

Mediciones de Temperatura, Termocuplas (apunte 01)
Síntesis Prof. Ing. Eduardo Néstor Alvarez
http://www.fi.uba.ar/laboratorios/lscm/SITIOCON.htm
Los transductores eléctricos temperatura utilizan diversos fenómenos entre los cuales figuran:
Variación de resistencia en un conductor (sondas resistivas).
Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).
fem creada en la unión de dos metales distintos (termocuplas).
En esta sección nos dedicaremos a estos últimos
Un termocupla se compone de dos hilos de diferentes metales unidos en sus extremos (Figura
1.01). Una junta es la junta caliente o de medición y la otra la de referencia o junta fría. Thomas
Seebeck en 1821 describió el fenómeno que consiste en la circulación de una corriente en dicho
circuito.
figura 1.01
El fenómeno descripto por Seebeck ocurre por la combinación de dos efectos termoeléctricos
combinados, el efecto Peltier y el efecto Thomson, éstos están sobre impuestos con el efecto
Joule.
Estos efectos se pueden ver como fuerzas electromotrices generadas en cada caso a saber:
1. El efecto Peltier 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. Jean Peltier
descubre su efecto en 1834.
Este efecto se puede manifestar también como la absorción o liberación de energía térmica
cuando en una junta de metales diferentes circula una corriente. Ver figura 1.02.
Figura 1.02 Efecto Peltier
2. El efecto Thomson da la relación entre la fem generada en un conductor homogéneo
simple y la diferencia de temperatura entre sus extremos. Esta fem crece con la
diferencia de temperaturas y depende del metal en cuestión. Figura 03. 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.
Como vemos por las observaciones anotadas en 1 y en 2 esos fenómenos son reversibles, no
lo es así el efecto Joule.
Figura 1.03 Efecto Thomson
La corriente que circula en el circuito de la figura 1 es la que generan las fem de los efectos
Peltier y Thomson es decir la tensión de Seebeck.
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Figura 1.04
Signos de las Tensiones en la Circulación en la Termocupla
E
SBCK
= E PLTABT − E PLTBAT + E ThA − E ThB
2
1
Expresión de la tensión de Seebeck donde:
ESBCK es la tensión de Seebeck.
EPLTABT es la tensión de Peltier en la unión de los metales A,B a la temperatura T2.(medición)
EPLTBAT es la tensión de Peltier en la unión de los metales B,A a la temperatura T1
EThA es la tensión Thomson en el conductor A.
EThA es la tensión Thomson en el conductor B.
2
1
Las tensiones de Thomson dependen de las temperaturas T2 (medición) y T1 (referencia) ya que
en el circuito de ejemplo éstas representan los gradientes , como así también de las
características de cada uno de los metales A, B.
Los signos dependerán del sentido en que se circula en la red. En la figura 4 los dos primeros
términos serán de sentidos opuestos y lo mismo sucede con los dos segundos términos entre sí.
Se recomienda para profundizar en el tema la referencia bibliografica 3
LEYES DE LAS TERMOCUPLAS
La costumbre da para la aplicación práctica algunas leyes básicas que salen de combinar los
efectos termoeléctricos y las leyes de los circuitos eléctricos, por lo que en realidad no son leyes.
Se hace uso de sus enunciados para generar los sistemas de medición.
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“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 LOS TEMPERATURAS INTERMEDIAS
En 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. Ver Figura 1.05
Figura 1.05
“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.
Ver figura 1.06
Figura 1.06
La aplicación de esa ley permite hacer las extensiones de las termocuplas con otros materiales
distintos de los del par sensor en sí.
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Figura 1.07
En la figura 1.07 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.
Veremos una Variante
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 . Ver Figura 1.08.
Figura 1.08
En este caso el metal intermedio representa el instrumento de medición.
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“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.Ver Figura 1.09
Figura 1.09
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.
