Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Este sería un esquema de ejemplo de una termocupla cualquiera.
Estos dispositivos suelen ir encapsulados en vainas, para protegerlos de las condiciones extremas en ocasiones del proceso industrial que tratan de ayudar a controlar, por ejemplo suele utilizarse acero inoxidable para la vaina, de manera que en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio( cabezal ). Además según la distancia a los aparatos encargados de tratar la pequeña señal eléctrica de estos transductores, también deben utilizarse cables compensados para transportar esta señal sin que la modifique o la modifique de una manera fácilmente reconocible y reversible para los dispositivos de tratamiento de la señal. También se da el caso de que los materiales empleados en la termocupla como el platino puro, hagan inviable económicamente extender la longitud de los terminales de medición de la termocupla
Esquema de conexión de cable compensado y termocupla
Los cables compensados tienen una polaridad de conexión (+) y (-)
que al conectarse con la termocupla se debe respetar. Es importantísimo que estos dos cables compensados sean para el tipo de termocupla que se está usando y además estén conectados con la polaridad correcta ( + ) con ( + ) y ( - ) con ( - ). De otra forma será imposible obtener una medición sin error.
Las termocuplas podrían clasificarse atendiendo a varios criterios como material del que están construidas, su tolerancia o desviación, etc. Durante varios años ha habido diferentes organismos de estandarización de nacionalidades diferentes intentando normalizar la gran variedad de este tipo de sensores e incluso unificar sus criterios de normalización.
ATENDIENDO A LOS MATERIALES DE FABRICACION
Las Termocuplas estándar:
Hay siete tipos de termocuplas que tienen designaciones con letras elaboradas por el Instrument Society of America (ISA). El U.S. National Bureau of Standardg (NBS), por su parte, ha preparado tablas de correlación temperatura f.e.m. para estas termocuplas, las que han sido publicadas por el American National Standards Institute (ANSI) y el American Society for Testing and Materials (ASTM).
Durante el año 1986. se ha procedido a uniformar las normas europeas DIN (alemanas), BS (inglesas), NF (francesas) y las antedichas ANSI (norteamericanas) en cuanto a la correlación de temperaturas y f.e.m. así como en lo que hace a las tolerancias de estas f.e.m. en las distintas aleaciones.
Composición, rango de temperaturas, diámetros de alambre apropiado y fuerzas electromotrices (f.e.m.) correspondientes a distintas termocuplas
Las Termocuplas no estándar :
Hay muchos otros materiales que se utilizan para construir termocuplas además de aquellos que tienen asignada una denominación con letra por la ISA (IEC). Estas otras termocuplas exhiben características especiales que no se encuentran en los tipos estándar, lo cual las hace adecuadas para aplicaciones especiales. las características y la f.e.m. de salida pueden variar de un fabricante a otro, razón por la que se debe consultar al fabricante en relación a aplicaciones específicas.
Hay una aleación en particular, que debernos considerar por separado. Se trata de la aleación hierro-constantán Fe - CuNi. quizás la más difundida antes de la homologación de las normas ANSI MC 96.1 (IPTS - 68) y DIN 43710, las más importantes a nivel mundial.
Características de las termocuplas no estándar
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE CADA TIPO DE TERMOCUPLA
Tipo B
Capacidad para medir temperaturas levemente más altas, mayor estabilidad y resistencia mecánica, y su aptitud de ser utilizada sin compensación de junta de referencia para fluctuaciones normales de la temperatura ambiente. Resultan adecuadas para uso continuo en atmósferas oxidantes o inertes a temperaturas hasta 1.700º C. También resultan satisfactorias durante cortos períodos de tiempo en vacío.
Baja tensión de salida ,incapacidad para ser utilizada en atmósferas reductoras (como ser hidrógeno o monóxido de carbono) y cuando se encuentran presentes vapores metálicos (eso es, de plomo o zinc ) o no metálicos (arsénico, fósforo o azufre). Nunca se la debe usar con un tubo de protección metálico.
Tipo R
Pueden ser utilizadas en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.400º C. La ventaja de la termocupla Tipo R sobre la Tipo B es su mayor f.e.m. de salida.
Nunca se las deben usar en atmósferas reductoras, ni tampoco en aquellas que contienen vapores metálicos o no metálicos u óxidos fácilmente reducidos, a menos que se las protejan adecuadamente con tubos protectores no metálicos. Nunca deben ser insertadas directamente dentro de una vaina metálica
Tipo S
La termocupla Tipo S es la termocupla original platino-rodio. Pueden ser utilizadas en forma continua en atmósferas oxidantes o inertes hasta 1.480º C.
Tienen las mismas limitaciones que las termocuplas Tipo R y Tipo B pero son menos estables que la termocupla Tipo B cuando se las utiliza en vacío.
Tipo J
Para uso continuo en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760º C. Por encima de 540º C, el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la termocupla Tipo J es su bajo costo.
No se deben usar en atmósferas sulfurosas por encima de 540º C. A causa de la oxidación y fragilidad potencial , no se las recomienda para temperaturas inferiores a 0º C . No deben someterse a ciclos por encima de 760º C , aún durante cortos períodos de tiempo, si en algún momento posterior llegaran a necesitarse lecturas exactas por debajo de esa temperatura.
Tipo K
Para uso continuo en vacío y en atmósferas oxidantes, reductoras e inertes.
Su desventaja reside en él hecho de que su límite máximo de temperatura es de tan sólo 370º C para un diámetro de 3,25 mm. Resultan adecuadas para mediciones debajo de 0º C , pero se recomienda para ese propósito a las termocuplas Tipo E.
Tipo E
Posee la mayor f.e.m. de salida de todas las termocuplas estándar. Para un diámetro de 3,25 mm su alcance recomendado es - 200º C a 980º C. Estas termocuplas se desempeñan satisfactoriamente en atmósferas oxidantes e inertes, y resultan particularmente adecuadas para uso en atmósferas húmedas a temperaturas subcero a raíz de su elevada f.e.m. de salida y su buena resistencia a la corrosión.
Resumen de las características de termocuplas estándar
ATENDIENDO A LAS TOLERANCIAS
OTRA DESVENTAJA ADICIONAL: LA COMPENSACION DE CERO
Se debe a que en algún punto, habrá que empalmar los cables de la termocupla con un conductor normal de cobre.
En ese punto se producirán dos nuevas termocuplas con el cobre como metal para ambas, generando cada una un voltaje proporcional a la temperatura de ambiente en el punto del empalme.
Ta* = Temperatura ambiente
Antiguamente se solucionaba este problema colocando los empalmes en un baño de hielo a cero grados para que generen cero voltaje (Ta= 0 y luego V(Ta) = 0 ).
Actualmente todos los instrumentos modernos miden la temperatura en ese punto (mediante un sensor de temperatura adicional ) y la suman para crear la compensación y obtener así la temperatura real.
El punto de empalme (llamado "unión ó juntura de referencia") es siempre en el conector a la entrada del instrumento pues ahí está el sensor de temperatura. De modo que es necesario llegar con el cable de la termocupla hasta el mismo instrumento.