Ejemplo:
Supongamos que la referencia de la tabla es 0ºC y que la llamamos T1
La temperatura de medición es T3.
La temperatura ambiente de referencia es T2 distinta de la referencia de la tabla.
La fem que obtendremos en la medición es E2.
La fem que generaría la junta fría respecto de la referencia de la tabla es E1
Para obtener la temperatura que queremos medir debemos entrar en la tabla con E2 + E1
Esta última Fem que resulta de la suma, es la que daría la medición si la junta fría estuviese a la
temperatura de 0ºC y que la llamamos T1 referencia de la taba.
RELACIÓN DE LAS TERMOCUPLAS CON UN MATERIAL EN COMÚN:
Supongamos que 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. Ver Figura 1.10.
Figura 1.10
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CURVAS CARACTERÍSTICAS DE TERMOPARES:
Los pares mas usados tienen tabulaciones de su salida en milivoltios para el rango de
temperaturas en los que es conveniente aplicarlos , hay que fijarse con qué temperatura de
referencia han sido hechas las tablas en general se considera la junta fría a 0ºC.
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 30ºC respecto 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.
En la Figura 1.11.se grafican las fem producidas por distintas termocuplas respecto de las
mismas a 0ºC como temperatura de referencia.
La sensibilidad de las termocuplas no es constante, depende de la temperatura, es decir no son
lineales
SENSIBILIDADES
Una de las sensibilidades mas elevadas está en el orden de 60µV/ºC (Según Doebelin Ref.
bibliográfica 1) para el par Cobre Constantan a 350ºC.
En cambio la menos sensible Platino-Platino Rodio que entre 0 y 100ºC da 6µV/ºC.
Entonces 1µV es 1micro Volts, sensibilidad que de mantenerse dará un incremento de la salida
solo 0.6 mV en los 100ºC.
EXACTITUDES
Las 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 Tabla 2.02 Ref. Bibliográfica 2.
Bibliografía
Referencia Bibliográfica 1
Measurement Systems Application and Design
Ernest O. Doebelin
Department of Mechanical Engineering The Ohio
State University
Mc Graw Hill Isbn 0-07- 017336-2
Referencia Bibliográfica 2
Instrumentación Industrial
5ª Edición
Dr. Ing. Industrial Antonio Creus Solé
Marcombo Boixareu Editores
Isbn 84-267- 0911-7
Barcelona
Referencia Bibliográfica 3
Instrumentación de Procesos Industriales
Héctor P. Polenta
Tomo II
Referencia Bibliográfica 04
Elementos Primarios de Medición : Sensores
Ing. Héctor O. Acosta
División Mantenimiento de Sistemas de Control
Serie Técnico Informativa Nº 90 Julio 1978
Sociedad Mixta Siderurgia Argentina
Planta General Savio
Departamento de Personal.
Serie Técnico- Informativa Nº 90
Julio 1978
Referencia Bibliográfica 05
¿Cómo seleccionar sensores de temperatura?
Telemeter
Ing. Rolando A. Navesnik
1.- Tipo E Cromel – Constantan
2.- Tipo J Hierro – Constantan
3.- Tipo KCromel – Alumel
4.- Tipo R Platino-Platino Rodio13%
5.- Tipo S Platino- Platino Rodio 10%
6 .- Tipo B Pt Rh 6%–Pt Rh 30%
Figura 1.11
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Figura 12
La termo pila , ver figura 12, permite el aumento de sensibilidad mediante la sumas de tensiones
de juntura en serie. Existen productos que incluyen 25 termocuplas Cromel Constantan y tienen
una sensibilidad del orden de 2mV/ºC. Referencia Bibliográfica 1
Fuente Juntas en Serie Termo pilas DOEBELIN Página 531 Referencia Bibliografica 1
Para casos especiales se recomienda ver Métodos Indirectos con Termocuplas Página527
DOEBELIN termocupla pulsada
Medición Rápida de temperatura superficial de un Solido DOEBELIN Pag.530